Цивилизация
Химики разработали метод поиска новых катализаторов — веществ, которые ускоряют химические реакции, — опираясь лишь на особенности строения их молекул. С помощью этого способа ученые обнаружили четыре соединения-катализатора, которые потенциально более эффективны, чем уже существующие подобные органические вещества. Предсказательную способность метода расчетов подтвердили экспериментально. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Organic & Biomolecular Chemistry.
Большая часть мировой химической промышленности требует использования катализаторов — веществ различной природы, ускоряющих протекание реакций. Однако часто такие вещества содержат металлы, которые загрязняют окружающую среду, например палладий, платина, кобальт, никель, медь. Поэтому ученые активно ищут альтернативу, и одним из наиболее перспективных направлений сегодня стала замена атома металла на атом иода.
Ранее ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) определили, что некоторые иод(III)-содержащие циклические органические молекулы способны ускорять реакции органического синтеза. Интересно, что иод в таких молекулах может образовывать три химические связи вместо одной, как обычно. Подобные органические катализаторы очень удобны в использовании: они не токсичны, не портятся при взаимодействии с воздухом и при повышенной влажности. Однако соединения иода(III) неустойчивы в присутствии ряда химических соединений, поэтому в качестве альтернативы ученые рассматривают стабильные катализаторы на основе «обычного» иода(I).
Исследователи продолжили поиски органических катализаторов и в новой работе рассчитали, а затем экспериментально проверили способность иод(I)-содержащих азолиевых солей ускорять химические реакции. Азолиевые соли — это органические соединения, которые имеют пятичленное кольцо из атомов углерода и азота и несут положительный заряд на цикле. Их получают искусственно, в результате химического синтеза, и вариантов азолов существует довольно много. В этой работе химики исследовали четырнадцать основных типов таких солей.
Ученые предположили, что несмотря на то, что все такие соединения несут на себе одинаковый суммарный положительный заряд, их каталитические свойства зависят от его распределения на молекуле. Чтобы проверить эту гипотезу, химики по взаимному расположению различных атомов теоретически рассчитали величину положительного заряда, который находится на атоме иода в каждом из азолиевых катионов. Расчеты показали, что чем больше заряд на атоме иода, тем меньше энергии нужно для осуществления реакции, а значит, тем лучше она пойдет и, таким образом, тем выше каталитическая активность соединения.
Чтобы проверить правильность всех расчетов, химики синтезировали несколько типов азолиевых солей, которые затем использовали в качестве катализаторов одной и той же органической реакции. Результаты эксперимента полностью соответствовали предсказанию.
«Метод позволил нам обнаружить четыре вещества, которые ранее никогда не использовались и, таким образом, наша работа может задать новые направления исследований в области органических соединений, ускоряющих химические реакции. В рамках нашего исследования мы планируем продолжить поиск новых перспективных катализаторов, в том числе на основе производных азолов», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Дмитрий Болотин, доктор химических наук, доцент кафедры физической органической химии СПбГУ.
