با هدف استفاده بهینه از مواد شیمیایی اولیه؛

تولید ترکیبات دارویی با سنتز یک نانوکاتالیست سبز/نانوکاتالیست چیست؟

محققان ایرانی موفق به سنتز یک نانوکاتالیست سبز از گیاه انغوزه شدند که می تواند با دریافت نور خورشید و اکسیژن، واکنش تولید ترکیبات دارویی را تسهیل کند.گیاه مذکور گیاه بومی استان خراسان جنوبی است.

به گـــزارش خبرگزاری علم و فناوری استان سمنان؛واکنش اکسیداسیون یکی از مسیرهای مهم برای تبدیل مواد خام به محصول نهایی به شمار می‌رود. این واکنش‌ها که طی آن اکسیدانت با ماده اولیه وارد واکنش می‌شود، برخی از معیارهای یک روش سبز از جمله تولید کم ضایعات را داراست و نقش مهمی را در صنعت بازی می‌کنند؛ از سوی دیگر کاتالیست‌ها نیز عضو جدایی‌ناپذیر در واکنش‌های صنعتی هستند که اخیراً با ظهور فناوری نانو اهمیت مضاعفی یافته‌اند.

کاتالیست و انواع آن

کاتالیست، گونه‌ای است که سرعت واکنش را افزایش می‌دهد. هدف شیمیدانان، تولید کاتالیست‌هایی با فعالیت (Activity) و بازده (Yield) بالا، گزینش‌پذیری کامل (Selectivity)، قابلیت جداسازی و بازیابی از مخلوط واکنش، مصرف انرژی کم و عمر بالا است. عملکرد کاتالیست با کنترل متغیرهایی همچون اندازه، ساختار، توزیع فضایی و الکترونی، ترکیب سطح، پایداری گرمایی و شیمیایی می‌تواند تعیین شود. بازده  بالا، صرفه اقتصادی، هدررفت کم مواد شیمیایی، مصرف گرما و انرژی پایین، ایمنی بالا و استفاده بهینه از مواد شیمیایی اولیه، از مزایای نانوکاتالیست‌هاست.

برای صرفه‌جویی اقتصادی و استفاده بهینه از نانوکاتالیست، معمولاً آن را به‌صورت کامپوزیت می‌سازند و سطح آن را مورد اصلاح شیمیایی قرار می‌دهند. تحقیقات در حوزه نانوکاتالیست، همواره یکی از بحث‌های جذاب در نانوشیمی و شیمی سبز (Green Chemistry) بوده است. شیمی سبز به واکنش‌های شیمیایی سالم با محصولات بی‌خطر و با حداکثر بازده (حداقل مصرف ماده و انرژی) می‌پردازد و نانوکاتالیست می‌تواند ما را به سوی این آرمان سوق دهد.

کاتالیست، گونه‌ای است که انرژی فعال‌سازی واکنش (انرژی اولیه برای انجام واکنش) را کاهش داده و در نتیجه سرعت واکنش را افزایش می‌دهد. فلزات واسطه جدول تناوبی عناصر، رایج‌ترین کاتالیست‌ها هستند.

انواع کاتالیست

کاتالیست‌ها به دو دسته همگن (Homogeneous) و ناهمگن (Heterogeneous) تقسیم می‌شوند. کاتالیست همگن، تک اتم، یون یا مولکول است و با واکنش‌دهنده ها هم‌فاز می‌باشد. به بیان دیگر، ذرات کاتالیست همگن می‌توانند به‌راحتی در مخلوط واکنش حل شوند. کاتالیست همگن در واکنش مصرف شده و مجددا تولید (بازیابی،Recovery) می‌شود. فعالیت بسیار بالا، گزینش‌پذیری و بازده خوب، از محاسن این‌گونه از کاتالیست می‌باشد. بهبود در عملکرد کاتالیست‌های همگن می‌تواند با اتصال گروه‌های متفاوت آلی و معدنی به ذره اصلی فراهم شود. مشکل اصلی در فناوری کاتالیست‌های همگن در آنجاست که پس از اتمام واکنش، جداسازی کاتالیست حل شده از مخلوط نهایی کار ساده‌ای نیست. این مشکل به‌ویژه در زمانی‌که کاتالیست در مقادیر کم مصرف می‌شود، خود یک چالش بزرگ است.

کاتالیست ناهمگن، با واکنش‌دهنده‌ها در یک فاز نیست. اندازه و خصوصیت ذرات کاتالیست ناهمگن به‌صورتی است که به‎راحتی در محیط واکنش حل نمی‌شود؛ از این‌رو فعالیت آن محدود می‌گردد (بازده کل واکنش کاهش می‌یابد). برخلاف کاتالیست‌های همگن، کاتالیست‌های ناهمگن به‌راحتی (با صرف هزینه، زمان و مواد کمتر) از مخلوط واکنش جدا می‌شوند و موجب ناخالصی محصولات نمی‌گردند. برای آنکه کمبود سطح فعال در این‌گونه ترکیبات جبران شود، استفاده از یک بستر (Support) در نقش تکیه‌گاه کاتالیست، ضروری است. بستر معمولا یک ساختار متخلخل (Porous) با سطح فعال بالاست.

کاتالیست مناسب، باید سطح فعال زیادی داشته و قابل جداسازی باشد. فناوری نانو، می‌تواند سطح فعال بسیار زیادی را برای کاتالیست فراهم آورد. با آنکه سطح فعال نانوکاتالیست‌ها بسیار بالاتر از کاتالیست‌های معمولی است، سطح فعال یک نانوکاتالیست همواره از یک کاتالیزور همگن پایین‌تر است (کاتالیزور همگن با انحلال خود در تماس کامل با محتویات واکنش قرار دارد). در مقابل، نانوذرات کاتالیستی به‌دلیل ابعاد بزرگ‌تر نسبت به ذرات کاتالیست همگن، در محلول واکنش حل نشده و به‌سادگی قابل جداسازی هستند. سطح فعال زیاد به همراه قابلیت جداسازی کاتالیست در پایان واکنش، از نانوکاتالیست‌ها پلی میان کاتالیست‌های همگن و ناهمگن ساخته است. ممکن است فرآیند پیچیده تولید برخی از نانوکاتالیست‌ها هزینه‌بر به حساب بیاید، اما از آنجا که فناوری نانو مقدار کاتالیست، انرژی و زمان مورد نیاز برای انجام واکنش را تقلیل می‌دهد، این مورد قابل چشم‌پوشی است.

انواع نانوکاتالیست

دسته‌بندی نانوکاتالیست‌ها را براساس نوع نانوماده به کار رفته در جدول زیر می‌بینید:

نانوذرات و خصوصا نانوذرات فلزی و اکسید فلزی از اصلی‌ترین و پرکاربردترین کاتالیست‌های نانوساختار هستند؛ لذا این ترکیبات محور این مقاله را تشکیل می‌دهند و بحث بیشتر بر آن‌ها متمرکز است.

نوع دیگر دسته‌بندی نانوکاتالیست‌ها، براساس رفتار آنها است که بر این اساس به دو دسته همگن و ناهمگن تقسیم می‌شوند:

1- نانوکاتالیست با رفتار همگن

در رویکرد نانوکاتالیست همگن، نانوذرات تهیه شده از فلزات واسطه را به‌صورت کلوئید (ذرات معلق) در مخلوط واکنش پخش می‌کنند. معمولاً برای پیشگیری از تجمع نانوذرات، از یک ماده پایدارکننده (Stabilizer) استفاده می‌شود. یک پایدارکننده خوب، نه تنها نانوکاتالیست را در فرایند کاتالیتیکی (واکنش کاتالیستی) حفظ کرده، در عین حال فعالیت آن را کاهش نمی‌دهد. در پایان نیز می‌توان نانوذرات را از محصول نهایی واکنش جداسازی نمود. روش کاهش (Reduction) یا همان احیاء فلزات - یعنی الکترون گرفتن کاتیون فلزی و تبدیل آن به اتم فلز خنثی - روشی معمول برای سنتز کنترل‌شده نانوذرات به‌صورت کلویید در محلول است. فرآیند کاهش به دو صورت شیمیایی و الکتروشیمیایی اجرا می شود:

1- کاهش شیمیایی: معمول‌ترین روش کاهش است که در آن، نمک فلز مورد نظر در محلول با عوامل کاهنده مثل الکل‌ها و سدیم بوروهیدرید (NaBH4) به اتم فلزی کاهش یافته و تبدیل به نانوذره فلزی می‌شود.

2- کاهش الکتروشیمیایی: در این روش، در ازای یک عامل کاهنده شیمیایی، از الکترون‌های انباشته شده بر سطح الکترود استفاده می‌شود. در فرآیند کاهش الکتروشیمیایی، از یک پیل متشکل از آند (محل اکسایش)، کاتد (محل کاهش) و الکترولیت (محلول نمکی دارای هدایت الکتریکی) استفاده می‌شود.

2- نانوکاتالیست با رفتار ناهمگن

کاتالیست ناهمگن به بستر نیاز دارد؛ در نانوکاتالیست‌ها، بستر و کاتالیست، با هم تشکیل یک نانوکامپوزیت می‌دهند که برای رسیدن به بهترین عملکرد مناسب است. به‌عنوان مثال می‌توان به قرار گرفتن کاتالیست طلا بر سطح بستر دی‌اکسید تیتانیوم یا اکسید آهن اشاره کرد. این نانوکاتالیست‌ها به‌ترتیب به صورت Au/TiO2 و Au/Fe2O3 نشان داده می‌شوند. این‌ها کاتالیست‌های بسیار خوبی برای اکسایش منوکسید کربن (آلاینده‌ای بسیار مضر و خطرناک) به دی‌اکسید کربن هستند. از آنجا که دی‌اکسید کربن خطر کمتری دارد، استفاده از این نانوکاتالیست می‌تواند خطرات زیست‌محیطی مونواکسید کربن را کاهش دهد.

ویژگی‌های نانوکاتالیست

1- حداکثر سطح فعال به ازای واحد جرم و حجم: هر چه سطح فعال (سطح در دسترس برای انجام واکنش) به‌خصوص برای یک کاتالیست ناهمگن بیشتر باشد، جایگاه‌های فعال واکنش‌پذیر افزایش یافته و بازده  کاتالیست بالا می‌رود. با فراهم آوردن سطح بیشتر برای یک ساختار کاتالیستی، در مقدار مصرفی نانوکاتالیست صرفه‌جویی  شده و با افزایش واکنش‌دهنده‌های درگیرشونده در واکنش، سرعت (Rate) واکنش نیز بیشتر می‌شود.

2- شکل و اندازه قابل کنترل: برای رسیدن به بیشینه (Maximum) فعالیت، باید بهترین و مناسب‌ترین اندازه نانوذره مشخص شود؛ در روش‌های تولید نانوذرات، راه‌های زیادی برای کنترل ابعاد وجود دارد. براساس محاسبات رایانه‌ای و شبیه‌سازی (Simulation) می‌توان به اندازه  مناسب برای یک نانوذره  با بیشترین فعالیت و در عین حال بیشترین پایداری دست یافت. بهترین کاتالیست‌ها از فلزات گران‌بها (Precious Metals) مثل پلاتین (Pt)، طلا (Au) و پالادیوم (Pd) تشکیل یافته‌اند. تخمین دقیق‌تر بهترین اندازه این نانوذرات در جهت دستیابی به بالاترین فعالیت کاتالیستی، به صرفه‌جویی در مصرف این ترکیبات کمک زیادی می‌کند.

3- قابلیت جداسازی از مخلوط واکنش: نانوکاتالیست‌ها، چه همگن و چه ناهمگن، می‌توانند به‌راحتی از محصولات و باقی‌مانده اضافی واکنش‌گرها جدا شوند. همان‌گونه که ذکر شد، به‌دلیل بزرگی نانوذرات در مقایسه با اتم‌ها و مولکول‌ها، این ترکیبات در محیط واکنش قابل حل نبوده و معلق می‌مانند. به‌عنوان مثال، نانوذرات مغناطیسی (Magnetic Nanoparticles) کاربرد بسیار زیادی در حوزه کاتالیست دارند. زمانی‌که نانوذرات مغناطیسی به‌عنوان کاتالیست در واکنش به کار می‌روند، در پایان می‌توانند توسط اعمال یک میدان مغناطیسی مناسب از محیط جداسازی و بازیابی شوند.

4- گزینش‌پذیری و بازده بالا: یک نانوکاتالیست، واکنش را در یک مسیر خاص و با گزینش مواد اولیه پیش می‌برد. این بدان معنی است که ترکیبات ناخواسته کمتر واکنش‌های فرعی را باعث می‌شوند و از تولید محصولات جانبی در طول فرایند جلوگیری می‌شود. همچنین نانوکاتالیست با سطح فعال بسیار بالای خود، بازده واکنش را در مسیر اصلی خود افزایش می‌دهد. به‌عبارت دیگر می‌توان گفت که حجم بالاتری از مواد اولیه به محصول نهایی تبدیل می‌شوند. مخلوط نهایی واکنش در این حالت بیشتر متشکل از محصول اصلی است و درصد کمی از محصولات جانبی و واکنشگرهای باقی‌مانده (آن‌هایی که در واکنش شرکت نکرده‌اند) وجود دارد. این فرآیند، روند خالص‌سازی و استخراج محصول (برای مثال یک دارو) را آسان و کم هزینه می‌کند.

5- استعداد کلوخه‌ای شدن (Aggregation): نانوذرات در پایدارترین حالت ساختاری خود نیستند، فعالیت سطحی بسیار بالایی داشته و از این‌رو مستعد به هم چسبیدن، کلوخه‌ای شدن و در نتیجه از دست دادن ابعاد نانو می‌باشند. اگر فرآیند کلوخه‌ای شدن برای یک نانوکاتالیست اتفاق بیافتد، فعالیت آن کاهش چشم‌گیری پیدا می‌کند و به اصطلاح، غیرفعال می‌شود.

6- تنوع بالا و قابلیت اصلاح شیمیایی: به علت فعالیت سطحی بالا، گروه‌های مختلف آلی می‌توانند به سطح نانوکاتالیست‌ها متصل شوند. از جهتی فعالیت سطحی بالا باعث می‌شود تا نانوکاتالیست‌ها با مواد معدنی نیز کامپوزیت تشکیل دهند. اصلاح شیمیایی نانوکاتالیست‌ها با اتصال گروه‌های مختلف، تنوع زیادی را در عملکرد آن‌ها به وجود می‌آورد.

7- منبع تهیه: نانوکاتالیست‌های طبیعی در طبیعت وجود دارند و در دسترس هستند. از این دسته می‌توان به نانوذرات خاک رس (Nanoclay) و نانوزئولیت‌ها (Zeolite) اشاره کرد. دسته دیگر نانوکاتالیست‌های سنتزی هستند که توسط بشر تولید می‌شوند و تنوع زیادی دارند؛ برای مثال نانوذرات اکسید فلزی از این دست هستند.

به تازگی توسط محققان ایرانی انجام پذیرفت؛

تولید ترکیبات دارویی با سنتز یک نانوکاتالیست سبز

دکتر سید محسن صادق زاده، پژوهشگر مرکز رشد دانشگاه آزاد اسلامی واحد نیشابور، با بیان اینکه روش‌های گوناگونی برای اکسید کردن ترکیبات سولفیدی در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد،  افزود: اکسیژن یک گاز پاک، ارزان، در دسترس و زیست سازگار است که تنها محصول جانبی حاصل از واکنش آن با سولفیدها آب است. در این راستا در طرح حاضر ما با سنتز یک نانوکاتالیست حساس به نور از یک منبع طبیعی تلاش کردیم تا سبزترین حالت ممکن را برای واکنش سولفیدها با اکسیژن و تبدیل آن به سولفون ها فراهم کنیم.

وی ادامه داد: یکی از خصوصیات منحصربه‌فرد این طرح کاهش حداکثری هزینه فرایند است؛ چراکه برای سنتز نانوکاتالیست از یک منبع طبیعی استفاده شده است و در ادامه نیز برای استفاده از این نانوکاتالیست در فرایند اصلی دو منبع در دسترس و بسیار ارزان‌قیمت یعنی نور مرئی و اکسیژن به‌عنوان عوامل پیش برنده واکنش سولفید به سولفون مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

صادق زاده نانوکاتالیست ها را مانند پلی مابین مزایای استفاده از کاتالیست های همگن و ناهمگن خواند و افزود: کاتالیست‌های همگن اگرچه دارای قدرت کاتالیستی بالایی هستند اما امکان جداسازی آن‌ها از محیط واکنش پس از اتمام واکنش وجود ندارد، از سوی دیگر، کاتالیست‌های ناهمگن از قدرت کاتالیستی بالایی برخوردار نیستند اما امکان جداسازی آن‌ها از محیط واکنش وجود دارد.

وی افزود: در این میان نانوکاتالیست‌ها ضمن برخورداری از قدرت کاتالیستی بسیار بالا به دلیل نسبت بالا سطح به حجمشان، قابلیت جداسازی از محیط واکنش را نیز فراهم می‌کنند و می‌توانند آن‌ها را مانند پلی بین کاتالیست‌های همگن و ناهمگن در نظر گرفت.

به گفته این محقق در این طرح از صمغ گیاه انغوزه در حضور نیترات سرب و کلرید کروم به‌منظور سنتز نانوذرات کرومات سرب استفاده شده است. پس از اتمام فرایند سنتز، آزمون‌های مشخصه‌یابی و میکروسکوپی انجام و پس از تأیید ریزساختار نانوذرات سنتر شده، کارایی آن‌ها در تسریع واکنش تبدیل سولفید به سولفون در حضور اکسیژن و نور مرئی خورشید مورد ارزیابی قرار گرفته است.

وی افزود: ابعاد نانوذرات سنتز شده در حدود ۳۰ نانومتر و حضور آن‌ها موجب پیشرفت واکنش تبدیل سولفید به سولفون به میزان ۹۹ درصد شده است.

این تحقیقات حاصل تلاش‌های دکتر سید محسن صادق زاده پژوهشگر مرکز رشد دانشگاه آزاد اسلامی واحد نیشابور، دکتر راحله ژیانی-عضو هیات علمی و فرزانه شمسا- دانشجوی مقطع دکتری این دانشگاه است. دکتر علی اسحاقی-عضو هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد مشهد نیز در این پژوهش همکاری داشته است.

نتایج این کار در مجله ‌ RSC Advances با ضریب تأثیر ۲.۹۳۶ (جلد ۸، سال ۲۰۱۸، صفحات ۴۰۹۳۴ تا ۴۰۹۴۰) منتشر شده است.

بحث و نتیجه‌گیری

ابعاد نانو، شرایطی عالی برای علم کاتالیست مهیا کرده است. سطح فعال بالا و گزینش‌پذیری عالی در نانوکاتالیست‌ها باعث افزایش سرعت و بازده  واکنش می‌شود. نانوکاتالیست، محاسن کاتالیست‌های همگن (سطح بالا) و ناهمگن (قابلیت جداسازی) را در خود جمع کرده  است. ساختارهای نانوکاتالیستی بسیار متنوع هستند؛ همچنین جداسازی و تغییر در عملکرد آن‌ها توسط اصلاح شیمیایی آسان است. هرچند روند تحقیقات در زمینه سازوکار (Mechanism) واکنش‌های نانوکاتالیست‌ها، کند و پراکنده بوده است، تحقیقات در سایر جنبه‌های این علم، به سرعت ادامه دارد و بر جذابیت آن روز به روز افزوده می‌شود.

انتهـــــای متن/

علی صبوری

زمان انتشار: پنج شنبه ۹ اسفند ۱۳۹۷ - ۰۶:۴۰:۰۰

شناسه خبر: 76366

دیدگاه ها و نظرات :
نام کامل وارد شود
دقیق و صحیح وارد شود
لطفا فارسی و خوانا باشد
captcha
ارسال
اشتراک گذاری مطالب