Badania nad katalizą Wydajne reakcje katalityczne przy mniejszym zużyciu metalu

Do produkcji leków i innych substancji chemicznych często wykorzystuje się drogie metale szlachetne lub toksyczne metale ciężkie jako katalizatory. Aby uczynić te procesy bardziej wydajnymi, ekonomicznymi i zrównoważonymi, naukowcy z ISTA opracowują katalizator niklowy aktywowany światłem. Umożliwia on wydajne tworzenie szerokiej gamy wiązań chemicznych.

Za szklaną ścianą w laboratorium Pieber Lab w Instytucie Nauki i Technologii w Austrii (ISTA) lampy LED oświetlają małe naczynia reakcyjne. Światło to służy tu nie tylko do oświetlenia, ale dostarcza również energię, która zasila katalizator niklowy i umożliwia zachodzenie reakcji chemicznych.

W najnowszym badaniu zespół naukowy pod kierownictwem Bartholomäusa Piebera wykazał, że specjalnie opracowany katalizator niklowy może sprawić, że synteza chemiczna napędzana światłem stanie się zarówno bardziej wszechstronna, jak i wydajniejsza.

Pieber i jego zespół z ISTA we współpracy z Danielem Bímem z Uniwersytetu Chemii i Technologii w Pradze opracowali nowy układ katalityczny. Układ ten łączy składniki chemiczne w sposób selektywny i wydajny – a do tego wymaga jedynie bardzo niewielkich ilości niklu.

Nikiel w świetle reflektorów

Leki są zazwyczaj wytwarzane w wieloetapowych procesach chemicznych. Jednym z najczęściej stosowanych w tym zakresie rodzajów reakcji jest tzw. sprzęganie krzyżowe, w którym dwa cząsteczkowe elementy budulcowe są łączone ze sobą za pomocą katalizatora metalowego poprzez utworzenie nowego wiązania chemicznego. W wielu ważnych reakcjach sprzęgania krzyżowego stosuje się katalizatory na bazie palladu. 

Chemia leżąca u podstaw tego procesu przyniosła jego odkrywcom nawet Nagrodę Nobla: Richard Heck, Ei-ichi Negishi i Akira Suzuki otrzymali tę nagrodę w 2010 roku za opracowanie reakcji sprzęgania krzyżowego katalizowanych palladem w syntezie organicznej. To właśnie te reakcje miały decydujący wpływ na produkcję leków, środków agrochemicznych i innych chemikaliów specjalistycznych. Chociaż katalizatory palladowe są wysoce wydajne, ten metal szlachetny jest jednocześnie rzadki i drogi.

Nieco ponad dziesięć lat temu pierwsze badania wykazały, że zamiast palladu można zastosować połączenie katalizatora niklowego z drugim katalizatorem, który wykorzystuje światło widzialne jako energię aktywacji. Dzięki temu reakcje te mogłyby stać się tańsze i bardziej zrównoważone. Jest jednak pewien haczyk: katalizatory niklowe są mniej wydajne i nie umożliwiają tak szerokiego zakresu reakcji jak katalizatory palladowe.

„W naszym laboratorium staramy się zrozumieć, dlaczego nowoczesne systemy katalityczne oparte na niklu miały pewne ograniczenia. Opierając się na tej wiedzy, opracowujemy, syntetyzujemy i badamy alternatywne rozwiązania i metody” – wyjaśnia kierownik grupy badawczej Pieber.

Nachhaltige Chemie

Katalyse: Eisen statt Edelmetalle

Niewiele niklu, wielki efekt

Przełom osiągnięty przez zespół badawczy opiera się na specjalnie zaprojektowanym ligandzie, który po aktywacji światłem widzialnym zwiększa aktywność katalityczną atomu niklu. Dzięki temu nowy katalizator może tworzyć wiązania między atomami węgla, azotu, tlenu, siarki lub fosforu, łącząc w ten sposób dwie cząsteczki w większą i bardziej złożoną strukturę. „Najbardziej niezwykłym wynikiem było to, że udało nam się skutecznie tworzyć złożone wiązania przy użyciu bardzo niewielkiej ilości katalizatora niklowego” – mówi doktorant Aleksander Bena.

Ogólnie rzecz biorąc, wymagana ilość katalizatora spada do 100 ppm, czyli 0,01 procenta molowego. Mówiąc prościej, oznacza to, że w tym eksperymencie pojedyncza cząsteczka katalizatora niklowego wytwarza do 10 000 cząsteczek produktu.

Badanie pokazuje, w jaki sposób zrozumienie podstawowej reaktywności cząsteczek na bazie niklu przyczynia się do przekształcenia tego powszechnie występującego metalu w katalizator o większej wydajności.

„Tak niewielkie ilości katalizatora uzyskuje się zazwyczaj wyłącznie w przypadku katalizatorów na bazie palladu. Fakt, że udało się to osiągnąć przy użyciu katalizatora niklowego, jest niezwykle ekscytujący” – dodaje kierownik grupy Pieber. „Połączenie niewielkiej ilości katalizatora z szerokim zakresem zastosowań w wielu różnych związkach chemicznych może sprawić, że podejście to stanie się szczególnie interesujące w syntezie leków i chemikaliów specjalistycznych”.

Rozwój na przestrzeni kilku lat

Już w 2020 roku grupie kierowanej przez Piebera udało się zrobić pierwszy ważny krok, pokonując niektóre ograniczenia związane z katalizą niklową. Zazwyczaj katalizatory niklowe ulegają zniszczeniu, gdy stosuje się złożone składniki. Można temu jednak zapobiec poprzez staranne kontrolowanie warunków reakcji. Ówczesne podejście naukowców okazało się skuteczne, jednak reakcje nadal przebiegały bardzo wolno i wymagały użycia dużej ilości katalizatorów niklowych.

„Było to oczywiście jeszcze dalekie od skutecznej metody” – mówi Pieber. „Ale było to dowodem na to, że jest to wykonalne. W ostatnich latach nasze zrozumienie tych reakcji katalitycznych stale się pogłębiało”. Opierając się na tych doświadczeniach, doktorant Aleksander Bena zaprojektował i przetestował potencjalne struktury bardziej wydajnych i odpornych katalizatorów niklowych, które można aktywować światłem widzialnym. „Lubię wyzwania związane z rozwiązywaniem zagadek chemicznych. Wymyśla się pomysł, sprawdza go eksperymentalnie i z każdego wyniku wyciąga się wnioski” – mówi Bena. Jego wytrwałość doprowadziła w końcu do powstania nowego systemu katalitycznego, który ma szerokie zastosowanie i wymaga znacznie mniej niklu.

Naukowcy wykazali już wszechstronność swojej metody, wytwarzając ponad 150 produktów. Zakres tych produktów rozciąga się od prostych elementów budulcowych cząsteczek po złożone cząsteczki i pochodne leków, takich jak fluoksetyna – jeden z najpopularniejszych i najczęściej przepisywanych leków przeciwdepresyjnych.

Oryginalna publikacja: A. R. Bena i in.: Projektowanie ligandów poszerza NiI–katalizowane sprzężenia C(sp²)–heteroatomowe bromków arylowych przy niskich obciążeniach katalizatora, Nature Catalysis (2026); DOI: 10.1038/s41929-026-01616-6