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.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Для установления закономерностей влияния природы и количества прекурсора катализатора на кинетические параметры, характеризующие процессы формирования и дезактивации катализатора в реакции Сузуки-Мияуры, были проведены серии экспериментов с использованием различных по реакционной способности арилхлоридов. На основании закономерностей параметров, характеризующих скорость формирования активного катализатора и стабильность его работы, получены данные об определяющем влиянии на функционирование так называемых «безлигандных» каталитических систем способности предшественника катализатора к растворению и восстановлению арилборной кислотой. Скорость растворения и последующего восстановления прекурсора катализатора определяет соотношение окисленной и восстановленной форм палладия, распределяющихся в каталитических циклах активации сочетающихся арилгалогенида и арилборной кислоты, которое, в свою очередь, имеет определяющее значение для стабильности каталитической системы к дезактивации путем агломерации каталитически активных соединений Pd(0). Установлено, что увеличение загрузки прекурсора катализатора (повышение соотношения катализатор/субстрат) не может рассматриваться в качества способа повышения каталитической активности реакции Сузуки-Мияуры в превращении малореакционноспособных арилхлоридов. Гораздо более существенным параметром является природа прекурсора катализатора, обладающего приемлемым соотношением скоростей растворения и восстановления и обеспечивающего оптимальное для данной комбинации субстратов соотношение окисленной и восстановленной форм палладия в системе. Для получения подтверждений выдвинутой ранее гипотезы нелинейного кооперативного механизма катализа реакции Сузуки-Мияуры, предполагающей активацию сочетающихся арилгалогенида и арилборной кислоты различными типами активных палладиевых частиц в двух сосуществующих каталитических циклах, была проведена серия экспериментов в условиях «искусственной многомаршрутности» с использованием конкурирующих арилхлорида и арилбромида, а также арилборной кислоты и алкена, превращающегося в родственной реакции Мицороки-Хека. Закономерности дифференциальной селективности, определяемой в различных узлах сопряжения такой конкурентной реакции при варьировании природы и концентрации веществ-участников реакции и результаты их сопоставления с теоретически ожидаемыми, а также симулированными зависимостями согласовывались с предполагаемой гипотезой. Для анализа совокупности экспериментальных данных, полученных в ходе проекта, был применен регрессионный анализ с использованием нейронных сетей и кластерный анализ. Использованные для обучения нейронной сети экспериментальные данные в отличие от опубликованных ранее работ содержали не только информацию о начальном и конечном состояниях реакционной системы (реагенты, растворитель, добавки, катализатор, их концентрации, конверсия, выход продукта, температура), но и информацию о кинетических параметрах процесса. Такое расширение химического пространства обучающих параметров позволяло учесть в процессе обучения нейронной сети закономерности влияния процессов формирования и дезактивации каталитической системы, определяющие стабильность ее работы на основные показатели эффективности катализа (TON, TOF, выход продукта, селективность). Результаты применения нейронных сетей и кластерного анализа, в том числе для решения задачи многокритериальной оптимизации, подтверждали выводы о взаимосвязи стабильности работы катализатора с относительным количеством арилборной кислоты в системе, указывая на его ключевое значение наряду с отношением арилгалогенид/катализатор для повышения эффективности «безлигандных» палладиевых каталитических систем в контексте числа оборотов катализатора и величины выхода продукта. Для отслеживания динамических превращений активного катализатора в результате эволюции каталитической системы в ходе реакции разработан кинетический подход, использующий интегральные кинетические данные о концентрациях веществ-участников конкурентной реакции в различные моменты времени, в основе которого лежит часто применяемое в исследованиях механизмов каталитических процессов уравнение Гаммета (https://isu.ru/ru/news/2023/details/news-id2023-00666/). Экспериментальные данные, полученные с использованием такого подхода в ходе реакции Сузуки-Мияуры с арилиодидами, арилбромидами и арилхлоридами в присутствии «безлигандной» каталитической системы указывали на различную природу каталитически активных соединений, вносящих значимый вклад в катализ при использовании различных типов субстратов, а также на динамические изменения в каталитически активном центре в ходе реакции. Полученные данные согласуются с участием в катализе реакции с арилхлоридами или арилиодидами растворенных молекулярных комплексов палладия, в то время как при использовании арилбромидов существенный вклад в катализ вносят гетерогенные (в т.ч. наноразмерные) формы металла. При этом состав лигандного окружения активных частиц палладия изменяется в ходе реакции вследствие изменения соотношений эндо- и экзогенных галогенид-ионы, а также анионов основания и/или гидроксила (https://doi.org/10.1016/j.mcat.2023.113101, https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/1989/1958). Используя совокупность экспериментальных данных, полученных в ходе двух этапов выполнения проекта, предложена принципиальная схема механизма, описывающая особенности действия «безлигандных» палладиевых каталитических систем в превращении арилхлоридов в реакции Сузуки-Мияуры: быстрый обратимый характер активации арилхлоридов в каталитическом цикле реакции Сузуки-Мияуры путем окислительного присоединения к комплексам Pd(0), равновесие которого смещено в сторону исходного нольвалентного палладия и арилгалогенида, что, обуславливает низкую долю каталитически активного палладия в каталитическом цикле активации арилхлоридов; образование продукта реакции Сузуки-Мияуры по механизму нелинейного кооперативного механизма катализа с активацией сочетающихся арилгалогенида и арилборной кислоты двумя разными соединениями палладия в сосуществующих каталитических циклах; каталитическую активность истинно растворенных комплексов палладия в превращении арилиодидов и арилхлоридов и гетерогенных частиц металла в превращении арилбромидов (https://doi.org/10.1016/j.mencom.2023.02.009, https://doi.org/10.1134/S0023158423010081), содержащих эндо- и экзогенных галогенид-ионы наряду с анионами основания и/или гидроксила, состав и/или относительные вклады в катализ которых динамически изменяется в ходе процесса. Проведение проверочных экспериментов подтвердило ключевые факторы, определяющих активность и стабильность таких систем в условиях использования арилхлоридов с различной реакционной способностью.