Chemiker der RUDN-Universität schuf einen Katalysator aus Orangenschalen für die Herstellung organischer Verbindungen

27.10.2020 - Russische Föderation

N-Heterozyklen sind organische Substanzen, die in der chemischen Industrie und in der Medizin verwendet werden. Zu ihrer Herstellung werden teure Katalysatoren aus Edelmetallen verwendet. Ein Chemiker der RUDN-Universität entwickelte einen Nanokatalysator für N-Heterozyklen, der aus Zinkoxid und Niob besteht und ohne zusätzliche chemische Mittel mittels Orangenschale gewonnen werden kann. Der Katalysator macht die Reaktion zu fast 100 % effektiv, wodurch die Effizienz erhöht und die Kosten der Produktion von N-Heterozyklen gesenkt werden. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Zeitschrift Catalysis Today veröffentlicht.

N-Heterocyclen werden bei der Herstellung von Kunststoffen und Arzneimitteln (Chinin, Morphin, Pyramidon) sowie als Farbstoffe verwendet. Ihre Synthese erfordert den Einsatz von Katalysatoren, die auf teuren Edelmetallen wie Gold, Palladium oder Iridium basieren. Alle bisherigen Versuche, andere Elemente einzusetzen, waren wegen geringer Effizienz oder Instabilität der Endprodukte erfolglos geblieben. Ein Chemiker der RUDN-Universität entwickelte jedoch einen Nanokatalysator auf der Basis der billigeren Metalle - Niob und Zink. Der neue Katalysator sorgt für eine fast 100%ige Effizienz der N-Heterozyklussynthese, und sein Vorläufer (oder Plattformmolekül) ist Lävulinsäure.

"Lävulinsäure ist eines der 10 vielversprechendsten Plattformmoleküle, die leicht aus Biomasse gewonnen werden können. Die Umwandlung von Lävulinsäure in N-Heterozyklen ist in letzter Zeit zu einem beliebten Thema geworden, da sich N-Heterozyklen in der pharmazeutischen, agrochemischen und Polymerindustrie als nützlich erwiesen haben", sagte Dr. Rafael Luque, Leiter des Wissenschaftszentrums für Molekulares Design und Synthese innovativer Verbindungen für die Medizin an der RUDN-Universität.

Sein Team verwendete eine mechanisch-chemische Methode zur Herstellung des Nanokatalysators: Das bedeutet, dass seine Komponenten einfach in einem speziellen Mahlwerk ohne Lösungsmittel oder andere Zusätze gemischt wurden. Die Orangenschale diente als Schablone für die Vorbereitung des Katalysators. Gemahlene Schale, trockenes Zinkacetat und 18 1-cm-Stahlkugeln wurden in das Mahlwerk gegeben und 20 Minuten lang bei 350 Umdrehungen pro Minute gemischt. Danach wurde die Mischung zwei Stunden lang bei 200? erhitzt. Infolgedessen bildeten sich Zinkoxid-Nanopartikel. Die Orangenschale wurde verwendet, um Zinkacetat eine Oberfläche zu geben, auf der es sich konzentrieren konnte, und um die Bildung von Zwischenverbindungen zu unterstützen. Die Reste der Schale wurden während des Erhitzens teilweise aus der Mischung entfernt. Danach wurden Zinkoxid-Nanopartikel in der Mühle mit niobhaltigen Partikeln kombiniert, so dass die Konzentration des Metalls im Endprodukt 2,5 bis 10 % erreichte.

Um den neuen Nanokatalysator zu testen, verwendeten die Chemiker ihn, um Lävulinsäure in einen N-Heterozyklus umzuwandeln. Das Team wählte das effizienteste Verhältnis des Katalysators: 10% Niob zu 90% Zinkoxid. In diesem Fall wurde fast die gesamte Lävulinsäure (94,5%) ohne Nebenprodukte in das Endprodukt umgewandelt, und 97,4% der Ausbeute entfielen auf N-Heterozyklen.

"Diese Arbeit zeigt, dass, wenn wir mit der Katalysatorstruktur spielen, aus Bioabfällen wertvolle Verbindungen entwickelt werden können. Mit organischen Abfällen und umweltfreundlichen Methoden können wir eine Alternative für die moderne chemische Industrie bieten, die extrem abhängig von fossilen Brennstoffen ist", fügte Rafael Luque hinzu.

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