Теория, подкрепленная практикой, и эффективный катализатор: как 2023-й год расширил знания xимиков

В конце года принято подводить итоги. Об интересных достижениях российских химиков в 2023-м «Вокруг света» рассказал кандидат химических наук доцент кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д.И. Менделеева Георгий Шахгильдян.

1. Химики теоретически исследовали богатый и важный класс органических веществ: соединения углерода с водородом и азотом

Фундаментальный результат получила группа под руководством Артема Оганова

Таких соединений множество. До сих пор было трудно понять, почему некоторые из них стабильны и часто встречаются в природе, а другие редки и недолговечны. Исследователи исходили из того, что самыми стабильными должны быть молекулы, в которых запасено меньше энергии, чем в их ближайших аналогах (это общий принцип в природе: любая система стремится минимизировать энергию, так вода стекает в самую нижнюю точку сосуда).

Химики провели на суперкомпьютерах квантовомеханические расчеты и вычислили, какие молекулы должны быть самыми стабильными. И теория подтвердилась: именно эти вещества чаще «соседей» встречаются в нефти и в космическом пространстве.

Это открытие подсказывает химикам, какие соединения будут достаточно стабильны для практического применения, а астрономам — какие молекулы нужно искать в космосе.

2. Исследователи получили катализатор, который сам подстраивается под конкретную реакцию

Этот интересный результат получен группой Валентина Ананикова

Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но не расходуется в ней. Без катализаторов химики как без рук: в любом химическом производстве подавляющее большинство процессов — каталитические. Эффективность катализатора для конкретной реакции зависит от физической структуры катализатора, его точного химического состава, температуры, давления, используемого растворителя и так далее. Приходится подбирать оптимальные условия в долгих и дорогих экспериментах. А если нужно освоить другую реакцию, даже похожую, поиск начинается сначала.

Анаников и коллеги создали систему, которая сама подстраивается под реагенты. Она состоит из простых и дешевых компонентов: солей никеля, органических «адаптеров» и фотоактивной добавки. Эта добавка реагирует на свет от обычной лампочки. Все компоненты катализатора и реагенты находятся в жидком состоянии. Под действием света они взаимодействуют друг с другом и с реагентами. В результате соли никеля и молекулы-«адаптеры» соединяются в частицы катализатора. И не в какие-нибудь, а именно те, которые эффективно ускоряют реакцию между реагентами.

С помощью новой системы получили более 250 веществ, в их числе предшественники лекарств, пестицидов и других продуктов. 

_{Фото: Zoonar GmbH RM / Legion Media, РХТУ ИМ. Д.И. Менделеева; Валентин Анаников}

_{Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 10, декабрь-январь 2023/2024}