Новости химической науки > Ускорение поиска катализаторов через «самосборку»

Разработка новых катализаторов — один из самых сложных и трудоёмких процессов в современной химии. Традиционно это выглядит как строительство сложного молекулярного замка: исследователи синтезируют всё более замысловатые структуры, тестируют их, модифицируют и синтезируют заново. Этот цикл может занимать годы и требует колоссальных ресурсов. Однако в 2026 году группа учёных из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) под руководством Джузеппе Дзуккарелло (Giuseppe Zuccarello) предложила революционную альтернативу, опубликовав свою работу в журнале Nature.

Вместо того чтобы синтезировать сложный хиральный катализатор с нуля, исследователи взяли два простых коммерчески доступных компонента, которые спонтанно собираются в активную структуру за счёт нековалентных взаимодействий. Этот подход не просто ускоряет поиск — он меняет саму логику каталитического дизайна.

Два компонента — одна цель: катализ через самосборку

Ключевая идея работы заключается в разделении функций между двумя молекулярными «половинками»:

1. Тиольный катализатор (2-меркаптопиридин) — отвечает за перенос атома водорода (HAT, hydrogen atom transfer). Это ключевой химический акт, который происходит в ходе реакции.

2. Хиральная фосфорная кислота (например, (S)-TRIP) — создаёт асимметричное окружение, которое определяет, в какой «зеркальной» форме (энантиомерной) получится конечный продукт.

Когда эти два компонента смешиваются в присутствии фотокатализатора и источника света, они ассоциируются через ионные пары и водородные связи. При этом фосфорная кислота, обладая хиральностью, передаёт эту хиральность тиолу, фактически «обучая» простую ахиральную молекулу работать как высокоселективный хиральный катализатор. Как образно выразился один из авторов работы, Навадхир Яламанчили (Navadheer Yalamanchili): «Простой ахиральный тиоловый катализатор заимствует хиральность у модульной хиральной фосфорной кислоты через слабые нековалентные взаимодействия».

Демонстрация: фотохимическая дерацемизация

Чтобы доказать эффективность своего подхода, исследователи применили его к дерацемизации 2-арилпирролидинов — важных структурных фрагментов, широко используемых в фармацевтике.

Дерацемизация — это процесс превращения равной смеси «левых» и «правых» молекул (рацемата) в смесь, обогащённую одним из энантиомеров. Это одна из самых сложных задач в асимметричном синтезе, особенно когда речь идёт о короткоживущих радикальных интермедиатах.

Исследователям удалось показать, что их самоорганизующийся катализатор не просто работает, а делает это с впечатляющими результатами. В модельной реакции с использованием фотокатализатора (Ir[dF(CF₃)ppy]₂(dtbpy))PF₆ (мощный циклометаллированный комплекс иридия(III) с гексафторфосфатным противоионом), (S)-TRIP и 2-меркаптопиридина, оптическое обогащение субстрата достигло соотношения 85.5:14.5 в пользу одного из энантиомеров при выходе 90%.

Ключевой механизм, обеспечивающий такую эффективность, получил название «энантиоселективное реле водорода». Катализатор сначала отнимает атом водорода от субстрата, а затем возвращает его обратно — но оба этих акта происходят внутри одного и того же хирального окружения, созданного нековалентной сборкой. Это позволяет контролировать стереохимию даже на стадии работы с высокореакционными радикалами.

Преимущества модульного подхода

Разработанная стратегия обладает рядом практических преимуществ, которые кардинально меняют подход к катализу:

1. Скорость и гибкость: Вместо того чтобы неделями синтезировать новый хиральный катализатор для каждой реакции, химик может просто смешивать два компонента в разных пропорциях. Поскольку оба «кирпичика» независимо варьируются, можно быстро создать библиотеку из тысяч потенциальных катализаторов.

2. Доступность реагентов: Используемые компоненты — коммерчески доступные тиолы и хиральные фосфорные кислоты — не требуют многоступенчатого синтеза, что делает процесс более экономичным.

3. Устойчивость: Отказ от дорогих металлов и сложных лигандов делает этот подход более «зелёным» и устойчивым.

Более широкий контекст: автономные лаборатории и машинное обучение

Идея ускорения поиска катализаторов через «самосборку» отлично вписывается в более глобальный тренд — использование автономных систем и машинного обучения. Например, исследователи из Университета штата Северная Каролина разработали платформу Flex-Cat, которая автономно перебирает сотни комбинаций катализаторов и условий реакции. Эта роботизированная система, способная провести 680 экспериментов, выявила катализаторы с активностью выше более чем в 2.5 раза и даже нашла системы, которые можно «перенастраивать» на разные продукты простым изменением условий.

Подобный симбиоз модульного дизайна, автоматизации и искусственного интеллекта становится главным двигателем прогресса в катализе. В то время как Flex-Cat ищет оптимальные комбинации в огромном пространстве параметров, подход EPFL предлагает элегантный химический принцип, который делает каждый отдельный каталитический акт более управляемым.

Заключение: новый взгляд на химию открытий

Работа группы Дзуккарелло — это больше, чем просто новый метод синтеза. Это концептуальный сдвиг в том, как мы думаем о дизайне катализаторов. Вместо того чтобы создавать всё более сложные молекулы «с нуля», химики могут создавать мощные каталитические системы, позволяя простым компонентам организовываться самим. Как отметили сами исследователи, их работа «прокладывает путь к открытию многочисленных асимметричных радикальных превращений» и, можно надеяться, «вдохновит на более модульный и адаптируемый подход к дизайну катализаторов».

метки статьи: #кинетика и катализ, #межмолекулярные взаимодействия