Новая химическая модель поможет точно рассчитать активность органических катализаторов

Российские ученые предложили новую модель для квантово-химических расчетов, которая позволит наиболее точно оценить активность органических веществ, ускоряющих химические реакции, в различных растворителях. Новый подход поможет быстро и без дополнительных затрат реактивов определять характеристики молекул, которые могут стать новыми эффективными катализаторами для синтеза лекарств и других биологически активных соединений. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Organic Chemistry Frontiers.

Современное химическое производство требует применения разнообразных высокоэффективных и в то же время экологичных катализаторов. Долгое время наиболее популярными были системы на основе металлов — очень активные, но загрязняющие окружающую среду, а также оставляющие примеси в продуктах реакции, что затрудняет синтез с их помощью химически чистых продуктов. Поэтому ученые ищут более безопасную альтернативу, на роль которой хорошо подходят органические молекулы, поскольку они по активности часто не уступают металлическим аналогам, и при этом не наносят вред окружающей среде.

Среди таких органических катализаторов самой высокой активностью обладают соединения, содержащие галогены — элементы 17 группы таблицы Менделеева (например хлор, бром и иод), — а также халькогены — элементы 16 группы, к которым относятся сера, селен и теллур. Эти вещества ускоряют химические реакции за счет того, что предоставляют «посадочные места» для чужих электронов — так называемые «сигма-дырки». Благодаря этому в присутствии катализатора электроны от соединений, вступающих в реакцию, стягиваются на эти «дырки», где остаются до того момента, пока нужное превращение не осуществится.

Ранее ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) выяснили, что галоген- и халькогенсодержащие катализаторы имеют разную активность, которая зависит от строения молекулы. При этом оценить ее можно не только экспериментально, определяя скорость реакции, но и теоретически — с помощью расчета электростатического потенциала. Он показывает, насколько охотно вещество будет принимать электроны от других соединений. Такой подход до сих пор использовался только для сравнения относительной эффективности различных катализаторов, однако с его помощью было невозможно точно оценить абсолютную активность. В новой работе исследователи предложили модель для вычисления электростатического потенциала, которая позволяет решить эту задачу.

Авторы провели химическую реакцию, используемую в процессе синтеза некоторых лекарств и биологически активных соединений. Для ее ускорения использовали четыре иодсодержащих органических соединения, поскольку они, с одной стороны, высокоактивны, а с другой — позволяют получить очень чистые продукты, что крайне важно в медицинской химии.

Оказалось, что наиболее точно описать ход превращения позволила модель, в которой при расчете учитывалось взаимодействие исходного вещества не только с катализатором, но и с двумя молекулами растворителя, который служил для них своего рода окружающей средой. Эта поправка к расчету позволила химикам достоверно оценить активность каждого из четырех катализаторов. Правильность предложенной модели удалось подтвердить тем, что теоретические расчеты соответствовали наблюдаемым на практике скоростям реакции.

«Ранее предложенный нами подход позволял оценить лишь то, насколько активнее тот или иной катализатор относительно другого. Однако зачастую вещества, получаемые путем кропотливого и многостадийного синтеза, проявляли очень слабый каталитический эффект. Усовершенствованная модель дает возможность намного точнее, чем ранее, определять, стоит ли тот или иной катализатор синтезировать и применять на практике. Более того, новый подход позволяет даже выявить то, в каком растворителе будет проявляться наибольшая активность, и, следовательно, подобрать лучшие условия для реакции», — рассказывает рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Болотин, доктор химических наук, профессор кафедры физической органической химии СПбГУ.