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.

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.