Catalizator pe bază de nichel activat cu lumină, mai eficient și mai ieftin
Cercetătorii de la Institute of Science and Technology Austria (ISTA) au dezvoltat un nou sistem catalitic care folosește cantități extrem de mici de nichel pentru a crea legături chimice între molecule, potrivit unui studiu publicat în Nature Catalysis. Rezultatele ar putea deschide calea către procese industriale mai ieftine și mai sustenabile pentru producția de medicamente, produse chimice fine și agrochimice.
În laboratorul condus de Bartholomäus Pieber, lămpi LED albastre luminează mici vase de reacție, furnizând energia necesară activării catalizatorului pe bază de nichel. Spre deosebire de catalizatorii tradiționali pe bază de paladiu — metale nobile scumpe și rare — nichelul este abundent și ieftin, dar până acum mai puțin eficient și cu un spectru mai restrâns de reacții posibile.
O soluție pentru limitările nichelului
Echipa formată din Aleksander Bena, Trisha Banik, Christos Giannoudis, Florian Ortis, Haralds Baunis și Gayathri Palissery, în colaborare cu Daniel Bím de la University of Chemistry and Technology din Praga, a proiectat un ligand special care amplifică activitatea catalitică a atomului de nichel atunci când este activat de lumina vizibilă. Acest lucru permite noului catalizator să formeze legături între atomi de carbon, azot, oxigen, sulf sau fosfor, unind două molecule într-o structură mai complexă.
Pieber explică faptul că echipa sa încearcă să înțeleagă de ce sistemele actuale de cataliză cu nichel au limitări și, pe baza acestei înțelegeri, să proiecteze alternative. În 2020, grupul a demonstrat că limitările pot fi abordate, dar reacțiile erau foarte lente și necesitau cantități mari de catalizator. „Desigur, era încă departe de a fi o metodă eficientă”, spune Pieber. „Dar a fost o dovadă importantă de concept.”
Performanțe remarcabile cu foarte puțin nichel
Noul sistem catalitic s-a dovedit a fi larg aplicabil. Echipa a demonstrat versatilitatea metodei prin obținerea a peste 150 de produse, de la blocuri simple de construcție moleculară până la molecule complexe și derivați ai unor medicamente precum fluoxetina, unul dintre cele mai prescrise antidepresive.
„Rezultatul cel mai izbitor a fost că putem forma legături chimice dificile în mod eficient cu o cantitate foarte mică de catalizator pe bază de nichel”, afirmă Bena. Cercetătorii au reușit să reducă încărcarea catalizatorului la 100 de părți per milion, sau 0,01 mol%. Practic, o singură moleculă de catalizator a produs până la 10.000 de molecule de produs.
Pieber subliniază că astfel de încărcări scăzute ale catalizatorului sunt de obicei obținute doar cu catalizatori pe bază de paladiu. „Faptul că putem face acest lucru cu un catalizator pe bază de nichel este cu adevărat interesant”, spune el. „Combinația dintre încărcarea scăzută a catalizatorului și generalitatea ridicată pentru multe blocuri de construcție ar putea face abordarea deosebit de interesantă pentru sinteza farmaceutică și chimică fină.”
Studiul demonstrează cum înțelegerea reactivității fundamentale a moleculelor pe bază de nichel poate transforma un metal abundent într-un catalizator mai puternic, cu potențial de a reduce costurile și impactul asupra mediului în producția industrială.
