Projekti / Programi
Redefinicija in razširitev uporabe Sonogashirove reakcije pripajanja brez bakra
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P395 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kemija organokovinskih spojin |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.04 |
Naravoslovne vede |
Kemija |
Sinteza; kataliza; Sonogashirovo pripajanje; tvorba vezi C-C; organokovinske spojine; reakcijski mehanizem; zelena kemija
Raziskovalci (12)
Organizacije (2)
Povzetek
Osrednji cilj projekta je potrditev novega mehanističniga predloga za Sonogashirovo reakcijo, ki poteka brez uporabe bakra. V primerjavi z do sedaj uveljavljenim reakcijskim potekom bodo rezultati projekta razširili trenutna dognanja kemijske srenje z ugotovitvami, ki so precej drugačna od trenutno sprejetih. Nova mehanistična spoznanja bo mogoče neposredno vključiti v razvoj in izboljšanje reakcijskih pogojev za Sonogashirovo pripajanje brez bakra.
V sklopu predloženega raziskovalnega projekta bomo v skladu z ustrezno pripravljenim načrtom izvedli eksperimente, s katerimi bomo na nedvomen način ovrednotili mehanistične predpostavke. S kombinacijo in povezovanjem sodobnih instrumentalnih tehnik za spremljanje katalitskih procesov bomo dobili ustrezen vpogled v reakcijski mehanizem. Dobljene eksperimentalne rezultate bomo primerjali s tistimi iz teoretičnih študij z uporabo DFT izračunov.
Razumevanje reakcijskih mehanizmov je ključnega pomena za razumevanje kemijskih procesov. Omogoča razumsko načrtovanje in optimizacijo reakcijskih pogojev, razširja področje uporabnih substratov in hkrati vodi do boljših izkoristkov kemijskih reakcij. Posledično bodo rezultati raziskovalnega projekta obudili in razširili uporabo Sonogashirove reakcije pripajanja brez bakra tako na področju akademije kot industrije. Poleg zniževanja stroškov izhodnih surovin zaradi uporabe cenejših aril kloridov in manjše količine potrebnih pred-katalizatorjev, bo manjša tudi emisija stranskih produktov in problematičnih odpadkov. Tako bo izboljšan trajnostni vidik Sonogashirovega pripajanja brez bakra, saj bo reakcija potekala pri sobni temperaturi, na zraku ter z uporabo ekološko bolj sprejemljivih topil, med drugim tudi v vodi. Eksperimenti bodo za potrditev koncepta reakcijskega mehanizma izvajani na laboratorijski skali, metode pa bomo nadalje razširili na sintezo intermediatov farmacevtsko zanimivih spojin v več-gramski količini.
Pomen za razvoj znanosti
Več kot 90% industrijskih procesov za pripravo materialov, vsestransko uporabnih v vsakdanjem življenju, temelji na katalizi. Naraščajoče potrebe razvitega sveta zahtevajo razvoj novih tehnologij in naprednih produktov, kar zahteva razvoj novih in izboljšanih katalitskih sistemov. Skozi pretekla desetletja so s paladijem katalizirane reakcije pripajanja postale univerzalno orodje za tvorbo ogljik-ogljik vezi, kot tudi ogljik-heteroatom vezi, tako na področju akademskih kot industrijskih aplikacij. Na področju reakcij pripajanja se je za tvorbo substituiranih alkinov najbolj uveljavila reakcija med aril oziroma vinil halogenidi ter terminalnimi alkini, znana kot Sonogashirova reakcija pripajanja. Pri originalnem Sonogashirovem postopku so poleg paladijevih katalizatorjev v vlogi ko-katalizatorja uporabljene bakrove(I) soli. Kljub številnim pozitivnim učinkom na potek reakcije pa uporabo bakra v vlogi ko-katalizatorja pri Pd/Cu katalizirani Sonogashirovi reakciji spremljajo tudi nekatere slabosti, kot so npr. uporaba ekološko neprijaznih reagentov, tvorba neželjenih stranskih alkinskih homodimerov in potreba po izključitvi kisika iz reakcijske zmesi. V želji po odpravi teh negativnih plati se je razvila Sonogashirova reakcija pripajanja brez uporabe bakra, znana tudi kot Heck–Cassar pripajanje oziroma alkiniliranje po Hecku. Čeprav so od prve objave Sonogashirove reakcije brez bakra minila že skoraj štiri desetletja, njen mehanizem še zmeraj ni pojasnjen.
V okviru projekta nameravamo potrditi naš predlagani reakcijski mehanizem za Sonogashirovo reakcijo brez bakra, ki se bistveno razlikuje od trenutno sprejetega mehanističnega predloga. Posledično bodo rezultati mehanistične študije pomembno vplivali tudi na razumevanje nekaterih procesov pri drugih reakcijah kataliziranih s kovinami prehoda. Rezultati projekta bodo imeli velik vpliv na nadaljnji razvoj reakcij pripajanja. Razumevanje reakcijskih mehanizmov je ključnega pomena za razumevanje kemijskih procesov. Omogoča razumsko načrtovanje in optimizacijo reakcijskih pogojev, razširja področje uporabnih substratov in hkrati vodi do boljših izkoristkov kemijskih reakcij. Posledično bodo rezultati raziskovalnega projekta obudili in razširili uporabo Sonogashirove reakcije pripajanja brez bakra tako na področju akademije kot industrije. Poleg zniževanja stroškov izhodnih surovin, zaradi uporabe cenejših aril kloridov, in manjše količine potrebnih pred-katalizatorjev, bo manjša tudi proizvodnja stranskih produktov in problematičnih odpadkov. Tako bo izboljšan trajnostni vidik Sonogashirovega pripajanja brez bakra, saj bo reakcija potekala pri sobni temperaturi, na zraku ter z uporabo ekološko bolj sprejemljivih topil, kot je to na primer voda.
Pomen za razvoj Slovenije
More than 90% of industrial processes for preparing various materials for everyday use are based on catalysis. The increased demands of modern world for better technologies and advanced products require unrestrained progress in development of new and advanced catalytic systems. Over recent decades, palladium-catalysed cross-coupling reactions have gained an enormous power in the art of synthetic organic chemistry by providing a fundamental tool for the formation of a carbon–carbon bond, as well as carbon-heteroatom bond, in many relevant academic and industrial applications. In the array of cross-couplings the Sonogashira reaction, the reaction between aryl or vinyl halides and terminal alkynes, has become the most general, reliable, and effective method for preparation of substituted alkynes. The original Sonogashira reaction requires a copper(I) salt as a co-catalyst in combination with the palladium source. Although beneficial for the effectiveness, the usage of copper as a co-catalyst in Pd/Cu catalyzed Sonogashira reaction entails several drawbacks including the application of environmentally unfriendly reagents, the formation of undesirable alkyne homocoupling side products, and the necessity of strict oxygen exclusion in the reaction mixture. Efforts to overcome these unsought circumstances have led to developments in the field of copper-free Sonogashira reaction, also known as the Heck–Cassar coupling or Heck alkynylation. Although the first report on the copper-free Sonogashira reaction dates more than four decades ago, its mechanism remains elusive.
Within the framework of this project we aim to provide the chemical community with a revised mechanism of the copper-free Sonogahsira reaction that is substantially different from the currently accepted “textbook” variant. Hence, the results from the mechanistic study will importantly influence the understanding of some other processes in transition-metal catalyzed reactions, which will have a large impact on future development of cross-coupling reactions in general. As only precise understanding of the reaction mechanism allows the rational design of reaction conditions, improving the scope and the yields of the products, the results of this research project will finally revive the preparative copper-free Sonogashira reaction, both, in academy and industry. Not only that we expect cutting down on starting materials and pre-catalysts cost, and reducing problematic wastes, the copper-free Sonogashira reaction will become available under considerably more sustainable reaction conditions, including the use of water as a solvent, aryl chlorides as substrates, and no need for heath or air-exclusion protocols.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
