Сотрудники химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова синтезировали стабильные карбены — чрезвычайно реакционноспособные соединения углерода, применяемые в органическом катализе

Сотрудники химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова синтезировали стабильные карбены — чрезвычайно реакционноспособные соединения углерода, применяемые в органическом катализе. Это позволит сделать синтез химических веществ более дешевым и экологичным. Руководитель исследования профессор Михаил Нечаев за работы в области органического синтеза был отмечен премией Правительства Москвы молодым ученым за 2016 год.

Карбены — соединения двухвалентного углерода. Вместо типичных для данного элемента четырех ковалентных связей, в карбенах два электрона образуют ковалентные связи, а два других электрона образуют неподеленную электронную пару. Следствием такой электронной конфигурации является высокая реакционная способность карбенов. Химия этих соединений развивается в двух основных направлениях: органический катализ, когда карбены выступают активаторами органических реакций, и металлокомплексный катализ, где карбены используют в качестве лигандов (молекул, связанных с центральным атомом) в каталитических комплексах металлов — палладия, платины, меди, золота и др.

Химики из МГУ исследуют новый тип карбенов, содержащих расширенные шести-, семи- и восьмичленные циклы, и их комплексы с переходными металлами (палладий, золото, медь). На основе новых комплексов были разработаны каталитические системы, позволяющие проводить важные органические реакции в условиях «зеленой» химии. Так, использование комплексов палладия позволяет проводить реакции с образованием связей углерод-углерод в воде (реакция Сузуки-Мийауры) и образование связей углерод-азот без использования растворителя (реакция Бухвальда-Хартвига). Также без использования растворителя могут протекать реакции присоединения аминов к ацетиленам, катализируемые комплексами золота, и реакции сочетания органических азидов с алкинами, катализируемые комплексами меди. Такие реакции широко используются в химических исследованиях, разработке лекарственных препаратов, в тонких химических технологиях. Результаты работы ученые были опубликованы в высокорейтинговых журналах European Journal of OrganicChemistry, Advanced Synthesis and Catalysis, Dalton Transactions.

«Мы разработали способы проведения реакций не в органических растворителях, а в воде или совсем без использования растворителя. Это химия с прицелом на прикладное использование и на увеличение эффективности синтеза с экологической и экономической точек зрения», — поясняет профессор Михаил Нечаев. Многие органические растворители токсичны, пожароопасны. Затраты на очистку и регенерацию можно существенно сократить, если на каких-либо стадиях синтеза удается избавиться от органических растворителей и выделять высокочистые продукты с помощью простой сублимации.

«Карбены в свое время воспринимались как аналоги фосфинов (фосфорорганические соединения фосфина PH₃, в которых атомы водорода замещены одним или несколькими углеводородными радикалами) — тоже есть пара электронов, и сильные донорные свойства (возможность присоединять молекулы посредством образования связи через неподеленную пару электронов), — рассказывает Михаил Нечаев. — Появляется все больше примеров, когда химия, которая раньше делалась на фосфинах (реакции кросс-сочетания – создания новой связи углерод-углерод), теперь делается на карбенах, но с большей эффективностью. С чем это связано? Карбены – более донорные лиганды, чем фосфины, их пространственные свойства можно менять в более широких пределах, они гораздо менее токсичны, и, что немаловажно, комплексы металлов с карбенами характеризуются гораздо большей стабильностью, чем фосфиновые».