En kombineret strategi i katalysatordesign til Suzuki krydskoblinger

Suzuki-krydskoblingsreaktionen er en meget brugt teknik til at kombinere organiske forbindelser og syntetisere komplekse kemikalier til industrielle eller farmaceutiske anvendelser. Processen kræver brug af palladium (Pd) katalysatorer og, fra i dag, to hovedtyper af Pd-baserede materialer anvendes i praksis som heterogene katalysatorer.

Den første er "metalfyldte katalysatorer, " som består af Pd-atomer (aktive steder) påført inerte understøtninger lavet af oxider eller kulstofbaserede materialer. De er nemme at forberede og tilbyder et stort overfladeareal med aktive steder, hvor Suzuki-reaktionen kan ske. disse katalysatorer nedbrydes hurtigt ved brug, da de aktive steder aggregerer/løsner sig fra bæreren. Den anden type er "intermetalliske katalysatorer" - molekyler lavet af Pd og et andet metal. Selvom det er meget mere stabilt og effektivt under milde forhold, disse katalysatorer gør dårlig brug af de høje mængder Pd, der kræves, fordi få aktive steder faktisk ender med at blive udsat for reaktionsmediet. Men hvad nu hvis begge typer katalysatorer blev kombineret for at overvinde deres iboende begrænsninger?

I en nylig undersøgelse offentliggjort i ACS katalyse , et team af forskere fra Tokyo Tech, Japan, kom med en ny idé til en heterogen katalysator. De valgte nanoporøst zirconiumcarbid (ZrC) som støtten, hvorpå de dyrkede ZrPd ₃ nanopartikler, som fungerer som en intermetallisk katalysator. Fordi både bæreren og den aktive forbindelse har det samme grundstof (Zr), den kemiske fremstilling af katalysatoren er bemærkelsesværdig enkel. De samlede fordele, i øvrigt, gå langt ud over det.

Først, den nye Pd-ZrC-katalysator er yderst stabil, fordi aktive steder (ZrPd ₃ ) få forankret på den nanoporøse ZrC-støtte. Denne stærke interaktion mellem ZrPd ₃ og ZrC hjælper med at forbedre den overordnede katalytiske stabilitet, muliggør genbrug af Pd-ZrC-katalysatoren i mere end 15 cyklusser. Ud over, de eksponerede Pd-steder klumper sig ikke sammen og spredes gennem understøtningen, at realisere et meget større effektivt område end intermetalliske katalysatorer alene. Den pæne fordeling af ZrPd ₃ over overfladen af ​​bæreren betyder også, at en mindre mængde palladium er nødvendig for det samme antal aktive steder sammenlignet med andre intermetalliske katalysatorer - en foranstaltning, der omtales som Pd-atomøkonomi.

Det vigtigste er måske det faktum, at disse fordele kommer uden betingelser; den faktiske præstation, dvs. omsætningsfrekvens, af den nye katalysator er højere end for kommercielt tilgængelige forbindelser. Professor Hideo Hosono, hvem ledede undersøgelsen, forklarer:"Fordi Pd-ZrC både har negativt ladet Pd og en stærk elektrondonationsevne, vores katalysator opnåede høj katalytisk ydeevne for Suzuki krydskoblingsreaktionen selv ved stuetemperatur."

Samlet set, resultaterne af både de teoretiske og eksperimentelle analyser udført af holdet af videnskabsmænd bekræfter, at deres strategi er meget lovende for udviklingen af ​​fremtidige katalysatorer, som Prof Hosono bemærker:"Vores observationer har bevist effektiviteten af ​​at kombinere intermetalliske katalysatorer med understøtninger for at forbedre flere aspekter samtidigt, viser, at vi kan øge graderne af frihed i designet af heterogene katalysatorer."

Forbedring af katalysatorer er en praktisk måde at reducere de økonomiske og miljømæssige omkostninger forbundet med syntesen af ​​komplekse kemikalier. Kun tiden vil vise, hvor mange nye katalysatordesigns, der er inspireret af strategien i denne undersøgelse.