La reazione di cross-coupling di Suzuki è una tecnica ampiamente utilizzata per combinare composti organici e sintetizzare sostanze chimiche complesse per applicazioni industriali o farmaceutiche. Il processo richiede l'uso di catalizzatori al palladio (Pd) e, come oggi, due tipi principali di materiali a base di Pd vengono utilizzati in pratica come catalizzatori eterogenei.

Il primo è "catalizzatori caricati con metalli, " che sono costituiti da atomi di Pd (siti attivi) caricati su supporti inerti costituiti da ossidi o materiali a base di carbonio. Sono facili da preparare e offrono un'ampia superficie con siti attivi dove può avvenire la reazione di Suzuki. Tuttavia, questi catalizzatori si degradano rapidamente con l'uso in quanto i siti attivi si aggregano/si staccano dal supporto. Il secondo tipo sono i "catalizzatori intermetallici", molecole fatte di Pd e un altro metallo. Sebbene molto più stabile ed efficace in condizioni miti, questi catalizzatori sfruttano male le elevate quantità di Pd richieste perché pochi siti attivi finiscono effettivamente per essere esposti al mezzo di reazione. Ma cosa accadrebbe se entrambi i tipi di catalizzatore fossero combinati per superare i loro limiti intrinseci?

In un recente studio pubblicato su Catalisi ACS , un team di scienziati della Tokyo Tech, Giappone, ha avuto una nuova idea per un catalizzatore eterogeneo. Hanno scelto il carburo di zirconio nanoporoso (ZrC) come supporto su cui sono cresciuti ZrPd ₃ nanoparticelle, che fungono da catalizzatore intermetallico. Poiché sia ​​il supporto che il composto attivo hanno lo stesso elemento (Zr), la preparazione chimica del catalizzatore è notevolmente semplice. I vantaggi complessivi, Inoltre, andare ben oltre.

Primo, il nuovo catalizzatore Pd-ZrC è altamente stabile perché i siti attivi (ZrPd ₃ ) si ancorano al supporto nanoporoso ZrC. Questa forte interazione tra ZrPd ₃ e ZrC aiuta a migliorare la stabilità catalitica complessiva, consentendo il riutilizzo del catalizzatore Pd-ZrC per più di 15 cicli. Inoltre, i siti Pd esposti non si aggregano e si disperdono in tutto il supporto, realizzando un'area efficace molto più ampia rispetto ai soli catalizzatori intermetallici. La distribuzione ordinata di ZrPd ₃ sulla superficie del supporto significa anche che è necessaria una quantità minore di palladio per lo stesso numero di siti attivi rispetto ad altri catalizzatori intermetallici, una misura denominata economia dell'atomo di Pd.

Forse la cosa più importante è il fatto che questi vantaggi non hanno alcun vincolo; la prestazione effettiva, cioè frequenza di turnover, del nuovo catalizzatore è superiore a quello dei composti disponibili in commercio. Professor Hideo Hosono, che ha condotto lo studio, spiega:"Poiché il Pd-ZrC ha sia Pd caricato negativamente che una forte capacità di donazione di elettroni, il nostro catalizzatore ha raggiunto elevate prestazioni catalitiche per la reazione di accoppiamento incrociato Suzuki anche a temperatura ambiente."

Globale, i risultati delle analisi sia teoriche che sperimentali condotte dal team di scienziati confermano che la loro strategia è molto promettente per lo sviluppo di futuri catalizzatori, come osserva il prof. Hosono:"Le nostre osservazioni hanno dimostrato l'efficacia della combinazione di catalizzatori intermetallici con supporti per migliorare simultaneamente molteplici aspetti, dimostrando che possiamo aumentare i gradi di libertà nella progettazione di catalizzatori eterogenei".

Migliorare i catalizzatori è un modo pratico per ridurre i costi economici e ambientali associati alla sintesi di sostanze chimiche complesse. Solo il tempo dirà quanti nuovi progetti di catalizzatori sono ispirati dalla strategia adottata in questo studio.