Inovasi Katalis Atom Geminal untuk Sintesis Senyawa Organik yang Ramah Lingkungan

Tim peneliti dari National University of Singapore (NUS) yang dipimpin oleh Associate Professor Lu Jiong telah berhasil mengembangkan katalis jenis baru yang membantu dalam proses pembuatan bahan kimia halus dan obat-obatan secara lebih ramah lingkungan. Katalis ini disebut sebagai katalis atom geminal heterogen atau heterogeneous geminal atom catalysts (GACs).

blank

Sebuah tim peneliti dari National University of Singapore (NUS) yang dipimpin oleh Associate Professor Lu Jiong telah berhasil mengembangkan katalis jenis baru yang membantu dalam proses pembuatan bahan kimia halus dan obat-obatan secara lebih ramah lingkungan. Katalis ini disebut sebagai katalis atom geminal heterogen atau istilah bahasa Inggrisnya adalah heterogeneous geminal atom catalysts (GACs). Proses pembuatan bahan kimia dan obat-obatan seringkali menyebabkan polusi udara dan pencemaran air. Hal tersebut menjadi perhatian utama dalam upaya menjaga lingkungan.

Kimia halus, atau kadang disebut juga sebagai kimia fein atau kimia murni, merujuk pada cabang kimia yang berkaitan dengan produksi senyawa kimia murni dalam jumlah kecil hingga sedang. Biasanya, produksi dalam kimia halus dilakukan dengan tingkat kemurnian yang sangat tinggi (mendekati 100%) dan diatur dengan ketat. Kimia halus sering kali terkait dengan industri farmasi, industri kosmetik, industri makanan, dan industri bahan kimia khusus lainnya. Tujuan utama dari kimia halus adalah untuk menghasilkan senyawa-senyawa kimia yang memiliki kemurnian tinggi, seringkali untuk keperluan medis, farmasi, atau keperluan industri yang membutuhkan bahan baku berkualitas tinggi. Proses produksi dalam kimia halus cenderung sangat teliti dan mengikuti standar yang ketat untuk memastikan bahwa produk yang dihasilkan memenuhi spesifikasi yang diinginkan.

Tujuan utama dari penelitian di bidang katalis atom geminal heterogen adalah untuk menciptakan sistem katalitik alternatif yang dapat bekerja dengan presisi tingkat atom dan dapat dipulihkan kembali setelah digunakan. Hal tersebut penting untuk menciptakan proses manufaktur yang lebih berkelanjutan untuk bahan kimia halus dan obat-obatan. Kolaborasi antara berbagai institusi telah menjadi kunci dalam mencapai prestasi ini.

Studi yang dilakukan tim peneliti NUS melibatkan beberapa peneliti dari NUS, bekerja sama dengan para peneliti dari Tsinghua University di China, ETH Zurich di Swiss, dan Agency for Science, Technology and Research (A*STAR) di Singapura. Temuan penelitian yang terbit dalam jurnal ilmiah Nature, menunjukkan langkah penting dalam upaya menuju proses manufaktur yang lebih ramah lingkungan.

Membuat jenis katalis baru

Untuk membuat senyawa organik, diperlukan serangkaian langkah yang disebut reaksi kopling yang dikatalisis oleh logam. Reaksi-reaksi tersebut penting untuk membentuk ikatan kimia yang diperlukan saat membuat senyawa kimia. Namun, katalis yang biasanya digunakan untuk mensintensis senyawa organik memiliki masalah, seperti biaya produksi yang tinggi, sulit dipisahkan untuk didaur ulang, dan mencemari lingkungan dengan logam. Selain itu, katalis yang ada juga tidak selalu bisa digunakan untuk reaksi yang kompleks. Para peneliti dari NUS bersama mitra internasional mereka telah menciptakan katalis baru yang disebut heterogeneous geminal atom catalysts (GACs), untuk mengatasi berbagai masalah tersebut. Katalis GACs membantu proses produksi obat dan senyawa kimia menjadi lebih ramah lingkungan.

Salah satu hal penting dari katalis baru GACs adalah adanya dua inti logam tembaga yang memungkinkan reaksi yang lebih efisien dan selektif. Tim peneliti menggunakan mekanisme yang disebut Porous Coordination Network (PCN) untuk membantu mengikat dua ion tembaga agar bisa bekerja bersama-sama dalam reaksi kimia. Tim ilmuwan menemukan bahwa jarak antara dua ion tembaga merupakan parameter yang sangat penting, harus sekitar 0,4 nanometer agar katalis GACs bisa berfungsi dengan baik.

Katalis baru GACs juga memiliki struktur yang unik yang memungkinkannya beradaptasi selama reaksi kimia untuk membentuk ikatan kimia. Hal tersebut membantu proses kimia berjalan lebih lancar dengan menggunakan sedikit energi.

Setelah berhasil mengembangkan katalis baru ini, tim peneliti menguji katalis tersebut dalam beberapa reaksi kimia untuk membuat obat-obatan dan senyawa kimia yang umum digunakan. Mereka menemukan bahwa katalis baru ini lebih efisien daripada katalis konvensional dan juga lebih baik bagi lingkungan.

blank
Katalis inovatif GACs yang ditunjukkan dalam bentuk bubuk, memiliki struktur heptazin yang unik dan memiliki dua inti ion tembaga, menjadikannya dinamis dan dapat beradaptasi dalam reaksi kimia agar ikatan kimia terbentuk dengan efisien.

Katalis GACs baru untuk proses kimia yang lebih ramah lingkungan

Untuk menunjukkan berbagai kemampuan katalis GACs yang baru dikembangkan, para peneliti mengevaluasi kinerjanya dalam berbagai reaksi kimia, seperti pembentukan senyawa heterosiklik multifungsional yang sering digunakan dalam produksi obat-obatan.

Para peneliti juga mengungkapkan bahwa katalis baru GACs dapat meningkatkan jumlah produk akhir yang dihasilkan. Sebagai contoh, dengan menggunakan GACs, lebih banyak bahan baku bromida tersedia untuk meningkatkan jumlah dutasteride, obat yang utamanya digunakan untuk mengatasi masalah kesehatan prostat, dari 53 persen menjadi 62 persen, dibandingkan dengan penggunaan katalis logam tradisional.

Setelah menjalani sembilan putaran reaksi kimia berturut-turut, para peneliti menemukan bahwa katalis tersebut tetap stabil tanpa kehilangan ion tembaga yang dapat terdeteksi dari struktur awalnya. Hal tersebut berarti bahwa risiko kontaminasi logam dan jumlah limbah yang dihasilkan dapat dikurangi secara signifikan.

Tak hanya itu, GACs juga dapat dengan mudah dipulihkan dan digunakan kembali, menunjukkan potensi besar dalam meningkatkan keberlanjutan di industri kimia dan farmasi.

Selain itu, para peneliti juga melakukan analisis terhadap manfaat lingkungan yang didapat dari penggunaan katalis baru ini dalam reaksi kimia dan menemukan bahwa jejak karbon yang dihasilkannya jauh lebih rendah dibandingkan dengan penggunaan katalis konvensional.

Dengan keunggulan dalam peningkatan hasil produksi, efisiensi yang lebih tinggi, dan dampak lingkungan yang lebih baik dalam reaksi kimia, katalis kelas baru yakni GACs dapat menjadi pilihan menarik untuk diterapkan di industri kimia halus dan farmasi.

Keunggulan katalisis atom geminal untuk sintesis organik.
Keunggulan katalisis atom geminal untuk sintesis organik.

Rencana tim peneliti ke depan adalah untuk membuat koleksi GACs dengan mengatur jenis dan kombinasi pusat logam geminal secara cermat. Hal tersebut berpotensi untuk mengubah metode tradisional dalam produksi kimia. Tentu saja, pengembangan GACs bisa menjadi awal dari era baru di mana GACs memainkan peran penting dalam pencapaian proses manufaktur kimia dan farmasi yang lebih ramah lingkungan.

Referensi:

[1] https://news.nus.edu.sg/novel-catalyst-for-green-production-of-fine-chemicals-and-pharmaceuticals/ diakses pada 23 Maret 2024.

[2] Hai, X., Zheng, Y., Yu, Q. et al. Geminal-atom catalysis for cross-coupling. Nature 622, 754–760 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06529-z

Tinggalkan Komentar

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *