РФФИ 19-03-01053

«Новые стратегии синтеза функционально замещенных N-гетероциклических карбенов и их комплексов с переходными металлами»

    Современная химия и фармацевтика немыслимы без металлокомплексного катализа. Особую роль металлокомплексный катализ играет в фармацевтической промышленности.
    При производстве лекарств необходимо изменять структуру сложных молекул, содержащих много разных атомов. Такие молекулы в процессе химических превращений могут образовывать не только лекарственные вещества, но и побочные продукты, которые вредны для организма человека. Поэтому фармацевтической промышленности нужны специальные «умные» катализаторы, которые работают «с атомарной точностью».  К «умным» катализаторам относятся комплексы металлов с N-гетероциклическими карбенами, обозначается «M/NHC». Катализаторы M/NHC были открыты в середине 1990-х годов. Вскоре выяснилось, что они обладают рядом уникальных особенностей, что вызвало взрывной рост числа публикаций.

   Настоящий проект направлен на создание новых «умных» катализаторов M/NHC. Ключевой особенностью проекта является применение особых, функционально замещенных гетероциклических карбенов. Их молекулы имеют специальную группу, которая называется функциональной. Функциональная группа – это та часть молекулы, которая может вступать в специфические реакции. Например, на рисунке ниже изображена структурная формула такого вещества. В этой молекуле функциональной группой является аминогруппа (NH2).  Далее представлена «фотография» молекулы, полученная с помощью рентгеноструктурного анализа. Это вещество впервые исследовано в настоящем проекте.

    Зачем нужна функциональная группа в молекуле катализатора? Какую функцию она несет?
    Функциональная группа позволяет целенаправленно изменять свойства катализатора при определенных внешних воздействиях. Например, группы, способные к кислотно-основной диссоциации, сильно влияют на растворимость катализатора при изменении кислотности среды. Это облегчает отделение катализатора от продуктов реакции после синтеза. Некоторые функциональные группы увеличивают стабильность катализатора, обратимо реагируя с компонентами реакционных смесей. Кроме того, с помощью таких групп можно «прикреплять» катализатор к поверхности твердого носителя, делая его гетерогенным. Гетерогенный катализатор можно использовать многократно, поскольку он нерастворим в реакционной смеси и легко отделяется от продуктов реакции.
    В проекте нам удалось впервые ввести в химию комплексов M/NHC новые гетероциклические карбены, содержащие свободную аминогруппу. Проблема состояла в том, что металлы обычно образуют прочные связи с аминогруппами. Поэтому синтез комплексов M/NHC с гетероциклическими карбенами, имеющими свободные аминогруппы, до сих пор считался проблемой. Нами впервые получены комплексы палладия, никеля и золота с аминозамещенными NHC-лигандами – производными 1,2,4-триазола, и впервые показана возможность использования аминогруппы для целенаправленного изменения свойств комплексов M/NHC с помощью различных реакций без изменения остальной части молекулы. Более того, впервые показано, что такие комплексы M/NHC можно синтезировать непосредственно из аминозамещенных предшественников NHC-лигандов и солей металлов, минуя стадии защиты аминогруппы.
   По результатам первого года исследований была опубликована статья в высокорейтинговом журнале Catalysis Science & Technology (DOI: 10.1039/c9cy02041a), которая получила очень хорошие отзывы рецензентов.
   На следующих этапах проекта планируется расширить круг комплексов M/NHC, содержащих функциональные группы. Планируется получить новые типы функционально-замещенных карбенов, синтезировать из них новые комплексы с различными металлами и детально исследовать возможности этих молекул в катализе. В результате мы надеемся создать новые «умные» катализаторы, которые позволят проводить реакции сложных веществ «с атомарной точностью».