Новости химической науки > Математика позволяет создать идеальный катализатор

С помощью математического метода химики разработали новый подход, позволяющий сконцентрироваться на оптимальных свойствах катализатора, необходимого для осуществления той или иной реакции. Новый подход позволяет раскрыть те связи между строением катализатора и его свойствами, которые ранее было достаточно сложно определить.

Исследователи, разработавшие новый подход, утверждают, что именно такие факторы, которые оказалось возможным вскрывать только с помощью математического анализа, могут оказаться весьма важными факторами, определяющими эффективность катализатора в той или иной реакции.

Исследователи отмечают, что химики-технологи зачастую используют подобную стратегию для оптимизации ряда условий реакций – небольшое количество предварительных экспериментов позволяет использовать математику для вывода оптимальных значений таких условий реакций, как температура среды и концентрации реагентов.

Трехмерный график, построенный по данным, полученным при изучении библиотеки лигандов для катализаторов, показывает влияние стерических и электронных факторов лиганда на производительность катализатора, наиболее эффективные соединения находятся в красной области пика. (Рисунок из Science, DOI: 10.1126/science.1206997)

Руководитель исследовательского проекта, Мэтью Сигман (Matthew S. Sigman) из Университета Юты, отмечает, что было решено адаптировать эту стратегию для изучения и определения классических физических и химических параметров катализатора.

В качестве модельной исследователи из группы Сигмана выбрали каталитическую реакцию пропаргилирования кетонов по Нозаки-Хияме-Киши, приводящую к образованию хиральных спиртов. Взяв в качестве неорганического прокатализатора хлорид трехвалентного хрома, они протестировали небольшую библиотеку лигандов, отличающихся своим химическим строением, чтобы определить каталитическую эффективность системы CrCl₃/лиганд. Полученные результаты позволили вывести уравнение, предсказывающее оптимальные характеристики катализатора для этой реакций.

Выведенное уравнение позволило не только сразу отбросить те лиганды, которые обеспечивали низкую эффективность каталитического процесса, но и разработать альтернативные структуры лигандов на основе хинолина и пролина, обеспечивающие более высокую производительность процесса. Полученная авторами зависимость показывала, что для электроноизбыточных лигандов их каталитическая эффективность увеличивалась симбатно с увеличением их стерического объема, в то время как электрононедостаточные лиганды одинаково плохо способствовали протеканию реакции, независимо от их размера. Сигман отмечает, что исследователи предполагали получить не совсем такие результаты, что, строго говоря, еще более важно для понимания особенностей протекания каталитических процессов.

Специалист по органической химии из Университета Пенсильвании Мариса Козловски отмечает, что ряд эффектов, которые были выявлены в группе Сигмана, наблюдались химиками и ранее, однако оптимизация и идентификация наиболее эффективного катализатора до настоящего времени представляла собой непростую задачу. Она полагает, что разработанный в группе Сигмана метод представляет собой достаточно эффективное решение этой проблемы, при том, что новое уравнение позволяет пересчитать необходимые параметры для любой другой реакции после нескольких проведенных проверочных экспериментов.

Источник: Science, DOI: 10.1126/science.1206997

метки статьи: #кинетика и катализ