Российские химики применили медный комплекс как катализатор для клик-реакции, в которой получаются биологически активные триазолы — их используют, например, для лечения грибка, в синтезе фарм препаратов, а также в химии полимеров. Катализатор не только в несколько раз повысил скорость реакции, но и позволил провести ее при комнатной температуре и без использования основания и растворителей.

Эффективность реакции при этом оказалась почти стопроцентной, без побочных продуктов. Также был изучен детально механизм реакции, и показано, что он отличается от общепринятого. Работа опубликована в Journal of Catalysis.

Клик-реакции — общее название для реакций, в которых простые молекулы-модули «кликают» между собой и как конструктор собираются в большую комплексную молекулу. В основном, их используют в фармацевтике и химии полимеров. С помощью клик-реакции азид-алкинового присоединения «CuACC» получают триазолы — биологически активные вещества с противобактериальной, нейролептической, спазмолитической активностью — например, флуконазол и итраконазол. Обычно для этого используют катализаторы на основе меди. Они ускоряют процесс, но для этого требуются дополнительные условия – например, нагрев или дополнительные реагенты-химикаты. Это увеличивает стоимость производства.

Исследователи предложили использовать комплекс меди, с которым клик-реакция проходит быстро и при комнатных условиях без добавления основания. Более того, химики впервые составили полное описание механизма процесса, который до сих пор был не до конца ясен, особенности в зависимости от каталитической системы.

«На сегодняшний день для CuAAC применяют различные медные катализаторы, однако во многих случаях требуются жесткие условия (высокие температуры, дополнительные реактивы и т. д.). Хотя механизм этой реакции хорошо известен и изучен, до сих пор ведутся споры о том, на чем именно основан механизм действия катализаторов», — кандидат химических наук Владимир Ларионов, сотрудник кафедры неорганической химии РУДН.

В соединении, которое изучили химики, содержатся три иона меди. Они соединены «связками» лигандами — сложными органическими ионами. Химики использовали его как катализатор в реакции CuACC при комнатной температуре и атмосфере воздуха. В качестве растворителя химики пробовали применять дихлорметан, толуол и другие реактивы. Однако даже без растворителя медный комплекс дал желаемый продукт за 4 часа — без катализатора она не протекала совсем. Более того, 99% исходного вещества превратилось в триазол, а побочных продуктов не образовалось вовсе.

Химики также впервые детально исследовали механизм реакции с помощью масс-спектрометрии и квантово-химических расчетов. Молекулы расщепили на заряженные фрагменты, а затем установили их структуру по соотношению массы фрагмента к заряду.

Оказалось, что катализатор ускоряет реакцию сразу двумя путями. Лиганд помогает исходному веществу – алкину – избавиться от протона и перейти таким образом в активное состояние, а ионы меди участвуют в образовании промежуточного вещества – интермедиата. При этом образуются связи между ионами металла в катализаторе и частицами исходного вещества. Ранее считалось, что самый медленный этап реакции — образование связи между катализатором и алкином, т.е ацетиленида меди. Химики впервые показали, что это не так в их случае — на самом деле больше всего скорость определяющей стадией реакции является образование «первой» связи между двумя реагентами.

«Суть полученных результатов заключается в том, что самая медленная стадия, которая и определяет скорость всей реакции CuAAC, зависит от каталитической системы и реагентов. Ранее это явление было достаточно недооценено», — говорит Ларионов.