Зеленая реакция

Что общего у известной автомобильной марки и Нобелевских премий 2010 года? На самом деле ничего, кроме одной довольно распространенной японской фамилии — Сузуки. Акира Сузуки стал нобелевским лауреатом по химии за изобретение процесса, прочно вошедшего в арсенал производителей ряда важнейших лекарств¹.(сноски см. в конце статьи)

Если у природы имеются достаточно мощные средства, чтобы создавать длинные и сложные молекулы, с помощью ферментов соединяя вместе атомы углерода, то арсенал методов человека не столь совершенен. Поэтому любой хороший способ усложнить органическую молекулу, создав новую связь между атомами углерода, весьма ценится в химии и фармакологии. В конце 1970-х годов японец Акиро Сузуки и его коллеги предложили соединять два атома углерода разных бензольных колец в очень мягких условиях. В реакцию друг с другом вступали атомы, к которым были присоединены галогены (йод, бром, хлор) и производные простейшего аптечного препарата — борной кислоты. Легко отрываясь от своих атомов углерода, бор и галоген образовывали между собой прочную связь; в свою очередь «осиротевшие» атомы углерода делали то же самое.

Реакция очень быстро нашла своих поклонников из-за доступности компонентов, легкости протекания и большой гибкости — ограничений по исходным реагентам почти не было. Единственный минус — требовались достаточно дорогие катализаторы, содержащие драгоценный металл палладий. Но этот довольно часто встречающийся в органической химии недостаток компенсировался уже вышеперечисленными достоинствами процесса.

За 30 с лишним лет реакция стала классикой не только в лаборатории, но и в промышленности. С ее помощью синтезированы важные природные соединения и лекарства — палитоксин — яд гавайских кораллов (одно из самых сложных для синтеза веществ на Земле), лозартан и вальсартан (применяются при сердечной недостаточности), антигрибковый препарат боскалид (применяется для защиты зерновых), а также проводящие ток полимеры для солнечных батарей и ЖК-экранов.

Тем временем химия не стояла на месте. Любой процесс, любую реакцию можно улучшать. В частности, сделав их безвреднее, ведь известно, что химические производства сопряжены с большим количеством вредных отходов. Поэтому в последние два десятилетия получило развитие такое направление, как «зеленая» химия. Прежде всего, речь идет о проведении реакций в растворителях, безвредных для окружающей среды, — например в сверхкритическом углекислом газе и воде. Многие реакции, протекающие в обычной «органике», стали переводить в «зеленые» растворители. «Воду от органических продуктов реакции гораздо легче отделить [чем органический растворитель] и, соответственно, очистить», — комментирует старший научный сотрудник химического факультета МГУ д.х.н. Михаил Нечаев.

Химики постепенно идут к тому, чтобы «зеленая» химия, в том числе и в отношении реакции Сузуки, получила промышленное распространение. В коллективе, возглавляемом Михаилом Нечаевым, куда входили исследователи из МГУ, ИНХС РАН и ИНЭОС РАН, недавно сделан новый шаг в этом направлении. Разработав новые палладиевые катализаторы для реакции Сузуки², российские ученые смогли добиться беспрецедентно мягких для нее условий — водная среда, длительность процесса 1–2 часа, его протекание на открытом воздухе (то есть не требуется удалять кислород), применение безвредной для окружающей среды пищевой соды вместо едких щелочей или органических аминов. Результаты работы опубликованы в Dalton Transactions (Dalton Transactions, DOI: 10.1039/c3dt32860k) — одном из самых цитируемых журналов в области неорганической и металлорганической химии.

Ученые опробовали новые катализаторы на большом количестве соединений (их называют субстратами), и во всех случаях выходы конечных продуктов были больше 80%, часто — более 90%. «Мы выбирали наиболее интересные для медицинской и промышленной химии субстраты, — говорит Нечаев. — Многие из них постоянно используются в прикладных исследованиях как структурные части новых лекарств и катализаторов». В частности, речь идет о катализаторах для промышленного синтеза полиэтилена³, в разработке которых Нечаев с коллегами участвует в рамках совместной лаборатории МГУ и компании LG.

Они не собираются останавливаться на достигнутом. «У нас почти готова статья, где мы проводим реакцию Сузуки вообще без растворителя, то есть, можно сказать, осуществляем еще более “зеленый” ее вариант», — приоткрывает свои планы ученый. «Мы занимаемся фундаментальной наукой», — добавляет он, — но всегда с прицелом на прикладное использование результатов в наиболее актуальных областях».

¹ Известен под названием «реакция Сузуки» или «реакция Сузуки-Мияуры». Для краткости в дальнейшем мы будем называть его «реакция Сузуки» 
² Это палладиевые катализаторы с производными шестичленных N-гетероциклических карбенов в качестве лигандов 
³ Катализаторы реакции Суздуки и сама эта реакция могут служить для синтеза составных частей катализаторов синтеза полиэтилена