利用光來控制催化過程

大自然是奇妙的。它在生物體中發(fā)展出以驚人的效率調(diào)節(jié)復(fù)雜生化過程的能力。酶作為天然催化劑，在這種調(diào)節(jié)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，確保在細(xì)胞的整個生命周期中滿足各種生理需求。

此外，特定的有機分子和金屬離子與酶結(jié)合，向上或向下調(diào)節(jié)其催化活性。激活劑和抑制劑的相互作用和諧地維持了細(xì)胞內(nèi)一系列化學(xué)過程的秩序。

酶催化不斷激發(fā)科學(xué)家們模仿自然來控制許多領(lǐng)域的各種過程，從小型實驗室規(guī)模到許多化合物的大型工業(yè)制造。然而，盡管合成催化劑效率很高，但加速和抑制之間的交替并不能完全阻止它們發(fā)揮作用，或者僅限于使用額外的化學(xué)品。

這種限制在管理同時和順序過程中變得尤其重要，盡管嘗試進(jìn)行調(diào)節(jié)，但不需要的并行反應(yīng)可能仍然存在。因此，許多研究工作正在進(jìn)行中，以有效和環(huán)境友好的方式控制復(fù)雜的轉(zhuǎn)化，減少額外化學(xué)品的使用，特別關(guān)注交替啟動和停止選定的反應(yīng)。

由VolodymyrSashuk教授領(lǐng)導(dǎo)的波蘭科學(xué)院物理化學(xué)研究所(IPCPAS)的研究人員提出了一種新方法，該方法已證明可以利用光輕松控制催化過程，這可能是典型的化學(xué)調(diào)節(jié)的替代方案。酶?；谒岢龅母拍?，有可能以完全受控的方式選擇性地減慢或加速化學(xué)反應(yīng)，而不會降低所用催化劑本身的性能。怎么運行的?

“我們證明，可以通過將催化劑隱藏在包圍大多數(shù)無機納米粒子表面的有機單層內(nèi)來控制催化作用。因此，可以實現(xiàn)催化活性的完全抑制，”教授聲稱。弗拉基米爾·薩舒克。

研究人員專注于使用納米結(jié)構(gòu)材料來切換開/關(guān)反應(yīng)，通過使用特定波長來打開或關(guān)閉催化作用，其作用很像“光開關(guān)”。該材料基于尺寸約為3nm的金納米顆粒(AuNP)，通過AuNP和硫醇配體之間的強Au-S鍵合，在其表面裝飾有基于釕的有機N-雜環(huán)卡賓(NHC)配合物。

該材料的獨特性在于其成分，其中大體積硫醇(PT)產(chǎn)生空間位阻，而含偶氮苯的硫醇(SAT)支撐Hoveyda-Grubbs釕絡(luò)合物，稱為預(yù)催化劑，通過以下方式啟動催化過程：與底物發(fā)生反應(yīng)。

設(shè)計的納米系統(tǒng)對特定范圍的光具有光敏性，允許預(yù)催化劑改變其在有機單層內(nèi)的位置，并通過電磁刺激控制對基材的訪問和催化。

在可見光存在或黑暗中，釕基預(yù)催化劑暴露于溶液中，引發(fā)并維持復(fù)分解反應(yīng)。相反，當(dāng)系統(tǒng)受到紫外線照射時，偶氮配體會發(fā)生異構(gòu)化，就像“按鈕”一樣阻止催化劑前體的活化。

這是通過材料設(shè)計實現(xiàn)的，其中PT配體的苯環(huán)阻礙前催化劑的進(jìn)入，將其隱藏在溶液中并有效抑制催化過程。該機制的可行性得到了意大利的里雅斯特大學(xué)科學(xué)家進(jìn)行的理論模擬的支持。

PaolaPosocco教授進(jìn)一步解釋說：“我們的計算表明，與僅含有脂肪鏈的金納米粒子相比，涂有苯基部分的金納米粒子表面可以更好地防止進(jìn)入的分子。顯然，這轉(zhuǎn)化為觀察到的催化劑關(guān)閉。”

所提出的方法可以在不使用額外化學(xué)品的情況下實現(xiàn)快速高效的催化劑失活，并能夠控制反應(yīng)速率。研究人員相信，他們對所提出材料中預(yù)催化劑位置的光誘導(dǎo)操縱的非常規(guī)方法將有助于提供許多功能性催化劑，這些催化劑將在各個領(lǐng)域得到應(yīng)用，特別是在增強化學(xué)選擇性領(lǐng)域。同時，他們強調(diào)研究過程中跨學(xué)科的作用。

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