Per una produzione ecologica ed efficiente di prodotti di chimica fine
Gli ingegneri chimici dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un nuovo catalizzatore che può essere utilizzato per combinare due atomi di carbonio in modo economico ed ecologico. La tecnologia potrebbe presto essere utilizzata nell'industria.
L'industria chimica non produce solo preziose vitamine, farmaci, aromi e pesticidi, ma spesso anche una grande quantità di rifiuti. Soprattutto nella produzione di farmaci e della cosiddetta chimica fine, le quantità di sottoprodotti di sintesi e di rifiuti invendibili superano spesso di molte volte quelle del prodotto desiderato.
Uno dei motivi è che i catalizzatori sono utilizzati in forma disciolta in molte reazioni chimiche, come spiega Javier Pérez-Ramírez, professore di ingegneria della catalisi. I catalizzatori sono sostanze ausiliarie che favoriscono una reazione. Se i catalizzatori sono solubili, spesso possono essere separati dal solvente utilizzato e dai prodotti e sottoprodotti risultanti e riutilizzati solo con grande sforzo. Questo problema viene eliminato con i catalizzatori solidi.
Insieme al suo gruppo, ad altri scienziati europei e a un partner industriale, Pérez-Ramírez ha ora sviluppato un catalizzatore solido per un'importante reazione chimica, come riportano i ricercatori nella rivista scientifica pagina esternaNatura Nanotecnologia relazione. Il catalizzatore è un reticolo molecolare di atomi di carbonio e azoto (nitruro di carbonio grafitico). Questo reticolo presenta delle lacune, che i ricercatori hanno riempito con atomi di palladio.
Catalisi efficiente di una reazione da premio Nobel
Gli scienziati hanno utilizzato minuscole particelle di questo materiale palladio-carbonio-azoto e sono riusciti a dimostrare che potevano catalizzare il cosiddetto accoppiamento Suzuki in modo molto efficiente. "In chimica, quando si devono unire due atomi di carbonio, oggi lo si fa spesso utilizzando l'accoppiamento Suzuki", spiega Sharon Mitchell, scienziato del laboratorio di Pérez-Ramírez. Lo scienziato giapponese Akira Suzuki e altri due scienziati hanno ricevuto il premio Nobel per la chimica nel 2010 per questa reazione.
Finora, per questa reazione è stato spesso utilizzato un catalizzatore solubile di palladio. I precedenti tentativi di attaccare questo catalizzatore solubile a un solido hanno portato a catalizzatori relativamente instabili e inefficienti.
Una riduzione significativa dei rifiuti
Il nuovo catalizzatore di palladio dei ricercatori dell'ETH è molto più stabile. Per questo motivo, e poiché non si dissolve nel fluido di reazione, può essere utilizzato per un periodo di tempo molto più lungo. Inoltre, il catalizzatore è molto più economico e circa venti volte più efficiente dei catalizzatori utilizzati oggi.
"Questo ci permette di utilizzare il nuovo catalizzatore non solo per ridurre i costi della sintesi di prodotti chimici fini, ma anche per ridurre il consumo di palladio e la quantità di rifiuti", afferma Pérez-Ramírez. Il catalizzatore potrebbe essere presto pronto per l'uso nell'industria: Secondo gli scienziati, dovrebbe essere facile scalare la produzione del catalizzatore e il suo utilizzo dal laboratorio alla scala industriale.
Come sottolineano i ricercatori, l'uso del nitruro di carbonio grafitico come catalizzatore allo stato solido non si limita all'accoppiamento Suzuki. Dovrebbe essere possibile occupare il reticolo molecolare con atomi di metalli diversi dal palladio per catalizzare altre sintesi. Gli scienziati dell'ETH esploreranno queste possibilità in ulteriori lavori di ricerca. Hanno anche in programma di fondare un'apertura per commercializzare il nuovo catalizzatore.
Riferimento alla letteratura
Chen Z, Vorobyeva E, Mitchell S, Fako E, Ortu?o MA, López N, Collins SM, Midgley PA, Richard S, Vilé G, Pérez-Ramírez J: Un catalizzatore eterogeneo di palladio a singolo atomo che supera i sistemi omogenei per l'accoppiamento Suzuki. Nature Nanotechnology, 25 giugno 2018, doi: pagina esterna10.1038/s41565-018-0167-2