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 22-13-00017

НазваниеЭлектрохимические инструменты селективной функционализации связи углерод-водород как основа новых каталитических подходов и процессов, соответствующих концепции «зеленой химии»

РуководительБудникова Юлия Германовна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Казанский научный центр Российской академии наук", Республика Татарстан (Татарстан)

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2024 г.

Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-102 - Синтез, строение и реакционная способность металло- и элементоорганических соединений

Ключевые словакатализ, синтез, С-Н активация, металлокомплекс, электрохимия, «зеленая химия», аминирование, фосфорилирование, сочетание, механизм, радикал, металлоцикл, неблагородный металл

Код ГРНТИ31.21.18

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект направлен на разработку эффективной стратегии направленного синтеза практически значимых химических соединений, базирующейся на прямой активации и последующей функционализации С(sp2)-Н связи ароматических и гетероароматических соединений (с образованием новых С-P, С-N, C-C связей) в мягких электрокаталитических условиях, путем установления ключевых интермедиатов и их свойств, механизмов каталитических реакций, их закономерностей комплексом современных методов, в том числе методами электрохимии и ЭПР. Предлагаемая стратегия основана на управлении селективностью превращения потенциалом электролиза, обеспечивающем окисление конкретного участника процесса (либо металла, лиганда, металлоцикла со связью M-C, либо партнера сочетания), лежащего на пути реакции и определяющего эффективность всего каталитического цикла в целом. Предполагается решить проблему вовлечения в целевое сочетание трудно реагирующих или ранее неисследованных партнеров. Важной проблемой и сложностью таких металло-катализируемых С-Н трансформаций в классической органической химии является сильная зависимость от условий реакции (окислителя, лигандов и партнеров сочетания), недоказанность механизмов, непрогнозируемая кооперация лиганд-металл при возможных лигандо- и/или металлоцентрированных переносах электрона, часто нежелательное генерирование катион-радикалов субстратов-лигандов в окислительных условиях и т.д. Электрохимические методы, как планируется, должны позволить точно оценить редокс- активность каждого прекурсора и ключевого интермедиата каталитического цикла, понять, как изменяется редокс потенциал участников многоэлектронного процесса и как можно контролировать селективность, изменяя этот потенциал или добавляя необходимые реагенты. Особое внимание будет уделено установлению структуры и реакционной способности металлоциклических интермедиатов (переходный металл: Co, Cu, Pd и др.) в лигандо-направленной С-Н функционализации, факторов, стабилизирующих или способствующих их образованию и, наоборот, благоприятствующих восстановительному элиминированию. Будут проанализированы различные бидентатные направляющие группы как эффективный инструмент функционализации связи C – H, на их основе синтезированы металлоциклические комплексы (в первую очередь, Co, Pd и др.) и установлена их реакционная способность и каталитическая и редокс-активность, и, главное, факторы, их определяющие. Производство широкого спектра веществ, необходимых современному обществу, экологически приемлемым путем представляет сложную и насущную задачу для химиков-синтетиков. Сегодня все чаще решающим в выборе метода синтеза и технологии становится так называемый «зеленый» фактор, т.е. соответствие требованиям экологической приемлемости. В этом смысле есть все основания полагать, что предлагаемые в проекте подходы к прямой одностадийной функционализации связей C-Н ароматических соединений (например, путем С-H/(P- или N-прекурсор) кросс-сочетания) в электрохимических условиях, по самой своей сути являющиеся атом-экономными и экологически благоприятными процессами, имеют реальную перспективу занять достойное место в современном органическом синтезе, а установление механизмов является ключевым условием прогресса. Актуальным остается прогнозирование факторов, определяющих селективность С-H замещения и создание условий для целенаправленного управления такими факторами, а для этого необходимо знание механизма реакции и его изменения при варьировании параметров. Несмотря на важность комплексов со связями металл-углерод (металлоциклов и др.) в качестве интермедиатов в катализе кросс-сочетания, их изучение и характеристика были ограничены присущей им нестабильностью и склонностью к восстановительному элиминированию. Центрированность переноса электрона (лигандо- или металлоцентрированный перенос) в металлокомплексах со сложным лигандным окружением часто является определяющим пути превращений органических фрагментов на платформе металла. Для достижения эффективной и селективной C-H-функционализации были использованы различные стратегии для ускорения стадии активации C-H, включая использование направляющих групп в субстрате, которые облегчают координацию с катализатором. Понимание механизмов каталитического цикла и реакционной способности или редокс-активности ключевых металло-циклических интермедиатов в этих лигандо-направленных реакциях является основой для контроля селективности синтеза и электросинтеза. В настоящем Проекте будет использована комбинация электросинтеза и вольтамперометрии с традиционными синтетическими и физико-химическими методами, которая, как мы полагаем, является многообещающей для установления механизмов и позволяет достичь селективного преобразования связей C-H в функционализированные связи C-C или C-X (X - гетероатом). Выяснение деталей каталитического цикла требует прямого исследования реакции в процессе катализа, а их знание позволит создать управляемую каталитическую систему и предсказывать реакционную способность. Будут предложены и подтверждены механизмы, выделены металлоорганические интермедиаты процессов со связями M-P, M-N, M-C, установлены их редокс- и другие физико-химические свойства, что ранее удавалось редко. Впервые будет осуществлено комплексное исследование механизма процесса, с применением методов циклической вольтамперометрии, ЭПР, спектроэлектрохимии, ренгеноструктурного анализа и других классических физико-химических методов исследования. Часто предполагаемые в лигандо-направленных каталитических превращениях интермедиаты со связями металл-углерод, в том числе металлоциклы, как правило, не устойчивы, поэтому их не удается, или редко удается выделить. Поэтому их изучение и характеристика были ограничены присущей им нестабильностью и склонностью к восстановительному элиминированию, однако в настоящем проекте решению этой важной проблемы будет уделено особое внимание. Будут исследованы в том числе и новые аминирующие реагенты -нитрилы (ацето-, бензо-, пропио-), а также морфолин и бензамиды, ряд соединений фосфора (III) в качестве фосфорилирирующих реагентов. Будет установлена реакционная способность N-оксидов ряда гетероароматических соединений (например, пиридин-N-оксид, изохинолин-N-оксид, фенилпиридин-N-оксид и др.) в кроссс-сочетании в сравнении с не оксидными аналогами. Будут проанализированы одноэлектронная в сравнении с двухэлектронной редокс-активностью металлокатализаторов и интермедиатов каталитического цикла с точки зрения обеспечения селективности превращений. Предполагается обеспечить или обнаружить новые, ранее неописанные пути реагирования на матрице металла, когда лигандо-направленная С-Н активация и функционализация может протекать с образованием разных продуктов сочетания С-С или С-N конкурентно из одних и тех же реагентов; будут получены новые данные о механизмах и интермедиатах С-Н функционализации, их реакционной способности; будут предложены новые подходы к повышению селективности С-Н/P-H(N-H) кросс-сочетания с выделением водорода управлением потенциала электролиза на основе понимания механизма процесса и т.д. Предлагаемые в настоящем проекте подходы и методы представляют новый практический путь синтеза ценных ароматических и гетероароматических соединений, модифицированных амино-, фосфорсодержащими заместителями, потенциально важных в фармацевтической и агрохимической промышленности, причем наиболее атом-экономный, экологически приемлемый, соответствующий высоким требованиям современной химии. Выполнение поставленных в проекте задач внесет заметный вклад в современную элементоорганическую химию, а полученные результаты будут полностью соответствовать мировому уровню, поскольку в основе проекта лежат самые современные и оригинальные методы и подходы. По результатам работы публикации предусмотрены в высокорейтинговых журналах мирового уровня - Q1 и Q2.

Ожидаемые результаты
В рамках Проекта 2022-24 гг будут получены фундаментальные результаты, связанные с установлением ключевых интермедиатов и факторов, определяющих их реакционную способность и механизмы каталитических циклов с целью создания новых атом-экономных, одностадийных, каталитических, экологически приемлемых подходов к получению практически важных ароматических и гетероароматических соединений с введенными элементорганическими заместителями (азот-, фосфорорганическими) на основе прямой функционализации С-Н связи. Закономерностей реакций предполагается устанавливать комплексом современных методов, в первую очередь методами электрохимии и ЭПР. Предлагаемая стратегия основана на управлении селективностью превращения потенциалом электролиза, обеспечивающем селективное окисление конкретного участника процесса (либо металла, лиганда, металлоцикла со связью M-C, либо партнера сочетания), лежащего на пути реакции и определяющего эффективность всего каталитического цикла в целом. Разработанные методы позволят исключить использование избытка традиционных окислителей (токсичных солей металлов, пероксидных соединений или трудноотделяемых органических галоген-содержащих соединений) и классических восстановителей, заменив их на электрод, потенциал которого, и, следовательно, окислительно-восстановительную силу, можно подбирать и варьировать в широких пределах, таким образом, управляя каталитической реакцией. В оптимальном варианте в качестве единственного побочного продукта будет выделяться водород (в восстановительных условиях) или кислота H+ (в окислительных), причем последняя может в условиях электролиза превратиться в тот же водород на катоде. Электрохимические методы, как планируется, должны позволить точно оценить редокс- активность каждого прекурсора и ключевого идентифицированного интермедиата каталитического цикла, понять, как изменяется окислительный потенциал участников многоэлектронного каталитического процесса и как можно контролировать селективность, изменяя этот потенциал или добавляя необходимые реагенты. Особое внимание будет уделено установлению структуры и реакционной способности металлоциклических интермедиатов (переходный металл: Co, Cu, Pd и др.) в лигандо-направленной С-Н функционализации, факторов, стабилизирующих или способствующих их образованию и, наоборот, благоприятствующих восстановительному элиминированию. Будут проанализированы различные бидентатные направляющие группы как эффективный инструмент функционализации связи C – H, на их основе синтезированы металлоциклические комплексы (в первую очередь, Co, Pd и др.) и установлена их реакционная способность и каталитическая и редокс-активность, и, главное, факторы, их определяющие. Будут получены лиганды-субстраты с различными бидентантными направляющими группами, способные образовывать металлоциклы с переходными металлами в ходе реакции С-H активации. Будут синтезированы металлоциклы-интермедиаты с бидентантными, например, N, N-направляющими группами, содержащими ароматический субстрат, активированный по С-Н связи, для ранее неустановленных или неустойчивых структур кобальта, палладия и др. металлов, установлена их структура и свойства, редокс- и каталитическая активность. Поскольку в литературе существуют противоречивые данные по механизмам восстановительного элиминирования, то предполагается моделирование этой ключевой стадии в каждом конкретном случае и установление факторов, способствующих ей. Будет проведен анализ факторов (природа металла, лигандов и солигандов, потенциал электрода, природа растворителя и др.), определяющих центрированность переноса электрона – металло- или лигандоцентрированный (отрыва при окислении и присоединения -при восстановлении), причем в качестве металлов будут выбраны Co, Ni, Pd и др., а лигандов – гетроароматические соединения с бидентантными N, N-направляющими группами (для синтеза металлоциклов со связью металл-углерод), так и лиганды, не образующие металлоциклы, типа 1,2-бис[(2,6-диизопропилфенил)имино]аценафтеновые -для сравнения их поведения и продуктов электронного переноса в близких условиях; Будут подобраны партнеры для электрокаталитического кросс-сочетания выбранных лигандов-субстратов для реализации селективного С-H фосфорилирования или аминирования. Будут установлены редокс-свойства всех участников изучаемых каталитических превращений, C-H/(P- или N- органический прекурсор) сочетания, (гетеро)ароматических соединений, выбранных металлокомплексов и их солей в одинаковых условиях, как по-отдельности, так в смесях. В некоторых случаях, где это будет возможно, предполагается выявление каталитических приростов тока в системе катализатор-субстрат и закономерностей реакции, расчет TOF, keff и др. параметров. Будет проведена оценка возможности использования и реакционной способности новых реагентов-прекурсоров для функционализации, ранее мало используемых или плохо реагирующих, например, для аминирования - нитрилов (ацето-, в первую очередь, а также пропио-, бензонитрилов), для фосфорилирования - триалкил-, трифенил-, ди- или триамидофосфитов и т.д. Будет подробно исследования реакционная способность ряда соединений фосфора (III) в электрохимических реакциях образования связи углерод-фосфор, установлены различия в путях реагирования триорганил-, диорганил- и др.фосфитов. Будет установлена реакционная способность N-оксидов ряда гетероароматических соединений (например, пиридин-N-оксид, изохинолин-N-оксид, фенилпиридин-N-оксид и др. в сравнении с не оксидными аналогами. Будут проанализированы одноэлектронная в сравнении с двухэлектронной редокс-активностью металлокатализаторов и интермедиатов каталитического цикла с точки зрения обеспечения селективности превращений. Будет реализован препаративный одностадийный электросинтез в мягких условиях (комнатная температура, минимальное количество дополнительных реагентов) практически важных ароматических и гетероароматических соединений с фосфорными или аминными функциональными группами по реакции С-P (C-N) кросс-сочетания, катализируемый солями (комплексами) переходных металлов, в первую очередь Co, Cu, Pd (для сравнения) и др. Будут установлены факторы, определяющие селективность процесса и выходы продуктов с привлечением, в первую очередь, методов вольтамперометрии и ЭПР. Предполагается ЭПР-исследование ключевых интермедиатов каталитического цикла, установление структуры парамагнитных комплексов, температурные измерения как с использованием ловушек, так и без них. Укрупнение, масштабирование методики электросинтеза до получения граммовых количеств ценных продуктов. Анализ возможностей С-Н функционализации в зависимости от природы ароматического субстрата, заместителей в нем (предполагается расширить ряд возможных гетероароматических молекул, использовать акридины, различные замещенные бензолы, пиразолы, производные бензо[d]оксазола, пиразина и т.п.), осуществить выделение металлоциклов и других интермедиатов цикла и исследование их свойств в каждом случае. Поэтому цель Проекта – осуществить реакции C-H сочетания с N-,P- прекурсорами в мягких электрохимических условиях без специально добавленных окислителей и/или восстановителей, без фотоинициаторов, при комнатной температуре процесса, путем прямой функционализации С-Н связей, исключающей предфункционализацию, является очень амбициозной, соответствующей мировым тенденциям развития химической науки. Предлагаемая стратегия основана на управлении селективностью превращения потенциалом электролиза, обеспечивающем окисление конкретного участника процесса (либо металла, лиганда, металлоцикла со связью M-C, либо партнера сочетания), лежащего на пути реакции и определяющего эффективность всего каталитического цикла в целом. Производство широкого спектра веществ, необходимых современному обществу, экологически приемлемым путем представляет собой насущную задачу для химиков-синтетиков и технологов. Среди многих доступных стратегий, реакции, катализируемые переходными металлами, оказались одними из наиболее важных и перспективных путей к экономному и простому получению сложных органических структур. Сегодня все чаще решающим в выборе технологии становится так называемый «зеленый» фактор, т.е. соответствие требованиям экологической приемлемости. В этом смысле есть все основания полагать, что предлагаемые в проекте подходы к прямой функционализации связей C(sp2)-Н ароматических соединений в электрохимических условиях, по самой своей сути являющиеся атом-экономными и экологически благоприятными процессами, имеют реальную перспективу занять достойное место в современном органическом синтезе. А электрохимические инструменты являются очень эффективными, удобными и оперативными для достижения понимания механизма реакций и управления их селективностью.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---