Недорогой катализатор на основе церия совершил прорыв в химическом синтезе

Этот новый цериевый катализатор переключается между двумя степенями окисления с различными химическими свойствами, позволяя проводить два совершенно разных реакций в одном сосуде. Автор: Доктор Синдзи Харада из Университета Тиба, Япония

Большинство лекарств, пластиков и промышленных материалов, широко используемых сегодня, производятся с помощью химических реакций. Обычно высокоэффективные и сложные вещества имеют комплексные структуры, и их сборка включает несколько этапов химических реакций, выполняемых последовательно. Это создает значительные трудности, поскольку каждый этап требует специфических условий, реагентов и катализаторов, а также значительных затрат энергии и труда.

Тандемные реакции предлагают многообещающее решение этой проблемы. Основная идея заключается в проведении нескольких реакций последовательно в одном сосуде без необходимости выделения промежуточных продуктов или смены катализаторов. Хотя повторение однотипных реакций относительно просто, основной сложностью была разработка единого катализатора, способного облегчать совершенно разные типы реакций.

Исследовательская группа под руководством доцента Синдзи Харады из Высшей школы фармацевтических наук Университета Тиба в Японии разработала решение этой проблемы. Их новый метод, известный как «редокс-адаптивный авто-тандемный катализ», использует один катализатор для проведения двух различных химических реакций в одном сосуде. Их исследование, соавторами которого выступили профессор Тэцухиро Немото и г-жа Нанами Цудзи из Университета Тиба, было опубликовано в журнале ACS Catalysis 3 августа 2025 года.

Исследователи достигли этого, используя уникальные каталитические свойства церия — широко используемого редкоземельного элемента. Совершенно случайно член команды оставил реакционный колбу открытой для воздуха при изучении реакции с участием церия. К их удивлению, в результате этого воздействия они обнаружили новый, совершенно неожиданный продукт. Это счастливое событие привлекло внимание команды и в конечном итоге привело их к ключевому открытию, полезному для тандемных реакций.

В отличие от других редкоземельных элементов, церий может легко переключаться между двумя степенями окисления, принимая две конфигурации, которые способствуют различным химическим превращениям. Вдохновленные неожиданными результатами своего предыдущего эксперимента, исследователи изучили способы использования этого свойства.

После скрининга и тестирования с различными недорогими цериевыми катализаторами им удалось связать две различные реакции. Первая реакция — это стадия образования цикла, которая действует на исходные реагенты с образованием промежуточного соединения с пятичленной кольцевой структурой. Вторая реакция — это реакция окисления, которая добавляет кислород к промежуточному соединению для получения конечного соединения.

Каждая реакция катализируется различной степенью окисления церия, и акт катализа любой реакции «переключает» церий на другую степень окисления. Таким образом, как выразился доктор Харада: «Церий действует как хамелеон, динамически меняя свою функцию для последовательного выполнения совершенно разных типов реакций в одном сосуде».

Используя этот метод, исследователи синтезировали различные α-гидроксилированные циклопентеноны — соединения, ценные для фармацевтического синтеза, с высокими выходами в мягких условиях. Тот факт, что один цериевый катализатор может автономно менять роли без внешнего вмешательства между двумя различными реакциями, может помочь сделать химическое производство гораздо более простым и энергоэффективным.

«Наши выводы могут привести к снижению затрат и уменьшению химических отходов, способствуя более экологичным и устойчивым синтетическим процессам», — говорит доктор Харада. Примечательно, что эта методика не требует опасных реагентов и может выполняться с помощью стандартного лабораторного оборудования без необходимости в специальных устройствах.

Команда сосредоточится на расширении своего нового метода редокс-адаптивного авто-тандемного катализа на более широкий спектр химических реакций, особенно тех, которые актуальны в фармацевтике и производстве функциональных материалов. Это не только ускорит разработку лекарств и инновации в области материалов следующего поколения, но и внесет вклад в создание новых производственных технологий с меньшим воздействием на окружающую среду.

Больше информации: Shinji Harada et al, Redox-Adaptive Auto-Tandem Catalysis: Ce(III)/Ce(IV) Interconversion-Mediated Integration of Nazarov Cyclization and Oxidative Hydroxylation, ACS Catalysis (2025). DOI: 10.1021/acscatal.5c03227

Источник: Chiba University

Интересный факт: Церий — самый распространенный из редкоземельных элементов, составляющий около 0,0046% земной коры. Он широко используется не только в катализаторах, но и в производстве стекла для шлифовки, в керамике, а также в качестве компонента в самовосстанавливающихся материалах.