Катализаторы нового поколения: одиночные атомы для устойчивого синтеза лекарств и химикатов

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.
Катализаторы нового поколения: одиночные атомы для устойчивого синтеза лекарств и химикатов
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.


Новое на сайте

19521Банковский троян VENON на Rust атакует Бразилию с помощью девяти техник обхода защиты 19520Бонобо агрессивны не меньше шимпанзе, но всё решают самки 19519Почему 600-килограммовый зонд NASA падает на Землю из-за солнечной активности? 19518«Липовый календарь»: как расписание превращает работников в расходный материал 19517Вредоносные Rust-пакеты и ИИ-бот крадут секреты разработчиков через CI/CD-пайплайны 19516Как хакеры за 72 часа превратили npm-пакет в ключ от целого облака AWS 19515Как WebDAV-диск и поддельная капча помогают обойти антивирус? 19514Могут ли простые числа скрываться внутри чёрных дыр? 19513Метеорит пробил крышу дома в Германии — откуда взялся огненный шар над Европой? 19512Уязвимости LeakyLooker в Google Looker Studio открывали доступ к чужим базам данных 19511Почему тысячи серверов оказываются открытой дверью для хакеров, хотя могли бы ею не быть? 19510Как исследователи за четыре минуты заставили ИИ-браузер Perplexity Comet попасться на... 19509Может ли женщина без влагалища и шейки матки зачать ребёнка естественным путём? 19508Зачем учёные из Вены создали QR-код, который невозможно увидеть без электронного... 19507Девять уязвимостей CrackArmor позволяют получить root-доступ через модуль безопасности...
Ссылка