Quang phổ hồng ngoại ghi lại cấu trúc chi tiết và hoạt động của chất xúc tác hữu cơ theo thời gian thực

Chất xúc tác là những thành phần quan trọng trong hóa học, giúp thực hiện các quá trình chuyển đổi hóa học trong các lĩnh vực đa dạng như sản xuất thực phẩm, tổng hợp dược phẩm và năng lượng bền vững. Nhiều chất xúc tác dựa trên kim loại, điều này có thể làm cho chúng đắt tiền, không thân thiện với môi trường và thường độc hại.

Những năm gần đây đã chứng kiến sự xuất hiện của chất xúc tác hữu cơ, các phân tử nhỏ không chứa kim loại có tiềm năng rẻ, ổn định, an toàn và thân thiện với môi trường. Chúng cũng có thể mang lại độ chọn lọc lập thể cao, cho phép kiểm soát chính xác sự hình thành các biến thể cấu tạo ưu tiên (enantiomer) của cùng một phân tử – điều cực kỳ quan trọng khi nói đến hoạt tính sinh học.

Trong bài báo gần đây của họ, nhóm nghiên cứu Amsterdam-Nijmegen do Giáo sư Wybren Jan Buma của Khoa Quang tử phân tử dẫn đầu, đã trình bày một cách tiếp cận thành công để xác định hình học phân tử chính xác của chất xúc tác hữu cơ – ở trạng thái tự nhiên cũng như trong hoạt động xúc tác, khi liên kết với một chất phản ứng.

Họ đã nghiên cứu cơ chế hoạt động của “chất xúc tác Takemoto” như một ví dụ về một loại chất xúc tác hữu cơ hoạt động theo kiểu giống enzyme, dựa vào nhiều liên kết hydro để liên kết các chất phản ứng trong một cấu hình cố định. Việc thu thập thông tin chính xác và đáng tin cậy về cấu trúc của chất xúc tác và các tương tác nội và liên phân tử liên quan là rất quan trọng cho việc thiết kế hợp lý các chất xúc tác hữu cơ mới và hiệu quả hơn.

Phương pháp do Buma và các cộng sự trình bày dựa trên quang phổ hồng ngoại sử dụng laser điện tử tự do FELIX của viện HFML-FELIX, được vận hành bởi Hội đồng Nghiên cứu Hà Lan NWO.

Việc thu thập dấu vân tay hồng ngoại của các chất trung gian tham gia vào các phản ứng xúc tác đã có thể thực hiện được trước đây, nhưng chỉ đối với các loài ion dễ xử lý và điều khiển hơn nhiều. Các nghiên cứu về các phản ứng liên quan đến các loài trung hòa cho đến nay vẫn nằm ngoài tầm với.

Các thí nghiệm được thực hiện bằng cách kết hợp một chùm phân tử chất xúc tác và chất phản ứng với ánh sáng laser hồng ngoại của FELIX, cho phép tiếp cận một dải phổ rộng (từ 650 đến 3500 cm-1). Các đặc điểm rung động dấu vân tay chính của chính chất xúc tác được tìm thấy trong dải này, cũng như các chế độ rung động nhạy cảm với các tương tác tinh tế với chất phản ứng nitroolefin.

Các nhà nghiên cứu đã kết hợp các dấu vân tay IR chi tiết thu được (về cấu trúc, tương tác nội và liên phân tử, và sự hình thành liên kết hydro) với các tính toán hóa học lượng tử để đưa ra một đặc điểm rõ ràng của chất xúc tác và phức hợp chất xúc tác-chất phản ứng, với độ chi tiết chưa từng có.

Điều quan trọng cần nhận ra là trong phức hợp chất xúc tác-chất phản ứng, chất xúc tác phải có một cấu trúc hoàn toàn khác so với chất xúc tác riêng lẻ, có năng lượng cao hơn nhiều. Tuy nhiên, các điều kiện tốc độ va chạm cao trong quá trình giãn nở chùm phân tử cho phép chúng ta “đóng băng” chất trung gian phản ứng mà cuối cùng tạo ra kết quả cuối cùng của phản ứng. Như vậy, nghiên cứu đã giúp làm rõ cơ chế hoạt động của chất xúc tác.

Những kết quả hiện tại rất hứa hẹn vì chúng mang lại khả năng tiếp cận các khả năng tiếp theo – ví dụ, các nghiên cứu tương tự về các chất trung gian phản ứng của các phản ứng xúc tác liên quan đến nhiều hơn một chất phản ứng. Hơn nữa, phương pháp được trình bày có thể áp dụng rộng rãi, từ đó mở ra một hướng đi mới cho các nghiên cứu tương tự về nhiều phản ứng xúc tác hữu cơ và kim loại khác mà các chất trung gian phản ứng cho đến nay vẫn chưa được làm rõ.

Cục TT,TK