КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 16-13-10393

НазваниеСелективные восстановительные системы на основе монооксида углерода

РуководительЧусов Денис Александрович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2019 г. - 2020 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-101 - Синтез, строение и реакционная способность органических соединений

Ключевые словаэкономия атомов, монооксид углерода, селективное восстановление, сохранение функциональных групп

Код ГРНТИ31.21.00

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время монооксид углерода или угарный газ является крупнотоннажным побочным продуктом в металлургии. Например, при производстве 1 тонны стали происходит выброс в атмосферу 70 – 90 м3 конвертерного газа, содержащего около 80% СО, который сжигают до углекислого газа. В рамках проекта РНФ 2016 года нам удалось продемонстрировать уникальные восстановительные свойства монооксида углерода для получения разных классов органических соединений. Так, например, в реакции получения аминов с помощью восстановительного аминирования было показано, что классические восстановительные системы на основе водорода или гидридов металлов не позволяют проводить целевые превращения при наличии целого набора функциональных групп. В то же время монооксид углерода лишен указанных недостатков в виду того, что для процесса не требуется внешний источник водорода, который и гидрирует эти функциональные группы. Более того, предложенный нами подход позволяет синтезировать соединения, общие подходы к созданию которых ранее отсутствовали. Так, например, было показано, что моноксид углерода позволяет получать третичные стерически затрудненные амины. При попытке их синтеза через восстановительное аминирование с использованием водорода оказывается, что происходит гидрирование ароматических колец, а не образование целевого продукта в сколько-нибудь заметных количествах (Схема 1). Схема 1 Получение третичных стерически-затрудненных аминов с использованием СО или водорода в качестве восстановителя В рамках Проекта 2016 была показана принципиальная возможность селективного получения амидов (Org. Lett., 2017, 19, 20, 5657), нитрилов (Org. Biomol. Chem., 2018, 16, 7693), эфиров (Org. Lett., 2018, DOI: 10.1021/acs.orglett.8b03375) и гетероциклов (Org. Lett., 2016, 18, 5968) (Схема 2), а также созданы новые типы катализаторов (Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 5584; Organometallics 2016, 35, 3025), которые показали высокую активность и селективность в реакции получения аминов. Схема 2 Использование реакции восстановительного присоединения без внешнего источника водорода Настоящий проект направлен на создание новых реакций на основе предложенной концепции восстановительного присоединения без внешнего источника водорода. Проект 2016 года показал принципиальную возможность проведения таких реакций с участием слабых нуклеофилов – амидов и карбоновых кислот. То есть было показано, что разработанный нами подход позволяет проводить уникальные превращения, недоступные для методов классической органической химии. В рамках данного проекта будет проведена разработка новых реакций такого типа, например, восстановительной функционализации карбонильных соединений (Схема 3). Схема 3 Восстановительная функционализация карбонильных соединений

Ожидаемые результаты
Будет разработан общий метод восстановительного присоединения различных слабых нуклеофилов к карбонильным соединениям (Схема 4). Основное внимание будет уделено созданию методов функционализации карбонильных соединений с α-атомом водорода (восстановительная альдольная реакция). Схема 4 Реакция восстановительного присоединения слабых нуклеофилов Будут изучены различные тандемные процессы, включающие реакции восстановительного присоединения без внешнего источника водорода. Такие реакции могут быть применены для сборки сложных молекул из простых исходных веществ в одну стадию. Оценка соответствия запланированных результатов мировому уровню исследований на русском языке Предлагаемые исследования являются лидирующими в данной области. В 2014 году коллективом авторов впервые была предложена концепция реакции восстановительного аминирования без внешнего источника водорода (Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 5199). После данной публикации помимо исследований нашей группы появились исследования ученых из США, Китая и Южной Кореи. Например, профессор Скотт Денмарк (Scott Denmark) (Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 12164), профессор Ёнг Чан (Young Keun Chung) (ACS Catal. 2015, 5, 4846), профессор Йонг Чао (Yong Cao) (Chem. Commun. 2015, 51, 11217; Green Chem. 2017, 19, 3880), профессор Зехуй Жанг (Zehui Zhang) (Journal of Catalysis, 2017, 352, 264). Они опубликовали цикл работ с использованием угарного газа в качестве восстановителя. В основном эти работы были посвящены восстановительному аминированию. В рамках Проекта 2016 года нам удалось показать общность предложенной концепции восстановительного присоединения. Зарубежные коллеги, также стали публиковать работы по использованию других нуклеофилов в восстановительном присоединении с использованием монооксида углерода (ACS Catal. 2017, 7, 613; J. Org. Chem. 2018, 83, 23). Переход к слабым нуклеофилам в реакции восстановительного присоединения является логичным этапом развития концепции и пока что не имеет аналогов. Возможность практического использования запланированных результатов проекта в экономике и социальной сфере Исследуемые превращения будут применены для получения сложных органических соединений с ценными свойствами из широкодоступных соединений. Полученные соединения будут исследованы на фунгицидную активность. В рамках Проекта 2016 года было показано, что ряд аминов, содержащих лабильные в восстановительных условиях функциональные группы, способ синтеза которых был разработан в рамках Проекта, показали высокую фунгицидную активность, сравнимую с коммерческими препаратами. Дальнейшее изучение реакции восстановительного аминирования может позволить создать улучшенный вариант соединения-лидера с еще большей фунгицидной активностью.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В отчетном году в рамках проекта было проведено исследование реакции восстановительного алкилирования карбонильных соединений без внешнего источника водорода. Данный подход имеет ряд преимуществ по сравнению с классическими. Так, обычно, для α-алкилирования карбонильных соединений используют галогенорганические соединения, которые могут проявлять токсичное, канцерогенное и даже мутагенное воздействие. Предлагаемый нами подход позволяет использовать сравнительно недорогие, доступные и не токсичные альдегиды и кетоны. Показано, что для протекания реакции достаточно очень небольшого количества катализатора (на уровне 250 миллионных долей). Селективность реакции очень высокая, и она может быть применена для модификации различных сложных молекул, например, стероидов. Продемонстрирована широкая применимость данной реакции, а также изучены факторы, влияющие на ее эффективность (Chemistry - A European Journal, 2019, ASAP, DOI: 10.1002/chem.201904605). Разработана методика синтеза вторичных и третичных симметричных аминов из карбоната аммония в качестве источника аммиака. Карбонат аммония является доступным и дешевым реагентом. При этом он является твердым стабильным реагентом, он удобен в работе, и, поэтому, его можно использовать как лабораторную «микропипетку» аммиака. Предложенный нами подход к синтезу вторичных и третичных симметричных аминов основан на реакции восстановительного аминирования между альдегидами или кетонами и аммиаком, образующимся из карбоната аммония, под действием монооксида углерода в качестве восстановителя. Нам удалось снизить загрузки по катализатору до 0.2% Rh, что позволяет масштабировать процесс. Исследованы различные факторы, влияющие на данный процесс, и изучены его границы применимости (European Journal of Organic Chemistry, 2019, ASAP, DOI: 10.1002/ejoc.201901175).

 

Публикации

1. Муратов К.М., Афанасьев О.И., Кучук Е.А., Рунихина С.А., Чусов Д.А, One-Pot Synthesis of Symmetrical Tertiary and Secondary Amines from Carbonyl Compounds, Ammonium Carbonate and Carbon Monoxide as a Reductant european journal of organic chemistry, 2019, 38, 6557-6560 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1002/ejoc.201901175

2. Рунихина С.А., Афанасьев О.И., Бирюков К.О., Перекалин Д.С., Клюссманн М., Чусов Д.А. Aldehydes as alkylating agents for ketones chemistry a european journal, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1002/chem.201904605

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В отчетном году была проведена разработка родий-катализируемой реакции восстановительного этерифицирования карбонильных соединений карбоновыми кислотами с использованием СО в качестве восстановителя. Данный подход имеет ряд преимуществ по сравнению с классической этерификацией. Обычно спирты (кроме метанола и этанола) в промышленности получают восстановлением соответствующих альдегидов/кетонов. Введению в реакцию карбонильного соединения напрямую экономит одну стадию. При этом селективность восстановительных процессов с использованием СО как правило очень высокая, что обеспечивает дополнительное преимущество при синтезе сложных молекул. Были изучены факторы, влияющие на протекание реакции, а также субстратная специфичность (European Journal of Organic Chemistry, 2020, 2020, 27, 4116-4121, dx.doi.org/10.1002/ejoc.202000438). Была разработана реакция восстановительного аминирования камфоры с использованием пентакарбонила железа в качестве восстановителя. Показано, что данный метод позволяет синтезировать труднодоступные иными способами камфориламины с определенной стереоконфигурацией. Показано преимущество разработанной восстановительной системы по сравнению с классическими методами. (European Journal of Organic Chemistry, 2020, 2020, 39, 6289-6294, dx.doi.org/10.1002/ejoc.202001087).

 

Публикации

1. Афанасьев О.И., Фаткулин А.Р., Сольев П.Н., Смирнов И., Амангельдыев А., Семенов С.Е., Чусов Д.А. Direct reductive amination of camphor using iron pentacarbonyl as stoichiometric reducing agent: features and limitations European Journal of Organic Chemistry, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1002/ejoc.202001087

2. Островский В.С., Рунихина С.А., Афанасьев О.И., Чусов Д.А. Rhodium-catalyzed reductive esterification using carbon monoxide as a reducing agent European Journal of Organic Chemistry, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1002/ejoc.202000438

Возможность практического использования результатов
Возможно создание новых фунгицидных препаратов для сельского хозяйства