Chytrý materiál umožní účinnou recyklaci plastů i levnou výrobu léčiv
CATRIN: Chytrý materiál umožní účinnou recyklaci plastů i levnou výrobu léčiv
Dva v jednom. I tak lze nahlížet na nový materiál, který vyvinul mezinárodní tým vědců se zástupci Centra energetických a environmentálních technologií VŠB-Technické univerzity Ostrava (CEET) a CATRIN Univerzity Palackého. Univerzální pomocník založený na atomech železa a uhlíku dokáže nejen přeměnit odpadní plasty na užitečné produkty, ale také zlevnit výrobu důležitých chemikálií a léčiv. Odborníci objev nedávno publikovali v prestižním časopise Nature Catalysis a plánují přesun výroby do poloprovozního měřítka.
Vědci se rozhodli přispět k řešení jednoho z nejpalčivějších problémů dneška, kterým je recyklace plastů. Zaměřili se na polystyren, jehož celosvětová výroba ročně přesahuje 20 milionů tun, ale recykluje se jen zanedbatelné množství produkce, přibližně jedno až tři procenta. Stávající metody recyklace jsou buď neúčinné, nebo složité a nešetrné k životnímu prostředí.
„Mechanická recyklace polystyrenu vede ke zhoršení kvality produktu a jeho omezenému využití. Pyrolýza je energeticky náročná, vyžaduje vysoké teploty a výsledná směs chemikálií se musí složitě čistit. Proto jsme vyvíjeli šetrnou nízkoteplotní technologii, která s pomocí kyslíku a amoniaku dovolí připravit benzonitril. Jde o velmi cennou chemikálii, jež slouží jako klíčový stavební blok pro výrobu léčiv, hnojiv a dalších průmyslových chemikálií,“ uvedl Radek Zbořil, jeden z hlavních autorů práce, který působí v CEET a CATRIN.
CATRIN: Chytrý materiál umožní účinnou recyklaci plastů i levnou výrobu léčiv
Přeměna polystyrenu, ale i dalších organických sloučenin na nitrily je ovšem velmi náročná, protože jejich chemické vazby jsou stabilní a těžko se štěpí. Klíčem k úspěchu tak bylo vyvinout účinný katalyzátor, který snižuje reakční teploty a zvyšuje výtěžek důležitého produktu. „Základem katalyzátoru jsou atomy železa rozptýlené v uhlíkovém nosiči a stabilizované atomy dusíku a boru. Takové chemické prostředí v okolí atomárního železa umožňuje a porézní struktura nosiče jsou zásadní pro dosažení nízkoteplotní a účinné přeměny polystyrenu. Materiál lze snadno vyrábět ve velkém a po dokončení chemického procesu ho lze recyklovat a opakovaně používat,“ vysvětlil Jagadeesh Rajenahally, další z korespondujících autorů, který působí v CEET a německém Leibnizově ústavu pro katalýzu v Rostocku.
Využití nového katalyzátoru nekončí u polystyrenu. Dokáže rovněž účinně přeměnit desítky organických sloučenin na důležité nitrily, které se využívají v chemii a farmacii, například při výrobě antidepresiv nebo léků pro léčbu diabetu. Právě všestranné využití, jednoduchá výroba, nižší energetická náročnost a výrazné zlevnění řady chemických procesů slibují rychlé uplatnění materiálu v praxi. Vědci proto plánují přesun výroby do poloprovozního měřítka.
„Atomární katalyzátor je nesmírně univerzální. Úspěšně jsme ho použili při výrobě asi šedesáti chemikálií na bázi nitrilů, využívaných ve farmacii i průmyslové chemii. Pracujeme při výrazně nižších teplotách než stávající průmyslové výroby a díky usměrnění reakce produkujeme jen minimum odpadních produktů. V průtočném reaktoru jsme při přeměně polystyrenu prokázali stabilitu materiálu v řádu mnoha dní, což jsou velmi pozitivní výsledky pro přesun technologie do praxe,“ uzavřel Zbořil.
Původní článek
Iron-based single-atom catalysts for selective ammoxidation of C(sp3)–H bonds and oxidative C–C cleavage reactions
Zhuang Ma (马壮), Nils Rockstroh, Zupeng Chen (陈祖鹏), Vishakha Goyal, Chakreshwara Kuloor, Stephan Bartling, Zdeněk Baďura, Jabor Rabeah, Lin Dong (董琳), Henrik Lund, Bing Nan (南兵), Radek Zbořil, Rajenahally V. Jagadeesh & Matthias Beller
Nat Catal 9, 389–403 (2026)
https://doi.org/10.1038/s41929-026-01513-y
licensed under CC-BY 4.0
Následují vybrané části článku. Formáty a hypertextové odkazy byly převzaty z originálu.
Abstrakt
Ammoxidace methylarenů za použití amoniaku a vzduchu je hlavní metodou syntézy aromatických nitrilů v chemickém průmyslu. Navzdory značnému úsilí v průmyslu i akademické sféře nebyl pro tuto reakci vyvinut žádný obecný a selektivní katalyzátor na bázi méně toxických a v zemské kůře hojně se vyskytujících kovů. Zde uvádíme materiál na bázi jednoatomového železa (Fe@BNC-800-L1) s konfigurací Fe–N5–Bx jako účinný katalyzátor oxidace vazeb C–H a C–C s sp3-hybridizací. Díky přítomnosti Fe3+, B a N, které jsou společně zabudovány do mikromezoporézní uhlíkové matrice, vykazují tyto materiály vynikající aktivitu při ammoxidaci methyl-substituovaných (hetero)arenů. Dále jsou prezentovány vysoce selektivní reakce štěpení C–C vazeb alkylarenů, které doplňují sadu nástrojů pro syntézu nitrilů. Obecnost této prezentované metodiky ammoxidace na bázi Fe je demonstrována jednoduchou a selektivní syntézou >60 funkcionalizovaných a strukturně rozmanitých nitrilů, které jsou důležitými prekurzory a klíčovými meziprodukty v organické syntéze s mnoha aplikacemi v biologických vědách a průmyslu.
Nat Catal 9, 389–403 (2026): Grafický abstrakt
Metody
Obecný postup pro syntézu nitrilů z methyl- a alkyl-(hetero)arenů
Není-li uvedeno jinak, byly katalytické reakce všech substrátů prováděny podle následujícího postupu: do 8ml skleněné vialky se vložila magnetická míchací tyčinka, 0,5 mmol methylarenu nebo alkylarenu nebo modelové sloučeniny ligninu a 50 mg Fe@BNC-800-L1 (2,46 mol% Fe). Následně se přidalo 3 ml deionizované vody a 100 μl NH3(aq. 28–30 %) a vialka byla uzavřena septem, uzávěrem a jehlou. Reakční vialky (8 vialek, z nichž každá obsahovala jiné substráty) byly umístěny do 300 ml autoklávu. Autokláv byl dvakrát propláchnut dusíkem (10 bar) a dvakrát molekulárním kyslíkem (5 bar) a poté byl natlakován kyslíkem o tlaku 5 bar. Autokláv byl umístěn do hliníkového bloku předehřátého na 150 °C a reakce byly míchány po požadovanou dobu. Po dokončení reakcí byl autokláv ochlazen na pokojovou teplotu. Zbývající kyslík byl vypuštěn a zkumavky obsahující reakční produkty byly vyjmuty z autoklávu. Pevný katalyzátor byl odfiltrován a důkladně promyt ethylacetátem. Produkty ve filtrátu byly extrahovány ethylacetátem a analyzovány pomocí GC a GC-MS. Odpovídající nitrily byly purifikovány kolonovou chromatografií. U vybraných produktů byly výtěžky stanoveny pomocí GC. Pro GC analýzu byl filtrát obsahující produkty extrahován ethylacetátem. K tomuto ethylacetátovému roztoku obsahujícímu produkty byl přidán n-hexadekan (0,5 mmol) jako standard a poté byly produkty analyzovány pomocí GC. Pro potvrzení reprodukovatelnosti experimentu byly všechny katalytické reakce, včetně referenčních reakcí a hodnocení rozsahu substrátů, provedeny alespoň dvakrát až třikrát, aby byla zajištěna reprodukovatelnost. Údaje o výtěžcích a selektivitě uvedené v rukopisu představují průměr těchto nezávislých experimentů. Například ammoxidace 4-methylanisolu (referenční reakce) poskytla ve třech nezávislých experimentech výtěžek 75 ± 3 %. Bezpochyby jsou bezpečnostní aspekty velmi důležité při ammoxidacích zahrnujících amoniak a kyslík v reakčním systému. Všechny katalytické reakce byly prováděny v autoklávu Parr vybaveném zařízením proti výbuchu a autokláv byl umístěn v dobře větrané digestoři, aby bylo možné reakce provádět. Po dokončení reakce byl autokláv opatrně vyjmut a umístěn do ledové lázně k ochlazení, a poté byly plyny pomalu uvolňovány. Další podrobnosti o postupu jsou uvedeny v doplňkových informacích.
Vzhledem k nízkým bodům varu substrátů 5, 9, 13, 28, 29, 30, 44 a 62 byly jejich katalytické reakce prováděny jednotlivě ve skleněném 25ml autoklávu. Postup experimentu pro tyto reakce je následující: magnetická míchací tyčinka, 0,5 mmol methylarenu nebo alkylarenu a 50 mg Fe@BNC-800-L1 (2,46 mol% Fe) byly přeneseny do 25ml autoklávu (provádělo se vždy jeden vzorek najednou). Dále bylo přidáno 5 ml deionizované vody a 100 µl NH3 (vodný roztok 28–30 %). Autokláv byl uzavřen a dvakrát propláchnut dusíkem (10 bar) a dvakrát molekulárním kyslíkem (5 bar), poté byl natlakován kyslíkem na 5 bar. Autokláv byl umístěn do hliníkového bloku předehřátého na 150 °C a reakce byly míchány po požadovanou dobu. Po dokončení reakcí byl autokláv ochlazen na pokojovou teplotu. Zbývající kyslík byl vypuštěn a reakční produkty byly z autoklávu odstraněny. Pevný katalyzátor byl odfiltrován a důkladně promyt ethylacetátem. Směs byla extrahována ethylacetátem a byl přidán n-hexadekan jako standard. Nakonec byly produkty analyzovány pomocí GC a GC-MS. Odpovídající nitrily byly purifikovány kolonovou chromatografií. U vybraných produktů byly výtěžky stanoveny pomocí GC stejným postupem (viz výše).
