Создан фотостабильный катализатор для фармацевтики
Исследователи Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук создали уникальный фотосенсибилизатор на основе синергии трёх структурных компонентов: металлоцентра, расширенного порфиринового кольца и периферических групп. Результаты опубликованы в статье в журнале Molecular Catalysis.
Реакции окисления являются ключевым инструментом органического синтеза, незаменимым, в частности, при производстве фармацевтических препаратов. Однако классические подходы не всегда соответствуют принципам «зелёной» химии. В них применяются дорогостоящие или высокотоксичные реагенты и образуется значительный объём отходов. Дополнительной проблемой выступает низкая селективность процессов: наряду с целевым продуктом образуются многочисленные побочные соединения, что резко усложняет стадии выделения и очистки. В совокупности всё это многократно увеличивает себестоимость синтеза.
Фотокаталитические реакции привлекают внимание научного сообщества как инструмент экологически чистого окисления: в них в качестве окислителя используется кислород воздуха, а инициатором реакции является световое излучение. Сердце фотокатализа — вещества-фотосенсибилизаторы: они поглощают свет, переходят в возбуждённое состояние и передают полученную энергию молекулярному кислороду, превращая его в синглетный кислород — сильный окислитель. В свою очередь синглетный кислород вступает в реакцию с субстратом, окисляя его. Фотосенсибилизатор в реакции не расходуется: передав энергию кислороду, он возвращается в основное состояние до следующей встречи с квантом света. Одна молекула фотосенсибилизатора может инициировать тысячи и тысячи актов окисления, если, конечно, не подвергнется распаду под действием света. Таким образом, помимо фотокаталитической активности одной из ключевых характеристик эффективного фотосенсибилизатора является его фотостабильность, то есть устойчивость к деструкции под действием света.
Порфирин — это большая уплощённая молекула в форме макрокольца, состоящего из четырёх соединённых между собой маленьких пиррольных колец. Порфирины — известные фотосенсибилизаторы, активно генерирующие синглетный кислород. Изменив структуру порфирина, можно ещё больше усилить их ценные для фотокатализа свойства. Так, в центре порфиринового макрокольца есть полость, куда могут встраиваться ионы металлов, например, ионы цинка или магния. Металлоцентр существенно меняет фотокаталитические свойства порфиринов. Также можно расширить порфириновое кольцо, «приконденсировав» к нему дополнительные гетероциклические ароматические фрагменты. Наконец, можно изменить периферию молекулы порфирина, нарастив её различными функциональными группами.
Сотрудники ИФХЭ РАН всесторонне изучили взаимосвязь структуры различных пиразинопорфириновых комплексов и их стабильности и кататалитической активности в реакциях окисления сульфидов до сульфоксидов. Пиразинопорфирины (порфирины, в структуру которых встроено пиразиновое кольцо) были изучены авторами ранее. Цель новой работы — определить пути для тонкой настройки фотокаталитических характеристик. Исследователи хотели разобраться, как три ключевых фактора — периферические заместители, природа металлоцентра и расширение ароматического кольца — по отдельности и в совокупности влияют на фотокаталитические свойства.
«Это первая работа, в которой связь модификаций порфиринов с их фотокаталитическими свойствами рассмотрена так детально и системно, — отметила научный сотрудник лаборатории новых физико-химических проблем кандидат химических наук Дарья Поливановская. – Мы синтезировали новые соединения и систематически сравнили влияние различных металлов и заместителей в одних и тех же условиях».
Эксперименты показали, что металлоцентр играет решающую роль. «В этом отличие нашей работы от других, — поделилась младший научный сотрудник лаборатории Екатерина Шремзер. — Существует распространённое мнение, что любой металлоцентр благотворно влияет на фотокаталитические свойства порфиринов. Однако мы показали, что эти свойства сильно зависят от природы металла. Например, комплексы цинка быстро разрушались под действием маломощной лампы. Введение катиона индия позволило создать фантастически эффективный и стабильный фотосенсибилизатор».
Индиевые комплексы продемонстрировали в 20 раз более высокую устойчивость к обесцвечиванию на свету по сравнению с пиразинопорфиринами без металлоцентра. Расширение ароматического кольца и введение периферийных фосфонатных групп также положительно сказалось на фотостабильности и способствовало увеличению фотоактивности и, соответственно, скорости окисления.
Наибольшую активность и стабильность продемонстрировал гибрид: с расширенной ароматической системой, периферийными группами и индиевым металлоцентром. Этот фотосенсибилизатор позволил провести реакцию окисления с числом каталитических циклов (turnover number, TON) до 200 000. Это означает, что одна молекула катализатора помогла преобразовать 200 000 молекул исходного вещества. Частота оборотов (turnover frequency, TOF) достигла 16 700 в час, что делает эти фотосенсибилизаторы одними из самых быстрых в своём классе. Полное превращение исходных веществ происходило в течение нескольких часов — и всё это при очень небольшой загрузке катализатора (0,0005 %). В 98-99 % случаев образовывался целевой сульфид. Переокисления до сульфона практически не наблюдалось.
«Наше исследование демонстрирует, что синергия между периферическим функционализированием молекулы и выбором правильного металлического центра позволяет получить эффективный фотосенсибилизатор, отличающийся высокой стабильностью и активностью в фотокатализе», — сказала Екатерина Шремзер.
Наличие периферийных функциональных групп даёт возможность «пришить» молекулы фотосенсибилизатора на твёрдый носитель, например, порошок диоксида титана. Этот фотоактивный материал, фотостабильный и не деградирующий при облучении, после завершения фотореакции можно извлечь и использовать ещё раз.
Созданные катализаторы открывают путь к экологичным, экономичным и масштабируемым методам получения сульфоксидов — ценных соединений, которые применяются при производстве лекарственных препаратов, агрохимикатов, в процессах извлечения благородных металлов и в нефтепереработке. В отличие от многих аналогов, процесс идёт при комнатной температуре, под воздействием маломощного синего светодиода, не требует дополнительного обогащения кислородом и является безопасным для окружающей среды.
«Индиевые комплексы пиразинопорфиринов сочетают в себе высокую фотоактивность и исключительную долговечность, что является идеальной основой для создания нового поколения промышленных фотокаталитических систем, — подвела итог Дарья Поливановская. — Наши результаты не только являются вкладом в фундаментальную науку, но и имеют перспективы для внедрения в „зелёную“ химию и тонкий органический синтез».
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 24-73-00168).
Источник: Пресс –служба РАН