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《Nature Chem.》:自组装纳米球成为高效催化剂

  2016/1/18 22:25:40

近年来,超分子化学的快速发展使得模仿自然界大分子的功能成为可能。其中最引人注目的包括模仿生物酶分子的机理来提高催化剂性能。

 

最近,阿姆斯特丹大学Joost N. H. Reek领导的一个科学家小组就利用了这种思路开发出了提高催化性能的新方法。在最近的一期《Nature Chemistry》杂志上,他们提出了一种官能化的自组装纳米球,使其以“纳米富集器”的作用实现高效的催化转化过程。(Self-assembled nanospheres with multiple endohedral binding sites pre-organize catalysts and substrates for highly efficient reactions. Nature Chem., DOI: 10.1038/nchem.2425)

纳米富集器的结构。图片来源:hims.uva.nl

 

新的催化纳米球概念的灵感来自于天然酶的工作原理。这些酶在预定的“口袋”位置结构目标分子,在空间上接近它们的活性位点,从而有助于高效化学转换。该团队的研究人员合成的“纳米容器”模仿了生物酶的性质,并且通过使催化剂达到非常高的局部浓度,进一步增强了催化性能。

 

自组装

 

新的纳米容器通过自组装而形成:它混合了12个钯金属原子和24个所谓“ditopic”的氮配体以形成纳米尺寸的球体。这种配体被能与胍结合的基团修饰,以使所得到的纳米容器能够在其内部结合磺酸盐和羧酸盐。由于所谓的协同结合(采用多个结合位点),“入住”的磺酸盐因此比羧酸盐更强烈的结合其中。这些研究人员利用这种机理在纳米球中牢固地固定住基于磺酸化金的催化剂,而其余的结合位点可用于预组织需要转换的羧酸酯部分(底物)。

工作原理示意图。图片来源:hims.uva.nl

 

增强的反应速率

 

这个“纳米富集器”系统的工作原理基于金催化的环化反应。局部高浓度的金属催化剂与预组织的底物相结合,反应速率比通常情况下将它们简单溶解于溶剂中显著增加。反应速率通常随催化剂和底物浓度增加而增加,不过会受限于溶解性问题或不理想的催化剂/反应物比例。自组装的“纳米富集器”利用局部浓度的优势解决了这个问题。

 

广泛适用的策略

图片来源:hims.uva.nl

 

由于许多现有的金属催化剂都利用了磺酸基团(以使它们更易溶于水),该研究提出的“纳米富集器”系统可能提供了一个广泛适用的一般性策略,以适用于许多不同的反应。此外,研究人员确定,其中包封的含磺酸盐的金催化剂不会(或仅缓慢地)转换中性(酸)的底物。这提供了另一种可能,即具有底物选择性的催化体系和利用碱来作为触发控制催化反应的“开/关”。

 

1. http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.2425.html

2. http://phys.org/news/2016-01-catalysis-nanoconcentrator.html


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