Onderzoekers van de Brown University hebben een nieuwe samengestelde katalysator ontwikkeld die vier afzonderlijke chemische reacties in sequentiële volgorde en in één container kan uitvoeren om verbindingen te produceren die nuttig zijn bij het maken van een breed scala aan farmaceutische producten.

"Er zijn normaal gesproken meerdere katalysatoren nodig om alle stappen van deze reactie uit te voeren, " zei Chao Yu, een postdoctoraal onderzoeker bij Brown die samen met de afgestudeerde student Xuefeng Guo het werk leidde. "Maar we hebben een enkele nanokatalysator gevonden die deze meerstapsreactie zelf kan uitvoeren."

Het onderzoek, beschreven in de Tijdschrift van de American Chemical Society , was een samenwerking tussen de laboratoria van Brown professoren Christopher Seto en Shouheng Sun, die co-auteurs zijn van het artikel.

Het werk was gedaan, zeiden de onderzoekers, met het oog op het vinden van manieren om de chemische industrie milieuvriendelijker te maken. Multi-reactiekatalysatoren zoals deze zijn een stap in de richting van dat doel.

"Als je vier verschillende reacties afzonderlijk uitvoert, dan heb je vier verschillende stappen waarvoor oplosmiddelen en uitgangsmaterialen nodig zijn, en ze laten elk afval achter dat besmet is met bijproducten van de reactie, "Zei Seto. "Maar als je het allemaal in één pot kunt doen, je kunt minder oplosmiddelen gebruiken en afval verminderen."

Het team maakte hun nieuwe katalysator door zilver-palladium-nanodeeltjes te laten groeien op het oppervlak van nanostaafjes gemaakt van zuurstofarm wolfraamoxide (wolfraamoxide waarvan een paar zuurstofatomen ontbreken). De onderzoekers toonden aan dat het de reeks reacties kan katalyseren die nodig zijn om gewone uitgangsmaterialen mierenzuur om te zetten, nitrobenzeen en een aldehyde in een benzoxazool, die kunnen worden gebruikt om antibacteriële middelen te maken, antischimmelmiddelen en NSAID-pijnstillers. De onderzoekers toonden aan dat de katalysator ook kan worden gebruikt om een ​​andere verbinding te maken, chinazoline, die wordt gebruikt in een verscheidenheid aan geneesmiddelen tegen kanker.

Experimenten toonden aan dat de katalysator de vier reacties kon uitvoeren met een bijna kwantitatieve opbrengst - wat betekent dat het de maximaal mogelijke hoeveelheid product produceert voor een gegeven hoeveelheid uitgangsmaterialen. De reacties werden uitgevoerd bij een lagere temperatuur, in een kortere tijd, en het gebruik van oplosmiddelen die milieuvriendelijker zijn dan die welke normaal voor deze reacties worden gebruikt.

"De temperatuur die we gebruikten om dit product te synthetiseren, ligt rond de 80 graden Celsius, " Zei Guo. "Normaal gesproken gebeurt de reactie rond de 130 graden en je moet de reactie een of twee dagen laten lopen. Maar we kunnen in acht uur een vergelijkbare opbrengst behalen bij 80 graden."

De nieuwe katalysator is ook in staat om de benzoxazoolverbindingen te maken met behulp van uitgangsmaterialen die milieuvriendelijker zijn dan de algemeen gebruikte. De reactieketen vereist een waterstofbron voor zijn eerste stap. Die bron kan zuiver waterstofgas zijn, die moeilijk op te slaan en te vervoeren is, of het kan worden gewonnen uit een chemische verbinding. Hiervoor wordt vaak een verbinding gebruikt die ammoniakboraan wordt genoemd, maar door de nieuwe katalysator kan in plaats daarvan mierenzuur worden gebruikt, dat is "goedkoper, groener en minder giftig, ' zei Yu.

En hoewel veel katalysatoren die in deze reacties zijn getest niet meer dan één keer kunnen worden gebruikt zonder hun efficiëntie ernstig te schaden, de onderzoekers konden de nieuwe katalysator tot vijf keer gebruiken met weinig terugval in reactieopbrengst.

Sun zegt dat studies zoals deze een opkomende onderzoekslijn in groenere chemie vertegenwoordigen.

"Normaal gesproken doen we bij katalyse één reactie tegelijk, met een andere katalysator voor elke reactie", zei Shouheng Sun, een professor in de chemie aan Brown. "Maar er is een groeiende interesse in het bedenken van katalysatoren die meerdere reacties in één pot kunnen uitvoeren, en dat is wat we hier hebben gedaan."