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 соединения, 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.