КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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.

НазваниеУстановление фундаментальных особенностей перспективной реакции Сузуки-Мияуры с доступными, но малореакционноспособными субстратами с использованием новых кинетических методов исследования

РуководительШмидт Александр Федорович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский государственный университет", Иркутская обл

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (35)

Аннотация
Предлагаемый проект направлен на решение комплекса научных задач, связанных с определением и решением проблем активации арилхлоридов в синтетически важной реакции Сузуки-Мияуры. Эта реакция на сегодняшний день уже реализована как составная часть синтеза многих продуктов современной малотоннажной химической промышленности (фармацевтических препаратов, агрохимикатов, полупроводниковых и люминесцентных материалов и проч.). При этом, однако, задача разработки наиболее экономически и экологически эффективных условий ее осуществления далека от оптимального решения. Так, проблема эффективного вовлечения наименее реакционноспособных, но при этом наиболее доступных в ряду арилгалогенидов арилхлоридов в реакцию Сузуки-Мияуры не имеет общего решения. В подавляющем большинстве частные примеры создания высокоэффективных каталитических систем для конверсии субстратов такого типа связаны с использованием добавок токсичных, дорогостоящих и/или требующих специальных условий проведения реакции (инертная атмосфера и отсутствие влаги) добавок органических лигандов (в первую очередь, фосфиновых, аминовых, карбеновых и т.д.). Однако, на практике наиболее привлекательными являются так называемые «безлигандные» каталитические системы, которые не предполагают использования упомянутых добавок и, следовательно, значительно упрощают и удешевляют получение целевого продукта каталитической реакции. В ходе выполнения Проекта 2019 нами был установлен ряд закономерностей функционирования таких «безлигандных» каталитических систем, являющихся принципиальными с точки зрения решения задачи оптимизации условий реакции Сузуки-Мияуры с малореакционноспособными арилхлоридами. Так, показано определяющее влияние процессов формирования и дезактивации каталитически активных соединений, представляющих собой находящиеся в растворе молекулярные соединения, доля которых от общего количества загружаемого в систему палладия является крайне низкой, на функционирование основного каталитического цикла образования продукта реакции. Однако, истинные причины низкой концентрации активных частиц остаются невыясненными. При этом с большой вероятностью эти причины отличаются от причин, обуславливающих снижение доли палладия в растворе в реакции Сузуки-Мияуры с более реакционноспособными арилиодидами и арилбромидами. Поэтому одной из основных целей выполнения Проекта 2022 станет установление путей повышения доли палладия в виде каталитически активных соединений (в том числе с помощью управления процессами их формирования и дезактивации) с целью увеличения каталитической активности «безлигандных» каталитически систем реакции Сузуки-Мияуры с арилхлоридами. Установление подходов к управлению процессами формирования и дезактивации каталитически активных соединений должно основываться на данных об их природе и характере взаимопревращений в условиях реакции. В ходе выполнения Проекта 2019 был продемонстрирован определяющий вклад в активацию субстратов гомогенного механизма катализа реакции Сузуки-Мияуры с малореакционноспособными арилхлоридами в «безлигандных» условиях, что оказалось совершенно неожиданным с учетом полученных ранее для реакций с арилиодидами и арилбромидами данных о росте вклада гетерогенного механизма катализа с уменьшением реакционной способности арилгалогенида. Истинные причины отсутствия или незначительного вклада гетерогенных форм палладия в катализ реакции Сузуки-Мияуры с малореакционноспособными арилхлоридами также требуют выяснения. Очевидно, выяснение причин изменения относительных вкладов гомогенного и гетерогенного механизмов катализа также является необходимым этапом установления путей повышения количества каталитически активных форм палладия. Одной из вероятных причин изменения относительных вкладов растворенных и твердых форм палладия в условиях использования в качестве субстратов арилхлоридов может быть установленная в ходе выполнения работ по Проекту 2019 значительная обратимость стадии их окислительного присоединения к соединениям Pd(0). Такой характер окислительного присоединения способен привести к принципиально разным кинетическим свойствам стадий активации субстратов с участием растворенных и твердых форм катализатора, что обязательно скажется на относительных количествах таких форм, вовлеченных в катализ. Проверка гипотезы влияния обратимости окислительного соединения как фактора, меняющего относительные вклады различных форм активного палладия в катализ, также планируется в ходе предлагаемого проекта. Такое исследование будет проводиться с использованием арилбромидов в качестве субстратов для сравнения, в том числе в условиях конкурентных экспериментов с арилхлоридами. Исследование возможной обратимости окислительного присоединения в таких условиях и сопоставление получаемых результатов с закономерностями изменения каталитической активности и дифференциальной селективности «безлигандных» каталитических систем позволит получить ответ на вопрос о возможном ключевом влиянии обратимости на количества активных растворенных комплексов палладия и предположить способы управления обратимым процессом. Чрезвычайно важной как с фундаментальной так и с прикладной точек зрения является обоснованная нами в ходе Проекта 2019 гипотеза о реализации так называемого кооперативного механизма катализа, предполагающего активацию сочетающихся в условиях реакции Сузуки-Мияуры арилхлорида и арилборной кислоты двумя различными соединениями палладия в двух отдельных сопряженных каталитических циклах. Высокая вероятность реализации такого нелинейного механизма, по крайней мере, в используемых нами «безлигандных» условиях реакции, принципиально отличного от предполагавшегося долгие годы традиционного линейного механизма требует полного пересмотра подходов к управлению каталитической активностью, поскольку в этом случае необходимым является учет особенностей превращения обоих типов каталитически активных соединений. В рамках предлагаемого проекта предлагается получение дополнительных кинетических свидетельств реализации кооперативного механизма катализа, которые также будут использованы при формировании гипотез превращения активных и неактивных форм палладия с целью повышения эффективности каталитических систем. Основным подходом к решению поставленных в проекте задач будет являться комплекс кинетических методов исследования, предполагающих анализ закономерностей каталитической активности и дифференциальной селективности в условиях конкурентных и «неконкурентных» каталитических реакций, в том числе оригинальных разработанных нашей группой. Ключевым преимуществом исследований закономерностей дифференциальной селективности является независимость ее значений от концентрации активного катализатора. Такая особенность приобретает принципиальное значение в исследованиях реакций с постоянно протекающими в ходе каталитической реакции процессами формирования и дезактивации активных частиц, оказывающими определяющее влияние и на каталитическую реакцию Сузуки-Мияуры с арилхлоридами, являющуюся объектом исследования в проекте. При этом проверка закономерностей, получаемых с помощью исследования дифференциальной селективности реакции в условиях пары однотипных субстратов , конкурирующих за общий катализатор, в частности, влияния различных параметров на состояние активного катализатора и, следовательно, величину каталитической активности, в «неконкурентных» экспериментах также будет являться обязательным этапом проекта. Необходимо отдельно отметить, что все планируемые в ходе проекта экспериментальные исследования будут проводиться нами в условиях реальных (не модельных) каталитических реакций. Учитывая сложный характер взаимного влияния компонентов реакционной системы, использование результатов реальных каталитических экспериментов является обязательным условием для построения надежной гипотезы механизма каталитического процесса.

Ожидаемые результаты
Основным результатом планируемого проекта станут разработанные рекомендации, позволяющие значительно увеличить каталитическую активность наиболее привлекательных «безлигандных» каталитических систем реакции Сузуки-Мияуры с доступными, но малореакционноспособными арилхлоридами путем управления процессами формирования и дезактивации каталитически активных соединений. Планируемые результаты соответствуют мировому уровню, поскольку в литературе на сегодняшний день отсутствует единое мнение о механизмах процессов, определяющих каталитическую активность в реакции Сузуки-Мияуры с малореакционноспособными арилхлоридами, и, соответственно, отсутствуют универсальные решения для вовлечения таких субстратов в каталитическое превращение с высокой эффективностью. Полученные нами при выполнении Проекта 2019 результаты позволяют уверенно предполагать, что именно решение проблем, связанных с низкой концентрацией каталитически активных соединений в реакционных системах реакции Сузуки-Мияуры, позволит принципиально увеличить эффективность «безлигандных» каталитических систем в превращении малореакционноспособных арилхлоридов в целевые продукты реакции. Определенные в результате выполнения исследований по проекту каталитические системы и условия их применения позволят снизить затраты на получение синтетически важных продуктов реакции Сузуки-Мияуры.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведение серий конкурентных экспериментов с последующим анализом дифференциальной селективности реакций позволило продемонстрировать, что в «безлигандных» условиях реакции Сузуки-Мияуры превращение арилхлорида в продукт реакции может наблюдаться, в том числе, в условиях конкурентной реакции с арилбромидом. Величины относительной реакционной способности арилхлорида по отношению к арилбромиду в конкурентных экспериментах оказались достаточными для того, чтобы полностью исключить классическое объяснение резкого падения выходов образующихся из арилхлоридов продуктов в обычных «неконкурентных» экспериментах из-за падения скорости активации арилхлоридов в сравнении с арилбромидами. На основании закономерностей изменения дифференциальной селективности по конкурирующим арилгалогенидам при варьировании природы и концентрации арилборной кислоты показано, что снижение концентрации последней, в соответствии с теоретическими прогнозами, приводит к увеличению степени обратимости элементарной стадии активации, позволяя зафиксировать влияние обратимости экспериментально. Результаты симулирования кинетических зависимостей с учетом обратимости стадий с участием конкурирующих арилхлорида и арилбромида соответствовали экспериментально наблюдаемым закономерностям на начальных этапах реакции, однако, однозначно указывали на изменение величины относительной реакционной способности конкурирующих субстратов при увеличении глубины ее протекания. В совокупности с результатами анализа формально-кинетических закономерностей превращения арилхлорида и арилбромида в конкурентных и «неконкурентных» условиях при варьировании параметров проведения процесса, влияющих на перераспределение палладия между различными потенциально активными формами, такой результат указывал на различную природу активных частиц палладия, ответственных за превращение арилхлорида и арилбромида в продукты реакции. С учетом полученных ранее данных, наиболее вероятными активными катализаторами, ответственными за превращение арилхлоридов и арилбромидов являются истинно растворенные молекулярные комплексы палладия и гетерогенные (включая наноразмерные) частицы палладия, соответственно. Очевидно, что в таком случае относительный рост скоростей процессов образования соединений Pd(0), происходящий в результате роста степени обратимости стадии активации в случае применения арилхлоридов (стадия окислительного присоединения), то есть увеличение скорости обратного процесса (стадия восстановительного элиминирования палладия из арилпалладиевых частиц типа ArPdX (где Х – галоген)), вследствие нелинейной кинетики агломерации неустойчивых соединений Pd(0) с образованием гетерогенной фазы металла будет оказывать выраженное негативное воздействие на количество активного катализатора в реакции Сузуки-Мияуры с арилхлоридами в сравнении с реакцией с использованием арилбромидов в качестве субстратов (https://isu.ru/ru/news/2022/details/news-id2022-00180). Результаты УФ-спектроскопического мониторинга реакции Сузуки-Мияуры с арилбромидами в условиях использования различных добавок подтверждали более высокое количество палладия в растворе в сравнении с экспериментами с использованием арилхлоридов в качестве субстратов. При этом установленная в условиях конкуренции арилбромида и арилхлорида одновременная дезактивация различных по природе активных палладиевых соединений, ответственных за превращение таких субстратов, согласуется с многократно продемонстрированным динамическим характером взаимопревращений различных форм палладия в каталитических системах реакций кросс-сочетания. Закономерности изменения состава частиц палладия, активирующих арилбромиды и арилхлориды в каталитических условиях реакции Сузуки-Мияуры, были исследованы в условиях присутствия в реакционных системах различных видов добавок, выполняющих функции анионных и нейтральных лигандов для палладия. Получены данные о вхождении в состав палладиевых частиц, активирующих арилбромиды, эндогенных (образующихся в результате конверсии арилгалогенида) и экзогенных (входящих в состав добавок к каталитической системе) галогенид-ионов, а также нейтральных лигандов – третичных фосфинов – в случае их присутствия в каталитической системе. При этом возможность исследования закономерностей дифференциальной селективности, определяемой в различных узлах сопряжения сложной каталитической реакции, позволила получить данные о том, что фосфиновые лиганды не входят в состав соединений палладия, активирующих арилборные кислоты в условиях реакции Сузуки-Мияуры с арилбромидами, аналогично реакции с арилхлоридами. Ранее на основании совокупности закономерностей дифференциальной селективности, результатов операндо спектроскопического исследования и симулирования кинетики реакции Сузуки-Мияуры была выдвинута гипотеза о реализации так называемого кооперативного механизма катализа, предполагающая активацию сочетающихся арилгалогенида и арилборной кислоты различными типами палладиевых частиц с последующей нелинейной стадией образования продукта реакции. В ходе настоящего этапа были проведены проверочные эксперименты по установлению зависимости между скоростями расходования пары конкурирующих арилгалогенидов и пары конкурирующих нуклеофилов, одним из которых является арилборная кислота, а вторым – алкен, вступающий в родственную реакцию Мицороки-Хека. Экспериментальные свидетельства одновременного соблюдения прямой пропорциональности между отношениями суммарных начальных скоростей расходования конкурирующих арилгалогенидов и конкурирующих нуклеофилов и отношениями соответствующих начальных концентраций однозначно продемонстрировали справедливость гипотезы реализации кооперативного механизма катализа (Schmidt, A. F., Kurokhtina, A. A., Larina, E. V, Vidyaeva, E. V, & Lagoda, N. A., Mol. Catal., 2021, 499, 111321), принципиально отличающейся от принятой в течение длительного времени классической гипотезы линейного механизма.

Публикации

1. - Наша глобальная цель - создать идеальный катализатор Интерфакс-Россия, статья от 29 августа 2022 г (год публикации - ).

2. - Приближая прорывные технологии органического синтеза сайт Иркутского государственного университета, публикация от 12 апреля 2022 г (год публикации - ).

3. А. Ф. Шмидт, А. А. Курохтина, Е. В. Ларина, Н. А. Лагода, Д. А. Явсин, С. А. Гуревич, В. М. Зеликман, И. Н. Кротова, Т. Н. Ростовщикова, И. Г. Тарханова APPLICATION OF HETEROGENEOUS CATALYST PRECURSORS IN SUZUKI-MIYAURA REACTION Kinetics and Catalysis, - (год публикации - 2023).