新加坡國立大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系副教授 Lu Jiong 領(lǐng)導(dǎo)的新加坡國立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與國際合作者一起開發(fā)出了一類新型催化劑 - 稱為異質(zhì)孿生原子催化劑 (GAC) - 促進(jìn)精細(xì)化學(xué)品和藥品的更環(huán)保、更可持續(xù)的制造工藝。
精細(xì)化工和醫(yī)藥制造是空氣污染的主要來源，最近的研究表明，醫(yī)藥行業(yè)的碳足跡比汽車行業(yè)更重。除了溫室氣體排放之外，制藥行業(yè)還對其他嚴(yán)重的環(huán)境影響負(fù)有責(zé)任，例如制造商排放的廢水造成的水污染。
“開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)原子級精度同時(shí)確保可回收性的替代催化系統(tǒng)是我們徹底改變精細(xì)化學(xué)品和藥品可持續(xù)制造工藝的使命的首要任務(wù)。這一突破性的成就是多個(gè)機(jī)構(gòu)之間密切合??作的結(jié)果。”盧副教授說道。
這項(xiàng)研究是新加坡國立大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系副教授 Koh Ming Joo 和助理教授 Zhu Ye、中國清華大學(xué)李軍教授、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院 Javier Pérez-Ramírez 教授和席博士合作進(jìn)行的。 Shibo 來自新加坡科學(xué)技術(shù)研究局 (A*STAR)。
該研究突破于 2023 年 9 月 20 日發(fā)表在科學(xué)雜志《自然》上。
開發(fā)新型催化劑
有機(jī)化合物的合成需要一系列稱為過渡金屬催化偶聯(lián)反應(yīng)的步驟。這些化學(xué)反應(yīng)對于在化合物的合成過程中形成必要的化學(xué)鍵是必不可少的。然而，目前用于這些反應(yīng)的催化劑存在許多挑戰(zhàn)，例如生產(chǎn)成本高、催化劑分離回收和再利用困難以及對環(huán)境有害的金屬污染。當(dāng)前催化劑的結(jié)構(gòu)體系也限制了它們進(jìn)行復(fù)雜反應(yīng)的能力。
新加坡國立大學(xué)研究人員與其國際合作者一起開發(fā)了一種新型 GAC，以規(guī)避這些挑戰(zhàn)，并提高更可持續(xù)、更環(huán)保的制藥工藝的潛力。
這類新型催化劑的一個(gè)關(guān)鍵特征是存在兩個(gè)由銅離子組成的金屬核，可以實(shí)現(xiàn)更高效和選擇性的反應(yīng)。研究小組使用一種名為聚合氮化碳(PCN)的材料作為支撐結(jié)構(gòu)來容納兩個(gè)銅離子，以便它們在化學(xué)反應(yīng)中共同作用。研究人員對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，發(fā)現(xiàn)大約 0.4 納米是這兩個(gè)銅離子之間的完美距離，使它們能夠作為一個(gè)單元進(jìn)行重要的化學(xué)反應(yīng)。
這種新型催化劑具有獨(dú)特的七嗪鏈結(jié)構(gòu)，使其在化學(xué)反應(yīng)過程中具有動(dòng)態(tài)性和適應(yīng)性，可有效地將兩種反應(yīng)物結(jié)合在一起形成化學(xué)鍵;這種化學(xué)反應(yīng)稱為交叉偶聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)還減少了發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所需的最小能量。
研究小組隨后在一些涉及制造常用藥物和化合物的化學(xué)反應(yīng)中測試了新開發(fā)的催化劑，以證明其與傳統(tǒng)催化劑相比的效率，研究人員還量化了這種新型 GAC 的環(huán)境效益。
用于綠色化學(xué)工藝的新型 GAC
為了展示新開發(fā)的 GAC 的多功能性，研究人員評估了其在各種化學(xué)反應(yīng)中的性能，例如藥物生產(chǎn)中常用的多功能雜環(huán)化合物的形成。
該團(tuán)隊(duì)還報(bào)告稱，新催化劑可以提高最終產(chǎn)品的產(chǎn)率。例如，與使用傳統(tǒng)金屬催化劑相比，使用新型 GAC 可以輕松獲得更多的溴化物底物，從而成功提高主要用于治療前列腺疾病的度他雄胺的產(chǎn)量，從 53% 提高到 62%。
研究人員讓催化劑經(jīng)歷九個(gè)連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)循環(huán)，發(fā)現(xiàn)它可以保持穩(wěn)定，原始結(jié)構(gòu)中沒有檢測到銅離子的損失。這意味著可以顯著降低廢物量和金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。
此外，新型 GAC 可以輕松回收和重復(fù)使用，凸顯了其在促進(jìn)化學(xué)和制藥行業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面的潛力。
研究人員還分析了在化學(xué)反應(yīng)中使用新型催化劑的環(huán)境效益，發(fā)現(xiàn)其碳足跡比使用傳統(tǒng)催化劑低 10 倍。
通過提高交叉偶聯(lián)反應(yīng)的產(chǎn)率、效率和環(huán)境影響，這種新型 GAC 的性能優(yōu)于傳統(tǒng)催化劑，因此成為精細(xì)化工和制藥行業(yè)采用的有吸引力的選擇。
“我們在不久的將來的目標(biāo)是通過仔細(xì)調(diào)整孿生金屬中心的具體類型和組合來創(chuàng)建 GAC 庫。這有可能改變傳統(tǒng)的化學(xué)生產(chǎn)方法。這可能標(biāo)志著一個(gè)新時(shí)代的到來，GAC 在實(shí)現(xiàn)更綠色、更環(huán)保的化學(xué)和制藥制造方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，”盧副教授補(bǔ)充道。
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