Химики Франкфуртского университета имени Гёте разработали катализатор, способный эффективно разрушать устойчивые углерод-фторные (C–F) связи в составе пер- и полифторированных органических соединений (PFAS).
Новое соединение не содержит дорогостоящих или токсичных металлов, таких как платина, палладий или иридий, и демонстрирует активность при температуре окружающей среды. Потенциальное применение катализатора охватывает как разрушение стойких загрязнителей, так и этапы синтеза фторсодержащих фармацевтических субстанций.
PFAS представляют собой класс соединений, обладающих высокой термической и химической стабильностью, а также выраженными водо-, жиро- и грязеотталкивающими свойствами. Они широко используются в составе покрытий для водоотталкивающей одежды, ковров, антипригарной посуды, одноразовой упаковки, а также в промышленных технологиях, включая гальванические процессы, смазки и противопожарные пенокомпозиции. Однако высокая устойчивость этих соединений затрудняет их разрушение в природной среде, что делает PFAS источником долговременного загрязнения воды, почвы, растительных и животных организмов, включая человека.
Несмотря на то, что термическое уничтожение PFAS возможно в условиях специализированных установок (например, мусоросжигательных заводов), при недостаточном контроле вещества могут повторно попадать в техногенный цикл, в том числе через переработку текстиля или шламов очистных сооружений. Известно около 4700 соединений класса PFAS, и для ряда из них установлена или предполагается канцерогенная активность и другие неблагоприятные воздействия на здоровье.
Молекулярная стабильность PFAS связана прежде всего с прочностью углерод-фторных связей. Разработка, представленная группой профессора Маттиаса Вагнера из Института неорганической и аналитической химии Франкфуртского университета, позволяет разрывать эти связи в течение нескольких секунд при комнатной температуре. Активный центр катализатора включает два атома бора, встроенные в устойчивую к воздействию воздуха и влаги углеродную матрицу — это делает соединение удобным в практическом применении, учитывая традиционно высокую чувствительность борсодержащих систем.
Как поясняет аспирант и первый автор исследования Кристоф Бух, разрушение C–F связей требует доноров электронов, и разработанный катализатор обеспечивает высокоэффективный перенос электронов на субстрат. На текущем этапе в качестве источника электронов используется металлический литий, однако в группе уже работают над внедрением электрохимического подхода, что должно упростить и повысить энергетическую эффективность процесса.
Кроме разложения загрязняющих соединений, катализатор может быть применён и в управляемом синтезе фторсодержащих веществ. Фтор часто используется в фармацевтической химии для повышения биодоступности, метаболической стабильности и терапевтической активности молекул. Возможность точного дозирования степени фторирования открывает перспективы для создания новых классов лекарственных соединений с регулируемыми свойствами.