新加坡国立大学理学院化学系副教授 Lu Jiong 领导的新加坡国立大学研究团队与国际合作者一起开发出了一类新型催化剂 - 称为异质孪生原子催化剂 (GAC) - 促进精细化学品和药品的更环保、更可持续的制造工艺。

精细化工和医药制造是空气污染的主要来源，最近的研究表明，医药行业的碳足迹比汽车行业更重。除了温室气体排放之外，制药行业还对其他严重的环境影响负有责任，例如制造商排放的废水造成的水污染。

“开发能够实现原子级精度同时确保可回收性的替代催化系统是我们彻底改变精细化学品和药品可持续制造工艺的使命的首要任务。这一突破性的成就是多个机构之间密切合​​作的结果。”卢副教授说道。

这项研究是新加坡国立大学理学院化学系副教授 Koh Ming Joo 和助理教授 Zhu Ye、中国清华大学教授、瑞士苏黎世联邦理工学院 Javier Pérez-Ramírez 教授和席博士合作进行的。 Shibo 来自新加坡科学技术研究局 (A*STAR)。

该研究突破于 2023 年 9 月 20 日发表在科学杂志《自然》上。

开发新型催化剂

有机化合物的合成需要一系列称为过渡金属催化偶联反应的步骤。这些化学反应对于在化合物的合成过程中形成必要的化学键是必不可少的。然而，目前用于这些反应的催化剂存在许多挑战，例如生产成本高、催化剂分离回收和再利用困难以及对环境有害的金属污染。当前催化剂的结构体系也限制了它们进行复杂反应的能力。

新加坡国立大学研究人员与其国际合作者一起开发了一种新型 GAC，以规避这些挑战，并提高更可持续、更环保的制药工艺的潜力。

这类新型催化剂的一个关键特征是存在两个由铜离子组成的金属核，可以实现更高效和选择性的反应。研究小组使用一种名为聚合氮化碳(PCN)的材料作为支撑结构来容纳两个铜离子，以便它们在化学反应中共同作用。研究人员对结构进行了修改，发现大约 0.4 纳米是这两个铜离子之间的完美距离，使它们能够作为一个单元进行重要的化学反应。

这种新型催化剂具有独特的七嗪链结构，使其在化学反应过程中具有动态性和适应性，可有效地将两种反应物结合在一起形成化学键;这种化学反应称为交叉偶联。这种结构还减少了发生化学反应所需的最小能量。

研究小组随后在一些涉及制造常用药物和化合物的化学反应中测试了新开发的催化剂，以证明其与传统催化剂相比的效率，研究人员还量化了这种新型 GAC 的环境效益。

用于绿色化学工艺的新型 GAC

为了展示新开发的 GAC 的多功能性，研究人员评估了其在各种化学反应中的性能，例如药物生产中常用的多功能杂环化合物的形成。

该团队还报告称，新催化剂可以提高最终产品的产率。例如，与使用传统金属催化剂相比，使用新型 GAC 可以轻松获得更多的溴化物底物，从而成功提高主要用于治疗前列腺疾病的度他雄胺的产量，从 53% 提高到 62%。

研究人员让催化剂经历九个连续的化学反应循环，发现它可以保持稳定，原始结构中没有检测到铜离子的损失。这意味着可以显着降低废物量和金属污染的风险。

此外，新型 GAC 可以轻松回收和重复使用，凸显了其在促进化学和制药行业可持续发展方面的潜力。

研究人员还分析了在化学反应中使用新型催化剂的环境效益，发现其碳足迹比使用传统催化剂低 10 倍。

通过提高交叉偶联反应的产率、效率和环境影响，这种新型 GAC 的性能优于传统催化剂，因此成为精细化工和制药行业采用的有吸引力的选择。

“我们在不久的将来的目标是通过仔细调整孪生金属中心的具体类型和组合来创建 GAC 库。这有可能改变传统的化学生产方法。这可能标志着一个新时代的到来，GAC 在实现更绿色、更环保的化学和制药制造方面发挥着关键作用，”卢副教授补充道。