Химики научились селективно замещать водород на концевом углеводородном фрагменте

Американские химики предложили катализатор, с помощью которого можно селективно замещать водород на концевом углеводородном фрагменте различных молекул. Новый способ позволяет напрямую получать важные органические молекулы из самого простого углеводородного сырья. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Селективное замещение водорода в алканах — одна из наиболее интересных задач современной органической химии. Углеводородные группы есть в любом органическом соединении, это своеобразный «скелет» молекулы. Возможность замещать водород в таких группах открыла бы новые пути в органическом синтезе — например, позволила бы синтезировать больше соединений напрямую из нефтяного сырья (смеси различных углеводородов). Однако на практике функционализировать углеводородные фрагменты непросто. Во-первых, в молекуле, как правило, не одна углеводородная группа, а несколько, и реакционные способности их очень близки. Поэтому замещение нельзя провести селективно — оно будет происходить сразу во всех углеводородных группах, и вместо одного продукта получится смесь нескольких. Во-вторых, связи углерод -водород (С-Н связи) достаточно инертные, поэтому для их разрыва нужны жесткие условия — облучение светом или нагревание до высоких температур. Если в исходной молекуле есть другие функциональные группы, они могут тоже вступить в реакцию — например, окислиться или отщепиться.

Химики из Университета Беркли под руководством Джона Хартвига (John Hartwig) предложили катализатор, с помощью которого можно селективно функционализировать углеводородную группу на конце молекулы. В группе Хартвига уже давно изучали процесс борилирования — взаимодействие с бис(пинаколато)дибороном, которое приводит к замещению одного из атомов водорода на пинаколборановый фрагмент (Bpin). Для активации С-Н связей используется катализатор — комплексы металла. Преимущественно в эту реакцию вступают концевые углеводородные группы — к тем группам, которые находятся в глубине молекулы, объемный катализатор не может подобраться. Интересно, что С-Н связи на концевых атомах отличаются повышенной прочностью, и в большинство известных реакций такие группы обычно вступают в последнюю очередь. Поэтому возможность селективно функционализировать концевые углеводородные группы представляет для органического синтеза особый интерес. Тем не менее, в предыдущих работах выходы реакций были слишком низкими, чтобы говорить об их практическом применении.

В новой работе Хартвиг и его коллеги нашли способ ускорить реакцию с помощью нового катализатора. Они протестировали несколько катализаторов на основе комплексов иридия с ароматическими лигандами, самым эффективным оказался комплекс с 2-метилфенантролином. Он увеличивал скорость реакции более чем в 50 раз, при этом селективность оставалась такой же высокой. Используя этот катализатор, авторы смогли селективно заместить концевой атом в молекуле н-додекана С₁₂H₂₆ — линейного алкана, состоящего из двенадцати атомов углерода. Реакция происходит в относительно мягких условиях (температура 100 градусах Цельсия, двух- или трехкратный избыток бис(пинаколато)диборона) с 65-процентным выходом. В результате образуются только два продукта — моно- и дизамещенный додекан в соотношении шесть к одному — которые несложно отделить друг от друга. Для сравнения: если функционализировать н-додекан традиционным неселективным способом — например, используя радикальное хлорирование — это приведет к образованию шести изомеров монозамещенного продукта, сорока двух изомеров дизамещенного продукта, а также множества полиаддуктов. Разделить подобную смесь продуктов было бы крайне сложно.

С помощью предложенного метода можно функционализировать большое количество разных соединений с концевым углеводородным фрагментом — Bpin всегда замещает водород на этом фрагменте. Кроме того, такой подход позволяет селективно функционализировать насыщенные гетероциклы — циклические усоединения, которые содержат один неуглеродный атом, обычно азот, кислород или серу. В этом случае замещается водород на втором углероде, если считать от неуглеродного атома. Чтобы продемонстрировать универсальность подхода, авторы селективно функционализировали 36 различных веществ с выходами от 29 до 90 процентов. (Выход в 29 процентов в органической химии считается достаточно низким, однако авторы отмечают, что они не проводили полную оптимизацию условий каждой реакции. В дальнейшем эти параметры можно будет улучшить). При этом борилирование не затрагивает другие функциональные группы в исходных молекулах.

Кроме того, авторы продемонстрировали, что пинаколбороновую группу в полученных продуктах можно легко заместить, введя на ее место, к примеру, гидроксильную группу, галоген или углеводородный фрагмент. Таким образом, новый подход открывает множество возможностей в органическом синтезе — например, с его помощью можно селективно получать функционализированные молекулы из самого простого углеводородного сырья.

Несколько лет назад американские химики разработали другой катализатор на основе комплексов железа, который позволяет направленно модифицировать определенный участок трех природных аминокислот — пролина, валина и лейцина. С его помощью можно получать различные искусственные аминокислоты из доступных природных, что значительно быстрее, чем синтезировать их «с нуля».

Наталия Самойлова