Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Найдены условия проведения реакции, позволяющие в условиях применения наиболее простых и доступных «безлигандных» каталитических систем (т.е. не содержащих добавок фосфиновых, аминовых, карбеновых или иных органических лигандов) на основе солей палладия получать за короткое время (20-60 мин) при относительно низкой для арилхлоридов температуре (80-100 градусов) количественные выходы продуктов в реакции Сузуки-Мияуры (смесь ДМФА-вода (в соотношении 3/2) в качестве растворителя, температура 100 градусов, каталитическая система PdCl2 (1,6•10-3 М)+Na2СО3 (0,65 М), концентрация арилгалогенида 1М, концентрация арилборной кислот 0,08-0,5 М). Установлены закономерности влияния концентраций веществ-участников на скорость реакции образования продукта (биарила). Обнаружена низкая чувствительность скорости реакции к концентрации арилгалогенида, что впервые указывает на то, что стадия каталитического цикла с его участием не является скорость-определяющей. Этот результат не согласуется с господствующим в настоящее время мнением о скорость-определяющем характере стадии окислительного присоединения арилхлоридов к Pd(0), являющимся основной причиной их низкой конверсии. Низкий и переменный кинетический порядок по концентрации арилборной кислоты и отрицательная зависимость величины выхода продукта реакции от ее концентрации указывает на ее участие не только в каталитическом цикле образования продукта реакции, но и в процессах превращениях катализатора за его пределами. Высокая чувствительность к природе основания при относительно невысоких значениях кинетических порядков по его концентрации согласуются с предположением о влиянии основания на состав активных интермедиатов каталитического цикла реакции. Обнаруженный низкий кинетический порядок по концентрации растворимого предшественника катализатора, а также специфические зависимости частоты и числа оборотов катализатора от его концентрации согласуются с участием в катализе растворимых форм палладия. Для оценки степени обратимости стадий каталитического цикла реакции Сузуки-Мияуры с участием арилхлорида и арилборной кислоты был использован кинетический подход по исследованию закономерностей дифференциальной селективности реакции в условиях конкуренции пары однотипных субстратов при варьировании природы и концентрации этих субстратов и общих реагентов. Зависимость дифференциальной селективности по конкурирующим хлорбензолу и 1,4-дихлорбензолу, а также конкурирующим 4-хлорацетофенону и 1,4-дихлорбензолу от природы и концентрации арилборной кислоты указывает на обратимый характер стадии окислительного присоединения арилхлорида к нольвалентному палладию в условиях «безлигандного» катализа. Установленная обратимость позволяет однозначно опровергнуть господствующее в литературе мнение о скорость-определяющем характере окислительного присоединения арихлоридов в каталитическом цикле реакции Сузуки-Мияуры. Результаты исследования зависимостей дифференциальной селективности реакции Сузуки-Мияуры в условиях конкуренции пары арилборных кислот ставят под сомнение протекание реакции через последовательность элементарных стадий «окислительное присоединение – трансметаллирование – восстановительное элиминирование», принимаемое «по умолчанию» подавляющим большинством исследователей. При этом обнаруженная чувствительность дифференциальной селективности по конкурирующим арилборным кислотам к природе аниона используемого основания указывает на вхождение его анионов в состав каталитически активных комплексов Pd(II) наряду с предполагаемыми ранее в литературе гидроксид-анионами.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
На первом этапе выполнения проекта нами были получены предварительные данные о независимости величины дифференциальной селективности (ДС) реакции Сузуки-Мияуры в условиях конкуренции пары арилборных кислот от природы арильного заместителя в арилхлориде. Такой результат не может быть объяснен в рамках общепринятого (линейного с точки зрения химической кинетики) механизма каталитического цикла реакции Сузуки-Мияуры. В качестве альтернативного объяснения наблюдаемой закономерности предположена реализация так называемого кооперативного механизма катализа, предполагающего активацию двух сочетающихся субстратов – арилгалогенида и арилборной кислоты – двумя различными соединениями палладия в двух сосуществующих и сопряженных друг с другом каталитических циклах. Для проверки предполагаемой гипотезы нами были проведены серии экспериментов с варьированием природы арильного заместителя и аниона галогена в арилгалогениде, результаты которых вновь указывали на независимость величины ДС в условиях конкуренции различных пар арилборных кислот от этих параметров. Такой результат может объясняться только взаимодействием конкурирующих арилборных кислот с неким соединением палладия, не содержащим арильного фрагмента и аниона галогена из арилгалогенида, что противоречит общепринятому механизму реакции. Совпадение фазовых траекторий при использовании арилиодидов, арилбромидов и арилхлоридов, отличающихся природой арильного заместителя, подтвердило наше предположение об участии соединения палладия, не содержащего в своем составе арильного заместителя и аниона галогена арилгалогенида, в активации арилборных кислот (A. F. Schmidt, A. A. Kurokhtina, E. V. Larina, E. V. Vidyaeva, N. A.Lagoda // Molecular Catalysis – 2020, doi: 10.1016/j.mcat.2020.111321). Ранее в литературе были предположено, что реализация кооперативного механизма катализа с участием двух различных палладиевых интермедиатов в образовании продукта реакции должна сопровождаться наблюдением второго кинетического порядка скорости реакции по концентрации катализатора. Нами были проанализированы кинетические уравнения, описывающие скорость реакции с учетом процессов превращения субстратов и катализатора за пределами каталитических циклов образования продукта реакции Сузуки-Мияуры в предположении кооперативного механизма катализа. На основании полученных уравнений можно сделать однозначный вывод о том, что величина кинетического порядка по концентрации палладиевого предшественника катализатора при реализации кооперативного механизма может отклоняться от значения 2 и принимать в т.ч. отрицательные значения. Построение гамметовских зависимостей, характеризующих чувствительность относительной реакционной способности к природе арильного заместителя в арилборной кислоте, по результатам конкурентных экспериментов показало, что величина отношения скоростей образования продуктов из двух конкурирующих арилборных кислот очень слабо зависит от природы арильного заместителя. Однако, гамметовская зависимость, построенная по результатам неконкурентных опытов с разными арилборными кислотами, показала высокую чувствительность скорости реакции к природе арильного заместителя в арилборной кислоте. При этом скорость реакции в условиях конкурентного эксперимента оказывалась выше для арилборных кислот с электроноакцепторными заместителями в фенильном кольце, в то время как в неконкурентных условиях быстрее происходило превращение арилборных кислот с электронодонорными заместителями. Сопоставление результатов конкурентных и неконкурентных экспериментов позволяет сделать однозначное заключение о том, что стадия активации арилборной кислоты в каталитическом цикле реакции Сузуки-Мияуры, определяющая селективность конкурентного эксперимента, не является скорость-определяющей. Следовательно, активация обоих реагентов (арилхлорида и арилборной кислоты) осуществляется в быстрых стадиях реакции Сузуки-Мияуры, а скорость реакции определяется одной или совокупностью элементарных стадий, реализующихся после активации субстратов. Анализ закономерностей дифференциальной селективности реакции Сузуки-Мияуры в условиях конкуренции пары арилхлоридов или пары арилборных кислот от природы добавок галогенсодержащих солей позволил сделать выводы о типе каталитически активных палладиевых комплексов в селективность-определяющих стадиях конкурентных экспериментов. ДС по конкурирующим арилхлоридам значительно менялась при варьировании природы катиона и аниона добавляемой в реакционную систему соли, в то время как ДС по конкурирующим арилборным кислотам проявляла меньшую чувствительность к аналогичным добавкам. Учитывая установленные нами в ходе первого этапа выполнения работ по проекту независимость величины ДС по конкурирующим арилхлоридам от природы используемого в реакции основания и значительное влияние основания на ДС по конкурирующим арилборным кислотам, можно сделать заключение о том, что каталитически активными в стадии активации арилхлоридов являются анионные комплексы нольвалентного палладия, содержащие в своем составе эндогенные (формирующиеся в результате конверсии исходных арилхлоридов) или экзогенные (из используемых добавок солей к каталитической системе) галогенид-ионы, но не содержащие анионов основания. В то же время активные соединения Pd(II), активирующие арилборные кислоты (т.е. арилпалладиевые комплексы типа ArPdX, являющиеся продуктом стадии окислительного присоединения, в рамках гипотезы классического линейного механизма реакции, или соединения типа PdX2 в рамках гипотезы кооперативного механизма), представлены комплексами различного состава, содержащие анионы основания, гидроксид- и галогенид-ионы. При этом относительные вклады таких комплексов в превращение субстрата будут определяться относительными константами устойчивости комплексов и отношением концентраций различных анионов в реакционной смеси. Были получены данные о независимости величины ДС реакции Сузуки-Мияуры от присутствия в реакционной системе добавок нейтральных лигандов (трифенилфосфина и дибутиламина), что указывает на отсутствие таких лигандов в составе каталитически активных соединений. Одной из основных задач текущего этапа было различение механизмов гомогенного и гетерогенного катализа в используемых нами «безлигандных» условиях реакции Сузуки-Мияуры с арилхлоридами. Было установлено отсутствие чувствительности дифференциальной селективности реакции Сузуки-Мияуры в условиях конкуренции различных арилхлоридов и арилборных кислот к варьированию широкого набора параметров проведения процесса, способных значительно сказаться на строении и составе гетерогенных форм палладия, присутствующих в каталитической системе. Учитывая данные о характере взаимопревращений растворенных и твердых форм палладия в каталитических системах реакций кросс-сочетания, такая закономерность соответствует реализации механизма гомогенного катализа на молекулярных комплексах палладия в растворе. Принимая во внимание имеющиеся в литературе многочисленные данные об одновременном протекании реакции Сузуки-Мияуры с различными субстратами по маршрутам гомогенного и гетерогенного катализа (A. Biffis, P. Centomo, A. Del Zotto, M. Zecca, Chemical Reviews 2018, 118, 2249; V. P. Ananikov, I. P. Beletskaya, Organometallics 2012, 31, 1595), гипотеза о частичном протекании реакции на гетерогенных формах палладия не может быть исключена из рассмотрения, однако в используемых нами «безлигандных» условиях реакции с арилхлоридами вклад такого маршрута в общую конверсию субстрата оказывается незначимым.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Для установления механизмов сопряжения процессов формирования и дезактивации активного катализатора с основным каталитическим циклом реакции Сузуки-Мияуры с арилхлоридами в условиях использования так называемых «безлигандных» (т.е. не содержащих добавок фосфиновых, аминовых, карбеновых и иных сильных органических лигандов) каталитических систем нами было проведено операндо кинетическое исследование, предполагающее УФ-спектроскопический мониторинг протекания реакции при варьировании условий ее проведения с одновременным кинетическим контролем за накоплением продуктов реакции с помощью газовой хроматографии или хромато-масс-спектрометрии. Показано, что значимым маршрутом дезактивации каталитически активных соединений, которые представляют собой истинно растворенные молекулярные комплексы палладия, является образование наноразмерных частиц палладия, устойчиво существующих в реакционной системе на протяжении всего каталитического процесса и образующих более грубодисперсную фазу металла (палладиевой черни) по его окончании. С помощью построения фазовых траекторий в координатах «концентрация предшественника катализатора – концентрация продукта каталитической реакции» показано, что в ходе реакции Сузуки-Мияуры с арилхлоридами основная часть палладия находится в виде каталитически неактивных форм. Выдвинутая гипотеза подтверждена результатами компьютерного симулирования получаемых зависимостей. Показано, что применение методов увеличения количества палладия в растворе, ранее дававших положительный эффект в условиях реакций кросс-сочетания с более реакционноспособными арилбромидами (применение галогенида тетраалкиламмония или окислителя), не приводит к росту количества каталитически активных молекулярных комплексов палладия. Таким образом, очевидно, что причины низких концентраций истинно растворенных соединений палладия в условиях применения в реакции Сузуки-Мияуры наименее реакционноспособных в ряду арилгалогенидов арилхлоридов отличаются от таковых в реакции с более реакционноспособными субстратами. Надежное установление этих причин является необходимым условием повышения эффективности каталитических систем, по крайней мере, в используемых нами «безлигандных» каталитических условиях, являющихся наиболее привлекательными с практической точки зрения. На основании полученных в ходе всего выполнения проекта экспериментальных данных разработана схема функционирования «безлигандных» каталитических систем, учитывающая процессы формирования и дезактивации катализатора. Можно выделить несколько основных принципиальных отличительных особенностей протекания реакции Сузуки-Мияуры с арилхлоридами. Активация арилхлоридов в каталитическом цикле реакции осуществляется в быстрой обратимой стадии, которой, согласно общепринятым представлениям, является окислительное присоединение арилхлоридов к комплексам нольвалентного палладия. В условиях использования наименее реакционноспособного хлорбензола эта элементарная стадия имеет квазиравновесный характер. Установленный обратимый характер активации арилхлоридов в каталитическом цикле реакции Сузуки-Мияуры позволяет однозначно опровергнуть широко распространенную в литературе гипотезу о скорость-определяющем характере стадии окислительного присоединения арилхлоридов к комплексам Pd(0) как основной причине низкой реакционной способности субстратов этого типа. Активация арилборных кислот также осуществляется в быстрой стадии. При этом надежно установленная в специальных сериях экспериментов независимость дифференциальной селективности по конкурирующим арилборным кислотам от природы и концентрации арилхлорида позволяет уверенно предположить, что активация арилборных кислот и арилгалогенидов в условиях реакции Сузуки-Мияуры осуществляется различными соединениями палладия в двух сопряженных каталитических циклах по механизму так называемого кооперативного катализа. Определяющий вклад в активацию сочетающихся арилхлоридов и арилборных кислот вносят истинно растворенные молекулярные комплексы палладия. При этом в состав таких комплексов входят присутствующие в системе анионы основания, являющегося обязательным компонентом каталитической системы, гидроксид-анионы, формирующиеся в результате превращения основания под действием реакционной среды реакционной системе, а также эндогенные галогенид-ионы, образующиеся в результате конверсии исходного арилхлорида, либо экзогенные, присутствующие в составе добавок к реакционной системе (в случае их использования). Каталитически активные гомогенные молекулярные комплексы палладия присутствуют в реакционной системе в ходе каталитической реакции в относительно низких концентрациях, а основная часть палладия находится в виде каталитически неактивных форм в растворе в виде наноразмерных частиц, а по окончании реакции – в виде грубодисперсной фазы металлического палладия. При этом реакционная система проявляет высокую чувствительность к развитию процессов дезактивации, результатом чего является экстремальное сокращение периодов максимальной каталитической активности в определенных условиях. Адекватность разработанной схемы механизма реакции Сузуки-Мияуры была проверена с помощью сопоставления полученных в ходе выполнения проекта экспериментальных и симулированных данных на основании соответствующей схеме математической модели, описывающей дифференциальную селективность по конкурирующим арилхлоридам или арилборным кислотам. Аналогичный характер симулируемых и экспериментальных закономерностей указывает на возможность использования предложенных моделей для анализа поведения реакционных систем при оптимизации условий проведения каталитической реакции Сузуки-Мияуры с арилхлоридами. Проведение дополнительных проверочных экспериментов подтверждает определяющее влияние процессов формирования и дезактивации катализатора на эффективность каталитической реакции Сузуки-Мияуры с арилхлоридами. Высокие значения каталитической активности при относительно низком (в сравнении с общей загрузкой катализатора) содержании активных соединений указывают на существование принципиальной возможности значительного повышения эффективности катализа. Необходимым условием этого является решение проблемы регенерации катализатора из каталитически неактивных форм. Тем не менее, полученные к настоящему моменту данные позволили предложить эффективные «безлигандные» каталитические системы, способные обеспечивать высокие значения выходов продуктов (до 80-90%) в реакции Сузуки-Мияуры как с активированными, так и с неактивированными арилхлоридами в относительно мягких условиях (100°С) за приемлемые времена реакции (1-3 часа).