Индиевые порфирины приблизили экологичный синтез лекарств

Новые фотокатализаторы на основе порфиринов показывают, как «зеленая химия» может изменить производство лекарств

Почему производство лекарств все чаще обращается к энергии света

Современный органический синтез остается одним из наиболее ресурсоемких этапов создания лекарственных веществ. Многие промышленные реакции требуют высоких температур, сильных кислот или токсичных окислителей, а затем сопровождаются сложной очисткой продуктов и утилизацией отходов.

Поэтому одним из наиболее быстро развивающихся направлений химии становится так называемая «зеленая химия» — подход, цель которого заключается не только в снижении загрязнения окружающей среды, но и в создании технологических процессов, требующих меньше энергии, реагентов и производственных операций.

Фотокатализ считается одним из наиболее перспективных инструментов такого перехода. Вместо нагревания реакцию запускает свет, а роль окислителя выполняет обычный кислород воздуха. Однако сам кислород химически относительно инертен. Чтобы превратить его в активную форму, необходим фотосенсибилизатор — вещество, которое поглощает свет и передает энергию молекуле кислорода.

После этого образуется так называемый синглетный кислород — высокоактивная форма кислорода, способная избирательно окислять органические соединения. Сам фотосенсибилизатор при этом не расходуется и может многократно запускать новые каталитические циклы.

Главная проблема состоит в другом: большинство подобных молекул постепенно разрушается под действием собственного рабочего освещения. Именно фотостабильность остается одним из ключевых ограничений промышленного фотокатализа.

Порфирины уже давно используются природой — теперь их возможности расширяют химики

Порфирины относятся к числу наиболее известных природных молекулярных платформ.

Именно порфириновое кольцо лежит в основе гемоглобина, который переносит кислород в организме человека. Близкие по строению соединения входят и в состав хлорофилла, обеспечивающего фотосинтез растений.

Благодаря способности эффективно поглощать свет ученые уже много десятилетий рассматривают порфирины как перспективную основу для фотокатализаторов, фотодинамической терапии и других светозависимых технологий.

Однако природная структура — лишь отправная точка. Современная химия позволяет изменять практически каждый элемент такой молекулы: расширять электронную систему, вводить различные металлические центры и добавлять функциональные группы, изменяющие ее свойства.

Именно такой системный подход использовали исследователи Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН.

Индий оказался значительно эффективнее цинка

Авторы исследования поставили перед собой задачу не просто синтезировать новый катализатор, а понять, какие структурные элементы действительно определяют его эффективность.

Они последовательно изучили влияние трех факторов:

• Металлический центр: исследование влияния природы металла на каталитические свойства;
• Ароматическая система: эффект расширения ароматической системы молекулы;
• Функциональные группы: роль периферических функциональных групп.

Такой дизайн исследования позволил оценить вклад каждого изменения по отдельности и их совместный эффект.

Одним из наиболее интересных результатов стало сравнение различных металлов.

Распространено мнение, что введение практически любого металла в порфириновую структуру улучшает фотокаталитические свойства. Однако работа показала значительно более сложную картину.

Комплексы с цинком сравнительно быстро разрушались даже при облучении маломощным источником света.

Наиболее успешным оказался вариант с ионом индия. Именно он обеспечил сочетание высокой активности и существенно большей устойчивости к фотодеградации. По данным авторов, такие комплексы оказались примерно в 20 раз более устойчивыми к обесцвечиванию по сравнению с аналогичными соединениями без металлического центра.

Сочетание трех модификаций дало эффект сильнее суммы отдельных улучшений

Максимальный результат был получен не за счет одной удачной модификации, а благодаря их сочетанию.

Лучшие характеристики показал фотокатализатор, объединяющий:

• Индиевый металлоцентр: высокая активность и устойчивость к фотодеградации;
• Расширенная ароматическая система: оптическая оптимизация поглощения;
• Периферические фоссонантные группы: дополнительная функционализация молекулы.

Такой подход позволил достичь числа каталитических циклов (TON) около 200 000. Иными словами, одна молекула фотокатализатора инициировала превращение примерно двухсот тысяч молекул исходного вещества.

Не менее впечатляющей оказалась скорость работы. Частота каталитических оборотов достигала около 16 700 превращений в час, а реакция завершалась за несколько часов при концентрации катализатора всего 0,0005%.

При этом селективность оставалась исключительно высокой: в 98–99% случаев образовывался именно целевой сульфоксид, тогда как образование нежелательного продукта — сульфона — практически отсутствовало. Именно такая избирательность особенно ценится в фармацевтическом синтезе, поскольку позволяет существенно сократить последующую очистку вещества.

Почему именно получение сульфоксидов имеет значение для фармацевтики

На первый взгляд исследование посвящено достаточно узкой химической реакции — окислению сульфидов до сульфоксидов.

Однако именно сульфоксиды широко используются при синтезе лекарственных веществ, агрохимикатов, специальных реагентов, а также в ряде технологических процессов нефтепереработки и металлургии.

Во многих существующих технологиях такие реакции требуют использования сильных химических окислителей, создающих дополнительные отходы и повышающих стоимость производства.

Предложенная система позволяет проводить те же превращения:

• при комнатной температуре;
• под действием обычного синего светодиода;
• используя кислород воздуха;
• без дополнительного насыщения кислородом;
• без агрессивных окислителей.

Кроме того, введенные функциональные группы позволяют закреплять молекулы фотокатализатора на твердых носителях, например на диоксиде титана. После завершения реакции такой катализатор можно отделить фильтрацией и использовать повторно, что особенно важно для промышленного производства.

От лабораторного результата до промышленного внедрения путь еще предстоит пройти

Несмотря на впечатляющие показатели, исследование пока относится к фундаментальной химии.

Продемонстрированная эффективность получена в лабораторных условиях на модельных реакциях. Для промышленного применения потребуется подтвердить стабильность катализаторов при масштабировании процессов, оценить экономическую эффективность производства самих соединений, изучить их долговременную работоспособность и возможность многократной регенерации.

Кроме того, внедрение фотокаталитических технологий требует адаптации промышленного оборудования под непрерывное световое облучение и оптимизации фотохимических реакторов.

Поэтому говорить о скором внедрении новой технологии в производство лекарств пока преждевременно. Однако сама работа существенно расширяет представления о том, какие молекулярные конструкции способны обеспечить одновременно высокую активность и долговечность фотокатализаторов.

Исследование отражает более широкий мировой переход к экологичному органическому синтезу

Во всем мире фотокатализ сегодня рассматривается как один из ключевых инструментов развития устойчивой химической промышленности.

Исследователи активно разрабатывают новые порфириновые материалы, металлоорганические каркасы, ковалентные органические структуры и другие фотокатализаторы, позволяющие использовать энергию света для проведения сложных химических превращений. Одной из центральных задач остается именно повышение фотостабильности без потери каталитической активности.

Работа российских исследователей хорошо вписывается в этот мировой тренд. Ее ценность заключается не только в создании нового соединения, но и в демонстрации того, каким образом выбор металлического центра, изменение электронной структуры и периферическое функционализирование работают совместно, усиливая друг друга.

Почему эта работа заслуживает внимания

Для пациентов новое исследование пока ничего непосредственно не меняет. До появления новых технологий промышленного производства лекарств пройдет еще значительное время.

Однако для химической промышленности и фармацевтического синтеза подобные исследования имеют долгосрочное значение.

Если удастся заменить часть традиционных процессов реакциями, использующими свет и кислород воздуха вместо агрессивных реагентов, производство многих действующих веществ сможет стать более безопасным, энергоэффективным и экологичным. Это соответствует одному из главных направлений современной химической промышленности — снижению экологической нагрузки без потери эффективности синтеза.