Лекарства без металлов

Химикам удалось синтезировать класс соединений, использование которых позволит на порядок удешевить катализ при синтезе лекарств.

Александра Борисова

Химики-синтетики стоят на пути к революции в катализе, в том числе при синтезе лекарств. Им удалось получить стабильную форму N-гетероциклических карбенов – эти соединения могут заменить применяющиеся сейчас дорогостоящие металлокомплексные катализаторы и значительно удешевить промышленные процессы.

Каталитические процессы играют огромную роль в химической промышленности. Переработка нефти, синтез полимеров, получение лекарств – все сложные процессы протекают в присутствии катализатора – вещества, ускоряющего реакцию, но не входящего в состав продуктов реакции. Разработка новых катализаторов позволяет оптимизировать технологический процесс, сделать его менее энергозатратным и более экологичным.

Катализатор

— вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции. Количество катализатора, в отличие от других реагентов, при реакции не изменяется. Обеспечивая более быстрый путь для реакции, катализатор реагирует с исходным веществом, получившееся промежуточное соединение подвергается превращениям и в конце расщепляется на продукт и катализатор. Затем катализатор снова реагирует с исходным веществом, и этот каталитический цикл многократно (до миллиона раз) повторяется.

Наверное, самым известным в мире является катализатор Циглера--Натта на основе солей переходных металлов. Его изобретение открыло путь к развитию различных полимеризационных процессов и получению полимеров высокого качества. В 1963 году Карл Циглер и Джулио Натта даже были удостоены Нобелевской премии по химии «За открытие изотактического полипропилена».

Не потеряли актуальности исследования каталитических процессов и в наши дни.

Одним из перспективных классов катализаторов на сегодняшний день являются карбены и их комплексы с металлами. Они катализируют большой класс органических реакций, в том числе при синтезе лекарств.

Карбены

- нейтральные нестабильные частицы с двухкоординационным углеродом общей формулы R1-С:-R2 (две точки означаются электронную пару), где атом углерода содержит только шесть валентных электронов. Существует два состояния карбенов: синглетное и триплетное. Большинство карбенов существуют очень короткое время, хотя также известны и стабильные карбены. Зафиксировать карбены можно в аргоновой матрице при очень низких температурах. инглетным карбеном называют тот, в котором два несвязывающих электрона со спаренными спинами находятся на одной орбитали. В триплетной форме карбена два неспаренных электрона с параллельными спинами находятся на двух орбиталях одинаковой энергии. Следствием различных электронных конфигураций является диамагнитность синглетного карбена и парамагнитность триплетного. Структура триплетного карбена может быть изучена с помощью ЭПР-спектроскопии. Кроме того синглетные и триплетные карбены обладают различной геометрией, и различной химической активностью.

Карбенами называют нейтральные нестабильные частицы с двухкоординационным атомом углерода. Они проявляют высокую реакционную способность, сами по себе они чаще всего малоустойчивы и легко взаимодействуют с соединениями металлов. Именно в виде металлокомплексов они привычно используются в качестве катализаторов, например в реакциях метатезиса и кросс-сочетания. Однако на практике применяются комплексы карбенов с такими металлами, как родий, золото, рутений, платина и палладий. Они обладают очевидным недостатком – ценой. Благородные металлы – недешевые вещества, а учитывая расход катализаторов в тоннажных процессах, это повышает и цену конечного продукта.

Комплексы металлов с карбенами (в частности N-гетероциклическими карбенами) приходится использовать потому, что в изолированном виде эти соединения очень неустойчивы. Считалось, что стабилизировать такие соединения (содержащие пятичленный гетероцикл, куда входит два атома азота и один ненасыщенный атом углерода, находящийся между атомом азота и насыщенным атомом углерода — abnormal N-heterocyclic carbenes, aNHC) просто невозможно.

Профессор Гай Бертран и его коллеги из Университета Калифорнии справились с этой задачей. Результаты их работы публикует Science.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "incutNum": 3,
    "pic2": "/files3/480/3276480/carben.jpg",
    "pic2_fsize": "10322",
    "pic_fsize": "17655",
    "picsrc": "Общий вид aNHC, синим показаны атомы азота, фиолетовым – карбениевый атом углерода, серым – обычные атомы углерода// Bertrand lab, UC Riverside",
    "repl": "<3>:{{incut3()}}",
    "uid": "_uid_3276480_i_3"
}

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "3270537",
    "incutNum": 4,
    "repl": "<4>:{{incut4()}}",
    "uid": "_uid_3276480_i_4"
}

«Многие вещества считаются нестабильными, потому что их строение не удовлетворяет правилам, которые мы учили в школе.

Однако подобные концепции неоднократно опровергались, и дело любого ученого – бросить вызов «невозможному». Нам удалось достичь успеха в синтезе стабильных аномальных N-гетероциклических карбенов», — заявил профессор Бертран. Новое вещество стабильно при комнатной температуре как в твердой фазе, так и в растворе, поэтому круг его применения в качестве катализатора, не содержащего металлов, может быть чрезвычайно широким.

Авторы исследования предполагают, что обнаружение этого вещества сможет перевести в ранг промышленных многие эффективные, но слишком дорогостоящие лабораторные реакции, в том числе в фармацевтической промышенности.

В завершении хочется отметить, что важность исследований в области катализаторов, в частности производных карбенов, не подлежит сомнению. В 2005 году Нобелевская премия по химии была присуждена Роберту Граббсу, Ричарду Шроку и Иву Шовену «За вклад в развитие метода метатезиса в органическом синтезе». Катализатор Граббса как раз представляет собой рутениевый комплекс N-гетероциклического карбена.