Электричество и свет помогли химикам разорвать углерод-водородную связь дважды

Химики смогли дважды заменить водород на азот в производных этилбензола. Для этого они использовали катализатор, который начинает работать после возбуждения светом и электрическим током. Метод, описанный в Science, поможет проще получать полезные биохимические молекулы.

Химические реакции, способные выборочно разорвать связь углерод-водород и заменить последний на функциональную группу или атом, сравнительно недавно стали популярным направлением органического синтеза. Их принято называть реакциями CH-активации. Несмотря на то, что единичные примеры таких реакций были известны давно, их применимость страдала из-за отсутствия селективности и высокой чувствительности к функциональным группам. Тем не менее реакции этого типа могут сильно упростить получение сложных молекул, особенно биохимических. Особенный интерес в этом направлении вызывают реакции с образованием связи углерод-азот. Это связано с тем, что азот очень часто встречается в биологически активных молекулах и обуславливает их биологическую активность. И, хотя разработано множество методов введения азота в молекулу, большинство из них позволяет сделать это только один раз. При этом многие синтетические задачи требуют введения нескольких азотсодержащих фрагментов. Сложность еще заключается в том, что введение функциональных групп в молекулу зачастую деактивирует соседние положения, что сильно затрудняет возможные манипуляции с ними. На сегодняшний день известно всего несколько подходов к многократной CH-активации.

Одной из перспективных стратегий для проведения CH-активации является использование электрофотокатализа. Этот процесс заключается в ионизации молекулы катализатора с помощью электродов, полученный ион дополнительно возбуждается с помощью источника света. Полученная частица представляет собой очень эффективный окислитель и помогает оторвать атом водорода от исходной молекулы. Отдав на это энергию своего возбуждения, катализатор возвращается в исходное состояние и повторяет цикл. На роль катализатора отлично подходят катионы производных циклопропана. Чтобы сделать такой катион более стабильным, в его структуру вводятся объемные заместители, чтобы закрыть его от внешней среды. Часто эти заместители содержат атомы азота, у которых есть избыточная электронная плотность и они частично компенсируют положительный заряд самого катиона. За счет этого он становится более стабильным.

Тао Шену (Tao Shen) и Тристану Ламберту (Tristan Lambert) из Корнелльского университета удалось добиться двойной CH-активации на примере производных этилбензола. Для этого они использовали электролитическую ячейку, источник видимого белого света, восемь процентов трисаминоциклопропана (TAC) и тетрафтороборат триэтиламмония в качестве электролита, для создания электрической проводимости. В качестве растворителя использовали ацетонитрил. Он же служил вторым реагентом и источником азота в реакции. Реакционная смесь облучалась с помощью источника белого света.

Исходное вещество и трисаминоциклопан поместили в анодную камеру. Там же и происходила двойная CH-активация. Остальные компоненты были равномерно распределены по всему объему реакционной смеси. В катодной камере при этом происходило выделение водорода. Благодаря пространственному разделению катодной и анодной камер, водород никак не мешал прохождению реакции. С использованием этого метода, ученым удалось получить продукты двойной CH-активации, которые не получаются в отсутствие катализатора или источника света. Также желаемые продукты не получаются, если использовать другие катализаторы-окислители: пероксодисульфат калия, пероксимоносульфат калия, ди-трет-бутилпероксид и другие.

В результате химики получили ряд производных имидазола, которые являются продуктами вицинального присоединения, то есть присоединения к соседним атомам углерода. Причем реакция хорошо воспроизводится с различными заместителями, как в ароматическом кольце, так и в боковой цепи. Авторы отмечают, что даже если в боковой цепи бензола больше, чем два углерода, присоединение все равно происходит в первое и второе положение от ароматического кольца. При отсутствии в первом положении заместителя, в реакции получается два изомера. Это происходит из-за того, что в отсутствие препятствий, получающийся имидазольный фрагмент может развернуться на 180 градусов.

При попытке заменить электролит (тетрафтороборат триэтиламмония) на перхлорат лития, наблюдался интересный эффект: вместо производных имидазола получались производные азиридина. Химики предполагают, что перхлорат-ион влияет на устойчивость промежуточных продуктов и вторая молекула ацетонитрила просто не успевает присоединиться, что приводит к замыканию цикла на одном атоме азота и образованию трехчленного цикла.

Разработанный химиками подход, позволит в будущем легче получать различные биологически активные молекулы. Среди уже полученных продуктов есть производная целекоксиба — действующего вещества препарата Celebrex и производные антагонистов некоторых рецепторов.

Селективная замена атома водорода без промежуточных стадий в органических соединениях — это очень популярная и актуальная проблема. Возможно разработанные методы позволят не только получить новые классы веществ или упростить получение уже известных, но и сильно удешевить эти процессы. Например, недавно химики научились селективно заменять атом водорода на функциональный борсодержащий фрагмент.

Егор Длин