Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета представили новый способ оценки стабильности катализаторов, содержащих галогенные и халькогенные связи. Этот метод позволил установить, что данные соединения ускоряют химические реакции благодаря формированию нековалентных связей, а не из-за наличия кислотных примесей. Полученные данные открывают перспективы для разработки катализаторов, имитирующих природные процессы. Результаты исследования опубликованы в New Journal of Chemistry.
Химические связи можно разделить на ковалентные (сильные) и нековалентные (слабые). Сильные связи играют важную роль в катализе, поскольку они оказывают более интенсивное воздействие на молекулы. Однако их сложно разрушить после завершения реакции, что может создавать определенные сложности. В связи с этим исследователи активно изучают катализаторы, основанные на нековалентных взаимодействиях, что позволит создавать искусственные аналоги ферментов с требуемыми характеристиками. Такие связи, особенно водородные, широко представлены в биологических системах: они формируются в воде, белках, ДНК, РНК и других биологических структурах.
По мнению исследователей, применение данных связей способствует созданию более эффективных и имитирующих природные катализаторов. Основная трудность заключается в отсутствии возможности однозначно подтвердить формирование необходимой нековалентной связи в процессе реакции. Ранее ученым удавалось зафиксировать галогенные и халькогенные связи в простых системах, таких как растворы или кристаллы. Однако в реальной реакционной смеси, помимо катализатора и целевого вещества, присутствуют другие компоненты, способные взаимодействовать с катализатором и нарушать его целостность, что существенно затрудняет прямой мониторинг этого явления.
В процессе реакции хлорсодержащие катализаторы полностью разлагаются. В результате этого образуется кислота, демонстрирующая более высокую эффективность по сравнению с первоначальным веществом. Специалисты из СПбГУ изучили возможность оценки каталитической активности в условиях наличия кислотных примесей.
«Александра Сысоева, ассистент кафедры органической химии СПбГУ, отметила: «В связи с этим возникает логичный вопрос: ускоряет ли реакцию именно более устойчивый катализатор, а не продукт его следового разложения, то есть кислота? Если это действительно так, то можно было бы просто использовать кислоту повсеместно, что было бы и эффективнее, и экономически выгоднее, и исключило бы необходимость ее применения в биохимии. Именно стремление найти ответ на этот вопрос и стало причиной проведения нашего исследования.
Для обеспечения надежности катализаторов — доноров галогенной и халькогенной связи требуется их проверка. ЯМР-спектроскопия, обычно используемая в таких исследованиях, оказалась неэффективной, поскольку не позволяет выявлять примеси концентрацией менее 5%. В связи с этим, исследователи из СПбГУ применили УФ-спектроскопию, отличающуюся большей чувствительностью.
Для проведения реакции ученые использовали акридиновый оранжевый – реагент, эффективно взаимодействующий с кислотами, но не взаимодействующий с донорами галогенной и халькогенной связи. Данный реагент характеризуется высоким коэффициентом экстинкции, что приводит к существенным изменениям в спектре при незначительных колебаниях концентрации раствора.
Квантово-химические расчеты продемонстрировали, что реагент взаимодействует непосредственно с кислотой. Затем исследователи выполнили УФ-титрование, добавляя различные количества доноров галогенной и халькогенной связи к фиксированному количеству акридинового оранжевого и регистрируя серию УФ-спектров полученных растворов. Это позволило установить, что содержание следов кислоты в растворах не связано с ранее известной каталитической активностью доноров галогенной и халькогенной связи.
Исследователи из Санкт-Петербургского университета установили, что стабильность катализаторов не определяет их каталитическую активность. Полученные данные указывают на то, что катализ происходит благодаря формированию нековалентной связи, а не взаимодействию с кислотой, что делает перспективным дальнейшее изучение доноров галогенной и халькогенной связи в каталитических процессах.
Пресс-служба Санкт-Петербургского государственного университета предоставила информацию и фотографии