Nikl patří mezi oblíbené katalyzátory hydrogenačních reakcí. Účinnost katalyzátoru je závislá na velikosti a tvaru částic, což dává poměrně široké pole působnosti pro syntetické chemiky i výpočtáře.
Klasickým příkladem hydrogenačního katalyzátoru je Raneyův nikl. Ten je velmi oblíbený v organické syntéze, protože zvládá hydrogenovat spoustu substrátů za nízkých teplot. V nedávno publikované práci byl studován vliv velikosti nanočástic niklu na schopnost hydrogenace vanilinu.
Hydrogenace – katalytická reakce, při které dochází k redukci substrátu za současného navázání vodíku.
Katalyzátor – látka, která vstupuje do reakce, mění reakční mechanismus, ale na konci vystupuje z reakce nezměněná. Využívá se jak pro urychlení, tak i zpomalení reakce.
Raneyův nikl – velmi malé částice niklu se sorbovaným vodíkem. Využívá se jako účinný hydrogenační katalyzátor v organické chemii. Připravuje se rozpouštěním slitiny Ni/Al v hydroxidu sodném.
Vanilin – 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyd, bílá krystalická látka s klasickou vůní a sladkou chutí.
Nanočástice niklu byly připraveny na mesoporézní silice (MS), tzn. zrnech SiO2 s velikostí pórů 2–10 nm. Silica byla dispergována v ethanolu, byl přidán ethylendiamin (EDA) a roztok dusičnanu nikelnatého (Ni(NO3)2). Získané částice byly redukovány v atmosféře H2/Ar za vzniku katalyzátoru Ni/MS. Ethylendiamin dokáže vstupovat do pórů siliky a modifikovat její povrch tak, aby byla schopna dostatečně pevně vázat nikelnaté kationty.
Byla vyrobena řada Ni/MS katalyzátorů s velikostí nanočástic niklu v rozmezí 2,2-12,6 nm. Velikost nanočástic byla regulována poměrem Ni/EDA a teplotou redukce. Katalyzátor byl testován na hydrogenaci vanilinu (viz schéma dole). U vanilinu dochází k redukci aldehydické skupiny za vzniku etheru, -OH skupiny nebo methylové skupiny:
- HMP: 4-hydroxymethyl-2-methoxyfenol
- DMP: 2-methoxy-4-(methoxymethyl)fenol
- MMP: 2-methoxy-4-methylfenol
Jako nejselektivnější katalyzátor pro přípravu MMP se ukázal Ni/MS s velikostí nanočástic 4,8 nm. Tyto částice jsou dostatečně malé (tím pádem mají velký aktivní povrch), aby umožňovaly efektivní sorpci vodíku. Zároveň ale dostatečně velké, aby usnadnily disociaci vodíku, což je klíčová podmínka pro snadný průběh hydrogenace.