Химики разработали рециклизуемый реагент с функцией «три в одном»

Российские химики совместно с коллегами из Германии предложили новую концепцию проведения химических реакций, согласно которой одно и то же вещество может выступать в качестве растворителя, катализатора и реагента. После синтеза это вещество тройного назначения может быть регенерировано и использовано повторно. Статья опубликована в журнале Angewandte Chemie International Edition.

Развитие промышленных химических и фармацевтических технологий требует разработки эффективных инструментов для синтеза: новых реагентов, катализаторов, растворителей. Они должны обеспечивать селективность протекания реакции – образование целевого соединения в качестве единственного или, в крайнем случае, сильно преобладающего продукта. Не менее важно придерживаться принципов зелёной химии: использовать нетоксичные реагенты и катализаторы, минимизировать количество отходов производства, значительную долю которых обычно составляют применяемые растворители.

С этой точки зрения перспективными являются ионные жидкости – органические соли, имеющие температуру плавления ниже 100 °С. Эти вещества обладают ионной структурой: они состоят только из положительно и отрицательно заряженных ионов, как, например, поваренная соль, но в отличие от неё остаются в жидком состоянии при невысоких температурах. Такие жидкости, будучи ионными соединениями, хорошо растворяют сильно полярные (гидрофильные) молекулы, а липофильные (нерастворимые в воде) соединения – за счёт органического катиона в составе.

Важное преимущество ионных жидкостей по сравнению с классическими органическими реагентами – возможность их многократного использования. За счёт высокой растворимости соли в воде, после проведения реакции её можно отделить от продуктов реакции с помощью простой водной экстракции. После отгонки воды ионную жидкость можно использовать повторно без потери эффективности. Внедрение таких процессов с участием ионных жидкостей в промышленность минимизирует загрязнение окружающей среды – обычно химикаты после использования приходится утилизировать – и уменьшит стоимость конечного продукта.

Ученые из Национального медицинского исследовательского центра детской гематологии, онкологии и иммунологии имени Дмитрия Рогачева в сотрудничестве с коллегами из Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН, МГУ имени М. В. Ломоносова, РУДН, Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН и Технического университета Брауншвейга (Германия) предложили фундаментально новую концепцию проведения химических реакций с применением протонных ионных жидкостей (солей органических оснований и кислот Бренстеда). В разработанной ими синтетической схеме ионные жидкости выполняют сразу три функции – реагента (нуклеофила), кислотного инициатора (катализатора) и растворителя. Ранее ионные жидкости, как правило, использовались только в одной из этих ролей. Эффективность предложенной стратегии исследователи показали на примере реакций широкого круга органических соединений с тиоцианатом 1-метилимидазолия. Учёным удалось существенно снизить время протекания реакций и проводить их в более мягких по сравнению с «классическими» условиях, что обеспечило высокие выходы целевых продуктов.

«Мы недавно начали развивать это направление и пока продемонстрировали принципиальную возможность применения протонных ионных жидкостей тройного назначения в органическом синтезе. Тем не менее вещества, которые можно получать в рамках такой концепции, являются ценными химическими продуктами, обладающими рядом полезных свойств. Например, изотиоцианаты – горчичные масла – в природе содержатся в овощах, придавая им жгучий вкус, и могут стать основой для пищевых добавок. Также ключевые продукты нашей работы – азотистые гетероциклы – потенциальные биологически активные соединения; около 60% от общего числа низкомолекулярных лекарственных препаратов относятся к этому классу. Кроме того, потенциально наши соли могут быть использованы в создании гибридных полупроводниковых материалов», – рассказал один из участников проведенного при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №20-33-70014) исследования, старший научный сотрудник лаборатории химического синтеза Национального медицинского исследовательского центра детской гематологии, онкологии и иммунологии имени Дмитрия Рогачева Иван Андреев.