Развитие технологий требует получения новых органических соединений с заданными свойствами для создания перспективных материалов, лекарств, химических сенсоров, средств визуализации биологических процессов, органических полупроводников, производительных преобразователей энергии и т.д. Создание эффективных методологий направленного синтеза органических соединений обеспечит не только удовлетворение потребностей естественных наук, индустрии и сельского хозяйства в перспективных веществах, но и сохранение природной среды, климата, поскольку современное понятие эффективности неразрывно связано с понятием экологичность. В рамках этой общей проблемы синтез моно и полигетероциклических соединений и их ансамблей занимает одно из важнейших мест. Чтобы показать масштаб проблемы отметим лишь несколько моментов. Синтез полигетероароматических соединений играет исключительную роль в развитии постсиликоновой электроники. В частности поликонденсированные гетероциклические системы рассматриваются как перспективные легированные нанографены, сочетающие структурную однородность с перестраиваемой электронной структурой. Развитие новых методов синтеза таких молекул позволит модифицировать топологию, положение и состав гетероатомов в сопряженной системе, контролирующие ключевые особенности электронной структуры, обеспечивая тонкую настройку оптического поглощения, фотолюминесценции, окислительно-восстановительного поведения и других свойств. Новые гетероциклические соединения необходимы для создания красителей для ближней инфракрасной области спектра, двухфотонных поглотителей, флуоресцентных датчиков, высокоспиновых органических молекул, лигандов для переходных металлов, органических полупроводников и др. С другой стороны, большинство лекарственных средств, применяемых в современной медицине, являются гетероциклическими соединениями и их ансамблями, которые занимают ведущие места в рейтинге мировых продаж лекарств. Методы синтеза, обеспечивающие эффективное получение функционализованных гетероциклических соединений, имеют решающее значение для открытия и введения в практику новых лекарств, необходимость которых следует из новых вызовов, постоянно встающих перед цивилизацией, таких как, например, коронавирус COVID–19. Все это определяет необходимость развития методологий синтеза полигетероциклических соединений, обладающих заданными свойствами. Относительно новое направление развития стратегий гетероциклического синтеза базируется на использовании синтетических блоков, позволяющих реализовывать как ортогональные, так и домино варианты химических превращений. Использование ортогональной реакционной способности составляет основу стратегий, позволяющих не использовать защитные группы. Применение таких стратегий в гетероциклическом синтезе в большинстве своем относится к «клик реакциям» азидов, ведущим к триазоам, тогда как в других областях этот подход реализован в существенно меньшей степени, хотя интерес к нему, судя по увеличению числа публикаций, растет. В результате реализации проекта является разработаны эффективные каталитические (включая эстафетный мультикатализ) методы синтеза полигетероциклических соединений (включая новые ансамбли гетероциклов и гетерополициклические скелеты) на основе оригинальных синтетических блоков, состоящих из нескольких структурных единиц, позволяющих реализовывать как ортогональные, так и домино варианты химических превращений. Реакционная способность разработанных гетероциклических синтетических блоков определяется напряжением малого гетероцикла (азирин, азиридин), присутствием активных функциональных групп и лабильных связей. Реализовано рациональное сочетание функциональных групп и структурных элементов в блоке для направленного генерирования активных интермедиатов и их селективного реагирования на определенной синтетической стадии с помощью подобранного специфического катализатора/инициатора. Проведена теоретическая оценка реакционной способности разрабатываемых синтетических блоков методами квантовой химии для поиска новых вариантов сборки полигетероциклов, выбора оптимальных реакционных партнеров для реализации селективного реагирования, а также выяснения механизмов реакций. Найденные закономерности, принципы сборки, факторы, определяющие реакционную способность исследуемых молекул и активность катализаторов, легли в основу новой методологии органического синтеза, с помощью которой получены новые ансамбли гетероциклов и гетерополициклические скелеты c полезными свойствами.
Разработан новый метод получения алкил 5-амино-4-циано-1H-пиррол-2-карбоксилатов, высоко функционализированных строительных блоков для синтеза азагетероциклов, межмолекулярным трансаннелированием 5-алкоксиизоксазолов с малононитрилом при катализе Fe(II). Разработан метод получения производных 1H-пирроло[1,2-a]имидазола аннелированием алкил 5-амино-4-циано-1H-пиррол-2-карбоксилатов с фенацилбромидами. Реакция алкил 5-амино-4-циано-1H-пиррол-2-карбоксилатов с формамидом позволила получить ранее неизвестные алкил-5-арил-7H-пирроло [2,3-d]пиримидин-6-карбоксилаты. Разработан новый четырех-стадийный квази-однореакторный метод получения полностью замещенных никотинатов из енаминов кетонов и 4-метилиденизоксазол-5-онов. Разработанная последовательность была также использована для получения 5,6,7,8-тетрагидрохинолинов, пропуская стадию О-метилирования. Разработан новый метод получения 2-(циклогептатриенилкарбонил)-2H-азиринов реакцией 2-(диазоацетил)-2H-азиринов с бензолом при катализе Rh2(tfa)4, которая протекает с сохранением азиринового фрагмента. 2-(Циклогептатриенилкарбонил)-2H-азирины далее были превращены в 5- (циклогепта-2,4,6-триен-1-ил) изоксазолы и α-(циклогепта-2,4,6-триен -1-илкарбонил)-1H-пирролы. Разработан новый атом-экономный метод получения замещенных 4H-пирроло[2,3-d]оксазолов термической изомеризацией 5-(2H-азирин-2-ил)оксазолов. Обнаружена необычная перегруппировка 2H-азирин-2-карбонилазидов в производные 2-(1H-тетразол-1-ил)уксусной кислоты при взаимодействии с O- и S-нуклеофилами при комнатной температуре. Установлено, что перегруппировка катализируется третичными аминами и гидразоевой кислотой. Показано, что реакция 2H-азирин-2-карбонилазидов с метанолом может протекать без основного катализа с образованием метил 2-(1H-тетразол-1-ил)ацетатов, тогда как реакция с EtOH, CF3CH2OH и BnOH протекает с приемлемой скоростью только в присутствие Et3N. Фенолы реагируют в аналогичных условиях, давая, как правило, хорошие выходы соответствующих ариловых эфиров 2-(1H-тетразол-1-ил)уксусной кислоты. Тиофенолы реагируют с 2H-азирин-2-карбонилазидами с образованием ранее неизвестных S-ариловых эфиров 2-(5-арил-1H-тетразол-1-ил)тиоуксусной кислоты с умеренным выходом. Реализован синтез первых представителей азирин-содержащих амидов Вайнреба на основе каталитической изомеризации 5-хлоризоксазолов в азирин-2-карбонилхлориды и реакции последних с N,O-диметилгидроксиламином. Разработан метод синтеза водорастворимых α-аминопирролов, хлоридов 1-(2-амино-1H-пиррол-3-ил)пиридиния, реакцией хлорида 1-(цианометил)пиридиния с алкил 3-арил-2H-азирин-2-карбоксилатами. Полученные α-аминопирролы легко реагируют с изоцианатами, образуя водорастворимые N-(пиррол-2-ил)-замещенные мочевины с хорошими выходами. Для объяснения селективности термической реакции Бюхнера метил 2-(3-арилизоксазол-5-ил)-2-диазоацетов с бензолом, нафталином и мезитиленом, которая в случае бензола дает смесь изомерных аддуктов циклогептатриен/норкарадиен, в случае нафталина дает исключительно норкарадиеновые аддукты, а в случае мезитилена давала только продукты внедрения карбена по связи C-H мезитилена, были осуществлены квантово-химические расчетыю Из результатов расчетов следует, что наблюдаемое различие в селективности термической реакции Бюхнера 2-(3-арилизоксазол-5-ил)-2-диазоацетов с бензолом, нафталином и мезитиленом связано с тем, что первые две реакции протекают при кинетическом контроле, а последняя - при термодинамическом.
