image: N-heterocycles are organic substances used in the chemical industry and medicine. To produce them, expensive catalysts made from noble metals are used. A chemist from RUDN University developed a nanocatalyst for N-heterocycles that consists of zinc oxide and niobium and can be obtained using orange peel without any additional chemical agents. The catalyst makes the reaction almost 100% effective, thus increasing the efficiency and reducing the cost of N-heterocycles production. view more
Credit: RUDN University
Los heterociclos de nitrógeno son compuestos orgánicos que se utilizan en las industrias química y médica. Para producirlos se utilizan catalizadores de metales nobles costosos. Un químico de RUDN University creó un nanocatalizador de óxido de zinc y niobio para los heterociclos de nitrógeno, el cual se obtiene a partir de cáscara de naranja sin productos químicos adicionales. El catalizador alcanza una eficiencia de reacción de casi el 100% y hace que la producción de heterociclos sea más eficiente y económica. Los resultados fueron publicados en Catalysis Today.
Los heterociclos de nitrógeno son sustancias orgánicas que se utilizan como colorantes, y en la producción de plásticos y fármacos (quinina, morfina, aminofenazona). Para su síntesis se utilizan catalizadores de metales nobles costosos, por ejemplo: oro, paladio e iridio. Los intentos de utilizar catalizadores a base de metales básicos han sido infructuosos debido a que resultan ser poco eficientes o inestables. Por tanto, un químico de RUDN University desarrolló un nanocatalizador basado en metales "comunes": niobio y zinc. Este catalizador permite obtener heterociclos de nitrógeno a partir de biomasa con una eficiencia de casi el 100%. El ácido levulínico se utilizó como sustancia inicial o molécula plataforma.
"El ácido levulínico es una de las 10 moléculas plataforma más prometedoras que se puede obtener fácilmente a partir de biomasa. La transformación de ácido levulínico en heterociclos de nitrógeno se ha convertido en un tema muy atractivo en los últimos años debido al notable uso de los heterociclos en las industrias farmacéutica, agroquímica y de polímeros", explicó Rafael Luque, PhD, jefe del Centro de investigación "Diseño Molecular y Síntesis de Compuestos Innovadores para la Medicina", RUDN University.
Junto a su equipo, el investigador desarrolló el nanocatalizador usando un método mecanoquímico, es decir, simplemente agitando los componentes en un molino especial sin disolventes ni otras sustancias adicionales. La cáscara de naranja sirvió como base para la preparación del catalizador. La cáscara molida, acetato de zinc en forma anhidra y 18 bolas de acero con un diámetro de 1 cm se colocaron en la cámara del molino y se mezclaron a 350 rpm durante 20 minutos. Luego, la mezcla se calentó a 200ºC durante 2 horas. Como resultado se obtuvieron nanopartículas de óxido de zinc. La función de la cáscara de naranja fue concentrar acetato de zinc en su superficie y ayudar a formar compuestos de transición. Durante el proceso, los restos de la cáscara se eliminaron parcialmente de la mezcla. Luego, usando un molino las nanopartículas de óxido de zinc fueron combinadas con las partículas de niobio para obtener una concentración de metal en el catalizador del 2.5% al 10%.
Para probar el nuevo nanocatalizador, los químicos lo usaron para transformar el ácido levulínico en un heterociclo de azufre. El equipo seleccionó la composición óptima del catalizador: 10% de niobio y 90% de óxido de zinc. Con esta composición, casi todo el ácido levulínico (94.5%) se transformó en el compuesto deseado sin subproductos, y los heterociclos de azufre representaron un 97.4%.
"Este trabajo demuestra la posibilidad de producir compuestos valiosos a partir de residuos biodegradables. Solo es necesario jugar con la estructura del catalizador. El uso de residuos orgánicos en combinación con procedimientos respetuosos con el medio ambiente proporciona una alternativa a la industria química actual, la cual depende en gran medida de los combustibles fósiles", expresó Rafael Luque, PhD, jefe del Centro de Investigación "Diseño Molecular y Síntesis de Compuestos Innovadores para la Medicina", RUDN University.
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Catalysis Today