6 July 2022, 23:00

Ученые разработали новые фотокатализаторы на основе функционализированных пиразинопорфиринов

Химики из Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН и Института общей и неорганической химии им. H.С. Курнакова РАН на основе широко известных красителей получили новые фотокатализаторы, которые оказались в 100 раз эффективнее ранее известных аналогов. Работа поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации.

Сейчас новые химические технологии сильно зависят от требований экологии. Важно соблюдать принципы «зеленой» химии, старясь использовать не только безопасные для окружающей среды реагенты, но и менее затратные источники энергии. Большой интерес в связи с этим вызывают фотокаталитические подходы.

Порфирины, которые относятся к классу тетрапиррольных красителей и обладают специфической сопряженной полиароматической π-системой и сильными координирующими свойствами, к настоящему времени проявили себя как исключительные катализаторы различных органических превращений. Они очень эффективны в гомогенном катализе, когда и катализатор, и реагенты с продуктами находятся в одной фазе, например жидкой; однако для упрощения разделения этой смеси ученые ищут подходы, которые позволили бы создать на основе порфиринов гетерогенные твердые катализаторы. При этом важно не нарушить полиароматическую систему, правильно подобрав боковые заместители и атом металла, который будет в центре молекулы.

Сотрудники Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН и Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН представили новые фотоактивные функционализированные пиразинопорфирины, а также испытали их в качестве гомогенных катализаторов фотоокисления органических сульфидов. Авторы смогли определить оптимальные заместители, обеспечивающие высокую каталитическую активность в сочетании с достаточной стабильностью и растворимостью.

«Уникальность этой работы заключается в том, что такая модификации молекулы порфирина позволила получить соединения, которые оказались в 100 раз эффективнее, чем ранее известные фотокатализаторы», — рассказывает Дарья Поливановская, младший научный сотрудник ИФХЭ РАН, один из соавторов работы. 

Эксперименты показали, что с помощью предложенных фотокатализаторов можно окислить тиоанизол до соответствующего сульфоксида с конверсией 98-100% и селективностью более 98%. При этом пиразинопорфирина нужно очень мало — порядка 0,001% (молярных), — а одна молекула оказалась способна ежесекундно превращать в продукт 95 060 - 98 000 молекул реагентов. Высокая активность позволяет существенно уменьшить использование фотоактивного вещества, что важно как с точки зрения оптимизации затрат на проведение синтеза, так и для снижения экологического следа.

«С целью подтверждения дальнейших перспектив таких каталитических процессов молодежный коллектив исследователей разработал методы синтеза широкого круга новых фотокатализаторов — порфиринов, содержащих дополнительные гетероциклические фрагменты. Нам удалось существенно упростить их получение, — уточняет академик Юлия Горбунова, главный научный сотрудник ИОНХ РАН. — Катализ является одним из значимых подразделов физической химии. В настоящее время наблюдается возрастающий интерес к использованию альтернативных источников энергии и фотокатализ в перспективе может позволить использовать энергию солнечного света для активации самых разнообразных химических реакций».

В дальнейшем авторы планируют продолжить начатые исследования в области использования порфиринов для органического фотокатализа и, в частности, их применения для синтеза лекарственных препаратов.

News article profiles

News article publications

Read also

Марганцевый катализатор упростит получение и хранение водородного топлива
Ученые создали катализатор на основе марганца для получения водорода из амин-боранов — твердых стабильных органических соединений. Такая реакция позволит использовать амин-бораны в «зеленой» энергетике для хранения и транспортировки водородного топлива. Предложенный катализатор в десятки раз эффективнее высвобождает водород, чем большинство известных комплексов на основе благородных металлов.
"Green" chemistry
"Green" technologies
Catalysis
17 February 2024
Катализаторы из винной кислоты повысят оптическую чистоту органических молекул
Ученые создали металлокомплексные катализаторы на основе палладия и органических молекул, содержащих атомы серы и фосфора. Использование этих катализаторов позволяет получать соединения с оптической чистотой до 99%. Оптическая чистота важна при производстве лекарств, витаминов и пестицидов, поскольку она влияет на их биологическую активность.
Catalysis
Organic Chemistry
Synthesis
25 January 2024
Три металла и новая технология упростят получение ненасыщенных спиртов
Ученые синтезировали катализатор на основе наночастиц платины, оксидов церия и циркония, который позволяет превращать ненасыщенные альдегиды в ненасыщенные спирты. Такая реакция нужна при создании духов, отдушек и лекарств. При использовании нового катализатора избирательность и эффективность процесса достигли 100%. Это значит, что при синтезе протекала только необходимая ученым реакция, после которой не оставалось побочных продуктов.
Catalysis
Nanotechnology
Synthesis
23 January 2024
Новый фотокатализатор разрушил загрязнителей сточных вод с помощью ультрафиолета
Ученые синтезировали уникальный материал — гибридный фотокатализатор, состоящий из органического и неорганического нанокомпонентов. Под действием видимого и ультрафиолетового света он генерирует свободные радикалы, которые с эффективностью более 90% разрушают органические загрязнители, попадающие в сточные воды от химических производств. Кроме того, новый фотокатализатор в 11 раз быстрее аналогов подавляет рост бактерий Escherichia coli (кишечной палочки) — микроорганизма, активно размножающегося в сточных водах. Полученный материал потенциально может использоваться при очистке сточных вод от токсинов, красителей и других соединений, использующихся в химической промышленности, а также при их обеззараживании от микроорганизмов.
"Green" chemistry
Catalysis
Synthesis
18 November 2023
Учёные из Махачкалы получили мембранный фотокатализатор на основе ПВДФ
Химики из лаборатории Smart Materials Дагестанского государственного университета вместе с коллегами из Чехии и Института физики Дагестанского федерального исследовательского центра РАН разработали волоконные гибридные полимерные мембраны, ускоряющие химические превращения под действием световой и механической энергии. Авторы доказали эффективность полученных катализаторов в реакции разложения метиленового синего — красителя, который широко используется в химии и медицине. Разработка может лечь в основу дешевых, биосовместимых и экологически чистых катализаторов для очистки сточных вод от продуктов химического синтеза и других загрязнителей.
"Smart" materials
Catalysis
Photochemistry
21 August 2023
Из соды и гидроксида платины получился катализатор для разложения гидразина
В результате реакции образовалось несколько вариантов устойчивых карбонатных комплексов платины, которые и послужили основой для будущих катализаторов. Последние оказались в 23 раза эффективнее своих аналогов
Catalysis
Chemistry of coordination compounds
New techniques
12 July 2023