Почему химики до сих пор ищут катализаторы на ощупь
В 2003 году американские ученые умудрились провести реакцию кросс-сочетания без обычных для нее катализаторов. Связь между атомами углерода в реакции органического галогенида с бороновой кислотой образовалась, хотя необходимых солей и комплексов палладия химики в реакции не использовали. Ученые были настолько удивлены, что закупили новую стеклянную посуду и организовали для одного из сотрудников лаборатории «карантин»: чтобы никто случайно не занес катализатор на халате, работал с реакцией только он, а в рабочее пространство нельзя было вносить соли переходных металлов, которые могли загрязнить исходные реагенты. Но реакция все равно шла. Только через два года после публикации статьи о «некаталитическом» кросс-сочетании те же химики выяснили, что катализатор в их реакции все же был. Один из реагентов был с примесью палладия — настолько небольшой, что изначально ее обнаружить ученым не удалось.
И хотя сенсацию отменили, оригинальную статью с публикации никто не снял. Для каталитической химии подобные случаи если не норма, то точно не редкость. Даже журналы высокого уровня иногда публикуют статьи с невоспроизводимыми реакциями. Достоверно известно, что катализатор в системе есть, но что это за вещество и откуда оно там взялось — непонятно (о том, как подобные проблемы портят жизнь психологам и онкобиологам, мы писали в материалах «Не повторяется такое иногда» и «Собака съела протокол»).
Катализаторы — химические соединения, которые ускоряют реакции, но не расходуются в них. О том, что такие вещества существуют, химики узнали случайно. Одну из первых каталитических реакций провел сэр Гемфри Дэви в 1817 году. Он изучал воспламеняемость углеводородов, и в одном из экспериментов в качестве переносчика тепла решил использовать платиновую проволоку, устойчивую к высоким температурам.
Дэви заполнил реакционный сосуд с платиновой проволокой смесью воздуха и углеводородов и поджег ее. Как только смесь воспламенилась, ученый добавил в нее еще углеводородов — чтобы проверить, хватит ли накопившегося в реакционной смеси тепла для продолжения реакции. Горение, как он и предполагал, продолжилось.
Но через несколько секунд химик обнаружил, что платиновая проволока разогрелась и стала ярко светиться. Причем, несмотря на недостаток кислорода, горение продолжалось несколько минут даже без подвода тепла.
Если же он сначала заполнял сосуд смесью воздуха и углеводородов и потом вносил туда раскаленную докрасна проволоку, то пламя на ее поверхности не возникало, зато резко повышалась температура проволоки. Из этого Дэви вывел, что реакция идет на поверхности проволоки, а значит именно платина значительно ускоряет окисление. Так, совершенно случайно, был открыт один из первых катализаторов — и каталитические реакции вообще.
За прошедшие два века мы успели неплохо разобраться в том, как вещества, которые не нужны в химической реакции, могут, однако, ее ускорить. Катализатор вносит в обычную последовательность химического превращения новые промежуточные стадии. Например, при кросс-сочетании по Судзуки палладиевый катализатор сначала присоединяется по связи углерод-галоген в галогениде, затем реагирует с бороновой кислотой при содействии основания, а потом возвращается в исходное состояние, при этом от палладия отщепляется продукт кросс-сочетания. Там, где работает катализ, реагенты при встрече становятся чем-то другим не за один шаг, а в несколько стадий, успев побывать не в одном, а в нескольких переходных состояниях. У переходного состояния энергия достигает пика — этот барьер нужно перепрыгнуть, чтобы реакция прошла. Если у реагентов ее недостаточно, реагировать друг с другом они не будут.
Катализатор реагирует с исходными веществами и превращается в промежуточные соединения. Если он подобран правильно, энергетические барьеры между промежуточными соединениями оказываются ниже, чем в некаталитическом процессе, и реакция идет быстрее. Бывает, что сам по себе энергетический барьер очень высок, и в норме вещества вообще не реагируют друг с другом, но в присутствии катализатора реакция происходит за считанные минуты. При этом в зависимости от катализатора, из одних и тех же исходных веществ могут получаться разные продукты — просто потому, что каждый катализатор по-своему влияет на переходные состояния разных реакций. Например, из смеси двух алкенов с помощью катализатора Циглера — Натта (тетрахлорида титана в смеси с триэтилалюминием) можно получить полимер, а с помощью катализатора Граббса (карбенового комплекса рутения) — продукт реакции метатезиса.
Сам катализатор, после того, как выполнил свою работу, возвращается в исходное состояние. Поэтому даже минимальное количество палладия, попавшее в эксперимент американских химиков, раз за разом запускало реакцию кросс-сочетания. Впрочем, катализаторы часто сами вступают в необратимые побочные химические превращения — с продуктами, следами воды и воздуха, стенками посуды, даже сами с собой. Из-за этого они теряют активность, и на практике большинство катализаторов все-таки расходуются — их просто не выделяют из итоговой смеси после завершения реакции.
Как работают катализаторы в реакциях, которые без них идут плохо или в неверном направлении, химики разобрались. Например, механизмы катализа реакций гидрирования двойных связей или кросс-сочетания описаны в мельчайших деталях. А вот придумать на заказ вещество, которое ускорит нужную нам реакцию, оказалось сложнее. Никакого универсального способа для этого поиска не появилось до сих пор. Чтобы искать было проще, катализаторы стали систематизировать.
Их еще со времен Дэви делили на гомогенные (если катализатор и реагенты находятся в одной фазе) и гетерогенные (если катализатор и реагенты в разных фазах). Было ясно, что механизм их работы отличается. Но в жидкой среде определить тип катализа не всегда так же просто, как в случае с горением углеводородов на поверхности платиновой проволоки.
В 1918 году немецкие химики предложили использовать для этого ртуть. Ученые заметили, что этот металл замедляет гетерогенные реакции. Поэтому если после добавления в реакционный сосуд капли ртути скорость реакции значительно падала (оттого что ртуть связала все металлические частицы), процесс называли гетерогенным.
Полвека спустя ученые подробно описали устройство гомогенной каталитической реакции — и убедились, что растворимые и нерастворимые катализаторы действительно работают по-разному, а значит, для описания этих процессов нужны разные модели. В первом случае каталитические частицы находятся в растворе, и в реакции участвуют отдельные молекулы. Во втором — представляют собой отдельную фазу, на поверхности которой происходит реакция. И ученые думали, что если разобраться, в чем заключаются принципы двух этих процессов, то станет ясно, как искать новые катализаторы.
Но дальнейшие исследования этого вопроса привели пока что только к тому, что от ртутного теста в каталитической химии отказываются. В 2018 году выяснилось, что ртуть может реагировать и с растворимыми комплексами палладия, мешая таким образом не только гетерогенному, но и гомогенному катализу.
Чем дольше химики изучали каталитические процессы, тем яснее становилось, что не только тесты не работают, но и сам подход к систематизации реакций не совсем верен. Например, в 2020 году оказалось, что во многих реакциях, катализируемых карбеновыми комплексами палладия, участвуют не только растворимые комплексы катализатора, но и нерастворимые металлические наночастицы и кластеры, которые получаются после разложения этих комплексов. А значит, катализ здесь одновременно — и гомогенный, и гетерогенный.
Подобные коктейли из смеси растворимых и нерастворимых катализаторов — не редкость. Описывать внутренне разнообразные системы крайне сложно: нужно провести с десяток экспериментов, чтобы понять, какие именно из нерастворимых частиц участвуют в катализе. А предсказать реакционную способность нового кандидата в катализаторы часто вовсе невозможно: непонятно, насколько он будет устойчив в условиях реакции, и какие нерастворимые частицы получатся при разложении.
Так что химики вот уже два века продолжают заниматься перебором. А это занимает время: так, катализатор для получения метанола из углекислого газа ученые безуспешно ищут уже 30 лет. Те же проблемы с поиском катализаторов для восстановления углекислого газа до углеводородов, или синтеза перекиси водорода из водорода и кислорода. И это так долго не потому, что у химиков есть дела поважнее, — в этих катализаторах промышленность нуждается особенно остро (об этом подробнее в нашем интервью с химиком Грэмом Хатчингсом).
А после отмены ртутного теста развалилось и то немногое, что казалось понятным, — базовая дихотомия гомо- и гетерогенности катализа. Выяснилось, что некоторые, казалось бы, хорошо изученные каталитические реакции — совсем не то, за что их принимали. Например, в 2012 году российский химик Валентин Анаников обнаружил, что комплекс палладия с дибензилиденацетоном для гомогенного катализа, который закупают лаборатории, часто оказывается загрязнен палладиевыми наночастицами разного размера — их в составе до 40 процентов. Этот катализатор химики используют в кросс-сочетаниях, карбонилировании, сочетаниях алкинов и алленов. Выходит, что ни один каталитический процесс, открытый на этом комплексе, теперь нельзя считать полностью изученным. Все эксперименты надо повторить, а реакционные смеси проанализировать заново — вдруг где-то основным катализатором были металлические наночастицы, а не растворимые комплексные соединения?
«Залетные» каталитические частицы часто становятся причиной отзывов химических статей, авторы которых утверждали, что нашли новый катализатор. Так, в 2021 году в журнале Nature Catalysis вышла статья, авторы которой сообщали об открытии органического катализатора для реакции сочетания по Судзуки, в которой объединяются органический галогенид и бороновая кислота. При том, что теория механизмов кросс-сочетаний предполагает, что для этой реакции органические катализаторы не подходят в принципе, и здесь необходим металл.
Естественно, авторы статьи знали, что теория не допускает органических катализаторов в этой реакции. Ученые проверили все реагенты на наличие металлических примесей — те оказались чистыми. Кроме того, они провели кинетические исследования своей реакции и показали, что ее скорость не меняется при добавлении солей металлов в реакционную смесь или при дополнительной очистке катализатора. Также ученые построили компьютерную модель реакции с помощью теории функционала плотности, и она подтвердила, что реакция Судзуки может быть органокаталитической.
Неожиданным открытием даже успели воспользоваться другие химики — они использовали органический катализатор для синтеза микропористых полимерных материалов.
Но спустя некоторое время в том же Nature Catalysis вышли три работы, опровергающие открытие китайских химиков. Одни ученые показали, что если синтезировать органический катализатор без использования палладиевых комплексов (так его получали в оригинальной статье), он каталитическую активность в реакции Судзуки не проявляет. Другие сделали те же выводы, проанализировав образцы комплекса, полученные по оригинальной методике. Выяснилось, что авторы оригинальной работы искали палладий методом, который работает не для всех комплексных частиц, поэтому примесей и не нашли.
Похожая история приключилась с катализом реакции переноса водорода. Обычно в качестве растворителя для этой реакции используют изопропанол, который окисляется в ацетон с отщеплением молекулы водорода. Этот водород может гидрировать другое карбонильное соединение, находящееся в растворе. Для катализа этих реакций химики традиционно использовали, например, комплексы и соли алюминия или рутения, и добавляли в реакционную смесь сильные основания, чтобы спирт мог присоединяться к молекуле катализатора.
В 2009 году химики из Франции обнаружили, что для переноса водорода достаточно просто присутствия основания, например, гидроксида калия, и никакие дополнительные реагенты не нужны. Ученые провели кинетические тесты с добавкой солей металлов и проверили чистоту основания — реакция действительно катализировалась обычными гидроксидами щелочных металлов. Но исследователи не стали утверждать, что никаких неизвестных примесей в реакции не было. Так что механизм катализа в этом случае так и остается невыясненным.
Искать примеси, не понимая, что именно выступает катализатором, — очень неблагодарное дело. Загрязнены могут быть не только реагенты или посуда, но даже тефлоновая поверхность якорьков магнитных мешалок, которые используют для перемешивания реакционных смесей. Чаще всего одни и те же якорьки используют несколько месяцев или лет — они стойки к действию едких реагентов и легко отмываются. Но в 2019 году химики заметили, что в дефектах на поверхности якорька могут скапливаться наночастицы металлов, которые не удалить даже при тщательном мытье. А значит они могут выступать катализаторами реакций — включая и кросс-сочетание по Судзуки, которое мы упоминали выше. Для проверки достоверности каталитических реакций приходится использовать тщательно очищенную посуду, реагенты с точно известным составом — и новые якорьки.
Более того, каталитические примеси могут попадать в реакционную смесь буквально из воздуха. В семидесятых годах прошлого века в выхлопные системы автомобилей стали устанавливать каталитические конвертеры — трубки, заполненные металлическими частицами на подложке. В результате в почве и воздухе стало заметно больше наночастиц переходных металлов. С помощью платины, палладия и родия на поверхности конвертеров токсичные для человека окислы азота восстанавливаются до молекулярного азота, а угарный газ окисляется до безопасного углекислого. Из конвертеров металлы попадают в окружающую среду. Еще в 2012 году химики показали, что достаточно оставить стеклянный фильтр на обочине дороги — и уже через сутки на нем можно будет проводить реакции Хека и Судзуки с высокими выходами.
Современные методы химического и физического анализа позволяют довольно уверенно предсказывать продукты реакций даже сложных многоатомных молекул. С помощью квантово-химических расчетов и молекулярного моделирования можно довольно точно предсказывать физические свойства отдельных молекул, комплексных структур и кристаллов. А вот поиск катализаторов до такого уровня добраться пока не может, сколько ни старается.
Сейчас химики предлагают уже в пятый раз пересмотреть понимание того, что, собственно, считать катализатором: уже не отдельную молекулу, частицу или их смесь, а рассматривать катализатор как сложную динамическую систему, в которой последовательное превращение одних веществ в другие и дает ход катализируемой реакции.
«Если рассмотреть исторический срез развития каталитической химии, на первом этапе развития катализаторы представляли в качестве простых монометаллических комплексов. Один атом металла в катализаторе. Затем последовательно прошли волны нанокатализа, вымывания атомов и коктейля катализаторов. Сейчас мы с вами живем в эпоху пятой волны разработки катализаторов — динамический катализ», — объясняет N + 1 Валентин Анаников, заведующий лабораторией металлокомплексных и наноразмерных катализаторов Института органической химии имени Зелинского РАН.
Каталитические реакции идут одновременно по нескольким путям, каждый из которых трудно изолировать от прочих и детально изучить. А катализатором часто оказывается вовсе не то вещество, которое думали. «Укоренившееся заблуждение связано с тем, — продолжает собеседник N + 1, — что катализатором называют вещество, которое берут из банки и добавляют в реакцию, будь то комплекс металла или нанесенный катализатор. В реальной жизни это всего лишь предшественник катализатора, а реальный каталитически активный центр может иметь совершенно другую структуру».
Оттого и берутся все затруднения с поиском новых катализаторов. Сложность молекулярных взаимодействий сталкивается со сложностью проведения эксперимента, и на выходе рациональный дизайн катализаторов для конкретных реакций оказывается в тупике. Механизмы реакций приходится объяснять a posteriori — когда катализатор уже найден. Но и эти предположения, даже сделанные с помощью квантово-химических моделей, часто оказываются далеким от реальности упрощением.
«Ошибки возникают, когда исследователи излишне упрощают каталитическую систему и выбирают одну форму для рассмотрения, игнорируя остальные, — считает Анаников. — Так бывает в экспериментальных исследованиях при недостаточном применении аналитических методов. Например, если при изучении гомогенных каталитических реакций не использовать электронную микроскопию, то наночастицы металла останутся незамеченными. В теоретических моделях иногда рассматривают такие катализаторы, которые вообще не встречаются в природе».
Одни химики видят возможное решение этой проблемы в том, чтобы сделать использование одноразовой посуды стандартной лабораторной практикой, другие — разрабатывают общий протокол проверки исходных веществ на примеси. Третьи предлагают отдавать каждый новый катализатор на проверку в другие лаборатории и не публиковать ничего, пока их результат не воспроизведут коллеги.
Но несмотря на все эти меры, объяснять механизмы каталитических реакций, не забывая при этом об их структурной сложности и динамической природе, все еще тяжело. Как и предсказывать новые катализаторы теоретически. «Для разработки эффективных катализаторов нового поколения необходимо сразу на стадии дизайна учитывать их динамическую природу, — подводит итог Анаников. — Механизмы реакций исследуют снова, уточняют и открывают новые. Именно так и развивается наука в области катализа. Очень важно, чтобы исследователи знали, что катализаторы не являются статическими структурами. Катализ — это динамическое явление».