Аннотация
Проект направлен на решение проблемы создания водорастворимых NHC-комплексов переходных металлов путем введения в молекулу гидрофильной группы – четвертичного аммониевого, пиридиниевого или азолиевого катиона – и исследование каталитических свойств полученных соединений. Одним из важнейших инструментов современной органической химии является металлокомплексный катализ, в первую очередь, с использованием в качестве катализаторов комплексных соединений переходных металлов. Основной сферой его использования являются реакции кросс-сочетания, приводящие к образованию связей углерод-углерод или углерод-гетероатом. В качестве катализаторов этих реакций используют комплексы таких металлов, как палладий, никель, рутений, медь и др. Среди катализаторов кросс-сочетания наиболее активно исследуются комплексы переходных металлов с N-гетероциклическими карбенами (NHC), что обусловлено возможностью широкого варьирования их структуры в целях придания комплексам тех или иных каталитических свойств, а также сравнительной прочностью связи M-Ccarb по сравнению со связью M-гетероатом. Реакции кросс-сочетания на палладиевых катализаторах чаще всего проводят в инертных малополярных (толуол, ТГФ, диоксан), либо в полярных апротонных (ДМФА, ДМА, НМП) органических растворителях, однако есть также сообщения о реакциях в водной среде, но их количество ограничено. Тем не менее, известно, что наличие воды в системе способствует протеканию некоторых реакций кросс-сочетания, в частности, реакции Сузуки-Мияуры. Таким образом, перспектива использования воды в качестве среды реакций кросс-сочетания кажется весьма заманчивой с точки зрения дешевизны и экологичности процесса. Мы полагаем, что создание водорастворимых NHC-комплексов палладия, рутения и других металлов позволит существенно расширить сферу применения реакций кросс-сочетания, протекающих в воде. Известно, что ключевой стадией многих каталитических процессов является присоединение электрофильного реагента (арилгалогенида, алкена и т. п.) к металлу, находящемуся в низшей степени окисления. Для этого катализатор (например, комплекс состава [NHC-MIIX2Ln], где X и L – анионный и нейтральный лиганд соответственно) предварительно должен быть активирован путём восстановления до [NHC-M0Ln]. В этой связи катионные катализаторы кажутся весьма перспективными в условиях электрохимической активации: наличие положительного заряда будет способствовать концентрированию катализатора в непосредственной близости к катоду и более эффективному восстановлению с образованием каталитически активной формы. Ключевые элементы новизны разрабатываемой методологии: • Впервые будут исследованы соли имидазолия, содержащие в положении 4 катионную азотистую группу, связанную через метиленовый мостик; • Будут получены новые стабильные водорастворимые катализаторы типа M/NHC; • Впервые будут исследованы каталитические свойства аммониометил-производных M/NHC в водной среде, в том числе в условиях электрохимической активации.

Ожидаемые результаты
Будут разработаны методы получения новых солей 4-(α-галогеналкил)имидазолия, будет детально исследована их реакционная способность, в первую очередь: - Реакции нуклеофильного замещения галогена - Реакции элиминирования HX с образованием непредельных производных - Реакции металлирования карбенового атома углерода Путем их дальнейшей модификации будут получены дикатионы – соли имидазолия с тетраалкиламмоний- (пиридиний-, азолий-) метильным заместителем в положении 4. Будут исследованы свойства этих солей: - Возможность металлирования по карбеновому атому углерода - Отношение к действию оснований: - - Устойчивость имидазольного цикла - - Образование илидов азота при депротонировании метиленовой группы Будут найдены оптимальные подходы к синтезу комплексов M/NHC (M = Pd, Ru, Ni, Cu) тетраалкиламмонио- (пиридинио-, азолио-)метильным заместителем: очевидно, могут быть реализованы два пути синтеза – металлизация галогенметилсодержащих пролигандов и последующая кватернизация либо обратная последовательность стадий. Будет исследована каталитическая активность полученных комплексных соединений, в результате чего будут разработаны новые эффективные каталитические системы для реакций кросс-сочетания в водной среде и/или в условиях электрохимической активации. Внедрение этих методик в химическую технологию на промышленном уровне позволит внести существенный вклад в развитие экологически чистого производства и рационального природопользования, в соответствии с утвержденными Президентом РФ приоритетными направлениями развития России. Запланированные результаты полностью соответствуют мировому уровню исследований и будут опубликованы в ведущих международных изданиях (планируется не менее 3 статей, в том числе не менее двух статей в высокорейтинговых международных журналах, входящих в первый квартиль Web of Science).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Исследовано взаимодействие различных 1,4-диаза-1,3-бутадиенов с формилирующими реагентами в присутствии различных электрофильных активаторов, установлены закономерности этих превращений и найдены оптимальные условий получения солей имидазолия с галогеналкильной группой в положении 4. В случае производных циклических альфа-дикетонов получены продукты окислительной ароматизации – производные бензимидазола. 2. Исследовано взаимодействие солей 1,3-диарил-4-галогенметилимидазолия с различными нуклеофилами, получен ряд новых пролигандов, содержащих функциональные группы в положении 4 имидазольного цикла. Взаимодействием с H2O, HBr, NaN3 и KSCN получены соединения, содержащие группу CH2OH, CH2Br, CH2N3 и CH2SCN, соответственно. Реакция с NaCN протекает по-разному в зависимости от природы замещаемого галогена: замещение брома приводит к нитрилам, тогда как замещение хлора дает смесь продуктов. Взаимодействие солей 4-галогенметилимидазолия с азинами и N-замещенными азолами позволило получить большой ряд продуктов кватернизации – дикатионных солей, которые могут иметь широкое применение: а) в качестве пролигандов для получения водорастворимых комплексов M/NHC, в том числе для проведения металл-катализируемых реакций в воде in situ б) в качестве органокатализаторов в водной среде в) в качестве компонентов ионных жидкостей. Исследованы основные свойства полученных дикатионных солей, обнаружено, что существенное влияние на их стабильность оказывает степень делокализации положительного заряда и пространственные факторы. 3. Исследовано металлирование полученных дикатионных солей с использованием различных прекурсоров металлов и реакционных условий. Обнаружено, что в большинстве случаев металлирование имеет место, однако препаративное выделение комплексов M/NHC, получаемых по этой реакции, ограничено комплексами палладия (II). При взаимодействии пролигандов, содержащих в качестве заместителя (N-алкил(арил)азолиевый) фрагмент, с источником палладия были получены интересные бис-палладиевые комплексы. 4. Рассмотрен альтернативный подход к синтезу водорастворимых M/NHC комплексов, заключающийся в обратной последовательности стадий. Проведен синтез комплексов M/NHC, содержащих хлорметильную группу в положении 4 имидазольного цикла и последующая кватернизация гетероциклического субстрата. Первую стадию удалось осуществить на широком ряде пролигандов с использованием различных прекурсоров металлов. Было обнаружено, что для синтеза комплексов, в зависимости от природы металла, в одних случаях целесообразнее применять методику «free carbene route», а в других – методику «weak base route». В результате работы получен ряд M/NHC комплексов таких металлов, как Cu(I), Ag(I), Au(I), Ni(II), Ru(II) и Pd(II). В случаях комплексов Cu(I), Ag(I), Au(I) и Pd(II) удалось успешно провести замещение атома хлора на N-гетероциклы. В результате были получены катионные M/NHC комплексы соответствующих металлов. Полученные соединения отличаются хорошей растворимостью в воде и достаточной устойчивостью в растворе, поэтому могут быть использованы в качестве катализаторов в водной среде. Таким образом, в ходе работы найдены оптимальные пути синтеза дикатионных NHC-пролигандов и водорастворимых M/NHC комплексов, и получено достаточное количество представителей для дальнейшего изучения каталитической активности.



Публикации

1. Шевченко М.А., Пасюков Д.В., Ткаченко Ю.Н., Миняев М.Е., Чернышев В.М. Синтез дикатионных гетарилметилимидазолиевых солей реакцией хлоридов N,N′‑диарил-4-хлорметилимидазолия с N-гетероциклами Известия академии наук, Серия Химическая, - (год публикации - 2022)


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Разработаны новые и усовершенствованы известные методы получения функционально-замещенных производных 1,3-диарилимидазолия, такие как амины и имиды, простые и сложные эфиры, алкилтио- и арилтиопроизводные, тиоурониевые и фофониевые соли. Полученные соединения разных классов могут выступать не только в роли пролигандов для получения комплексов M/NHC, но и использоваться в качестве синтетических платформ для других путей модификации. Изучены реакции металлирования полученных новых пролигандов такими прекурсорами металлов, как Cu2O, Au(tht)Cl и Pd(py)2Cl2 (tht – тетрагидротиофен, py – пиридин). Выявлены закономерности протекания данных реакций в зависимости от таких характеристик NHC, как пространственная затрудненность карбенового центра и природа С(4)-функциональной группы. В результате были разработаны методы получения комплексов M/NHC (M = Pd, Au, Cu) комплексов новых классов, содержащих функциональную группу в положении 4. Введение полярных групп позволило создать несколько типов комплексов, обладающих повышенной растворимостью в воде. Проведено исследование каталитической активности полученных катализаторов на примере некоторых модельных реакций, протекание которых известно при катализе комплексами M/NHC (M = Pd, Cu, Au). Реакции проводили двумя методами. А) классическим методом – путем перемешивания при заданной температуре в закрытой пробирке на термостатируемой бане (в блоке). Б) электролизом при постоянной силе тока в ячейке с графитовыми электродами. Исследованы такие реакции, как палладий-катализируемые процессы Сузуки, Хека, Соногаширы, CH-арилирование, присоединение к алкинам в присутствии комплексов золота и CuAAC в присутствии комплексов меди. На основе полученных в ходе работы Cu/NHC катализаторов предложена удобная методика синтеза практически значимого вещества – противовоспалительного препарата «Диклофенак».



Публикации

1. Ткаченко Ю.Н., Шевченко М.А., Лаврентьев И.В., Пасюков Д.В., Миняев М.Е., Чернышев В.М. Циклизация 5,6-диарилпирроло[3,4-d]пиримидин-2,4-дионов с образованием производных пирроло[1,2-f]фенантридина: внутримолекулярное С–Н арилирование при катализе комплексами Ru/NHC Журнал общей химии, - (год публикации - 2024)


2. Шевченко М.А., Пасюков Д.В., Миняев М.Е., Чернышев В.М. 4-Сульфанилметил- и 4-сульфонилметилзамещенные N,Nʹ-диарилимидазолиевые соли – новые пролиганды в синтезе комплексов Pd/NHC Известия академии наук. Серия химическая, - (год публикации - 2024)