O badaniach opublikowanych w ACS Catalysis informują przedstawiciele IChF PAN w komunikacie prasowym.

W żywych organizmach rozwinęła się zdolność do regulowania złożonych procesów biochemicznych z niezwykłą skutecznością. W tej regulacji kluczową rolę odgrywają enzymy, naturalne katalizatory. Co więcej, specyficzne cząsteczki organiczne i jony metali wiążą się z enzymami, regulując ich aktywność katalityczną. To wzajemne oddziaływanie aktywatorów i inhibitorów harmonijnie utrzymuje porządek w kaskadzie procesów chemicznych w komórkach.

O ile syntetyczne katalizatory są skuteczne, to już możliwość "włączania" i "wyłączania" katalizatorów na żądanie nie jest już tak efektywne. Ograniczenie to staje się szczególnie krytyczne w modulowaniu procesów przebiegających jednocześnie lub sekwencyjnie - czytamy w komunikacie.

W związku z tym prowadzone są liczne badania nad metodami kontrolowania złożonych procesów w sposób wydajny i przyjazny dla środowiska, ograniczając zużycie dodatkowych chemikaliów, ze szczególnym naciskiem na naprzemienne "uruchamianie" i "zatrzymywanie" wybranych reakcji. Czy można zahamować tylko wybrany proces?

Nowe podejście zaproponowane przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN), kierowanych przez prof. Volodymyra Sashuka, umożliwia łatwą kontrolę nad procesami katalitycznymi za pomocą światła, co może być alternatywą dla chemicznej regulacji szybkości reakcji typowej dla enzymów. W oparciu o zaproponowaną koncepcję możliwe byłoby selektywne spowalnianie lub przyspieszanie reakcji chemicznych w pełni kontrolowany sposób bez degradacji samego katalizatora.

"Pokazujemy, że kataliza może być kontrolowana poprzez ukrycie katalizatora w organicznej monowarstwie, która otacza powierzchnię większej nieorganicznej nanocząstki. Dzięki temu można osiągnąć całkowite zahamowanie aktywności katalitycznej." - twierdzi cytowany w komunikacie prof. Volodymyr Sashuk.

Naukowcy skupili się na przełączaniu reakcji za pomocą nanostrukturalnego materiału, przy czym kataliza jest wszczynana lub zatrzymywana przez zastosowanie określonej długości fali, działając podobnie jak "włącznik światła".

Materiał bazuje na nanocząstkach złota (Au NPs) o wielkości ok. 3 nm dekorowanych na powierzchni organometalicznymi kompleksami rutenu na bazie N-heterocyklicznego karbenu (NHC) za pomocą silnych wiązań Au-S między Au NPs a ligandami tiolowymi.

Zaprojektowany nanostrukturalny układ jest czuły na określony zakres światła, umożliwiając prekatalizatorowi zmianę jego położenia w monowarstwie organicznej oraz kontrolowanie dostępu do substratu i tym samym katalityczną stymulację elektromagnetyczną.

W obecności światła widzialnego lub w ciemności, prekatalizator rutenowy jest wystawiony na działanie roztworu, inicjując i podtrzymując reakcję metatezy. Natomiast gdy system jest poddawany promieniowaniu ultrafioletowemu, ligand ulega izomeryzacji, działając jak "przycisk" blokujący prekatalizator.

Proponowana metoda pozwala na szybką i wysoce wydajną dezaktywację katalizatora bez użycia dodatkowych chemikaliów i umożliwia kontrolę szybkości reakcji.

Naukowcy wierzą, że ich niekonwencjonalne podejście do fotoindukowanej regulacji umiejscowienia prekatalizatora w proponowanym materiale pomoże dostarczyć wiele nowych, funkcjonalnych katalizatorów, które znajdą zastosowanie w różnych dziedzinach, szczególnie w obszarze zwiększania selektywności chemicznej.

Badania zostały sfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki.

PAP Nauka w Polsce

lt/ zan/