精細化工和醫(yī)藥綠色生產(chǎn)的新型催化劑

新加坡國立大學理學院化學系副教授 Lu Jiong 領導的新加坡國立大學研究團隊與國際合作者一起開發(fā)出了一類新型催化劑 - 稱為異質孿生原子催化劑 (GAC) - 促進精細化學品和藥品的更環(huán)保、更可持續(xù)的制造工藝。

精細化工和醫(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)還對其他嚴重的環(huán)境影響負有責任，例如制造商排放的廢水造成的水污染。

“開發(fā)能夠實現(xiàn)原子級精度同時確?？苫厥招缘奶娲呋到y(tǒng)是我們徹底改變精細化學品和藥品可持續(xù)制造工藝的使命的首要任務。這一突破性的成就是多個機構之間密切合??作的結果。”盧副教授說道。

這項研究是新加坡國立大學理學院化學系副教授 Koh Ming Joo 和助理教授 Zhu Ye、中國清華大學李軍教授、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院 Javier Pérez-Ramírez 教授和席博士合作進行的。 Shibo 來自新加坡科學技術研究局 (A*STAR)。

該研究突破于 2023 年 9 月 20 日發(fā)表在科學雜志《自然》上。

開發(fā)新型催化劑

有機化合物的合成需要一系列稱為過渡金屬催化偶聯(lián)反應的步驟。這些化學反應對于在化合物的合成過程中形成必要的化學鍵是必不可少的。然而，目前用于這些反應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。當前催化劑的結構體系也限制了它們進行復雜反應的能力。

新加坡國立大學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關鍵特征是存在兩個由銅離子組成的金屬核，可以實現(xiàn)更高效和選擇性的反應。研究小組使用一種名為聚合氮化碳(PCN)的材料作為支撐結構來容納兩個銅離子，以便它們在化學反應中共同作用。研究人員對結構進行了修改，發(fā)現(xiàn)大約 0.4 納米是這兩個銅離子之間的完美距離，使它們能夠作為一個單元進行重要的化學反應。

這種新型催化劑具有獨特的七嗪鏈結構，使其在化學反應過程中具有動態(tài)性和適應性，可有效地將兩種反應物結合在一起形成化學鍵;這種化學反應稱為交叉偶聯(lián)。這種結構還減少了發(fā)生化學反應所需的最小能量。

研究小組隨后在一些涉及制造常用藥物和化合物的化學反應中測試了新開發(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反應中的性能，例如藥物生產(chǎn)中常用的多功能雜環(huán)化合物的形成。

該團隊還報告稱，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)歷九個連續(xù)的化學反應循環(huán)，發(fā)現(xiàn)它可以保持穩(wěn)定，原始結構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險。

此外，新型 GAC 可以輕松回收和重復使用，凸顯了其在促進化學和制藥行業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面的潛力。

研究人員還分析了在化學反應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是通過仔細調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)的化學生產(chǎn)方法。這可能標志著一個新時代的到來，GAC 在實現(xiàn)更綠色、更環(huán)保的化學和制藥制造方面發(fā)揮著關鍵作用，”盧副教授補充道。

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