Китайские учёные создали революционный процесс, который значительно повышает эффективность и экологичность производства бета-блокаторов. Основное внимание уделено широко используемому соединению — пропранололу, который играет важную роль в лечении сердечно-сосудистых заболеваний, таких как гипертония, аритмия и стенокардия.
Исследования под руководством профессора Чжан Сици
Под руководством профессора Чжан Сици из Технического института физики и химии Китайской академии наук исследовательская группа разработала новый мембранный реактор с аминофункционализированным графеном (NGO). Этот реактор позволяет проводить сверхбыстрый синтез пропранолола в непрерывном потоке с почти 100% конверсией и селективностью менее чем за 4,63 секунды при температуре 23 °C.
Публикация в журнале Matter
Исследование опубликовано в журнале Matter.
Традиционные методы синтеза пропранолола
Традиционные методы синтеза пропранолола обычно включают реакцию открытия цикла нафтилглицидилового эфира с изопропиламином. Однако существующие каталитические системы часто страдают от длительного времени реакции, низких показателей конверсии, образования нежелательных побочных продуктов и проблем с разделением и очисткой, что ограничивает их практическое применение.
Мембранные реакторы с использованием GO и NGO
Для решения этих проблем исследователи создали мембранные реакторы с использованием кислого оксида графена (GO) и щелочного NGO с помощью вакуумной фильтрации. Обе мембраны использовались в качестве нанореакторов для проведения реакции открытия цикла.
По сравнению с мембраной GO, мембрана NGO продемонстрировала каталитический поток в 4,36 раза выше и частоту оборота (TOF) примерно в 8,07 раз выше, чем у мембраны GO.
Дальнейшая оптимизация
Дальнейшая оптимизация включала настройку межслоевого расстояния мембраны NGO с помощью мягкого термического отжига. При уменьшении межслоевого расстояния конверсия и селективность синтеза пропранолола значительно улучшились. Расчёты по теории функционала плотности показали, что энергетический барьер для стадии образования пропранолола уменьшался вместе с уменьшением межслоевого расстояния, что повышало конверсию.
Снижение энергии активации побочных продуктов
Кроме того, энергия активации образования побочных продуктов одновременно увеличивалась, что значительно препятствовало их образованию, несмотря на их термодинамическую стабильность. В результате пропранолол стал преобладающим продуктом, указывая на то, что механизм реакции смещается в сторону кинетического контроля.
Оптимизация молярного соотношения реагентов
Для подавления образования нежелательных побочных продуктов из вторичных реакций между остаточным нафтилглицидиловым эфиром и пропранололом, а также для повышения селективности реакции исследователи оптимизировали молярное соотношение реагентов, увеличив эквивалентность изопропиламину. Эксперименты показали, что реакция достигла почти 100% конверсии и селективности при молярном соотношении реагентов 1:3.
Сравнение с ранее опубликованными каталитическими системами
По сравнению с ранее опубликованными каталитическими системами мембранный реактор NGO продемонстрировал более короткое время реакции, работу при температуре окружающей среды и более высокую эффективность конверсии — все ключевые показатели превосходной производительности. Примечательно, что его TOF 17,48 ч⁻¹ значительно превысил показатель катализатора NGO в виде порошка, который достиг только 2,27 ч⁻¹ в идентичных условиях.
Универсальность реактора
Универсальность реактора была дополнительно подтверждена его успешным применением в синтезе других бета-блокаторов, включая метопролол, бисопролол, пиндолол и нафтопидил, что подчёркивает его широкий потенциал для масштабируемого фармацевтического производства.
Предоставлено Китайской академией наук.