ИСТИНА

Целью проекта является получение фундаментальных данных для разработки современных экологически безопасных процессов тонкого органического синтеза на основе катализируемых палладием реакций кросс-сочетания, восстановления и окисления в водных средах. Проект является междисциплинарным, и для его реализации будут использованы методы и подходы органического и элементорганического синтеза, химии гетероциклических и координационных соединений, гомогенного и гетерогенного катализа, химии материалов и тонкого органического синтеза. Ключевая идея совместного исследования состоит в создании нового типа 1,2-азол-полиазотсодержащих гетероциклических лигандов, содержащих несколько совершенно разных по своим электронным свойствам атомов азота.

The aim of the project is to obtain fundamental data for the development of modern environmentally friendly processes of fine organic synthesis based on palladium-catalyzed cross-coupling, reduction and oxidation reactions in aqueous media. The project is interdisciplinary, and methods and approaches of organic and organometallic synthesis, chemistry of heterocyclic and coordination compounds, homogeneous and heterogeneous catalysis, chemistry of materials and fine organic synthesis will be used for its implementation. The key idea of the joint study is to create a new type of 1,2-azole-polynitrogen heterocyclic ligands containing several nitrogen atoms that are completely different in their electronic properties.

1. Будет впервые выполнен дизайн и разработаны методы синтеза новых 1,2-азол-полиазотсодержащих гетероциклических лигандов, содержащих совершенно разные по природе координационные центры. 2. Будут получены данные по комплексообразованию 1,2-азол-полиазотсодержащих гетероциклических лигандов с солями палладия и металлов триады железа в зависимости от стехиометрии, природы растворителя и температурного режима. 3. Будут разработаны удобные методы восстановления полученных комплексов переходных металлов с полиазотистыми лигандами в наночастицы Pd, Fe, Ni и Co для получения полиметаллических композитов Pd-M (М= Fe,Ni,Co), включая магнитные, с синергетическим эффектом в катализе. 4. Будут разработаны технологичные методы нековалентной модификации мезопористых углеродных, оксидных, магнитных и полимерных носителей 1,2-азол-полиазотсодержащими гетероциклическими лигандами для последующего нанесения на полученные материалы мелкодисперсного палладия и полиметаллических композитов Pd-M. 5. С помощью современных физико-химических методов будут получены характеристические данные по строению синтезированных полиазотистых комплексов переходных металлов, мелкодисперсных моно- и полиметаллических композитов, а также нанесенных катализаторов. 6. На основе созданных новых гомогенных и гетерогенных катализаторов будут разработаны фундаментальные основы эффективных и экологически безопасных процессов кросс-сочетания, восстановления и окисления в водных средах, включая оптимизированные протоколы синтеза практически востребованных соединений. Таким образом, реализация проекта позволит получить фундаментальные данные и практические результаты в области разработки каталитических технологий тонкого органического синтеза практически значимых соединений. На основе впервые синтезированных полиазотистых лигандов будут созданы новые гомогенные и гетерогенные катализаторы для процессов тонкого органического синтеза. Ожидаемая эффективность новых катализаторов будет настолько высока, что позволит проводить каталитические процессы в мягких условиях и с высоким выходом целевых соединений. Особо следует подчеркнуть, что разрабатываемые в проекте методы синтеза полиметаллических катализаторов не требуют специального оборудования и поэтому будут доступны широкому кругу химиков-синтетиков и технологов. Полученные в проекте результаты будут опубликованы в индексируемых в Web of Science, Scopus и РИНЦ изданиях, включая высокорейтинговые.

За последние годы наряду с созданием эффективных гетерогенных катализаторов на основе углерод-оксидных носителей научным коллективом совместно с белорусскими коллегами в рамках общих проектов РФФИ-БРФФИ разработаны гомогенные и гетерогенные катализаторы на основе комплексов палладия с различными 1,2-азольными лигандами или наноразмерного палладия, нанесенного на коньюгаты N- и O-содержащих полимеров с направленно функционализированными азолами. Один из таких комплексов с 5-(4-толил)изоксазол-3-амином проявил высочайшую каталитическую активность в реакции Сузуки в водной среде: TON 1•106, TOF 1.2•107 ч-1 . Продолжение в рамках предлагаемого проекта совместных работ в направлении создания каталитических систем на основе 1,2-азол-пиридиновы(-пиримидиновых) лигандов и биметаллических наночастиц с низким содержанием палладия позволит получить фундаментальные данные для последующей разработки эффективных и экологически безопасные нанотехнологий синтеза лекарственных препаратов, природных соединений, жидких кристаллов, новых материалов, гербицидов и красителей. Для выполнения проекта у коллектива имеется все необходимое оборудование, реактивы и материалы: комплекты химической посуды для выполнения органических синтезов; коллекция комплексов и соединений железа, никеля, кобальта, и палладия, арилгалогенидов, арилборных кислот, активированных олефинов, терминальных ацетиленов и др. реагентов; наборы углеродных, оксидных и полимерных носителей. Набор сосудов Шленка различного объема для проведения каталитических реакций. Имеется УФ-спектрофотометр, оптический микроскоп высокого разрешения, ультрацентрифуга, магнитные мешалки с термостатом, ультразвуковые бани, микроволновая печь, комплект для ТСХ хроматографии с 2-х диапазонной УФ-лампой. Имеется доступ к приборам для характеризации гетерогенных катализаторов методами просвечивающей и сканирующей микроскопии, рентгеновской дифрактометрии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и др.

Полученные в результате выполнения проекта результаты по синтезу новых типов полиазотсодержащих гетероциклических лигандов, разработка новых высокоэффективных моно- и полиметаллических палладиевых катализаторов, проявляющих благодаря эффекту синергии высокую эффективность в различных реакциях кросс-сочетания и восстановления с привлечением широкого круга субстратов, синтез высокоактивных комплексов палладия на основе новых 1,2-азол-содержащих лигандов, результаты по разработке методов синтеза разнообразных полифункциональных биарилов, арилированных олефинов, ацетиленов и их гетероциклических аналогов, разработка методологии проведения каталитических реакций в водных средах, проверка эффективности созданных каталитических систем на практически значимых объектах - все это соответствует современному уровню исследований в области гомогенного и гетерогенного катализа. Предложенные в проекте очень простые подходы для эффективного проведения каталитических процессов на следовых количествах палладия в воде - самом экологичнски безопасном растворителе, по совокупным признакам аналогов на данный момент практически не имеют. С применением полиметаллических наночастиц Pd-M (Ni,Co,Cu,Fe), (1,2-азолил)карбоксамидных комплексов палладия, мезопористых оксидных, полимерных и углеродных носителей созданы многоразовые полиметаллические катализаторы, которые вследствие эффекта синергии проявляют высокую каталитическую активность в реакциях кросс-сочетания и восстановления. Как правило, все изученные в проекте каталитические процессы протекают в присутствие не более 0.1-0.01 мол% палладиевого катализатора при сравнительно невысокой температуре за короткий промежуток времени (в среднем 10-30 мин) с практически количественным выходом целевых соединений. Новые полиметаллические катализаторы позволяют проводить каталитические процессы в водных средах в отсутствие органических растворителей и инертной атмосферы. Наиболее перспективны и практически интересны магнитные и нанесенные катализаторы, например, Pd-Fe-Co-Ni-L1@Ag, Pd-Fe-Co-Ni-L2@Cu, Pd-(Ni,Co,Cu,Fe)-L/Al2O3, Pd-Ni(Co)-L/HP20 и Pd-Cu(Fe)-L/S, которые легко извлекается и регенерируется с помощью внещнего магнита, фильтрованием или центрифугированием. Главной отличительной особенностью разработанных подходов является использование для формирования биметаллических композитов легко получаемых 1,2-азол-содержащих лигандов-стабилизаторов, способных образовывать устойчивые комплексы с переходными металлами и/или стабилизировать металлические наночастицы. Разработанные каталитические системы характеризуются простотой получения, доступностью исходных материалов и возможностью проведения катализа с их участием в экологически приемлемых условиях. Полученные для реакции Сузуки в присутствии N-(4,6-диметилпиримидин-2-ил)-5-фенилизоксазол-3-карбоксамидного комплекса палладия результаты [0.0001-0.1 мол% (до 1 ppm) Pd, вода, вода-метанол, 20-100oC, 2-30 мин, 97-100%, (TON до 106, TOF до 1.2·107 ч-1)] не уступают по показателям лучшим из известных в настоящее время каталитических систем, а с точки зрения практичности по ряду параметров превосходят их (например, J.M. Chalker et al, Journal of Organic Chemistry, 2014, 79, 2094 - 0.1 мол% Pd –комплекс палладия с меламином, вода, 80 oC, 30 мин, 97-99%). Как правило, все изученные в проекте каталитические процессы протекают в присутствие не более 0.1 мол% палладиевого биметаллического катализатора при сравнительно невысокой температуре за короткий промежуток времени (в среднем 10-30 мин) с практически количественным выходом целевых соединений. Новые катализаторы легко регенерируется из реакционной среды и могут быть использованы повторно до 5 раз без видимой потери активности. Похожие каталитические системы (S. Handa, E.D. Slack, B.H. Lipshutz, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 11994) на основе наночастиц никеля, полученные in situ при действии на фосфиновые комплексы никеля реактива Гриньяра, катализируют реакцию Сузуки в воде в мягких условиях при мицеллярном катализе, однако продолжительность процесса составляет от 4 до 48 ч.(по 1 мол% NiCl2dppf и MeMgBr, 2 вес% дорогостоящего неионного амфифила TPGS-750-M, вода, 45оС, 4-48 ч, выходы до 96%). Предложенная (S. Handa, J.D. Smith, M.S. Hageman, M. Gonzalez, B.H. Lipshutz. ACS Catal., 2016, 6, 8179) Cu-Pd биметаллическая каталитическая система также работает в мягких условиях, но в течении продолжительного периода времени [10 мол% Cu(OTf)2, 10 мол% 2-(ди-трет-бутилфосфино)-N,N-диметиланилина или соответствующего фосфиноксида, 0.015 мол% (150 ppm) Pd(OAc)2, 2 вес% TPGS-750-M, вода, 45оС, 12-40 ч, выходы 70-92%]. Бинарный Ni0.99Pd0.01 наносплав (R. K. Rai, K. Gupta, D. Tyagi, et al, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 5567), полученный совместным восстановлением NaBH4 водных растворов NiCl2 и Na2PdCl4 в присутствии в качестве стабилизатора образующихся наночастиц поливинилпирролидона, проявляет высокую каталитическую активность в реакциях кросс-сочетания в водном этаноле с участием арилбромидов и иодидов [2 мол% Ni0.99Pd0.01 наносплава (0.02 мол% Pd), 50% этанол, 20-50оС, 1.5-10.5 ч, выходы 73-92%]. Однако продолжительность кросс-сочетания в большинстве случаев составляет несколько часов. Арилиодиды в присутствии этого катализатора реагируют при комнатной температуре. Однако каталитический композит трудно отделим от продуктов реакции в отличие от разработанных в проекте полиметаллических магнитных и нанесенных катализаторов. Разработанные нанесенные биметаллические катализаторы Pd-M/support позволяют также проводить эффективное восстановление кратной связи в коричных кислотах методом переноса водорода с сохранением активных функциональных заместителей [1 мол% Pd, вода, 100 oC, 10 мин, 94-100%, 4 рецикла]. Недавно опубликованный метод восстановления коричных кислот формиатом натрия (J. Zhao et al. Journal of Asian Natural Products Research, 2014, 16, 312) основан на применении в 10 раз большего количества катализатора. Процесс осуществляется на образовавшейся in situ Pd-черни, которая сохраняет активность при повторном использовании (10 мол% Pd, вода, 65 oC, 24 ч, ~95%, 5 рециклов). Важно отметить, что в присутствии разработанных в проекте новых катализаторов изученные реакции протекают за короткий промежуток времени практически с количественными выходами, поэтому для выделения и очистки продуктов реакций не требуется использование дорогостоящих и трудоемких хроматографических методов.