Туннельный эффект помог провести радикальные химические реакции

Химики научились проводить радикальные реакции без использования токсичных реагентов на основе олова и кремния. Им это удалось благодаря туннельному эффекту, который позволил радикальной реакции с большим кинетическим барьером идти с высокой скоростью. Исследование опубликовано Science.

Реакции в органической химии часто делят на классы, в зависимости от того, какие неустойчивые частицы образуются в ходе реакции — анионы, катионы или радикалы. В радикальных реакциях образуются частицы, в которых на одном или нескольких атомах есть неспаренные электроны. Такие частицы часто неустойчивы и легко реагируют, например, с галогенорганическими соединениями, отрывая атом галогена от атома углерода. Также они могут вступать в реакции циклизации с двойными и тройными связями углерод-углерод и углерод-гетероатом.

Обычно для проведения радикальных реакций химики используют токсичные соединения на основе олова или кремния, которые легко образуют радикалы — частицы с неспаренными электронами. И если для исследований в области органической химии такие методы вполне подходят, для медицинской химии они неудобны — вещества после реакции приходится дополнительно очищать от токсичных примесей. Поэтому ученые ищут способы генерации реакционноспособных радикалов из органических молекул, не содержащих олова или кремния.

Один из таких способов нашли Тимоте Константин (Timothée Constantin) из Манчестерского университета и его коллеги из Великобритании, Германии, Испании и Франции. Они исследовали реакции, в которых какой-либо радикал, обычно трибутилстаннильный •SnBu₃ или триметилсилильный •SiMe₃, отрывает атом галогена или группу атомов от атома углерода. И в процессе компьютерного моделирования этих реакций ученые обнаружили, что вместо радикалов на основе олова или кремния в них можно использовать простейший радикал на основе водорода •H (по сути он представляет собой свободный атом водорода).

Сгенерировать такой радикал химики решили из гамма-терпинена — компонента природных эфирных масел. В этом соединении две двойные связи расположены в шестичленном углеродном цикле, и всего одной двойной связи не хватает для образования устойчивой ароматической системы. Поэтому авторы статьи предположили, что гамма-терпинен в условиях облучения с фотокатализатором будет образовывать радикал, способный перегруппировываться с выбросом радикала •H, который и будет участвовать в реакции дегалогенирования.

Чтобы проверить свою гипотезу, химики взяли бромзамещенный пиперидин, смешали его с гамма-терпиненом, фотокатализатором, хлоридом натрия и облучили реакционную смесь синим светом. По окончании реакции им удалось выделить продукт дегалогенирования с количественным выходом. С другими иод-, хлор-, и бромпроизводными реакция тоже шла хорошо. Азиды в аналогичных условиях превращались в амины, а соединения с кратными связями, как им и положено, вступали в радикальные реакции циклизации.

Далее ученые решили исследовать механизм открытой реакции. Они взяли циклогексадиен — он выступал как более простая замена гамма-терпинену — и смешали его с разными галогенорганическими соединениями. Дальше химики измерили константы скорости реакции распада радикала, образовавшегося из циклогексадиена. Выяснилось, что в отличие от аналогичных экспериментов с кремниевыми радикалами, константа скорости не зависела ни от типа субстрата, ни от температуры реакции.

Удивленные такими результатами, химики провели компьютерное моделирование процесса. Оно показало, что образование «голого» радикала •H энергетически невыгодно, и так, как предполагали химики, реакция идти не может. С другой стороны, самым энергетически выгодным оказался синхронный процесс, в котором образование радикала и дегалогенирование происходят одновременно. Но с ним тоже была проблема — из-за высокого кинетического барьера в 15 килокалорий на моль такая реакция шла бы очень медленно, а это не согласовывалось с экспериментом.

Тогда химики предположили, что барьер помогает преодолеть туннельный эффект — радикал •H не преодолевает кинетический барьер, а проходит сквозь него. Это предположение удалось подтвердить с помощью измерения кинетического изотопного эффекта. Оно показало, что если использовать для реакции дейтерированный циклогексадиен, то реакция идет в 20 раз хуже. А такое замедление обычно характерно именно для реакций, включающих туннелирование — тяжелому дейтерию намного труднее проходить сквозь барьер.

В результате исследователи разработали удобный способ проведения радикальных реакций без использования токсичных реагентов и выяснили механизм открытой реакции. Они считают, что их работа позволит найти новые химические реакции, способные идти благодаря квантовым эффектам.

Туннелирование позволяет проводить не только радикальные реакции. Например, мы уже рассказывали о том, что механизм некоторых реакций таутомеризации тоже включает туннелирование водорода.

Михаил Бойм