Катализ. Синтез каталитических материалов

Введение

Впервые катализатор был использован в промышленности в 1746 году Дж. Хьюзом при производстве свинцовой серной кислоты. С тех пор катализаторы использовались в значительной части химической промышленности. Вначале в качестве катализаторов использовались только чистые компоненты, но после 1900 г. были изучены многокомпонентные катализаторы, которые теперь широко используются в промышленности.

В химической промышленности и промышленных исследованиях важную роль играет катализ. Различные катализаторы находятся в постоянном развитии для удовлетворения экономических, политических и экологических требований. При использовании катализатора можно заменить загрязняющую химическую реакцию более экологически чистой альтернативой. Сегодня и в будущем это может иметь жизненно важное значение для химической промышленности. Кроме того, компании / исследователю важно уделять внимание развитию рынка. Если катализатор компании не будет постоянно улучшаться, другая компания может добиться прогресса в исследовании этого конкретного катализатора и завоевать долю рынка. Для компании новый улучшенный катализатор может стать огромным преимуществом при конкурентоспособной стоимости производства. Остановка завода из-за ошибки в катализаторе обходится компании чрезвычайно дорого, поэтому правильный выбор катализатора или новое усовершенствование могут стать ключом к промышленному успеху.
Для достижения наилучшего понимания и разработки катализатора важно, чтобы различные специальные области работали вместе. Этими областями могут быть: органическая химия, аналитическая химия, неорганическая химия, инженеры-химики и химия поверхности. Также необходимо учитывать экономику. Один из вопросов, который необходимо учитывать, заключается в том, должна ли компания использовать деньги на проведение исследований катализаторов самостоятельно или покупать технологию у кого-то другого. По мере того, как аналитические инструменты становятся все более совершенными, катализаторы, используемые в отрасли, совершенствуются. Одним из примеров улучшения может быть разработка катализатора с более длительным сроком службы, чем у предыдущей версии. Некоторые из преимуществ улучшенного катализатора, влияющего на жизнь людей, включают: более дешевое и эффективное топливо, новые лекарства и лекарства, а также новые полимеры.
Некоторые из крупных химических процессов, в которых сегодня используется катализ, - это производство метанола и аммиака. Как метанол, так и синтез аммиака используют преимущества реакции конверсии водяного газа и гетерогенного катализа, в то время как другие химические отрасли промышленности используют гомогенный катализ. Если катализатор находится в той же фазе, что и реагенты, он считается гомогенным; в остальном он неоднороден.
1 Синтез каталитических материалов. Есть три причины для проведения исследований по синтезу каталитических материалов. Во-первых, найти новые или улучшенные катализаторы для желаемой реакции (например, эффективного производства высококачественного топлива, разложения оксида азота, прямого превращения метана в метанол, синтеза гомохиральных или энантиомерно чистых лекарств). В этом случае ищут либо новые классы материалов, либо модификации существующих материалов, чтобы достичь желаемого увеличения активности или селективности. Вторая причина для изучения синтеза катализатора - установить взаимосвязь между подготовительной процедурой и конечной структурой и свойствами катализатора. В данном случае цель состоит в том, чтобы понять, как выбор исходных материалов и условий синтеза влияет на состав и структуру катализатора. Успех в этом начинании может привести к идентификации принципов и стратегий получения катализаторов с заданными свойствами. Третья причина - снижение производственных затрат за счет снижения затрат на сырье или переработку.
Важность синтеза катализатора хорошо иллюстрируется недавней разработкой высокоактивных катализаторов для снижения выбросов оксида азота (NOx) электростанциями. В качестве материала для этого применения выбран ванадий с диоксидом титана. В применяемых в настоящее время технологиях ванадий диспергируется в порах монолита диоксида титана. Инженерный анализ характеристик таких катализаторов показал, что катализатор работает в режиме, обусловленном диффузией, и что пористая структура носителя может быть оптимизирована для достижения максимальной производительности. Дальнейшие исследования показали, что желаемая структура пор не может быть достигнута с помощью насыпного диоксида титана из-за ограничений физической прочности, но может быть достигнута с помощью диоксида кремния. Чтобы получить химические свойства диоксида титана, необходимые для его высокой внутренней активности, диоксид титана диспергируют в порах монолита диоксида кремния, а затем на частицы диоксида титана наносят ванадий. Основываясь на лабораторных испытаниях, полученный материал демонстрирует каталитическую активность на 50% выше, чем ранее доступный, и обещает улучшенную устойчивость к ядам благодаря своей бимодальной пористой структуре. На этой иллюстрации показано, как знание свойств материала может быть объединено с анализом динамики реакции и массопереноса для разработки катализатора с оптимальными рабочими характеристиками для целевого применения.
Высокая селективность в сочетании с высокой активностью часто может быть достигнута с помощью гомогенных катализаторов. На эти свойства влияет природа переходного металла, расположенного в каталитически активном центре комплекса. Вариации в составе лигандов и растворителя, в котором растворен комплекс, могут влиять на каталитические свойства комплекса. Стратегическое изменение этих переменных может быть использовано для получения полезных катализаторов. Недавний пример этого - синтез напроксена, противовоспалительного препарата. В настоящее время это лекарство является дорогостоящим, поскольку в результате процедуры синтеза получается смесь двух оптических изомеров, которые необходимо разделить, поскольку желательным продуктом является S-напроксен, а R-напроксен - токсин печени. Чтобы снизить затраты на производство, нужно повысить селективность катализатора по S-изомеру. Недавние исследования показали, что напроксен может быть получен с высокой селективностью путем асимметричного гидрирования α- (6-метокси-2-нафтил) акриловой кислоты с использованием растворимого рутениевого комплекса, содержащего хиральный фосфиновый лиганд. Этот прогресс обещает не только снижение стоимости производства, но и устранение потенциально вредных побочных продуктов.
Молекулярные сита, особым классом которых являются цеолиты, открывают широкие возможности для создания новых катализаторов. Эти материалы характеризуются кристаллическим каркасом, содержащим полости и каналы молекулярных размеров (0,3-1,0 нм). Каталитическая активность обычно обусловлена ​​кислотными центрами каркаса. Многофункциональный катализ может быть достигнут путем диспергирования мелких металлических частиц в полостях молекулярного сита.
Что делает молекулярные сита такими интересными материалами, так это их широкий диапазон составов и топологий. До 1982 года большинство молекулярных сит были основаны на алюмосиликатах. Эти материалы широко известны как цеолиты. Однако недавние разработки в Universal Oil Products (UOP) Inc. продемонстрировали возможность производства молекулярных сит на основе алюмофосфатов. Путем замены алюминия или фосфора различными металлическими элементами можно получить широкий спектр материалов, которые различаются по своим каталитическим свойствам. Хотя сегодня известно около 60 различных топологий молекулярных сит, теоретически возможны десятки тысяч структур, но знания о том, как синтезировать конкретные структуры, пока недоступны. Особый интерес представляет поиск способов производства молекулярных сит с размером отверстий более 0,7 нм. Такие материалы будут способны принимать большие молекулы реагентов, обнаруженные в тяжелой нефти и других тяжелых ископаемых жидкостях. Прогресс в достижении этой цели был недавно достигнут благодаря открытию молекулярного сита с большими порами (VPI-5), которое содержит 18-членные кислородные кольца с отверстием 1,2 нм. Теперь задача состоит в том, чтобы найти способы сделать VPI-5 каталитически активным и стабильным в условиях реакции.
Кристаллы молекулярного сита обеспечивают не только однородные внутрикристаллические поры, но также однородную и четко выраженную тетраэдрическую координацию для ионов каркасных металлов. Открытие большого разнообразия структур и химического состава в семействе кристаллов алюмофосфатных молекулярных сит открывает возможности для получения молекулярных сит с катионами переходных металлов в кристаллическом каркасе. Это уникальное, предсказуемое расположение ионов переходных металлов в микропористых кристаллических решетках открывает возможности для окисления, окислительно-восстановительного катализа или другого катализа, связанного с переходными металлами.
Глины, фосфонаты и другие ламеллярные структуры представляют собой еще один класс материалов, которые вызывают растущий интерес в области катализа. Путем введения органических или неорганических «столбов» между ламелями можно создавать галереи молекулярных размеров. Регулируя высоту столбов, можно добиться равномерного межламеллярного расстояния 0,5-4,0 нм. Можно использовать такие столбчатые слоистые структуры. в качестве катализаторов, если столбики содержат кислотные группы, или в качестве носителей для переходных металлов или их комплексов. В последнем случае носитель может служить для ориентации реагента таким образом, чтобы можно было достичь уникальной селективности реагента и продукта. Важной задачей на будущее является найти способы улучшить термическую и гидротермальную стабильность таких столбчатых пластинчатых структур.
2 Особенности применения биокатализа в медицине и науке. Биокатализ - привлекательная технология для фармацевтической промышленности по нескольким причинам. Катализ на основе ферментов отвечает постоянно растущим требованиям к высокоселективным, безопасным и устойчивым производственным процессам. В отличие от своих аналогов-хемокатализаторов, биокатализаторы имеют очень большую трехмерную структуру, которая создает множество точек соприкосновения с интересующим субстратом, обеспечивая исключительную селективность. Посредством белковой инженерии можно легко произвести модификации белковой последовательности и, следовательно, структуры, чтобы изменить свойства биокатализатора. Превосходная регио- и стереоселективность ферментных катализаторов наряду с их способностью работать в мягких условиях реакции (таким образом, защищая существующие функциональные возможности в молекуле) позволяют проводить преобразования без необходимости в нескольких стадиях защиты и снятия защиты в ходе синтеза.
Кроме того, биокатализ предлагает как экономические, так и экологические преимущества перед хемокаталитическими методами. Ферменты производятся из недорогих возобновляемых ресурсов и сами являются биоразлагаемыми, что соответствует основным принципам зеленой химии и устойчивого развития, обозначенным Грэделем:
(1) «Использование природных ресурсов такими темпами, которые не приводят к недопустимому сокращению запасов в долгосрочной перспективе»
(2) «Образование и рассеивание остатков со скоростью не выше, чем может легко ассимилировать естественная среда»
По сравнению с синтетическими методологиями, в которых для катализа используются драгоценные металлы, преимущества в стоимости и устойчивости очевидны. Такие металлы, как родий, часто используются для асимметричных превращений в химическом синтезе. Однако это один из самых дефицитных металлов на земле5. Помимо экологических затрат на добычу драгоценного металла, дефицит и конкурирующий спрос со стороны других отраслей (в первую очередь, автомобилестроения и электроники) приводят к большим колебаниям рыночных цен на металлы. такие как родий, потенциально нарушающие цепочки поставок и прогнозы стоимости товаров. Затраты на производство биокатализаторов путем сравнения стабильны, предсказуемы и легко поддаются экономическому моделированию с использованием стандартных инструментов.
Сначала мы обсудим доступ к ферментам. Доступ к ферментам можно рассматривать как как нашу способность физически получать фермент, так и как диапазон биокаталитических активностей, доступных для использования. Около 15 лет назад промышленность в значительной степени отошла от биокатализа целых клеток, чтобы сосредоточиться почти исключительно на процессах на основе изолированных ферментов. Длительные сроки и значительные инвестиции из-за сложностей с разработкой процессов ферментации целых клеток отодвинули эту работу к концу графика разработки лекарств. Это означало, что реализация стадии биокатализа целых клеток в синтезе требовала замены существующей химии, которая хорошо использовалась в клинических испытаниях на людях.
Ситуация изменилась с переходом на биокатализ изолированного фермента. Стабильные ферментные препараты теперь можно хранить в лабораторном холодильнике и использовать для быстрой доставки фармацевтических промежуточных продуктов на любой стадии процесса разработки лекарств. Внедрение биокаталитического этапа на ранней стадии разработки маршрута имеет решающее значение для закрепления роли биокатализа в этом синтезе. В идеале, можно было бы инициировать усилия по биокатализу на раннем этапе программы открытий, чтобы ускорить и вдохновить разработку нового химического вещества.
Этот отход от процессов целиком в клетке создал необходимость рециклинга кофактора. На раннем этапе в подавляющем большинстве биотрансформаций использовался кофактор. -независимые гидролазы. Отсутствие необходимости в рециркуляции кофакторов и широкая доступность разнообразных ферментов с широким спектром специфичности субстратов сделали гидролазы уникально подходящими для крупномасштабных промышленных применений.
Однако кофактор-зависимые ферменты, такие как кеторедуктазы и трансаминазы, продемонстрировали чрезвычайно полезную синтетическую ценность, поэтому была проведена работа по разработке экономичных систем рециркуляции кофакторов для этих классов ферментов. Помимо легкого доступа в виде изолированных порошков ферментов, коллективные усилия Область исследования новых классов ферментов значительно расширила репертуар биокаталитической химии, доступной химикам-синтетикам. От гидролитических реакций до восстановления, трансаминирования, окисления и галогенирования - инструментарий, доступный химикам-синтетикам, никогда не был больше.
Наши усилия по открытию и доступу к новым активностям ферментов стали возможными благодаря комбинации секвенирования геномной ДНК и технологии рекомбинантной ДНК. Достижения в технологии секвенирования экспоненциально увеличили количество последовательностей, заполняющих общедоступные базы данных. Эти последовательности могут быть получены с использованием вычислительных инструментов для поиска гомологии последовательностей по сравнению с ферментами с известной функцией. Рекомбинантная экспрессия этих ферментных последовательностей в хозяевах, таких как E. coli, затем обеспечивает быстрый доступ к предполагаемым ферментам с желаемой активностью.
Вторым и, вероятно, наиболее важным фактором, влияющим на скорость реализации биокаталитических процессов, является белковая инженерия. Биокатализ прошел через три отдельных этапа за последнее столетие, и я предполагаю, что мы начинаем переходить к четвертой фазе. Эти фазы отличаются нашей способностью модифицировать или создавать белок и его свойства в соответствии с нашими потребностями.
Первый этап состоял из использования природных биокатализаторов для обеспечения желаемой трансформации. Используемый химический состав зависел от естественной склонности фермента дикого типа превращать субстрат в желаемый продукт. На втором этапе, который проходил в 1980-х и 1990-х годах, ранние методы белковой инженерии, основанные на структурной информации, были использованы для расширения области субстратов биокатализаторов до неприродных соединений. Третья фаза ускорила темп оптимизации биокатализатора с использованием подходов направленной эволюции, впервые предложенных Пимом Стеммером и Фрэнсисом Арнольдом.
Быстрое создание ферментных мутантов с использованием новых методов молекулярной биологии в сочетании с селективным давлением через условия скрининга позволило улучшить ферменты до желаемых свойств гораздо быстрее, независимо от наличия кристаллической структуры. Этот повсеместный подход использовался для бесчисленных ферментов и является сегодня основным методом улучшения биокатализаторов, что привело к резкому увеличению использования биокатализа, начиная с конца 1990-х годов, о чем говорилось ранее.
Подход направленной эволюции к оптимизации ферментов был ускорен и коммерциализирован такими компаниями, как Codexis, которые объединили молекулярную биологию, автоматизированную робототехнику и интегрированное программное обеспечение для анализа мутационных эффектов. Действительно, будет справедливо сказать, что белковая инженерия посредством направленной эволюции - единственный величайший инструмент биокатализа. Это позволяет нам представить себе идеальный процесс и создать подходящие биокатализаторы для соответствия этому процессу, а не полагаться исключительно на ферменты, предоставленные природой. К сожалению, справедливо также сказать, что белковая инженерия является самым большим препятствием на пути реализации биокатализа. Несмотря на десятилетия достижений в этой области, сроки оптимизации биокатализатора для внедрения в фармацевтический процесс все еще слишком велики.
Одним из наиболее успешных и широко известных примеров фармацевтического процесса с использованием высокоразвитого биокатализатора является процесс ситаглиптина, который используется в коммерческом производстве крупнейшего по объемам и продажам продукта нашей компании - Januvia. Направленная эволюция фермента трансаминазы, используемого в этом процессе, заняла один год.
Затем новый процесс потребовал повторного обращения в регулирующие органы, поскольку продукт уже был на рынке к тому времени, когда биокаталитический синтез был готов к внедрению. Наша цель должна заключаться в предоставлении наилучшего химического состава при запуске продукта, чтобы получить финансовые преимущества и преимущества цепочки поставок, которые дает наиболее эффективный процесс. Эти преимущества включают снижение стоимости товаров, снижение требований к инвентарным запасам и возможность более быстрого реагирования на изменения рыночного спроса. Внедрение наилучшего процесса при запуске продукта также позволяет избежать ресурсоемких и дорогостоящих перспектив согласования нового процесса с регулирующими органами по всему миру.
Итак, насколько нам нужно ускорить разработку белков, чтобы удовлетворить потребности фармацевтической промышленности? Просто полагаясь на пример ситаглиптина, можно предположить, что удвоения скорости достаточно для удовлетворения наших потребностей. Однако остановка там ограничит перспективы биокатализа отдельными шагами в синтезе всего нескольких программ в портфеле фармацевтической компании. Недавние успехи биокаталитических путей привели к появлению гораздо большего числа «клиентов», и теперь целые портфели лекарств оцениваются на предмет потенциального воздействия на биокатализ.
Кроме того, эта область не ограничивается одним хиральным превращением в синтезе. Биокаталитические каскады оказались очень привлекательными методологиями для быстрого наращивания молекулярной сложности из недорогих исходных материалов в одной емкости при одновременном достижении равновесия реакции в направлении желаемых продуктов. Сочетание стремления подать наилучший химический состав при запуске продукта с увеличением количества программы биокатализа, находящиеся в стадии разработки, и возможность нескольких ферментативных стадий в процессе синтеза, мы можем легко увидеть, как требуется 10-кратное повышение скорости инженерии белка, чтобы реализовать все эти возможности.
Ранние фазы биокатализа протекали «урывками». Фармацевтические компании часто наращивали усилия только для того, чтобы спустя годы использовать ресурсы из-за неспособности технологии обеспечить результаты в требуемые сроки. Я верю, что текущие инвестиции в биокатализ никуда не денутся теперь, когда мы достигли скорости ускользания в темпах белковой инженерии. Однако задача разработки биокатализатора на порядок быстрее по-прежнему остается сложной.
Последний вариант фермента часто значительно отличается от своего родительского белка, при этом 10–20% аминокислот дикого типа заменяются другими. Рассматривая это в контексте, для белка с 300 аминокислотами существует более 10390 возможных комбинаций последовательностей, которые могут быть созданы с использованием стандартных 20 аминокислот.
Мы ясно видим, что это устрашающая игра с числами, в которой просто невозможно выиграть. за счет увеличения пропускной способности и случайного исследования большего пространства последовательностей. Это подчеркивает нашу необходимость вступить в четвертую фазу биокатализа, на которой биокатализаторы разрабатываются путем рациональной направленной эволюции в цикле «дизайн – изготовление – испытание», объединяющем несколько дисциплин в один цельный промышленный рабочий процесс.
Этап проектирования состоит из использования вычислений и информатики для создания разнообразия, представляющего пространство последовательностей, которое мы хотим исследовать, чтобы улучшить приспособленность фермента. Этап создания использует удивительную силу биологии для создания физических конструкций, которые мы хотим протестировать.
Наконец, на этапе тестирования цикла используется высокопроизводительное экспериментирование для оценки производительности каждой конструкции в желаемых экспериментальных условиях. Этот итеративный процесс позволяет белковым инженерам создать обоснованную модель того, как мутации влияют на функцию белка, приближая нас к нашим целевым параметрам проектирования.
Вычислительные инструменты, несомненно, являются важной движущей силой увеличения скорости во многих аспектах цикла проектирования, включая: разработку рационально полученных конструкций, статистическую деконволюцию мутационных эффектов и постоянно растущую способность прогнозировать влияние одновременных мутаций в белке. В последние годы область создания белков de novo привела к все более интересным результатам. Однако каталитическая эффективность этих биокатализаторов, разработанных in silico, обычно намного ниже, чем та, которую можно получить с помощью методологий направленной эволюции.
В результате мы начинаем наблюдать интересную и полезную тенденцию, благодаря которой первоначальные ферментные конструкции, разработанные de novo, получают дальнейшее развитие улучшены с использованием классических методов направленной эволюции. В будущем необходимо еще больше объединить эти подходы, используя очень большие наборы данных, созданные в рамках нескольких проектов эволюции ферментов, для обогащения наших прогнозных моделей с помощью алгоритмов машинного обучения, а не простых статистических деконволюций.
В поле также необходимо использовать больше информации, чем дает один анализ активности или селективности в тестовой части цикла проектирования. В идеале высокопроизводительные методологии для полной биофизической характеристики каждой конструкции коррелируют мутации с множеством параметров: активность, селективность, экспрессия, правильная укладка, стабильность и т. д. В конечном итоге эти усилия должны привести к сокращению времени, необходимого для проведения каждый раунд белковой инженерии и увеличение прироста производительности, достигаемого в результате каждого раунда по множеству показателей.
Хотя основным фактором успеха биокатализа была инженерия белка, иммобилизация ферментов может играть важную роль в принятии биокаталитических процессов. Большая часть синтетической химии проводится в органических растворителях. Иммобилизация ферментов позволяет использовать биокатализаторы в системах органических растворителей.
Возможность запускать ферментативно-катализируемое превращение в растворителях, совместимых с предшествующим и последующим химическими процессами, устраняет многие этапы выделения и переключения растворителя, необходимые для обычного водного биокатализа, обеспечивая значительно больше эффективные процессы с меньшими затратами и меньшими отходами. Это облегчает телескопирование реакции, легкое извлечение и повторное использование ферментов, более легкое удаление примесей, связанных с белком, из конечного активного фармацевтического ингредиента и непрерывные методы обработки. Хотя существует множество примеров иммобилизации ферментов, общая методология быстрой и недорогой иммобилизации биокатализаторов все еще ускользает от нас. Решение этой проблемы потребует совместных усилий химии, молекулярной биологии, материаловедения и химической инженерии.
Влияние биокатализа на фармацевтическую промышленность продолжает расти. Быстрый доступ к ферментам с разнообразной природной и даже неестественной каталитической активностью расширил набор инструментов химика-синтетика-органика. Полное использование возможностей для более дешевых и более устойчивых биокаталитических процессов требует резкого увеличения скорости белковой инженерии. Единственный способ добиться этого - использовать междисциплинарный подход, сочетающий высокопроизводительные эксперименты, передовые методы молекулярной биологии и вычислительные инструменты.
Наконец, так же, как целостный взгляд необходим для ускорения белковой инженерии, разработка биокаталитического синтеза в целом представляет собой глобальную проблему оптимизации. Каскадный биокатализ и способность работать в органических растворителях с иммобилизованными ферментами приближают нас еще на один шаг к конечной цели. Мы должны думать о «биокатализе» как о «катализе». Биокатализ - это просто еще один набор реакций в мире органической химии, который позволяет нам развить окончательный синтез молекулы.
3 История полиэтилена: непрерывные хирургические перчатки и прачечные сумки. Что общего между стойкими к порезам хирургическими перчатками и мешками для белья? Оба они сделаны из полиэтилена. Полиэтилен был открыт в конце 1930-х годов группой химиков, которые изучали свойства этилена, газа, при высоком давлении и температуре. Они обнаружили, что при определенных условиях газ превращался в гибкое белое твердое вещество, которое оказалось отличным изолятором. (С тех пор он пользуется популярностью в качестве обертки для пищевых продуктов.) Вторая мировая война вызвала острую потребность в большом количестве такого изолятора для покрытия проводов радарных установок и электронного оружия. Фактически, без этого спроса от полиэтилена можно было бы отказаться как от слишком опасного для производства: первые производственные предприятия часто взрывались.
Как оказалось, Вторая мировая война также привела к созданию более безопасного способа производства полиэтилена. Германия, отрезанная от мировых нефтяных месторождений блокадой союзников, развернула программу аварийных исследований по разработке синтетического топлива и смазочных масел. Карл Циглер, один из главных химиков в этой области, продолжил эти исследования после войны, используя этилен в качестве сырья. Однажды в 1953 году он с удивлением обнаружил, что реакционный сосуд заполнен полиэтиленом, хотя он не использовал высокую температуру и давление, которые считал необходимым для его изготовления. Секрет оказался металлическим катализатором. В отличие от высокотемпературной разновидности этот новый полиэтилен был жестким, а не гибким, а также отличался другими характеристиками. (Сейчас из него делают молочные бутылки.)
Дальнейшие исследования показали, что два типа полиэтилена растут по-разному. Катализатор Циглера избирательно сшивает молекулы этилена встык, образуя длинные прямые цепи полиэтилена. Эти линейные молекулы легко складываются, как дрова, давая твердый, кристаллический материал высокой плотности, который используется для молочных бутылок. Однако высокотемпературный процесс протекает через «радикальные» промежуточные соединения - нестабильные частицы, которые без разбора реагируют со всем, что находится в поле зрения, включая свои собственные полимерные цепи. Когда это происходит, в некогда линейной цепи появляются ответвления, и точно так же, как груда хвороста не складывается аккуратно, то же самое происходит и с разветвленными полимерами, в результате чего получается мягкий, аморфный материал с низкой плотностью.
Современные катализаторы могут быть использованы для полимеризации этилена в линейный полимер сверхвысокой молекулярной массы. Из этого материала можно получить чрезвычайно прочные волокна, которые можно использовать в хирургических перчатках, устойчивых к порезам.
Еще одна быстро открывающаяся область - образование каталитически активных антител, нацеленных на специфические реакции. Доступны разные подходы. Сюда входит образование антител к структурам, напоминающим структуры переходных состояний реакций, для которых требуется катализатор. Недавние исследования продемонстрировали ускорение скорости ряда реакций, катализируемых антителами, в 106 раз по сравнению с некаталитической скоростью. Развитие дизайна каталитических антител включает привнесение каталитической активности в антитела с помощью молекулярно-биологических или химических средств. Эти стратегии допускают априорную эволюцию каталитической активности в сайте объединения антител, а также допускают постепенное увеличение количества каталитических антител, генерируемых другими способами. Примеры таких подходов включают введение каталитических групп посредством комплементарности гаптен-антитело, химическую модификацию, создание сайтов связывания кофакторов и сайт-направленный мутагенез. Эти системы предлагают катализаторы для реакций помимо тех, которые доступны с ферментами.
Наука о катализе традиционно развивалась в результате появления новых экспериментальных методов, но теория начала играть все более важную роль. Это изменение является результатом недавних достижений в теоретической и вычислительной химии, инженерии реакций и доступности мощных суперкомпьютеров для обширных вычислений, которые позволяют отображать результаты в графическом виде. Информация, полученная в результате теоретических исследований, становится полезной при разработке новых катализаторов, интерпретации экспериментальных измерений и понимании того, каким образом состав и структура катализатора влияют на его активность и селективность.
Значительный прогресс был достигнут в моделировании и расчетах относительных энергий промежуточных соединений в гомогенном катализе переходными металлами. Эти системы небольшие и обычно включают один металл и один постоянный набор лигандов. Однако даже для относительно простых систем для расчетов ab initio требуются большие приближения. Результаты, полученные с помощью этих систем, в которых могут быть определены детальные молекулярные структуры и могут быть внесены систематические структурные изменения, будут служить ориентирами для более сложных гетерогенных систем.
Интерпретацию спектроскопических анализов катализаторов можно облегчить с помощью соответствующих расчетов. Расчеты заполнения валентных электронов на d-орбиталях оказались полезными для правильной интерпретации измерений структуры вблизи края поглощения рентгеновского излучения (XANES) на малых металлических частицах. Для цеолитных материалов можно сделать теоретические прогнозы инфракрасного излучения. Сравнение рассчитанных и экспериментально наблюдаемых спектров может быть использовано как чувствительный тест атомно-атомных потенциалов. Обладая точным знанием таких потенциалов, можно делать прогнозы относительно фазовых превращений и других структурных изменений, происходящих при повышенной температуре.
В литературе появляется все больше примеров, указывающих на возможность расчета кривых потенциальной энергии для элементарных стадий каталитических реакций малых молекул. Такие вычисления полезны в качестве первого шага для определения наиболее энергоемких (то есть ограничивающих скорость) шагов в последовательности реакций; тем не менее, будущие усилия в этом направлении должны осуществляться с использованием реалистичных фосфиновых лигандов, чтобы можно было сделать значимые сравнения с экспериментальными наблюдениями. Прогнозирование влияния растворителей на энергетику и динамику гомогенных каталитических реакций также остается важной задачей. Некоторые начальные попытки решить такие проблемы были предприняты в области ферментного катализа, где известно, что свойства растворителя влияют на скорость ассоциации субстрат-фермент.

Заключение

Катализ - сложная междисциплинарная наука. Таким образом, прогресс в направлении существенно улучшенного видения химии и ее практического применения зависит от параллельных достижений в нескольких областях, включая, скорее всего, синтез новых каталитических материалов и понимание пути каталитических реакций. По этой причине будущие исследовательские стратегии должны быть сосредоточены на разработке методов, позволяющих наблюдать стадии каталитической реакции in situ или, по крайней мере, каталитический сайт при атомном разрешении. Также необходимо связать гетерогенные каталитические явления с более широкой базой знаний о растворах и четко определенных комплексах металлов.
Существенный прогресс и научный прорыв были достигнуты в последние годы в нескольких областях, включая атомное разрешение металлических поверхностей, наблюдение in situ олефина в комплексе с цеолитными кислотными центрами с помощью ЯМР-спектроскопии и определение характеристик нескольких промежуточных продуктов реакции in situ с помощью различных спектроскопических методов. . Теоретическое моделирование готово к существенному росту в результате прогресса компьютерных технологий и самой теории. По этим причинам желательно сосредоточить внимание на областях, в которых обширные научные и технологические ресурсы академии и промышленности могут привести к самым быстрым практическим результатам. В порядке приоритета эти области
1. исследования каталитических реакций in situ;
2. характеристика каталитических центров (реальных катализаторов) атомного разрешения (металлы, оксиды);
3. синтез новых материалов, которые могут служить катализаторами или носителями катализаторов; а также
4. Теоретическое моделирование, связанное с экспериментальной проверкой.
Разработка новых инструментов для определения характеристик, особенно в спектроскопии, была в основном прерогативой академических исследований, и поэтому ожидается, что она будет продолжена, потому что промышленность все труднее оправдывает затраты, связанные с разработкой техники. Чтобы получить мировое лидерство России как в науке о катализе, так и в технологии катализаторов, важно предоставить дополнительную поддержку академическим исследованиям, сосредоточенным на пунктах 1-4 выше. Кроме того, необходимо предпринять дополнительные шаги для облегчения взаимодействия и, по сути, сотрудничества между промышленностью, имеющей дело с патентованными катализат?