Карбоновые кислоты широко распространены в биоактивных органических молекулах и являются легкодоступными химическими строительными блоками. Они могут быть преобразованы в карбоксильные радикалы, которые инициируют разнообразные реакции образования связей углерод-углерод и углерод-гетероатом, что весьма желательно для разработки материалов и фармацевтических препаратов. Однако в настоящее время существует мало применимых методов, использующих недорогие катализаторы.
Для этого исследователи из WPI-ICReDD и Университета Сидзуока разработали простой метод переноса атома водорода (HAT), который селективно преобразует карбоновые кислоты в карбоксильные радикалы с использованием ксантона, недорогого коммерческого органического кетонового фотокатализатора. Это исследование было опубликовано в Journal of the American Chemical Society.
Метод HAT преобразует субстраты в радикалы, удаляя атом водорода, а кетоны легко доступны, недороги и известны своим применением в фотокатализе HAT. Однако селективный HAT для карбоновых кислот является сложной задачей, поскольку связь O–H сильнее, чем соседние связи C–H. Тем не менее, используя метод искусственного индуцированного силой (AFIR), вычислительную технику, разработанную в ICReDD, авторы определили ксантон как перспективный кетоновый фотокатализатор для селективного расщепления связи O–H.
Расчёты показали, что ксантон имеет схожие энергетические барьеры для активации связей O–H и C–H в субстратах карбоновых кислот. Таким образом, водородные связи могут влиять на селективность продукта. Водородные связи — это притяжение, которое может возникать между кислородом и атомами водорода (как показано выше), но не возникает с атомами углерода. Не путать с ковалентной связью.
Предсказания AFIR и механистическое значение водородных связей были экспериментально подтверждены с соотношением более 10:1 для селективного расщепления связи O–H. Реакция протекала через декарбоксилирование или бензильную функционализацию в зависимости от субстрата. Ксантон продемонстрировал впечатляющую совместимость с субстратами, универсальное образование связей (C–C, C–Cl и C–S) и установил широкую применимость более чем в 40 примерах реакций.
«Сотрудничество с командой в Сидзуоке для изучения нового режима активации карбоновых кислот с помощью вычислительных подходов было отличным опытом. Для меня особенно важно, что метод AFIR продемонстрировал свою полезность в качестве инструмента прогнозирования за пределами ICReDD. Я надеюсь, что эта вычислительная стратегия будет и дальше способствовать новым достижениям в разработке реакций», — сказал доцент Хироки Хаяси из WPI-ICReDD при Университете Хоккайдо.
Доцент Кендзи Ямасита из Университета Сидзуока заявил: «Для меня большая честь сотрудничать с доцентом Хироки Хаяси в этой работе. Интегрируя экспериментальные и вычислительные подходы, мы успешно выявили новый фотокатализ кетонов. Этот проект заставил меня по-настоящему оценить возможности метода AFIR в прогнозировании путей реакций. Я надеюсь, что наши выводы откроют новые возможности для управления высокореактивными радикалами».
Эта новая методология недорога и образует минимальные отходы реакции, что делает её весьма доступной для разработки фармацевтических препаратов и материалов. Более того, фотокаталитический механизм этого метода перспективен для более широкого применения в генерации радикалов помимо карбоксильных радикалов.
Предоставлено Университетом Хоккайдо.