Химики Санкт-Петербургского государственного университета выяснили, что управлять присоединением ароматических колец к органическим молекулам можно с помощью фтор-, хлор- и бромсодержащих солей. Такие добавки помогают изменить форму молекулы и скорость реакции для получения фармацевтически и промышленно ценных веществ. Это поможет упростить синтез лекарственных препаратов, а также разработку новых функциональных материалов уже в ближайшем будущем. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в The Journal of Organic Chemistry.
Авторы исследования: ассистент Института химии Александра Сысоева, старший преподаватель Михаил Ильин, студентка магистратуры Яна Сафинская, руководитель проекта Дмитрий Болотин. Фото предоставлено Дмитрием Болотиным
При создании различных молекул, в том числе лекарственных препаратов, крайне важно, чтобы используемые соединения-предшественники взаимодействовали строго определенным образом и сформировали нужный продукт. Например, в фармацевтике, а также при производстве пестицидов и красителей востребована реакция арилирования — присоединения ароматического фрагмента к органической молекуле.
Чтобы осуществить такое превращение, в качестве катализаторов обычно используют соли тяжелых металлов. Однако их применения можно избежать и тем самым сделать синтез более экологичным. Для этого ученые используют иодониевые соли, содержащие, помимо целевого ароматического фрагмента, атом иода. Это позволяет проводить реакции без тяжелых металлов, однако иод может направить превращение по двум альтернативным путям. В результате образуется смесь из нескольких продуктов, которые в свою очередь требуют дополнительного разделения и очистки, а это увеличивает время и стоимость производства.
В связи с этим химики активно занимаются поиском новых соединений для осуществления арилирования наиболее эффективным образом. Ученые Санкт-Петербургского государственного университета исследовали более легкие аналоги иодониевых солей — хлорониевые и бромониевые и провели модельные реакции арилирования морфолина — широко используемого в промышленности и органическом синтезе соединения.
При добавлении к этому соединению только хлорониевой или бромониевой соли в результате превращения образовывалась смесь двух изомеров — структурных форм молекулы. Между собой эти формы, называемые орто- и мета-изомерами, отличались расположением морфолина в ароматическом кольце. При этом орто-изомера оказалось в три раза больше, чем мета-формы.
После этого ученые дополнительно внесли в реакционную смесь соль с фторид-анионом, который, взаимодействуя с компонентами реакции, перераспределяет в них электронную плотность, от чего зависит реакционная способность молекул. В этом случае соотношение продуктов оказалось противоположным: 80% составил мета-изомер и лишь 20% — орто-изомер. Помимо фторсодержащей добавки авторы исследования протестировали добавки с другими галогенами — бромом и хлором, но оказалось, что они меняют пропорции изомеров гораздо слабее — всего на 1−8%.
Тем не менее химики СПбГУ выяснили, что используемые добавки влияют на скорость реакции. В случае хлорониевой соли хлорсодержащие добавки ускоряли процесс на 60%, тогда как при использовании бромониевой соли любые дополнительные реактивы только замедляли ее превращения.
Исследователи провели компьютерное моделирование, чтобы установить причину этого эффекта. Оказалось, что галоген-анионы, присутствующие в добавках, по-разному взаимодействуют с хлором и бромом в одноименных солях. В первом случае они перераспределяют электронную плотность в соединении так, что химическая связь, удерживающая атомы вместе, рвется легче. Благодаря этому вещество активнее вступает в превращение. Например, при использовании бромониевой соли перераспределение электронной плотности приводит к обратному эффекту.
«Мы нашли довольно простой способ управлять реакцией арилирования, которая широко используется в фармацевтике и промышленности. Используя простые фторсодержащие соли, мы можем при комнатной температуре и без дорогостоящих металлических катализаторов направлять реакцию так, чтобы получать строго определенный изомер. То есть в зависимости от условий мы можем получить либо мета-изомер, либо орто‑изомер из одних и тех же соединений-предшественников», — рассказал доцент кафедры физической органической химии СПбГУ Дмитрий Болотин.
В перспективе это открытие позволит разработать более эффективные и экологичные методы синтеза самых разных биологически активных молекул.
Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ
