Descripción general del nuevo catalizador heterogéneo Pd-ZrC. El nuevo catalizador consta de nanopartículas de ZrPd3 cultivadas sobre un soporte inerte de ZrC. Su sencillo procedimiento de fabricación, junto con sus muchas ventajas sobre las alternativas disponibles, hacen del catalizador propuesto una opción atractiva para las reacciones de acoplamiento cruzado de Suzuki. Crédito:Instituto de Tecnología de Tokio
La reacción de acoplamiento cruzado de Suzuki es una técnica ampliamente utilizada para combinar compuestos orgánicos y sintetizar productos químicos complejos para aplicaciones industriales o farmacéuticas. El proceso requiere el uso de catalizadores de paladio (Pd) y, a partir de hoy, En la práctica, se utilizan dos tipos principales de materiales basados en Pd como catalizadores heterogéneos.
El primero es "catalizadores cargados de metal, "que consisten en átomos de Pd (sitios activos) cargados sobre soportes inertes hechos de óxidos o materiales a base de carbono. Son fáciles de preparar y ofrecen una gran área de superficie con sitios activos donde puede ocurrir la reacción de Suzuki. Sin embargo, estos catalizadores se degradan rápidamente con el uso a medida que los sitios activos se agregan / desprenden del soporte. El segundo tipo son los "catalizadores intermetálicos", moléculas hechas de Pd y otro metal. Aunque es mucho más estable y eficaz en condiciones suaves, estos catalizadores hacen un mal uso de las altas cantidades de Pd requeridas porque pocos sitios activos terminan realmente expuestos al medio de reacción. Pero, ¿qué pasaría si ambos tipos de catalizadores se combinaran para superar sus limitaciones inherentes?
En un estudio reciente publicado en Catálisis ACS , un equipo de científicos de Tokyo Tech, Japón, se le ocurrió una nueva idea para un catalizador heterogéneo. Eligieron carburo de circonio nanoporoso (ZrC) como soporte sobre el que cultivaron ZrPd 3 nanopartículas, que actúan como catalizador intermetálico. Debido a que tanto el soporte como el compuesto activo tienen el mismo elemento (Zr), la preparación química del catalizador es notablemente sencilla. Los beneficios generales, es más, ir mucho más allá de eso.
Primero, el nuevo catalizador de Pd-ZrC es muy estable porque los sitios activos (ZrPd 3 ) se anclan en el soporte nanoporoso de ZrC. Esta fuerte interacción entre ZrPd 3 y ZrC ayuda a mejorar la estabilidad catalítica general, permitiendo la reutilización del catalizador Pd-ZrC durante más de 15 ciclos. Además, los sitios de Pd expuestos no se agrupan ni se dispersan por todo el soporte, obteniendo un área efectiva mucho más grande que los catalizadores intermetálicos solos. La ordenada distribución de ZrPd 3 sobre la superficie del soporte también significa que se necesita una cantidad menor de paladio para el mismo número de sitios activos en comparación con otros catalizadores intermetálicos, una medida conocida como economía del átomo de Pd.
Quizás lo más importante es el hecho de que estos beneficios vienen sin condiciones; el rendimiento real, es decir, frecuencia de rotación, del nuevo catalizador es mayor que la de los compuestos disponibles comercialmente. Profesor Hideo Hosono, quien dirigió el estudio, explica:"Debido a que el Pd-ZrC tiene Pd cargado negativamente y una fuerte capacidad de donación de electrones, nuestro catalizador logró un alto rendimiento catalítico para la reacción de acoplamiento cruzado de Suzuki incluso a temperatura ambiente ".
En general, Los resultados de los análisis teóricos y experimentales realizados por el equipo de científicos confirman que su estrategia es muy prometedora para el desarrollo de futuros catalizadores. como comenta el profesor Hosono:"Nuestras observaciones han demostrado la eficacia de combinar catalizadores intermetálicos con soportes para mejorar múltiples aspectos simultáneamente, demostrando que podemos incrementar los grados de libertad en el diseño de catalizadores heterogéneos ".
La mejora de los catalizadores es una forma práctica de reducir los costos económicos y ambientales asociados con la síntesis de productos químicos complejos. Solo el tiempo dirá cuántos diseños de catalizadores novedosos se inspiran en la estrategia adoptada en este estudio.
