Araştırmacılar Sürdürülebilir Bir Kataliz Proses Geliştiriyor
Fotoğraf: Aktif merkezde indirgenmiş titanyum ile katalizör kompleksinin bilgisayarla üretilmiş yapısı
Kullanılan yöntem, enzim reaksiyonları ile ilgili sürdürülebilir oksidasyonları mümkün kılıyor.
Asetaller, örneğin belirli tıbbi maddelerin üretiminde kullanılan, önemli kimyasal bileşiklerdir. Geliştirilen yeni yöntem artık sentezleri daha kolay ve çevre dostu hale getiriyor. Bonn Üniversitesi’ndeki kimyagerler, sürdürülebilir katalitik prosesi geliştirdi ve optimize etti. Bu yöntem için son teknoloji bilgisayar simülasyonları da kullandılar. Reaksiyon, doğada sıklıkla meydana gelen, ancak şimdiye kadar kimyasal sentezlerde nadiren kullanılan bir mekanizmaya dayanmaktadır. Asetal üretimindeki en önemli nokta, iki oksijen atomunun bir karbon atomuna bağlanmasıdır. Kimyagerler çoğunlukla bu düzenlemeyi oksidasyonla başarıyorlar. Oksidasyonu gerçekleştirmek için normalde güçlü oksitleyici maddeler kullanılmaktadır. Bu, reaksiyon sırasında bir oksijen atomu serbest bırakarak gerçekleştirilmektedir. Oksitleyici maddenin geri kalanı ise sentezden sonra atılmalıdır.
Bonn Üniversitesi Kekulé Organik Kimya ve Biyokimya Enstitüsü’nden Prof. Dr. Andreas Gansäuer “Ancak çalışmamızda, atomik-ekonomik olarak adlandırılan, yani atık üretmeyen bir yolu tanımlıyoruz.” şeklinde açıklıyor. Ve devamında “Başlangıç molekülünün kendisi oksidasyon için gerekli oksijen atomunu zaten içeriyor. Geliştirdiğimiz kataliz, moleküldeki bu oksijeni basitçe kaydırarak asetali yaratıyor.” ekliyor.
Başlangıç molekülü, iki köşenin karbon atomlarından ve üçüncüsünün bir oksijen atomundan oluştuğu bir tür “üçgen” olan epoksi grubu içermektedir. Bu tür üçlü halkalar büyük gerilim altındadır ve bu nedenle oksijen atomunda kolayca parçalanır. Epoksiler, gerekli reaksiyon enerjisini sıkıştırılmış bir yay gibi depolamaktadır.
Doğanın Rol Model Olduğu Kataliz
Bu amaca ulaşmak için uygun bir katalizör gereklidir. Mecazi anlamda, oksijen atomlarının bağ oluşturabilecekleri iki “kolu” vardır. Epoksi halka kırılırsa bu kollardan biri serbest kalır ve katalizör ona geçici olarak bağlanır. Bu bağlanma, bir dizi molekül içini yeniden düzenlemeye başlar. Bu dizinin sonunda, oksijen atomu katalizörü tekrar serbest bırakır ve bunun yerine istenen karbona bağlanır. Gansäuer, “Bu adıma oksijen geri tepmesi denir” diyor.
Bu mekanizma, doğası gereği oldukça farklı olduğu için bugüne kadar kimyasal sentezlerde nadiren kullanılmıştır:
Örneğin karaciğer, toksinleri parçalamak için “oksijen geri tepmesini” kullanır. Bu aynı zamanda, P450 enzimleri olarak adlandırılan katalizörleri gerektirir. Katalizörlerin aktif merkezleri demir atomu içermektedir. Bonn Üniversitesi Fiziksel ve Teorik Kimya Enstitüsü’nden Prof. Dr. Stefan Grimme “Katalizörümüzün kalbi aynı zamanda yaygın ve toksik olmayan bir metalden, yani titanyumdan oluşur.” şeklinde açıklıyor.
Bilgisayarda Katalizör Ayarı
Asetal sentezi sırasında, titanyum önce bir oksijen atomunu emer ve sonra tekrar serbest bırakır. (Oksidasyonu indirgeme tepkimesi takip eder.) Bu sadece oksijeni çok fazla “yapışmadan” kendisine yeterince güçlü bağlarsa etkili bir şekilde çalışır. Oksijen benzeşimini uygun şekilde ayarlamak için titanyum belirli moleküllere, ligandlarına bağlıdır. Bağlanma ortağına bağlı olarak, metal biraz daha güçlü bir oksitleme etkisine sahip olabilir veya daha kolay indirgenebilir. En uygun “ayar molekülleri” günümüzde bir bilgisayar yardımıyla seçilmektedir. Prof. Grimme’nin çevresindeki araştırma grubu bu görevde uzmanlaşmıştır: Son yıllarda, katalizör özelliklerinin çok hızlı simülasyonlarına izin veren algoritmalar geliştirilmiştir. Bu algoritmalar, çalışmalardaki araştırmacıların katalizörlerini, başlangıç materyalini tamamen istenen asetale dönüştürmesi için optimize etmelerini sağladı. Gansäuer “Elde edilen sonuç belgeleri, deney ve teori arasındaki yakın iş birliğinin sürdürülebilir kataliz yöntemlerini geliştirmek için ne kadar yararlı olduğunu çok güzel bir şekilde göstermektedir.” diye vurgulayarak çalışmaların önemine dikkat çekiyor.
Kaynak: chemeurope.com
