«Обычно для проведения всех этапов этой реакции требуется несколько катализаторов», — сказал Чао Ю, научный сотрудник Брауна, который руководил работой вместе с аспирантом Сюэфэн Го. «Но мы нашли единственный нанокатализатор, который может сам выполнять эту многоступенчатую реакцию».Исследование, описанное в Журнале Американского химического общества, было результатом сотрудничества лабораторий коричневых профессоров Кристофера Сето и Шухенг Сун, которые являются соавторами статьи.По словам исследователей, работа была проделана с целью найти способы сделать химическую промышленность более экологически устойчивой. Катализаторы множественных реакций, подобные этому, — шаг к этой цели.
«Если вы запускаете четыре разные реакции по отдельности, то у вас есть четыре разных этапа, на которых требуются растворители и исходные материалы, и каждый из них оставляет после себя отходы, загрязненные побочными продуктами реакции», — сказал Сето. «Но если вы можете сделать все это в одной емкости, вы сможете использовать меньше растворителей и уменьшить количество отходов».Команда создала свой новый катализатор, выращивая наночастицы серебро-палладий на поверхности наностержней из оксида вольфрама с дефицитом кислорода (оксида вольфрама, в котором отсутствуют некоторые атомы кислорода).
Исследователи показали, что он может катализировать серию реакций, необходимых для превращения обычных исходных материалов, муравьиной кислоты, нитробензола и альдегида в бензоксазол, который можно использовать для производства антибактериальных, противогрибковых и обезболивающих НПВП. Исследователи показали, что катализатор также можно использовать для создания другого соединения, хиназолина, которое используется в различных противораковых препаратах.Эксперименты показали, что катализатор может выполнять четыре реакции с почти количественным выходом — это означает, что он дает максимально возможное количество продукта для данного количества исходных материалов.
Реакции проводили при более низкой температуре, за более короткий промежуток времени и с использованием растворителей, которые более безопасны для окружающей среды, чем те, которые обычно используются для этих реакций.«Температура, которую мы использовали для синтеза этого продукта, составляет около 80 градусов по Цельсию», — сказал Гуо. «Обычно реакция происходит при температуре около 130 градусов, и вам нужно запускать реакцию в течение одного или двух дней. Но мы можем получить аналогичный выход при температуре 80 градусов за восемь часов».
Новый катализатор также может производить соединения бензоксазола с использованием исходных материалов, которые более безвредны для окружающей среды, чем обычно используемые. Цепочка реакции требует источника водорода для ее начальной стадии.
Этим источником может быть чистый газообразный водород, который трудно хранить и транспортировать, или он может быть извлечен из химического соединения. Для этой цели часто используется соединение, называемое аммиачным бораном, но новый катализатор позволяет использовать вместо него муравьиную кислоту, которая «дешевле, экологичнее и менее токсична», — сказал Юй.И хотя многие катализаторы, испытанные в этих реакциях, нельзя использовать более одного раза без серьезного снижения их эффективности, исследователи смогли использовать новый катализатор до пяти раз с небольшим падением выхода реакции.Сан говорит, что исследования, подобные этому, представляют собой новое направление исследований в области экологически чистой химии.
«Обычно в катализе мы проводим одну реакцию за раз, с разными катализаторами для каждой реакции», — сказал Шухенг Сун, профессор химии в Brown. «Но растет интерес к разработке катализаторов, которые могут проводить несколько реакций в одном сосуде, и именно это мы здесь и сделали».