Группа ученых из России и Германии продемонстрировала новую каталитическую систему на основе простейших солей никеля и фотоактивной добавки. Под действием видимого света и добавленных реагентов в таком катализаторе самопроизвольно изменяются структура и степень окисления металла, что обеспечивает максимальную эффективность химического процесса. С помощью дешевого и доступного катализатора авторы смогли получить и описать более 250 продуктов, среди которых — предшественники лекарств, пестицидов и других полезных соединений. Результаты работы, поддержанной грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nature.
Иллюстрация динамического адаптивного катализа. Источник: Валентин Анаников
Переходные металлы, способные изменять свою степень окисления, часто становятся основой катализаторов для органического синтеза, в том числе медицинских субстанций и разнообразных химикатов. Несмотря на множество работ, посвященных катализу комплексами меди, палладия, никеля и прочими металлами, подбор оптимальных условий для наиболее эффективного протекания реакции остается нетривиальной задачей. Так, приходится изменять внешние условия — температуру, давление, растворитель; с точностью до небольших боковых групп выбирать лиганды, окружающие атом металла и помогающие ему взаимодействовать с реагентами; учитывать структуру катализатора и субстрата (реагентов) и многое другое. Что-то удается рассчитать на компьютере, но большая работа кроется в экспериментах — подчас достаточно дорогих и трудоемких. В итоге удается выбрать более-менее оптимальную реакционную систему, в лучшем случае актуальную для класса соединений или типа реакций. При постановке новой задачи, пусть даже и достаточно близкой к уже решенной, все приходится повторять сначала.
Исследователи из лаборатории металлокомплексных и наноразмерных катализаторов Института органической химии имени Н.Д. Зелинского (Москва) и Регенсбургского университета (Германия) предложили универсальную каталитическую систему, в которой нет дорогих или редких компонентов. В основе — простейшие соли никеля и дешевая фотоактивная добавка. Настроить каталитические свойства удалось под действием видимого света (то есть не нужны дорогие лазеры или мощные ультрафиолетовые лампы) при помощи повсеместно используемых органических оснований – особых органических «адаптеров». Последний компонент системы — субстрат, то есть реагент, из которого будет синтезироваться продукт. Все три компонента находятся в одном состоянии, жидком, — такой катализ называется гомогенным.
Так, под действием света начинаются фотохимическая реакция и процесс образования широкого многообразия комплексов из никелевого ядра и «адаптеров»-оснований. Однако то, как будет устроена каталитически активная частица среди множества доступных вариантов, зависит от субстрата: его геометрии, химических свойств и прочего. По сути, система сама «выбирает», какой тип каталитических частиц будет наиболее эффективен в каждом случае.
Универсальность предложенного подхода ученые продемонстрировали на примере реакций кросс-сочетания, сопровождающихся образованием девяти различных типов связи. Авторам удалось получить более 250 разных продуктов, структуру которых можно предсказать в случае каждого из субстратов.
«Отличительными особенностями нашей фотокаталитической системы являются ее доступность и мягкость условий протекания процессов. Для сравнения: в реакциях кросс-сочетания обычно используют дорогие комплексы палладия или других металлов — более дешевых, но работающих при высоких температурах. С другой стороны, минимальный набор исходных параметров адаптивной каталитической системы делает ее предсказуемой и потенциально привлекательной для построения более совершенной модели с использованием искусственного интеллекта», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Валентин Анаников, академик РАН, руководитель отдела ИОХ РАН, профессор химического факультета МГУ.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда