Иркутские ученые предложили новый простой и доступный метод, позволяющий отслеживать эволюцию катализатора на протяжении химической реакции.
Для успешного промышленного применения катализаторов, в том числе с учетом экологических рисков ключевыми факторами являются их стабильная работа, универсальность и максимально простые условия эксплуатации. Для этого необходимо понимать, как эти катализаторы ведут себя в различных системах и как они эволюционируют в ходе реакции.
Например, многие катализируемые металлами реакции характеризуются протеканием различных динамических процессов с участием катализатора, приводящих к изменениям количества и природы самого катализатора: молекулярных комплексов, кластеров и наночастиц. Описывать внутреннее разнообразие таких систем проблематично, а выяснить, является ли та иная субстанция катализатором или просто неэффективным балластом, часто крайне сложно. В связи с этим поиск методов, позволяющих достоверно отслеживать эволюционные изменения катализатора, обусловленные, протеканием самой каталитической реакции, является актуальной научной задачей.
Разработке такого метода и посвящена статья иркутских химиков, принятая к опубликованию редакцией высокорейтингового журнала Organometallics. Журнал входит в список наиболее авторитетных изданий в области физической и органической химии (Q1 в соответствующей категории Scimago Journal).
Авторами статьи стали доктор химических наук, профессор Александр Шмидт, кандидаты химических наук, доцент Анна Курохтина и Елизавета Ларина, а также младший научный сотрудник Надежда Лагода. Работа выполнена в рамках проекта РНФ «Установление фундаментальных особенностей перспективной реакции Сузуки-Мияуры с доступными, но малореакционноспособными субстратами с использованием новых кинетических методов исследования», выполняемого в ИГУ под руководством А. Ф. Шмидта.
Авторы разработали модификацию хорошо известного химикам метода конкурирующих реакций, в основе которой лежит довольно часто применяемое в исследованиях механизмов каталитических процессов уравнение Гаммета. Предложенная авторами методика предполагает получение 3D-графика, описывающего изменения параметра чувствительности реакции к химическим свойствам превращающихся на катализаторе веществ (так называемый ρ-параметр) от времени и степени их превращения в конкурентной реакции нескольких субстратов. Анализ таких графиков, который в перспективе может быть полностью автоматизирован на базе технологий искусственного интеллекта, позволяет получать информацию об изменениях природы истинного катализатора реакции в результате эволюции каталитической системы во времени. Главной изюминкой метода является простота и доступность его применения, поскольку для его реализации необходимы только данные о концентрациях конкурирующих субстратов или образующихся из них продуктов, которые можно получить с помощью любого аналитического метода, что делает этот метод доступным для любой стандартно оснащенной химической лаборатории, в том числе и на производстве. Таким образом, разработанный подход позволяет наглядно отслеживать изменения природы истинного катализатора в результате эволюции каталитической системы без применения сложных комбинаций физико-химических методов исследования.
Предложенный метод успешно апробирован на примере синтетически важной реакции Сузуки-Мияуры. Авторы надеются, что разработанный метод в будущем найдет свое применение в различных реакциях и значительно упростит не только задачу исследования и разработки новых катализаторов, но и контроля за состоянием катализаторов, использующихся в химической индустрии.
