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

19989Шесть историй, которые умещаются на ладони 19986Как 30 000 аккаунтов Facebook оказались в руках вьетнамских хакеров? 19985LofyGang вернулась: как бразильские хакеры охотятся на геймеров через поддельные читы 19984Автономная проверка защиты: как не отстать от ИИ-атак 19983Взлом Trellix: хакеры добрались до исходного кода одной из ведущих компаний по... 19982Почему почти 3000 монет в норвежском поле перевернули представление о викингах? 19981Как поддельная CAPTCHA опустошает ваш счёт и крадёт криптовалюту? 19980Слежка за каждым шагом: как ИИ превращает государство в машину тотального контроля 19979Как хакеры грабят компании через звонок в «техподдержку» 19978Почему именно Нью-Йорк стал самым уязвимым городом восточного побережья перед... 19977Как одна команда git push открывала доступ к миллионам репозиториев 19976Зачем древние народы убивали ножами и мечами: оружие как основа власти 19975Как Python-бэкдор DEEPDOOR крадёт ваши облачные пароли незаметно? 19974Послание в бутылке: математика невозможного 19973Почему ИИ-инфраструктура стала новой целью хакеров быстрее, чем ждали все?
Ссылка