Разработка селективных методов функционализации органических соединений с образованием связей углерод-углерод и углерод-гетероатом, в том числе, с участием технологичных малых молекул

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 проекта 24-43-00111

НазваниеРазработка селективных методов функционализации органических соединений с образованием связей углерод-углерод и углерод-гетероатом, в том числе, с участием технологичных малых молекул

Руководитель Терентьев Александр Олегович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук , г Москва

Конкурс №86 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)

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

Ключевые слова Окислительное сочетание, окисление, свободнорадикальные реакции, органический электросинтез, атом-экономичные процессы, связь углерод-углерод, связь углерод-гетероатом, пероксиды, кислород-центрированные радикалы, сера-центрированные радикалы, N-оксильные радикалы, углекислый газ, озон, пероксид водорода.

Код ГРНТИ31.21.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящий проект является междисциплинарным научным исследованием, включающим в себя органический синтез, электро- и фотохимию, катализ, а также безотходные технологии. Проект посвящен разработке селективных методов функционализации органических соединений различных классов (структур с кратными связями углерод-углерод и углерод-азот, карбо- и гетероциклов, карбонильных соединений и их производных) с использованием органических пероксидов, N-гидроксисоединений, производных гидроксиламина, а также малых молекул, таких как CO2, O2, O3 и H2O2. Особое внимание будет уделено использованию методов электро- и фотохимии для реализации разрабатываемых превращений. Разработка атом-эффективных и селективных подходов к получению полифункциональных соединений из простых и доступных субстратов в минимальное количество стадий является крайне актуальной задачей современного органического синтеза. Первое основное направление проекта посвящено новым химическим превращениям с участием диоксида углерода, являющегося на сегодняшний день главным парниковым газом. В настоящее время утилизируется <1% выделяемого CO2, что приводит к значительным климатическим изменениям во всем мире. В рамках настоящего проекта будут разработаны новые методы карбоксилирования с возможной последующей циклизацией с использованием диоксида углерода в качестве источника карбоксильного фрагмента. Особое внимание будет уделено экологичным методам органического синтеза, а именно использованию электро- и фотохимии. В рамках этого направления также будут вестись исследования в области восстановительной функционализации CO2. В частности, будут разработаны стабильные гетерогенные катализаторы, обладающие высокой эффективностью в процессе образования CO из CO2. Также будет изучен вопрос конверсии смесей, полученных в результате фотокаталитического восстановления CO2, без предварительной очистки и выделения индивидуальных компонентов. Второе основное направление проекта — разработка надежных методов генерации свободных радикалов и вовлечение этих интермедиатов в процессы функционализации широкого ряда ненасыщенных соединений. В рамках этого направления также планируется уделить значительное внимание использованию электрического тока и системы фотокатализатор/видимый свет для образования радикальных частиц. Тщательный подбор исходных реагентов и условий реакции обеспечит высокую селективность обнаруженных превращений, несвойственную большинству известных радикальных процессов. В ходе выполнения проекта будут разработаны новые радикальные превращения с участием малых молекул, таких как O2, O3 и H2O2. С использованием обнаруженных реакций будут синтезированы различные классы органических пероксидов. Свободнорадикальные превращения этих соединений откроют путь к удаленно функционализированным карбоновым кислотам и сложным эфирам, которые крайне сложно получить с помощью существующих синтетических подходов. Использование технологичных малых молекул в качестве ключевых реагентов сделает разрабатываемые процессы перспективными как с фундаментальной, так и с прикладной стороны. В рамках проекта также планируется детальное исследование механизмов протекания обнаруженных превращений с использованием физико-химических методов анализа и компьютерного моделирования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разработан метод электрохимического гидрокарбоксилирования ацетатов енолов с использованием CO2. Открытая реакция обеспечивает выход β-ацетоксикарбоновых кислот 25–66%, в отличие от электролиза кетонов, силиловых эфиров енолов и винилтозилатов с CO2, который приводит в основном к спиртам. Предложен новый электрохимический подход для генерирования фталимид-N-оксильных радикалов анодным окислением N-гидроксифталимида с использованием каталитических количеств солей металлов переменной валентности, среди которых наилучшие результаты получены с применением Fe(ClO4)3. Предложенный подход позволил впервые осуществить окислительное C–O сочетание N-гидроксиимидов с β-дикарбонильными соединнениями без использование стехиометрического количества окислителя, заменив его каталитическим количеством Fe(ClO4)3 и электрическим током. Электролиз проходит в экспериментально удобном режиме: в неразделенной ячейке при постоянном токе. Найдены оптимальные условия синтеза геминальных алкоксигидропероксидов из семикарбазонов – простых производных карбонильных соединений. На его основе была разработана двухстадийная стратегия получения ω-функционализированных соединений. Показано, что озонолиз семикарбазонов в присутствии спиртов с последующим добавлением солей железа позволяет получать ω-галоген- и ω-псевдогалогензамещенные сложные эфиры, избегая выделения алкоксигидропероксидов. Разработанный подход делает возможным синтез ω-функционализированных сложных эфиров из производных циклоалканонов, содержащих крупные алициклические фрагменты и заместители.

Публикации

1. Фоменков Д.И., Будехин Р.А., Радулов П.С. Фоменков А.И., Хе Л.-Н., Ярёменко И.А., Терентьев А.О. C═N Bond Ozonolysis и β-Scission: A Breakthrough Approach to the Synthesis of ω-Functionalized Compounds from Carbonyl Derivatives Organic Letters, 26, 38, 8095–8099 (год публикации - 2024)
10.1021/acs.orglett.4c02999

2. Ярёменко И.А., Фоменков Д.И., Будехин Р.А., Радулов П.С., Медведев М.Г., Кривощапов Н.В., Хе Л.-Н., Алабугин И.В., Терентьев А.О. Interrupted Dance of Five Heteroatoms: Reinventing Ozonolysis to Make Geminal Alkoxyhydroperoxides from C═N Bonds The Journal of Organic Chemistry, J. Org. Chem. 2024, 89, 8, 5699–5714 (год публикации - 2024)
10.1021/acs.joc.4c00233

3. Жао Л., Ху Х.-Ю., Ву А.-Г., Терентьев А.О., Хе Л.-Н., Ли Х.-Р. CO2 capture и in-situ conversion to organic molecules Journal of CO2 Utilization, 82, 102753 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jcou.2024.102753

4. Ярёменко И.А., Виль В.А., Крылов И.Б., Терентьев А.О. The chemistry of heterocycles in the 21st century. Russian Chemical Reviews, 93 (7), Rcr5125 (год публикации - 2024)
10.59761/RCR5125

5. Устюжанин А.О., Битюков О.В., Соколовский П.В., Меркулова В.М. Иловайский А.И., Хе Л.-Н., Виль В.А., Терентьев А.О. Electrochemical hydrocarboxylation of enol derivatives with CO2: access to β-acetoxycarboxylic acids. Chemical Communications, 60, 8099-8102 (год публикации - 2024)
10.1039/D4CC02831G

6. Лопатьева Е.Р., Крылов И.Б., Субботина И.Р., Никишин Г.И., Терентьев А.О. Re‐Examination of Self‐Decay Chemistry of Phthalimide‐N‐oxyl Redox‐Organocatalyst for Free‐Radical CH‐Functionalization – Puzzle Begins to Come Together ChemCatChem, 16, 20, e202400793 (год публикации - 2024)
10.1002/cctc.202400793

7. Фоменков Д.И., Будёхин Р.А., Мулина О.М.. Комарова О.А., Доронин М.М., Белякова Ю.Ю., Хе Л.-Н., Ярёменко И.А., Терентьев А.О. Ring Opening and C(ω)-S Coupling: Nickel-Mediated Transformation of Alicyclic Alkoxyhydroperoxides Eur. J. Org. Chem., Eur. J. Org. Chem., 2025, 28 (7), e202401198 (год публикации - 2025)
10.1002/ejoc.202401198

8. Доронин М.М., Кликушин А.С., Мулина О.М., Медведев М.Г., Виль В.А. Хе Л.-Н., Терентьев А.О. α-Sulfonylated ketazine synthesis from vinyl azides and sodium sulfinates using CAN: radical C–S/N–N coupling cascade as a key reaction pathway Org. Chem. Front., Org. Chem. Front., 2025, 12, 5271-5278 (год публикации - 2025)
10.1039/D5QO00508F

9. Заикина Л.А., Доронин М.М., Сегида О.О., Мулина О.М., Крылов И.Б., Хе Л.-Н., Терентьев А.О. Synthesis of thiazoles from vinyl azides and xanthates under the action of Mn(III)-oxidant Org. Biomol. Chem., Org. Biomol. Chem. 2026, Accepted Manuscript (год публикации - 2025)
10.1039/D5OB01543J

10. Шуингалиева Д.В., Алулов А.А., Горлов Е.С., Вараксин М.В., Чарушин В.Н., Чупахин О.Н., Виль В.А., Терентьев А.О. C–C Coupling Enabled by Mn Complexes with Diacyl Peroxides: Alkylation versus Oxygenation The Journal of Organic Chemistry, J. Org. Chem., 2025, 90 (31), 11074-11080 (год публикации - 2025)
10.1021/acs.joc.5c00912

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Установлено, что озонолиз семикарбазонов циклических кетонов в присутствии спиртов с последующим добавлением дитиокарбаматов или ксантогенатов никеля (II) приводит к образованию ω дитиокарбамоил и ω ксантилзамещенных сложных эфиров. Обнаруженный процесс протекает в несколько стадий. Первый этап – образование алициклических алкоксигидропероксидов в результате озонолиза семикарбазонов циклоалканонов в спиртосодержащих растворах. Второй этап представляет собой нетривиальное взаимодействие между образовавшимися алкоксигидропероксидами и дитиокарбаматами или ксантогенатами никеля (II). Механизм данной стадии предполагает образование алкоксильных радикалов с последующим раскрытием цикла в результате β-расщепления. Образующийся углерод-центрированный радикал вступает в реакцию с серасодержащим компонентом с образованием продукта C−S-сочетания. Разработанный метод позволяет синтезировать широкий ряд ω дитиокарбамоил и ω ксантилзамещенных сложных эфиров с выходом до 52% относительно исходного семикарбазона. Кроме того, были исследованы возможности дальнейшей модификации полученных ω дитиокарбамоил и ω ксантилзамещенных сложных эфиров. https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ejoc.202401198 Обнаружена неожиданная реакционная способность комплексов марганца с пероксидами. В отличие от ожидаемого окисления, Mn(OAc)2 с диацилпероксидами обеспечивает C–H-функционализацию имидазол-N-оксидов алкильным фрагментом посредством многостадийного процесса. Ранее считалось, что такие системы могут только окислять вещества, то есть приводить к переносу атомов кислорода и созданию связей углерод-кислород. Было показано, что комплекс Mn с диацилпероксидом избегает переноса активного кислорода, а превращается в комплекс Mn(III) и алкильный радикал. C-центрированный радикал присоединяется к связи C=N, а Mn(III), в свою очередь, обеспечивает селективное окисление с образованием продукта сочетания C−C. Высокая эффективность в описанной реакции была достигнута только при использовании диацилпероксидов в качестве источника C-радикалов. Целевые 5-алкилированные 2H-имидазол-N-оксиды были получены с выходами 23–89%. Образование радикальных частиц было подтверждено методами ЭПР, ГХ-МС и экспериментами по перехвату радикалов. Предложенный механизм включает образование комплексов Mn(III)/Mn(IV) вследствие неинноцентной природы карбоксилатных лигандов, образующихся из диацилпероксида, дальнейшее образование С-радикала, его присоединение к исходному 2H-имидазол-N-оксиду и последующее окисление C−H связи до 5-алкилированных 2H-имидазол-N-оксидов. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.joc.5c00912#_i15 Реакция ксантогенатов и винилазидов под действием Mn(OAc)₃ приводит к образованию алкокситиазолов. В этом превращении ксантогенат калия подвергается окислению под действием Mn, образуя соответствующий ксантильный радикал. Последний взаимодействует с двойной связью винилазида, и после отщепления N₂ образуется β-ксантилированный иминильный радикал. Гашение иминильного радикала ионом Mn(II) с последующей циклизацией в 5-членный цикл, непредвиденным отщеплением серосодержащего фрагмента и ароматизацией приводит к образованию тиазолов. Важно отметить, что циклизация с образованием 6-членного цикла в описанном процессе не наблюдается. Полученные тиазолы демонстрируют противогрибковую активность, превосходящую таковую у коммерчески доступных фунгицидов. https://doi.org/10.1039/D5OB01543J Разработан метод синтеза α-сульфонилированных кетазинов из винилазидов и сульфинатов натрия, протекающий через радикальный каскад C-S/N–N-сочетания. Каскад начинается с генерации сульфонильных радикалов окислением RSONa нитратом церия(IV)-аммония (CAN). Их присоединение к двойной связи винилазидов с последующим элиминированием N₂ приводит к образованию иминильных радикалов, N–N-сочетание которых обеспечивает получение α-сульфонилированных кетазинов с выходами до 96%. Этот процесс представляет собой одну из редких граней реакционной способности иминильных радикалов, а именно N–N-сочетание, минуя типичные для них процессы восстановления, внутримолекулярной циклизации и 1,n-НАТ. Исследование спектров ЭПР и квантово-химические расчёты показали, что селективное N–N-сочетание иминильных радикалов обусловлено инертностью Ce(III) к координации с иминильными радикалами и невозможностью переноса заряда. В отличие от этого, Mn(II) координируется с иминильными радикалами, превращая их в енамины. https://doi.org/10.1039/D5QO00508F

Публикации