Уникальный катализатор освободил электроны: новые возможности для химического синтеза

Химики создают сложные молекулы для разработки лекарств, высокотехнологичных материалов и воспроизведения процессов, происходящих в живых системах. Один из мощнейших инструментов для построения таких структур — перенос одиночных электронов, который позволяет активировать инертные молекулы и соединять их друг с другом.

Химические реакции протекают по определенным законам, преодолеть которые очень сложно.

Источник: Unsplash

На протяжении десятилетий ученые сталкивались с фундаментальным ограничением окислительно-восстановительных реакций: когда две молекулы конкурируют за электрон, он обычно достается той, которую легче восстановить. Эта естественная предпочтительность блокирует доступ ко многим потенциально полезным реакциям.

Команда химиков из Университета Висконсин-Мэдисон совместно с коллегами из Университета штата Колорадо и Университета Колорадо в Боулдере продемонстрировала принципиально новый подход к управлению реакциями. Он позволяет решить давнюю проблему селективности переноса электронов и может открыть доступ к широкому спектру ранее недостижимых реакций соединения молекул.

Вместо попыток контролировать, какая молекула получит электрон через традиционные химические предпочтения, авторы работы разработали катализатор, который выбрасывает электрон непосредственно в окружающий раствор. «Наш катализатор буквально выталкивает электрон прямо в растворитель, — объясняет руководитель исследования, профессор химии Закари Уикенс. — Это позволяет получить самый сильный восстановитель и самый агрессивный источник электронов, какой только возможен, поскольку свободный электрон в любом случае предпочтет находиться практически в любой молекуле, чем оставаться одиночной молекулой в растворе».

Радикально новый способ высвобождения электронов может помочь химикам преодолеть существовавший десятилетиями реакционный барьер и создать молекулы, которые ранее было практически невозможно синтезировать.

Источник: AI/ScienceDaily.com

Освободившись, электрон действительно торопится найти новое пристанище. Он может присоединиться к первой встречной молекуле, даже если она обычно не была бы предпочтительным акцептором электрона по способности стабилизировать дополнительный заряд. Это меняет обычные правила, определяющие, какой путь реакции победит. «Что угодно лучше, чем электрон, свободно плавающий в растворе», — резюмирует Уикенс.

Оказалось, что ключевой отбор происходит не в момент первого движения электрона, а на последующих стадиях. «Наши расчеты показывают, как решающая селективность возникает уже после того, как перенос электрона произошел, — говорит Роберт Патон из Университета штата Колорадо. — Мы обнаружили, что желаемый реагент может избежать обратного процесса и продолжить путь к продукту, в то время как партнер, который легче восстанавливается, эффективно возвращается в исходное состояние».

Группа Уикенса потратила последние пять лет на разработку семейства катализаторов, сделавших возможным этот альтернативный подход. «Это не просто еще один метод синтеза; это новый способ проектирования окислительно-восстановительных реакций», — подчеркивает Уикенс.

Ранее в России появился новый катализатор для «зеленой» энергетики.