Новости

29 июня, 2022 14:52

Ученые переосмыслили свойства органических катализаторов и описали их «магнитное» действие

Российские ученые определили главный фактор, влияющий на активность катионных органических катализаторов — соединений, которые в будущем позволят перейти к экологически чистому химическому производству. Такие катализаторы ускоряют самые разные превращения в органической химии, широко востребованные в фармацевтике и промышленности, и при этом не содержат в своем составе токсичных металлов. Ранее считалось, что эти соединения способствуют прохождению реакций благодаря связыванию с молекулой-субстратом, но оказалось, что более важна способность катализатора создавать электростатическое поле, которое притягивает электроны в процессе реакции. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале The Journal of Organic Chemistry.
Распределение электростатического потенциала на поверхности реагирующих органических субстратов и катализаторов, содержащих ксенон и иод. Источник: Bolotin et al. / The Journal of Organic Chemistry
 
Многие химические реакции требуют участия катализаторов — молекул различной природы, которые помогают веществам взаимодействовать и превращаться в какие-либо другие соединения. В последние десятилетия наиболее часто в качестве катализаторов используют небольшие органические молекулы, несущие в себе либо атомы водорода с частичным положительным зарядом на них, либо атомы галогенов — иода или брома, — поскольку они высокоактивны, легкодоступны и нечувствительны к действию влаги и воздуха. Галогены составляют единую группу в таблице химических элементов Д. И. Менделеева благодаря сходным свойствам и строению атома. С ними соседствует группа благородных газов, в которую входят гелий, неон, ксенон, аргон и радон. Исследования показали, что соединения ксенона, подобно соединениям иода, способны связываться с органическими веществами и ускорять реакции. Однако до сих пор не было изучено, насколько такие молекулы эффективны и как они работают, поскольку большинство соединений ксенона реагируют с органическими веществами со взрывом.
 
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) описали свойства восьми катализаторов на основе благородного газа ксенона и сравнили их с широким спектром катализаторов на основе иода. Такое разнообразие вариантов позволило химикам оценить, как в зависимости от строения молекулы меняется ее каталитическая активность и электростатический потенциал — заряд, распределенный по поверхности, из-за которого вещество может взаимодействовать с другими соединениями, притягиваясь к ним или отталкиваясь от них. Исследователи оценили активность катализаторов на примере двух органических превращений: в первом одна органическая молекула присоединялась к другой, а во втором — замещала собой фрагмент партнера по взаимодействию. Эти реакции наиболее часто используются в органической химии, например, при синтезе полимеров и лекарств. Ранее авторы проводили подобные превращения с использованием иод-содержащих катализаторов, что позволило сравнить их эффективность с новыми.
 
Эксперименты показали, что независимо от того, какой атом содержится в молекуле катализатора — иод или ксенон, — каталитический эффект обусловлен только величиной заряда на этом атоме и практически не зависит от остальных параметров, таких как, например, структура катализатора. Это можно объяснить тем, что в процессе реакции движение электронов в реагирующих молекулах происходит по направлению к источнику электростатического поля — в данном случае к атому ксенона или иода. Такие катализаторы работают подобно магниту, притягивая к себе электроны, благодаря чему облегчают их перетекание от одной реагирующей молекулы к другой, с которой связываются.
 
Разработка эффективных и экологически нейтральных катализаторов поможет сделать химические производства более безопасными для общества и природы, и это одна из передовых задач в современной химии. Полученные результаты позволят более точно настраивать структуру и свойства таких катализаторов, поскольку объясняют природу их активности.
 
«Ранее считалось, что действие изучаемых нами катализаторов основано на образовании слабой химической связи с субстратами реакции, которая их активирует. На основе наших данных все оказалось иначе: их связь с субстратами служит лишь для того, чтобы зафиксировать реагирующие молекулы в "правильном" положении относительно электростатического поля, создаваемого катализатором. В дальнейшем мы планируем расширить спектр органических катализаторов нового типа. Это позволит не только увеличить число реакций, которые возможно будет проводить экологически благоприятным образом с экономией ресурсов и энергии, но и внесет вклад в фундаментальное понимание процессов катализа», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Дмитрий Болотин, доктор химических наук, доцент кафедры физической органической химии СПбГУ.
11 августа, 2022
Разработан новый сверхлегкий материал для защиты от нейтронного излучения
Международный коллектив ученых из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Пет...
11 августа, 2022
Поясница жирафов и бегемотов потеряла гибкость из-за отказа от прыжкового бега и большого веса хозяина
Ученые определили, что подвижность позвоночника у парнокопытных тесно взаимосвязана со способом их б...