Introduzione alla catalisi

Panoramica

Fonte: Laboratorio del Dr. Ryan Richards — Colorado School of Mines

La catalisi è tra i campi più importanti della tecnologia moderna e attualmente rappresenta circa il 35% del prodotto interno lordo (PIL) e il sostentamento di circa il 33% della popolazione mondiale attraverso fertilizzanti prodotti attraverso il processo Haber. ¹ I catalizzatori sono sistemi che facilitano le reazioni chimiche abbassando l'energia di attivazione e influenzando la selettività. La catalisi sarà una tecnologia centrale nell'affrontare le sfide energetiche e ambientali dei tempi moderni.

Procedura

1. Preparazione della soluzione di 4-nitrofenolo miscelata con boroidro di sodio

Pesare 14 mg di 4-nitrofenolo e sciogliere in 10 ml di acqua DI in un flaconcino di vetro.
Pesare 57 mg di boroidro di sodio e sciogliere in 15 ml di acqua DI.
Mescolare le due soluzioni e mescolare magneticamente per 30 minuti a temperatura ambiente in una soluzione uniforme. Cappotto da laboratorio, maschera di sicurezza e guanti sono necessari come protezione del protocollo standard.

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Risultati

La riduzione del 4-nitrofenolo con un catalizzatore è una reazione di riferimento in letteratura per valutare le prestazioni del catalizzatore e misurare la cinetica. Prima dell'aggiunta del catalizzatore, il colore della soluzione è giallo chiaro, che corrisponde allo ione 4-nitrofenolo in condizioni alcaline. Senza l'aggiunta di un catalizzatore, il colore giallo non svanisce, questo indica che il sistema di miscela di 4-nitrofenolo e boroidrofuro di sodio è stabile.

Dopo l'aggiunta di pa...

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Applicazione e Riepilogo

Come reazione di riferimento, l'applicazione catalitica di particelle di palladio su scala nanometrica può essere estesa ad altri campi. Simile alla riduzione del 4-nitrofenolo, che è un colorometrico (la reazione è osservata come un cambiamento di colore), l'idrogenazione dei coloranti chimici può essere realizzata con lo stesso protocollo. I processi di idrogenazione chimica sono molto importanti in molte reazioni industriali e nello smaltimento dei rifiuti. I ricercatori hanno trovato applicazioni di catalizzatori...

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Riferimenti

Armor, J. What is catalysis? North American Catalysis Society. (2008).
Thomas, J.M., Thomas, W.J. Principles and Practice of Heterogeneous Catalysis. Wiley-VCH. Germany (2015).
Heck, R.F., Nolley, J.P. Palladium-catalyzed v Vinylic Hydrogen Substitution Reactions with Aryl, Benzyl and Styryl Halides. J. Org. Chem. 37 (14), (1972).
Oberholzer, M., Frech, C. M. Mizoroki-Heck Cross-coupling Reactions Catalyzed by Dichloro{bis[1,1',1''-(phosphinetriyl)tripiperidine]}palladium Under Mild Reaction Conditions. J. Vis. Exp. (85), e51444, (2014).
Liu, J., Gao, A. X., Johnson, J. A. Particles without a Box: Brush-first Synthesis of Photodegradable PEG Star Polymers under Ambient Conditions. J. Vis. Exp. (80), e50874, (2013).
Fowler, M. L., Ingram-Smith, C. J., Smith, K. S. Direct Detection of the Acetate-forming Activity of the Enzyme Acetate Kinase. J. Vis. Exp. (58), e3474, (2011).

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Valore vuoto Problema

1. Preparazione della soluzione di 4-nitrofenolo miscelata con boroidro di sodio

Pesare 14 mg di 4-nitrofenolo e sciogliere in 10 ml di acqua DI in un flaconcino di vetro.
Pesare 57 mg di boroidro di sodio e sciogliere in 15 ml di acqua DI.
Mescolare le due soluzioni e mescolare magneticamente per 30 minuti a temperatura ambiente in una soluzione uniforme. Cappotto da laboratorio, maschera di sicurezza e guanti sono necessari come protezione del protocollo standard.

2. Preparazione della soluzione catalizzante

Pesare rispettivamente 10 mg di palladio su carbone attivo e palladio su carbonio granulare. Pesare 10 mg di carbone attivo come gruppo di controllo.
Trasferire i catalizzatori pesati in un flaconcino e aggiungere 100 ml di acqua DI a ciascun flaconcino.
Sonicare i flaconcini con una potenza di uscita di 135 W per 10 minuti fino a quando i catalizzatori non sono ben distribuiti in acqua.

3. Riduzione catalitica del 4-nitrofenolo

Misurare 1,15 mL di soluzione preparata di 4-nitrofenolo e boroidrato di sodio, trasferire in un flaconcino di vetro da 5 mL.
Registrare il colore della soluzione nel flaconcino, attendere 10 minuti e registrare se vi è qualche cambiamento nel colore della soluzione.
Aggiungere 1 mL di palladio preparato su soluzione catalizzante a carbone attivo al flaconcino, agitare il flaconcino a mano per 20 s. Osservare la reazione per 20 minuti, registrare quando il colore della soluzione inizia a cambiare e quando il colore della soluzione svanisce completamente in trasparente.
Ripetere la stessa procedura con il palladio su soluzione catalizzante di carbonio granulare.
Ripetere la stessa procedura con la soluzione catalizzante a carbone attivo.
Confronta il cambiamento di colore tra tre catalizzatori dopo 0, 5, 10, 15 e 20 minuti di tempo di reazione. Per quantificare questo cambiamento, misurare gli spettri UV-Vis del campione durante l'intervallo di reazione di 20 minuti.

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