В Национальном университете Сингапура группа учёных под руководством доцента Лу Цзёна разработала новую категорию катализаторов — одиночные атомные катализаторы (АСАК), которые способны совершить прорыв в устойчивом производстве химических и фармацевтических веществ. В основе — инновационная стратегия «якорения-заимствования» в сочетании с управлением кристаллическими гранями поддерживающего материала.
АСАК представляют собой катализаторы, в которых отдельные атомы металла, например палладия, закреплены на поверхности оксида металла (церий (IV) оксид CeO2,110). Такой подход обеспечивает максимальную атомную эффективность и чётко определённые, высокоактивные центры реакции. Эти катализаторы сочетают достоинства традиционных и современных методов, но лишены их ключевых недостатков.
Классические одиночные атомные катализаторы страдают от слишком прочной связи между атомом металла и поддержкой, что ограничивает их активность в сложных многоступенчатых реакциях, таких как кросс-сочетание. В новой работе учёные преодолели это ограничение за счёт использования выбранных кристаллических граней CeO2, способных «заимствовать» кислород для образования якорных точек и выступать в роли электронного резервуара. Это позволяет катализатору динамически адаптироваться и обходить традиционный электрохимический этап — окислительное присоединение, являющийся узким местом во многих синтезах.
Эксперименты показали, что катализатор Pd1-CeO2(110) не только эффективно работает с трудными субстратами — арилхлоридами, гетероциклами и сложными соединениями, — но и значительно превосходит традиционные катализаторы по выходу, стабильности и числу оборотов. Более того, этот катализатор можно быстро синтезировать в больших количествах, что открывает путь к промышленному применению.
АСАК эффективны для различных реакций кросс-сочетания, в том числе Хека и Соногаширы. Гибкие и адаптивные активные центры обеспечивают высокие выходы даже при работе с прочными связями углерод-хлор и сложными гетероциклическими соединениями — ключевыми строительными блоками в фармацевтической промышленности.
Механизм действия нового катализатора основан на динамических структурных изменениях атома палладия. Поддержка из CeO2 выступает в роли электронного резервуара, стабилизируя атом палладия и предотвращая его переокисление. Измерения методом XANES (рентгеновская абсорбция на краю поглощения) подтвердили, что степень окисления палладия практически не меняется в ходе реакции, что гарантирует устойчивую активность и долговечность катализатора.
В исследовании приняли участие доцент У Цзе (NUS), доцент Ван Ян-Ган (Южный университет науки и технологий, Китай), ассистент-профессор У Дуншуан (Технологический университет Наньян, Сингапур) и ассистент-профессор Хай Сяо (Пекинский университет, Китай). Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
АСАК открывают перспективы для более экологичных и экономичных методов синтеза сложных органических соединений, что особенно важно для производства лекарств и тонких химикатов. Новый подход позволяет преодолеть ограничения как гомогенных, так и гетерогенных катализаторов, а также снизить экологическую нагрузку за счёт повышения эффективности и сокращения отходов.
В перспективе команда планирует расширить стратегию на другие металлы, включая недорогие и широко распространённые, а также на новые материалы-носители. Это позволит ещё больше увеличить производительность и устойчивость промышленных процессов в химической и фармацевтической отраслях, открывая путь к масштабному и экологичному производству ценных соединений.
Изображение носит иллюстративный характер
АСАК представляют собой катализаторы, в которых отдельные атомы металла, например палладия, закреплены на поверхности оксида металла (церий (IV) оксид CeO2,110). Такой подход обеспечивает максимальную атомную эффективность и чётко определённые, высокоактивные центры реакции. Эти катализаторы сочетают достоинства традиционных и современных методов, но лишены их ключевых недостатков.
Классические одиночные атомные катализаторы страдают от слишком прочной связи между атомом металла и поддержкой, что ограничивает их активность в сложных многоступенчатых реакциях, таких как кросс-сочетание. В новой работе учёные преодолели это ограничение за счёт использования выбранных кристаллических граней CeO2, способных «заимствовать» кислород для образования якорных точек и выступать в роли электронного резервуара. Это позволяет катализатору динамически адаптироваться и обходить традиционный электрохимический этап — окислительное присоединение, являющийся узким местом во многих синтезах.
Эксперименты показали, что катализатор Pd1-CeO2(110) не только эффективно работает с трудными субстратами — арилхлоридами, гетероциклами и сложными соединениями, — но и значительно превосходит традиционные катализаторы по выходу, стабильности и числу оборотов. Более того, этот катализатор можно быстро синтезировать в больших количествах, что открывает путь к промышленному применению.
АСАК эффективны для различных реакций кросс-сочетания, в том числе Хека и Соногаширы. Гибкие и адаптивные активные центры обеспечивают высокие выходы даже при работе с прочными связями углерод-хлор и сложными гетероциклическими соединениями — ключевыми строительными блоками в фармацевтической промышленности.
Механизм действия нового катализатора основан на динамических структурных изменениях атома палладия. Поддержка из CeO2 выступает в роли электронного резервуара, стабилизируя атом палладия и предотвращая его переокисление. Измерения методом XANES (рентгеновская абсорбция на краю поглощения) подтвердили, что степень окисления палладия практически не меняется в ходе реакции, что гарантирует устойчивую активность и долговечность катализатора.
В исследовании приняли участие доцент У Цзе (NUS), доцент Ван Ян-Ган (Южный университет науки и технологий, Китай), ассистент-профессор У Дуншуан (Технологический университет Наньян, Сингапур) и ассистент-профессор Хай Сяо (Пекинский университет, Китай). Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
АСАК открывают перспективы для более экологичных и экономичных методов синтеза сложных органических соединений, что особенно важно для производства лекарств и тонких химикатов. Новый подход позволяет преодолеть ограничения как гомогенных, так и гетерогенных катализаторов, а также снизить экологическую нагрузку за счёт повышения эффективности и сокращения отходов.
В перспективе команда планирует расширить стратегию на другие металлы, включая недорогие и широко распространённые, а также на новые материалы-носители. Это позволит ещё больше увеличить производительность и устойчивость промышленных процессов в химической и фармацевтической отраслях, открывая путь к масштабному и экологичному производству ценных соединений.
