Лаборатория металлокомплексных и наноразмерных катализаторов (№30)

• Катализ
• Органический синтез
• Молекулярная сложность и трансформации
• Иолиомика
• Моделирование и теоретические исследования химических процессов
• Углеродный баланс и углерод-нейтральные технологии в современных исследованиях и разработках
• Изучение токсичности и биологической активности каталитических систем
• Применение искусственного интеллекта в химических исследованиях

Годовой отчет лаборатории

Годовой отчет за 2025 год: загрузить файл (pdf)

✓  Разработана поисковая система MEDUSA Search для анализа сверхбольших массивов данных масс-спектрометрии высокого разрешения (HRMS) на основе машинного обучения. Система позволяет извлекать новую химическую информацию из уже существующих данных без проведения дополнительных экспериментов (концепция «экспериментирования в прошлом»). Алгоритм включает генерацию гипотез об ионах-кандидатах, быстрый поиск по инвертированным индексам и фильтрацию с помощью двух ML-моделей (регрессионной и классификатора), обученных на синтетических данных. Валидация на архиве из >20 000 спектров (8 ТБ) по реакциям палладиевого катализа, включая сочетание Мизороки–Хека, позволила обнаружить ранее неизвестные продукты, например [этинил-NHC]+ и [этинил-фенил-NHC]+. Ключевым результатом стало открытие нового типа превращения — винил-NHC сочетания, подтверждённого независимыми экспериментами, масс-спектрометрией ультравысокого разрешения и DFT-расчётами.

DOI: 10.1038/s41467-025-56905-8

✓  В работе пересмотрена природа активных частиц в фотокатализе на примере фенотиазина (PHT). Показано, что под действием УФ-излучения (370 нм) PHT не деградирует, а образует «коктейль» из димеров, тримеров и олигомеров, включая оксиды. В отличие от исходного мономера, эти олигомеры поглощают в видимой и красной области (до 660 нм) и обладают изменёнными редокс-свойствами. Предложена концепция ReAct-Light (Reconfigurable Active species under Light), согласно которой фотокатализатор динамически реконфигурируется, адаптируясь под условия. Предлагается использовать эволюцию активных частиц для создания адаптивных систем, способных работать в широком диапазоне длин волн.

DOI: 10.1021/jacs.5c05052

✓  В работе представлен подробный обзор современных исследований взаимодействий ионных жидкостей (ИЖ) с биологическими системами различной сложности, от отдельных клеток до многоклеточных организмов. Благодаря своим уникальным физико-химическим характеристикам, таким как высокая растворяющая способность и возможность тонкой настройки свойств, ИЖ находят широкое применение в различных областях химии, включая органический синтез, электрохимию и биотехнологии. Однако вопросы биологической активности и токсичности ИЖ долгое время оставались недостаточно изученными, что создавало неопределенность в отношении безопасности их применения.

В работе систематизирован накопленный объем знаний о цитотоксических эффектах ИЖ на клеточных культурах, а также их воздействии на биологические молекулы и многоклеточные организмы, включая беспозвоночных и позвоночных животных. Показано, что одним из основных механизмов цитотоксического воздействия ИЖ является их способность повреждать клеточные мембраны. Также в работе подробно рассмотрены окислительный стресс и индукция апоптоза в клетках. В частности, продемонстрировано, что нарушение целостности клеточных мембран приводит к повышению уровня реактивных форм кислорода (ROS) и активации различных сигнальных путей, ведущих к гибели клетки.

Установлено, что цитотоксическое действие ИЖ во многом определяется структурой их катиона и аниона. Например, удлинение алкильной цепи в катионе значительно усиливает токсическое воздействие за счет повышения гидрофобности и способности ИЖ проникать в клеточные мембраны. Также в работе рассмотрены последствия воздействия ИЖ на отдельные органеллы и биологические молекулы, включая ингибирующее действие на белки и липидные бислои.

Особое внимание уделено механизмам индукции апоптоза как одного из главных путей клеточной гибели под воздействием ИЖ. В статье детально описаны внешний (рецепторопосредованный) и внутренний (митохондриальный) пути активации апоптоза, а также роль каспаз и других регуляторных белков в этих процессах. Подчеркивается необходимость дальнейшего изучения влияния ИЖ на отдельные клеточные компоненты, включая более детальный анализ белков, участвующих в окислительном стрессе и апоптозе.

В заключении подчеркивается важность дальнейших исследований механизмов токсичности ИЖ, что не только позволит снизить потенциальные риски их применения, но и откроет путь к созданию менее токсичных вариантов этих веществ, пригодных для использования в фармацевтических разработках и медицине.

DOI: 10.1021/acs.chemrev.3c00420

✓  В рамках настоящего литературного исследования проведен систематический анализ влияния электроноакцепторных заместителей в N-гетероциклических карбеновых (NHC) лигандах на каталитические характеристики комплексов переходных металлов (рис. 1). Каталитические системы на основе NHC-комплексов получили широкое распространение благодаря их высокой стабильности, структурному разнообразию и уникальным химическим свойствам. Однако вопрос детального изучения влияния электроноакцепторных заместителей на каталитические характеристики данных систем остается недостаточно освещённым.

Проведен всесторонний обзор и критический анализ научных данных за период с 2006 по 2023 год. Особое внимание уделено исследованию влияния электроноакцепторных заместителей на каталитическую активность, селективность и стабильность комплексов различных переходных металлов, включая палладий, платину, никель, рутений, родий, иридий, золото и медь. В результате проведенного анализа было установлено, что введение электроноакцепторных заместителей существенно модифицирует электронные свойства карбеновых лигандов, что приводит к изменению электронной структуры металлоцентра и его реакционной способности. Описанные в литературе квантово-химические расчеты методом теории функционала плотности (DFT), дополненные экспериментальными данными, подтвердили, что включение таких заместителей, как галогены (F, Cl, Br), нитро- и цианогруппы (NO₂, CN), а также карбоксильные/сложноэфирные и сульфогруппы (CO₂R, SO₃ ^- ), значительно усиливают π-акцепторные характеристики карбенового центра, увеличивая его электронодефицитность и изменяя пространственное окружение металла.

В опубликованных работах было продемонстрировано значительное повышение эффективности катализаторов, содержащих электроноакцепторные заместители в NHC-лигандах, в различных типах химических реакций. В частности, отмечено существенное улучшение каталитических показателей в реакциях кросс-сочетания (реакции Сузуки-Мияуры, Мизороки-Хека), функционализации связей С-Н, гидросилилировании и гидрировании, а также в ряде других важных химических трансформаций.

Особое внимание в обзоре уделено анализу пространственного строения комплексов и характера электронного взаимодействия заместителей с металлом. Подчеркнута важная роль пространственного расположения заместителей в структуре NHC-лигандов. Рассмотрены современные методики оценки электронных характеристик лигандов и предложены новые подходы к прогнозированию каталитической активности получаемых комплексов. Полученные результаты 8 представляют значительный интерес для целенаправленного проектирования и оптимизации катализаторов с заданными свойствами, предназначенных для решения специфических задач в области органического синтеза и смежных отраслях химической промышленности. Проведённый анализ создает прочную основу для дальнейших фундаментальных исследований и практических приложений в данной области.

Таким образом, выполненное исследование вносит существенный вклад в понимание механизмов влияния электроноакцепторных заместителей на каталитические свойства NHCкомплексов и открывает новые перспективы для развития современной каталитической химии.

DOI: 10.1016/j.ccr.2024.215897

✓  Статья посвящена принципиально новому подходу к дизайну катализаторов, который заключается в объединении лучших характеристик гомогенных и гетерогенных катализаторов в единой гибридной системе на основе палладия и N-гетероциклических карбеновых лигандов (NHC). Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения эффективности, селективности и стабильности катализаторов, применяемых в лабораторном органическом синтезе и промышленных химических процессах.

В работе было показано, что молекулярные прекатализаторы на основе палладия и NHC-лигандов способны in situ формировать гибридные наносистемы, сочетающие преимущества молекулярных комплексов и наночастиц металлов. Для идентификации образующихся гибридных структур была разработана уникальная методика, основанная на использовании твердотельной спектроскопии ЯМР высокого разрешения и наблюдении Найтовского сдвига (Knight shift), позволяющего подтвердить непосредственную координацию NHC-лигандов с поверхностью наночастиц палладия.

В ходе экспериментов, охватывающих реакции кросс-сочетания (Мизороки-Хека, Сузуки-Мияуры, Бахвальда-Хартвига и Соногаширы), было установлено, что NHC-лиганды оказывают значительное влияние на свойства получаемых наночастиц. Впервые было выявлено, что даже минимальное количество карбеновых лигандов способно существенно изменить каталитические свойства наночастиц палладия, значительно повышая их стабильность и активность. Особое внимание уделялось исследованию наночастиц размером от 1 до 4 нм, которые демонстрировали оптимальные характеристики для каталитических процессов.

Проведено комплексное исследование влияния количества и расположения NHC-лигандов на поверхности наночастиц на структуру гибридного катализатора с использованием компьютерного моделирования. Установлено, что небольшое число лигандов способно покрывать до 80% поверхности наночастиц размером около 1 нм, что является оптимальным для обеспечения каталитической активности.

В работе был предложен метод прямого наблюдения каталитически активных наночастиц непосредственно в ходе реакции посредством быстрого замораживания реакционной смеси в жидком азоте и последующего анализа с помощью твердотельной спектроскопии ЯМР. Этот подход позволил впервые наблюдать и количественно анализировать наиболее активные и нестабильные гибридные наноструктуры, что ранее считалось невозможным.

Таким образом, исследование представляет собой важный шаг в развитии каталитической химии, предлагая уникальный подход к созданию высокоэффективных гибридных катализаторов, сочетающих преимущества гомогенных и гетерогенных систем.

DOI: 10.1002/anie.202317468

✓  Данный обзор посвящен рассмотрению ключевой роли серы в развитии современных ресурсосберегающих методов создания связи углерод-углерод (C–C). Сера, благодаря своей способности выступать в роли мягкого основания Льюиса и эффективного стабилизатора промежуточных активных частиц, оказывается особенно полезной в инициировании радикальных трансформаций, направленной C–H активации и реакциях циклоприсоединения. Изучение и оптимизация данных атом-экономичных реакций чрезвычайно актуальны ввиду растущих требований к ресурсоэффективности и экологичности химического производства.

В рамках обзора были детально проанализированы существующие подходы к реакциям C–C сочетания, направленного серосодержащими группами, и произведено их сравнение с традиционными процессами, которые зачастую сопровождаются образованием значительного количества отходов. В статье выделены три принципа, лежащих в основе безотходных методологий: отсутствие отходов, получаемых в стехиометрических количествах, при активации серосодержащих соединений, использование реагентов, не генерирующих в результате C–C сочетания побочных продуктов, кроме воды или водорода, и избегание применения стехиометрических количеств агрессивных окислителей или восстановителей. Подробно рассмотрены современные подходы с применением фотокатализа, электрохимии и металлокомплексного катализа, демонстрирующие возможности использования серосодержащих групп в реакциях направленной функционализации C–H связей. Приведены примеры успешного применения серы в фотокаталитических циклах, позволяющих проводить реакции без необходимости применения больших количеств инициаторов радикальных цепей, что делает данные процессы экологически нейтральными. Важным достижением рассмотренных методик является их применимость для функционализации сложных биологически активных молекул, что подчеркивает их потенциальную практическую значимость. Отдельно в работе обсуждается активация π-связей (алкенов и алкинов) с помощью серосодержащих субстратов, в которой ключевую роль играют электронные эффекты серы, увеличивающие электронную плотность π-орбиталей и стабилизирующие образующиеся катионные и радикальные интермедиаты. В заключении в статье подчёркивается значимость изучения серосодержащих соединений как перспективной основы для разработки современных экологичных химических процессов, позволяющих значительно сократить количество производственных отходов и повысить атомэкономичность реакций.

DOI: 10.1002/anie.202402109

✓  Данная работа посвящена разработке универсальной трёхкомпонентной фотокаталитической реакции сочетания тиолов, алкинов и алкенов. Главным результатом исследования является теоретическое и экспериментальное обоснование превосходства маршрута последовательного радикального присоединения типа тиол-ин-ен по сравнению с другими возможными межмолекулярными каскадами в системе тиол-алкин-алкен.

Хемоселективность данного процесса была объяснена явлением обратимого присоединения тиильного радикала к алкинам и алкенам, что дает наиболее реакционноспособным интермедиатам (винильным радикалам, полученным в результате присоединения тиильного радикала к алкину) приоритетное право продолжить радикальный каскад. Благодаря тому, что селективность обнаруженного радикального каскада определяется на поздних стадиях процесса, в работе удалось избежать необходимости следовать общепринятому требованию соответствия по полярности (polarity matching), которое является ключевым на данный момент в существующих многокомпонентных радикальных реакциях. Разработанная синтетическая методика многокомпонентного атом-экономичного тиол-ин-ен сочетания оказалась применима к обширному кругу субстратов, что было доказано на примере более чем 40 выделенных продуктов.

DOI: 10.1002/anie.202314208

✓  Предложен подход к пространственно-локализованной характеристике нанесенных катализаторов в ходе реакции. Он состоит из применения комбинаций нескольких типов электронной микроскопии для визуализации частиц от массивов поверхностных наночастиц до отдельных наночастиц и отдельных атомов. Изучение эволюции конкретных частиц металлического катализатора на разных масштабах с течением времени для каталитической реакции кросс-сочетания позволило приблизиться к концепции 4D-катализа – отслеживания положений каталитических центров в пространстве (3D) и во времени (+1D). Динамическое поведение отдельных атомов и наночастиц палладия в реакциях кросс-сочетания задетектировано с атомарным разрешением за счет точной локализации каталитических центров. Одиночные атомы палладия под действием каталитической системы вымываются из носителя в раствор, где проявляют чрезвычайно высокую каталитическую активность по сравнению с оставшимися поверхностными наночастицами металла. Одноатомые центры, составляющие лишь около 1% палладия в системе Pd/C, обеспечивают более 99% каталитической активности. Оставшиеся наночастицы палладия меняют свою форму и могут перемещаться по поверхности подложки, что было зафиксировано путем обработки изображений массива наночастиц нейронной сетью.

DOI: 10.1021/jacs.3c00645

✓   В рамках совместного российско-германского проекта было показано, что простейшие соли никеля в присутствии фотоактивной добавки и при облучении видимым светом формируют динамическую каталитическую систему, подстраивающуюся под конкретный субстрат. Универсальность предложенного подхода была продемонстрирована на примере реакций кросс-сочетания, сопровождающихся образованием 9 различных типов связи. Получено и охарактеризовано более 270 продуктов реакций, среди которых предшественники лекарственных средств, биомолекулы и пестициды.

DOI: 10.1038/s41586-023-06087-4

✓  Интерпретация масс-спектров высокого разрешения (МСВР) сложных смесей, таких как природные образцы или реакционные смеси, представляет собой трудоемкую задачу из-за большого объема регистрируемых данных и высокой чувствительности метода. В работе описан способ автоматического анализа масс-спектров, состоящий из 2 этапов: выделение отдельных изотопных распределений при помощи классических алгоритмов машинного обучения и их интерпретация при помощи рекуррентных нейронных сетей. В итоге оказалось возможным автоматически выделять отдельные вещества в спектре, а для многих ионов и устанавливать их элементный состав. Разработанные алгоритмы оформлены в виде Python-пакета, который содержит функции для автоматической обработки масс-спектрометрических данных.

DOI: 10.1021/jacs.2c03631

✓  Гомогенный катализ обычно считается «четко определенным» с точки зрения однозначности структуры катализатора. С другой стороны, гетерогенный нанокатализ часто попадает в область «плохо определенных» систем. Нанесенные катализаторы трудно охарактеризовать из-за их неоднородности, разнообразия морфологии и большого количества наночастиц. Кроме того, доля металлических наночастиц, исследованных на носителе методами электронной микроскопии, очень мала по сравнению с используемым количеством наночастиц в катализе конкретной реакции. Для решения этих задач мы исследовали отдельные частицы нанесенного катализатора. Комбинирование манипулированием с изоляцией отдельных частиц катализатора внутри электронного микроскопа с нейросетевым анализом данных выявило важные аспекты активности катализаторов Pd/C. Предложенный подход позволил зарегистрировать беспрецедентное значение числа оборотов катализатора в 109. В настоящем исследовании предлагается концепция полностью определенного катализатора, которая имеет огромный потенциал для механистических исследований и разработки высокоэффективных катализаторов.

DOI: 10.1021/jacs.2c01283

✓   Описан первым пример межмолекулярной реакции тиол-ин-ен сочетания в которой синхронно происходит образование связей углерод-сера и углерод-углерод (рисунок 1). Использование фотокаталитической системы на основе Эозина Y не содержащей металла подавляет перенос атома водорода (HAT) и ассоциативную ап-конверсию восстановителя. Кроме этого исследование механизма реакции путем сочетания онлайн масс-спектрометрии, спектроскопии ЭПР, мечения изотопов, определения квантового выхода, циклической вольтамперометрии, измерений Штерна-Фольмера и компьютерного моделирования, позволило выявить уникальный фотоокислительно-восстановительный цикл с четырьмя стадиями с участием радикалов. В результате были получены недоступные ранее продукты сочетания с хорошими выходами и высокой селективностью. Такие соединения могут служить стабильными предшественниками для синтеза синтетически востребованных активированных 1,3-диенов.

DOI: 10.1002/anie.202116888

✓   Разработана новая стратегия синтеза различных солей имидазолия и имидазолиния, в одну стадию посредством каскадных реакций легкодоступных 1,4-диаза-1,3-бутадиенов с триалкилортоформиатами и гетероатомными нуклеофилами, масштабируемой до граммовых количеств. Такая универсальность достигается за счет беспрецедентной нуклеофильной/электрофильной модальности диазабутадиенового каркаса, что делает возможной одновременную циклоконденсацию с ортоформиатом и установку нуклеофильных функциональных групп на С4(5) имидазольного кольца или атом углерода метильной группы. Такой подход открывает одноэтапный доступ к сложным гетероциклическим молекулам, которые ранее потенциально могли быть доступны только с помощью многостадийных реакций. Работа попала на обложку журнала Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: 10.1002/anie.202116131

✓   Показано, что в реакции трансферного гидрирования алкинов на основе комплексов палладия с N-гетероциклическими карбеновыми лигандами (NHC) реализуется смешанный гомогенно-гетерогенный тип катализа. В реакционной смеси образуются наноразмерные соединения — «скрытый» компонент каталитической системы. Поверхность образованных палладиевых наночастиц модифицированна NHC лигандами, влияющими на их каталитические свойства. Сравнительное молекулярное моделирование реакции гидрирования на безлигандных и NHC-модифицированных кластерах палладия показало, что NHC способствуют увеличению каталитической активности за счет снижения потенциальных барьеров стадий син-присоединения и восстановительного элиминирования. Обнаружено, что наличие NHC лигандов, связанных с поверхностью наночастиц, приводит к изменению лимитирующей стадии реакции. Предложен комбинированный механизм гидрирования, согласно которому окислительное присоединение протекает на голой поверхности металла, тогда как остальные две стадии идут на модифицированном участке наночастицы.

DOI: 10.1021/acscatal.2c01749