De Suzuki-kruiskoppelingsreactie is een veelgebruikte techniek voor het combineren van organische verbindingen en het synthetiseren van complexe chemicaliën voor industriële of farmaceutische toepassingen. Het proces vereist het gebruik van palladium (Pd) katalysatoren en, vanaf vandaag, twee hoofdtypen op Pd gebaseerde materialen worden in de praktijk gebruikt als heterogene katalysatoren.

De eerste is "met metaal beladen katalysatoren, " die bestaan ​​uit Pd-atomen (actieve plaatsen) geladen op inerte dragers gemaakt van oxiden of op koolstof gebaseerde materialen. Ze zijn gemakkelijk te bereiden en bieden een groot oppervlak met actieve plaatsen waar de Suzuki-reactie kan plaatsvinden. deze katalysatoren worden snel afgebroken bij gebruik omdat de actieve plaatsen aggregeren/loskomen van de drager. Het tweede type is "intermetallische katalysatoren" - moleculen gemaakt van Pd en een ander metaal. Hoewel veel stabieler en effectiever onder milde omstandigheden, deze katalysatoren maken slecht gebruik van de grote hoeveelheden Pd die nodig zijn omdat maar weinig actieve plaatsen daadwerkelijk aan het reactiemedium worden blootgesteld. Maar wat als beide soorten katalysatoren werden gecombineerd om hun inherente beperkingen te overwinnen?

In een recente studie gepubliceerd in ACS Katalyse , een team van wetenschappers van Tokyo Tech, Japan, kwam met een nieuw idee voor een heterogene katalysator. Ze kozen nanoporeus zirkoniumcarbide (ZrC) als de drager waarop ze ZrPd kweekten ₃ nanodeeltjes, die werken als een intermetallische katalysator. Omdat zowel de drager als de werkzame stof hetzelfde element (Zr) hebben, de chemische bereiding van de katalysator is opmerkelijk eenvoudig. De algemene voordelen, Bovendien, gaan veel verder dan dat.

Eerst, de nieuwe Pd-ZrC-katalysator is zeer stabiel omdat actieve plaatsen (ZrPd ₃ ) verankeren op de nanoporeuze ZrC-ondersteuning. Deze sterke interactie tussen ZrPd ₃ en ZrC helpt de algehele katalytische stabiliteit te verbeteren, waardoor hergebruik van de Pd-ZrC-katalysator voor meer dan 15 cycli mogelijk is. In aanvulling, de blootgestelde Pd-sites klonteren niet samen en verspreiden zich door de drager, het realiseren van een veel groter effectief gebied dan alleen intermetallische katalysatoren. De nette distributie van ZrPd ₃ over het oppervlak van de drager betekent ook dat een kleinere hoeveelheid palladium nodig is voor hetzelfde aantal actieve plaatsen in vergelijking met andere intermetallische katalysatoren - een maatregel die Pd-atoomeconomie wordt genoemd.

Misschien wel het belangrijkste is het feit dat deze voordelen vrijblijvend zijn; de daadwerkelijke prestaties, d.w.z. omzetfrequentie, van de nieuwe katalysator hoger is dan die van in de handel verkrijgbare verbindingen. Professor Hideo Hosono, die de studie leidde, legt uit:"Omdat de Pd-ZrC zowel een negatief geladen Pd als een sterk elektronendonatievermogen heeft, onze katalysator bereikte zelfs bij kamertemperatuur hoge katalytische prestaties voor de Suzuki-kruiskoppelingsreactie."

Algemeen, de resultaten van zowel de theoretische als de experimentele analyses uitgevoerd door het team van wetenschappers bevestigen dat hun strategie veelbelovend is voor de ontwikkeling van toekomstige katalysatoren, zoals Prof Hosono opmerkt:"Onze waarnemingen hebben de effectiviteit bewezen van het combineren van intermetallische katalysatoren met dragers om tegelijkertijd meerdere aspecten te verbeteren, waaruit blijkt dat we de vrijheidsgraden in het ontwerp van heterogene katalysatoren kunnen vergroten."

Het verbeteren van katalysatoren is een praktische manier om de economische en milieukosten die gepaard gaan met de synthese van complexe chemicaliën te verminderen. Alleen de tijd zal uitwijzen hoeveel nieuwe katalysatorontwerpen zijn geïnspireerd door de strategie die in deze studie is gevolgd.