НОВЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ – КОВАЛЕНТНЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ КАРКАСЫ

НОВЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ – КОВАЛЕНТНЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ КАРКАСЫ

Придав прежде хрупким ковалентным органическим каркасам [covalent organic frameworks (COF)] устойчивость к жестким условиям, исследователи из Японии предполагают, что они создали то, что может считаться новой эффективной концепцией катализа и нового типа катализаторов.

Группа Донлиня Цзяна (Donglin Jiang) из Национального Института Естествознания в Оказаки уже приводила пример применения полученных в их группе COF для активации высокопроизводительной и селективной реакции Михаэля, протекающей с участием кетонов, отличающихся низкой реакционной способностью. Цзян предполагает, что они разработали первый гетерогенный катализатор на основе не содержащего атомов металла пористого кристаллического материала.

По сравнению с низкомолекулярными соединениями ковалентные органические каркасы отличаются повышенной каталитической активностью – это обусловлено тем обстоятельством, что наноразмерные каналы таких систем могут аккумулировать реагенты и субстраты, сохраняя высокую энантиоселективность. Еще одним преимуществом новой каталитической системы является легкость отделения катализатора от реакционной смеси с помощью фильтрования или центрифугирования, что, очевидно, невозможно осуществить в рамках гомогенного катализа.

Японские исследователи сосредоточили свое внимание на изучении ковалентных органических каркасов, состоящих из слоев шестиугольников, объединенных через вершины; каждый шестиугольник был образован 12 молекулами, связанными друг с другом иминовыми связями. Предыдущие такие каркасы были получены за счет формирования стопок шестиугольников, в них наблюдалась значительная поляризация электронов, приводящая к понижению устойчивости формирующихся систем.

Коллеги Цзяна ввели метоксигруппы, которые понижали поляризацию, частично решая проблему неустойчивости всей пористой архитектуры, в молекулы, формирующие грани шестиугольников. Устойчивость полученных материалов была проверена в результате недельного воздействия на них различных факторов. Во всех случаях, даже при обработке кипящей водой и сильными кислотами, к концу испытания сохранялось не менее 70% исходного материала.

Модификация ковалентного органического каркаса (S)-пирролидином и метоксигруппами стабилизирует материал, обеспечивая его каталитическую активность. (Рисунок из Nat. Chem., 2015, DOI: 10.1038/nchem.2352 )

Для того чтобы сделать ковалентные органические структуры катализаторами, химики, используя реакции циклоприсоединения, ввели в материал (S)-пирролидиновые фрагменты. Модифицированные COF могут катализировать реакцию Манниха, протекающую в воде в обычных условиях, при этом полная конверсия исходных веществ достигается за 12 часов, в то время как полная конверсия при применении только (S)-пирролидина достигается за 22 часа. Как отмечает Цзян, новую каталитическую систему можно использовать и для катализа других реакций – альдольной конденсации и реакции Дильса-Альдера.

Источник: Nat. Chem., 2015, DOI: 10.1038/nchem.2352