Forskere udvikler miljøvenlige, 4-i-1 katalysator

Brown University-forskere har udviklet en ny sammensat katalysator, der kan udføre fire separate kemiske reaktioner i sekventiel rækkefølge og i en beholder for at producere forbindelser, der er nyttige til fremstilling af en bred vifte af farmaceutiske produkter.

"Det tager normalt flere katalysatorer at udføre alle trin i denne reaktion, "sagde Chao Yu, en postdoktorforsker ved Brown, der ledede arbejdet sammen med kandidatstuderende Xuefeng Guo. "Men vi fandt en enkelt nanokatalysator, der kan udføre denne flertrinsreaktion af sig selv."

Forskningen, beskrevet i Journal of the American Chemical Society , var et samarbejde mellem laboratorierne af brune professorer Christopher Seto og Shouheng Sun, som er medforfattere til avisen.

Arbejdet blev udført, sagde forskerne, med henblik på at finde måder at gøre den kemiske industri mere miljømæssigt bæredygtig. Multireaktionskatalysatorer som denne er et skridt mod dette mål.

"Hvis du kører fire forskellige reaktioner hver for sig, så har du fire forskellige trin, der kræver opløsningsmidler og udgangsmaterialer, og de efterlader hver især affald, der er forurenet med biprodukter fra reaktionen, " sagde Seto. "Men hvis du kan gøre det hele i én gryde, du kan bruge mindre opløsningsmiddel og reducere spild."

Holdet lavede deres nye katalysator ved at dyrke sølv-palladium nanopartikler på overfladen af ​​nanorods lavet af iltfattigt wolframoxid (wolframoxid med nogle få af dets iltatomer mangler). Forskerne viste, at det kunne katalysere rækken af ​​reaktioner, der er nødvendige for at omdanne almindelige udgangsmaterialer myresyre, nitrobenzen og et aldehyd til en benzoxazol, som kan bruges til at lave antibakterielle midler, svampedræbende midler og NSAID smertestillende midler. Forskerne viste, at katalysatoren også kunne bruges til at skabe en anden forbindelse, quinazolin, som bruges i en række forskellige kræftmidler.

Eksperimenter viste, at katalysatoren kunne udføre de fire reaktioner med et næsten kvantitativt udbytte - hvilket betyder, at den producerer den maksimalt mulige mængde produkt for en given mængde udgangsmaterialer. Reaktionerne blev udført ved en lavere temperatur, på kortere tid, og anvendelse af opløsningsmidler, der er mere miljøvenlige end dem, der normalt bruges til disse reaktioner.

"Temperaturen, vi brugte til at syntetisere dette produkt, er omkring 80 grader Celsius, "Guo sagde." Normalt sker reaktionen omkring 130 grader, og du skal køre reaktionen i en eller to dage. Men vi kan få et lignende udbytte ved 80 grader på otte timer."

Den nye katalysator er også i stand til at fremstille benzoxazolforbindelserne ved hjælp af udgangsmaterialer, der er mere miljøvenlige end de almindeligt anvendte. Reaktionskæden kræver en brintkilde til dets indledende trin. Denne kilde kan være ren hydrogengas, som er svær at opbevare og transportere, eller det kunne udvindes fra en kemisk forbindelse. En forbindelse kaldet ammoniakboran bruges ofte til dette formål, men den nye katalysator gør det muligt at bruge myresyre i stedet, som er "billigere, grønnere og mindre giftige, "Sagde Yu.

Og selvom mange katalysatorer testet i disse reaktioner ikke kan bruges mere end én gang uden at ødelægge deres effektivitet alvorligt, forskerne var i stand til at bruge den nye katalysator op til fem gange med et lille fald i reaktionsudbyttet.

Sun siger, at undersøgelser som denne repræsenterer en ny forskningslinje inden for grønnere kemi.

"Normalt i katalyse laver vi en reaktion ad gangen, med en anden katalysator for hver reaktion," sagde Shouheng Sun, professor i kemi ved Brown. "Men der er stigende interesse for at finde på katalysatorer, der kan udføre flere reaktioner i en gryde, og det er det, vi har gjort her."