Publication

Uncovering the Activity of Alkaline Earth Metal Hydrogenation Catalysis Through Molecular Volcano Plots

Shubhajit Das
2021
Article
Résumé

Recent advances in alkaline earth (Ae) metal hydrogenation catalysis have broadened the spectrum of potential catalysts to include candidates from the main group, providing a sustainable alternative to the commonly used transition metals. Although Ae-amides have already been demonstrated to catalyze hydrogenation of imines and alkenes, a lucid understanding of how different metal/ligand combinations influence the catalytic activity is yet to be established. In this article, we use linear scaling relationships and molecular volcano plots to assess the potential of the Ae metal-based catalysts for the hydrogenation of alkenes. By analyzing combinations of eight metals (mono-, bi-, tri-, and tetravalent) and seven ligands, we delineate the impact of metal-ligand interplay on the hydrogenation activity. Our findings highlight that the catalytic activity is majorly determined by the charge and the size of the metal ions. While bivalent Ae metal cations delicately regulate the binding and the release of the reactants and the products, respectively, providing the right balance for this reaction, ligands play only a minor role in determining their catalytic activity. We show how volcano plots can be utilized for the rapid screening of prospective Ae catalysts to establish a guideline to achieve maximum activity in facilitating the hydrogenation process.

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Hydrogénation
L'hydrogénation est une réaction chimique qui consiste en l'addition d'une molécule de dihydrogène (H2) à un autre composé. Cette réaction est habituellement employée pour réduire ou saturer des composés organiques. Elle nécessite en général une catalyse, les réactions sans catalyse nécessitant de très hautes températures. On appelle la réaction inverse de l'hydrogénation la déshydrogénation. Les réactions où des liaisons sont brisées tandis que de l'hydrogène est additionné sont appelées hydrogénolyses (cette réaction pouvait s'appliquer aux liaisons carbone-carbone comme aux liaisons carbone-hétéroatome — O, N, X).
Asymmetric hydrogenation
Asymmetric hydrogenation is a chemical reaction that adds two atoms of hydrogen to a target (substrate) molecule with three-dimensional spatial selectivity. Critically, this selectivity does not come from the target molecule itself, but from other reagents or catalysts present in the reaction. This allows spatial information (what chemists refer to as chirality) to transfer from one molecule to the target, forming the product as a single enantiomer.
Hydrogénation par transfert
L'hydrogénation par transfert est une technique d'hydrogénation dans laquelle la source en hydrogène n'est pas le dihydrogène, mais un autre « donneur en hydrogène ». Ces donneurs sont souvent des solvants comme l'hydrazine, le dihydronaphtalène, le dihydroanthracène, l'isopropanol, l'acide méthanoïque ou le cyclohexadiène. Cette technique est utilisée dans l'industrie et en synthèse organique du fait des inconvénients et des coûts liés à l'utilisation de H2.
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