Российские ученые нашли «переключатель» для ключевой химической реакции

Создание различных молекул, включая лекарства, требует точного взаимодействия компонентов, чтобы обеспечить образование нужного вещества. Так, например, важным процессом в фармакологии, агрохимии и окрашивании тканей является реакция арилирования. Она заключается в присоединении ароматического компонента к органическому соединению, говорится на сайте Десятилетия науки и технологий в России.

Обычно для ускорения реакции арилирования применяют соли тяжелых металлов. Процесс синтеза можно сделать более экологически чистым, если применять иодониевые соли, включающие целевой ароматический фрагмент вместе с атомом иода. Такой подход позволяет отказаться от тяжелых металлов, но наличие иода создает риск отклонения реакции по одному из двух возможных направлений. Итогом становится образование смеси из нескольких веществ, нуждающихся в дополнительной очистке и сепарации. Все это повышает временные затраты и удорожает производство.

В поисках решения данной проблемы химики интенсивно разрабатывают новые реагенты, способные обеспечить эффективное проведение процесса арилирования. Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета сосредоточились на изучении легких аналогов иодониевых солей — хлорониевых и бромониевых соединений. Они провели серию модельных реакций арилирования морфолина. Это важное промышленное соединение, часто применяемое в органических синтезах.

При введении исключительно хлорониевой либо бромониевой соли к исходному веществу результатом превращения стала смесь двух изомеров — структурных вариантов молекулы. Эти две формы, известные как орто- и мета-изомеры, различались положением морфолина относительно ароматического кольца. Орто-изомер превалировал над мета-изомером примерно втрое.

Далее специалисты добавили в реакционный раствор соль, содержащую анион фтора. Фторид-анион способен изменять распределение электронной плотности внутри реагирующих компонентов, влияя таким образом на их активность. Под действием фторида соотношение продуктов стало обратным: доля мета-изомера составила около 80%, а орто-изомера — порядка 20%. Авторы также проверили влияние добавок с другими галогенами — бромом и хлором, но они оказывали значительно меньший эффект, изменяя пропорцию изомеров лишь на 1−8%.

Исследование отечественных химиков показало, что введенные вещества существенно воздействуют на скорость протекания реакции. Так, при применении хлорониевой соли хлоросодержащая добавка повышала ее скорость на 60%, в то время как при использовании бромониевой соли любые дополнительные компоненты снижали темп реакции.

Ученые прибегли к компьютерному моделированию, чтобы выявить механизм наблюдаемого явления. Выяснилось, что анионы галогенов, содержащиеся в используемых добавках, оказывают разное воздействие на хлор и бром, входящие в состав соответствующих солей. В частности, в случае хлорониевой соли они способствуют такому распределению электронной плотности, которое облегчает разрыв химической связи, объединяющей атомы. За счет этого реакция протекает быстрее. Напротив, при участии бромониевой соли перераспределение электронов вызывает обратный эффект, затрудняя реакцию.

«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», — заключает доцент кафедры физической органической химии СПбГУ Дмитрий Болотин.

Ранее химики воссоздали первый этап возникновения жизни в лаборатории.