Исследователи из Хэбэйского технологического университета придумали, как заставить свет творить настоящие чудеса в пробирке. Им удалось создать особый катализатор, который под воздействием обычного освещения начинает производить перекись водорода. Но это не просто химическая реакция ради любопытства — этот процесс открывает дорогу к сборке сложных молекул, например, для создания новых лекарств, с невероятной точностью.

Чтобы понять важность этой работы, нужно представить себе задачу, которая давно мучает химиков. Они пытаются научиться заменять простые связи в органических молекулах на более сложные, вводя туда атомы кислорода. Это называется функционализацией C–H связей. Без этого не обойтись при синтезе многих лекарств и природных соединений. Беда в том, что обычные методы часто работают грубо, как кузнечный молот вместо ювелирного резца: они либо дают много побочных продуктов, либо не могут получить нужную пространственную форму молекулы.

Одним из перспективных материалов для получения перекиси водорода на свету всегда считался сульфид кадмия (CdS). Это вещество умеет поглощать солнечную энергию и запускать химические реакции. Но у него был серьезный недостаток — он тут же разрушал только что созданную перекись прямо на своей поверхности. Представьте пекаря, который только испек пирожок и сам же его раздавил.

Команда ученых нашла элегантный выход из этого тупика. Они взяли сложный комплекс на основе родия и «пришили» его к наночастицам сульфида кадмия, которые по форме напоминают цветы, с помощью специального полимера. Эта сложная конструкция работает как идеальный конвейер: свет попадает на „цветок“ из CdS, родиевый комплекс аккуратно забирает электроны и направляет их на создание перекиси водорода, не давая ей разрушиться.

Подробности опубликованы в издании Frontiers of Chemical Science and Engineering.

Результаты получились впечатляющие. Новый катализатор производит перекись водорода в 2,4 раза быстрее, чем обычный сульфид кадмия. Если говорить языком цифр, то скорость генерации достигла 1345 микромоль на литр в час на грамм катализатора.

Самое интересное началось, когда ученые подключили к этой системе ферменты — пероксигеназы. Эти белки в природе умеют делать ту самую ювелирную замену связей, но для работы им нужна перекись водорода. Раньше ее приходилось добавлять вручную, что дорого и неудобно. Новая установка позволяет получать перекись прямо на месте, по запросу. Ферменты тут же используют ее, чтобы превращать обычные вещества в нужные продукты. Например, этилбензол они превратили в спирт с выходом 81% и потрясающей точностью — 99% молекул получились именно той пространственной формы, какая нужна. Метод отлично сработал и с другими веществами, давая спирты с выходами от 51% до 88% и чистотой до 99%.

Такой подход — комбинация света, искусственного катализатора и природных ферментов — открывает новые горизонты. Мы получаем возможность делать сложнейшие молекулы для фармацевтики просто, дешево и экологично, используя энергию света.

Давайте представим, что произойдет, если эту технологию удастся масштабировать. Наука и реальный мир получат как минимум три мощных преимущества.

• Во-первых, это производство лекарств. Многие современные препараты — это так называемые хиральные молекулы. У них есть левая и правая версия, как у перчаток. Часто работает только одна из них, а вторая может быть бесполезной или даже вредной. Метод, разработанный учеными, позволяет получать почти стопроцентно «правильные» молекулы. Это значит, что лекарства станут безопаснее, а их производство — дешевле, потому что не придется тратить ресурсы на отделение „мусорных“ версий.
• Во-вторых, это зеленая химия. Сейчас многие химические производства требуют высоких температур, давления и ядовитых растворителей. Здесь же основная движущая сила — обычный свет. А перекись водорода, которая тут же расходуется в деле, — это одно из самых экологичных веществ, она разлагается на воду и кислород. Мы получаем чистое производство без токсичных отходов, работающее при комнатной температуре.
• В-третьих, это энергетика. Умение эффективно и дешево получать перекись водорода — это еще и вопрос хранения энергии. Перекись можно рассматривать как жидкое топливо, которое удобно хранить и перевозить. Если мы научимся делать ее из воздуха, воды и солнечного света так же эффективно, как это делают растения, мы получим новый, чистый источник энергии.

Несмотря на блестящие результаты, исследование оставляет открытым один важный вопрос — масштабируемость и стабильность системы во времени. В лабораторных условиях на крошечных объемах все работает великолепно. Но что произойдет, когда мы попытаемся запустить реакцию в большом реакторе? Сульфид кадмия сам по себе не слишком стабилен на свету и может разрушаться (это называется фотокоррозией). Хотя умная оболочка из полимера и родиевый комплекс защищают его от разрушения перекиси, мы не знаем, как долго прослужит такая сборка. Выдержит ли она неделю непрерывной работы? Месяц? Хватит ли прочности у химических связей между «цветком» CdS и сложным органическим полимером, чтобы выдержать промышленные нагрузки? Без ответов на эти вопросы говорить о коммерческом применении пока рано.

Ранее российские ученые открыли новый метод синтеза лекарств.