V současnosti značná část výrobních procesů v oblasti organické chemie využívá katalytické procesy, kdy klíčové katalyzátory v těchto procesech představují zeolity. Zeolity jsou sice širší veřejnosti prakticky neznámé materiály, které však představují v současnosti největší a nejvýznamnější skupinu heterogenních katalyzátorů používanou v průmyslové výrobě. Zeolity jsou složité hlinitoktřemičitany, krystalické materiály tvořené převážně tetraedry SiO4 spojenými přes své vrcholy. Na rozdíl od křemene jsou ale atomy v zeolitech uspořádány tak, že vzniklý materiál je porézní, póry velikostí odpovídají menším molekulám a díky tomu, že jsou zeolity krystalické, kanálová struktura je pravidelná. Různé uspořádání SiO4 tetraedrů pak poskytuje celou řadu různých struktur s různou velikostí a uspořádáním kanálů nebo propojených dutin. Díky tomu je většina SiO4 tetraedrů přístupná na povrchu kanálů a zeolity mají velmi velký vnitřní povrch (250 – 500 m2/g). Protože jsou zeolity hlinitokřemičitany, část tetraedrů ve struktuře zeolitu ale nepředstavují SiO4 ale AlO4– tetraedry, které mají negativní náboj. Ten musí být kompenzován pozitivním nábojem kationtu umístěným mimo krystalovou mřížku zeolitu. V řadě případů je tímto kationtem proton. Zeolit tak představuje silnou kyselinu v prášku a jeho kyselé protony představují aktivní centra pro organické syntézy.
Vzhledem k tomu, že protony kompenzují atomy hliníku, je uspořádaní atomů hliníku (jejich vzdálenost a poloha v kanálovém systému) v zeolitu jedním z klíčových parametrů, které mohou ovlivňovat katalytické chování protonů. Náš výzkum prokázal, že v zeolitu ZSM-5, jednom z nejdůležitějších zeolitických katalyzátorů, jsou atomy hliníku umístěny pouze na křížení kanálů. Jednotlivé připravené katalyzátory se ale mohou lišit ve vzdálenostech mezi atomy hliníku, tj. v možnosti spolupráce kyselých protonových center. V naší práci se nám podařilo ve spolupráci s polskými kolegy na příkladu transformace etanolu (jedné z významných chemických surovin) prokázat pomocí metod pokročilé infračervené spektroskopie za reakčních podmínek, že různá organizace hliníku v zeolitu vede ke zcela odlišnému reakčnímu mechanismu při transformaci etanolu. Kontrola distribuce hliníku ve skeletu zeolitu, již dříve zvládnutá týmem, tak představuje možný nástroj kontroly reaktivity kyselých zeolitických katalyzátorů.
The proximity of Al atoms—a way to control ethanol transformation over zeolite ZSM-5
K. Gołąbek , E. Tabor, V. Pashkova, J. Dedecek, K. Tarach, K. Góra-Marek, Commun. Chem., 3 (2020) 1-9.