Концептуальная иллюстрация, демонстрирующая метод исследования, сочетающий вычислительные расчёты и химию. Источник: WPI-ICReDD, Университет Хоккайдо

Фотоактивированные кетоны обладают высоким потенциалом в качестве фотокатализаторов переноса водорода атома, что позволяет активировать карбоновые кислоты и образовывать новые связи C–C, C–S и C–Cl.

Карбоновые кислоты являются распространёнными компонентами биологически активных соединений и широко используются в качестве строительных блоков в органическом синтезе. При превращении в карбоксильные радикалы эти кислоты могут инициировать образование ценных углерод-углеродных и углерод-гетероатомных связей, что является ключевым этапом в создании новых материалов и фармацевтических препаратов. Несмотря на их полезность, лишь немногие из существующих методов используют экономичные катализаторы.

Чтобы восполнить этот пробел, команда из WPI-ICReDD и Университета Сидзуока разработала простую стратегию переноса атомов водорода (HAT), которая позволяет избирательно преобразовывать карбоновые кислоты в карбоксильные радикалы. В этом методе в качестве фотокатализатора используется ксантон — коммерчески доступный и недорогой органический кетон. Исследование было недавно опубликовано в Журнале Американского химического общества.

HAT-фотокатализ основан на извлечении атома водорода из субстрата с образованием реакционноспособного радикала. Кетоны особенно хорошо подходят для этого процесса из-за их доступности и установленной роли в HAT-фотокатализе. Однако воздействие на связь O–H в карбоновых кислотах представляет собой сложную задачу, поскольку она обычно прочнее соседних связей C–H.

Экспериментальная проверка селективного фотокаталитического HAT с использованием ксантона. Источник: WPI-ICReDD, Университет Хоккайдо

Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали метод реакции, индуцированной искусственной силой (AFIR), — вычислительный инструмент, разработанный в ICReDD. Этот анализ показал, что ксантон может эффективно способствовать селективной активации связи O–H, что делает его подходящим кандидатом для точного генерирования радикалов в таких системах.

Водородные связи повышают селективность

Расчётный анализ показал, что ксантон обладает почти одинаковыми энергетическими барьерами для активации связей O–H и C–H в молекулах карбоновых кислот. Такое соотношение говорит о том, что водородные связи могут играть ключевую роль в определении того, какая связь будет активирована в первую очередь. Водородные связи — это притяжение между атомами водорода и кислорода (как показано выше), которое не возникает между атомами водорода и углерода. Они отличаются от ковалентных связей.

Иллюстрация сотрудничества между Университетом Сидзуока и WPI-ICReDD. Источник: Хитоми Кацуяма

Экспериментальные результаты подтвердили прогнозы, сделанные на основе анализа ИК-спектра, и подчеркнули важность водородных связей для селективной активации связей O–H.

Этот метод обеспечивает высокий коэффициент селективности, превышающий 10:1 в пользу расщепления связи O–H. В зависимости от конкретного субстрата реакция протекает либо по пути декарбоксилирования, либо по пути бензильной функционализации. Ксантон обладает широкой субстратной толерантностью и позволяет образовывать различные связи (C–C, C–Cl и C–S), демонстрируя свою универсальность в более чем 40 различных реакциях.

Сверху: селективное восстановление связи O–H карбоновых кислот с помощью фотокатализаторов на основе кетонов. Снизу: прогнозирование путей реакции между ксантоном и карбоновыми кислотами. Источник: WPI-ICReDD, Университет Хоккайдо

Исследователи отмечают высокую точность прогнозирования AFIR

«Сотрудничество с командой из Сидзуоки в области изучения нового способа активации карбоновых кислот с помощью вычислительных методов было отличным опытом. Для меня особенно важно, что метод AFIR продемонстрировал свою полезность в качестве инструмента прогнозирования за пределами ICReDD. Я надеюсь, что эта вычислительная стратегия будет и дальше способствовать новым достижениям в области разработки реакций», — сказал доцент Хироки Хаяси из WPI-ICReDD в Университете Хоккайдо.

(Слева направо) Кэндзи Ямасита, Хаятэ Сано, Юки Гото, Ёситака Хамасима (Университет Сидзуока) и Хироки Хаяси (WPI-ICReDD) из исследовательской группы. Фото: Университет Сидзуока и WPI-ICReDD при Университете Хоккайдо

“Для меня большая честь сотрудничать с доцентом Хироки Хаяси в этой работе. Объединив экспериментальный и вычислительный подходы, мы успешно открыли новый метод фотокатализа кетонов. Этот проект заставил меня по-настоящему оценить мощь метода AFIR в прогнозировании путей реакции. Я надеюсь, что наши результаты откроют новые возможности для борьбы с разновидностями высокореактивных радикалов”, - сказал доцент Кендзи Ямасита из Университета Сидзуоки.

Эта новая методика недорога и образует минимальное количество отходов, что делает её доступной для разработки фармацевтических препаратов и материалов. Кроме того, фотокаталитический механизм этого метода перспективен для получения не только карбоксильных радикалов, но и других радикалов.

Ссылка: «Прямое образование карбоксильных радикалов из карбоновых кислот, катализируемое фотоактивированными кетонами», Кендзи Ямасита, Хаятэ Сано, Юки Гото, Хироки Хаяси и Ёситака Хамасима, 2 июля 2025 г., Журнал Американского химического общества. DOI: 10.1021/jacs.5c04571

Источник: SciTechDaily