По результатам работы за первый год выполнения проекта было опубликовано/принято к публикации 5 статей, индексируемых в WoS/Scopus, а также две публикации, индексируемые в РИНЦ (в сумме 7, как и было заявлено). На момент написания отчёта ещё одна статья находится на рецензировании в журнале Inorganica Chimica Acta (Q2) и, вероятно, она пойдёт в отчётность за второй год выполнения проекта. Было осуществлено 10 выступлений с докладами, описывающими результаты работы по проекту.

Для решения поставленных общих задач и достижения цели проекта, на 2023 год были запланированы следующие работы:
1. Синтез органических производных серы(IV), селена(IV) и иода(III). При необходимости, синтез производных иода(I) и селена(II).
2. Исследование каталитической активности полученных соединений в реакциях карбонильных соединений в присутствии NH-нуклеофилов.
3. Проведение физико-химических исследований реакций с целью получения кинетических и термодинамических данных и расчёта энергетического профиля реакции в присутствии изучаемых катализаторов.
4. Проведение квантово-химических расчётов наиболее вероятных путей катализа.
5. Написание и публикация не менее 3 статей в рецензируемых международных научных журналах по данным, полученным в результате выполнения проекта.
6. Участие в международных и всероссийских конференциях по органической и координационной химии с докладами, посвящёнными полученным результатам.

Все задачи, поставленные на 2023 год выполнены в полном объёме и имеется существенное перевыполнение: фактически, уже с сентября 2023 года ведутся работы по решению задач 2024 года.

Описание работ, выполненных в рамках Задачи 1

На текущий год первой задачей являлся синтез органических производных серы(IV), селена(IV) и иода(III), а также, при необходимости, синтез производных иода(I) и селена(II). Как следует из описания ниже, план по этой задаче был существенно перевыполнен.
В рамках выполнения этой задачи в 2023 году удалось получить полные серии галониевых (X = Cl, Br, I) и халькониевых (S, Se, Te) солей, содержащих в своём составе, соответственно, галоген(III) и халькоген(IV) (Рисунок 1, здесь и далее см. отчёт по форме ГОСТ). Иодониевую соль С удалось получить путём реакции 2-иодбифенила с м-хлорпербензойной кислотой в присутствии трифторметансульфониевой кислоты (препаративный выход 90%; Схема 1), а выходы хлоролиевой (A) и бромолиевой (B) соли удалось увеличить до 60% (ранее нам удавалось их получить с выходом около 15%). Соли A и B были получены из производных 2-аминобифенила путём воздействия на них трет-бутилнитрита (Схема 2). Синтез халькониевых солей также был оптимизирован и позволил получить теллурониевую (F), селенониевую (E) и сульфониевую (D) соли с препаративными выходами, равными 86%, 70% и 80%, соответственно. Синтез солей E–F был осуществлён путём арилирования дифенилиодониевой солью соответствующих производных халькогенов(II) (Схема 3). Аналогичным путём была получена S-фенилтиантрениевая соль с препаративным выходом 90%.
Дополнительно были получены гетероциклические производные иодониевых солей (Рисунок 2; Cat2OTf–Cat4OTf). Путём оценки их способности к координации к металлоцентру, удалось охарактеризовать с помощью РСА один из соответствующих комплексов. Показано, что в растворе такие комплексы являются очень лабильными; тем не менее, присутствие металлоцентра оказывает существенное влияние на каталитическую активность таких солей (см. Разделы 2.2 и 2.3).
Дополнительно был получен бензоселенодиазол L (препаративный выход 80%), его N-метилированное производное [LMe]Y (79–86% в зависимости от противоиона) и соответствующие комплексы цинка(II) [ZnL2X2] (76–94% в зависимости от природы галогенидного лиганда; Рисунок 4). Соединения удалось охарактеризовать в том числе с помощью РСА (Рисунок 5).
Гетероциклические производные иода(I) не были синтезированы, так как в рамках текущих работ в этом не было необходимости, и основной упор был сделан на производных иода(III), проявляющих наибольшую каталитическую активность и удовлетворительную стабильность в условиях изучаемых реакций.
Все полученные соединения в дальнейшем были изучены (и изучаются на данный момент) на предмет проявления каталитической активности в серии органических реакций, в том числе запланированных на второй год выполнения проекта.

Описание работ, выполненных в рамках комплементарных Задач 2 и 3

Второй задачей на отчётный год являлось исследование каталитической активности полученных соединений в реакциях карбонильных соединений в присутствии NH-нуклеофилов. Третьей задачей являлось проведение физико-химических исследований реакций с целью получения кинетических и термодинамических данных и расчёта энергетического профиля реакции в присутствии изучаемых катализаторов (см. Введение). Все работы в рамках обеих задач выполнены в полном объёме.
Взаимодействие карбонильных соединений с NH-нуклеофилами является одной из базовых реакций, позволяющих получать широкий спектр органических соединений. Именно вследствие универсальности и широкой распространённости такого типа реакций было решено изучать каталитическую активность полученных соединений на нём. В качестве модельных субстратов был выбран трет-бутиламин B и серия пара-замещённых бензальдегидов AR (Схема 4). Взаимодействие субстратов приводило к обратимому образованию основания Шиффа CR.
В целом, на основе полученных данных видно, что все испытанные катализаторы (Схема 4) проявляют высокую активирующую способность по отношению к карбонильной группе. Однако, научный коллектив провёл дополнительные исследования и путём применения методологии корреляционного анализа смог установить ранее неизвестные закономерности в работе изученных катализаторов нового поколения (Схема 5).
Было экспериментально показано, что катализатор ускоряет изучаемую реакцию путём увеличения положительного заряда на карбонильном атоме углерода — такой вывод был сделан на основе того, что при добавлении катализатора вид корреляции меняется с  на +. Более того, неожиданно оказалось, что в зависимости от электронных эффектов заместителей меняется вид корреляции в присутствии катализатора, чего не наблюдалось в его отсутствии: в случае акцепторных заместителей R, скорость реакции перестаёт зависеть от природы R. Это было объяснено сменой скоростьлимитирующей стадии в процессе реакции. Так, в случае донорных заместителей R, увеличивающих нуклеофильность атома О карбонильной группы, наблюдается эффективная конкуренция альдегида и амина за координационную вакансию атома иода. В то же время нагнетание электронной плотности на карбонильную группу приводит к уменьшению её электрофильности и замедлению стадии нуклеофильной атаки амина. Совокупность этих двух факторов приводит к тому, что нуклеофильная атака амина является скоростьлимитирующей стадией процесса образования основания Шиффа. Если же заместитель R является акцепторным, то альдегид не может вытеснять координированный амин с атома иода, так как нуклеофильность атома О карбонильной группы снижена. И напротив, в том случае, если альдегид координирован, то стадия нуклеофильной атаки не является скоростьлимитирующей, так как протекает быстро. Таким образом, в случае акцепторных заместителей R, скоростьлимитирующей стадией процесса является диссоциация комплекса иодолиевой соли и амина, скорость которой никак не зависит от природы R, находящегося в альдегиде, так как альдегид не участвует в этом процессе.
Дифенилиодониевая соль была опробована в катализе реакции анилина с серией пара-замещённых бензальдегидов (Схема 5). Как и в случае предыдущей модельной реакции, в которой нуклеофилом выступал трет-бутиламин, в этой реакции наблюдалась смена корреляции с  на + при добавлении катализатора — что вновь свидетельствует о том, что выбранный ациклический катализатор обусловливает существенное увеличение положительного заряда на карбонильном атоме углерода в процессе координации альдегида к атому иода (Рисунок 7). Однако в этом случае в присутствии катализатора не наблюдалось смены вида корреляции в зависимости от природы заместителя R в альдегиде, что может быть объяснено существенно меньшей нуклеофильностью анилина по сравнению с трет-бутиламином: даже в случае акцепторных R в альдегиде, он эффективно конкурирует с нуклеофилом за координационную вакансию в дифенилиодониевой соли.
На основе данных ЯМР-титрования (Рисунок 8) было показано, что оба катиона претерпевают ассоциацию в растворе с константой равновесия K298, находящейся в интервале значений от 2.8 до 7.9 (приведены матожидания). Снижение каталитической активности, таким образом, связано с ассоциацией каталитически активных частиц с образованием комплекса, обладающего, по-видимому, меньшей каталитической активностью.
Было показано, что бензоселенодиазол L не обладает каталитической активностью по отношению к реакции образования основания Шиффа, в то время как его метилированное производное [LМе]OTf претерпевает разложение в условиях реакции. Было показано, что добавление L к галогенидам цинка(II) почти никак не сказывается на каталитической активности соли цинка(II), что было объяснено низкой степенью ассоциации данных частиц (Схема 8).
Таким образом, в рамках выполнения этих задач научному коллективу удалось выявить ранее неизвестные и неочевидные аспекты катализа реакций карбонильных соединений с NH-нуклеофилами элементоорганическими кислотами Льюиса. Было показано, что катализатор не только ускоряет модельные реакции, но и способен менять вид корреляции между электронными эффектами заместителей и скоростью реакций. Более того, было показано, что процесс ассоциации электрофила с катализатором может быть скоростьлимитирующей стадией при образовании основания Шиффа. Установлено, что органические катионы могут образовывать комплексы с серебром(I), и такое взаимодействие может уменьшать общую каталитическую активность системы.

Описание работ, выполненных в рамках Задачи 4

В рамках этой задачи предполагалось проведение квантово-химических расчётов наиболее вероятных путей катализа изучаемых реакций. Все работы в рамках этой задачи выполнены в полном объёме и имеется перевыполнение планируемых исследований.
В частности, с привлечением квантово-химических расчётов удалось вычислить энергетические профили реакции образования основания Шиффа из 4-метилбензальдегида и трет-бутиламина. Так как результаты корреляционного анализа свидетельствовали о важности учёта процесса ассоциации электрофила с катализатором, данная стадия реакции была всесторонне рассмотрена в расчётах (Схема 9). Так как экспериментально было обнаружено, что растворитель оказывает существенное влияние на скорость реакции, растворитель был учтён в явном виде, и все процессы ассоциации типа «субстрат + катализатор = субстрат-катализатор» рассматривались не как реакции ассоциации, а как реакции замещения молекул растворителя по типу «субстрат-растворитель + катализатор-растворитель = субстрат-катализатор + растворитель-растворитель». Такой подход позволил получить расчётные результаты, очень хорошо сходящиеся с экспериментальными данными, полученными путём ЯМР-титрования. И напротив, отсутствие учёта растворителя в расчётах приводило к очень большому отклонению от экспериментальных данных. Это связывается с тем, что величина энергии связи субстратов реакции с катализатором — образующими между собой слабые нековалентные связи — сравнима по энергии с энергией связи молекул растворителя с компонентами раствора. Таким образом, был сделан важный вклад в развитие теоретического исследования изучаемых реакций.
Несмотря на то, что вышеописанные исследования соответствуют полному выполнению задачи, были проведены дополнительные исследования сверх плана, заключающиеся в оценке возможности реализации тандемного катализа катионными производными иода(I) или иода(III) и хорошо изученными органокатализаторами на основе доноров водородных связей, такими как мочевина, тиомочевина и скварамид. Несмотря на то, что ранее проф. Такаги (Япония) в опубликованной им работе предполагал возможность электрофильной активации тиомочевины за счёт её координации к иоду, приводящей к синергетическому каталитическому эффекту, проведённые нами расчёты показали, что механизм синергетического катализа иной и он не может быть объяснён электрофильной активацией мочевины. Причём такой механизм невозможен не только в межмолекулярном варианте (Схема 10), но даже во внутримолекулярном варианте, при котором нивелируется большая часть энтропийных потерь (Схема 11). Это наблюдение подстёгивает дальнейшие исследования в области тандемного органокатализа, которые, судя по всему, требуют более глубокого изучения.

Выполнение задачи 5

В рамках задачи 5 предполагалось написать и опубликовать не менее 3 статей в рецензируемых международных научных журналах по данным, полученным в результате выполнения проекта — работа в рамках этой задачи была перевыполнена.
Публикации в журналах, индексируемых WoS/Scopus:
Q1 ИФ = 3.4 Il’in M.V., Polonnikov D.A., Novikov A.S., Sysoeva A.A., Safinskaya Ya.V., Bolotin D.S., Influence of Coordination to Silver(I) Centers on the Activity of Heterocyclic Iodonium Salts Serving as Halogen-Bond-Donating Catalysts, ChemPlusChem, 2023, 10, e202300304. DOI: 10.1002/cplu.202300304.
Q1Q2 ИФ = 5.0 Sysoeva A.A., Novikov A.S., Il'in M.V., Bolotin D.S., Solvent-modulated binding selectivity of reaction substrates to onium-based sigma-hole donors, Catal. Sci. Technol., 2023, 13, 3375–3385. DOI: 10.1039/D3CY00071K. (На момент подачи манускрипта, его принятия, и онлайн-публикации статьи журнал относился к первому квартилю, затем стал относиться ко второму.)
Q4 ИФ = 0.9 Sysoeva A. A., Correlation analysis of catalytic activity of iodonium salt in the Schiff reaction, Russ. J. Gen. Chem., принята к публикации 8 сентября 2023 (см. Приложение А, Рисунок 9).
Q4 ИФ = 0.9 Il’in M.V., Novikov A. S., A comprehensive study on the structure and conformational behavior of 5-phenyl-thianthrenium triflate, Russ. J. Gen. Chem., принята к публикации 15 сентября 2023 (см. Приложение А, Рисунок 10).
Q4 ИФ = 0.9 Il’in M.V., Novikov A. S., Сomputational study on the route of cooperative organocatalysis utilizing thiourea and halogen bond donor mixture, Russ. J. Gen. Chem., принята к публикации 31 октября 2023 (см. Приложение А, Рисунок 11).

Также к концу июля 2023 был готов манускрипт с результатами работы по проекту: Sysoeva A. A., Novikov A. S., Suslonov V. V., Bolotin D. S., Il’in M. V., 2,1,3-Benzoselenadiazole-containing Zinc(II) Halide Complexes: Chalcogen Bonding in the Solid State and Catalytic Activity in the Schiff Condensation.
Изначально манускрипт был представлен в журнал Inorganics (Q2; WoS/Scopus), откуда по прошествии полутора месяцев был отклонён. В сентябре работа была представлена в журнал Inorganica Chimica Acta, и более чем через месяц — в середине октября — пришёл ответ рецензентов, запрашивающих правку по существу, на которую ушло 2 недели. В начале ноября отредактированная версия была возвращена в журнал, и на момент написания отчёта исправленный манускрипт до сих пор находится на рецензировании (см. Приложение А, Рисунок 12).

Выполнение задачи 6

В рамках задачи 6 предполагалось принять участие в международных и всероссийских конференциях по органической и координационной химии с докладами, посвящёнными полученным результатам — было сделано 10 докладов, описывающих полученные результаты.
1) Болотин Д. С., устный доклад, Onium Salts as Noncovalent Organoelement Catalysts, 4-й Международный симпозиум «Современные тенденции в химии металлорганических соединений и катализе», Москва, 23–27 мая 2023.
2) Болотин Д. С., устный доклад, “Органические каталитические системы на основе носителей сигма-дырок”, VII Международная конференция «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов», Пермь, 10–16 сентября 2023.
3) Болотин Д. С., приглашённый доклад, “Гомогенный неметаллокомплексный катализ: перспективы использования галогенов и халькогенов в качестве центральных атомов в катализаторах”, Институт неорганической химии СО РАН, Новосибирск, 19 октября 2023.
4) Болотин Д. С., пленарный доклад, “Электрофильный катализ органическими кислотами Льюиса”, Научная конференция «Развитие металлоорганической и координационной химии в XXI веке», Нижний Новгород, 22–23 ноября 2023.
5) Сысоева, А. А., устный доклад, “Тандемный ковалентно-нековалентный катализ конденсации Кнёвенагеля с участием амина и донора галогенной связи”, I Междисциплинарная всероссийская молодежная научная школа-конференция с международным участием «Молекулярный дизайн биологически активных веществ: биохимические и медицинские аспекты», Казань, 18–22 сентября 2023.
6) Сысоева А.А., устный доклад, диплом II степени за лучший устный доклад, “Изучение связывания носителей σ-дырок с субстратами реакции”, Молодежная конференция ИОХ РАН, Москва, 29–31 мая 2023.
7) Сысоева А.А., постерный доклад, “Изучение влияния эффектов сольватации на эффективность нековалентного катализа донорами галогенной и халькогенной связи”, Всероссийская научная конференция с международным участием «Современные проблемы органической химии», Новосибирск, 26–30 июня 2023.
8) Ильин М.В., устный доклад, “Каталитическая активность бифункциональных комплексов серебра(I) с лигандами — донорами галогенной связи”, Молодежная конференция ИОХ РАН, Москва, 29–31 мая 2023.
9) Сафинская, Я. В., постерный доклад, “Применение пиразолиодониевых солей и трифлата серебра(I) в тандемном катализе”, I Междисциплинарная всероссийская молодежная научная школа-конференция с международным участием «Молекулярный дизайн биологически активных веществ: биохимические и медицинские аспекты», Казань, 18–22 сентября 2023.
10) Результаты, полученные в рамках данного проекта, также были представлены научной общественности в рамках защиты магистерской диссертации, защищённой Сысоевой А. А. в конце 2022/2023 учебного года в СПбГУ (финансирование с текущего гранта отражено в благодарностях ВКР; https://dspace.spbu.ru/handle/11701/41890).

На этапе планирования работы на 2023 год предполагались ещё 2 устных доклада на международной молодёжной конференции «Менделеев», проведение которой планировалось на сентябрь 2023. Членам коллектива слишком поздно стало известно о том, что она была перенесена на 2024 год, в связи с чем по формальным признакам было осуществлено только 2 доклада на международных конференциях, а не 4, как планировалось. На данный момент по-прежнему планируются выступления на этой конференции, но уже в 2024 году. Стоит отметить, что конференция в Казани, на которой было осуществлено 2 доклада (№ 5 и 9), имела статус всероссийской с международным участием.

Задел на второй год выполнения проекта

На данный момент установлено, что исследуемые каталитические системы имеют большой потенциал использования в такого типа реакциях вследствие того, что они являются условно стабильными в присутствии таких восстановителей, как Na[BH3CN] и окислителей типа tBuONO. Дополнительно, уже на данный момент было установлено, что исследуемые катализаторы эффективно катализируют реакцию Кневенагеля, причём работают в ней эффективнее традиционных металлсодержащих кислот Льюиса. Ведутся работы по сравнению каталитической активности полных серий халькониевых и галониевых солей (Ch = S, Se, Te; X = Cl, Br, I) в единых условиях с целью получения общей картины их каталитической активности. Полученные результаты, несомненно, составляют значимый задел для исследований на втором году выполнения проекта.


Информация о привлечении финансирования от внешних по отношению к СПбГУ источников:
01.2023–06.2023 — 2500 тыс. руб. РНФ Нековалентный катализ на основе органических и металлокомплексных доноров галогенных связей как инструмент для перехода к энерго- и ресурсосберегающим процессам (20-73-10013; рук. Болотин Д.С.)
07.2023–12.2023 — 3000 тыс. руб. РНФ Органокатализ на основе носителей сигма-дырок как инструмент для перехода к экологичным энерго- и ресурсосберегающим процессам (23-73-10003; рук. Болотин Д.С.)
01.2023–12.2023 — 1500 тыс. руб. РНФ Новые каталитические системы на основе бифункциональных комплексов поздних 3d-металлов с лигандами — донорами галогенной связи (23-23-00091; рук. Ильин М.В.)