Catalisi efficiente con meno metallo
I ricercatori dell'ISTA sviluppano un catalizzatore al nichel attivato dalla luce per la formazione di legami chimici
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I prodotti farmaceutici, la chimica fine e i prodotti agrochimici vengono prodotti industrialmente ricorrendo a un’ampia gamma di reazioni chimiche. Questi processi devono diventare più efficienti, meno costosi e più sostenibili. Il gruppo di Pieber presso l’Institute of Science and Technology Austria (ISTA) ha ora compiuto un passo in questa direzione. Sulla rivista *Nature Catalysis*, i ricercatori presentano un nuovo catalizzatore al nichel che può essere attivato con la luce visibile per formare in modo efficiente un’ampia gamma di legami chimici.
Dietro una parete di vetro nel laboratorio Pieber presso l’Istituto di Scienza e Tecnologia dell’Austria (ISTA), delle lampade LED blu illuminano piccoli recipienti di reazione. La luce non è semplicemente un’illuminazione: fornisce l’energia che alimenta un catalizzatore al nichel per innescare le reazioni chimiche.
In un nuovo studio pubblicato su *Nature Catalysis*, il gruppo di ricerca guidato da Bartholomäus Pieber dimostra che un catalizzatore al nichel progettato con cura può rendere la sintesi chimica guidata dalla luce sia più versatile che più efficiente.
Pieber e i membri del suo team Aleksander Bena, Trisha Banik, Christos Giannoudis, Florian Ortis, Haralds Baunis e Gayathri Palissery (tutti dell’ISTA), in collaborazione con Daniel Bím dell’Università di Chimica e Tecnologia di Praga, hanno sviluppato un nuovo sistema catalitico che unisce in modo selettivo ed efficiente i mattoni chimici utilizzando quantità minime di nichel.
Attivare il nichel con la luce
I farmaci non crescono sugli alberi: vengono prodotti attraverso processi chimici in più fasi. Ciò richiede un’ampia gamma di reazioni diverse. Una delle strategie più diffuse per la costruzione di queste molecole è la chimica dell’accoppiamento incrociato, in cui due elementi costitutivi molecolari vengono uniti da un nuovo legame chimico con l’aiuto di un catalizzatore metallico.
Un catalizzatore è una sostanza che rende possibile o accelera una reazione chimica senza essere consumata a sua volta. Spesso si tratta di singoli atomi metallici legati a molecole organiche chiamate ligandi. Questi influenzano il comportamento del metallo e possono essere progettati per ottimizzarne le proprietà catalitiche.
In molte importanti reazioni di accoppiamento incrociato, il catalizzatore è a base di un atomo di palladio. L’importanza di questo aspetto è stata riconosciuta con il Premio Nobel per la Chimica del 2010, assegnato a Richard Heck, Ei-ichi Negishi e Akira Suzuki per lo sviluppo delle reazioni di accoppiamento incrociato catalizzate dal palladio nella sintesi organica. Queste reazioni hanno acquisito grande rilevanza nella produzione di molecole complesse, compresi i farmaci. I catalizzatori al palladio sono altamente efficienti, ma questo metallo nobile è anche raro e costoso, il che rappresenta un notevole svantaggio.
Circa 10 anni fa, i primi studi hanno dimostrato che, al posto del palladio, si poteva utilizzare la combinazione di un catalizzatore al nichel con un secondo catalizzatore in grado di convertire la luce visibile in “energia chimica”. Ciò offre la possibilità di rendere queste reazioni più economiche e sostenibili. Ma c’è un inconveniente: i catalizzatori al nichel sono meno efficienti e non consentono la stessa varietà di reazioni dei catalizzatori al palladio.
«Nel nostro laboratorio cerchiamo di capire perché i sistemi di catalisi al nichel attualmente in uso presentino dei limiti e, sulla base di tale comprensione, progettiamo, realizziamo e studiamo candidati e metodi alternativi», spiega Pieber.
Nel 2020 il gruppo ha compiuto un passo importante dimostrando che i limiti della catalisi al nichel possono essere superati. I ricercatori hanno scoperto che i catalizzatori al nichel possono essere distrutti quando si utilizzano elementi costitutivi complessi e hanno dimostrato che ciò può essere evitato controllando attentamente le condizioni di reazione. L’approccio ha funzionato, ma le reazioni erano molto lente e richiedevano elevate quantità di catalizzatori al nichel.
«Naturalmente, eravamo ancora ben lontani da un metodo efficiente», afferma Pieber. «Ma si è trattato di un’importante prova di fattibilità e, negli ultimi anni, la nostra comprensione di queste reazioni catalitiche ha continuato a migliorare».
Bena, un dottorando, ha sfruttato questa comprensione sempre più approfondita per progettare possibili strutture di catalizzatori al nichel più efficienti e robusti, in grado di essere attivati direttamente con la luce visibile, e ha testato le sue idee in laboratorio. Ciò ha portato infine il team a individuare un nuovo ligando che aiuta il nichel a superare alcuni dei limiti ancora presenti nella catalisi indotta dalla luce.
«Mi piace la sfida di risolvere un enigma chimico. Si sviluppa un’idea, la si verifica sperimentalmente e si impara qualcosa da ogni risultato», afferma Bena. La sua tenacia ha portato infine a un nuovo sistema catalitico ampiamente applicabile e che richiede una quantità di nichel notevolmente inferiore.
All’interno del gruppo di Pieber è stata costituita una piccola task force — composta da Banik, Giannoudis, Ortis, Baunis e Palissery — per studiare l’applicabilità generale del nuovo catalizzatore. Il team ha dimostrato la versatilità del proprio metodo realizzando oltre 150 prodotti, che vanno da semplici elementi costitutivi a molecole complesse e derivati di farmaci come la fluoxetina, uno degli antidepressivi più comuni e ampiamente prescritti.
Una piccola quantità di nichel fa miracoli
La scoperta si basa su un ligando su misura che potenzia l’attività catalitica dell’atomo di nichel una volta attivato dalla luce visibile. Ciò consente al nuovo catalizzatore di creare legami tra atomi di carbonio, azoto, ossigeno, zolfo o fosforo, fondendo così due molecole in una struttura più grande e complessa.
«Il risultato più sorprendente è stato poter creare legami complessi in modo efficiente con una quantità molto ridotta di catalizzatore al nichel», afferma Bena.
I ricercatori sono riusciti a ridurre il carico di catalizzatore a 100 parti per milione, ovvero allo 0,01% in moli. In parole povere, ciò significa che in questo esperimento una sola molecola di catalizzatore al nichel produce fino a 10.000 molecole di prodotto.
Il loro lavoro dimostra quindi come la comprensione della reattività fondamentale delle molecole a base di nichel possa contribuire a trasformare un metallo abbondante in un catalizzatore più potente.
«Questi bassi carichi di catalizzatore si ottengono in genere solo con catalizzatori a base di palladio. Riuscire a ottenere lo stesso risultato con un catalizzatore al nichel è davvero entusiasmante», spiega Pieber. «La combinazione di un basso carico di catalizzatore e di un’elevata generalità su molti elementi costitutivi potrebbe rendere questo approccio particolarmente interessante per la sintesi farmaceutica e della chimica fine».
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