Проект направлен на решение проблемы деактивации металлокомплексных катализаторов и создание высокоактивных, селективных и стабильных каталитических систем для реакций образования связей углерод-гетероатом (C-X, X = S, O, N, и др.), применяющихся в производстве фармацевтических препаратов и агрохимикатов.

Реакции образования связей углерод-сера, углерод-кислород и углерод-азот, катализируемые комплексами переходных металлов, широко применяются как в лабораторном, так и промышленном органическом синтезе. Однако важной проблемой металл-катализируемых реакций образования связей С-Х является быстрая деактивация металлокомплексных катализаторов. Эта проблема обусловлена способностью многих гетероатом-содержащих реагентов и продуктов образовывать прочные связи с металлами, приводя к замещению лигандов и разрушению каталитически активных металлокомплексов. Например, типичной причиной деактивации палладиевых и никелевых комплексов в реакциях тиолирования является замещение вспомогательных лигандов тиолами и образование неактивных полимерных сульфидов металлов, содержащих мостиковые связи метал-сера-металл. В связи с проблемой быстрой деактивации во многих практически важных процессах, основанных на реакциях образования связей С-Х, приходится использовать повышенные загрузки металлокомплексных катализаторов и разрабатывать специальные методы очистки продуктов от примесей металлов.

Одним из основных подходов к решению проблемы деактивации является применение высокостабильных металлокомплексных катализаторов, обладающих повышенной устойчивостью связи металл-вспомогательный лиганд. К таким катализаторам относятся комплексы переходных металлов с N-гетероциклическими карбенами (M/NHC), получающие все большее распространение в катализе реакций образования связей углерод-гетероатом. Комплексы M/NHC характеризуются высокой прочностью связывания металлов с NHC-лигандами и широкими возможностями для варьирования лигандного окружения. Однако, несмотря на высокую прочность связи металл-NHC, при катализе многих реакций образования связей С-X комплексы M/NHC довольно быстро теряют каталитическую активность. Пути деактивации комплексов и основные факторы, обеспечивающие активность и стабильность комплексов M/NHC в катализе реакций образования связей углерод-гетероатом, до сих пор остаются малоизученными.

В настоящем проекте впервые будет выполнено систематическое исследование превращений Pd/NHC и Ni/NHC комплексов при катализе типичных реакций образования связей углерод-гетероатом (C-S, C-O, C-N). Ожидается получение прорывных данных о трансформациях металлокомплексов в процессе катализа, которые позволят выявить основные факторы, определяющие активность и стабильность каталитических систем, понять причины деактивации. Значительное внимание будет уделяться малоизученным реакциям восстановительного элиминирования NHC-лигандов по типу X-NHC сочетания (X = S, O, N) и их влиянию на катализ. Для создания высокоактивных и стабильных M/NHC катализаторов будут исследованы новые подходы к модификации структуры NHC-лигандов, основанные на введении специальных ионизирующихся и хелатирующих групп, влияющих на электронное состояние и пространственное окружение металла. Будут опробованы новые подходы, основанные на введении в реакционные смеси специфических солигандов и реагентов, влияющих на активацию и стабилизацию, либо регенерацию металлокомплексов. В результате планируется разработать новые высокоактивные и стабильные каталитические системы на основе комплексов M/NHC и эффективные процессы синтеза практически важных серо-, кислород- и азотсодержащих соединений, в том числе применяющихся на практике лекарств и агрохимикатов.

Ожидаемые результаты:

Будут получены новые фундаментальные знания о превращениях комплексов M/NHC (M = Pd, Ni) в процессе катализа типичных реакций образования связей углерод-гетероатом (гетероатом — N, O, S и др.) — гидротиолирования непредельных соединений, арил- и алкилтиолирования, гидроксилирования, алкоксилирования, феноксилирования и аминирования ароматических и гетероароматических соединений. Будет определена природа активных центров, механизмы катализа и деактивации, а также основные факторы, определяющие активность и стабильность комплексов M/NHC в процессе катализа. Разработаны новые методы стабилизации комплексов М/NHC, основанные на модификации структуры NHC-лигандов путем введения специфических ионизирующихся и хелатирующих групп, которые позволят обеспечить высокую активность и стабильность каталитических систем в типичных реакциях образования связей С-X (X = N, O, S и др.); созданы новые высокоактивные и стабильные каталитические системы на основе комплексов M/NHC и эффективные методы синтеза ряда лекарств и агрохимикатов.

Ожидаемые результаты будут способствовать развитию гомогенного металлокомплексного катализа и общей методологии синтеза органических веществ на основе металл-катализируемых реакций образования связей углерод-гетероатом.