Рассказываем про настоящий прорыв в работе с никелем, который позволяет собирать сложные молекулы быстрее и проще.
Химики из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне сделали важный шаг в работе с никелем. Им удалось приручить редкую и очень своенравную форму этого металла, которая раньше плохо поддавалась контролю. Исследователи нашли способ создавать устойчивые соединения никеля в степени окисления +1, и это открывает дорогу к новым сложным молекулам. Работой руководил профессор химии Ливиу Мирика, а подробности опубликовали в журнале Nature Catalysis.
Раньше считалось, что получить по-настоящему стабильные вещества на основе Ni (I) — почти невыполнимая задача. Большинство таких соединений разваливались быстрее, чем их успевали использовать. Теперь же группа Мирики получила то, что можно спокойно хранить в обычной лабораторной упаковке. «Мы разработали устойчивые на воздухе соединения Ni (I), которые могут полностью изменить правила игры в никелевом катализе. У нас уже есть международный патент, и с нами работают фармацевтические компании и химические фирмы, которые хотят получить лицензию», — рассказывает Мирика.
Для чего все это нужно
Реакции с никелем — основа современной химии. С их помощью создают связи между атомами углерода или между углеродом и другими элементами. Так получают лекарства, средства для защиты растений и высокотехнологичные материалы. Обычно в таких реакциях используются две формы никеля — Ni (0) или Ni (II). Ni (I) долго оставался желанной, но неуловимой целью.
С ним, — объясняет соавтор работы Санник Чакраборти, — можно открыть такие способы превращений, которые старым формам никеля просто не под силу.
Большинство химиков пытались обуздать Ni (I) с помощью специальных сложных лигандов — молекул-»держателей», которые присоединяются к атому никеля. Но эти лиганды часто вели себя слишком своенравно и мешали реакции. Группа Мирики пошла другим путем. Они взяли простые органические вещества — изоцианиды, которые легко купить в любом каталоге реагентов. Эти изоцианиды надежно фиксируют никель в степени окисления +1, и получается мощный, стабильный катализатор. Он собирает молекулярные детали с необычайной скоростью и точностью, позволяя заходить в такие области химических превращений, куда раньше дорога была закрыта.
Чем хороши новые соединения
Их легко приготовить, они не боятся воздуха, их можно хранить на полке в лаборатории, с ними просто работать, и они эффективны для очень многих реакций.
Нам удалось поместить Ni (I) в баночку, чтобы люди могли использовать его в самых разных синтетических задачах, — с гордостью говорит Мирика.
В своей работе ученые показали, что новые катализаторы отлично работают в нескольких ключевых реакциях — тех самых, которые применяют для создания лекарств, электроники и новых материалов. Они получили два вида комплексов никеля (I) с изоцианидами: одни — насыщенные, другие — ненасыщенные. Вторые чуть активнее. Оба комплекса быстро обмениваются лигандами и показывают выдающиеся результаты в реакциях типа Кумада, Судзуки–Мияура и Бучвальда–Хартвига. И что особенно ценно — они проявляют хемоселективность, то есть умеют выбирать, с какой связью работать, из множества возможных.
По словам Мирики и Чакраборти, это может стать настоящим переломом в никелевом катализе. В работе уже описан один новый тип реакции, который раньше не получался с никелевыми катализаторами.
Это всего лишь маленький фрагмент химических превращений, не целая история, — поясняет Чакраборти. — Но он показывает: если сделать вещество не таким, как все остальное, можно получить уникальную реакционную способность.
Еще один неожиданный плюс — катализатор работает в очень малых дозах.
Нам потребовались крошечные количества, что нетипично для никелевого катализа, — говорит Мирика. — Обычно его нужно довольно много.
Также оказалось, что подходят не только трет-бутилизоцианид (с которым работали изначально), но и самые разные другие изоцианиды.
Эта универсальность — хороший знак для будущего развития нашей химии, — добавляет Чакраборти.
Сейчас группа Мирики собирается глубже изучать строение и химические связи в этих необычно устойчивых соединениях, а также сравнивать, как ведут себя комплексы с разными изоцианидами.
Новые катализаторы собираются производить из обычных коммерчески доступных изоцианидов и солей никеля. Сами реагенты стоят недорого и продаются в любом крупном химическом каталоге. Для науки и промышленности технология сразу доступна в лабораторном масштабе — любой хороший синтетический центр может повторить этот метод. Для обычного человека ничего не изменится напрямую: это разработка для профессиональных химиков, которые делают новые лекарства и материалы. Но в конечном счете удешевление синтеза сложных молекул рано или поздно снижает цены на готовые препараты. Сейчас патент международный, и компаниям, которые его купят, придется платить за лицензию — это повысит стоимость внедрения, но не сделает технологию запретительно дорогой. Самые дорогие элементы здесь — не исходные вещества, а время химиков и отладка процесса.
До этой работы химикам было известно, что Ni (I) — очень реакционноспособная, но неустойчивая форма. Отдельные комплексы Ni (I) получали, но они要么 разлагались на воздухе,要么 требовали сверхсложных условий, либо работали только с одним типом лигандов. Большинство реакций в никелевом катализе крутились вокруг Ni (0) и Ni (II). Разработка группы Мирики — это не просто уточнение деталей, а действительно заметный сдвиг: они впервые предложили устойчивые к воздуху, легко синтезируемые и при этом высокоактивные катализаторы Ni (I) для широкого круга реакций. Однако пока это лабораторный результат — до массового применения на заводах и в фармацевтических гигантах еще несколько лет. Технология вышла из экспериментальной фазы, но не стала индустриальным стандартом.
Сами по себе комплексы никеля токсичны, как и многие соединения тяжелых металлов. При работе в лаборатории нужны вытяжные шкафы и перчатки — это стандартная практика. В готовых лекарствах никеля не останется (его тщательно отмывают), так что риск для пациентов нулевой. Потенциальный вред может быть связан с неконтролируемым попаданием таких катализаторов в окружающую среду с отходами химических производств. Регуляторных ограничений именно на эти соединения пока нет — они слишком новые. Но в Европе и США ужесточают нормы на содержание никеля в сточных водах. Никаких этических споров вокруг самого метода не возникает, кроме общей дискуссии о переходе с палладия на более дешевый, но более токсичный никель. Это спорный момент: палладий дорог, но малотоксичен, а никель — наоборот.
Прямые конкуренты — это классические катализаторы на основе Ni (0), например тетракарбонилникель или комплексы с бис-дифенилфосфиноферроценом. Их главная слабость — необходимость строгой защиты от кислорода и влаги. Плюс Ni (0) часто требует больших загрузок (до 5–10 мол.%). Новые катализаторы Мирики устойчивы на воздухе и работают в микроколичествах. Среди других соединений Ni (I) — например, комплексы с N-гетероциклическими карбенами — те либо реакционноспособны, но нестабильны, либо стабильны, но малоактивны. Разработка из Иллинойса сочетает и стабильность, и высокую активность. Слабость по сравнению с лучшими палладиевыми катализаторами — в некоторых тонких типах сочетаний (например, в реакциях с сильно затрудненными субстратами) палладий все еще быстрее и дает меньше побочных продуктов. Никель дешевле палладия в 100–200 раз, но для сверхчувствительных синтезов пока уступает.
Авторы признают, что показали лишь «кусочек» новой реакционной способности, а не полноценный универсальный метод. Самый большой подвох: стабильность комплексов проверена в лабораторных условиях, но никто еще не испытывал их в реальных промышленных реакторах при высоких температурах, в агрессивных растворителях и с многокилограммовыми загрузками. Нет данных о том, как ведут себя эти соединения после сотен циклов использования или регенерации. Второй момент: авторы блестяще демонстрируют хемоселективность, но не приводят сравнения по скорости с лучшими Ni (0)-катализаторами. Может оказаться, что Ni (I) требует больше времени на ту же реакцию. Третий скрытый минус — изоцианиды сами по себе не безобидны: они токсичны, имеют резкий запах и могут разлагаться на свету. И наконец, успех сильно зависит от того, насколько чисты изоцианиды, а их качество у разных поставщиков варьируется. Воспроизводимость метода другими лабораториями пока не проверена.
Ранее стало известно, что никель ускоряет превращение глицерина в формиат.