Метан

Одним из самых распространенных ресурсов в энергетике является природный газ. Он также является источником парниковых газов, ввиду его применения, что зачастую заканчивается его сжиганием. Метан, как один из основных составных элементов природного газа, привлекает внимание ученых в качестве потенциального источника полезных химических соединений. Однако из-за его "интровертности", то бишь нежелания вступать в реакции с чем-либо, и чрезвычайной стабильности достичь подобного весьма сложно. Ученые из Университета Сантьяго-де-Компостела (Испания) разработали новый способ превращения природного газа в ценные химические соединения для фармацевтики и других отраслей. Что стало основой данной методики, как именно она работает, и насколько она эффективна? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Эффективное преобразование малых и распространенных молекул в высокоценные продукты имеет первостепенное значение для будущего многих отраслей промышленности. В этом контексте метан, этан и другие газообразные алканы, которые традиционно рассматривались лишь как источник энергии, предлагают захватывающие возможности в качестве экономически привлекательного и экологически чистого сырья для химического синтеза, учитывая их высокое содержание во все более доступном природном газе. Примечательно, что каталитические стратегии, позволяющие преобразовывать эти газообразные алканы в большие объемы химикатов в мягких условиях, имеют большое значение для решения задачи развития экономики, основанной на природном газе (вместо нынешней системы, основанной на нефти), и представляют собой центральную цель для химической промышленности.

Однако, несмотря на высокий потенциал газообразных алканов в качестве экологически чистых, недорогих и экономичных по атомам/стадиям алкилирующих агентов, их низкая реакционная способность и плохая растворимость в обычных органических растворителях создают серьезные проблемы для их использования в органическом синтезе.

Фотокатализ с переносом атома водорода (HAT от hydrogen atom transfer), при котором возбужденное состояние фотокатализатора отщепляет атом водорода от связи C─H алкана с образованием углеродцентрированного радикала, стал мягкой стратегией функционализации C─H связей. Эта технология нашла применение в функционализации газообразных алканов с использованием фотокатализаторов, включающих декавольфраматный анион и хлориды металлов, которые позволяют генерировать радикал хлора посредством фотоиндуцированного переноса заряда от лиганда к металлу (LMCT от ligand-to-metal charge transfer).

Однако большинство этих примеров основаны на алкилировании типа Гиза высокоактивированных акцепторов Михаэля, что приводит к продуктам с ограниченной синтетической применимостью. Учитывая значительные преимущества технологий, позволяющих легко преобразовывать эти распространенные сырьевые материалы в широкий спектр ценных химических веществ, ученые предположили, что еще труднодостижимое C─H аллилирование газообразных алканов будет особенно полезно для достижения этой цели, поскольку введение аллильной группы обеспечивает универсальный синтетический инструмент для дальнейшей модификации (схема ниже).

Изображение №1

Более того, ее повсеместное присутствие в биоактивных соединениях (или промежуточных продуктах) сделает эти превращения очень ценными для медицинской и фармацевтической промышленности. Однако, помимо проблем, связанных с активацией очень прочных алифатических C─H связей и работой с газообразными реагентами, использование простых аллильных субстратов, т. е. аллильных хлоридов, в фотокаталитической функционализации газообразных алканов создает ряд проблем, которые необходимо преодолеть для успешного достижения этой цели (1A). Образование алкильного радикала должно быть кинетически совместимо со стадией аллилирования. Более низкая реакционная способность аллильных хлоридов по сравнению с высокоактивированными акцепторами Михаэля, обычно используемыми в реакциях присоединения Гизе, в сочетании с инертностью C─H-связи газообразных алканов может привести к ситуации, когда алкильные радикалы могут участвовать в альтернативных путях реакции. А именно, при использовании фотокатализатора на основе LMCT, содержащего связи металл-хлорид, конкурирующее хлорирование C─H-связи алканов приведет к деактивации фотокатализатора. В частности, механизм радикального переноса лиганда (RLT от radical ligand transfer), включающий перенос анионной Cl-лигандной группы, координированной к редокс-активному металлу, во внешнюю сферу к алкильному радикальному промежуточному соединению, генерируемому HAT, может привести к образованию связи C-Cl с сопутствующим одноэлектронным восстановлением металлического центра. Более того, хлорный радикал, образующийся в результате присоединения алкильного радикала к аллильному субстрату, может участвовать в нежелательных механизмах распространения цепи, что также может поставить под угрозу регенерацию фотокатализатора.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые показали, как комбинация FeCl₃·6H₂O и коллидина приводит к созданию эффективного катализатора, обеспечивающего общий метод фотокаталитического C─H аллилирования метана, этана, пропана и изобутана. Результаты исследования показывают, как взаимодействие хлорида железа с коллидином ослабляет реакционную способность LMCT и RLT, тем самым подавляя нежелательное хлорирование алканов и обеспечивая эффективное C─H аллилирование. Более того, был показан синтетический потенциал этой трансформации путем простого превращения этих исходных материалов в важные химические вещества и биологически активные соединения.

Результаты исследования

Оптимизация реакции

Ученые начали исследование с изучения реакции между этаном и аллилхлоридом 1 в стандартном стеклянном реакторе высокого давления, используя светодиодную лампу Kessil в качестве источника света. Предварительная оценка различных фотокатализаторов HAT показала, что все предыдущие фотокаталитические системы, используемые при функционализации газообразных алканов, были неэффективны для этой трансформации (таблица №1). Использование декавольфрамат тетрабутиламмония привело к разложению субстрата без образования обнаруживаемого продукта (запись 1 в таблице ниже). Аналогичный результат наблюдался при двойном фоторедокс-катализе медь/декавольфрамат, разработанном для аллилирования C─H жидких алканов (запись 2 в таблице ниже). Практически идентичные результаты были получены с различными галогенидами металлов на основе LMCT, которые давали лишь следовые количества желаемого аллилированного продукта 2 (запись 3–6 в таблице ниже).

Таблица №1

Оценка различных добавок в сочетании с FeCl₃·6H₂O показала, что использование коллидина необходимо для достижения предлагаемой реакции. После оптимизации различных параметров реакции было обнаружено, что желаемый продукт 2 может быть выделен с выходом 70% при использовании комбинации 2 эквивалентов коллидина с 10 мол.% FeCl₃·6H₂O при комнатной температуре под давлением этана 8 бар с использованием светодиодной лампы Kessil мощностью 43 Вт, 370 нм в качестве источника света (запись 7 в таблице выше).

Область применения субстратов

Изображение №2

Установив оптимизированные условия, ученые приступили к изучению области применения этой трансформации (схема выше). Система FeCl₃·6H₂O/коллидин оказалась эффективной для ряда аллильных хлоридов. Арилзамещенные субстраты, содержащие электронно различные заместители в разных положениях ароматического кольца, были соединены с этаном, что позволило получить соответствующие продукты 2-12 с хорошими выходами. Следует отметить, что в случаях, когда полная конверсия не была достигнута, непрореагировавший исходный материал можно было почти полностью восстановить. Реакция показала хорошую совместимость с аллильными субстратами, содержащими алкилзамещенные ароматические кольца (3, 4), в то время как субстраты, содержащие ароматические кольца с электроноакцепторными заместителями, продемонстрировали отличные результаты, обеспечивая получение соответствующих продуктов с почти количественными выходами (5, 6). Функциональные группы, такие как эфиры, содержащие чувствительные α-окси-C─H связи (7-9) или вторичный амид (10), хорошо переносились. Аллильные хлориды, содержащие другие типы заместителей, такие как π-расширенные системы (11-12) или гетероароматическое кольцо (13), также могут быть использованы для эффективного аллилирования этана. Кроме того, диенилхлориды, содержащие как ароматические (14), так и алифатические заместители (15), могут быть использованы с полной селективностью. Примечательно, что, несмотря на наличие более лабильных бензильных или аллильных атомов водорода в субстратах и продуктах, образование побочных продуктов, возникающих в результате функционализации этих положений, не было обнаружено ни в одном случае. Это, вероятно, связано с эффективным режимом газожидкостного обмена, который обеспечивает наличие избытка газообразного алкана, предотвращающего любое нежелательное отщепление атома водорода.

Этот протокол также может быть применен к аллилированию C─H связей пропана, еще одного компонента природного газа и ключевого компонента сжиженного нефтяного газа. При давлении пропана всего в 1 бар этот газообразный алкан может быть эффективно соединен с рядом аллильных хлоридов. Продукты 16-31 были получены с хорошими выходами и с замечательной широкой толерантностью к функциональным группам, хотя и с низкой региоселективностью. Изобутан также был эффективно аллилирован в аналогичных условиях реакции, давая продукты 32-35 с очень хорошими выходами с небольшим предпочтением функционализации первичных C─H связей по сравнению с третичными.

Наконец, ученые сосредоточились на аллилировании C─H-связи метана, основного компонента природного газа и одного из наиболее распространенных химических исходных материалов на основе углерода, хотя и чрезвычайно сложного соединения для активации в мягких условиях. Активация более прочной C─H-связи в метане (энергия диссоциации связи = 105 ккал/моль) потребовала небольших изменений в протоколе реакции. Тем не менее при давлении метана 50 бар, используя стандартный реактор Парра, оснащенный сапфировым окном в верхней пластине для облучения светодиодами, удалось провести аллилирование C─H-связи метана с рядом аллильных хлоридов, содержащих различные заместители, такие как ароматические и гетероароматические группы или даже бороновый эфир, получив соответствующие продукты 36-43 с умеренным или очень хорошим выходом. При проведении аллилирования метана в небольших 20-мл реакторах использование дейтерированного ацетонитрила было необходимо для преодоления образования побочного продукта, возникающего в результате активации конкурирующего растворителя. Тем не менее при масштабировании реакции с использованием более крупного 100-мл реактора, обеспечивающего лучший режим обмена газ/жидкость, можно было использовать стандартный ацетонитрил без наблюдения активации растворителя, и продукт все еще получался с высоким выходом, как показано на примере синтеза продукта 38.

Синтетическая полезность

Изображение №3

Очень важной особенностью этой методологии является синтетическая универсальность продуктов, которая позволяет превращать эти распространенные газообразные исходные вещества в разнообразные важные структуры посредством простых телескопических превращений (схема выше). Например, комбинируя фотокаталитическое аллилирование C─H с фотовозбужденным нитроарен-опосредованным окислительным расщеплением, метан легко превращался в пропиофенон 44, универсальный строительный блок и ключевой промежуточный продукт в синтезе ряда фармацевтических препаратов, таких как d-пропоксифен, фенилпропаноламин и фенметразин (3A). Включив в эту телескопическую стратегию реакцию МакМюрри, удалось использовать метан в качестве исходного материала для синтеза диместрола 45, нестероидного эстрогена, используемого в клинической женской гормональной терапии (3B). Кроме того, этан можно эффективно превратить в 2-фенилпентановую кислоту 46, ключевой промежуточный продукт для синтеза альфа-аминокислот, ингибиторов белков с бромодоменом и экстратерминальным мотивом или ингибиторов генов интерферона для терапии рака с помощью пути, включающего аллилирование C─H этана, региоселективное антимарковниковское гидроборирование полученного олефина и окончательное окисление (3C).

Примеры, показанные выше, иллюстрируют, как данная методология может быть полезна для решения важной задачи преобразования газообразного алканового сырья в крупные объемы полезных химикатов. Кроме того, синтез диместрола (3B) представляет собой первый синтез биоактивного соединения с использованием метана в качестве исходного материала.

Исследование процессов

Изображение №4

Помимо синтетической полезности продуктов, наиболее заметным наблюдением исследования была необходимость использования коллидина для эффективного осуществления катализируемого железом C─H-аллилирования газообразных алканов. Данное наблюдение подтолкнуло ученых изучить механизм этой реакции, чтобы понять ключевую роль коллидина. Сначала была проведена оценка радикальной природы превращения. Как и ожидалось, когда реакция между этаном и аллилхлоридом 1 протекала в присутствии радикального поглотителя, такого как 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил (TEMPO), C─H-аллилирование не происходило, и можно было обнаружить только аддукт этил-TEMPO, в то время как образования какого-либо аддукта аллил-TEMPO не наблюдалось. При использовании дейтерированного аллилхлорида 1-d2 в оптимальных условиях были получены продукты 2-d2 и 2′-d2 в соотношении 94:6 (4A). Этот эксперимент с дейтерированной маркировкой согласуется с механизмом образования связи C─C посредством присоединения алкильного радикала S_H2′ к двойной связи аллильного субстрата. Образование небольших количеств продукта 2′-d2 можно объяснить изомеризацией аллилового хлорида 1-d2, катализируемой Cl•.

Дополнительную поддержку механизму S_H2′ предоставило исследование реакции со смесью 1:2 вторичного аллилового хлорида 47 и изомерного аллилового субстрата 47′ (полученного при попытке синтеза 47). Фотокаталитическая реакция с этаном дала продукт 48 с выходом 78 % и полной E-стереоселективностью. Этот результат свидетельствует о том, что только концевой олефин реагирует на радикальное присоединение и что в условиях реакции оба изомера находятся в динамическом равновесии, которое сдвигается в результате селективного превращения 48 (4B).

Следующий вопрос, касающийся механизма радикального C─H-аллилирования, заключался в том, чтобы выяснить, способствует ли Cl•, образовавшийся в результате аллилирования, завершению каталитического цикла путем соединения с промежуточным соединением Fe(II) для регенерации катализатора Fe(III) или, напротив, участвует в цепном механизме посредством последующих событий HAT. Определенный квантовый выход Φ = 0.026 предполагает, что на каждый каталитический оборот расходуется ~36 фотонов, что указывает на маловероятность цепного механизма и подтверждает замкнутый фоторедокс-каталитический цикл. Механизм, включающий присоединение алкильного радикала к аллильному π-олефин-Fe(II) комплексу (или, в качестве альтернативы, к галогенидному мостиковому комплексу), с последующим согласованным путем элиминирования/окисления, аналогичный предложенному присоединению радикала к олефин-Cu(I) комплексу в W/Cu-катализируемом C─H аллилировании жидких алканов, может объяснить отсутствие радикальной цепной пропагации (схема ниже). Исследования с помощью ядерной магнитно-резонансной спектроскопии подтверждают образование аллил-Fe(II) комплекса.

Изображение №5

Получив базовое понимание механизма алкилирования алкилальным радикалом, ученые решили исследовать ключевую роль коллидина. Для этого был выполнен сравнительный анализ путем првоедения реакции с FeCl₃·6H₂O как в отсутствии, так и в присутствии коллидина. Чтобы лучше определить образование потенциальных побочных продуктов, реакции проводились с использованием циклогексана. В обоих случаях с помощью газовой хроматографии-масс-спектрометрии было обнаружено образование хлорциклогексана (CyCl). Тем не менее в каждом случае был получен довольно разный результат. В отсутствие коллидина продукт аллилирования 49 был получен с низким выходом 8% вместе с почти эквимолярным количеством CyCl (49:CyCl = 44:56). В отличие от этого, в присутствии коллидина продукт аллилирования был получен с выходом 45 % вместе с небольшим количеством CyCl (49:CyCl = 93:7) (6A). Анализ динамики стехиометрического хлорирования циклогексана без аллилхлорида показал, что в отсутствие коллидина хлорирование алкана происходит быстро, приводя к получению CyCl с выходом 70 % всего за 15 минут.

Изображение №6

Определенный квантовый выход Φ = 2.16 для этого хлорирования алкана указывает на то, что превращение протекает по цепному механизму, поскольку на каждый поглощенный фотон приходится несколько событий образования продукта. Это наблюдение подтверждает путь RLT, опосредованный железом, по сравнению с рекомбинацией алкильного радикала со вторым хлорным радикалом, которая не объясняет наблюдаемое усиление образования продукта. Примечательно, что при использовании коллидина скорость реакции заметно снизилась, и за тот же период наблюдалоь только 9 % выхода CyCl (6B). Поскольку хлорирование алканов с участием FeCl₃ сопровождается необратимым образованием фотохимически неактивных форм Fe(II), эти первоначальные эксперименты показали, что низкая эффективность каталитического аллилирования C─H в отсутствие коллидина, скорее всего, обусловлена конкурирующей деактивацией катализатора.

Учитывая резкие различия, наблюдаемые в реакции аллилирования, было решено более подробно проанализировать систему FeCl₃·6H₂O/коллидин и сравнить ее с FeCl₃·6H₂O в чистом виде. УФ–видимый спектр системы FeCl₃·6H₂O/коллидин демонстрирует более низкую поглощающую способность и практически незначительный синий сдвиг полосы LMCT (с 361 до 357 нм) по сравнению с FeCl₃·6H₂O (6C). Исследования с разрешением по времени в УФ-видимом диапазоне при облучении светом с длиной волны 370 нм показали гораздо более быстрое затухание поглощения в отсутствие коллидина (6D). Известно, что истощение хлорида Fe(III) под воздействием видимого света происходит путем образования Cl• и Fe(II) через возбужденное состояние LMCT. Исследования электронного парамагнитного резонанса подтвердили превращение Fe(III) в неактивный Fe(II) в этом эксперименте. В рамках этой модели кинетические данные, полученные при фотолизе FeCl₃·6H₂O и FeCl₃·6H₂O/коллидина, показали в обоих случаях зависимость второго порядка от концентрации комплекса железа, хотя образование Cl• на порядок выше в отсутствие коллидина (6D). Эти результаты указывают на то, что легкость гомолиза Fe-Cl может быть связана с результатом реакции, причем более реакционноспособная связь Fe─Cl является вредной для реакции аллилирования C─H.

Для изучения влияния коллидина со структурной точки зрения был проведен синтез и выделение комплекса, полученного из смеси FeCl₃·6H₂O и коллидина. Комплекс I был приготовлен путем смешивания FeCl₃·6H₂O с 20 эквивалентами коллидина в этаноле и охарактеризован методом рентгеновской дифракции после кристаллизации в ацетонитриле.

Молекулярная структура I состоит из искаженного тетраэдрического ядра [FeCl₄]⁻ аниона, стабилизированного плотной сетью водородных связей, образованных тремя катионами коллидиния, вероятно, образованными в результате реакции коллидина с HCl, полученным при гидролизе хлорида Fe(III) в растворе, при этом два свободных хлорида завершают кристаллическую решетку (6E). Эти водородные связи включают взаимодействия между атомами хлора и метильными группами коллидина (CH₃···Cl) с расстояниями 2.360 и 2.398 Е, в диапазоне «сильных, преимущественно ковалентных связей», и взаимодействия N-H···Cl с расстоянием 2.810 Е, в основном обусловленные электростатическими взаимодействиями (6F).

Для оценки реакционной способности и каталитической эффективности комплекса I аллилхлорид 1 был подвергнут воздействию этана в оптимизированных условиях реакции с использованием 10 мол.% I вместо FeCl₃·6H₂O, и продукт 2 был получен с выходом 43%. Хотя образование других различных видов Fe в растворе на данном этапе нельзя исключить, этот результат предполагает, что комплекс I может быть активным фотокатализатором для аллилирования C─H алканов. Кроме того, электронно-возбужденные состояния комплекса I были рассчитаны с помощью расчетов теории функционала плотности, зависящей от времени. В пределах характерной полосы LMCT самое низкое электронно-возбужденное состояние, демонстрирующее силу осциллятора (f) больше 0.001, имело предсказанную длину волны 379 нм с силой осциллятора 0.0015, что согласуется с экспериментальными данными (6C).

Анализ дырочно-электронного взаимодействия показал, что, в отличие от единственного аниона [FeCl₄]⁻, где вклад всех атомов Cl в центр Fe одинаков, в комплексе I электрон почти полностью возбуждается от аксиального анионного лиганда Cl (46.9%) к центру Fe, концентрируя реакционную способность LMCT в более короткой связи Fe─Cl (1.957 Е) (6F). Эта структурная особенность, вероятно, способствует замедлению кинетики образования радикала Cl•. Кроме того, более прочная связь Fe─Cl может препятствовать эффективности процесса RLT, снижая скорость хлорирования и, таким образом, облегчая реакцию аллилирования. В совокупности эти результаты предполагают, что водородные связи между атомами хлора и коллидиновыми группами, вероятно, являются причиной различной реакционной способности системы FeCl₃·6H₂O/коллидин и, следовательно, ключевым фактором, контролирующим хемоселективность реакции аллилирования C─H.

Остается открытым вопрос о потенциальной роли коллидина как основания, помимо его роли лиганда в стабилизации аниона [FeCl₄]⁻. Как показано выше (запись 7 в таблице 1), для эффективного протекания реакции аллилирования C─H необходимо 2 эквивалента коллидина. Более того, использование K₂HPO₄ в сочетании с 20 мол.% коллидина также оказалось полезным, хотя продукт был получен с несколько меньшим выходом. Учитывая способность Cl• реагировать с HCl и образовывать комплексы с переносом заряда, потенциально способные к хлорированию C─H алканов, гашение HCl, образующегося после события HAT, основанием минимизирует этот потенциальный путь хлорирования, который может также привести к деактивации катализатора. Более того, нельзя исключить дополнительное образование аддуктов Cl•/коллидина, которые могут потенциально влиять на реакционную способность Cl•.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Рассмотренное нами сегодня исследование показывает, что комбинация FeCl₃·6H₂O и коллидина позволяет осуществлять фотокаталитическое аллилирование C─H-связи метана, этана, пропана и изобутана. Реакция протекает в мягких условиях, осуществляется с использованием простого оборудования и эффективно обеспечивает получение синтетически универсальных продуктов аллилирования алканов, которые оказались очень полезными для переработки этих сырьевых материалов в высокоценные соединения, такие как товарные химикаты и биологически активные соединения.

Помимо химической точности, разработанный метод также отличается своими экологическими преимуществами. Он основан на использовании железа, которое является недорогим, широко доступным и гораздо менее токсичным, чем редкие и драгоценные металлы, часто используемые в каталитической химии. Реакция протекает при относительно умеренных температурах и давлениях и использует светодиодный свет. В совокупности эти особенности снижают энергопотребление и воздействие на окружающую среду.

Как отмечают ученые, преобразование природного газа в гибкие химические промежуточные продукты может расширить промышленные возможности и постепенно снизить зависимость от традиционного нефтехимического сырья.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Метан: синтез полезных химикатов из упрямого газа