Dans l'industrie chimique, le clivage sélectif et l'oxydation des liaisons carbone-hydrogène (C-H), appelée «fonctionnalisation C-H oxydative», est une étape essentielle dans la production de nombreux solvants, polymères et tensioactifs, ainsi que de composés intermédiaires. pour l'agrochimie et la pharmacie. Idéalement, on voudrait utiliser de l'oxygène (O₂ ) comme seul oxydant dans ce processus pour éviter d'utiliser des substances plus coûteuses et polluantes, telles que le peroxyde d'hydrogène (H₂ O₂ ), chlore (Cl₂ ), ou de l'acide nitrique (HNO₃ ).

Cependant, en utilisant O₂ car l'oxydant entraîne des problèmes non résolus. Bien que certains progrès aient été réalisés dans le domaine des catalyseurs récupérables et réutilisables, la plupart des systèmes hétérogènes nécessitent des températures de réaction élevées, des niveaux élevés d'O₂ pressions ou l'utilisation d'additifs toxiques. À son tour, cela paralyse la portée des applications potentielles, l'évolutivité et l'efficacité de ces systèmes catalytiques.

Dans ce contexte, une équipe de scientifiques de Tokyo Tech, dirigée par le professeur agrégé Keigo Kamata, a récemment découvert un catalyseur prometteur pour la fonctionnalisation C–H oxydative. Comme expliqué dans leur article publié dans ACS Applied Materials &Interfaces , ils ont déduit que des espèces isolées de manganèse (Mn) fixées dans une matrice cristalline pouvaient constituer un catalyseur hétérogène performant même dans des conditions de réaction douces, sur la base des connaissances antérieures.

En conséquence, ils ont étudié le catalyseur de type murdochite Mg₆ MnO₈ , une structure de sel gemme d'oxyde de magnésium (MgO) avec un huitième de Mg ²⁺ ions remplacés par Mn ⁴⁺ ions et un autre huitième remplacés par des lacunes, résultant en un cristal avec des ions Mn et des lacunes occupant de manière ordonnée des couches alternées. À l'aide d'une méthode sol-gel économique assistée par de l'acide malique, l'équipe a préparé du Mg₆ MnO₈ nanoparticules de très grande surface. Le Dr Kamata précise :"La surface spécifique de notre Mg₆ MnO₈ le catalyseur était de 104 m ² /g, environ sept fois supérieur à celui de Mg₆ MnO₈ synthétisé à l'aide de méthodes rapportées précédemment."

Les chercheurs ont également démontré, à travers de nombreuses expériences, que leur Mg₆ MnO₈ les nanoparticules pourraient catalyser efficacement l'oxydation sélective du C – H de divers composés alkylarènes même dans des conditions de réaction douces, à savoir 40 ° C et la pression atmosphérique. Le rendement des produits finaux était également supérieur à celui obtenu avec les catalyseurs à base de Mn existants. Pour couronner le tout, le Mg₆ MnO₈ les nanoparticules pourraient être facilement récupérées par filtration, puis réutilisées sans aucune perte apparente d'activité catalytique après plusieurs cycles.

Enfin, l'équipe a cherché à comprendre pourquoi leur catalyseur proposé fonctionnait si bien grâce à une série d'études cinétiques et mécanistes. Ils ont conclu que l'isolement des sites redox (espèces de Mn, dans ce cas) dans une matrice de base cristalline (MgO) était une caractéristique particulièrement importante pour obtenir une fonctionnalisation C–H oxydative en utilisant O₂ dans des conditions douces.

Satisfait des résultats et de leurs découvertes, le Dr Kamata spécule :"Notre approche constitue une stratégie prometteuse pour le développement de systèmes d'oxydation hétérogènes très efficaces avec de larges portées de substrat." + Explorer plus loin

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