Transferência inesperada de elétrons de hidrogênio para metais reformula a compreensão das principais reações químicas

Acelerar as reações químicas é essencial para melhorar os processos industriais ou mitigar resíduos indesejados ou prejudiciais. A percepção dessas melhorias exige que os químicos projetem em torno das vias de reação documentadas. Agora, uma equipe de pesquisadores da Penn State descobriu que uma reação basic chamada adição oxidativa pode seguir um caminho diferente para alcançar os mesmos fins, levantando a questão de saber se essa nova ordem de eventos ocorreu o tempo todo e potencialmente abrindo um novo espaço para o design químico.

Um artigo descrevendo a pesquisa aparece no Jornal da American Chemical Society.

As reações de compostos orgânicos – aqueles que contêm carbono, hidrogênio, oxigênio e alguns outros elementos – são limitados pelos padrões de ligação e arranjos de elétrons específicos para elementos orgânicos. Mais arranjos de elétrons estão disponíveis nos metais de transição, outro tipo de elemento que inclui, por exemplo, platina e paládio.

Quando os metais de transição interagem com os compostos orgânicos, essa camada adicional de complexidade pode modificar a estrutura elétron dos compostos orgânicos, levando a uma maior diversidade de reações em potencial, incluindo quebrar ligações químicas e catalisando reações não possíveis entre puramente compostos orgânicos. Compreendendo a diversidade de maneiras que estes reações químicas pode ocorrer pode ajudar os químicos a projetar maneiras de explorar metais de transição para aumentar a eficiência de processos industriais Ou encontre novas soluções que poderiam – por exemplo – o KELP reduzem os poluentes ambientais, de acordo com os pesquisadores.

“Os metais de transição têm propriedades que lhes permitem ‘quebrar as regras’ de Química Orgânica“Disse Jonathan Kuo, professor assistente de química no Eberly School of Science da Penn State e o líder da equipe de pesquisa.” Como exemplo, embora embora sistemas biológicos são amplamente considerados orgânicos, grande parte da química nas células ocorre em locais ativos, onde os co-fatores metálicos realmente acionam a reatividade.

“Os metais de transição também são usados para catalisar as reações químicas em escala industrial. Compreensão geral sobre como essas reações funcionam é uma maneira de abordar a eficiência da natureza ou até inventar reações que não têm uma analogia conhecida na natureza”.

As reações químicas ocorrem porque os átomos que compõem moléculas “desejam” estão em um estado que é mais estável. Essa estabilização é realizada principalmente por reorganizar elétrons entre os orbitais – as regiões semelhantes às nuvens em torno de núcleos atômicos onde provavelmente os elétrons estão localizados. Um átomo de hidrogênio, por exemplo, possui apenas um elétron que vive em um orbital “1s”.

No entanto, dois átomos de hidrogênio podem se unir para fazer di -hidrogênio (H2), onde os dois orbitais 1s se misturam para fazer dois orbitais híbridos. O mais estável dos dois orbitais híbridos hospeda os dois elétrons, resultando em uma economia líquida de energia e mais estabilidade. Elementos maiores e mais complexos podem ter vários orbitais S com diferentes níveis de energia, bem como os orbitais P, D e F, que têm formas e capacidade variadas, levando a mais diversidade na estrutura eletrônica e mais tipos possíveis de reações químicas.

“Na natureza, um átomo de hidrogênio só pode suportar seu elétron usando seu único recurso orbital, o 1S orbital”, disse Kuo. “Mas dois átomos de hidrogênio pode se reunir e dizer: ‘Temos dois elétrons e dois recursos orbitais; Qual é a maneira mais eficiente de compartilhar o ônus entre nossos recursos? A maioria dos elementos orgânicos possui apenas orbitais S e P, mas os metais de transição adicionam orbitais D à mistura “.

Na maioria das descrições de adição oxidativa, diz -se que os metais de transição doam seus elétrons a substratos orgânicos durante o processo de ligação. A proximidade da molécula orgânica com o steel de transição permite que os dois conjuntos de orbitais misturem, impulsionando muitos tipos de reações. Por esse motivo, houve muito esforço para desenvolver compostos de metais de transição que são densos em elétrons, o que os tornaria ativadores mais poderosos.

“No entanto, observou -se que algumas adições oxidativas são um pouco diferentes”, disse Kuo. “Um subgrupo é realmente acelerado por compostos de metais de transição que são deficientes em elétrons. Conseguimos identificar uma explicação plausível, onde, em vez da transição de elétrons de doação de metais, a primeira etapa da reação envolveu elétrons que se transfer de uma molécula orgânica para a transição.

A equipe de pesquisa usou compostos contendo o metais de transição Platina e paládio – que não eram densos em elétrons – e os expuseram ao gás de hidrogênio. Eles então usaram Espectroscopia de ressonância magnética nuclear para monitorar as alterações no complexo de metais de transição. Dessa maneira, eles poderiam observar uma etapa intermediária, indicando que o hidrogênio havia doado seus elétrons para o complexo metálico, antes de se aproximar de um estado resultante closing que period indistinguível da adição oxidativa.

“Estamos empolgados em adicionar esta nova peça ao handbook de steel de transição”, disse Kuo. “Mostrar que isso pode ocorrer abre maneiras novas e emocionantes, podemos usar a química de metais de transição. Estou especialmente interessado em encontrar reações que possam quebrar poluentes teimosos”.

Além de Kuo, a equipe de pesquisa inclui a primeira autora Nisha Rao, uma estudante de graduação em química da Penn State.