Фотоокислительно-восстановительные катализаторы, разработанные в США учеными Массачусетского технологического института (MIT), призваны воздействовать на протекающие через них химические вещества, помогая синтезировать лекарства и другие соединения. Об этом сообщает портал Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Химические реакции, происходящие под действием света, представляют собой мощный инструмент для новых способов производства фармацевтических препаратов и других полезных соединений. Для использования этой световой энергии требуются фотоокислительно-восстановительные катализаторы, которые могут поглощать свет и передавать энергию в химическую реакцию.
Химики MIT разработали новый тип такого катализатора, который предполагается использовать для покрытия трубок и проведения химических превращений реагентов по мере их прохождения по трубке. В отличие от большинства существующих катализаторов, новый тип материалов нерастворим, поэтому его можно использовать многократно.
Массачусетского технологического института и соавтор нового исследования. Тимоти Свагер, профессор химии Джона Д. Макартура в Массачусетском технологическом институте, является старшим автором статьи, опубликованной сегодня в Nature Communications . Шэн Го, научный сотрудник Массачусетского технологического института, и Шао-Сюн Леннон Луо, аспирант Массачусетского технологического института, также являются авторами статьи.
Фото-катализаторы работают, поглощая фотоны, а затем используя эту световую энергию для запуска химической реакции, аналогично тому, как хлорофилл в растительных клетках поглощает энергию солнца и использует ее для построения молекул сахара. Известны две основных разновидности таких катализаторов – гомогенные и гетерогенные.
Гомогенные катализаторы обычно состоят из органических красителей или светопоглощающих комплексов металлов. Эти катализаторы легко настроить для проведения конкретной реакции, но их недостатком является то, что они растворяются в среде, где протекает реакция.
Гетерогенные катализаторы представляют собой твердые минералы или кристаллические материалы, которые образуют слои или трехмерные структуры. Они не растворяются, но их сложнее настроить для достижения желаемых параметров реакции.
Чтобы объединить преимущества обоих этих типов катализаторов, исследователи MIT решили внедрить красители со свойствами гомогенных катализаторов в твердый полимер. Для этого ими был адаптирован пластиковый полимер с крошечными порами, ранее разработанный той же командой ученых для разделения газов.
Исследователям удалось включить около десятка различных гомогенных катализаторов в свой новый гибридный материал, но в перспективе этот принцип допускает создание нерастворимых эквивалентов нужного катализатора для десятков тысяч видов известных фотоокислительно-восстановительных реакций, заявляет один из ведущих авторов исследования Ричард Лю, постдоктор MIT.
Исследователи обнаружили, что включение катализаторов в полимеры также помогло им стать более эффективными. Одна из причин заключается в том, что молекулы реагентов могут удерживаться в порах полимера, будучи готовыми к реакции. А световая энергия может легко перемещаться по полимеру, чтобы найти ожидающие реагенты.
Исследователи также показали, что они могут настраивать физические свойства полимерной основы, в том числе ее толщину и пористость, в зависимости от области применения, для которой они хотят использовать катализатор. В качестве одного из примеров они привели создание фторированных полимеров, которые используются для многих производств с непрерывным потоком. Во время этого типа производства химические реагенты проходят через серию трубок, в то время как к ним добавляются новые ингредиенты или выполняются другие этапы, такие как очистка или разделение.
В настоящее время включить фотоокислительно-восстановительные реакции в процессы с непрерывным потоком считается технически сложной задачей, поскольку традиционные катализаторы быстро расходуются. Включение новых катализаторов, разработанных MIT, в трубки, используемые для такого производства, может позволить проводить фотоокислительно-восстановительные реакции в непрерывном потоке. Трубка прозрачная, что позволяет свету светодиода достигать катализаторов и активировать их.
Катализаторы также можно использовать для покрытия магнитных шариков, чтобы их было легче вытаскивать из раствора после завершения реакции, или для покрытия реакционных флаконов или текстиля. В настоящее время исследователи работают над включением в свои полимеры более широкого спектра катализаторов и над созданием новых полимеров, чтобы оптимизировать их для различных возможных применений.