Углекислый газ выступил катализатором получения амидов

Группа химиков из Дании и Италии разработала каталитическую реакцию переамидирования в присутствии углекислого газа. Она позволила трансформировать одни амиды в другие без использования высоких температур, переходных металлов или активирующих групп. Кинетические исследования и компьютерные расчеты подтвердили каталитическую роль углекислого газа. Работа опубликована в The Journal of Organic Chemistry.

Получение амидов из карбоновых кислот и аминов остается самой часто используемой реакцией в синтезе лекарственных препаратов. Новые методы ее проведения открываются по сей день. Однако распространенность амидов в лабораторной практике и химической промышленности побуждает ученых искать другие методы их синтеза. Реакция переамидирования — один из таких давно известных, но значительно реже применяемых методов. В ней один амид реагирует с амином, превращаясь в другой амид.

Реакция переамидирования не применяется так же часто, как реакция сочетания аминов и кислот. Из-за высокой стабильности амидной связи, исходный амид, как правило, слишком устойчив, чтобы вступать в реакцию без дополнительных стимулов. Разные варианты проведения этого превращения были опробованы в последние годы, однако все они не обходились либо без температруы выше 100 градусов Цельсия, либо без дорогих и неэкологичных реагентов и катализаторов.

Жанлука Чианкалеоне (Gianluca Ciancaleoni) из Университета Пизы вместе с Джи-Вунг Ли (Ji-Woong Lee) из Университета Копенгагена и группой химиков нашли способ применить дешевый и не оставляющий загрязнений углекислый газ в качестве катализатора переамидирования. Ученые знали о попытках использовать углекислый газ в аналогичных каталитических реакциях, включающих атаку нуклеофила по карбонильной группе, и решили попробовать ввести его в переамидирование. Они выбрали модельную реакцию с первичным амидом и оптимизировали условия, причем каждую реакцию провели два раза: в присутствии одной атмосферы углекислого газа и одной атмосферы азота. Это было необходимо для выявления условий с максимальной каталитической активностью. Оказалось, что практически в любых условиях углекислый газ облегчает протекание реакции. В качестве растворителей авторы выбрали диоксан и толуол.

Затем химики провели эксперименты с разными исходными первичными амидами и различными аминами, таким образом показав возможность применения метода для сильно различающихся субстратов. Однако реакции с ароматическими амидами протекали с очень низкими выходами, что побудило химиков продолжить оптимизацию условий. Им было известно, что так называемые амиды Вайнреба широко используются в реакциях присоединения по карбонильной группе, и они решили использовать их вместо исходных первичных амидов. Оказалось, что ароматические амиды Вайнреба реагируют намного лучше первичных ароматических амидов.

Разработав методику, ученые решили провести исследование механизма реакции для доказательства каталитической роли углекислого газа. Они построили зависимость логарифма конверсии реакции через 4 часа ее проведения от логарифма исходной концентрации углекислого газа. Зависимость оказалась линейной, таким образом, была подтверждена его каталитическая роль. Затем ученые провели компьютерные расчеты, показавшие, что предложенные ими переходные состояния реакции имеют меньшую энергию, чем классические переходные состояния для переамидирования, что и объяснило каталитическую активность. Несмотря на убедительность экспериментов и расчетов, химики дополнительно провели реакцию в присутствии солей аммония, чтобы исключить каталитическое действие выделяющегося при реакции с первичными амидами аммиака. Как и следовало ожидать, добавка солей не привела к каталитическому эффекту.

В результате химикам удалось найти и оптимизировать метод переамидирования для первичных амидов и амидов Вайнреба в присутствии углекислого газа. Выходы реакций с амидами Вайнреба варьировались в пределах 33–99 процентов, для большинства реакций превосходя планку в 70 процентов. Также ученые показали эффективность их метода в синтезе 8 аналогов лекарственных препаратов (выходы 25–91 процентов) и доказали каталитическую роль углекислого газа с помощью кинетических исследований и компьютерных расчетов.

В настоящее время углекислый газ успешно применяется и в других областях химии. Например, раньше мы писали о том, как его можно использовать в синтезе углеводородов и дизайне солнечных элементов.

Михаил Бойм