Химики доказали, что, вопреки распространенному мнению, замена дорогостоящих благородных металлов, используемых для ускорения химических реакций, на дешевые аналоги может увеличить, а не уменьшить стоимость конечного продукта. Это заключение позволит избежать безосновательного отказа от эффективных платиновых катализаторов, с помощью которых синтезируют большинство лекарств и многие полимеры.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Organometallics. При создании большинства медицинских препаратов, а также «умных» полимеров, применяемых, например, для доставки лекарств, химики часто используют катализаторы, содержащие благородные металлы платиновой группы. Помимо платины, к ним относятся рутений, родий, палладий, осмий и иридий. Однако в последнее время ученые пытаются заменить их на более распространенные и дешевые аналоги, например, марганец, кобальт и никель.
Необходимость такой замены часто объясняют тем, что мировые запасы благородных металлов ограничены, к тому же их стоимость высока. Однако при внимательном анализе эти опасения оказываются сильно преувеличенными. Риск истощения ресурсов благородных металлов в ближайшие 100 лет незначителен, особенно по сравнению с перспективой исчерпания запасов доступной нефти. Кроме того, в синтезе, помимо благородных металлов, используются и другие вещества, поэтому не факт, что цена зависит именно от металла.
Ученые из Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН (Москва) проанализировали вклад различных компонентов, используемых в химическом синтезе, в стоимость получаемого продукта. Для этого авторы сравнили затраты на проведение шести различных химических реакций, в которых из одинаковых исходных веществ образуется одно и то же соединение — изохинолон. Эта органическая молекула входит в состав ряда флуоресцентных материалов и биологически активных молекул, а потому представляет интерес для молекулярной биологии, химии и медицины.
Три из исследованных реакций требуют участия катализаторов на основе благородных металлов — палладия, родия и рутения. Еще две протекают в присутствии более дешевых никеля и кобальта, и оставшаяся — без использования металлов. При расчете стоимости каждого превращения авторы учитывали цену исходных реагентов, металлов, а также лигандов — своего рода добавок, входящих в состав катализаторов.
Анализ показал, что превращение, в котором используется родий, всего на 50 процентов дороже того, в котором требуется катализатор на основе кобальта. При этом металлический родий примерно в 8000 раз дороже, чем металлический кобальт. В химическом синтезе столь значительная разница в цене становится практически незаметной потому, что металлы используются в малых количествах (порядка одного процента от массы всех используемых веществ). В результате, согласно расчетам, цена на исходные металлы составляет всего 10–30 процентов от общей стоимости реакции, а основные затраты (70–90 процентов) оказались связаны с органическими реагентами. Это означает, что даже полная замена дорогостоящих благородных металлов на дешевые аналоги будет незначительно влиять на себестоимость процесса.
Интересно, что использование катализаторов на основе дешевых металлов может даже непреднамеренно увеличить цену производства, если при этом увеличится расход других — более дорогих — реагентов. Такая ситуация, в первую очередь, может возникнуть на заключительных стадиях синтеза сложных лекарственных молекул, поскольку себестоимость реагентов уже высока за счет того, что для их получения потребовалось нескольких предшествующих реакций.
«Результаты анализа показывают, что стоимость химического превращения зависит в первую очередь от органических реагентов, а не катализаторов. Поэтому некорректно аргументировать отказ от использования благородных металлов в составе катализаторов лишь их дороговизной. Наша работа подчеркивает, что ученые должны реалистично оценивать разные факторы для достижения максимальной эффективности. В дальнейшем мы планируем проверить наши выводы на более широком круге химических реакций», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Перекалин, доктор химических наук, заведующий лабораторией функциональных элементоорганических соединений Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН.