Проблема региоселективности в гидроцианировании
Контроль региоселективности остаётся одной из главных задач в гидроцианировании. Когда несимметричный алкин вступает в эту реакцию, обычно получается смесь региоизомеров. Это усложняет разделение продуктов, делая процесс более трудоёмким и дорогостоящим.
Прорыв в контроле реакции
Учёные из Института физической химии Польской академии наук продемонстрировали новый подход, который решает эту проблему. Их прорыв позволяет полностью контролировать исход реакции, делая гидроцианирование более экологичным, эффективным и экономичным.
Исследование [опубликовано](https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202500940) в журнале Angewandte Chemie International Edition.
Как работает новый метод
Создание сложных органических молекул, таких как те, что используются в синтетических полимерах, фармацевтике или агрохимикатах, часто зависит от катализаторов, которые ускоряют реакции и повышают их эффективность. Среди ценных, но сложных в синтезе целей — нитрилы, которые становятся всё более популярными благодаря своей универсальности: их можно легко преобразовать в амины, карбоновые кислоты, альдегиды и другие полезные соединения.
Однако эффективный синтез нитрилов — непростая задача. Распространённый подход включает гидроцианирование — реакцию, в которой водородный цианид (HCN) добавляется через углерод-углеродные двойные связи, особенно тройные связи, присутствующие в алкинах.
Новый подход
Исследователи из Института физической химии Польской академии наук, Александра Засада и Давид Лихосыт, продемонстрировали более эффективный и устойчивый подход. В своём недавнем исследовании они представили систему двойного катализатора без использования переходных металлов, основанную на трифенилфосфине (PPh₃) и триэтиламине (TEA). Эта стратегия позволяет избежать необходимости в металлических комплексах.
Вместо классического прямого гидроцианирования реакция протекает через обратимую перестройку алкинов в аллены, с последующим селективным переносом водородного цианида (HCN) к алленовому промежуточному соединению — и всё это в мягких, одностадийных условиях. Представленный метод основан на наличии электроноакцепторных групп, которые обеспечивают ключевую изомеризацию алкин-аллен и поддерживают общую реакционную способность.
После тщательной оптимизации было показано, что два катализатора работают полностью совместимо. Полученная двойная система позволила синтезировать ценные виниловые нитрилы с отличным выходом — до 97%. Она также оказалась совместимой со структурно сложными молекулами, включая производные природных продуктов, что подчёркивает её потенциал для более широкого применения в органическом синтезе.
«Контроль селективности и типичная зависимость от дорогостоящих и токсичных катализаторов на основе переходных металлов значительно затрудняют использование гидроцианирования. Здесь мы сообщаем об исключительно региоселективном гидроцианировании непредвзятых алкинов, основанном на катализируемой основанием обратимой изомеризации алкин-аллен и переносе HCN на аллен, катализируемом фосфином», — говорит Засада.
Преимущества метода
Наиболее примечательно, что система без металлов не только высокоселективна, но и удивительно экономична — по оценкам, она примерно в 2500 раз дешевле, чем традиционные методы на основе переходных металлов. Она позволяет избежать образования нежелательных побочных продуктов и устраняет необходимость в длительных этапах очистки, что делает весь процесс значительно более эффективным.
«Методология позволяет эффективно синтезировать виниловые нитрилы (40 примеров) в мягких условиях, достигая отличных выходов, редкой анти-стереоселективности (до 20:1) и широкой толерантности к функциональным группам. По сравнению с традиционными методами на основе ТМ она предлагает превосходную региоселективность, эффективность выхода, значительное снижение затрат и экологические преимущества», — отмечает доктор Лихосыт.
Ещё одно ключевое преимущество метода — его способность переключать региоселективность путём простой замены одного из катализаторов. Исследователи показали, что замена фосфина (PPh₃) на тетрабутиламмоний цианид (TBACN) позволяет селективно формировать дополнительный региоизомер, который недоступен при использовании исходной фосфин-аминной системы.
Доктор Лихосыт отмечает: «Контроль региоселективности имеет решающее значение для практической полезности методологий гидрофункционализации, но доступ к обоим региоизомерам с помощью стратегии региодивергентного синтеза также имеет большое значение. Таким образом, мы исследовали потенциал переключения региоселективности двойной каталитической системы для эксклюзивного получения дополнительного изомера, который недоступен при использовании фосфин-аминной каталитической системы».
Этот прорыв не ограничивается одним лишь гидроцианированием. Он демонстрирует общий принцип, который может быть применён к другим реакциям гидрофункционализации — ключевым превращениям в органической химии, где атом водорода и функциональная группа добавляются через двойную связь.
Успех этой стратегии с двойным катализатором без использования металлов показывает, что селективность может быть достигнута без использования переходных металлов, с использованием только хорошо подобранных комбинаций простых органических катализаторов. Это открывает новые возможности для разработки более чистых, более селективных и доступных методов создания сложных молекул — как в академических исследованиях, так и в промышленном применении.