Ny miljøvenlig syntesemetode bruger aluminiumoxid som en genanvendelig katalysator

Et internationalt forskningssamarbejde mellem Kobe University og Inner Mongolia Medical University har udviklet en enkel, billig og forholdsvis miljøvenlig metode til at syntetisere diphenylmethanol-derivater ved hjælp af aluminiumoxid fra Kina. Diphenylmethanol-derivater bruges som råmateriale til fremstilling af blandt andet parfume og lægemidler.

Forskerne opdagede, at aluminiumoxid gentagne gange kan genbruges til denne reaktion, hvis det vaskes med vand og tørres mellem brug. Denne genanvendelse reducerer både behovet for mere aluminiumoxid og mængden af ​​produceret affald, hvilket reducerer synteseomkostningerne og påvirkningen af ​​miljøet. Efterhånden som den globale miljøbevidsthed fortsætter med at stige, håber forskerne, at denne nye metode til kemisk syntese vil bidrage til at realisere et CO2-neutralt samfund og opnå SDG'erne.

Denne opdagelse blev gjort af en international forskergruppe, som omfattede lektor Tsuda Akihiko fra Kobe University Graduate School of Science (som også er gæsteprofessor ved Inner Mongolia Medical University) og forskere fra Inner Mongolia Medical University, herunder professor Chaolu Eerdun (som opnået deres Ph.D. fra Kobe University's Graduate School of Science) og lektor Liang Fengying.

En patentansøgning for denne metode blev indgivet i Kina i april 2021, med en prioritetsansøgning indgivet i september samme år. Efterfølgende blev resultaterne af denne forskning offentliggjort online i det akademiske tidsskrift ChemistryOpen den 18. maj 2022.

Aluminiumoxid (Al₂ O₃ ) er et aluminiumoxid, der hovedsageligt anvendes som råmateriale til fremstilling af aluminium (figur 1). Det bruges dog også som en katalysator inden for organisk syntetisk kemi. Det bruges hovedsageligt til reaktioner, der kræver barske forhold (såsom høj temperatur eller højt tryk). Alumina er dog ikke en almindeligt anvendt katalysator af forskellige årsager, blandt andet at den kun kan bruges til en lille række kemiske reaktioner. Aluminiumoxid bruges også til at adsorbere urenheder i det organiske syntesefelt og som et stationært fasestof i kromatografi. Men spørgsmål som dets høje omkostninger som råmateriale og den store mængde ikke-brændbart affald, det genererer, betyder, at der er en tendens til at erstatte det med erstatninger. Under disse omstændigheder ledede professor Tsuda en forskergruppe ved Indre Mongoliets Universitet (Kina), som lykkedes med at udvikle en ny, bæredygtig metode til organisk syntese ved hjælp af aluminiumoxid, som Kina producerer i store mængder.

Professor Tsuda og Inner Mongolia Medical University-teamet opdagede en enkel, billig og miljøvenlig måde at syntetisere diphenylmethanol-derivater (som er udgangsmaterialer i produktionen af ​​duftstoffer og lægemidler) ved at bruge kinesisk aluminiumoxid som både en katalysator og adsorbent (Figur 2) ). Brug af aluminiumchlorid (AlCl₃ De generiske organiske opløsningsmidler toluen, xylen og trimethylbenzen blev som katalysator omsat med chloroform. Hvis det resulterende stof efterbehandles med vand, opnår du hovedsageligt et kloreringsprodukt. Forskerne opdagede dog, at hvis det samme resulterende stof aflejres på aluminiumoxid, der indeholder vand, kan man få diphenylmethanolderivater. De fandt også, at hvis det resulterende stof aflejres på aluminiumoxid, der indeholder methanol, opnås en methanolerstatning. Det menes, at når stoffet adsorberes på aluminiumoxidet, reagerer det med vandet eller alkoholen indeni for at producere det respektive slutprodukt.

Desuden fandt forskergruppen ud af, at et meget rent produkt kunne opnås, selvom det var adsorberet af aluminiumoxid, der tidligere var blevet brugt som katalysator eller var et urent biprodukt. Ved at bruge den førnævnte metode er det muligt selektivt at syntetisere tre forskellige produkter.

Kommerciel aluminiumoxid er dog forholdsvis dyr, hvilket ville gøre det vanskeligt at implementere reaktioner som denne, der kræver store mængder i industriel skala. Med dette i tankerne forsøgte forskerne at genbruge aluminiumoxidet efter at have skyllet det med vand og ladet det tørre, og de opdagede, at det beholdt sine katalytiske og adsorberende egenskaber (figur 3). Denne genbrugsproces kan udføres gentagne gange, hvilket i høj grad reducerer omkostningerne til materialer samt mængden af ​​affald. Til synteseforsøgene i laboratoriet var mængden af ​​anvendt aluminiumoxid i området fra nogle få gram til titusinder af gram. Det er en sikker reaktion med højt udbytte, som kun tager kort tid at fuldføre (et antal timer), derfor kan denne anvendelse af aluminiumoxid på et akademisk niveau udvides til forskellige områder i den kemiske industri. Det er håbet, at det kan give samfundet en praktisk og bæredygtig organisk syntesemetode.

At 0°C, aluminum chloride (1.1 g, 8 mmol) was added to a mixture of chloroform (30 mL, 0.37 mol) and an aromatic substrate such as p-xylene (1mL, 8mmol), and then stirred for six hours. After this, the resulting sample solution was dropped into a commercially available alumina column (water content ~1 wt%) and subjected to column chromatography with a dry chloroform/ethyl acetate (1:1) eluent. This chromatography revealed that a 94% yield of diphenylmethanol derivatives can be produced using this method. Refinement processes such as recrystallization can be performed as required to obtain a highly pure end product.

As for the mechanism behind this, it is thought that the chloroform and the aromatic substrate undergo an aluminum chloride-mediated Friedel-Crafts reaction. The resulting reactant and aluminum chloride are adsorbed by the alumina and are subsequently hydrolyzed by the water molecules in the alumina, leading to the formation of the end product. After removing the end product from the alumina, the alumina can be recycled by first washing away the adsorbed compounds, salts and solvents remaining in the alumina and then drying it. Consequently, the alumina can be reused as a catalyst for this reaction again and again.

The novel catalytic, adsorbent and recyclable properties of alumina discovered through this research have potential applications to the organic synthesis of compounds other than diphenylmethanol derivatives. The goal is to greatly expand this reaction's range of applications to develop a more general synthesis method that can be used to produce various useful chemicals.

Amidst rising global environmental awareness, it is hoped that the new chemical reaction developed in this study will become a novel method of synthesizing chemical products which will contribute towards recycling efforts, carbon neutrality and the SDGs. It is predicted to bring about fresh innovation in the organic synthesis and organic chemical industries. It is hoped that continued development of this method through the international research collaboration with China, the world's number one producer of alumina, will result in highly practical large-scale implementation. + Udforsk yderligere

Converting CO2 to formic acid using an alumina-supported, iron-based compound