صنعت شیمی معمولاً از فلزات نادر و گران‌قیمت برای تولید داروها و سایر مواد ضروری استفاده می‌کند. جایگزین کردن این فلزات در صورتی ممکن‌بوده که با فلزات فرعی و ارزان‌تر، به پایداری محیطی و کاهش هزینه‌ها و کاهش ریسک زنجیره تأمین کمک کند. مطالعاتی که اخیرا در مجله “Chemistry: A European Journal” منتشر شده است ، پژوهشگران دانشگاه اوساکا و همکارانشان به این نیاز پاسخ داده‌اند و به تبدیل شیمیایی صنعتی مفید پرداخته‌اند. شرایط واکنش ساده و ملایم گزارش شده در اینجا ممکن است الهام‌بخش برای پژوهشگرانی باشد که در حال کاهش استفاده از فلزات گران‌قیمت برای انجام تعداد زیادی از واکنش‌های شیمیایی هستند.
فلزات اشرافی به عنوان مواد چندمنظوره شناخته می‌شوند. به عنوان مثال، پالادیم فلزی است که برای کاتالیز کردن نیتریل به آمین اولیه – که گام معمولی در تولید نایلون و پلاستیک است، انتخاب می‌شود. با این حال، چنین فلزاتی کمیاب و گران‌قیمت هستند. جایگزین‌هایی بر اساس فلزات متداول مانند نیکل ممکن است به عنوان کاتالیزورهای ارزان‌تر مورد استفاده قرار گیرند.اما متأسفانه، بسیاری از فلزات ارزان نیازمند شرایط آزمایشی چالش‌برانگیزی هستند، مانند فشارها و دماهای بالا برای تبدیل شیمیایی یادشده. هدف تیم پژوهشی این مطالعه، تعیین این بود که آیا کربید نیکل همان محدودیت‌ها را دارد یا خیر و اگر نه، دامنه تبدیلات شیمیایی امکان‌پذیر با این کاتالیزور را ارزیابی کند.
“در این عملیات شیمی، واکنش را که پایه‌ای برای یک کاتالیزور نانوذره‌ای نیکل کربید جدید برای هیدروژن سازی انتخابی نیتریل به آمین اولیه است، به طور جامع مورد بررسی قرار دادیم”، گفته است شو یاماگوچی، نویسنده اصلی این مطالعه. “دامنه مواد مختلفی وجود دارد – انواع مختلف نیتریل‌های هتروآروماتیک و آلیفاتیک می‌توانند این تبدیل را پیش ببرند.”
چند مزیت در کاتالیزور پژوهشگران وجود دارد. اولاً، با وجود شرایط واکنش ملایم مورد نیاز – فشار ۱ اتمسفر هیدروژن و دمای نسبتاً پایین حدود ۱۵۰ درجه سانتیگراد – کاتالیزور هنوز ۴ برابر فعالیت نانوذرات نیکل ساده را نشان داد. دوماً، کاتالیزور قابل استفاده بود: حداقل ۳ بار. سوماً، بازده واکنش بالا بود: تا ۹۹٪.
“ما هیجان‌زده هستیم چرا که تحقیقات ما به کاهش استفاده از فلزات گران‌قیمت در یک دسته شیمیایی از سنتزهای شیمیایی کمک خواهد کرد و نحوه تجهیز آزمایشی یک کلاس متداول از سنتزهای شیمیایی را ساده‌تر می‌کند”، گفته است تومو میزوگاکی، نویسنده ارشد تحقیقات افزود: علاوه بر این، محاسبات نظری برای ما درک‌هایی فراهم می‌کنند که در بهینه‌سازی کاتالیزور برای کاربردهای گسترده کمک خواهد کرد.”
این کار یک گام مهم به سوی افزایش پایداری یک دسته از واکنش‌های شیمیایی است که برای تولید داروها و بسیاری از محصولات روزمره لازم است. چرا که کاتالیزور نیکل ارزان‌تر از فلز اشرافی است و روش‌های آزمایشی مورد نیاز ساده هستندو کاربردهای بیشتری برای تبدیلات شیمیایی در آینده را تسهیل می بخشند.
Sho Yamaguchi, Daiki Kiyohira, Kohei Tada, Taiki Kawakami, Akira Miura, Takato Mitsudome, Tomoo Mizugaki. Nickel Carbide Nanoparticle Catalyst for Selective Hydrogenation of Nitriles to Primary Amines. Chemistry – A European Journal, 2024; DOI: 10.1002/chem.202303573
Materials provided by Osaka University. Note: Content may be edited for style and length.
