Аннотация результатов, полученных в 2020 году
За отчетный период были получены новые хиральные комплексы кобальта(III) (1a-c) в рацемическом виде с различными противоанионами (Cl-, Br-, I-). Ахиральный тридентантный NNO-лиганд – основание Шиффа – был получен из коммерчески доступных 1,2-фенилендиамина и 3,5-ди-третбутилсалицилового альдегида. Соответствующие комплексы кобальта с бромидным (rac-1b) и иодидным (rac-1c) анионами были легко получены путем замены хлорид аниона в комплексе (rac-1a) в двухфазной системе: хлористый метилен/50% водный раствор бромида и/или иодида калия. Все синтезированные комплексы Со(III) были полностью охарактеризован набором физико-химических методов анализа, включая рентгеноструктурный анализ кристалла. Из данных РСА видно, что два атома водорода аминогрупп лиганда образуют водородные связи с анионом йода, где расстояния NH…I- равны 2.712 и 2.728 Å, соответственно, в случае рацемического комплекса 1c. Кроме того, атом иода π-образует связь с альдиминовым атомом углерода молекулы противоположной конфигурации, которая равна 3.650 Å. На следующем этапе полученные новые комплексы (rac-1а-с) были протестированы в качестве катализаторов-доноров водородных связей в реакции фиксации CO2 оксидом стирола. Было показано, что наблюдаемая активность противоанионов комплексов находится в порядке их нуклеофильности (Cl- < Br- < I-). Ожидаемо, самым активным оказался катализатор с иодид-анионом 1с, давая целевой циклический карбонат с выходом 76% в условиях окружающей среды: 1 атм. углекислого газа (баллон) и 25 °С. Кроме того, было продемонстрировано, что полученная каталитическая система способна фиксировать СО2 даже в условиях реакции с разбавленной смесью воздух/CO2 (15 об.% CO2). Максимальные значения TON (90) и TOF (3.8) были достигнуты при загрузке катализатора в 0.5 моль.% и 40 °C, 1 атм. CO2. Полученные в проекте результаты являются лучшими на сегодняшний день для катализаторов с функциями доноров водородных связей. Было продемонстрировано, что сам по себе свободный лиганд (L) является неактивным, т.е. металл в данной каталитической системе необходим в качестве комплексообразователя (металл-темплатный комплекс), в котором аминогруппы, координируясь с ионом Со(III) (активатором), превращаются в эффективные доноры водородных связей, т.е. являются активными каталитическими центрами, и при этом иодид-анион участвует в нуклеофильном раскрытии эпоксидного кольца. Субстратная специфичность была продемонстрирована на 8 различных эпоксидах и целевые циклические карбонаты были выделены с выходами 51–98%. На следующем этапе был детально исследован механизм реакции. Была оценена роль различных добавок, и доказано, что в активации эпоксида участвуют протоны аминогруппы комплекса Co(III), образуя водородные связи. Данный фактор также был подтвержден с помощью квантово-химических расчетов. Экспериментально и теоретически было показано, что молекулы воды, этанола и ДМСО действуют как конкурентные ингибиторы реакции, предотвращая активацию эпоксида катализатором кобальта(III). Было обнаружено, что добавление 1 экв. пропиленкарбоната снижает конверсию реакции до 51%, т.е. образующийся циклический карбонат также служит конкурирующим ингибитором реакции, и его образование замедляет реакцию на поздних стадиях. Более высокая Бренстедовская кислотная активность (или донор водородных связей) полученного комплекса 1с по сравнению с предыдущим комплексом 2 на основе (S,S)-1,2-циклогександиамина с иодид-анионом, объясняется разницей в кислотности протонов аминогрупп в 5 порядков: так кислотность (pKa) о-фенилендиамина в воде составляет 4.57, тогда как кислотность транс-1,2-диаминоциклогексана составляет 9.61. Эти факторы полностью объясняют более высокую Бренстедовскую кислотную активность катализатора 1c по сравнению с комплексом 2 в реакции присоединения CO2 к эпоксидам. Было обнаружено, что порядок по катализатору 1c равен двум. Этот факт подразумевает, что две молекулы катализатора участвуют в скорость определяющей стадии реакции. Результаты экспериментов были полностью подтверждены DFT расчетами. Было показано, что скорость определяющей стадией является раскрытие эпоксида иодид-анионом. На основе DFT расчетов был построен полный каталитический цикл действия комплекса кобальта(III) 1c. В конечном итоге, нами было показано, что полученный в данном проекте комплекс 1с является эффективным катализатором-донором водородных связей для фиксации углекислого газа в циклические карбонаты в условиях окружающей среды (25 °С, 1 атм. СО2 и даже с 15 об.% СО2), по сравнению с предыдущим катализатором Δ(S,S)-2 на основе хирального (1,2)-циклогександиамина (ChemSusChem 2016, 9, 216). В настоящее время идет работа по расщеплению рацемического комплекса 1а на энантиомеры (комплексы Λ- и Δ-конфигураций) для их дальнейшего использования в асимметрическом катализе.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
За отчетный период удалось подобрать способ разделения на индивидуальные Λ- и Δ-энантиомеры рацемического комплекса кобальта(III) 1а с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) на аналитической хиральной колонке IB-3. Однако для исследования стереодифференцирующей способоности понадобиться прибегнуть к препаративной хиральной хроматографии. Для решения задачи проекта все усилия в отчетный период были сфокусированы на модификации лигандного окружения комплекса кобальта(III) с целью получить новые эффективные хиральные катализаторы. Для этой цели было решено использовать хиральные (R,R)-1,2-циклогександиамин и (R,R)-1,2-дифенилэтилендиамин и различные салициловые альдегиды. В ходе сборки комплексов 2 и 3 мы впервые обнаружили, что изменение количества соли кобальта(III) приводит к образованию второго диастереомера комплекса, т.е. Δ-формы. В частности, использование избытка исходной соли кобальта позволило получить как Λ-, так и Δ-формы соответствующих комплексов Co(III) 2 и 3 в соотношении диастереомеров от 1:1 до >20:1 (Λ/Δ) в зависимости от структуры салицилиденового фрагмента. Варьированием заместителей в салицилиденовом фрагменте было показано, что на образование Λ- и Δ-изомеров влияют как стерические, так и электронные эффекты заместителей. Кроме того, важно отметить, что в результате выполнения работ был впервые разработан новый путь модификации лигандного окружения напрямую в комплексе Co(III), содержащем атом бромида в фенильном кольце, используя реакцию кросс-сочетания по Сузуки. Преимуществом данного процесса является, то, что имея простой исходный комплекс, при необходимости, можно в одну стадию легко модифицировать салицилиденовый фрагмент с целью улучшения эффективности катализатора как в плане активности, так и энантиоселективности. Далее по плану в данной реакции в мягких условиях (комн. температура и 1 атм. СО2) были протестированы комплексы 2j и 3b с иодидным противоанионом для сравнения их активности и оценки влияния лигандного окружения на эффективность катализа. Полученные данные свидетельствуют, что комплекс 3b Λ-конфигурации на основе (R,R)-1,2-дифенилэтилендиамина оказался в 2 раза активнее комплекса 2j при проведении реакции. Интересно, что комплекс Δ(R,R)-3b (другой диастереомер) не работал в комнатных условиях, т.е было продемонстрировано что конфигурация на металле влияет на каталитическую активность изоструктурного комплекса. Самое главное, нужно отметить, что активность катализатора кобальта(III) 1c в условиях реакции с разбавленной смесью воздух/CO2 (15 об.% CO2) оказалась лучше, чем для комплексов Co(III) типа 2 и 3 (Inorg. Chem. Front. 2021, 8, 3871; https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/qi/d1qi00464f). Как и предполагалось, это связано с кислотностью аминогрупп, которые участвуют в активации эпоксида. Кроме того, проведенные DFT расчеты для реакций раскрытия оксида стирола и пропилен оксида, катализируемых комплексами rac-1c, 2j и 3b однозначно подтвердили высокую активность катализатора rac-1c. Во всех случаях скорость-определяющей стадией оказалось раскрытие эпоксидного кольца. На следующем этапе комплексы 2j, Λ(R,R)-3b и Δ(R,R)-3b были протестированы в реакции кинетического расщепления различных эпоксидов (Inorg. Chem. 2021, 60, 13960; https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inorgchem.1c00855). Было обнаружено, что хлорбензол является предпочтительным растворителем для получения наилучших s-факторов (2.8 и 2.3 соответственно), где ees составили 40% и -38%. Хотя значения фактора селективности оказались небольшими, но они являются лучшими на сегодняшний день для этого типа субстрата. На следующем этапе была исследована эффективность полученных хиральных комплексов rac-1a, 2 и 3 в качестве асимметрических катализаторов с функциями доноров водородных связей (HBD) в важных асимметрических реакциях и сравнена их каталитическая активность и стереохимический исход реакции в зависимости от конфигурации на металле. Так, в реакции асимметрического присоединения по Михаэлю основания Шиффа трет-бутилового эфира глицина и бензофенона к метилакрилату в условиях межфазного катализа, которая ведет к синтезу глутаминовой кислоты, при использовании комплексов 2 Λ-конфигурации желаемый (S)-продукт был получен с высокими значениями ее (76-84%). С другой стороны, Δ-диастереомеры комплексов 2 обеспечивали низкий энантиоконтроль (значения ее находятся в диапазоне 16-56%), хотя конфигурация полученного продукта была в обеих случаях одинаковой (S). Важно отметить, что уменьшение загрузки катализатора до 2 моль.% по-прежнему дало высокое значение ее. В следующей реакции в катализ был вовлечен и противоанион комплексов Co(III), таким образом, система выступила в качестве бифункционального катализатора. Все катализаторы были протестированы в асимметрической реакции присоединения триметилсилилцианида к бензальдегиду. Большинство реакций, катализируемых 2.5 моль. % комплекса протекали с высокими конверсиями (>90%). При этом значение ее полученного О-триметилсилилманделонитрила находилось в пределах 8-34%. Самое интересное, что катализаторы Λ(R,R)-2 давали (S)-продукт с ее до 22%, тогда как Δ(R,R)-2 приводил к образованию (R)-энантиомера с более высоким значением ее (до 34%). Таким образом, диастереомерные комплексы 2 катализировали реакцию как «псевдоэнантиомеры», обеспечивая образование обоих энантиомеров продукта, т.е. хиральность на металле вероятнее всего отвечает за стереоселективность реакции. Кроме того, был проведен тщательный анализ литературы и на основе этого предложен дополнительный план для успешного выполнения данного проекта. Литературное исследование по данной тематике было опубликовано в виде обзорной статьи в высокорейтинговом зарубежном журнале (Chem. Soc. Rev. 2021, 50, 9715; https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/cs/d0cs00806k).

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
За отчетный период были синтезированы и полностью охарактеризованы новые рацемические комплексы Co(III) на основе о-фенилендиамина и 3-фенилсалицилового альдегида и 2-гидроксинафтальдегида. Далее используя хиральный фосфорный анион Λ-(S)-BINPHAT были получены соответствующие диастереомерные соли с рацемическими комплексами, которые удалось разделить с помощью колоночной хроматографии на силикагеле. В частности, был выделен чистый Λ-энантиомер комплекса Co(III) на основе 3,5-дитретбутилсалицилового альдегида, конфигурация которого была однозначно подтверждена анализом КД. Таким образом, удалось разработать метод расщепления рацемических комплексов путем получения диастереомерных солей и последующего разделения с помощью хроматографии. Параллельно был разработан первый метод прямой модификации лигандного окружения комплексов-катализаторов Co(III) с помощью реакции кросс-сочетания по Сузуки-Мияуре. Для этой цели были синтезированы новые комплексы обеих конфигураций на основе (R,R)-1,2-циклогександиамина и (S,S)-1,2-дифенилэтилендиамина, содержащих атом брома в 4-м или 5-м положениях салицилового альдегида. Было продемонстрировано, что фенилбороновые кислоты и пинаколовый эфир фенилбороновой кислоты селективно присоединяются по 4-му или 5-му положению в присутствии ацетата палладия(II) и фосфорного лиганда. Впервые было обнаружено, что в ходе процесса кросс-сочетания в минорных диастереомерах комплексов происходит эпимеризация (инверсия) хирального центра на металле, что является интересным результатом с точки зрения координационной химии. Преимуществом данного процесса является, то что имея простой исходный комплекс Co(III) при необходимости, можно в одну стадию легко модифицировать салицилиденовый фрагмент с целью улучшения эффективности катализатора как в плане активности, так и энантиоселективности. На следующем этапе была оценена каталитическая активность и стереодифференцирующая способность полученных комплексов Co(III) в практически важной асимметрической реакции эпоксидирования халкона перекисью водорода. Как известно, полученные энантиомерно обогащенные эпоксиды являются универсальными строительными блоками для синтеза ценных биологически активных соединений и фармацевтических препаратов. В результате экспериментов были выявлены закономерности влияния «структура-свойство» комплексов на каталитическую активность и стереоспецифичность реакции. В частности, самый лучший результат был получен с комплексом на основе (R,R)-1,2-дифенилэтилендиамина и 5-нитросалицилового альдегида (58% ее). Важно отметить, что хиральность на металле влияла на конфигурацию образующихся хиральных центров в конечном продукте. Таким образом, было продемонстрировано, что диастереомерные комплексы на основе (R,R)-1,2-циклогександиамина действуют как «псевдоэнантиомеры», давая оба энантиомера ценного прекурсора (Inorg. Chem. 2022, 61, 5512; https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.inorgchem.1c03927). На следующем этапе каталитическая активность и стереоиндуцирующая способность полученных комплексов Co(III) была оценена в такой важнейшей реакции, как динамическое кинетическое расщепление рацемических азалактонов через каталитический межфазный алкоголиз, ведущей к энантиомерно обогащенным аминокислотам. Было продемонстрировано, что кобальтовые комплексы являются подходящим классом катализаторов для данной реакции, образуя производное трет-лейцина с энантиоселективностью до 64%. С другой стороны, каталитическая активность модифицированных комплексов по реакции Сузуки была оценена в реакции присоединения углекислого газа к окиси стирола в мягких условиях (комнатная температура и 1 атмосфера СО2) с целью оценки влияния лигандного окружения на эффективность катализа и сравнения с экспериментальными данными, опубликованными в ходе выполнения проекта (Asian J. Org. Chem. 2022, 11, e202100811; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ajoc.202100811). В основном модифицированные аналоги по активности оказались идентичны их не замещенным аналогам. Но важно отметить, что в случае введения фенильной группы в 5-положение комплекса на основе (R,R)-1,2-дифенилэтилендиамина Δ-конфигурации привело к увеличению каталитической активности, образуя целевой циклический карбонат с конверсией 42%, в то время как его незамещенный аналог был неактивен в данных условиях реакции. Таким образом, можно сделать вывод о том, что модификация лигандного окружения комплексов Co(III) может приводить к увеличению каталитической активности в определенных реакциях.