کاتالیزور نیکل نور محور با استفاده از فلز کمتر پیوندهای شیمیایی تشکیل می دهد

توسط آندریاس روته، موسسه علم و فناوری اتریش

ویرایش شده توسط لیزا لاک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

داروها، مواد شیمیایی خوب و مواد شیمیایی کشاورزی با استفاده از طیف گسترده ای از واکنش های شیمیایی به صورت صنعتی تولید می شوند. این فرآیندها باید کارآمدتر، کم هزینه تر و پایدارتر شوند.

در پشت یک دیوار شیشه‌ای در آزمایشگاه Pieber در موسسه علم و فناوری اتریش (ISTA)، لامپ‌های LED آبی نور را به رگ‌های واکنش کوچک می‌تابانند. نور بیشتر از روشن کردن آنها انجام می دهد: انرژی را تامین می کند که به یک کاتالیزور نیکل برای هدایت واکنش های شیمیایی سوخت می دهد.

در مطالعه جدیدی که در Nature Catalysis منتشر شده است، گروه تحقیقاتی به سرپرستی Bartholomäus Pieber نشان می دهد که یک کاتالیزور نیکل با دقت طراحی شده می تواند سنتز شیمیایی مبتنی بر نور را متنوع تر و کارآمدتر کند.

پیبر و اعضای تیمش الکساندر بنا، تریشا بانیک، کریستوس جیانودیس، فلوریان اورتیس، هارالدز باونیس و گایاتری پالیسری (همه ISTA)، با همکاری دانیل بیم از دانشگاه شیمی و فناوری در پراگ، یک سیستم کاتالیزوری جدید را توسعه دادند که به طور انتخابی و کارآمدی به مقادیر بسیار کمی از بلوک‌های شیمیایی کل می‌پیوندد.

داروها روی درختان رشد نمی کنند - آنها از طریق فرآیندهای شیمیایی چند مرحله ای تولید می شوند که به طیف وسیعی از واکنش ها نیاز دارند. یکی از پرکاربردترین استراتژی‌ها برای ساخت این مولکول‌ها، شیمی جفت متقابل است که در آن دو بلوک ساختمانی مولکولی توسط یک پیوند شیمیایی جدید با کمک یک کاتالیزور فلزی به هم متصل می‌شوند.

کاتالیزور ماده ای است که یک واکنش شیمیایی را بدون اینکه خودش مصرف کند را قادر می سازد یا سرعت می بخشد. کاتالیزورها اغلب از اتم های فلزی منفرد تشکیل شده اند که به مولکول های آلی به نام لیگاند متصل هستند. این لیگاندها بر نحوه رفتار فلز تأثیر می‌گذارند و می‌توانند برای تنظیم دقیق خواص کاتالیزوری آن طراحی شوند.

در بسیاری از واکنش های جفت متقابل مهم، کاتالیزور بر پایه اتم پالادیوم است. اهمیت این رویکرد با جایزه نوبل شیمی 2010 که به ریچارد هک، ایچی نگیشی و آکیرا سوزوکی برای توسعه واکنش‌های جفت متقابل کاتالیز شده با پالادیوم در سنتز آلی اعطا شد، شناسایی شد. این واکنش‌ها در ساخت مولکول‌های پیچیده از جمله مواد دارویی تأثیرگذار شده‌اند. کاتالیزورهای پالادیوم بسیار کارآمد هستند، اما فلز نجیب کمیاب و گران است.

حدود 10 سال پیش، مطالعات نشان داد که یک کاتالیزور نیکل همراه با کاتالیزور دوم که نور مرئی را به "انرژی شیمیایی" تبدیل می کند، می تواند به جای پالادیوم استفاده شود. این پتانسیل را دارد که این واکنش ها را ارزان تر و پایدارتر کند. اما نکته ای وجود دارد: کاتالیزورهای نیکل کارایی کمتری دارند و به اندازه کاتالیزورهای پالادیوم واکنش های گسترده ای را فعال نمی کنند.

پیبر توضیح می‌دهد: «در آزمایشگاه خود، ما سعی می‌کنیم بفهمیم که چرا سیستم‌های کاتالیزور نیکل معاصر دارای محدودیت‌هایی هستند و بر اساس این درک، نامزدها و روش‌های جایگزین را طراحی، ساخته و مطالعه می‌کنیم.»

این گروه در سال 2020 گام مهمی برداشت و نشان داد که محدودیت‌های کاتالیز نیکل قابل رفع است. محققان دریافتند که کاتالیزورهای نیکل را می توان با استفاده از بلوک های ساختمانی چالش برانگیز از بین برد و نشان دادند که می توان با کنترل دقیق شرایط واکنش از این امر جلوگیری کرد. این رویکرد جواب داد، اما واکنش ها بسیار کند بود و به مقادیر زیادی کاتالیزور نیکل نیاز داشت.

پیبر می‌گوید: «البته، این روش هنوز با یک روش کارآمد فاصله داشت. اما این یک اثبات مهم از مفهوم بود، و در طول چند سال گذشته، درک ما از این واکنش‌های کاتالیزوری همچنان رو به بهبود بوده است.

بنا، دکتری. دانش‌آموز، از این درک رو به رشد برای طراحی ساختارهای ممکن برای کاتالیزورهای نیکل کارآمدتر و قوی‌تر که می‌توانند مستقیما با نور مرئی فعال شوند، استفاده کرد. او ایده های خود را در آزمایشگاه آزمایش کرد و در نهایت تیم را به سمت لیگاند جدیدی هدایت کرد که به نیکل کمک می کند بر برخی از محدودیت های باقیمانده کاتالیز نور محور غلبه کند.

بنا می گوید: "من چالش حل یک پازل شیمیایی را دوست دارم. شما یک ایده را توسعه می دهید، آن را آزمایش می کنید و از هر نتیجه چیزی یاد می گیرید." تداوم او منجر به یک سیستم کاتالیزوری جدید شد که به طور گسترده قابل استفاده است و به نیکل بسیار کمتری نیاز دارد.

یک کارگروه کوچک در داخل گروه Pieber - متشکل از Banik، Giannoudis، Ortis، Baunis و Palissery - برای مطالعه کاربرد کلی کاتالیزور جدید تشکیل شد. این تیم تطبیق پذیری روش خود را با ساخت بیش از 150 محصول، از بلوک های ساختمانی ساده گرفته تا مولکول های پیچیده و مشتقات داروهایی مانند فلوکستین، یکی از رایج ترین داروهای ضد افسردگی، نشان دادند.

این پیشرفت مبتنی بر یک لیگاند سفارشی است که فعالیت کاتالیزوری اتم نیکل را هنگامی که توسط نور مرئی فعال می شود، افزایش می دهد. این کاتالیزور جدید را قادر می‌سازد تا بین اتم‌های کربن، نیتروژن، اکسیژن، گوگرد یا فسفر پیوند ایجاد کند و دو مولکول را به یک ساختار بزرگ‌تر و پیچیده‌تر تبدیل کند.

بنا می‌گوید: «بارزترین نتیجه این بود که ما می‌توانیم پیوندهای چالش برانگیز را با مقدار بسیار کمی کاتالیزور نیکل به طور مؤثر ایجاد کنیم.

محققان توانستند بارگذاری کاتالیست را به 100 قسمت در میلیون یا 0.01 مول کاهش دهند. به زبان ساده، این بدان معناست که در این آزمایش، یک مولکول کاتالیزور نیکل تا 10000 مولکول محصول تولید کرد.

کار آنها نشان می دهد که چگونه درک واکنش پذیری اساسی مولکول های مبتنی بر نیکل می تواند به تبدیل یک فلز فراوان به کاتالیزور قوی تر کمک کند.

پیبر توضیح می‌دهد: "این بارگذاری‌های کم کاتالیزور معمولا تنها با کاتالیزورهای مبتنی بر پالادیوم به دست می‌آیند. انجام این کار با کاتالیزور نیکل واقعا هیجان‌انگیز است." ترکیبی از بارگذاری کم کاتالیزور و عمومیت بالا در بسیاری از بلوک‌های ساختمانی می‌تواند این رویکرد را برای سنتز دارویی و شیمیایی ریز جالب کند.

الکساندر آر. بنا و همکاران، طراحی لیگاند، جفت‌های C(sp2)-هترواتم آریل برومیدهای کاتالیز شده با NiI را در بارهای کاتالیزور کم، Nature Catalysis (2026) گسترش می‌دهد. DOI: 10.1038/s41929-026-01616-6

ارائه شده توسط موسسه علم و فناوری اتریش

لیسانس تاریخ هنر، کارشناسی ارشد فرهنگ مادی. سردبیر سابق موزه، پیراپزشک و هماهنگ کننده پیوند. ویرایش برای Science X از سال 2021. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →