Phát triển một lớp xúc tác mới cho sản xuất hóa học và dược phẩm xanh
Một nhóm nghiên cứu đã phát triển một lớp xúc tác mới, các xúc tác nguyên tử sinh đôi dị thể (heterogeneous geminal atom catalysts GACs), thúc đẩy các quá trình sản xuất xanh hơn và bền vững hơn cho các hóa chất và dược phẩm tốt.
Việc sản xuất các hóa chất và dược phẩm tốt hơn hiện đang là những nguồn lớn gây ô nhiễm không khí. Nhiều nghiên cứu gần đây chứng tỏ vết carbon của ngành công nghiệp dược phẩm ngày càng trở nên nặng hơn so với ngành công nghiệp ô tô, tự động hóa. Vượt ra ngoài phát thải khí nhà kính, ngành công nghiệp dược phẩm cũng có nhiều tác động đến môi trường nghiêm trọng khác, như ô nhiễm nước từ nước xả thải qua quá trình sản xuất.
“Phát triển các hệ thống xúc tác thay thế có khả năng đạt tới độ chính xác ở mức nguyên tử trong khi phải đảm bảo khả năng phục hồi là đích hướng tới của nghiên cứu. Chúng tôi muốn cách mạng hóa các quá trình sản xuất bền vững cho các hóa chất và dược phẩm tốt. Thành công mang tính khởi đầu này là kết quả của một hợp tác bền chặt giữa nhiều viện nghiên cứu”, theo nhận xét của phó giáo sư Lu Jiong của Bộ môn Hóa học, Khoa Khoa học NUS, người dẫn dắt nhóm nghiên cứu tại NUS.
Nghiên cứu này là sự hợp tác bao gồm phó giáo sư Koh Ming Joo và phó giáo sư Zhu Ye từ bộ môn Hóa học NUS, giáo sư Li Jun trường đại học Thanh Hoa Bắc Kinh, giáo sư Javier Pérez-Ramírez, trường Công nghệ liên bang Thụy Sĩ (ETH Zurich), và tiến sĩ Xi Shibo của Tổ chức KH, CN và nghiên cứu (A*STAR) ở Singapore. Kết quả nghiên cứu được xuất bản trên tạp chí Nature vào ngày 20/9/2023, “Geminal-atom catalysis for cross-coupling” 1.
Phát triển một lớp xúc tác mới
Việc tổng hợp các thành phần hữu cơ đòi hỏi một loạt các bước mà người ta gọi là các phản ứng ghép xúc tác bằng kim loại chuyển tiếp (transition metal-catalyzed coupling reactions). Các phản ứng hóa học này không thể thiếu cho việc hình thành các liên kết hóa học thiết yếu trong suốt quá trình tổng hợp của một hợp chất hóa học. Tuy nhiên, các phân tích hiện tại được sử dụng trong các phản ứng đó lại trưng ra một số thách thức như chi phí sản xuất cao, khó tách xúc tác cho sự phục hồi và tái sử dụng, và ô nhiễm kim loại gây hại cho môi trường. Cấu trúc của các chất xúc tác hiện nay vốn có giới hạn năng lực để tạo ra các phản ứng phức tạp.
Các nhà nghiên cứu của NUS cùng với những đồng nghiệp quốc tế của họ đã phát triển một lớp GACs mới để tránh được những thách thức đó và thúc đẩy tiềm năng cho các quá trình sản xuất dược phẩm thêm bền vững và thân thiện với môi trường.
Một đặc điểm quan trọng của lớp xúc tác mới này là sự hiện diện của hai lõi kim loại được tạo thành từ các ion đồng, cho phép các phản ứng chọn lọc hơn và hiệu quả hơn. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một vật liệu gọi là polymeric carbon nitride (PCN), một loại chất quang xúc tác đóng vai trò như một cấu trúc hỗ trợ việc giữ hai ion đồng bởi chúng sẽ hoạt động cùng nhau trong các phản ứng hóa học. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra, khoảng cách hoàn hảo giữa hai ion xấp xỉ 0,4 nano mét để chúng có chức năng như một bộ phận đảm trách những phản ứng hóa học quan trọng.
Các xúc tác mới có một cấu trúc chuỗi heptazine độc đáo cho phép nó có động lực học và khả năng đáp ứng trong quá trình xảy ra phản ứng hóa học tạo ra từ hai ion đồng để đưa hai chất phản ứng đến với nhau một cách hiệu quả để hình thành một liên kết hóa học; một phản ứng hóa học như vậy được gọi là ghép chéo. Cấu trúc này cũng giảm bớt mức năng lượng tối thiểu cần cho một phản ứng hóa học có thể xảy ra.
Nhóm nghiêm cứu sau đó đã thử nghiệm xúc tác mới phát triển trong một số phản ứng hóa học bao gồm việc tạo ra những loại thuốc vẫn được sử dụng phổ biến và các hợp chất hóa học phổ biến để chứng minh hiệu quả của nó so với các chất xúc tác thông thường, và các nhà nghiên cứu cũng đánh giá những lợi ích về môi trường của lớp xúc tác GACs mới.
Các GACs mới cho các quá trình hóa học xanh hơn
Để chứng tỏ sự linh hoạt của lớp xúc tác GACs mới, các nhà nghiên cứu đã đánh giá hiệu suất của nó trong vô số phản ứng hóa học, như sự hình thành của các hợp chất dị vòng đa chức năng vẫn thường được sử dụng phổ biến trong ngành sản xuất dược phẩm.
Nhóm nghiên cứu cho biết chất xúc tác mới này có thể cải thiện được hiệu suất của khâu ra được sản phẩm cuối cùng. Ví dụ, sử dụng GACs mới, việc sẵn có nhiều chất nền bromide đã cải thiện thành công hiệu suất của dutasteride, vốn thường được sử dụng để điều trị bệnh về tuyến tiên liệt, từ 53% lên đến 62%, so với khi sử dụng các chất xúc tác thông thường.
Các nhà nghiên cứu đặt chất xúc tác này vào 9 chu kỳ phản ứng hóa học liên tiếp, và phát hiện ra là nó có thể còn củng cố tính bền mà không bị mất ion đồng từ cấu trúc ban đầu. Điều này có nghĩa là lượng chất thải và nguy cơ rủi ro của ô nhiễm kim loại sẽ được giảm đi đáng kể.
Thêm vào đó, các xúc tác GACs mới có thể được phục hồi và tái sử dụng ngay, điều này càng nhấn thêm vào việc gia tăng sự bền vững của nó trong các ngành công nghiệp hóa chất và dược phẩm.
Các nhà nghiên cứu cũng phân tích những lợi ích môi trường của việc sử dụng chất xúc tác mới trong các phản ứng hóa học và phát hiện ra là nó có vết carbon thấp hơn tới 10 lần so với sử dụng các chất xúc tác thông thường.
Với sự vượt trội so với các chất xúc tác thông thường qua sự gia tăng hiệu suất, hiệu quả và cải thiện tác động môi trường trong các phản ứng ghép chéo, lớp xúc tác mới là một lựa chọn hấp dẫn cho ngành hóa chất và dược phẩm cao cấp.
“Mục tiêu của chúng tôi trong tương lai gần là tạo ra một thư viện GACs bằng việc hiệu chỉnh một cách cẩn thận các dạng cụ thể và các kết hợp những tâm kim loại sinh đôi (mối quan hệ giữa hai nguyên tử hoặc nhóm chức được gắn vào cùng một nguyên tử). Nó có thể chuyển đổi một cách tiềm năng các phương pháp sản xuất hóa chất thông thường. Có thể là nó cũng báo hiệu bình minh của một kỷ nguyên mới nơi GACs đóng một vai trò quan trọng trong việc đạt được một nền sản xuất hóa chất và dược phẩm xanh hơn, thân thiện với môi trường hơn”, phó giáo sư Lu dự báo.
Tô Vân tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2023-10-class-catalysts-green-production-fine.html
——————————————-
1. https://www.nature.com/articles/s41586-023-06529-z
