Ricerca sulla catalisi Catalisi efficienti con meno metallo

Nella produzione di farmaci e altre sostanze chimiche vengono spesso utilizzati come catalizzatori costosi metalli preziosi o metalli pesanti tossici. Per rendere i processi più efficienti, economici e sostenibili, i ricercatori dell’ISTA stanno sviluppando un catalizzatore al nichel attivato dalla luce. Questo consente la formazione efficiente di un’ampia gamma di legami chimici.

Dietro una parete di vetro nel Pieber Lab dell’Institute of Science and Technology Austria (ISTA), alcune lampade a LED irradiano di luce piccoli recipienti di reazione. La luce non serve qui solo a illuminare, ma fornisce l’energia che alimenta un catalizzatore al nichel e rende possibili le reazioni chimiche.

In un nuovo studio, il gruppo di ricerca guidato da Bartholomäus Pieber dimostra che un catalizzatore al nichel sviluppato appositamente può rendere la sintesi chimica fotocatalisata sia più versatile che più efficiente.

Pieber e il suo team dell’ISTA hanno sviluppato, in collaborazione con Daniel Bím dell’Università di Chimica e Tecnologia di Praga, un nuovo sistema catalitico. Questo sistema combina elementi chimici in modo selettivo ed efficiente, richiedendo solo quantità minime di nichel.

Il nichel sotto i riflettori

I farmaci vengono solitamente prodotti attraverso processi chimici in più fasi. Uno dei tipi di reazione più comunemente utilizzati in questo contesto è il cosiddetto “accoppiamento incrociato”, in cui due elementi molecolari vengono uniti tra loro tramite un nuovo legame chimico con l’ausilio di un catalizzatore metallico. In molte importanti reazioni di accoppiamento incrociato vengono utilizzati catalizzatori a base di palladio. 

La chimica alla base di questo processo è valsa ai suoi scopritori addirittura il Premio Nobel: Richard Heck, Ei-ichi Negishi e Akira Suzuki hanno ricevuto il riconoscimento nel 2010 per lo sviluppo delle reazioni di accoppiamento incrociato catalizzate dal palladio nella sintesi organica. Sono state proprio queste reazioni a influenzare in modo determinante la produzione di farmaci, prodotti agrochimici e altre sostanze chimiche fini. Sebbene i catalizzatori al palladio siano altamente efficienti, questo metallo prezioso è anche raro e costoso.

Circa dieci anni fa, i primi studi hanno dimostrato che, al posto del palladio, è possibile utilizzare anche una combinazione tra un catalizzatore al nichel e un secondo catalizzatore che impiega la luce visibile come energia di attivazione. Ciò potrebbe rendere queste reazioni più economiche e sostenibili. C’è però un inconveniente: i catalizzatori al nichel sono meno efficienti e non consentono la stessa gamma di reazioni dei catalizzatori al palladio.

«Nel nostro laboratorio cerchiamo di capire perché i moderni sistemi catalitici a base di nichel presentassero dei limiti. Partendo da queste conoscenze, sviluppiamo, sintetizziamo e studiamo candidati e metodi alternativi», spiega Pieber, responsabile del gruppo di ricerca.

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Poco nichel, grande effetto

La scoperta del team di ricerca si basa su un ligando su misura che aumenta l’attività catalitica dell’atomo di nichel dopo l’attivazione mediante luce visibile. In questo modo, il nuovo catalizzatore è in grado di creare legami tra atomi di carbonio, azoto, ossigeno, zolfo o fosforo, unendo così due molecole in una struttura più grande e complessa. «Il risultato più notevole è stato il fatto di essere riusciti a creare legami complessi in modo efficiente utilizzando una quantità molto ridotta di catalizzatore al nichel», afferma il dottorando Aleksander Bena.

Complessivamente, la quantità di catalizzatore necessaria scende a 100 ppm, ovvero allo 0,01% molare. In parole povere, ciò significa che in questo esperimento una singola molecola di catalizzatore al nichel genera fino a 10.000 molecole di prodotto.

Lo studio dimostra come la comprensione della reattività di base delle molecole a base di nichel contribuisca a trasformare un metallo molto diffuso in un catalizzatore più efficiente.

«Quantità così ridotte di catalizzatore si ottengono solitamente solo con catalizzatori a base di palladio. Il fatto che ciò sia possibile con un catalizzatore al nichel è davvero entusiasmante», aggiunge il responsabile del gruppo Pieber. «Questa combinazione di una quantità ridotta di catalizzatore e di un’ampia applicabilità a molti composti diversi potrebbe rendere questo approccio particolarmente interessante per la sintesi di prodotti farmaceutici e di prodotti chimici fini.»

Andamento nel corso di diversi anni

Già nel 2020 il gruppo guidato da Pieber ha compiuto un primo passo importante superando alcuni limiti della catalisi al nichel. Infatti, i catalizzatori al nichel vengono normalmente distrutti quando si utilizzano composti complessi. Tuttavia, controllando attentamente le condizioni di reazione è possibile evitare che ciò accada. L’approccio adottato all’epoca dai ricercatori ha funzionato, ma le reazioni erano ancora molto lente e richiedevano una grande quantità di catalizzatori al nichel.

«Naturalmente, eravamo ancora ben lontani da un metodo efficiente», afferma Pieber. «Ma era la prova che fosse fattibile. Negli ultimi anni, la nostra comprensione di queste reazioni catalitiche è migliorata costantemente». Partendo da queste esperienze, il dottorando Aleksander Bena ha progettato e testato possibili strutture per catalizzatori al nichel più efficienti e robusti, che possono essere attivati con la luce visibile. «Mi piace la sfida di risolvere un enigma chimico. Si sviluppa un’idea, la si verifica sperimentalmente e si impara qualcosa da ogni risultato», afferma Bena. La sua tenacia ha portato infine al nuovo sistema catalitico, che trova ampia applicazione e richiede una quantità di nichel notevolmente inferiore.

I ricercatori hanno ormai dimostrato la versatilità del loro metodo, realizzando oltre 150 prodotti. La gamma spazia dai semplici elementi molecolari alle molecole complesse e ai derivati di farmaci come la fluoxetina, uno degli antidepressivi più diffusi e più prescritti.

Pubblicazione originale: A. R. Bena et al.: La progettazione dei ligandi amplia NiIAccoppiamenti C(sp²)–eteroatomo catalizzati da NiI di bromuri arilici a bassi carichi di catalizzatore, Nature Catalysis (2026); DOI: 10.1038/s41929-026-01616-6