W czasopiśmie "Nature Communications" opublikowany został artykuł naukowy pt. "Charge-separation driven mechanism via acylium ion intermediate migration during catalytic carbonylation in mordenite zeolite", którego autorkami są badaczki z Grupy Chemii Zeolitów – dr inż. Karolina Tarach i prof. dr hab. Kinga Góra-Marek.

Publikacja została przygotowana we współpracy z naukowcami z State Key Laboratory of Magnetic Resonance and Atomic and Molecular Physics, National Center for Magnetic Resonance in Wuhan.

Zeolity to glinokrzemiany w naturze występujące jako skały będące wynikiem erupcji wulkanów. Jedyne w swoim rodzaju właściwości zeolitów powiązane są z architekturą obecnych w nich mikroporów. Rozmiar kanałów umożliwia specyficzne dopasowanie cząsteczki reagenta w ich wnętrzu, wymuszając jej przekształcenie w cząsteczkę produktu, którego otrzymanie nie byłoby możliwe w jakikolwiek inny sposób. Ta szczególna właściwość zeolitów zwana jest kształtoselektywnością. Pomimo wykorzystywania zjawiska kształtoselektywności, w wielu procesach katalitycznych mechanizmy wzajemnego oddziaływania pomiędzy zeolitem a cząsteczkami reagentów oraz dalsze transformacje tych ostatnich nie są do końca wyjaśnione i zależą od konkretnej struktury zeolitu. 

Przykładem takiego zjawiska jest przekształcenie cząsteczki metanolu i tlenku węgla(II) w cząsteczkę octanu metylu (MA) lub kwasu octowego (AA) zachodzące w obecności zeolitu o nazwie mordenit. Proces ten, zwany karbonylowaniem, stanowi dogodną ścieżkę tworzenia wiązania węgiel-węgiel już w stosunkowo niskich temperaturach. 

W swojej poprzedniej pracy ("Journal of the American Chemical Society" 143 (37), 15440-15452) autorzy wykazali, że kształtoselektywne działanie mordenitu umożliwia powstawanie metastabilnych jonów acyliowych (CH3−C ≡ O+) ukierunkowujących drogę reakcji do pożądanych produktów (tj. MA i AA), z pominięciem niekorzystnej ścieżki zatruwania katalizatora. 

W publikacji zaprezentowanej w "Nature Communications" naukowcy wykorzystując zaawansowane narzędzia badawcze zdefiniowali pełną ścieżkę reakcji pomiędzy metanolem a tlenkiem węgla(II) w kanałach zeolitu. Wykazano, że produkt przejściowy reakcji, tj. jon acyliowy (CH3−C ≡ O+) jest selektywnie tworzony w 8-członowych kanałach zeolitu. Z kolei, formowanie finalnych produktów reakcji możliwe jest jedynie poprzez transfer jonów acyliowych w obszar skrzyżowania kanałów 8- i 12-członowych, gdzie ma miejsce reakcja z kolejną cząsteczką metanolu. Mechanizm różni się od tych dotychczas proponowanych w literaturze, w których tworzenie cząsteczki produktu w sposób uprzywilejowany miało zachodzić już w kanałach 8-członowych tego katalizatora, bez uwzględnienia roli centrów aktywnych zlokalizowanych w kanałach 12-członowych.   

W opracowanym modelu autorzy publikacji po raz pierwszy zaproponowali rozdzielenie dwóch stref reakcji pomiędzy te znajdujące się w kanałach 12- i 8-członowych pokazując jednocześnie synergię obu procesów dla zrozumienia pełnego cyklu katalitycznego. Publikacja dostępna jest w formacie open access: www.nature.com/articles/s41467-022-34708-5.