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 20-73-00111

НазваниеНовые полимерные функциональные материалы на основе 1,8-дизамещенных производных нафталина для автоматизированного органического синтеза

РуководительМикшиев Владимир Юрьевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2022 

Конкурс№49 - Конкурс 2020 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые словаОрганический синтез, автоматизированный синтез, настраиваемая основность, внутримолекулярный катализ, ацилирование, органические супероснования, водородные связи, кислотно-основные свойства, протонный перенос

Код ГРНТИ31.25.15

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
На сегодняшний день органический синтез является одним из основополагающих направлений от которого зависит огромное число проводимых прикладных и научных исследований. Современные тенденции показывают, что усилия ведущих научных групп брошены на создание новых методов синтеза органических соединений, что обусловлено, прежде всего, спросом со стороны таких областей науки как фармакология и наука о материалах. Однако в подавляющем большинстве случаев реализация той или иной технологи оказывается экономически нецелесообразной ввиду высокой стоимости органических соединений. Всё дело в том, что большинство способов синтеза органических «строительных блоков» крайне плохо автоматизируются ввиду отсутствия универсальных методов синтеза и очистки. По этой причине синтез и очистка сложных органических молекул в настоящее время производятся преимущественно вручную, что является лимитирующим фактором на пути внедрения новых материалов и лекарственных средств. В рамках данного проекта предлагается получение функциональных материалов для последующего применения в автоматизированных системах органического синтеза, которые позволят существенно оптимизировать некоторые наиболее часто встречающиеся процессы в органическом синтезе. Так, предлагается создание полимерного материала с управляемой константой кислотности (pKa) входящих в него основных центров для применения в гетерогенном основном катализе. Автоматизированный реактор, снабженный модулем на основе такого материала, будет способен подстраивать значение pKa в широком диапазоне величин, что позволит с высокой точностью регулировать силу основания под конкретный процесс. Это позволит создать гибкую, универсальную, не имеющих аналогов систему для основного катализа, которая существенно упростит процесс подбора оснований при автоматическом скрининге и оптимизации органических реакций. Также в рамках данного проекта планируется получить другой полимерный материал, который позволит проводить реакцию ацилирования в автоматическом режиме благодаря следующим конкурентным преимуществами: сравнимая с аналогами активность, отсутствие необходимости очистки реакционной массы, возможность регенерации действием дешевых ацилирующих средств (ацилхлоридов). Общим преимуществом отмеченных полимеров будет их «экологичность» ввиду отсутствия выделения побочных продуктов при их функционировании, а также способность к многократной регенерации. Отмеченные преимущества делают предлагаемые функциональные материалы экономически привлекательными при создании гибких систем автоматического синтеза, способных подстраиваться под решение требуемых задач.

Ожидаемые результаты
В результате данного проекта предполагается получение двух функциональных материалов для применения в системах автоматического синтеза органических веществ. Первый материал будет обладать свойством управляемо менять константу кислотности (pKa) входящих в него основных групп за счет обратимого изменения структуры данного полимера. Использование этого материала будет удобным при автоматическом скрининге и оптимизации органических реакций. Второй материал будет представлять собой полимерный ацилирующий агент, обладающий рядом свойств, которые позволят использовать его в автоматическом синтезе органических веществ. Получение таких материалов для система автоматического синтеза является крайне важной и непростой задачей, которой посвящено немало публикаций в высокорейтинговых научных журналах [M. Peplow, Nature 2014, 512, 20–22; P. Ball, Nature 2015, 528, 327–329]. Проблема в том, что большинство способов синтеза органических молекул крайне плохо автоматизируются ввиду отсутствия универсальных методов синтеза и очистки. По этой причине синтез и очистка сложных органических молекул в настоящее время производятся преимущественно вручную, что является лимитирующим фактором на пути внедрения новых материалов и лекарственных средств. Действительно, все большое усложнение различных технологий требует, чтобы синтез необходимых компонентов проводился в считанные дни, что особенно важно, например, при создании вакцин. Не вызывает сомнений, что экономический рост напрямую связан с долей автоматизации в производстве. Также нужно отметить, что синтез соединений вручную сопряжен с существенной опасностью для химика-синтетика ввиду канцерогенности и токсичности большинства органических соединений. Поэтому создание систем автоматического синтеза является важным, не только с точки зрения экономического роста, но и с точки зрения охраны жизни и здоровья производственного персонала.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках данного проекта, ориентированного на создание материалов для автоматизированного органического синтеза, работа велась сразу по двум направлениям. Первое направление работ было нацелено на получение полимеров с управляемой константой кислотности. В первую очередь были проведены подготовительные этапы, связанные с синтезом необходимых прекурсоров и подготовкой оборудования для проведения электрохимичекой полимеризации. Впоследствии это позволило разработать методику электоосаждения целевого полимера и изучить его свойства. С помощью титриметрического анализа удалось зафиксировать наличие двух типов звеньев в цепи полимера, измерить константы кислотности для этих звеньев, а также определить устойчивость полимера в кислотной и основной среде. На текущий момент ведутся работы по изучению зависимости величины константы кислотности от степени допирования полученного полимера. Второе направление работ было нацелено на разработку материалов способных выступать в качестве ацилирующих агентов. На данный момент, с помощью квантово-химических методов расчета удалось определить круг наиболее активных соединений, которые могли бы выступать в качестве звеньев целевого полимера, а также подробно изучить механизм и возможные пути реакции. Для проверки полученных расчетных данных был синтезирован ряд модельных соединений, для которых впоследствии были проведены кинетические измерения. В результате этих измерений удалось зафиксировать два направления реакции, определить константы скорости для полученных модельных веществ, а также установить порядок реакции. В итоге удалось получить хорошую корреляцию расчетных и экспериментальных данных, которая позволит с помощью простых квантово-химических методов проводить обширный поиск наиболее активных ацилирующих агентов.

 

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Данное исследование за отчетный период развивалось в трех основных направлениях. В рамках первого, нацеленного на получение полимеров с управляемой константой кислотности, была исследована зависимость структурных особенностей полимера на его основность в недопированном состоянии. На основе полученных результатов удалось предложить строение полимера, которое в конечном счете позволит получить полимер с заданными свойствами. В рамках второго направления, ориентированного на создание полимерного ацилирующего агента, квантово-химическими методами был проведен дизайн и исследование дополнительного ряда моделей мономерных звеньев, что позволило углубить понимание взаимосвязи структура-свойство. Для наиболее перспективных моделей было проведено квантово-химическое изучение энергетического профиля для реакции гидролиза. Установлено, что увеличение энергии внутримолекулярной NH…N водородной связи может лишь в ограниченных приделах понижать барьер реакции. Существенное влияние на барьер реакции оказывает акцепторное действие ароматического остова молекулы на амидный азот, а также стерическая доступность ацильного фрагмента. Полученные результаты помогут в проектировании ацилирующих средств, основанных на искажении амидной группы под действием внутримолекулярной NH…N водородной связи. Также были сделаны первые шаги в разработке методов получения, использования и регенерирования целевых полимеров. В рамках третьего направления, было проведено исследование необычной реакции, приводящей к получению 1,2,3,4-тетрагидробензо[h]хиназолинов, которая была случайно обнаружена за период первого года проекта. Было выяснено, что эта гетероциклизация возможна только при использовании в качестве исходных соединений орто-кетиминов 1,8-бис(диметиламино)нафталина, тогда как для орто-кетиминов N,N-диметиланилина этот процесс практически не происходит. Комбинируя квантово-химические и экспериментальные методы удалось выяснить, что за данный эффект ответственен каскад пери-взаимодействий, способствующих скорость-лимитирующему внутримолекулярному гидридному переносу, который впоследствии запускает гетероциклизацию.

 

Публикации

1. Микшиев В.Ю., Толстой П., Пузык А.М., Кириченко С.О., Антонов А.С. peri-Interactions in 1,8-bis(dimethylamino)naphthalene ortho-ketimine cations facilitate [1,5]-hydride shift: selective synthesis of 1,2,3,4-tetrahydrobenzo[h]quinazolines Royal Society of Chemistry, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1039/D2OB00674J

2. Микшиев В.Ю., Толстой П., Тупикина Е.Ю., Пузык А.М., Вовк М.А. Acid catalysis through N-protonation in undistorted carboxamides: improvement of amide proton sponge acylating ability Royal Society of Chemistry, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1039/D2NJ02975H

Возможность практического использования результатов
не указано