Новости

16 июня, 2023 14:04

Новый никелевый фотокатализатор оказался способен сам подстроиться под конкретные реагенты

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 изменяется 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 с начала.

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 начинается 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 является 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.

Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ

18 июля, 2024
Чувствительный к летучим соединениям молока «электронный нос» с 83% точностью оценил количество бактерий в продукте
Ученые создали датчик, который, подобно человеческому носу, улавливает летучие соединения, содержа...
18 июля, 2024
Кристаллографы СПбГУ расшифровали структуру минерала, открытого более 70 лет назад
Международная группа ученых под руководством кристаллографа Санкт-Петербургского государственного ун...