Поляритонный фотокатализ и прототип фотореактора с ГКР контролем для высокоэффективного производства биологически-активных соединений (PAPhoSERS)

В проекте PAPhoSERS будут разработаны новые энантиоселективные фотокатализаторы и уникальная фотокаталитическая установка, позволяющая проводить эффективную активацию С-Н связей в разнообразных химических реакциях органического синтеза. Амбиционная задача реализации активации C-H связей не сможет быть достигнута без нахождения прорывных решений: (1) в создании и использовании новых каталитических хиральных 2D-наноматериалов, (2) в понимании фундаментальных физических принципов каталитических процессов с использованием новых 2Dнаноматериалов и методов их использования, и (3) в инженерных подходах к технологиям, позволяющим увеличить эффективность энантиоселективной активации C-H связей в фотокаталитических реакциях, а также осуществлять постоянный контроль за ходом этих реакций. Уникальность установки, создаваемой в проекте PAPhoSERS определяется объединением трех прорывных технологий каждая из которых, сама по себе, обеспечит выраженные сравнительные преимущества по сравнению с существующими решениями: (1) панель каталитических двумерных (2D) хиральных наноматериалов на основе нитрида бора, позволяющая проводить контролируемый синтез требуемых энантиомерных молекулярных форм биологически-активных соединений; (2) уникальная хиральная наноканальная структура высокоэффективной проточной фотокаталитической системы, включающая в себя активную среду для осуществления ГКР-контроля за эффективностью протекующих реакций с использованием спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) света, и (3) перестраиваемые микрорезонаторы, функционирующие в режиме сильной и сверх-сильной связи свет-вещество, способные повышать эффективность и селективность химических реакций. Использование хиральных 2D-наноматериалов с иммобилизированными в них фотокатализаторами на основе комплексов рутения позволит увеличить каталитическую эффективность и энантиоселективность синтеза путем обеспечения большой площади поверхности и создания высокоспецифичных каталитических хиральных мод. Еще большее повышение эффективности фотокатализа может быть достигнуто путем использования эффекта сильной связи во взаимодействии свет-вещество – специфического физического явления, ставшего в последние годы передним фронтом исследований в областях фундаментальных и прикладных аспектов физики и химии. Известно, что сильное резонансное взаимодействие света и вещества в ограниченном пространстве приводит к образованию гибридных состояний вещества с локализованным резонансным электромагнитным полем. Образующиеся гибридные «поляритонные» состояния обладают уникальными свойствами, определяемыми комбинацией оригинальных свойств возбужденного состояния вещества и локализованного фотона в микрорезонаторе. Среди этих свойств наиболее интригующими является возможность контролировать селективность и выход химических реакций и многократно увеличивать эффективность катализа, что достигается путем появления, при расщеплении оригинального электронного уровня катализатора и/или субстрата, более высокоэнергетического электронного уровня – верхнего поляритона. После создания инновационных фотокаталитических 2D-наноматериалов на основе нитрида бора и демонстрации возможности усиленного поляритонного фотокатализа с использованием этих 2D-наноматериалов, в проекте PAPhoSERS будет создан прототип проточного микрофлюидного фотокаталитического реактора, содержащего микрорезонаторы, обеспечивающие сильную связь свет-вещество, оперирующего в режиме постоянного потока, и способного производить требуемые соединения в количествах 0.01-0.1 моль/час. Этот результат будет достигнут путем интегрирования пористой матрицы из нитрида бора, содержащей иммобилизированный фотокатализатор, в полость между выпуклым и плоским зеркалом оптического микрорезонатора. Эта инновационная технология позволит достичь многократного увеличения скоростей фотокаталитических реакций при внешнем облучении рабочего объема реактора.