Les chimistes de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont développé une stratégie « empruntée d'ancrage », combinée à l'ingénierie des facettes, pour développer une nouvelle classe de catalyseurs à atomes simples (ASAC). Ces catalyseurs sont formés en ancrant des atomes uniques étrangers sur des facettes spécifiques de matériaux de soutien réductibles, leur permettant de contourner l'étape d'addition oxydative traditionnelle dans les réactions de couplage croisé, qui sont largement utilisées dans les industries chimiques et pharmaceutiques fines.
L'œuvre est publiée dans la revue Communications de la nature.
Les catalyseurs à atomes simples (SAC), un nouveau type de catalyseur solide, ont attiré beaucoup d'attention pour leur capacité à maximiser l'utilisation de chaque atome et à créer des sites de réaction très définis et très actifs. Ils offrent une combinaison unique des avantages trouvés dans les méthodes traditionnelles et modernes utilisées pour fabriquer des produits chimiques.
En général, le matériau qui contient l'atome métallique doit être conçu pour le maintenir stable tout en lui permettant une flexibilité suffisante pour fonctionner efficacement. Cependant, la forte liaison entre les atomes métalliques et le support, qui est nécessaire pour empêcher les atomes de métal de se regrouper ensemble, peut parfois restreindre leur réactivité. Cette limitation peut rendre difficile pour le site métallique unique de bien performer dans certaines réactions chimiques qui impliquent plusieurs étapes, telles que les réactions de couplage croisé.
Une équipe de recherche dirigée par le professeur agrégé Lu Jiong, du département de chimie du NUS, a développé la stratégie « emprunteur d'ancrage ». L'idée clé derrière cette innovation consiste à ancrer des atomes de métaux simples sur des sites spécifiques de surfaces d'oxyde métallique. Ces surfaces peuvent « emprunter » des atomes d'oxygène de leur environnement pour agir comme des points d'ancrage, tout en utilisant l'oxyde métallique comme réservoir d'électrons. Cette conception unique permet à la structure de s'adapter et de changer d'une manière qui évite la forte demande de changements électroniques complexes dans le métal lui-même, ce qui est un défi commun dans les réactions traditionnelles de couplage croisé.
Ce travail est un effort de collaboration avec le professeur agrégé Wu Jie du département de chimie du NUS, le professeur agrégé Wang Yang-Gang de l'Université Southern Science and Technology, China, professeur adjoint Wu Dongshuang de l'Université technologique de Nanyang, Singapour et professeur adjoint Hai Xiao de l'Université de Pékin, Chine.
Les chercheurs ont utilisé de l'oxyde de cérium (PDG2110) en tant que matériel de support et a découvert que la PD résultante1-PDG2(110) L'ASAC fonctionne exceptionnellement bien, même avec des produits chimiques difficiles à réagir tels que les chlorures d'aryle et les composés complexes. Ce catalyseur a surperformé les traditionnels, offrant des rendements élevés, une excellente stabilité et la création d'une nouvelle référence pour les numéros de chiffre d'affaires.
Cette découverte, combinée à la capacité de produire le catalyseur rapidement en grande quantité, montre le potentiel prometteur des ASAC pour la production à grande échelle d'ingrédients et de produits pharmaceutiques.
Cette recherche démontre que les ASAC sont des catalyseurs très efficaces et polyvalents pour les réactions de couplage croisé, une classe clé de transformations dans la fabrication chimique et pharmaceutique. Les SAC traditionnels luttent généralement avec des chlorures d'aryle car la liaison carbone-chlore est très forte, ce qui rend la réaction lente et inefficace. Cependant, les ASAC surmontent ce problème en ayant un site actif flexible et adaptatif qui améliore la réactivité avec des chlorures d'aryle et d'autres substrats exigeants, tels que les composés hétérocycliques, en réalisant des rendements systématiquement élevés.
Les ASAC présentent également une large applicabilité à travers d'autres types de réactions, y compris la réaction de diable (entre les halogénures d'aryle et les alcènes), et la réaction de Sonogashira (entre les halogénures d'aryle et les alcynes), démontrant son large potentiel pour une variété de réactions de couplage.
Grâce à une combinaison d'études expérimentales et théoriques, les chercheurs ont découvert que les ASAC fonctionnent en modifiant dynamiquement la structure de l'atome de palladium (PD). Le PDG2 Le matériau aide en agissant comme un réservoir d'électrons, fournissant des électrons pour stabiliser les atomes de PD et les empêcher de devenir trop oxydés. Cette mise en mémoire tampon d'électrons abaisse considérablement l'énergie requise pour la réaction. Les mesures avancées de la structure des rayons X (XANES) ont confirmé que les atomes de PD maintiennent leur état d'oxydation presque inchangé pendant la réaction, garantissant que le catalyseur reste actif et stable au fil du temps.
Association Le professeur Lu a déclaré: « Le nouveau concept d'ASAC hétérogène offre un moyen beaucoup plus vert de relever le défi de longue date de l'addition oxydative dans les réactions de couplage croisé. Cette stratégie va au-delà des limites des catalyseurs traditionnels homogènes et hétérogènes, et détient un grand potentiel pour une production durable à grande échelle de produits chimiques fins et pharmaceutiques.
« Pour l'avenir, nous prévoyons d'étendre cette approche à une gamme plus large de métaux qui peuvent être utilisés dans les réactions de couplage croisé.
