АннотацияВ современной химии, стремящейся к максимальной атомной эффективности и экологичности, поиск новых типов каталитических систем для получения практически ценных соединений и материалов является одним из приоритетных направлений. В течении последнего десятилетия никель-катализируемые реакции кросс-сочетания стали одним из наиболее бурно развиваемых направлений гомогенного металлокомплексного катализа. Этому способствовал ряд преимуществ, свойственные никелевым катализаторам, некоторые из них: а) способность инициировать каталитическую реакцию при использовании малореакционных субстратов; б) наличие переходов между Ni(0)/Ni(I)/Ni(II)/Ni(III) степенями окисления, а также возможность реализации радикального механизма каталитической реакции; c) возможность проведения электро/фото-каталитических реакций; д) дешевизна никеля относительно благородных металлов (Pd, Rh, Ir, Ru и т.д.). Традиционно при разработке новых никелевых катализаторов делается упор на применение сложных лигандов, которые в зависимости от каталитической реакции меняют пространственные и электронные параметры металлического центра. Наиболее часто, в качестве источника Ni(0) используется бис(1,5-циклооктадиен)никель(0) или Ni(COD)2, который применялся в более чем 1000 синтетических исследованиях за последние два десятилетия. Популярность Ni(COD)2 обусловлена способностью циклооктадиеновых лигандов in situ замещаться другими лигандами, что дает возможность для проведения каталитической реакции, исследовать и использовать различные комбинации Ni(COD)2/лиганд. Однако Ni(COD)2, является чрезвычайно чувствительным к воздуху соединением и требует использования бокса с инертной атмосферой. Соответственно, широкое использование методологий с применением Ni(СOD)2 в органическом синтезе остается ограниченным. В то же время, благодаря предварительному восстановлению или активации комплексов Ni(II), в ряде работ последних лет показана возможность проведения никель-катализируемых реакций с использованием вместо Ni(СOD)2 стабильных на воздухе соединений Ni(II). Разработка методов активации никелевых катализаторов в мягких условиях, с применением доступных и экологически безопасных реагентов, является актуальной и востребованной задачей. Настоящий проект направлен на разработку новых методов, позволяющих получать никелевые катализаторы для реакций кросс-сочетания, из доступных соединений Ni(II). Применение активирующих добавок (восстановителей) или методов электрохимии позволят in situ генерировать низковалентные соединения никеля, без необходимости использования дорогостоящего оборудования для работы в инертной атмосфере. Стоит отметить, что в настоящее время эти методы активно разрабатываются. В рамках предлагаемого в данном проекте подхода будут выполнены исследования превращений никелевых катализаторов в процессе катализа реакций кросс-сочетания в присутствии различных активирующих добавок или под действием электрического тока, определены механизмы трансформаций никелевых комплексов, установлены основные факторы, влияющие на эффективность активации никелевых комплексов. Будут оптимизированы условия никель катализируемых реакций. В результате выполнения проекта планируется создание новых каталитических систем, позволяющих в зависимости от каталитической реакции, проводить активацию никелевых катализаторов химическими или электрохимическими способами с целью получения наибольшего выхода продукта каталитической реакции в мягких условиях.
Ожидаемые результатыВ результате выполнения проекта ожидается достижение следующих основных результатов: 1. Будут получены новые фундаментальные знания о путях превращений комплексов Ni(II) под действием различных активирующих добавок (восстановителей) или электрического тока. 2. Будут определены основные факторы, определяющие активность никелевых катализаторов, сгенерированных из комплексов Ni(II), в зависимости от модификации структуры и типа используемых лигандов, реагентов в процессе катализа модельных реакций кросс-сочетания. 3. Будут разработаны новые методы активации никелевых комплексов, обеспечивающие высокую активность и стабильность каталитических систем в типичных реакциях кросс-сочетания. 4. Будут разработаны эффективные методы активации каталитических систем на основе стабильных соединений Ni(II), позволяющие решить проблемы, связанные с применением неустойчивых на воздухе Ni(0) прекатализаторов. Ожидаемые результаты имеют ключевое значение для развития методологии никель катализируемых реакций кросс сочетания. Планируемые результаты расширяют современные представления о механизмах каталитических реакций с применением в качестве катализаторов комплексов никеля, открывают новые возможности для создания эффективных технологических процессов производства практически ценных органических веществ. Планируемые результаты соответствуют мировому уровню исследований в области органического синтеза и металлокомплексного катализа. Предполагается, что запланированные результаты могут быть в будущем адаптированы к технологическим процессам и использованы промышленностью для производства ценных веществ. Разработанные новые эффективные методы генерирования никелевых катализаторов позволят существенно снизить расход дорогостоящих металлов, уменьшить количество примесей токсичных металлов в конечных продуктах и промышленных стоках, удешевить производство жизненно необходимых и важнейших лекарственных средств, способствовать развитию высокотехнологичного здравоохранения и технологий здоровьесбережения, и, таким образом, ускорить уход от импортозависимости за счет увеличения доли инновационных производств в России. Результаты исследований будут опубликованы в высокорейтинговых международных журналах, включая журнала первого квартиля (Q1) в системах Web of Science и Scopus, и представлены на международных и российских научных конференциях.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году На первом этапе проекта выполнены следующие работы: - синтез комплексов Ni(II) с лигандами разных типов, в количествах необходимых для проведения исследований процессов активации в реакциях кросс-сочетания. - исследование процессов активации комплексов Ni(II) под действием восстановителей - формиатов, алкоголятов, спиртов, формамидов, гидридов и аминов в условиях каталитических реакции кросс-сочетания протекающих с добавлением оснований и без оснований. - изучение взаимосвязей между строением комплексов Ni(II), видом восстановителя и активностью каталитической системы в типичных реакциях образования связей С-С и С-гетероатом. - разработка новых каталитических систем на основе комплексов Ni(II) и активирующих добавок для проведения никель-катализируемых реакций образования связей С-С и С-гетероатом. В течении первого года выполнения проекта достигнуты следующие наиболее важные результаты: Наработана библиотека структурно разнообразных комплексов Ni(II) с P-лигандами, N-лигандами и NHC-лигандами. Разработан новый метод синтеза дикарбеновых комплексов (NHC)2NiCl2 с NHC-лигандами, содержащими объемные N-арильные заместители. Важным преимуществом разработанного метода от ранее известных является возможность проведения синтеза на воздухе за счет применения стабильных реагентов - азолиевых солей-NHC-пролигандов, хлорида никеля, слабого основания (Cs2CO3) и пиридина в качестве промотора реакции металлирования. Ранее известные методы синтеза таких комплексов подразумевали применение нестабильных реагентов – свободных N-гетероциклических карбенов или Ni(COD)2, что связано с необходимостью проводить реакцию в инертной атмосфере. Выполнено комплексное исследование по установлению взаимосвязи между эффективностью каталитической системы, структурой комплексов Ni(II) и видом восстановителя на примере типичных реакций образования связей С-С и С-гетероатом. Показано, что для реакций С-S сочетания и арилирования гетероциклов по С-Н связи катализатор эффективно активируется под действием трет-бутилата натрия или калия при высокой температуре, тогда как в реакциях алкилирования гетероциклов по С-Н связи более эффективно активировать катализатор под действием формиата натрия. Найдено, что ДМФА может использоваться в качестве нового эффективного активатора систем Ni/NHC в реакциях C-N сочетания и реакции Хека. Разработаны новые эффективные каталитические системы на основе комплексов Ni(II) и активирующих добавок для катализа реакций С-S сочетания, C-N сочетания, арилирования гетероциклов по С-Н связи и реакции Хека. Ресурсы в сети Интернет https://vchlab.ru/
Публикации
1. О.В. Хазипов, А.С. Пятаченко, Д.В. Пасюков, М.Е. Миняев, В.М. Чернышев A pyridine promoted 'weak base route' to (NHC)2NiCl2 complexes with bulky N,N′-diaryl carbene ligands Elsevier, Volume 33, Issue 2, P. 180-183 (год публикации - 2023)
https://doi.org/10.1016/j.mencom.2023.02.010 Аннотация результатов, полученных в 2023 году На втором этапе проекта выполнены следующие работы: - синтез комплексов (NHC)NiCp2 (Cp = циклопентадиенил анион) и (NHC)2Ni(Н)Cl; - исследование путей восстановления комплексов (NHC)NiCp2 и (NHC)2Ni(Н)Cl; - исследование каталитической активности комплексов (NHC)NiCp2 и (NHC)2Ni(Н)Cl по сравнению с известными ранее прекатализаторами Ni(II)/NHC в условиях каталитических реакций С-Н активации, C-N и С-S кросс-сочетания; - исследование активности электрохимически генерированных Ni катализаторов в реакциях С-Н активации, C-N и С-S кросс-сочетания. Получены следующие наиболее важные результаты: Разработаны методы синтеза ряда структурно разнообразных комплексов (NHC)NiCp2 и (NHC)2Ni(Н)Cl. Ключевой особенностью полученных никельорганических соединений является их способность к самовосстановлению с генерацией комплексов Ni(0)/NHC при нагревании. Показано, что наиболее вероятный механизм восстановления никелевых комплексов (NHC)NiCp2 протекает через стадию восстановительного элиминирования двух циклопентадиенильных лигандов, а комплексов (NHC)2Ni(Н)Cl в результате реакции H-NHC сочетания. Впервые продемонстрирована высокая эффективность комплексов (NHC)NiCp2 в катализе реакции гидрогетероарилирования алкенов и комплексов (NHC)2Ni(H)Cl в катализе реакций гидрогетероарилирования алкенов, С-N и С-S кросс-сочетания, как нового класса термически активируемых Ni/NHC прекатализаторов. Основными преимуществами этих комплексов по сравнению с ранее описанными комплексами Ni(II)/NHC является отсутствие необходимости использования специальных восстановителей Ni(II) до Ni(0). Установлено влияние циклопентадиенильных лигандов и продуктов их димеризации на каталитическую активность комплексов (NHC)NiCp2. Предложены новые и эффективные Ni/NHC каталитические системы для проведения реакций С-Н алкилирования гетероциклов алкенами и C-N кросс-сочетания. Основным преимуществом предложенных каталитических систем является in situ генерирование комплексов Ni/NHC из устойчивых на воздухе соединений: NiCl2Py2, NHC*HCl и tBuONa. Установлено, что основная роль tBuONa состоит в депротонировании азолиевой соли и активации Ni/NHC комплексов. Показана перспективность использования методов электрохимии для генерации Ni катализаторов в реакциях C-S и С-N кросс-сочетания. Установлено, что использование электрического тока в Ni-катализируемой реакции C-S кросс-сочетания арилгалогенидов с тиолами позволяет проводить реакцию без использования оснований. Ресурсы в сети Интернет https://vchlab.ru/
Публикации
1. Хазипов О.В., Пятаченко А.С., Чернышев В.М., Анаников В.П. A Simple Protocol for the C-N Cross-Coupling of Aryl Chlorides with Amines Applying Ni/NHC Catalysis ChemCatChem, Volume 15, Issue13, e202300466 (год публикации - 2023)
https://doi.org/10.1002/cctc.202300466 2. Хазипов О.В., Чернышев В.М. (NHC)NiCp2 complexes: new air-stable thermally activated precatalysts for olefine hydroheteroarylation Mendeleev Communications, - (год публикации - 2023)