Der Schlüssel zu chemischen Reaktionen liegt im Namen – es muss etwas geben, das die Chemikalien dazu bringt, miteinander zu reagieren. Diese als Katalysator bezeichnete Komponente induziert oder beschleunigt Reaktionen auf kontrollierte Weise, um ein gewünschtes Ergebnis zu erzielen. Die in mehreren Industrien verwendeten Katalysatoren bestehen oft aus Edelmetallen, die nicht effizient genug sind, um ihre hohen Kosten zu kompensieren. Um dieses Problem für die chemische Reaktion des Hinzufügens von Wasserstoff, genannt Hydrierung, zu Chinolin, einem für die pharmazeutische Produktion wichtigen Molekül, anzugehen, haben Forscher in China einen hochwirksamen Katalysator entwickelt, der synergistische Nanopartikel und einzelne Iridiumatome umfasst.
Sie veröffentlichten ihren Ansatz am 22. März in Nanoforschung.
„Die selektive Hydrierung von Chinolin und seinen Derivaten zu den entsprechenden Produkten findet breite Anwendung in der feinchemischen und pharmazeutischen Industrie“, sagte Co-Korrespondenzautor Changyan Cao, Forscher am Institut für Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (ICCAS) und der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (UCAS). „Chinoline sind eine wichtige Verbindungsklasse für den Zugang zu Tetrahydrochinolinprodukten, die in Arzneimittelmolekülen weit verbreitet sind, aber normalerweise werden Edelmetallkatalysatoren benötigt, um diese Reaktion hervorzurufen. Daher ist es äußerst wichtig, die Aktivität und die Nutzungseffizienz von Edelmetallen zu verbessern aufgrund ihres hohen Preises.“
Die Forscher konzentrierten sich auf Einzelatom-Katalysatoren, die laut Cao zu einem heißen Thema auf dem Gebiet der Katalyse geworden sind, da sie die Vorteile von homogenen und heterogenen Katalysatoren vereinen können. Die homogenen Katalysatoren fördern eine einheitliche Reaktion, aber heterogene Katalysatoren können eine Reaktion mit höherer Ausbeute induzieren. Das Problem, so Cao, ist, dass Einzelatom-Katalysatoren keine Metall-Metall-Bindung haben. Ohne diese Bindung zum Verschmelzen wird Wasserstoff durch einen anderen Weg gezwungen, der zu einer geringeren Gesamthydrierung führt.
„Da Wasserstoff in passenden Paaren leichter auf Edelmetall-Nanopartikeln dissoziiert – zum Beispiel zu Wasserstoffatomen – und es bekannt ist, dass Wasserstoffatome überschwappen, haben wir die Hypothese aufgestellt, dass Wasserstoffatome, die auf Metall-Nanopartikeln gebildet werden, auch zu einzelnen Metallstellen für die Hydrierung wandern könnten, “, sagte Cao und erklärte, dass die anfängliche Hydrierungsaktivität zwischen dem vorgeschlagenen Katalysator und dem Substrat im Wesentlichen eine sekundäre Phase aus Wasserstoffatomen erzeugen würde, die in der Lage wäre, den Katalyseprozess fortzusetzen. „Durch ein solches Design könnten die oben erwähnten Probleme gelöst werden.“
Um einen solchen Katalysator zu entwerfen, dispergierten die Forscher einzelne Iridiumatome – das Edelmetall mit der höchsten berichteten intrinsischen Aktivität für die Hydrierung von Chinolin – und Nanopartikel in einem Kohlenstoffträger. Bei Verwendung von Chinolin erwies sich die Reaktion als effizienter als bei Verwendung nur von Iridiumatomen oder nur von Nanopartikeln.
„Die Konstruktion eines synergistischen Katalysators verändert den Reaktionsweg, um einzelne Atomstellen bei der Aktivierung von Substraten und Nanopartikeln bei der Dissoziation von Wasserstoff zu nutzen“, sagte Co-Korrespondenzautor Weiguo Song, Professor am ICCAS und UCAS. „Alle diese Merkmale zusammen tragen zu der stark verbesserten Hydrierungsleistung im Vergleich zu den entsprechenden Einzelatom-Katalysatoren und Nanopartikel-Katalysatoren allein bei.“
Während der entwickelte synergistische Katalysator den Bedarf an Edelmetallen nicht eliminiert, reduziert er die Menge, die für eine bessere Reaktion benötigt wird.
„Wir haben eine effiziente Strategie vorgeschlagen und bestätigt, um die katalytische Aktivität für die Hydrierung von Chinolin zu steigern, indem wir einen synergistischen Katalysator aus Iridium-Einzelatomen und -Nanopartikeln konstruieren und so die Aktivitätsbeschränkungen von Einzelatom-Katalysatoren lösen“, sagte Song. „Als nächstes werden wir unsere Forschung auf andere Metallkatalysatoren und Hydrierungsreaktionen ausdehnen, um die Universalität der synergistischen Katalyse zu demonstrieren.“
Qikai Shen et al., Durchbrechen der Aktivitätsbegrenzung von Iridium-Einzelatomkatalysatoren bei der Hydrierung von Chinolin mit synergistischer Nanopartikelkatalyse, Nanoforschung (2022). DOI: 10.1007/s12274-022-4235-4