НОБЕЛОВА НАГРАДА

Нобелова награда

по химия за 2010 г.

Резюме на официалния материал на Нобеловата фондация

 

Галина Сачанска

Нов Български Университет,  2011

 

Катализирани от Паладий кръстосани свързвания

 при органичната синтеза

 

Трима учени поделят Нобеловата награда по Химия за 2010 – Професор Ричард Хек, който работи в Университета в Делауеър, НюАрк, САЩ; Професор И-Ичи Негиши от Университета Пърдю, Западен Лафайет, Индиана, САЩ и Професор емеритус Акира Сузуки, от Университета Хокайдо, Сапоро, Япония. Кралската Шведска Академия удостоява с Нобелова награда тримата учени за: „Катализирани от Паладий кръстосани свързвания при органичната синтеза”.

Откритието на тримата учени има голямо значение за академичната наука, за разработването на нови лекарства и материали и е използвано при множество индустриални химични процеси за синтезата на фармацевтични продукти и биологично-активни вещества.

 

Въведение

През 2010 г. Нобеловата награда по Химия е сързана  с разработването на методи за катализирано от Паладий образуване на нови въглерод-въглеродни връзки чрез т. нар. реакции на кръстосано свързване. Образуването на въглерод-въглеродни връзки е от основно значение в Органичната химия и е предпоставка за съществуването на живота на Земята.

Чрез подреждането на въглеродните атоми във вериги могат да се образуват молекулите на живота. В тази област и по-рано са присъждани Нобелови награди по Химия – през 1912 г. – за реакцията на Гриняр, през 1950 г. – за реакцията на Нилс-Алдер, през 1979 г. – за за реакцията на Витиг и през 2005 г – за олефиновата метатеза на Шувен, Груб и Шрок.

Преходните метали в Органичната химия

През втората половина на 20-ти век, преходните метали започват да играят важна роля в Органичната химия, което води до въвеждането на множество метало-катализирани реакции при образуването на органичните молекули. Преходните метали имат уникалната способност да активират редица органични вещества и чрез това активиране могат да катализират създаването на нови връзки.

Един от металите, който е използван за каталитични органични трансформации е паладия. Едно събитие, което стимулира изследванията на паладия в органичната химия е откритието, че етиленът се оксидира до ацеталдехид от въздуха при катализирана от паладий реакция и това се превръща във важния за производството Уейкър-процес. През 2005 г. Нобеловата награда по Химия беше присъдена за катализирани от метали реакции и образуване на двойни химични връзки. През 2010 г. Наградата се връчва за образуването на прости въглерод-въглерод химични връзки, катализирани от паладий.

Образуване на катализирани от Паладий въглерод-въглеродни връзки чрез кръстосано свързване

Принципът на паладий-катализираните кръстосани свързвания е, че две молекули се свързват върху метала чрез образуването на метал-въглеродна връзка. По този начин въглеродните атоми, свързани с паладиевия атом са разположени много близо един до друг. През следващата стъпка те се свързват помежду си и това води до образуването на нова проста въглерод-въглеродна връзка.

 

Фиг. 1 Реакции на кръстосано свързване с помощта на Паладий (по Nobel prize Foundation)

И двата типа реакции се катализират от паладий, нулева валентност и в тях участват органохалидни съединения, с електрофилна природа. При първата реакция това е олефинът, а при втората – органометални съединения. Реакцията започва с образуването на органопаладиев комплекс – RPdX.

Пионерската работа на Хек върху кръстосаното свързване с помощта на олефин

През 1968 г. Хек описва в няколко публикации, че in situ образуваните метил- и фенилпаладиеви халиди са прибавени към олефини при стайна температура. Добавянето на фенил паладиев хлорид (PhPdCl) към етилена, последвано от отделянето на паладия, води до образуването на стирен.

 

Фиг. 2 Образуване на стирен с помощта на паладий

Чрез това свое откритие Хек моделира безпрецедентна химична реакция – арилиране (или алкилиране) на олефина. Тази реакция придобива изключителна популярност при изграждането на прости въглерод-въглеродни връзки. По време на тези ранни експерименти органопаладиевото съединение (RPdX) е било образувано от органоживачно съедиение (RHgX) и от сол на паладий (II).

През 1972 г. Хек прави важна модификация на тази реакция, която повишава нейното използване при синтетичните реакции. При новата реакция, която се превръща в стандартен протокол за реакцията на Хек, органопаладиевия комплекс RPdX се получава от органохалид RX и паладий  (0) при т. нар. оксидативно добавяне.

Разработване от Негиши на кристосано свързване при меки условия

Образуване на въглерод-въглеродна връзка чрез мед-катализирано свързване между метилмагнезиев бромид и метилйодид е описано през 1952 г от Гилман. Тези реакции с участието на мед са подробно изучени през 60-те години на 20-ти век. През 1972 г. групите на Кориу и Кумада използват като катализатор съединения на никела.

През 1972 г. Негиши започва серия от изследвания, като изследва по- хемоселективни органометални видове съединения при паладий-катализираното кръстосано свързване. В първите си изследвания Негиши изолзва органоцирконий и органоалуминий като свързващи агенти. Пробивът става през 1977 г., когато Негиши въвежда органоцинкови съединения като нуклеофилни агенти в паладий-катализираните кръстосани свързвания. Органоцинковите съединения дават много висок добив в сравнение с останалите органометални съединения, те са високоселективни, а реакцията протича при меки условия. Освен това, използването на органоцинкови съединения в паладии-катализираното кръстосано свързване е предпоставка за наличието на много реактивоспособни функционални групи. Новата реакция на Негиши се превръща във важен метод за образуване на прости въглерод-въглеродни връзки.

 

Фиг. 3 Реакция на Негиши

 

Откритието на Сузуки

През 1979 г. Сузуки и сътр. описват в две свои публикации, че в пръсъствие на основа органоборни съединения са способни да участват като свързващи агенти в паладий-катализираните кръстосани свързвания с винил и арилхалиди.

 

Фиг. 4 Реакция на Сузуки

Стабилността и слабата нуклеофилна природа на органоборните съединения придават на тази реакция важно значение - в нея участват голям брой функционални групи и тя е високо селективна. Освен това, борните съединения по принцип са нетоксични и реакцията може да протича при меки условия.

 

Приложение на паладий-катализираното кръстосано свързване

Разработените от Хек, Негиши и Сузуки реакции за паладий-катализирани кръстосани свързвания намират широко приложение в синтетичната органична химия и се имат много приложения в насочената химическа синтеза. Тези реакции се използват и при синтезата на много природни продукти и биологично-активни вещества.

Реакцията на Хек  е използвана при синтезата на повече от 100 различни природни продукти и биологично-активни вещества, например при синтезата на Taxol – лекарствено вещество, използвано при химиотерапията на рака (фиг. 5).

 

Фиг. 5 Синтеза на антитуморния химиотерапевтик Taxol (По Nobel Prize Foundation)

 

При този процес реакцията на Хек е използвана за синтезата на 8-ленна пръстеновидна структура. По подобен начин тази реакция се използва и при синтезата на морфин (фиг. 6).

 

 

Фиг. 6 Синтеза на морфин (По Nobel Prize Foundation)

 

Реакциата на Хек се прилага и при много синтетични процеси за получаването на стероиди, стрихнин и дитерпеновата скопадулова киселина, която проявява антитуморно действие.

Реакциите на Негиши и Сузуки са също често използвани при синтезата на природни продукти. Pumilotaxin A е токсичен алкалоид, изолирано от кожа на жаба от сем. Dendrobatidae. Жабите използват този алкалоид при своята защита.

 

Фиг. 7 Синтеза на Pumilotaxin A по реакцията на Негиши-Сузуки (По Nobel Prize Foundation)

Реакциите на Негиши и Сузуки се използват при и при синтезата на природното вещество с антитуморна активност (+) – Dinemicin A, на противовирусния препарат, изолиран от морски хабитат – Hennoxazole A и бромо-индолния алкалоид Dragmacidin F.

 

 

 

 

 

 

Литература

1.     Nobel Prize Foundation

обратно нагоре