Forskare från Brown University har utvecklat en ny sammansatt katalysator som kan utföra fyra separata kemiska reaktioner i sekventiell ordning och i en behållare för att producera föreningar användbara för att göra ett brett utbud av farmaceutiska produkter.

"Det krävs normalt flera katalysatorer för att utföra alla steg i denna reaktion, " sa Chao Yu, en postdoktorand forskare vid Brown som ledde arbetet tillsammans med doktoranden Xuefeng Guo. "Men vi hittade en enda nanokatalysator som kan utföra denna flerstegsreaktion av sig själv."

Forskningen, beskrivs i Journal of the American Chemical Society , var ett samarbete mellan de bruna professorerna Christopher Seto och Shouheng Suns labb, som är medförfattare till tidningen.

Arbetet var gjort, forskarna sa, med sikte på att hitta sätt att göra den kemiska industrin mer miljömässigt hållbar. Multireaktionskatalysatorer som den här är ett steg mot det målet.

"Om du kör fyra olika reaktioner separat, då har du fyra olika steg som kräver lösningsmedel och utgångsmaterial, och de lämnar var och en efter sig avfall kontaminerat med biprodukter från reaktionen, " Sa Seto. "Men om du kan göra allt i en pott, du kan använda mindre lösningsmedel och minska avfallet."

Teamet gjorde sin nya katalysator genom att odla silver-palladium-nanopartiklar på ytan av nanorods gjorda av syrebrist volfram-oxid (volfram-oxid med några av dess syreatomer saknas). Forskarna visade att det kunde katalysera den serie av reaktioner som behövs för att omvandla vanliga utgångsmaterial myrsyra, nitrobensen och en aldehyd till en bensoxazol, som kan användas för att göra antibakteriella medel, antimykotika och NSAID smärtstillande medel. Forskarna visade att katalysatorn också kunde användas för att skapa en annan förening, kinazolin, som används i en mängd olika läkemedel mot cancer.

Experiment visade att katalysatorn kunde utföra de fyra reaktionerna med ett nästan kvantitativt utbyte - vilket innebär att den producerar den maximala möjliga mängden produkt för en given mängd utgångsmaterial. Reaktionerna utfördes vid en lägre temperatur, på kortare tid, och använda lösningsmedel som är mer miljövänliga än de som normalt används för dessa reaktioner.

"Temperaturen vi använde för att syntetisera den här produkten är runt 80 grader Celsius, "Guo sa. "Normalt händer reaktionen runt 130 grader och du måste köra reaktionen i en eller två dagar. Men vi kan få en liknande avkastning vid 80 grader på åtta timmar."

Den nya katalysatorn kan också göra bensoxazolföreningarna med utgångsmaterial som är mer miljövänliga än de som vanligtvis används. Reaktionskedjan kräver en vätekälla för dess initiala steg. Den källan kan vara ren vätgas, som är svår att lagra och transportera, eller det kan extraheras från en kemisk förening. En förening som kallas ammoniakboran används ofta för detta ändamål, men den nya katalysatorn gör att myrsyra kan användas istället, som är "billigare, grönare och mindre giftig, " sa Yu.

Och medan många katalysatorer som testats i dessa reaktioner inte kan användas mer än en gång utan att allvarligt skada deras effektivitet, forskarna kunde använda den nya katalysatorn upp till fem gånger med liten nedgång i reaktionsutbytet.

Sun säger att studier som denna representerar en framväxande forskningslinje inom grönare kemi.

"Normalt i katalys gör vi en reaktion i taget, med en annan katalysator för varje reaktion", sa Shouheng Sun, en professor i kemi vid Brown. "Men det finns ett växande intresse för att komma med katalysatorer som kan utföra flera reaktioner i en pott, och det är vad vi har gjort här."