Самонастраивающийся фотокатализатор для органического синтеза

В рамках международного российско-германского проекта было показано, что простейшие соли никеля в присутствии фотоактивной добавки и при облучении видимым светом формируют адаптивную динамическую каталитическую систему, подстраивающуюся под конкретный субстрат. Универсальность предложенного подхода была продемонстрирована на примере реакций кросс-сочетания, сопровождающихся образованием 9 различных типов связей. Было получено и охарактеризовано >250 продуктов реакций, среди которых предшественники лекарственных средств, биомолекулы и пестициды (Nature, 2023, doi: 10.1038/s41586-023-06087-4).

Поиск универсальной каталитической системы для образования различных типов связей и введения функциональных групп в структуру широкого набора органических молекул является заветной мечтой химика. Чаще всего приходится подбирать оптимальные условия реакций для субстратов строго определённого строения. При попытках провести подобную реакцию с соединениями иной структуры каталитическая система перестаёт работать. Это связано с тем, что в рамках исследовательского проекта по изучению нового типа каталитической активности обычно используют специфические активирующие добавки, которые хоть и ускоряют желаемый процесс, но существенно сужают область его применимости.

В данной работе было показано, что соли широкодоступного металла — никеля — проявляют высокую реакционную способность и настраиваются с помощью набора простых органических оснований, а активирующую роль в данном случае играют кванты видимого света. Разработанная каталитическая система функционирует по принципу адаптивного динамического катализа и основана на предоставлении реакции полной свободы выбора структуры каталитических частиц, образованных ионом металла, субстратами и основанием, а также степени окисления металла, которая легко изменяется в условиях фотохимического процесса. Таким образом, система сама ищет наилучшую каталитическую частицу, которая и будет вносить максимальный вклад в эффективность процесса (Рисунок 1).

Рисунок 1. Визуальная иллюстрация работы динамического адаптивного катализа.

Отличительными особенностями изученной фотокаталитической системы на основе солей никеля является её доступность и мягкость условий протекания процессов (для сравнения, в реакциях кросс-сочетания обычно используют дорогие комплексы палладия или более дешёвые, но работающие при высоких температурах комплексы других металлов). С другой стороны, минимальный набор исходных параметров динамической адаптивной каталитической системы делает её предсказуемой и потенциально привлекательной для построения более совершенной модели с использованием искусственного интеллекта.

Работа выполнена в совместном проекте лабораторий академика В.П. Ананикова в ИОХ РАН им.Н. Д. Зелинского и профессора Буркхарда Кёнига в Университете Регенсбурга (Германия),  статья по результатам исследования опубликована в журнале Nature (импакт-фактор = 69.504).

Ссылка:

Indrajit Ghosh, Nikita Shlapakov, Tobias A. Karl, Jonas Düker, Maksim Nikitin, Julia V. Burykina, Valentine P. Ananikov, Burkhard König «General cross-coupling reactions with adaptive dynamic homogeneous catalysis», Nature., 2023, doi: 10.1038/s41586-023-06087-4.

Телеграм-канал Научной школы акад. В.П. Ананикова: https://t.me/ananikovlab