L'elettrochimica del plasma offre un nuovo modo per formare legami chimici organici

Gli ingegneri e i chimici del plasma dell’Università dell’Illinois hanno dimostrato un modo sostenibile per formare legami carbonio-carbonio – il fondamento di tutti i composti organici – senza metalli costosi e rari che sono tipicamente richiesti come catalizzatori nelle reazioni organiche che formano legami.

Attraverso una collaborazione interdisciplinare, i ricercatori dell’Illinois nei settori dell’ingegneria nucleare, del plasma e radiologica, della bioingegneria e della chimica hanno unito le loro competenze per sviluppare questo nuovo approccio privo di catalizzatori metallici che potrebbe portare la chimica organica in una nuova direzione, secondo i ricercatori. In uno studio pubblicato sul Journal of American Chemical Society, il team spiega come hanno utilizzato l’elettricità e un processo plasma-liquido per generare elettroni solvatati per formare legami carbonio-carbonio in una reazione di accoppiamento pinacolico. La formazione del legame CC è ampiamente utilizzata nella produzione di molti prodotti chimici artificiali come prodotti farmaceutici e plastica.

Secondo i ricercatori, questo è il primo esempio di elettroni solvatati generati dal plasma per una reazione di accoppiamento redox organico e offre una soluzione sostenibile per reazioni organiche riduttive simili. In genere, tali reazioni richiedono reagenti metallici o catalizzatori che non solo sono scarsi e costosi, ma presentano anche problemi di sicurezza o ambientali e talvolta richiedono calore nel processo reattivo.

"Il nostro processo richiede realmente solo elettricità - oltre alla cella del reattore e alle apparecchiature - e in futuro si spera che questa possa provenire da fonti rinnovabili come l'energia eolica, solare o nucleare, quindi l'intero processo è sostenibile", ha affermato il coautore dello studio R. Mohan. Sankaran, Donald Biggar Willett Professore di Ingegneria presso il Dipartimento di Ingegneria Nucleare, del Plasma e Radiologica.

Sankaran ha affermato che il loro processo produce elettroni dal gas argon e quindi li inietta in una soluzione per generare elettroni solvatati, una potente specie chimica tipicamente generata dalla radiolisi, che richiede apparecchiature complesse.

"Nel nostro caso, gli elettroni solvatati vengono generati semplicemente con un alimentatore CC e un reattore di elettrolisi relativamente semplice che ospita i nostri elettrodi e la soluzione in cui abbiamo i substrati organici", ha affermato Sankaran, il cui gruppo sviluppa plasmi a pressione atmosferica da oltre un decennio e in lavori precedenti ha applicato questo tipo di processo plasma-liquido ad altre applicazioni: sintesi di nanoparticelle e fissazione dell'azoto. "Eravamo curiosi di conoscere la chimica organica, ma non avevamo esperienza né nei metodi né nella caratterizzazione".

Sankaran, che ha contattato Jeffrey S. Moore, professore di ricerca in chimica, per competenza, ha affermato che questo progetto non sarebbe stato possibile senza la collaborazione.

"La maggior parte di questo è chimica - qualcosa che il mio gruppo non fa - e non avremmo mai avuto successo senza avere qualcuno con il background chimico richiesto", ha detto Sankaran.

Jian Wang, autore principale dello studio e associato post-dottorato nel gruppo Moore, ha portato la sua esperienza in chimica e scienza dei materiali al progetto e ha lavorato con l'esperto di plasma Scott Dubowsky, coautore dello studio e ricercatore nel gruppo Sankaran, per imparare il processo plasma-liquido e quindi identificare una reazione organica da studiare.

Wang ha sperimentato diversi substrati organici, caratterizzando le reazioni utilizzando varie tecniche analitiche e alla fine ha scelto l'accoppiamento Pinacolo, perché è una reazione ben consolidata per la formazione di legami carbonio-carbonio e una reazione che si credeva potesse funzionare con il processo del plasma liquido. Matthew Confer, un altro coautore e ricercatore post-dottorato nel gruppo di Rohit Bhargava, professore di bioingegneria e affiliato alla facoltà di chimica, ha utilizzato la sua esperienza di chimica computazionale per modellare come si è formato il prodotto Pinacol dalla chimica degli elettroni solvatati e dalle reazioni radicali.

"Questo è un eccellente esempio della regola d'oro per una collaborazione di successo: i migliori collaboratori condividono un obiettivo comune ma apportano competenze diverse", ha affermato Moore, professore di ricerca Stanley O. Ikenberry, professore emerito di chimica e professore dell'Howard Hughes Medical Institute.