科学俄罗斯: 追赶与超越:圣彼得堡国立大学的科学家们找到了使 "弱 "催化剂最活跃的方法
俄罗斯科学家比较了三组有机催化剂,并确定碘化合物在其中显示出最大的活性。他们还发现,通过改变参与反应的原子的空间环境,有可能提高较弱物质的效率。这项工作将有助于改进广泛用于药物和聚合物材料合成的有机催化剂。
有机催化剂,即加速化学反应的化合物,对科学家来说是非常有意义的,因为它们能抗潮湿,在空气中不氧化,而且与含金属的同类产品不同,它们是环境友好和稳定的物质,这使得它们可以在转化后从反应混合物中提取并重新使用。由于这些特性,它们不仅在实验室的实践中,而且在工业中都有可能合成出广泛的物质。
由俄罗斯科学基金会资助的这项研究的结果已经发表在《有机与生物分子化学》杂志上。
迄今为止,科学家们对有机化合物的特性进行了很好的研究,这些有机化合物在卤素原子,特别是作为金属阳离子的替代品的碘的帮助下,表现出其作为催化剂的活性。这种催化剂与进入反应的物质结合,使其有可能以更快的速度进行转化。除了含卤素的分子外,科学家们还在含有氧族元素(元素周期表中与卤素相邻的第16族元素)的化合物中发现了催化活性。包括硫、硒和碲。但催化剂的种类并不限于此。科学家们最近在含有氮族元素(第15族元素,包括磷、砷和锑)的分子中发现了能够加速化学反应的特点。直到现在,人们还不知道含卤素、氧族元素或氮族元素的催化剂中,哪一种的效果更好。
圣彼得堡国立大学的科学家们比较了九种含有卤素、氧族元素或氮族元素的催化剂的活性。首先,他们为每个分子计算了静电电位,即分布在其表面并允许其与其他物质互动的电荷。事实证明,卤素化合物的静电电位最高,而氮族元素化合物的静电电位最低。在有机化合物合成中最常遇到的两个反应被用作模型转化。
科学家们发现含碘催化剂的活性最高,因为这种分子在中心原子上拥有最高的表面电荷。然而,计算表明,在某些情况下,氮族元素和卤素化合物可以达到相同的活性,甚至超过它。这要求该元素有正确的化学环境,如碳原子的芳香环,这是一种简单且可获得的用于连接的化学基团。这样的 "接邻"重新分配了分子表面的电荷,从而帮助原子与所需成分更有效地相互作用,形成稳定的过渡复合物,从而加速转化。
在过去的十年里,发生过好几代有机催化剂的更替。我们的工作不仅将最新一代不同的有机催化剂的活性进行了对比,而且还发现了使它们能够进一步提高活性的重要因素。
项目负责人,化学博士,圣彼得堡国立大学物理有机化学系教授德米特里·博罗津
"未来,我们计划制取含有手性基团(不与镜像重合的基团)的有机催化剂,使其参与不对称催化反应。这将能够将它们用于生产广泛的生物活性化合物。首先必须解决一个更基本的问题,即选择最有效的催化中心,以便将手性基团'缝合'到它们身上,"化学博士、圣彼得堡国立大学物理有机化学系教授、由项目负责人德米特里·博罗津说。