Фармацевтические препараты, продукты тонкого органического синтеза и агрохимикаты производятся в промышленных масштабах с использованием широкого спектра химических реакций. Эти процессы должны стать более эффективными, менее затратными и более экологичными. Группа Пибера в Институте науки и технологий Австрии (ISTA) сделала шаг в этом направлении. В журнале Nature Catalysis исследователи представили новый никелевый катализатор, который можно активировать видимым светом для эффективного создания широкого спектра химических связей.
За стеклянной стеной в лаборатории Пибера в Институте науки и технологий Австрии (ISTA) синие светодиодные лампы освещают небольшие реакционные сосуды. Этот свет — не просто освещение: он поставляет энергию, которая питает никелевый катализатор для запуска химических реакций.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Catalysis, исследовательская группа под руководством Бартоломеуса Пибера показывает, что тщательно разработанный никелевый катализатор может сделать химический синтез под действием света более универсальным и эффективным.
Пибер и члены его команды Александр Бена, Триша Баник, Христос Джаннудис, Флориан Ортис, Харальдс Баунис и Гаятри Палиссери (все из ISTA) в сотрудничестве с Daniel Bím of the University of Chemistry and Technology in Prague, разработали новую каталитическую систему, которая селективно и эффективно соединяет химические строительные блоки, используя очень небольшое количество никеля.
Активация никеля светом
Лекарства не растут на деревьях — они производятся в ходе многостадийных химических процессов. Это требует широкого спектра различных реакций. Одной из наиболее широко используемых стратегий построения таких молекул является химия кросс-сочетания, при которой два молекулярных строительных блока соединяются новой химической связью с помощью металлического катализатора.
Катализатор — это вещество, которое активирует или ускоряет химическую реакцию, не расходуясь при этом. Часто это отдельные атомы металла, связанные с органическими молекулами, называемыми лигандами. Они влияют на поведение металла и могут быть спроектированы для точной настройки его каталитических свойств.
Во многих важных реакциях кросс-сочетания катализатор основан на атоме палладия. Важность этого была признана Нобелевской премией по химии 2010 года, присужденной Ричарду Хеку, Эйити Нэгиси и Акире Судзуки за разработку реакций кросс-сочетания, катализируемых палладием, в органическом синтезе. Эти реакции стали влиятельными для создания сложных молекул, включая фармацевтические препараты. Палладиевые катализаторы высокоэффективны, но этот благородный металл также дефицитен и дорог, что является существенным недостатком.
Около 10 лет назад первые исследования показали, что комбинация никелевого катализатора со вторым катализатором, преобразующим видимый свет в «химическую энергию», может использоваться вместо палладия. Это потенциально может сделать такие реакции дешевле и экологичнее. Но есть подвох: никелевые катализаторы менее эффективны и не обеспечивают такой же широты реакций, как палладиевые.
«В нашей лаборатории мы пытаемся понять, почему современные системы никелевого катализа — это ограниченные системы, и, основываясь на этом понимании, мы проектируем, создаем и изучаем альтернативные кандидаты и методы», — объясняет Пибер.
The group took an important step in 2020 by demonstrating that the limitations of nickel catalysis can be addressed. Исследователи обнаружили, что никелевые катализаторы могут разрушаться при использовании сложных строительных блоков, и показали, что этого можно избежать путем тщательного контроля условий реакции. Подход сработал, но реакции были очень медленными и требовали большого количества никелевых катализаторов.
«Конечно, это было еще далеко от эффективного метода», — говорит Пибер. — «Но это было важное доказательство концепции, и за последние несколько лет наше понимание этих каталитических реакций продолжало улучшаться».
Бена, аспирант, использовал это растущее понимание для разработки возможных структур более эффективных и надежных никелевых катализаторов, которые можно напрямую активировать видимым светом, и проверил свои идеи в лаборатории. Это в конечном итоге привело команду к новому лиганду, который помогает никелю преодолеть некоторые из оставшихся ограничений катализа под действием света.
«Мне нравится задача решения химической головоломки. Вы разрабатываете идею, проверяете ее экспериментально и извлекаете уроки из каждого результата», — говорит Бена. Его настойчивость в конечном итоге привела к созданию новой каталитической системы, которая широко применима и требует значительно меньше никеля.
Внутри группы Пибера была сформирована небольшая целевая группа — состоящая из Баник, Джаннудиса, Ортиса, Бауниса и Палиссери — для изучения общей применимости нового катализатора. Команда продемонстрировала универсальность своего метода, создав более 150 продуктов, начиная от простых строительных блоков и заканчивая сложными молекулами и производными таких лекарств, как флуоксетин, один из самых распространенных и широко назначаемых антидепрессантов.
Немного никеля — большой результат
Прорыв основан на специально разработанном лиганде, который повышает каталитическую активность атома никеля при инициировании видимым светом. Это позволяет новому катализатору создавать связи между атомами углерода, азота, кислорода, серы или фосфора, тем самым объединяя две молекулы в более крупную и сложную структуру.
«Самым поразительным результатом стало то, что мы можем эффективно создавать сложные связи с очень небольшим количеством никелевого катализатора», — говорит Бена.
Исследователям удалось снизить загрузку катализатора до 100 частей на миллион, или 0,01 мол.%. Проще говоря, это означает, что в данном эксперименте только одна молекула никелевого катализатора производит до 10 000 молекул продукта.
Таким образом, их работа демонстрирует, как понимание фундаментальной реакционной способности молекул на основе никеля может помочь превратить распространенный металл в более мощный катализатор.
«Такие низкие загрузки катализатора обычно достигаются только с катализаторами на основе палладия. Возможность сделать это с никелевым катализатором действительно захватывает», — объясняет Пибер. — «Сочетание низкой загрузки катализатора и высокой универсальности для многих строительных блоков может сделать этот подход особенно интересным для фармацевтического синтеза и производства тонких химикатов».
Публикация:
A. R. Bena et al. 2026. Ligand design broadens Ni-catalyzed C(sp²)–heteroatom couplings of aryl bromides at low catalyst loadings. Nature Catalysis. DOI: 10.1038/s41929-026-01616-6
Информация о финансировании:
Эта часть проекта ISTA была поддержана финансированием Австрийского научного фонда (PAT 1250924), ACS GCI Pharmaceutical Roundtable и исследовательской и инновационной программой Европейского союза Horizon 2020 в рамках грантового соглашения Марии Склодовской-Кюри № 101034413.
