Природа превращает солнечный свет в химическую энергию с помощью фотосинтеза. Растения используют зелёный пигмент — хлорофилл — для поглощения солнечного света. Они преобразуют углекислый газ из воздуха и воду из почвы в глюкозу, которую используют в качестве источника питания. В процессе также выделяется кислород, который поступает в атмосферу.
Однако этот процесс не происходит в один шаг. Растения поглощают четыре фотона (частицы света) в тщательно продуманной последовательности, постепенно накапливая энергию, необходимую для расщепления молекул воды и выделения кислорода.
Такой многофотонный процесс — это удивительно элегантное решение задачи по захвату и хранению солнечной энергии.
Химики десятилетиями искали способы использовать видимый свет для запуска важных химических реакций, вдохновляясь фотосинтезом. Но основная проблема заключалась в том, что большинство синтетических светопоглощающих химических веществ — фотокатализаторов — могли поглощать только один фотон за раз. Поэтому они не производили достаточно энергии для сложных реакций.
В результате многие энергоёмкие химические процессы, такие как создание сложных фармацевтических препаратов или передовых материалов, оставались вне досягаемости видимого света.
В исследовательской группе Polyzos в Школе химии мы разработали новый класс фотокатализаторов, которые, как и растения, могут поглощать энергию от нескольких фотонов.
Этот прорыв позволяет нам более эффективно использовать световую энергию, запуская сложные и энергоёмкие химические реакции. Мы применили эту технологию для получения карбанионов — отрицательно заряженных атомов углерода, которые служат важными строительными блоками при создании или синтезе органических химических веществ, богатых углеродом и водородом.
Карбанионы жизненно важны для производства лекарств, полимеров и многих других важных материалов. Однако традиционные методы получения карбанионов часто требуют много энергии и опасных реагентов, а также приводят к образованию значительных объёмов химических отходов, что создаёт проблемы для окружающей среды и безопасности.
Традиционно для этого используют органолитиевые реагенты или реагенты Гриньяра, которые требуют экстремально низких температур для контроля их реактивности. Наш новый метод предлагает более экологичную и безопасную альтернативу.
Используя видимый свет и возобновляемые исходные материалы, а также систему фотокатализаторов, имитирующую накопление энергии в процессе фотосинтеза, технология генерирует карбанионы в мягких, экологически чистых условиях.
Алкены — простые молекулы с сильными двойными связями между атомами углерода — являются одними из наиболее распространённых и универсальных строительных блоков в химии. Однако превращение их в высокореактивные карбанионы было давней задачей.
Используя нашу многофотонную фотокаталитическую систему, мы преобразуем алкены в карбанионы, а затем быстро превращаем их в сложные молекулы. Этот подход существенно отличается от классических методов. Вместо использования токсичных металлов или других агрессивных реагентов реакция протекает в мягких условиях, масштабируется и приводит к меньшему количеству отходов.
Помимо научной новизны разработки этого процесса, наш метод имеет практическое значение. Мы использовали его для одностадийного синтеза важных молекул лекарств, включая антигистаминные препараты, используя простые, дешёвые и широко доступные «товарные химикаты» — амины и алкены.
Реакция хорошо масштабируется в промышленных реакторах непрерывного действия, что подчёркивает её потенциал для промышленного применения. Используя свет для расщепления алкенов на карбанионы, мы можем затем поэтапно добавлять различные химические группы контролируемым образом — создавая сложные молекулы, такие как аминокислоты и фармацевтические препараты, с большей эффективностью.
Наше открытие меняет представление химиков об алкенах, показывая, что они могут служить источниками высокореактивных карбанионов, доступных через видимый свет в мягких условиях. Стратегия соответствует природным принципам эффективности и устойчивости, обещая новые пути для создания сложных органических молекул без использования тяжёлых металлов или агрессивных реагентов.
В будущем команда планирует расширить эту светоуправляемую химию, включив в неё более разнообразные реакции с образованием углерод-углеродных связей и объединив её с ферментативным катализом.
Ферменты — точные молекулярные машины природы — обладают непревзойденной селективностью и вместе с нашими фотокатализаторами могут обеспечить синтез сложных трёхмерных молекул, имеющих решающее значение для открытия новых лекарств.
Изучив тонкое мастерство фотосинтеза, наша исследовательская группа формирует новую парадигму химического производства — ту, в которой солнечный свет питает устойчивые и элегантные решения для молекул, которые формируют наш мир.