Для производства пластмасс, лекарств и других материалов используют нанокатализаторы с дорогим и неэкологичным в получении палладием. Химик РУДН придумал, как сократить расход палладия и сделать производство экологичнее — для этого он создал катализаторы на основе вещества, которое получают из растительных остатков. Они позволяют сократить потребление палладия в два раза. Более того, их можно использовать многократно без потери эффективности.

Кросс-сочетания — класс реакций, в которых соединяются атомы углерода из разных органических молекул — самый распространенный тип реакции в промышленной химии. Их используют для синтеза пластмасс, лекарств и других соединений — только в медицинской химии на него приходится 17% всех реакций.

Главный компонент кросс-сочетания — наночастицы палладия. Палладий — один из самых редких элементов, поэтому использовать его в качестве такого катализатора дорого. Более того, его получают в основном на горнорудных предприятиях — крупнейших загрязнителях окружающей среды. Химик РУДН предложил способ, который решит сразу все эти проблемы — поможет использовать меньше дорогого и неэкологичного палладия.

Расход палладия в кросс-сочетании увеличивается из-за того, что частицы катализатора, которые его содержат, слипаются между собой. Предотвратить слипание можно двумя способами. Первый, химический, — модифицировать химические свойства частиц так, чтобы ослабить взаимодействие их поверхностей, когда они соприкасаются. Второй — физически удерживать металл, например, с помощью каркаса или решетки. Химик РУДН использовал второй способ и зафиксировал частицы металла с помощью многослойной структуры с магнитным ядром в центре.

Ядро нового нанокатализатора состоит из оксида железа с сильными магнитными свойствами. Сверху его покрывает полимер на основе катехола — вещества, которое содержится в стенках растительных клеток, его получают из отходов растениеводства. Оба эти слоя вспомогательные, они не обладают каталитической активностью. В ускорении реакции участвует третий компонент — наночастицы палладия. Их вкрапления химики РУДН внедрили во второй слой. Полимер служит якорем для частиц металлов, благодаря ему частицы нанокатализатора не слипаются.

Структура катализатора, которую предложил химик РУДН, позволяет использовать вдвое меньше металла — 1,5% от общего веса наночастицы вместо 3–6%. Более того, после нескольких циклов реакции сердцевину нанокомпозита можно очистить и использовать заново. Это поможет не только уменьшить воздействие на окружающую среду, но и удешевить производство лекарств, пластмасс и других веществ, в которых применяют кросс-сочетание.

«Химики проявляют повышенный интерес к созданию „зеленых“ катализаторов. Наши нанокатализаторы содержат вещество, которое получают из отходов растениеводства, и при этом эффективно действуют в реакции кросс-сочетания. Таким образом, наши катализаторы не только смогут уменьшить расход палладия и таким образом удешевить химическое производство, но и снизить воздействие на окружающую среду. Интересно также, что мы показали универсальность полимеров на основе растительных катехолов — этот же подход можно распространить на другие металлы, например, платину, серебро, золото и использовать для разработки нанокатализаторов, направленных на другие органические реакции», — Рафаэль Луке, PhD, руководитель научного центра «Молекулярный дизайн и синтез инновационных соединений для медицины» РУДН

Результаты опубликованы в Molecular Catalysis.