«Настоящие открытия начинаются с любопытства», — Дарья Прима, к.х.н., научный сотрудник ИОХ РАН

В нашей специальной рубрике мы рассказываем о молодых ученых ИОХ РАН, чьи исследования опубликованы в ведущих научных журналах в 2024 году. Сегодня героиней выпуска стала Прима Дарья Олеговна — к.х.н., с.н.с. лаборатории направленной функционализации органических молекулярных систем. Ее статья, вышедшая в журнале Angewandte Chemie – International Edition, посвящена созданию и изучению гибридных катализаторов нового поколения, объединяющих свойства гомогенного и гетерогенного катализа.

Области ее исследований: химический синтез, аза-гетероциклы, катализ, реакции кросс-сочетания, катализаторы на основе NHC-лигандов, дизайн и модификация лигандов, M/NHC-комплексы, гибридные каталитические системы, механизмы каталитических реакций.

В интервью Дарья рассказывает о том, как удалось «заглянуть» внутрь сложных каталитических систем, какую роль играют NHC-лиганды в химическом синтезе, и почему понимание молекулярных механизмов — это мост между фундаментальной наукой и реальными технологическими прорывами.

• Чему посвящены Ваши научные исследования в целом? Какую фундаментальную научную или практическую задачу Вы пытаетесь решить?

В Научной школе академика Ананикова В.П. исследования охватывают широкий спектр задач, связанных с катализом и механизмами химических реакций. Катализ — это процесс, который ускоряет химические реакции, делая их более эффективными. Без катализаторов многие важные процессы в промышленности, медицине и экологии шли бы слишком медленно или требовали бы огромных затрат энергии. Мы изучаем, как катализаторы работают на уровне отдельных молекул, и разрабатываем новые системы, которые объединяют высокую активность, стабильность и селективность. Наша цель — сделать химические процессы быстрее, экономичнее и экологически безопаснее, что особенно важно в современном мире.

В наших исследованиях мы рассматриваем катализ как сложный, живой процесс, в котором каталитически активные частицы могут быть многоликими. Исходные молекулярные комплексы металлов в реакционной среде проходят ряд превращений, формируя динамическую смесь активных форм. Каждая из этих форм может вносить свой вклад в ход реакции, а их поведение и взаимодействие определяют эффективность процесса. Мы изучаем, как именно эти превращения происходят, что управляет их динамикой и какие из частиц становятся настоящими «игроками» в каталитическом цикле. Такой подход позволяет глубже понять природу катализаторов и открыть новые пути для их совершенствования.

Особое место в наших исследованиях занимают N-гетероциклические карбены (NHC) как лиганды. Они привлекают внимание своей универсальностью: благодаря сильной σ-донорной способности и высокой стабильности, NHC-лиганды обеспечивают связывание с металлом, увеличивая активность и стабильность катализаторов. Эти лиганды позволяют «настраивать» катализатор для конкретной реакции, что делает их незаменимыми в задачах точной химии и органического синтеза.

Мы стремимся не только описать, но и понять фундаментальные принципы, управляющие такими системами. Это знание открывает перспективы для создания устойчивых, высокоэффективных катализаторов нового поколения, которые найдут применение в промышленности, медицине и экологических технологиях.

• Расскажите о Вашей последней высокорейтинговой работе [1], опубликованной в 2024 году. В чем ее основная идея?

Наша работа посвящена созданию и изучению гибридных катализаторов на основе палладия и N-гетероциклических карбенов (NHC). Мы впервые продемонстрировали механизм их формирования in situ из молекулярных комплексов в процессе катализа. Эти катализаторы сочетают в себе преимущества гомогенного катализа, такие как высокая активность и селективность, и гетерогенного, включая стабильность и возможность многократного использования. Основная идея исследования заключается в том, чтобы показать, как взаимодействие NHC-лигандов с наночастицами палладия может существенно менять их каталитические свойства, обеспечивая высокую активность и стабильность системы.

Важной частью исследования стало использование передовой методологии, включая твердофазную ЯМР-спектроскопию (solid-state NMR), для изучения поведения лигандов на поверхности наночастиц. Мы применили подход, основанный на наблюдении Найтовского сдвига (Knight shift), который позволяет с высокой точностью выявить тип химического связывания лигандов и их влияние на электронные свойства наночастиц. Такой подход дал возможность исследовать каталитически активные системы в их реальных рабочих состояниях, включая самые маленькие и реакционноспособные частицы, которые сложно изучить другими методами.

Результаты исследования показали, что даже небольшое количество NHC-лигандов способно полностью покрыть поверхность наночастиц палладия. Лиганды не только стабилизируют частицы, но и повышают их каталитическую эффективность за счет изменения поверхности и электронных характеристик.

Эта работа создает основу для разработки гибридных катализаторов нового поколения, которые могут быть использованы в широком спектре приложений — от органического синтеза и фармацевтики до переработки сырья и создания экологически чистых технологий.

• Где и каким образом могут быть использованы полученные в этой работе результаты?

Результаты работы могут быть применены в химической и фармацевтической промышленности для создания более эффективных и экологически чистых процессов синтеза. Например, они полезны для производства лекарственных препаратов, переработки сырья и разработки новых материалов. Кроме того, понимание поведения лигандов на поверхности наночастиц открывает возможности для создания катализаторов нового поколения.

• В чем сложность, и с какими трудностями Вы столкнулись во время выполнения этого исследования?

Главная сложность заключалась в том, чтобы доказать, как именно лиганды взаимодействуют с наночастицами палладия. Мы впервые применили подход Knight shift solid-state NMR (KS SS NMR), который позволяет «увидеть» связь молекул с поверхностью наночастиц. Это стало возможным благодаря характерному сдвигу сигнала ¹³C, который указывает на взаимодействие лигандов с электронами проводимости наночастиц палладия.

Регистрация таких сигналов — сложная задача, так как спектры сильно уширены и имеют низкую интенсивность. Мы решили эту проблему с помощью специальной методики ssLNMR, которая включает заморозку реакционной смеси при температурах ниже –100 °C и использование современных технологий для анализа. Это позволило нам зафиксировать наночастицы в их активном состоянии и получить данные, которые невозможно было бы собрать другими методами.

У нас было огромное количество данных, которые требовалось обработать, систематизировать и представить в понятной форме. Это заняло немало времени и усилий, но в итоге мы смогли структурировать информацию так, чтобы она стала доступной и полезной для научного сообщества. Эта работа была непростой, но результат вдохновляет нас на новые открытия.

• Помогал ли Вам кто-нибудь в решении возникающих проблем?

Безусловно, эта работа стала возможной только благодаря общим усилиям нашей команды. Каждый соавтор внес важный и уникальный вклад: одни сосредоточились на проведении сложных экспериментов, другие — на детальных расчетах и моделировании, а кто-то занимался анализом данных и интерпретацией результатов. Но особенно важно, что эти усилия были объединены в рамках тесного сотрудничества. Обсуждения, обмен идеями и совместные решения сложных задач создали синергию, благодаря которой наш проект вышел на новый уровень. Эта работа — результат не только индивидуального мастерства, но и силы командного взаимодействия.

• Есть ли у Вас дальнейшие планы по развитию этого направления исследования?

Разумеется, исследования в этой области только начинаются. Мы планируем доработать и расширить модель, изучая поведение лигандов на наночастицах других металлов, активно применяемых в катализе. Нам также интересно исследовать, как лиганды ведут себя на поверхности наночастиц в процессе реакции. Мы подозреваем, что без динамического поведения тут не обошлось. Это направление одновременно сложное и невероятно увлекательное. Мы стремимся «подглядывать» за молекулами, раскрывая их секреты, и верим, что такие исследования помогут разработать новые поколения катализаторов с уникальными свойствами.

• Каким образом Вы попали в химию?

Мой первый урок химии в школе я пропустила, так как возвращалась с профильной смены в лагере «Орленок». Чтобы не отстать от программы, мама объяснила мне тему, которую проходили в классе, — про орбитали и правила заполнения электронных оболочек. Я была восхищена тем, как строго и логично устроен мир на уровне мельчайших частиц: электроны заполняют орбитали в определенном порядке, подчиняясь четким законам. Это казалось чем-то волшебным — видеть скрытую систему, управляющую основами материи. Этот момент стал для меня открытием, и я поняла, что хочу глубже изучать природу вещей. С тех пор химия стала для меня не просто наукой, а источником вдохновения, восхищения и постоянного удивления.

• Как оказались в ИОХе?

В 2018 году я стала лауреатом программы стажировок ИОХ РАН, которая была направлена на выполнение научных исследований, стимулирование академической мобильности и повышение квалификации молодых ученых. Во время стажировки в лаборатории академика В.П. Ананикова я начала работать над проектом, связанным с механизмами катализа.

Кандидатскую диссертацию я защитила в 2019 году в НИОХ СО РАН в Новосибирске под руководством д.х.н., профессора А.В. Зибарева, благодаря чему получила фундаментальную подготовку и ценный опыт работы в одной из ведущих научных школ России. После защиты я приняла решение переехать в Москву и продолжить исследовательскую работу в лаборатории В.П. Ананикова, углубляя изучение темы, над которой я начала работать во время стажировки. Это стало для меня логичным шагом в развитии карьеры, позволившим объединить накопленные знания и опыт в новых научных проектах.

• Какими, на Ваш взгляд, качествами должен обладать современный ученый?

Современный ученый должен быть любопытным, настойчивым и открытым к новому, ведь именно стремление задавать вопросы и находить ответы движет науку вперед. Важно сочетать фундаментальные знания с междисциплинарным подходом, чтобы находить прорывные решения. Гибкость и способность адаптироваться к быстро меняющемуся миру — ключевые качества. Наконец, настоящий ученый должен уметь работать в команде, вдохновлять других и видеть красоту в науке, чтобы превращать идеи в открытия.

• Какой совет можете дать своим коллегам?

Не бойтесь задавать вопросы — даже те, что кажутся слишком сложными, необычными или даже глупыми. Настоящие открытия начинаются с любопытства (или глупых вопросов). Будьте открыты к сотрудничеству, ведь в диалоге рождаются лучшие идеи. И, конечно, всегда помните, что наука — это не только работа, но и радость от познания нового.