Умный катализатор решил химическую задачу, не поддававшуюся десятилетиями

Художественная иллюстрация алкильного кетильного радикала, генерируемого одноэлектронным восстановлением с палладиевым катализатором. Автор: WPI-ICReDD, Университет Хоккайдо

Кетоны встречаются повсеместно в органических молекулах, поэтому химики стремятся создавать новые реакции, которые используют их для формирования химических связей. Одна реакция, которая оставалась особенно сложной, — это одноэлектронное восстановление кетонов, необходимое для генерации кетильных радикалов. Эти радикалы являются высокополезными промежуточными продуктами в синтезе природных соединений и фармацевтических исследованиях, однако большинство доступных методик разработаны для арилкетонов, а не для более простых алкилкетонов. Хотя алкилкетоны встречаются гораздо чаще, они по своей природе труднее поддаются восстановлению, чем их арильные аналоги. Столкнувшись с этой проблемой, команда органиков и вычислительных химиков из WPI-ICReDD в Университете Хоккайдо разработала каталитическую стратегию, которая наконец позволяет получать алкильные кетильные радикалы. Исследование опубликовано в «Journal of the American Chemical Society» в открытом доступе.

В предыдущей работе ученые из WPI-ICReDD показали, что палладиевый катализатор в паре с фосфиновыми лигандами может запускать светоактивируемые (реакция, активируемая светом) превращения арилкетонов, но та же система не работала для алкилкетонов. Их данные указывали на то, что алкильные кетильные радикалы всё же ненадолго образуются. Однако эти радикалы немедленно возвращали электрон палладиевому центру — явление, известное как обратный перенос электрона (BET), — прежде чем могла протекать какая-либо полезная реакция. В результате исходный материал оставался неизменным.

Подобно традиционному палладиевому катализу, поведение фотовозбужденных палладиевых катализаторов сильно зависит от фосфинового лиганда, присоединенного к металлу. Команда предположила, что выбор правильного лиганда может разблокировать реакционную способность с алкилкетонами. Сложность заключалась в масштабе: существуют тысячи фосфиновых лигандов, и экспериментальный скрининг их для неизученной реакции был бы медленным, трудоемким и создавал бы ненужные химические отходы.

Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи обратились к вычислительной химии, чтобы сузить круг кандидатов в лиганды. Они использовали подход «Виртуальный скрининг с помощью лигандов» (VLAS), разработанный доцентом Ватару Мацуокой и профессором Сатоси Маэдой в WPI-ICReDD. Применив VLAS к 38 фосфиновым лигандам, метод создал тепловую карту, которая предсказывала, насколько хорошо каждый лиганд может способствовать желаемой реакционной способности, анализируя электронные и стерические свойства.

Руководствуясь этими предсказаниями, команда отобрала три лиганда для лабораторных испытаний и в конечном итоге определила L4 как наиболее эффективный вариант — трис(4-метоксифенил)фосфин (P(p-OMe-C₆H₄)₃). Этот лиганд успешно подавлял BET, позволяя алкилкетонам генерировать кетильные радикалы и участвовать в высокоэффективных превращениях.

Полученный метод предоставляет химикам доступный способ работы с алкильными кетильными радикалами и демонстрирует, как VLAS может быстро направлять разработку и оптимизацию новых химических реакций.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Хоккайдо.

Косаку Танака, Рэн Ямада, Суванкар Деббарма, Ватару Канна, Хироки Хаяши, Ватару Мацуока, Сатоси Маэда, Цуёси Мита. Виртуальный скрининг с помощью лигандов для генерации кетильных радикалов из алкилкетонов с помощью фото-возбужденного палладиевого катализа. Journal of the American Chemical Society, 2025; 147 (43): 39640 DOI: 10.1021/jacs.5c13115