08.09.2020 - RUDN University

Chemiker entwickelt grünen Katalysator für die pharmazeutische und industrielle Chemie

Katalysator basiert auf einer Substanz, die aus Pflanzenabfällen stammt

Viele Produktionsstätten (z.B. Kunststoffhersteller, Pharmaunternehmen und andere) verwenden Nanokatalysatoren, die Palladium enthalten - eine teure Komponente, die nicht nachhaltig produziert wird. Ein Chemiker der RUDN-Universität fand einen Weg, den Palladiumverbrauch zu reduzieren und die Herstellung umweltfreundlicher zu gestalten. Er entwickelte einen Katalysator, der auf einer Substanz basiert, die aus Pflanzenabfällen stammt. Mit seiner Erfindung konnten die Hersteller den Palladiumverbrauch um die Hälfte reduzieren. Außerdem können neue Katalysatoren ohne Effizienzverlust mehrfach wiederverwendet werden.

Kreuzkupplung ist eine Art von Reaktion, bei der Kohlenstoffatome aus verschiedenen organischen Molekülen kombiniert werden. Kreuzkupplungsreaktionen sind in der industriellen Chemie am weitesten verbreitet. Sie werden zur Synthese von Kunststoffen, Arzneimitteln und anderen Verbindungen verwendet und machen nur 17% aller Reaktionen in der medizinischen Chemie aus. Die Hauptkomponente der Kreuzkupplung sind Palladium-Nanopartikel. Palladium ist eines der seltensten Elemente auf der Erde, was es zu einem sehr teuren Katalysator macht. Darüber hinaus wird es hauptsächlich in Bergbauanlagen produziert, die eine erhebliche Gefahr für die Umwelt darstellen. Ein Chemiker der RUDN-Universität schlug vor, all diese Probleme mit einem neuen Ansatz zu lösen.

Der Verbrauch von Palladium in Kreuzkupplungsreaktionen steigt, weil die Partikel palladiumhaltiger Katalysatoren dazu neigen, sich zu binden. Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu stoppen. Man könnte die chemischen Eigenschaften der Partikel verändern, um die Reaktion zwischen ihren Oberflächen zu schwächen, wenn sie miteinander in Kontakt kommen. Alternativ könnte das Metall physikalisch mit einem Gerüst oder einem Gitter an Ort und Stelle gehalten werden. Der Chemiker der RUDN-Universität wählte die zweite Methode und fixierte die Metallpartikel mit Hilfe einer mehrschichtigen Hülle mit einem Magnetkern an ihren jeweiligen Stellen.

Der Kern des neuen Nanokatalysators besteht aus Eisenoxid mit hohen magnetischen Eigenschaften. Die Beschichtung besteht aus einem Polymer auf Katecholbasis. Katechol ist eine Substanz, die in den Zellwänden von Pflanzen vorkommt und aus Pflanzenabfällen hergestellt wird. Diese beiden Schichten sind Hilfsschichten und haben keine katalytische Aktivität. Die katalytischen Eigenschaften der Verbindung stammen von Palladium-Nanopartikeln, die in die zweite Schicht eingearbeitet sind. Das Polymer fixiert die Partikel an Ort und Stelle und verhindert, dass sie sich miteinander verbinden.

Die neue Katalysatorstruktur benötigt doppelt so wenig Palladium wie die alte: 1,5 % des Gesamtgewichts der Nanopartikel im Vergleich zu 3-6 %. Zudem kann der Kern des Nanokompositmaterials nach einigen Produktionszyklen gereinigt und wiederverwendet werden. Diese Methode ist nicht nur gut für die Umwelt, sondern auch wirtschaftlich machbar, da sie die Herstellung von Arzneimitteln, Kunststoffen und anderen Produkten billiger macht.

"Heute sind Chemiker besonders an grünen Katalysatoren interessiert. Unsere Nanokatalysatoren enthalten ein Produkt aus der Verwertung von Pflanzenabfällen und arbeiten gleichzeitig effizient in Kreuzkupplungsreaktionen. Daher sind sie nicht nur in der Lage, den Palladiumverbrauch zu reduzieren und den Produktionsprozess billiger zu machen, sondern auch vorteilhaft für die Umwelt. Darüber hinaus ist es uns gelungen, den universellen Charakter von Polymeren auf der Basis von pflanzlichen Katecholen aufzuzeigen. Der gleiche Ansatz kann auch bei der Arbeit mit anderen Metallen wie Platin, Silber oder Gold oder mit Katalysatoren anderer organischer Reaktionen angewandt werden", sagte Rafael Luque, PhD, Leiter des Wissenschaftszentrums für Molekulardesign und Synthese innovativer Verbindungen für die Medizin an der RUDN-Universität.

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