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Pesquisadores da Universidade de Osaka desenvolveram um catalisador mais sustentável e econômico para síntese química, reduzindo significativamente a necessidade de metais raros e caros. Seu catalisador de nanopartículas de carboneto de níquel converte eficientemente nitrilas em aminas primárias sob condições amenas, oferecendo uma solução promissora para a produção ecologicamente correta de produtos farmacêuticos e de uso diário.
Uma equipa da Universidade de Osaka, juntamente com os seus colaboradores, criou um catalisador económico para um processo químico fundamental, abrindo potencialmente o caminho para novas iniciativas para reduzir despesas no sector químico.
A indústria química depende frequentemente de metais escassos e dispendiosos para fabricar produtos farmacêuticos e outros materiais cruciais. A substituição destes metais por alternativas mais facilmente disponíveis e acessíveis poderia melhorar a sustentabilidade ambiental, reduzir despesas e diminuir a probabilidade de interrupções na cadeia de abastecimento.
Agora, em um estudo publicado recentemente em Química – Um Jornal Europeu, pesquisadores da Universidade de Osaka e parceiros colaboradores atenderam a essa necessidade em seu trabalho em uma transformação química industrialmente útil. As condições de reação simples e suaves relatadas aqui podem inspirar pesquisadores que estão trabalhando para reduzir o uso de metais caros para o maior número possível de reações químicas.
O papel dos metais nobres e alternativas
Os chamados metais nobres são materiais especialmente versáteis. Por exemplo, o paládio é um metal de eleição para catalisar uma transformação química – conversão de nitrilos em aminas primárias – que é um passo comum na produção de nylon e plásticos. No entanto, esses metais são raros e caros. Substitutos baseados em metais comuns como o níquel poderiam ser catalisadores mais baratos.
(a) A foto do catalisador nano-Ni3C/Al2O3. (b) Imagem de microscópio eletrônico de transmissão de nano-Ni3C/Al2O3. (c) Hidrogenação de nitrila a benzilamina usando catalisador de nano-Ni3C ou nanopartículas de Ni, e o escopo do substrato para a hidrogenação de nitrila catalisada por nano-Ni3C/Al2O3. Crédito: 2024 Yamaguchi et al., Catalisador de nanopartículas de carboneto de níquel para hidrogenação seletiva de nitrilas em aminas primárias, Química – Um Jornal Europeu
Infelizmente, muitos metais baratos requerem condições experimentais desafiadoras, tais como altas pressões e temperaturas, para a transformação química mencionada anteriormente. Determinar se o carboneto de níquel tem as mesmas limitações – e caso contrário, avaliar o alcance das transformações químicas possíveis com este catalisador – foi o objetivo do estudo da equipe de pesquisa.
Resultados da pesquisa e benefícios do catalisador
“Em nosso trabalho, estudamos minuciosamente a reação química subjacente a um novo catalisador heterogêneo de nanopartículas de carboneto de níquel para hidrogenação seletiva de nitrilas em aminas primárias”, explica Sho Yamaguchi, principal autor do estudo. “O escopo do substrato é amplo – muitos tipos de nitrilas heteroaromáticas e alifáticas podem sofrer essa transformação.”
Hidrogenação de diversas nitrilas utilizando o catalisador nano-Ni3C/Al2O3 sob 1 bar de H2. Crédito: 2024 Yamaguchi et al., Catalisador de nanopartículas de carboneto de níquel para hidrogenação seletiva de nitrilas em aminas primárias, Química – Um Jornal Europeu
Existem várias vantagens do catalisador dos pesquisadores. Primeiro, apesar das condições de reação moderadas exigidas – pressão de 1 atmosfera de hidrogênio e uma temperatura relativamente baixa de aproximadamente 150°C – o catalisador ainda exibia 4 vezes a atividade de nanopartículas simples de níquel. Segundo, o catalisador era reutilizável: pelo menos 3 vezes. Terceiro, os rendimentos da reação foram altos: até 99%.
“Estamos entusiasmados porque nossa pesquisa ajudará a minimizar o uso de metais caros e simplificará a configuração experimental de uma classe comum de sínteses químicas”, disse Tomoo Mizugaki, autor sênior. “Além disso, nossos cálculos teóricos fornecem insights que nos ajudarão a otimizar o catalisador para aplicações adicionais.”
Este trabalho é um passo importante no aumento da sustentabilidade de uma classe de reações químicas necessárias para sintetizar produtos farmacêuticos e muitos outros produtos de uso diário. Como o catalisador de níquel é muito mais barato que um metal nobre e os procedimentos experimentais necessários são simples, as aplicações viáveis para futuras transformações químicas devem ser diretas.
Referência: “Nickel Carbide Nanoparticle Catalyst for Selective Hydrogenation of Nitriles to Primary Amines” por Sho Yamaguchi, Daiki Kiyohira, Kohei Tada, Taiki Kawakami, Akira Miura, Takato Mitsudome e Tomoo Mizugaki, 05 de janeiro de 2024, Química – Um Jornal Europeu.
DOI: 10.1002/chem.202303573
O estudo foi financiado pela Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência e pelo Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia.