Механизм важнейшей окислительной реакции Байера — Виллигера, известной больше ста лет, раскрыт благодаря международной группе ученых. Реакция служит универсальным инструментов для получения эфиров органических кислот — базовых соединений для химической промышленности. Результаты исследования позволят предложить новые промышленные процессы окисления и классы антипаразитарных органических соединений для лечения малярии и гельминтозов. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ) и опубликована в журнале Angewandte Chemie.

Реакция Байера—Виллигера была открыта в 1899 году немецкими химиками Адольфом фон Байером и Виктором Виллигером. Ее суть заключается в окислении необходимых в промышленности веществ — кетонов и альдегидов — до сложных эфиров (производных органических кислот с замещением водорода СООН-группы на углеводородную цепь) под действием пероксокислот. Последние представляют собой кислоты с группировкой из двух связанных атомов кислорода. Реакция нашла применение, например, при производстве капролактона — предшественника многих полимеров. Несмотря на это, механизм процесса до недавнего времени оставался загадкой и существовал лишь «на бумаге»: ученым никак не удавалось зафиксировать или выделить промежуточное соединение — интермедиат.

«В середине прошлого столетия Рудольф Криге предложил вариант возможного промежуточного соединения, — рассказывает соавтор статьи Александр Терентьев из Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН. — В нашем исследовании мы сконструировали ловушку для интермедиатов Криге, что позволило получить их в стабильном виде и охарактеризовать».

На первом этапе реакции пероксидный фрагмент пероксокислоты взаимодействует с молекулой кетона или альдегида. Целью становится углерод карбонильной (=С=O) группы, и в результате он оказывается заключен между двумя кислородами. По бокам от карбонильного углерода находятся заместители кетона или альдегида, представленные углеводородными цепями. Так устроен реакционный центр интермедиата Криге, перестройки в котором затем приведут к образованию эфира.

Неустойчивость промежуточных соединений реакции Байера–Виллигера могут объяснить эффекты совместного влияния электронов, атомов и их пространственного расположения на реакционный центр. Например, в обычном промежуточном соединении создаются благоприятные условия для перехода одного из заместителей кетона или альдегида к атому кислорода пероксидного фрагмента пероксокислоты. Таким образом, происходит перестройка молекулы в конечный продукт: исходное соединение оказывается окислено. Авторам работы удалось стабилизировать промежуточное соединение Криге, нарушив эти эффекты взаимодействий благодаря созданию его замкнутой, циклической версии. Результаты исследования дают ключ к пониманию механизма реакции Байера–Виллигера, что позволит более результативно проводить ее оптимизацию и конструировать соединения, ускоряющие реакцию.

«Наши данные помогут увеличить избирательность и расширить номенклатуру в производстве мономеров — «молекул-кирпичиков» для построения полимера, а также позволят предложить новые промышленные процессы окисления и классы антипаразитарных органических пероксидов — подытоживает Терентьев. — Важно отметить, что в 2015 году за использование природного циклического пероксида Артемизинина для лечения малярии была вручена Нобелевская премия по физиологии и медицине. Полученные на основе недорогих и доступных полупродуктов стабильные интермедиаты Криге представляют собой новый класс циклических органических пероксидов и в перспективе смогут применяться для лечения малярии и гельминтозов».