Аннотация результатов, полученных в 2014 году
1) В соответствии с планом на 2014 год для получения рециклизуемых каталитических систем на основе комплексов кислот Льюиса с хиральными лигандами и на основе хиральных кислот Брёнстеда был выполнен синтез производных полимеров, необходимых для осуществления иммобилизации. Из коммерчески доступного полимера «Merrifield resin» (смола Меррифилда - сополимер полистирола и пара-хлорметилполистирола) реакцией с азидом натрия был получен соответствующий азид с выходом 96%. Одновременно с целью получения растворимых иммобилизованных катализаторов из коммерчески доступного монометилового эфира полиэтиленгликоля с Мw = 5000 Да (ПЭГ5000) в две стадии через промежуточное образование мезилата был синтезирован соответствующий азид с общим выходом 80%. Также из монометилового эфира ПЭГ5000 реакцией с NaH с последующей обработкой пропаргилбромидом было синтезировано пропаргильное производное монометилового эфира полиэтиленгликоля с выходом 92 %. 2) Далее мы разработали метод и осуществили иммобилизацию хиральных кислот Брёнстеда, а именно (R)-БИНОЛ-фосфорных кислот (BINOL - 1,1´-бинафталин-2,2´-диол) с помощью Cu(I)-катализируемого алкин-азид-циклоприсоединения (CuAAC, “click”-реакция) производных (R)-БИНОЛа, содержащих в положениях 3,3’ либо тройные связи, либо азидные группы, сответственно с азидным или пропаргильным производным монометилового эфира ПЭГ5000. В первом случае синтетическая последовательность состояла из 6 стадий, во втором – из 5. В результате были получены две иммобилизованные (R)-БИНОЛ-фосфорные кислоты, содержащие триазольные циклы в качестве заместителей в положениях 3,3’. Заместители в орто-положении к кислотному каталитическому центру необходимы для получения более высоких энантиомерных избытков, чем при применении незамещённых БИНОЛ-фосфорных кислот. Обе иммобилизованные кислоты проявили каталитическую активность в реакции Пудовика и в восстановлении иминов эфиром Ганча. Выходы продуктов при этом были хорошими и не менялись в трёх циклах, но максимальная энантиоселективность составила 23 % для реакции Пудовика и 26% для восстановления иминов. Отметим, тем не менее, что введение заместителей в орто-положение к кислотному центру катализатора позволило увеличить энантиоселективность в 2 раза. Также нами была осуществлена энантиоселективная реакция бензилирования 2,6 лутидином N-тозилбензилиденимина, катализируемая комплексом Pd(OAc)2 с иммобилизованным на ПЭГ3400 фосфорамидитным лигандом. При этом при проведении реакции в ТГФ продукт был получен с ee 25 %, а без растворителя – c ee 33 %. Однако использование комплекса ацетата палладия с незамещённой БИНОЛ-фосфорной кислотой привело к 45 % ee. При использовании аналогичной иммобилизованной по положению 6 на ПЭГ5000 кислоты энантиоселективность сохранялась. Работа опубликована в Известиях АН, серия химическая, 2014, № 12, с. 2686-2688. 3) Другим направлением нашей работы было получение рециклизуемых каталитических систем на основе комплексов кислот Льюиса с хиральными лигандами. Для этого осуществлен синтез содержащих тройную связь хиральных лигандов на основе бисоксазолинов (BOX), способных вступать в “click”-реакцию с азид-замещёнными полимерами. Нами были получены три BOX лиганда (каждый в 6стадий) – Ph-BOX, i-Pr-BOX и Ph-PyBOX с пропаргильной группой в составе. В связи с тем, что в процессе CuAAC-реакций образуется 1,2,3-триазольный цикл, необходимо было изучить влияние такого цикла на активность и селективность катализаторов на основе синтезированных нами BOX-лигандов. С этой целью «click»-реакцией последних с бензилазидом были получены соответствующие BOX-лиганды с бензилтриазольным заместителем. Далее для лигандов на основе Ph-BOX (лиганд A), i-Pr-BOX (лиганд B) были получены комплексы с Cu(OTf)2, а для лиганда на основе Ph-PyBOX (лиганд C) - комплекс с CuOTf. Далее мы исследовали асимметрический вариант реакции Фриделя-Крафтса на примере алкилирования индола бенлиденмалонатом, используя в качестве каталиазторов трифлат меди (II) в комбинации с BOX-лигандами A и B. Установлено, что при использовании BOX-лиганда B реакция протекает с более высокими выходами (до 92 %) и энантиоселективностью (ee до 91 %, а после перекристаллизации до > 99), чем при использовании лиганда А (выходы до 85 %, ee до 52 %). Поэтому для получения иммобилизованного на смолу Меррифилда BOX-лиганда мы использовали в реакции с азидометилполистиролом лиганд B на основе i-Pr-BOX. Реакция была выполнена в присутствии 10 мол.% CuI и TTTA (трис(4-трет-бутил-1,2,3-триазолилметил)амин) в качестве лиганда. Выделенный после завершения реакции иммобилизованный на смолу Меррифилда BOX-лиганд D приводил в результате реакции с Cu(OTf)2 к требуемому комплексу BOX-D*Cu(OTf)2. В настоящее время исследуется энантиоселективная реакция индолов с арилиденмалонатами при использовании иммобилизованного на смолу Меррифилда комплекса BOX-D*Cu(OTf)2. В результате CuAAC-реакции лиганда С на основе Ph-PyBOX с азидо-производным монометилового эфира ПЭГ5000 полученен иммобилизованный на полиэтиленгликоль PyBOX-лиганд Е, растворимый в отличие от смолы Меррифилда в органических растворителях и воде. В настоящее время проводится изучение энантиоселективной реакции присоединения терминальных ацетиленов к иминам при использовании в качестве катализаторов комплексов CuOTf c PyBOX-лигандом С и CuOTf с иммобилизованным на ПЭГ5000 PyBOX-лигандом E. 4) Ещё одним направлением нашей работы было исследование гидроаминирования алкинов, катализируемое комплексами золота, - важнейшей современной реакции, протекающей со 100% атомной эффективностью. Нами было впервые показано, что данное превращение можно осуществить при катализе простым и доступным комплексом золота (I) – (C6F5)3PAuNTf2. Нами установлено, что данный комплекс катализирует присоединение аминов к ацетиленам в мягких условиях: комнатная температура, без растворителя, 1 % катализатора. Образующийся имин in situ восстанавливается боргидридом натрия в метаноле, давая соответствующий вторичный амин. После завершения реакции комплекс может быть выделен из реакционной массы простым осаждением гексаном и использован в последующих циклах. С анилинами в реакцию вступают как алифатические, так и ароматические алкины. В случае производных фенилацетилена выходы соответствующих вторичных аминов близки к количественным (70-98%), а в случае алкилацетиленов остаются умеренными (около 60%). При наличии в молекуле анилина заместителя с сильными электроноакцепторными свойствами – нитро-группы - ни ароматические, ни алифатические алкины в реакцию не вступают. Работа опубликована в Mendeleev Commun. 2014, V. 24, № 6, p. 332-333. 5) В соответствии с планом проекта в рамках исследования возможности модификации наночастиц палладия и золота созданы удобные и эффективные методы синтеза таких частиц на твёрдых носителях. Показано, что наиболее стабильные и высоко активные катализаторы на основе Au образуются при использовании в качестве носителя активированного угля, модифицированного этилендиамином. В настоящее время проводится исследование полученных катализаторов в реакции гомосочетания арилборных кислот ArB(OH)2 с образованием диарилов Ar-Ar и в восстановлении нитробензола до анилина. Установлено, что в обоих случаях реакции протекают без образования побочных продуктов. 6) В области получения новых хиральных фосфинов для использования их в качестве лигандов и органических катализаторов начат синтез хиральных монофосфинов с асимметрическим атомом углерода, хиральных аминофосфинов, оксифосфинов и фосфорамидитов на основе 1,1’-бинафталина.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В соответствии с планом исследований, включающим разработку иммобилизованных хиральных органокатализаторов, кислот Льюиса и Бренстеда, а также получения активных нанокатализаторов на основе Pd, Au, Cu, в 2015 г. были выполнены следующие работы. 1) Полученные ранее иммобилизованные на полимере Меррифилда комплексы Cu(OTf)2*RBox были исследованы в различных реакциях Фриделя-Крафтса индола с активированными алкенами и кетонами. В реакции индола с диэтил бензилиденмалонатом при температуре -30оС и использовании в качестве растворителей этанола, дихлорметана, этилацетата и ацетона энантиоселективность процесса достигает 93%, однако максимальный химический выход продуктов присоединения возможен только в этаноле, смеси этанол-ТГФ (1:1) и дихлорметане. Исследование по рециклизации иммобилизованного катализатора показало, что во втором цикле химический выход немного уменьшается, а далее остается неизменным, при этом энантиоселективность не уменьшается даже в пятом цикле. В реакциях замещенных индолов с бензилиденмалонатами, также несущими дополнительные заместители, в большинстве случаев продукты были получены с высокими химическими выходами и хорошей оптической чистотой (наибольший химический выход 99%, наилучшая энантиоселективность 97% ее). Необходимо использование этилового эфира, поскольку в случае метилового происходит заметное падение энантиоселективности присоединения. Данный иммобилизованный катализатор был исследован также в реакции 5-замещенных индолов с другим акцептором Михаэля - метил (E)-2-оксо-4-фенил-3-бутеноатом в среде МеОН-ТГФ при -30оС и -78оС в связи с большей реакционной способностью субстрата. Данные реакции обеспечили меньшие химические выходы и худшую энантиоселективность, чем указанные выше. Максимальный химический выход составил 94%, наилучшая энантиоселективность – 67% Вместе с тем, иммобилизованный катализатор способствовал лучшему химическому выходу продукта, чем его гомогенный аналог, который к тому же практически не обеспечил энатиомерного избытка. В реакции с еще более активным кетоном CF3C(O)COOR не удается даже при очень низких температурах осуществить исключительно каталитическую реакцию, поскольку конкурирующий с ней некаталитический процесс проходит с высокой скоростью, в связи с чем реакция не является энантиоселективной. Реакция индола с кумарином исследована в гомогенном варианте при катализе комплексами бис(оксазолиновых) лигандов с R = Bn, Ph, iPr, tBu в присутствии Cu(OTf)2 в ТГФ при комнатной температуре. Химический выход продуктов присоединения не превысил 59%, а энантиоселективность – 50%, тогда как при катализе Cu(OTf)2 без лигандов в аналогичных условиях выход составил 76%. Использование иммобилизованного катализатора привело к хорошему химическому выходу, но к низкому значению ее. 2) Был получен новый органокатализатор – производное пролинола, иммобилизованного на полистирол. Данный гетерогенный катализатор был изучен в двух реакциях: -аминирования насыщенных альдегидов и в реакции Михаэля коричного альдегида с дибензилмалонатом. Его каталитическую активность в реакции -аминирования исследовали на примере общедоступных алифатических альдегидов, а образующиеся в ходе реакций α-гидразоальдегиды in situ восстанавливали боргидридом натрия до соответствующих α-гидразоспиртов. Для предотвращения деструкции катализатора использовали микроволновое облучение с минимальной мощностью, реакцию вели при максимальной скорости перемешивания и без использования растворителя. Присоединение к диэтилазодикарбоксилату происходит с высокими химическими выходами, но низкой энантиоселективностью, а при использовании менее реакционноспособного дибензилазодикарбоксилата выходы -гидразоспиртов уменьшились, однако их оптическая чистота превысила 99% ee. Продемонстрирована возможность использования гетерогенного катализатора в 3 циклах без заметного падения энантиоселективности присоединения. Исследование опубликовано в Mendeleev Commun., 2015, 25, 410-411. Исследование каталитической активности указанного иммобилизованного катализатора в реакциях, протекающих по механизму иминиевой активации, проводили на реакции присоединения малонатов к α,β-ненасыщенным альдегидам. Показано, что наилучшие химические выходы (до 83%) и энантиоселективность (до 92% ее) достигаются при проведении реакции с дибензилмалонатом в дихлорметане при комнатной температуре в присутствии 20-100 мол% трифлата кальция, при этом макисмальная энантиоселективность достигла 99%. 3) Синтезирован модельный лиганд – производное PyBox, содержащий 1,2,3-триазольный цикл, изучено влияние последнего на активность и селективность катализатора. В модельной реакции присоединения фенилацетилена к бензилиденанилину, катализируемой Cu(MeCN)4OTf в присутствии данного лиганда, химический выход целевого продукта составил 90%, а его оптическая чистота – 96% ее, что даже немного превосходит результаты, полученные ранее с другими PyBox лигандами, не содержащими триазольного заместителя. Таким образом, наличие последнего не должно оказывать негативное влияние на активность и селективность катализаторов в данной реакции. С целью получения растворимых иммобилизованных катализаторов для проведения данной реакции в гомогенных условиях мы осуществили иммобилизацию указанного PyBox-лиганда на полиэтиленгликоль ПЭГ-5000. Иммобилизованный PyBox-лиганд также был исследован в вышеуказанной модельной реакции, при этом оказалось, что полимерный носитель на основе полиэтиленгликоля существенно замедляет присоединение. Вероятно, это связано со значительным увеличением вязкости полученной реакционной смеси. В оптимизированных условиях максимальная конверсия составила 47%, а энантиомерный избыток - 92%. Понизить вязкость и увеличить конверсию до 93%удалось при проведении реакции при 50°С. 4) В целях изучения асимметрического [3+2] циклоприсоединения алленов к N-адамантилзамещенным малеимидам в 2015 г. осуществлена оптимизация синтеза малеимидов с использованием бензиламина и п-толуидина. С использованием оптимизированной методики был получен представительный ряд не описанных ранее адамантансодержащих замещенных малеимидов с выходами до 56%. Неасимметрический вариант циклоприсоединения аллена к адамантилзамещенному малеимидам исследован на примере трех адамантан-содержащих малеимидов и прошел с выходами, близкими к количественным. 5) За истекший год в области катализа наночастицами палладия удалось закончить большое исследование, связанное с доказательством того, что пинцерные системы без фосфиновых лигандов не являются катализаторами реакций кросс-сочетания, а выступают в качестве “резервуара” для генерации палладиевых наночастиц, которые, реагируя с арилгалогенидом, оказываются в растворе и осуществляют реакцию. В условиях медленного образования PdNPs (slow release) реакция (Heck, Suzuki) осуществляется с количественным выходом, как для арилиодидов, так и для арилбромидов. Реакция может быть прервана добавлением металлической ртути, но после её удаления, продолжается с тем же индукционным периодом (величина которого зависит от природы арилгалогенида) и практически с той же скоростью (характер кинетической кривой сохраняется). Таким образом, доказано присутствие и участие в стадии окислительного присоединения гетерогенных PdNPs, что не исключает дальнейшего перехода в раствор ArPdX, и осуществления обычного каталитического цикла с гомогенным характером. Иммобилизованный на PEG с помощью “click” методологии пинцерный комплекс может быть повторно использован в нескольких циклах без потери каталитической активности. Показано, что координационные пинцерные комплексы, в отличие от комплексов с ковалентной связью C-Pd, обладают значительно большей реакционной способностью (меньший индукционный период, связанный с восстановлением в PdNPs), но и продолжительность их жизни значительно меньше. Это подтверждает реакция, катализируемая солью палладия PdCl2(MeCN)2, которая также является источником PdNps. Скорость реакции максимальна, но уже при 50% конверсии реакция заканчивается в результате агрегации палладия. Данное исследование опубликовано в Adv. Synth. Catal., 2015, 357, 417-429. Нами впервые получены прямые доказательства гомогенного характера реакции Suzuki, катализируемой PdNPs. Наночастицы палладия, полученные в результате вакуумного испарения металлического палладия на подложку из поливинилового спирта, после удаления подложки оказались эффективными в реакциях иодбензола и п-иоданизола, но плохо катализировали реакцию п-иодтолуола и были совершенно неактивны в реакциях с арилбромидами (даже активированными). Однако совместное проведение реакции п-иоданизола с арилбромидом или п-иодтолуолом позволило количественно осуществить обе реакции. Аналогичное явление наблюдалось при использовании PdNPs, полученных в многостенных углеродных нанотрубках. В этом случае не реагирующие с PhB(OH)2 арилбромиды оказывались реакционноспособными в присутствии п-иоданизола и, более того, иногда выход продукта с их участием превышал выход продукта p-MeOC6H4Ph. Все эти явления были нами объяснены с точки зрения гетерогенного характера первой стадии – окислительного присоединения ArX к PdNPs, и гомогенного характера остальных стадий, что является прямым доказательством “leaching”. Данное исследование опубликовано в ChemCatChem, 2015, 7, 2113-2121.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В соответствии с планом работ на 2016 г. получены следующие основные результаты. 1) Исследовано влияние кислот Льюиса на присоединение индола по Михаэлю к электронодефицитным непредельным соединениям, обнаружено, что трифлат магния и Mg(NTf2)2 являются эффективными катализаторами данного процесса. В случае реакции присоединения индола к менее активному карбметоксикумарину наилучший результат достигнут в присутствии иодида магния, при исследовании реакций индола с представительным набором непредельных карбонильных соединений найдено, что бензилиденацетон и циклогексенон не вступают в реакцию с индолом в присутствии иодида магния, а в случае коричного альдегида образуется сложная смесь продуктов, в которой не наблюдается продукта реакции Михаэля. Наиболее активными непредельными карбонильными соединениями оказались метилвинилкетон и трифторбензилиденацетон, для которых продукты присоединения были выделены с выходами 75 и 76%. Изучение реакции Фриделя-Крафтса с α,β-непредельными нитросоединениями на примере модельного β-нитроакрилата показало, что наибольшую каталитическую активность проявляет Ca(NTf2)2. Также найдено, что смесь Mg(OTf)2 и Ca(NTf2)2 эффективно катализирует присоединение индола к диметилбензилиденмалонату. 2) При изучении влияния кислот Льюиса на присоединение индола по кратным связям С=О и C=N исследованы трифторметилпируват, метилпируват, этилглиоксилат, бензальдегид и изатин, присоединение к которым проводили в присутствии иодида магния. Наиболее активными оказались трифторметилпируват и этилглиоксилат, которые образовали продукты присоединения с высокими выходами. В качестве модельных соединений, содержащих С=N связь, использовали имины с акцепторными заместителями при атоме азота. Реакции эффективно протекают при пониженных температурах в присутствии MgI2. Наиболее реакционноспособным оказался N-бензилиден-трет-бутилкарбамат. 3) Исследование влияния заместителей на протекание реакций присоединения к арилиденмалонатам проводили в присутствии MgI2 в дихлорметане при комнатной температуре. Обнаружено, что хотя 7-нитроиндол в реакцию практически не вступает, а 1-метилиндол реагирует очень медленно, но индолы с другими электроноакцепторными заместителями (5-NO2, 5-COOMe, 5-CN, 4-CN) дают продукты присоединения с хорошими выходами. Образование бисиндольных продуктов становится преобладающим при введении в молекулу индола электронодонорных заместителей как в бензольный, так и в пиррольный фрагменты индола, но при понижении температуры удается получить целевые продукты присоединения. Найдено, что пиррол образует продукт присоединения с высоким препаративным выходом 82% 4) Асимметрическое присоединение индола к активированным непредельным соединениям в присутствии PyBOX лигандов и кислот Льюиса изучено с использованием модельной реакции индола с диметилбензилиденмалонатом, а в качестве хиральных лигандов исследован представительный ряд комплементарных магнию пиридин-бисоксазолиновых лигандов. Обнаружено, что лиганды с ароматическими заместителями в бисоксазолиновом фрагменте подавляют реакцию, а выходы продукта в присутствии комплексов магния с лигандами, содержащими алкильные заместители, близки к количественным. Наилучшие результаты получены при использовании лигандов, содержащих iPr стереодескрипторы, при этом максимальная энантиоселективность процесса составила 77% ее (в случае реакции с 5-метилиндолом), а при использовании орто-хлорбензилиденмалоната – 83% ее. 5) Энантиоселективное присоединение индола и пиррола к кумарину катализировали комплексами Cu(OTf)2 с хиральными бис(оксазолиновыми) лигандами (R = Bn, Ph, iPr, tBu) с максимальным энантиомерным избытком до 70% ее. Энантиоселективность в в реакции с пирролом составила 60% ее, а в случае N-метилпиррола – 82% ее. 6) Для изучения каталитического энантиоселективного присоединения терминальных алкинов к иминам первоначально синтезирован иммобилизованный на полиэтиленгликоль лиганд PyBOX. В качестве модельной реакции использовали взаимодействие фенилацетилена с N-бензилиденанилином. Показано, что по сравнению с гомогенными каталитическими системами при использовании иммобилизованного PyBOX лиганда реакция замедляется, а энантиомерный избыток снижается. Для увеличения химического и оптического выходов реакционную смесь разбавляли и проводили процесс при повышенной температуре, в результате удалось достичь 92% энантиомерного избытка. Результаты по рециклизации иммобилизованного лиганда показали, что он достаточно устойчив в процессе реакции и выделения и может быть использован многократно. 7) Катализируемое кислотами Льюиса алкилирование индола фосфорзамещенными акцепторными алкенами эффективно проходит при использовании в качестве катализатора комплекса Cu(OTf)2 или Cu(ClO4)2 с 1,10-фенантролином или с 2,2’-бипиридином, при этом достигается практически количественная конверсия. В присутствии комплекса перхлората меди (II) с 2,2’-бипиридином удалось получить продукты присоединения разнообразных замещенных индолов к дифосфонату с препаративными выходами 80-96%. 8) Восстановлением безводной соли меди CuCl2 синтезированы CuNPs на различных неорганических твердых подложках (TiO2, МК-10, цеолит, углерод). Полученные этим методом СuNPs имеют малый размер (1-2 нм), и их каталитическая активность была изучена на примере образования связей С-С (реакция Соногаширы), C-S (арилирование тифенола) и C-N (арилирование бензимидазола, имидазола, пиразола, индола). Обнаружено, что природа подложки сильно влияет на результаты реакции, более того, это влияние различно для различных реакций. Так, в реакциях образования связей С-С и С-S наибольшую активность проявили наночастицы, иммобилизованные на цеолит, при этом выходы продуктов сочетания составили до 99%, а в реакциях с азолами для каждого конкретного соединения была найдена своя уникальная зависимость выхода продукта от типа подложки. Эксперименты по рециклизации катализаторов показали, что его активность не снижается как минимум в 3-4 циклах. В связи с тем, что на поверхности CuNPs существует окислительная пленка, содержащая оксиды меди Cu2O и СuO, естественно полагать, что именно данные оксиды и являются источником активных частиц катализатора. Не исключено также, что частично происходит переход оксидов меди в раствор и именно эти растворенные частицы катализируют реакцию. Однако, подложка также может взаимодействовать с реагентами, например, с тройной связью алкина или образовывать водородные связи с ArSH или азолами. Данные результаты показывают, что найти уникальный катализатор для реакций различного типа невозможно.