КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 21-73-00107

НазваниеКомплексы редко- и щелочноземельных металлов для каталитического образования связей C-N

РуководительСелихов Александр Николаевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева Российской академии наук, Нижегородская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2021 - 06.2023

Конкурс№60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-102 - Синтез, строение и реакционная способность металло- и элементоорганических соединений

Ключевые словаЛантаноиды, алкильные комплексы, ate-комплексы, гидроаминирование, каталитическое образование связи C-N, биологически активные молекулы, алкилирование, аммиак, алкоксидные лиганды

Код ГРНТИ31.00.00

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Алкилзамещенные амины представляют собой ключевые структурные единицы множества природных соединений, фармацевтических препаратов, алкалоидов и других молекул, выполняющих важнейшие биологические функции. Таким образом, разработка методов синтеза сложных аминов представляет собой одну из важных задач в современном органическом синтезе. Проект направлен на решение важной проблемы, имеющей как фундаментальный, так и прикладной аспекты, а именно, на разработку новых катализаторов и каталитических систем на основе комплексов редко- и щелочноземельных металлов для реализации межмолекулярного гидроаминирования непредельных субстратов - мощного и атом-экономного подхода к азотсодержащим билдинг блокам для современного органического синтеза, структурным единицам фармацевтических препаратов и биологически активных молекул. В контексте дальнейшего использования продуктов гидроаминирования для создания практически полезных молекул будет решаться другая важнейшая задача -разработка катализаторов, толерантных к функциональным группам в составе субстратов в ходе каталитического цикла, а также катализаторов позволяющих проводить процессы с простейшими аминами, включая NH3. Актуальность настоящей тематики определяется тем, что в отличие от получивших широкое распространение каталитических систем для межмолекулярного гидроаминирования на основе комплексов d-переходных металлов, металлов платиновой группы, комплексы редко- и щелочноземельных металлов имеют ряд выдающихся преимуществ, связанных с их нетоксичностью, высокой эффективностью и селективностью и, что немаловажно – низкой стоимостью. Научная новизна настоящего исследования заключается в использовании в качестве катализаторов гидроаминирования ate-комплексов “тяжелых” редкоземельных металлов и лантаноидов, обладающих высокими значениями ионных радиусов, что приведет к увеличению скорости гидроаминирования. Впервые в качестве катализаторов гидроаминирования будут исследованы комплексы с высокодонорными триподальными алкоксидными лигандами. Впервые на полученных гетеролигандных комплексах будут предприняты попытки гидроаминирования кратных связей с простейшим аммиаком. В ходе выполнения проекта будут синтезированы 2 типа соединений двухвалентных лантаноидов и щелочноземельных металлов: ate-комплексы в форме контактных [(p-tBuC6H4)2CH]3MK и разделенных ионных пар [(p-tBuC6H4)2CH]3MLi(Base)n (Base = THF, TMEDA), с различной природой противоиона (K, Li) и триметилсилиламидные комплексы [ArNR23CO]-M-N(SiMe3)2, содержащие триподальные алкоксидные лиганды с NR2-донорными заместителями в боковой цепи арильных фрагментов (R = Me, -(CH2)5, Cy). Все полученные комплексы будут исследованы в качестве катализаторов межмолекулярного гидроаминирования непредельных субстратов (виниларены с донорными/акцепторными заместителями в ароматическом кольце – Me, OMe, Hal) с использованием широкого спектра первичных и вторичных алкиламинов, замещенных анилинов а также NH3. Будет исследовано влияние строения ate-комплексов, природы противоиона и донорных свойств растворителя на каталитические свойства систем, будет установлена природа истинных каталитических частиц, участвующих в каталитических процессах. В ряду комплексов с алкоксидными лигандами [ArNR23CO]- будет установлена взаимосвязь стерических и донорных свойств NR2 заместителей (где R = Me, -(CH2)5, Cy) лигандов с каталитической активностью их производных, а также будут разработаны методы контроля регио- и хемоселективности гидроаминирования путем варьирования стерики заместителей. С целью практического использования результатов исследования планируется осуществить гидроаминирование виниларенов, диеновых углеводородов, с целью синтеза азотсодержащих билдинг блоков и структурных частей медицинских препаратов. Будет проведено двойное гидроаминирование первичных аминов RNH2 с целью получения несимметричных третичных β-ариламинов, а также гидроаминирование субстратов, содержащих различные функциональные группы. Отдельным поднаправлением в настоящем проекте следует выделить разработку катализаторов для осуществления прямого алкилирования аммиака субстратами, содержащими кратные связи. Комплексы редко- и щелочноземельных металлов, полученные на разных этапах выполнения пректа будут исследованы в реакциях гидроаминирования виниларенов с аммиаком, будет изучена природа истинных каталитических частиц.

Ожидаемые результаты
Амины и их функционализированные производные – широко распространенные структурные фрагменты большого числа природных соединений, лекарственных препаратов и сложных молекул, выполняющих разнообразные биологические функции. В отдельный подкласс биологически активных молекул следует выделить получившие широкое распространение β-фенилэтиламины, структурное ядро которых содержится во многочисленных фармацевтических препаратах с мощным анальгетическим, противоаритмическим, антидепрессивным спектром действия (Прениламин, венлафаксин, тапентадол и др). В этом контексте разработка новых способов образования связей C-N – задача безусловно актуальная. Межмолекулярное гидроаминирование– это фундаментальный химический процесс присоединения связей N-H азотсодержащих субстратов по кратным связям непредельных соединений, обладающих электрофильными свойствами: алкены, ацетилены, диеновые углеводороды, сопряженные енины. В отличие от других методов образования связей C-N, основанных на стехиометрических реакциях нуклеофильного замещения, восстановительного аминирования, либо каталитического кросс-сочетания, гидроаминирование представляет собой 100% атом-экономный подход, осуществляемый в относительно мягких условиях и удовлетворяющий концепции “ зеленой химии”. В ходе выполнения проекта будут разработаны новые катализаторы межмолекулярного гидроаминирования непредельных субстратов на основе алкильных комплексов редко- и щелочноземельных металлов с бензгидрильным анионом и смешаннолигандных алкоксид-амидных производных этих металлов. В ходе выполнения проекта будут синтезированы 2 типа соединений двухвалентных лантаноидов и щелочноземельных металлов: ate-комплексы в форме контактных [(p-tBuC6H4)2CH]3MK и разделенных ионных пар [(p-tBuC6H4)2CH]3MLi(Base)n (Base = THF, TMEDA), с различной природой противоиона (K, Li) и триметилсилиламидные комплексы [ArNR23CO]-M-N(SiMe3)2, содержащие триподальные алкоксидные лиганды с NR2-донорными заместителями в боковой цепи арильных фрагментов. Все полученные комплексы будут исследованы в качестве катализаторов межмолекулярного гидроаминирования непредельных субстратов (виниларены с донорными/акцепторными заместителями в ароматическом кольце – Me, OMe, Hal) с использованием широкого спектра первичных и вторичных алкиламинов, замещенных анилинов а также NH3. Будет исследовано влияние строения ate-комплексов, природы противоиона и донорных свойств растворителя на каталитические свойства систем, будет установлена природа истинных каталитических частиц, участвующих в каталитических процессах. В ряду комплексов с алкоксидными лигандами [ArNR23CO]- будет установлена взаимосвязь стерических и донорных свойств NR2 заместителей (где R = Me, -(CH2)5, Cy) лигандов с каталитической активностью их производных, а также будут разработаны методы контроля регио- и хемоселективности гидроаминирования путем варьирования стерики заместителей. С целью практического использования результатов исследования планируется осуществить гидроаминирование виниларенов, диеновых углеводородов, с целью синтеза азотсодержащих билдинг блоков и структурных частей медицинских препаратов. Будет проведено двойное гидроаминирование первичных аминов RNH2 с целью получения несимметричных третичных β-ариламинов, а также гидроаминирование субстратов, содержащих различные функциональные группы. Основной акцент будет сделан на сочетании аминов и кратных связей, с целью получения вторичных и третичных аминов, обладающих высокой физиологической активностью. Аммиак – крупнотоннажный продукт химической промышленности (общемировое производство более 180 млн тонн в год), широко используемый во всех сферах экономики, начиная от производства удобрений и заканчивая высокотехнологичными лекарственными препаратами. Однако проблема каталитического алкилирования аммиака кратными связями до сих пор не решена, поэтому разработка соответствующих катализаторов имеет огромное значение в экономике. Решение данной проблемы может привести к универсальному, дешевому, экологичному и эффективному методу синтеза алкиламинов. Комплексы редко- и щелочноземельных металлов, полученные на разных этапах выполнения пректа будут исследованы в реакциях гидроаминирования виниларенов с аммиаком, будет изучена природа истинных каталитических частиц. Полученные результаты будут соответствовать мировому уровню исследований в этой области и внесут вклад в понимание природы механизмов каталитического межмолекулярного гидроаминирования, роли стерических и электронных факторов лигандного окружения и синергетических эффектов кооперации 2 и более металлоцентров на скорость и селективность реализуемых процессов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Был осуществлен синтез новых гетеробиметаллических (ате) комплексов двухвалентных Yb(II), Sm(II) а также Ca, Sr, Ba в виде контактных [p-tBuC6H4CH]3MK (M = Yb, Ca, Sr), [p-tBuC6H4CH]3BaK(Et2O)2 и разделенных ионных пар [p-tBuC6H4CH]3MLi(Base)n (M = Sm, Sr, Ca, Base = THF, n = 4, TMEDA, n= 2). Строение комплексов было полностью подтверждено различными физико-химическими методами, включая ЯМР-спектроскопию для диамагнитных комплексов и РСА. Согласно РСА комплексы [p-tBuC6H4CH]3MK (M = Yb, Ca, Sr), имеют структуру контактной ионной пары, атомы металлов не содержат координированных молекул растворителя, бензгидрильные лиганды имеют η3-тип координации на металл, ион калия инкапсулирован между 3 ароматическими фрагментами бензгидрильных лигандов. Больший ионный радиус бария и его предрасположенность к образованию комплексов с высокими значениями координационных чисел приводит к образованию комплекса в виде координационного полимера с мостиковыми ионами калия, координированными 2 молекулами Et2O. Барий координирован бензгидрильными лигандами по η4-типу. Комплексы [p-tBuC6H4CH]3MLi(Base)n (M = Sm, Sr, Ca, Base = THF, n = 4, TMEDA, n= 2) имеют структуру разделенной ионной пары с катионом лития во внешней координационной сфере. Комплекс [p-tBuC6H4CH]3BaK(Et2O)2 при растворении в некоординирующих растворителях претерпевает процесс десольватации. Гетеробиметаллические комплексы [p-tBuC6H4CH]3MK (M = Yb, Ca, Sr), в виде контактных ионных пар, а также комплекс бария [p-tBuC6H4CH]3BaK(Et2O)2, продемонстрировали исключительно высокую активность в гидроаминировании стирола пиперидином. Реакции протекали практически за время смешения реагентов (˂1 минуты), при этом признаков полимеризации стирола не было выявлено. Скриннинг каталитической активности позволил выявить оптимальные условия проведения процесса гидроаминирования, а именно: 1 мольный процент прекатализатора, комнатная температура, отсутствие растворителя. Были установлены корреляции между ионным радиусом центрального иона металла и скоростью гидроаминирования, коротая резко возрастала при переходе к барию. Комплексы [p-tBuC6H4CH]3MLi(Base)n продемонстрировали лишь умеренную активность в гидроаминировании, что обусловлено сильным влиянием природы противоиона (K˃Li). Впервые было установлено, что при проведении катализа в присутствии редокс-активного комплекса иттербия [p-tBuC6H4CH]3YbK, происходило окисление Yb2+ олефиновым субстратом, с одновременным резким снижением кат активности. Окисление Yb2+ было доказано методом ЯМР-спектроскопии, более того были получены монокристаллические образцы первого примера гетеробиметаллического амидного комплекса Yb3+, являющегося истинной каталитической частицей. Основываясь на данных РСА амидного комплекса иттербия, а также анализируя спектры ЯМР каталитических смесей и проводя ЯМР мониторинг реакций, был предложен возможный механизм превращений, включающий в себя 3 основные стадии: протонолиз связей М-С под действием амина, координацию/внедрение олефина и элиминирование продукта реакции. В случае комплекса иттербия добавляется дополнительная стадия одноэлектронного переноса с одновременным образованием анион-радикальной формы олефина. Впервые с использованием гетеробиметаллического комплекса кальция [p-tBuC6H4CH]3СаK, были получены продукты гидроаминирования α-метилстирола различными вторичными аминами, включая простейший Me2NH, а также гетероатомсодержащие – морфолин, тиоморфолин, пиперазин, N-метилпиперазин, N-фенилпиперазин, защищенный тозилпиперазин, образование третичных аминов протекало в очень мягких условиях с исключительной региоселективностью против правила Марковникова. Были получены и полностью охарактеризованы продукты гидроаминирования стирола с участием различных первичных аминов (MeNH2, PrNH2, BuNH2, iPrNH2, CyNH2, HexylNH2, OctNH2, BenzhydrylNH2), реакции катализировались комплексом бария [p-tBuC6H4CH]3BaK(Et2O)2. Бензиламин и пропиламин в избытке стирола дают продукты двукратного присоединения против правила Марковникова. Были получены продукты гидроаминирования пирролидином терминальных, интернальных и даже неактивированных двойных связей стиролов, замещенных по ароматическому кольцу, транс-стильбена, β-метилстирола, норборнадиена а также N-TMS-1,2-дигидрохинолина. Впервые на комплексе бария [p-tBuC6H4CH]3BaK(Et2O)2 была продемонстрирована возможность гидроаминирования этилена различными вторичными аминами (MeiPrNH, Et2NH, Bu2NH, Hexyl2NH, пирролидин, пиперидин, морфолин, тиоморфолин, N-метилпиперидин, N-фенилпиперидин) в мягких условиях, при комнатной температуре и 2 атмосферах этилена. Полученные продукты гидроаминирования были охарактеризованы ЯМР-спектроскопией и GC/MS.

Публикации

1. Тараненко Г.Р., Селихов А.Н., Нелюбина Ю.В., Трифонов А.А. Helicate tris(aryl)carbinolates bearing pendant NR2 donors – a new family of supporting ligands for the synthesis of rare-earth alkyl complexes Elsevier, - (год публикации - 2022)

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Были разработаны и синтезированы новые третичные карбинолы с донорными NR2-заместителями (BnNR2)3COH (R = Me, -(CH2)5, Cy). на основе трис(арил)метанового скелета. В кристаллической форме карбинолы представлены в виде пары энантиомеров в виде право (Р) и лево (М) закрученных винтов, в спиртах присутствует внутримолекулярная водородная связь гидроксильной группы и NR2-заместителей. На основе полученных карбинолов были, с применением двух различных подходов, синтезированы гетеролептические моноамидные производные Yb, Ca, Sr, [(BnNR2)3CO]MN(SiMe3)2. Был осуществлен синтез алкоголята калия а также смешаннолигандного алкоксид-иодидного комплекса Yb(II) на основе карбинола с наименее объемными NMe2 заместителями. Было установлено, что при попытке получения аналогичного комплекса самария{[(BnNMe2)3CO]Sm(THF)2(μ-I)}2, происходит окисление металла с образованием производного трехвалентного самария [(BnNMe2)3CO]2SmI. Было установлено, что реакции моноамидных комплексов Yb, Ca, Sr, [(BnNR2)3CO]MN(SiMe3)2 с газообразным NH3 вместо ожидаемых амидных производных, содержащих простейшую NH2 группу, приводят к образованию исключительно симметричных бис(алкоксидных) производных Ca и Sr, не содержащих оснований Льюиса. Все синтезированные на данном этапе выполнения проекта комплексы охарактеризованы РСА, ИК-, ЯМР-спектроскопией и элементным анализом. Для карбинолов проведены детальные исследования поведения в растворе при различных температурах и различных концентрациях с целью установления механизмов протекающих внутримолекулярных динамических процессов. Гетеролигандные комплексы с суперобъемным карбинолятным лигандом [(BnNCy2)3CO]MN(SiMe3)2 (M = Ca, Sr) продемонстрировали высокую каталитическую активность в гидроаминировании стирола пирролидином, а также замещенных в пара-положение стиролов пиперидином, морфолином и тиоморфолином. Были получены продукты гидроаминирования и полностью охарактеризованы. Синтезированный на первом этапе выполнения проекта гетеробиметаллический комплекс кальция [(p-tBuC6H4)2CH]3CaK, продемонстрировал исключительную активность в гидроаминировании кратных связей с участием простейших метилзамещенных аминов MeNH2, Me2NH и NH3. Реакции с Me2NH протекают за время от 10 минут до 10 часов при комнатной температуре, при этом в качестве олефиновых субстратов могут выступать даже интернальные двойные связи. Все продукты гидроаминирования были выделены с высокими выходами и полностью охарактеризованы, по реакции Me2NH с замещенным 1,2-дигидрохинолином был получен anti-диастереомер. Впервые на комплексе кальция [(p-tBuC6H4)2CH]3CaK в очень мягких условиях (-35-25оС, 2 атм NH3) было успешно проведено каскадное гидроаминирование/гидроаминоалкилирование стирола с простейшим незамещенным NH3.

Публикации

1. Селихов А. Н., Тараненко Г. Р., Нелюбина Ю. В.,Трифонов А. А СИНТЕЗ И СТРОЕНИЕ АЛКОКСИДНЫХ КОМПЛЕКСОВ КАЛИЯ, ИТТЕРБИЯ (II) И САМАРИЯ (III), СОДЕРЖАЩИХ ТРИС-((2-ДИМЕТИЛАМИНОМЕТИЛ)-ФЕНИЛ)МЕТОКСИДНЫЙ ЛИГАНД Координационная Химия, - (год публикации - 2023)

2. Селихов А.Н., Черкасов А.В., нелюбина Ю.В., Трифонов А.А. New Paradigm of Substrates Activation or How the Benzhydryl Ate-Complexes {[(p-tBu-C6H4)2CH]3M}K (M = Ca, Yb) Make Intermolecular Olefin Hydroamination Feasible Advanced Synthesis and Catalysis, - (год публикации - 2023)

Возможность практического использования результатов
не указано