Учёные создали никелевый катализатор, активируемый светом, для более дешёвого синтеза лекарств

Группа учёных под руководством Bartholomäus Pieber из Institute of Science and Technology Austria (ISTA) опубликовала исследование в журнале Nature Catalysis, которое показывает новый путь к более эффективному синтезу сложных молекул. За стеклянной стеной лаборатории синие светодиодные лампы освещают небольшие реакционные сосуды, поставляя энергию, необходимую никелевому катализатору для проведения химических реакций.

Почему никель вместо палладия

Традиционно для синтеза сложных молекул, включая лекарства, используются катализаторы на основе палладия. Этот метод, известный как кросс-сочетание, был удостоен Нобелевской премии по химии в 2010 году. Однако палладий — редкий и дорогой металл. Около 10 лет назад учёные показали, что никелевый катализатор в сочетании со вторым катализатором, преобразующим видимый свет в «химическую энергию», может заменить палладий. Проблема заключалась в том, что никелевые катализаторы были менее эффективны и не позволяли проводить такой же широкий спектр реакций.

Путь к прорыву: от медленных реакций к эффективному синтезу

В 2020 году группа Pieber продемонстрировала, что ограничения никелевого катализа можно преодолеть путём тщательного контроля условий реакции. Однако реакции были очень медленными и требовали больших количеств катализатора. Aleksander Bena, аспирант лаборатории, использовал накопленное понимание этих процессов для разработки структур более эффективных и устойчивых никелевых катализаторов, которые можно активировать непосредственно видимым светом. Его работа привела к созданию нового лиганда, помогающего никелю преодолеть оставшиеся ограничения светозависимого катализа.

Результаты: 150 продуктов и минимальное количество металла

Группа исследователей, включая Trisha Banik, Christos Giannoudis, Florian Ortis, Haralds Baunis и Gayathri Palissery из ISTA, а также Daniel Bím из University of Chemistry and Technology в Праге, продемонстрировала универсальность нового катализатора, синтезировав более 150 продуктов — от простых строительных блоков до сложных молекул и производных лекарств, таких как флуоксетин, один из наиболее часто назначаемых антидепрессантов.

Наиболее впечатляющий результат: исследователи смогли снизить количество катализатора до 100 частей на миллион (0,01 mol%). Это означает, что одна молекула никелевого катализатора произвела до 10 000 молекул продукта. По словам Bena, «самый поразительный результат заключался в том, что мы можем эффективно образовывать сложные связи, используя очень небольшое количество никелевого катализатора».

Как это работает

Прорыв основан на специально разработанном лиганде — органической молекуле, связанной с атомом никеля, — который повышает каталитическую активность никеля при активации видимым светом. Это позволяет новому катализатору образовывать связи между атомами углерода, азота, кислорода, серы или фосфора, объединяя две молекулы в более крупную и сложную структуру.

Значение для промышленности

Pieber отметил: «Такие низкие количества катализатора обычно достигаются только с катализаторами на основе палладия. Возможность сделать это с никелевым катализатором действительно волнует». Комбинация низкого количества катализатора и высокой универсальности для множества строительных блоков может сделать этот подход особенно интересным для фармацевтического синтеза и синтеза тонких химикатов, делая эти процессы более дешёвыми и устойчивыми.

Это данные исследования, а не медицинский совет.