Istraživački tim je razvio novu klasu katalizatora – poznatih kao heterogeni geminalni atomski katalizatori (GAC) – koji promovišu zelenije i održivije proizvodne procese za fine hemikalije i farmaceutske proizvode.
Fina hemijska i farmaceutska proizvodnja su glavni izvori zagađenja vazduha, a nedavne studije pokazuju da je ugljenični otisak farmaceutske industrije teži od automobilske industrije. Pored emisija gasova staklene bašte, farmaceutska industrija je takođe odgovorna za druge ozbiljne uticaje na životnu sredinu, kao što je zagađenje vode otpadnim vodama koje ispuštaju proizvođači.
„Razvijanje alternativnih katalitičkih sistema koji mogu da postignu preciznost na atomskom nivou uz obezbeđivanje povrata je na čelu naše misije da revolucionišemo održive proizvodne procese za fine hemikalije i farmaceutske proizvode. Ovo revolucionarno dostignuće je rezultat bliske saradnje između nekoliko institucija,“ rekao je vanredni profesor Lu Jiong sa Departmana za hemiju Prirodno-matematičkog fakulteta NUS-a, koji je predvodio tim istraživača NUS-a.
Studija je bila saradnja u kojoj su učestvovali vanredni profesor Koh Ming Joo i docent Zhu Ie sa Odseka za hemiju na Prirodno-matematičkom fakultetu NUS-a, profesor Li Jun sa Univerziteta Tsinghua u Kini, profesor Havier Perez-Ramirez sa ETH Ciriha u Švajcarskoj i dr. Ksi Shibo iz Agencije za nauku, tehnologiju i istraživanje (A*STAR) u Singapuru. Istraživanje je objavljeno u časopisu Nature 20. septembra 2023.
Sinteza organskih jedinjenja zahteva niz koraka poznatih kao reakcije kuplovanja katalizovane prelaznim metalima. Ove hemijske reakcije su neophodne za formiranje esencijalnih hemijskih veza tokom sinteze hemijskog jedinjenja. Međutim, katalizatori koji se trenutno koriste u ovim reakcijama predstavljaju brojne izazove, kao što su visoka cena proizvodnje, poteškoće u odvajanju katalizatora za oporavak i ponovnu upotrebu, i kontaminacija metalom koja je štetna po životnu sredinu. Strukturna arhitektura trenutnih katalizatora takođe ograničava njihov kapacitet da izvode složene reakcije.
Istraživači NUS-a, zajedno sa svojim međunarodnim saradnicima, razvili su novu klasu GAC-a kako bi zaobišli ove izazove i povećali potencijal za održivije i ekološki prihvatljivije farmaceutske proizvodne procese.
Jedna ključna karakteristika ove nove klase katalizatora je prisustvo dva metalna jezgra sastavljena od jona bakra što omogućava efikasnije i selektivnije reakcije. Istraživački tim je koristio materijal nazvan polimerni ugljen nitrid (PCN) da bi delovao kao potporna struktura koja drži dva jona bakra kako bi oni zajedno radili u hemijskim reakcijama. Istraživači su se bavili strukturom kako bi otkrili da je otprilike 0,4 nanometra savršeno rastojanje između ova dva jona bakra da bi funkcionisali kao jedna jedinica za obavljanje važnih hemijskih reakcija.
Novi katalizator preuzima jedinstvenu strukturu lanca heptazina koja mu omogućava da bude dinamičan i prilagodljiv tokom hemijskih reakcija za dva jona bakra da efikasno spoje dva reaktanta da bi se formirala hemijska veza; takva hemijska reakcija je poznata kao unakrsno spajanje. Ova struktura takođe smanjuje minimalnu količinu energije potrebnu za hemijsku reakciju.
Istraživački tim je zatim testirao novorazvijeni katalizator u nekim hemijskim reakcijama uključenim u stvaranje najčešće korišćenih lekova i hemijskih jedinjenja kako bi pokazao njegovu efikasnost u poređenju sa konvencionalnim katalizatorima, a istraživači su takođe kvantifikovali ekološke prednosti ovog novog tipa GAC-a.
Da bi prikazali svestranost novorazvijenih GAC-a, istraživači su procenili njegove performanse u različitim hemijskim reakcijama, kao što je formiranje multifunkcionalnih heterocikličnih jedinjenja koja se obično koriste u proizvodnji farmaceutskih proizvoda.
Tim je takođe izvestio da novi katalizator može poboljšati prinos konačnog proizvoda. Na primer, korišćenjem novih GAC, više bromidnih supstrata je bilo lako dostupno za uspešno poboljšanje prinosa dutasterida, koji se prvenstveno koristi za lečenje bolesti prostate, od 53% do 62%, u poređenju sa upotrebom konvencionalnih metalnih katalizatora.
Istraživači su katalizator proveli kroz devet uzastopnih ciklusa hemijskih reakcija i otkrili da može ostati stabilan bez vidljivog gubitka jona bakra iz prvobitne strukture. To znači da se količina otpada i rizik od kontaminacije metalom može značajno smanjiti.
Pored toga, novi GAC se mogu lako oporaviti i ponovo koristiti, naglašavajući njihov potencijal u jačanju održivosti u hemijskoj i farmaceutskoj industriji.
Istraživači su takođe analizirali ekološke prednosti korišćenja novog katalizatora u hemijskim reakcijama i otkrili da on postiže ugljenični otisak koji je 10 puta manji od korišćenja konvencionalnih katalizatora.
Nadmašujući konvencionalne katalizatore kroz povećani prinos, veću efikasnost i poboljšani uticaj na životnu sredinu u reakcijama unakrsnog spajanja, ova nova klasa GAC-a je atraktivna opcija za usvajanje u finoj hemijskoj i farmaceutskoj industriji.
„Naš cilj u bliskoj budućnosti je da stvorimo biblioteku GAC-a tako što ćemo pažljivo prilagoditi specifične tipove i kombinacije centara geminalnih metala. Ovo potencijalno može transformisati konvencionalne metode hemijske proizvodnje. To bi moglo označiti zoru nove ere u kojoj GAC-ovi igraju ključnu ulogu u postizanju zelenije i ekološki prihvatljivije hemijske i farmaceutske proizvodnje“, dodao je doc.
