Активность органических катализаторов зависит от их электростатического поля
Российские ученые узнали, что влияет на активность катионных органических катализаторов — соединений, которые в будущем позволят перейти к экологически чистому химическому производству. Они ускоряют реакции органической химии, которые особенно широко востребованы в фармацевтике и промышленности, но при этом проходят без токсичных металлов. Считалось, что эти соединения ускоряют реакции благодаря молекуле-субстрату, но оказалось, что электростатическое поле, которое создает катализатор, 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, которые помогают веществам взаимодействовать. Последние десятилетия в химии 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 — так как они высокоактивны, легкодоступны и нечувствительны к действию влаги и воздуха. Галогены имеют сходные свойства и строение атома, из-за чего они составляют единую группу в таблице Д. И. Менделеева. Рядом с ними находятся благородные газы: гелий, неон, ксенон, аргон и радон. Исследования показали, что соединения ксенона могут ускорять реакции органических веществ, однако пока что не было известно, насколько такие молекулы эффективны и как работают. Дело в том, что большинство соединений этого благородного газа приводят к взрыву при реакции с органическими веществами.
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета выяснили свойства восьми катализаторов, разработанных на основе ксенона, и сравнили с теми, которые созданы на основе йода. Исследователи сравнили их и выяснили, как строение молекулы влияет на каталитическую активность и электростатический потенциал (заряд, распределенный по поверхности, благодаря которому вещество может взаимодействовать с другими с помощью притяжения или отталкивания). Кроме того, исследователи изучили, насколько активны катализаторы, проанализировав два органических превращения. Первое заключалось в том, что одна органическая молекула присоединялась к другой, а второе — что она замещала фрагмент той молекулы, с которой взаимодействует. Именно такие реакции распространены в органической химии, например во время синтеза полимеров и лекарств. Авторы исследования уже проводили подобные эксперименты раньше, только тогда использовали йод-содержащие катализаторы.
Исследователи выяснили, что каталитический эффект зависит только от одного параметра — величины заряда, в то время как, например, структура катализатора или какой атом содержится в молекуле (йод или ксенон). Дело в том, что во время реакции электроны в реагирующих молекулах начинают двигаться по направлению к источнику электростатического поля, то есть, в данном случае, к атому ксенона или йода. Такой катализатор работает как магнит: он притягивает к себе электроны, и из-за этого они легче перетекают от одной реагирующей молекулы к другой.
«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.
Эффективные и экологически нейтральные катализаторы помогут сделать химические производства безопаснее для природы и людей. Именно в этом заключается передовая задача современной химии. Результаты исследования помогут точнее настраивать структуру и свойства таких катализаторов, поскольку оно объясняет, что причиной их активности является электростатическое поле.