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单链纳米粒子作为纳米催化反应器

导读: 无论是工业生产还是实验室科学研究使用,化学催化体系,在我们的日常生活中都是扮演着至关重要的角色。催化剂不仅能激活惰性反应材料,还能降低反应条件,提高产物的选择性。然而,由于现代催化剂经常表现出各种各样的缺点,因此需要进一步开发和改进催化体系。

无论是工业生产还是实验室科学研究使用,化学催化体系,在我们的日常生活中都是扮演着至关重要的角色。催化剂不仅能激活惰性反应材料,还能降低反应条件,提高产物的选择性。然而,由于现代催化剂经常表现出各种各样的缺点,因此需要进一步开发和改进催化体系。现实社会对高效、特制的催化剂的需求,激发了化学家们将天然酶的设计原理与合成大分子结构结合起来,制备出仿酶催化剂。

成果简介

近日,澳大利亚的昆士兰科技大学的Christopher Barner-Kowollik教授和卡尔斯鲁厄技术研究所的Peter W. Roesky教授(共同通讯作者)采用了高分子聚合物制备了单链纳米粒子(SCNPs),负载金属离子仿照生物体内的酶催化剂。将金属有机和大分子化学结合起来,在分子层面制备的各种各样的单体几乎是无限的,并使分子环境的多用途调整为特定的反应条件,且在分子层面研究宏观自然的复杂国产,同时将这些理解应用到新的催化发展中去。为进一步发展和推动催化化学,提供一种新的方法和思考模式。研究成果以题为“Single-Chain Nanoparticles as Catalytic Nanoreactors”发布在国际著名期刊JACS上。

图文导读

图一、SCNPs配位金属离子过程

单链纳米粒子作为纳米催化反应器

(a) 在聚合物链中引入优良的配体功能-金属络合-使单链折叠和催化功能化成为一个步骤;

(b) 通过一个外部触发器和随后的金属负载的一个预先折叠的支架形成纳米粒子。

图二、分子催化剂与SCNPs催化活性之间的概念差异

单链纳米粒子作为纳米催化反应器

(a) 当分子催化剂[Rh(cod)Cl]2被Rh(I)-SCNPs取代时,在交叉耦合反应中对产物比的显著影响;(b) 当用Cu(II)-SCNPs而不是CuCl2作为催化剂时,在末端乙炔的氧化偶联中独特的底物特异性。

图三、选择性反应条件下的SCNP特性的修饰

单链纳米粒子作为纳米催化反应器

(a) 在聚合物链中磷化氢与外部添加的Pt(II)盐之间形成2:1的复合物负载在SCNPs上;

(b) Pt(II)- SCNPs应用于烯丙醇的氨基化过程中,由于溶剂极性的变化,使其溶解性行为和催化活性发生了变化,从而结合了同质性和异质性,并使催化剂具有可回收性。

图四、SCNPs的第二反应位点对催化效果的影响

单链纳米粒子作为纳米催化反应器

(a) 第二协调点对催化应用的影响是由螺旋状的聚合物催化L-脯氨酸来说明的:环己酮和对硝基苯甲醛的醛醇缩合反应只有在聚合物处于折叠构象中才能被催化,从而在催化的L-脯氨酸中心周围形成疏水囊;

(b) 在周围的聚合物体系中,由于附加的功能羟基单元的作用,使得一个Ni-SCNPs腔的简化形成,具有较高的温度稳定性和催化活性,这是由于二次协调效应引起的。

图五、SCNPs对序列定义聚合物的研究

单链纳米粒子作为纳米催化反应器

(a) SCNP技术实现了序列定义聚合物的受控折叠过程;

(b) 可逆折叠SCNPs的可视化,可根据需要,通过外场控制开关其催化活性。

小结

研究采用了将聚合物和大分子化学结合,制备出单链纳米颗粒(SCNPs)作为通用载体。研究了在容易制得的合成聚合物上进行酶模拟,是一个非常吸引人的研究方向,随着研究的深入,它也将进入成熟的研究领域。而它的吸引力包括对每个催化反应精确定制SCNP系统的能力,融合高催化剂稳定性、选择性和重复利用性和动态特性,从而使催化能力的远程激活或失活。通过研究证实基于合成聚合物的SCNPs具有实现这些特性的潜力。

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