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 21-13-00157

НазваниеАктивация эффективных металлорганических катализаторов

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 2021 г. - 2023 г. 

Конкурс№55 - Конкурс 2021 года «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 словакатализ, металлоорганические соединения, активация катализаторов, асимметрический катализ

Код ГРНТИ31.21.00; 31.21.19

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Ключевой задачей современной синтетической химии является создание высокоэффективных каталитических процессов. Современная наука всё больше идет по пути природы, усложняя структуры катализаторов и стремясь к активности, эффективности и сложности ферментов. В этой связи особенно актуальным решением является активация существующих и хорошо зарекомендовавших себя катализаторов, а также создание новых катализаторов с низкой себестоимостью и высокой активностью. Проблема создания высокоактивных каталитических систем заключается в том, что используемое количество катализатора на порядки ниже не только количеств исходных реагентов, но и сопутствующих примесей в них. Таким образом, необходимо чтобы катализатор был настолько активным, что целевой процесс проходил существенно более эффективно, чем дезактивация катализатора соответствующими примесями. Другой концептуальной проблемой является то, что наиболее активная каталитическая частица может быть нестабильной при выделении или хранении, превращаясь в другие менее активные или полностью неактивные молекулы. В рамках данного проекта предлагается подход к проведению активации прекатализатора in situ, то есть избегая выделений каталитически активных частиц. В результате чего активная частица сразу же начинает катализировать целевую реакцию, снижая риски на разложение и дезактивацию. В качестве основного варианта активации катализаторов предлагается проводить реакцию источника фторида с катализатором, содержащим связь металл-галоген. В результате образуется связь металл-фтор. Фтор является самым электроотрицательным элементом таблицы Менделеева. Введение его в каталитический центр приводит сразу к нескольким потенциально положительным эффектам. За счет своей электроотрицательности атом фтора существенно повышает кислотность Льюиса на металле, приводя к увеличению эффективности катализатора, а также возможности проведения реакций, которые ранее не могли активироваться соответствующими прекатализаторами. Атом фтора способен координировать многие другие атомы, что может приводить к увеличению нуклеофильности соответствующий реагентов. Более того, активация субстрата на металле и реагентов на атоме фтора будет приводить не только к активации, но и пространственному сближению и соответствующей ориентации субстрата и реагента. В результате чего снижается энергетический барьер для протекания целевого процесса. Сочетание указанных активационных моментов может привести к созданию наиболее эффективных каталитических процессов для многих химических превращений.

Ожидаемые результаты
В результате проведения проекта будут разработаны общие методы получения различных классов соединений, широко используемых в различных областях медицинской химии, сельского хозяйства и крупнотоннажных химических производств. Амины являются незаменимыми для человека. Помимо того, что мы состоим из аминокислот, все ТОП-20 самых продаваемых в США лекарственных препаратов содержат амины. Одним из основных способов получения аминов является реакция алкилирования аммиака или аминов спиртами. К настоящему моменту опубликовано более 1000 работ, посвященных применению реакции заимствования водорода для синтеза аминов. Среди преимуществ реакции заимствования водорода можно отметить, во-первых, высокую атомную экономичность процесса, который происходит, формально, без внешнего источника водорода, во-вторых, высокую экологичность, единственным побочным продуктом является вода, в-третьих, возможность получать исходные спирты путем переработки лигноцеллюлозы, что снижает нагрузку на не возобновляемые природные ресурсы и способствует более устойчивому развитию. В рамках проекта ожидается создание метода получения аминов из спиртов с низкими загрузками по катализатору. 2. Значение органических карбонатов сложно переоценить. Среди них особое место занимают такие важные материалы, как поликарбонаты, а также такие растворители как этилен и пропилен карбонаты. В рамках проекта будут разработаны системы, позволяющие получать карбонаты из СО2 при катализе активированными фторидами катализаторами в количестве миллионных долей. В результате при производстве карбонатов стоимость катализатора будет пренебрежимо мала. Более того, в виду низких загрузок по катализатору пропадает необходимость очистки от катализатора и его “метаболитов”. Таким образом, снижаются как затраты на очистку продукта, так и загрязняющие природу факторы. 3. Другой важной реакцией является реакция цианирования карбонильных соединений. Эта реакция позволяет получать различные классы соединений, такие как альфа-аминокислоты, альфа-гидроксикислоты, бета-аминоспирты, альфа-фторнитрилы, альфа-аминонитрилы, альфа-гидроксинитрилы. Поэтому данный процесс широко востребован в медицинской химии для получения многих лекарственных препаратов. Особенно важным этот процесс становится при проведении этой реакции в асимметрическом варианте. Ожидается, что в результате применения предлагаемого подхода удастся проводить целевую реакцию при загрузках катализатора в миллионные доли с высокими выходами и высокой энантиомерной чистотой продуктов. Ожидается, что в рамках проекта удастся разработать и другие важные реакции, в которых требуемые количества катализаторов будут существенно ниже, чем в схожих системах со связью металл-галоген, которые уже зарекомендовали себя в качестве эффективных. Очевидна возможность использования ожидаемых результатов проекта в экономике и социальной сфере. На уже существующих предприятиях возможно снижение количеств, используемых катализаторов, что практически нивелирует стоимость катализатора в производственном процессе и не потребует перестройки технологических цехов. Также может появится возможность проведения новых реакций или уже существующих, но не имеющих разработанного асимметрического варианта, что приведет к созданию новых материалов и оптимизации путей синтеза важных низкомолекулярных интермедиатов. С точки зрения социальной сферы существенно могут снизиться количества отходов химических производств из-за увеличения эффективности процессов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В отчетном году в рамках проекта РНФ 21-13-00157 были достигнуты следующие результаты: 1) Предложен способ увеличения активности металлоорганических катализаторов путем их in situ активации фторидом. 2) Начаты исследования реакции аминирования спиртов по механизму заимствования водорода. Показано, что эффективность каталитической реакции может быть повышена за счет добавок фторида. Начаты исследования некаталитической реакции заимствования водорода, обнаружена взаимосвязь температуры протекания реакции и кислотности N-нуклеофила. 3) Исследована активация алюминий-фталоцианинового катализатора в реакции присоединения эпоксидов к СО2. Показано, что добавка фторида позволяет повысить эффективность катализатора в 20 раз. https://doi.org/10.1021/acscatal.1c03785 4) Исследована активация ванадиевого катализатора в реакции асимметрического цианирования альдегидов. При добавке фторида эффективность катализа возрастает в 40 раз, при этом были достигнуты те же значения энантиомерной чистоты, что и при больших загрузках катализатора без добавки фторида. Была получена серия субстратов с использованием загрузки катализатора на уровне 50 ppm. https://doi.org/10.1021/acscatal.1c03785 5) Исследована активация никелевого катализатора в реакции асимметрического присоединения по Михаэлю. За счет добавки фторида была достигнута 80-кратная активация катализатора, была получена серия субстратов с использованием загрузки катализатора на уровне 250 ppm. Были достигнуты те же значения энантиомерной чистоты, что и при больших загрузках катализатора без добавки фторида. https://doi.org/10.1021/acscatal.1c03785 6) Исследовано использование восстановительной альдольной реакции в синтезе фармацевтических субстанций. Показано, что процесс такого типа является очень востребованным. Поэтому разработка новых подходов к реакциям такого типа является актуальной задачей, и использование фторидной активации катализаторов в уже известных восстановительных альдольных реакциях является одним из возможных направлений развития области. https://doi.org/10.1002/chem.202101768

 

Публикации

1. Цыганков А.А., Чусов Д.А. Straightforward Access to High-Performance Organometallic Catalysts by Fluoride Activation: Proof of Principle on Asymmetric Cyanation, Asymmetric Michael Addition, CO2 Addition to Epoxide, and Reductive Alkylation of Amines by Tetrahydrofuran ACS Catalysis, ACS Catal. 2021, 11, 21, 13077–13084 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1021/acscatal.1c03785

2. Рунихина С.А., Еремин Д., Чусов Д.А, Reductive Aldol-type Reactions in the Synthesis of Pharmaceuticals Chemistry - A European journal, Volume 27, Issue 62, Pages 15327-15360 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1002/chem.202101768

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках данного проекта за 2022 год было решено сразу несколько задач: 1) Во-первых, были сформулированы четкие критерии границ применимости каталитического подхода в реакции аминирования по механизму автопереноса водорода. Катализатор однозначно нужен в тех случаях, когда реакцию надо провести при низкой температуре, либо сохранить особо неустойчивые фнкциональные группы. Во многих других случаях можно обойтись и без катализаторы. В опубликованной нами аналитической статье https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c01133 описаны существующие на данный момент каталитические системы, проведено их систематическое сравнение, описаны точки роста области, а в статье https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0021951722003487 нами подробно описаны возможности некаталитического варианта реакции 2) Во-вторых, был разработан новый катализатор асимметрической реакции Михаэля, и изучена его активация фторидом. Показано, что фторид позволяет не только количественно увеличить активность, но и качественно увеличить энантиоселективность процесса. Разработанный катализатор был применен для синтеза аналогов гамма-аминомасляной кислоты. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.joc.2c01339

 

Публикации

1. Афанасьев О.И., Клюев Ф.С., Цыганков А.А., Нелюбина Ю.В., Гуцул Е.И., Новиков В.В., Чусов Д.А. Fluoride Additive as a Simple Tool to Qualitatively Improve Performance of Nickel-Catalyzed Asymmetric Michael Addition of Malonates to Nitroolefins The Journal of Organic Chemistry, J. Org. Chem. 2022, 87, 18, 12182–12195 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1021/acs.joc.2c01339

2. Козлов А.С., Афанасьев О.И., Чусов Д.А. Borrowing hydrogen amination: Whether a catalyst is required? Journal of Catalysis, Journal of Catalysis Volume 413, September 2022, Pages 1070-1076 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.jcat.2022.08.014

3. Подъячева Е.С., Афанасьев О.И., Васильев Д.В., Чусов Д.А. Borrowing Hydrogen Amination Reactions: A Complex Analysis of Trends and Correlations of the Various Reaction Parameters ACS Catalysis, ACS Catal. 2022, 12, 7142−7198 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1021/acscatal.2c01133

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В отчетном году были проведены исследования реакции восстановительного алкилирования альдегидов кетонами с использованием монооксида углерода в качестве восстановителя и активированного фторидом рутениевого катализатора. За счет фторидной активации удалось снизить давление монооксида углерода, выступающего в этом процессе в качестве восстановителя, до 1 атмосферы. Данный процесс открывает новые подходы к синтезу пропафенона – антиаритмической фармацевтической субстанции и набуметона – нестероидной противовоспалительной субстанции. http://dx.doi.org/10.1016/j.mencom.2023.01.005 Кроме того, были исследованы порфириновые и фталоцианиновые комплексы циркония и гафния в качестве катализаторов реакции фиксации диоксида углерода эпоксидами с образованием циклических карбонатов. В этом процессе мы также показали активацию катализаторов на основе тяжелых металлов, циркония и гафния, фторидами. В результате загрузка катализатора была снижена до сотен ppm, а также в реакцию были введены инертные эпоксиды, такие как циклогексеноксид и циклопентеноксид. http://dx.doi.org/10.1016/j.mcat.2023.113432

 

Публикации

1. Бирюков К.О., Белова С.А., Дудкин С.В., Афанасьев О.И., Годовикова М.И., Чусов Д.А. Peculiarities of fluoride activation of porphyrin and phthalocyanine catalysts by the example of zirconium and hafnium in the production of cyclic carbonates Molecular Catalysis, Molecular Catalysis Volume 549, October 2023, 113432 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.mcat.2023.113432

2. Рунихина С.А., Цыганков А.А., Афанасьев О.И., Чусов Д.А. Reductive α-alkylation of ketones with aldehydes at atmospheric pressure of carbon monoxide: the effect of fluoride activation in ruthenium catalysis Mendeleev Communications, Mendeleev Communications Volume 33, Issue 1, January–February 2023, Pages 17-20 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.mencom.2023.01.005

Возможность практического использования результатов
В результате данного проекта разработана серия подходов, позволяющих на порядок повысить активность катализатора в тех или иных реакциях. За счет этого возможна упрощенная оптимизация производственных мощностей. Например, при смене катализатора в производстве необходимо существенно менять производственную линию. Применяя результаты данного проекта, можно воспользоваться тем же самым оборудованием, но взять на порядок меньше активированного катализатора. Кроме того, мы показали возможность синтеза по разработанным нами методикам серии фарм. субстанций.