La clé des réactions chimiques est dans le nom – il doit y avoir quelque chose qui fait réagir les produits chimiques les uns aux autres. Appelé catalyseur, ce composant induit ou accélère les réactions de manière contrôlée pour produire le résultat souhaité. Les catalyseurs utilisés dans plusieurs industries sont souvent composés de métaux nobles, qui ne sont pas assez efficaces pour compenser leur coût élevé. Pour résoudre ce problème de la réaction chimique d’ajout d’hydrogène, appelée hydrogénation, à la quinoléine, une molécule importante dans la production pharmaceutique, des chercheurs basés en Chine ont développé un catalyseur très efficace comprenant des nanoparticules synergiques et des atomes uniques d’iridium.
Ils ont publié leur approche le 22 mars dans Nano-recherche.
« L’hydrogénation sélective de la quinoléine et de ses dérivés en produits correspondants a de nombreuses applications dans l’industrie chimique et pharmaceutique fine », a déclaré l’auteur co-correspondant Changyan Cao, chercheur à l’Institut de chimie, à l’Académie chinoise des sciences (ICCAS) et à l’Université de l’Académie chinoise. des Sciences (UCAS). « Les quinoléines sont une classe importante de composés pour accéder aux produits de tétrahydroquinoléine que l’on trouve largement dans les molécules de médicaments, mais des catalyseurs de métaux nobles sont généralement nécessaires pour produire cette réaction. En tant que tel, il est très important d’améliorer l’activité et l’efficacité d’utilisation des métaux précieux. en raison de leur prix élevé. »
Les chercheurs se sont concentrés sur les catalyseurs à un seul atome, qui, selon Cao, sont devenus un sujet brûlant dans le domaine de la catalyse en raison de la façon dont ils peuvent fusionner les avantages des catalyseurs homogènes et hétérogènes. Les catalyseurs homogènes favorisent une réaction uniforme, mais les catalyseurs hétérogènes peuvent induire une réaction à plus haut rendement. Le problème, selon Cao, est que les catalyseurs à un seul atome n’ont pas de liaison métal-métal. Sans cette liaison avec laquelle fusionner, l’hydrogène est forcé par une voie différente qui entraîne une hydrogénation globale moindre.
« Étant donné que l’hydrogène se dissocie plus facilement par paires sur les nanoparticules de métaux nobles – en atomes d’hydrogène, par exemple – et qu’il est bien connu que les atomes d’hydrogène débordent, nous avons émis l’hypothèse que les atomes d’hydrogène formés sur les nanoparticules métalliques pourraient également migrer vers des sites métalliques uniques pour l’hydrogénation, » a déclaré Cao, expliquant que l’activité d’hydrogénation initiale entre le catalyseur proposé et le substrat produirait essentiellement une phase secondaire d’atomes d’hydrogène capables de poursuivre le processus de catalyse. « Par une telle conception, les problèmes mentionnés ci-dessus pourraient être résolus. »
Pour concevoir un tel catalyseur, les chercheurs ont dispersé des atomes uniques d’iridium, le métal noble ayant l’activité intrinsèque la plus élevée rapportée pour l’hydrogénation de la quinoléine, et des nanoparticules dans un support en carbone. Lorsque la quinoléine était appliquée, la réaction s’est avérée plus efficace que lorsque seuls des atomes d’iridium ou que des nanoparticules étaient utilisés.
« La construction d’un catalyseur synergique modifie la voie de réaction pour tirer parti des sites à un seul atome dans l’activation du substrat et des nanoparticules dans la dissociation de l’hydrogène », a déclaré l’auteur co-correspondant Weiguo Song, professeur à l’ICCAS et à l’UCAS. « Toutes ces caractéristiques contribuent ensemble à des performances d’hydrogénation bien améliorées par rapport au catalyseur à un seul atome homologue et au catalyseur à nanoparticules seuls. »
Bien que le catalyseur synergique développé n’efface pas le besoin de métaux nobles, il réduit la quantité nécessaire pour une meilleure réaction.
« Nous avons proposé et confirmé une stratégie efficace pour stimuler l’activité catalytique pour l’hydrogénation de la quinoléine en construisant un catalyseur synergique d’atomes simples et de nanoparticules d’iridium, résolvant les limitations d’activité des catalyseurs à un seul atome », a déclaré Song. « Ensuite, nous étendrons nos recherches à d’autres catalyseurs métalliques et réactions d’hydrogénation pour démontrer l’universalité de la catalyse synergiste. »
Qikai Shen et al, Briser la limitation d’activité du catalyseur à un seul atome d’iridium dans l’hydrogénation de la quinoléine avec la catalyse synergique des nanoparticules, Nano-recherche (2022). DOI : 10.1007/s12274-022-4235-4