Краткая история пероксидов
Считается, что пероксиды – вещества, содержащие цепочку из двух атомов кислорода (-О-О-), – известны еще с конца XVIII века. Есть данные, что самый первый из них – пероксид бария BaO2 – случайно получил в 1799 году один из основателей современной географии Александр фон Гумбольдт во время попыток разложить воздух. Приблизительно два десятилетия спустя известный французский химик Луи Жак Тенар синтезировал перекись водорода – самый известный пероксид, назвав его «кислородной водой».
C 1863 года известно и о роли пероксидов в живых системах: немецко-швейцарский химик Кристиан Фридрих Шенбейн (1799-1868) сообщил, что большое разнообразие растительных и животных тканей может превращать бесцветные настойки гваякола в синие с помощью перекиси водорода; он классифицировал это явление как каталитическое окисление. Именно поэтому Шенбейна обычно считают первооткрывателем пероксидаз.
Для живой клетки перекись водорода – сильный яд, но она же – важнейший инструмент, который клетки используют для окисления различных веществ. В 1954 году были открыты особые органеллы клеток, присутствующие во всех эукариотических организмах – пероксисомы, которые производят перекись водорода, используют ее для окисления и затем утилизируют при помощи фермента каталазы.
С XIX века известны и органические пероксиды, ставшие тематикой изучения Веры Виль. Это вещества, в которых пероксидный мостик соединяет атомы углерода (цепочка -С-О-О-С-). Наверное, самые известные органические природные пероксиды – это простагландин G2, одно из веществ семейства простагландинов, регулирующих воспаление и знаменитый артемизинин – эффективное противомалярийное средство, принесшее китаянке Ту Юю Нобелевскую премию по физиологии или медицине 2015 году (справедливости ради то, что Ту Юю это открытие подсмотрела в книге средневекового китайского философа, «бессмертного» Гэ Хуна, не умаляет ее заслуг).
Простагландин G2
Артемизинин
Работы лауреата
Вера Виль занимается синтезом органических пероксидов и вообще – окислительно-восстановительными реакциями с самого начала своей работы как исследователя, когда она в 2010 году, обучаясь на третьем курсе РХТУ имени Д.И. Менделеева, пришла в лабораторию.
«Органические пероксиды – это бедные родственники в химии. Они используются повсеместно, но их даже не изучают отдельно в университетском курсе органики», – отмечает Виль.
Если говорить более общими словами, тематика всей химической жизни лауреата – это создание новых связей типа «углерод-углерод» и «углерод-гетероатом» с использованием одного из фундаментальных типов химических реакций – реакций окисления.
Любопытно, что до сих пор в химии к окислению существует два подхода, что добавляет путаницы в литературе.
«Первый подход описывает окисление как процесс «удаления» электронов из молекулы субстрата, […] второй подход предполагает введение атомов кислорода в результате взаимодействия двух или более молекул, в ходе которого одна из них переносит атом кислорода на окисляемый субстрат», – пишет Виль в своей докторской диссертации, которую она защитила уже после решения Научного комитета о присуждении ей премии.
Основные направления исследований и синтезов Виль в области химии органических пероксидов
В области синтеза пероксидов и их дальнейших превращений работы Веры Виль привели к важным фундаментальным открытиям. Наверное, самое интересное и удивительное – расшифровка механизма одной из широко использующихся в органической химии – реакции Байера-Виллигера (перегруппировки Байера-Виллигера), окисление кетонов до сложных эфиров или лактонов (в случае циклических кетонов) под действием пероксида водорода в присутствии кислот. Альдегиды в условиях реакции образуют карбоновые кислоты.
Реакция Байера-Виллигера
Эта реакция была открыта немецкими химиками, нобелевским лауреатом по химии 1905 года Адольфом фон Байером и его учеником Виктором Виллигером еще в позапрошлом веке – в 1899 году, а в 1950-х годах их соотечественник Рудольф Криге предположил, что в механизме реакции участвует особый пероксид, интермедиат Криге.
Интермедиат Криге в реакции Байера-Виллигера
Работы Виль впервые подтвердили участие этого интермедиата в перегруппировке Байера-Виллигера, установили все тонкости молекулярных превращений в реакции, которые позволяют более точно настраивать реакцию, а также синтезировать стабильные пяти- и шестичленные интермедиаты Криге, которые до работ лауреата в течение трех четвертей века оставались чисто теоретическими построениями.
Помимо этого, Вера Виль создала новые методы синтеза связей «углерод-углерод» и «углерод-кислород» с использованием пероксидов и новые синтезы самих пероксидов. Например, новый метод синтеза спиро-циклопропилмалоноилпероксида, который сделал этот пероксид легко доступным окислителем в лабораторной практике химиков-органиков.
Синтез спиро-циклопропилмалоноилпероксида
Другое направление работ Виль – это использование в качестве «чистого» окислителя электрического тока анодных процессов. Лауреату совместно со своей командой впервые удалось вовлечь углекислый газ в электроорганический синтез, найти новый способ введения цианогруппы в органическую молекулу – с использованием неорганических тиоцианатов. Исследователи разработали первый способ синтеза органических пероксидов в условиях гальваностатического электролиза. Использование электрохимических методов в окислительном органическом синтезе, созданных группой Виль, позволяет синтезировать новые структуры более экономно, с минимумом побочных продуктов, что дает возможность использовать их в «зеленой» химии.
Основные направления работы Веры Виль в области электрохимической органической химии
Работы лауреата представляют собой не только фундаментальный интерес. Молекулы и технологии, созданные Виль, находят разное применение.
Одно из важнейших применений новых молекул – средства защиты растений, в первую очередь – фунгициды. Некоторые вещества показали высокую эффективность против грибковых болезней растений. При этом после того, как они выполнили свою функцию, подобные фунгициды в почве превращаются в безопасные соединения, не токсичные ни для растений, ни для человека.
«Мы сотрудничали с Всероссийским научно-исследовательским институтом фитопатологии, это Московская область, в Больших Вяземах. Сейчас работаем с Учебно-опытным почвенно-экологическим центром МГУ имени М. В. Ломоносова «Чашниково». Наши многолетние полевые испытания показали эффективность применения новых фунгицидов против грибковых заболеваний, удается сохранить как растения, так и урожай. Полевые испытания мы проводим ежегодно, в разные сезоны и на разных культурах, кроме картофеля, опробовали соединения на яровой и озимой пшенице, на горохе. В зоне рискованного земледелия работаем вместе с Научно-исследовательским институтом сельского хозяйства Северного Зауралья в Тюмени», – говорит Виль в одном из интервью.
В последнее время в этой области ведутся работы и с вьетнамскими коллегами, поскольку тропические фруктовые растения тоже подвержены грибковым инфекциям.
Развитие этой тематики может быть интересно и для создания новых лекарственных препаратов уже не для растений, а для человека.
Второе направление практических работ группы Виль – это получение новых материалов. Пероксиды активно используются в полимерной промышленности – как инициаторы полимеризации или как агенты, «сшивающие» между собой длинные полимерные цепи для получения нового качества полимерных материалов. Среди прочих заказчиков исследований – ПАО «Саратовский электроприборостроительный завод имени Серго Орджоникидзе». Также команда Виль ведет работы по разработке технологий микропроточного синтеза.
Литература:
Thénard L.J. Observations sur les combinations nouvelle entre l’oxygen et divers acides. Ann. Chim. Phys. 1818;8:306–312.
Schönbein C.F. Ueber die katalytische Wirksamkeit organischer Materien und deren Verbreitung in der Pflanzen-und Thierwelt. J. Prakt. Chem. 1863;98:323–344. doi: 10.1002/prac.18630890143
Rhodin, J (1954). "Correlation of ultrastructural organization and function in normal and experimentally changed proximal tubule cells of the mouse kidney". Doctorate Thesis. Karolinska Institutet, Stockholm.
Criegee R., Metz K. Über ein drittes, kristallisiertes Acetonperoxyd // Chemische Berichte. ‒ 1956. ‒ T. 89, № 7. ‒ C. 1714-1718.
Патенты лауреата:
Патент РФ 2557553. Способ получения циклопропилмалонил пероксида. Терентьев А.О., Виль В.А., Мулина О.М., Иловайский А.И. – № 2014129592/04 (047694); заявлено 18.07.2014; опубликовано 27.07.2015 Бюл. 21.
Патент РФ 2784323. Электрохимический способ получения производных тетрагидрохинолина, применение их в качестве фунгицидных средств и фунгицидные композиции на их основе. Виль В.А., Гришин С.С., Баберкина Е.П., Алексеенко А.Л., Глинушкин А.П., Коваленко А.Е., Терентьев А.О. – № 2022103403 заявлено 10.02.2022, опубликовано 21.11.2022. Бюл. 33.
Обзоры лауреата:
Vil’ V. A., Yaremenko I. A., Ilovaisky A. I., Terent’ev A. O. Synthetic strategies for peroxide ring construction in artemisinin // Molecules – 2017. – V. 22. – I. 1 – P. 117.
Vil’ V.A., Bityukov O.V., Terent’ev A.O. 38.11 Acyclic geminal bisperoxides // Sci. Synthesis. – 2019. – V. 3. – P. 383.
Barsegyan Y.A., Vil’ V.A. Malonyl peroxides in organic synthesis // Chem. Heterocycl. Compd. – 2019. – Т. 55. – I. 11. – P. 1035-1037.
Vil’ V.A., Terent’ev A.O., Mulina O.M. Bioactive natural and synthetic peroxides for the treatment of helminth and protozoan pathogens: synthesis and properties // Curr. Top. Med. Chem. – 2019. – V. 19. – P. 1201-1225.
Radulov P.S., Vil’ V.A. Metal-based Lewis acids in the synthesis of cyclic organic peroxides // Chem. Heterocycl. Compd. – 2020. – V. 56. – P. 299-301. [Khim. Geterotsikl. Soedin. – 2020. –V. 56. – P. 299.]
Barsegyan Y.A., Vil’ V.A., Tomkinson N.C.O., Terent’ev A.O. 38.12 Product Class 12: Cyclic diacyl peroxides // Sci. Synthesis. – 2022. – V. 38. – P. 221.
Битюков О.В., Виль В.А., Терентьев A.О. Синтез ациклических геминальных биспероксидов // Ж. Орг. Х. – 2021. – Т. 57. – № 6. – С. 757–787.
Grishin S. S., Mulina O. M., Lv L., Vil’ V. A., Li Zh., Terent’ev A. O. Ethers as building blocks for the synthesis and modification of N-heterocycles // Asian J. Org. Chem. – 2024. – e202400456.
Основные статьи в рецензируемых журналах:
Terent’ev A. O., Vil’ V. A., Mulina O. M., Pivnitsky K. K., Nikishin G. I.A convenient synthesis of cyclopropane malonyl peroxide // Mend. Comm. – 2014. – V. 24. – I. 6 – P. 345.
Terent’ev A. O., Vil’ V. A., Nikishin G. I., Adam W. Lanthanide-catalyzed oxidative С–O coupling of 1,3–dicarbonyl compounds with diacyl peroxides // Synlett – 2015. – V. 26. – I. 6 – P. 802–806.
Lapitskaya M. A., Vil’ V. A., Daeva E. D., Terent’ev A. O., Pivnitsky K. K. Alcoholysis of malonyl peroxides to give peracids // Mend. Comm. – 2016. – V. 26. – I. 1 – P. 14–15.
Terent’ev A. O., Vil’ V. A., Gorlov E. S., Nikishin G. I., Pivnitsky K. K., Adam W. Lanthanide-catalyzed oxyfunctionalization of 1,3-diketones, acetoacetic esters, and malonates by oxidative C-O coupling with malonyl peroxides // J. Org. Chem. – 2016. – V. 81. – I. 3 – P. 810–823.
Lapitskaya M.A., Vil’ V.A., Vasil’eva L.L., Daeva E.D., Terent’ev A.O., Pivnitsky K.K. Spontaneous reaction of malonyl peroxides with methanol // Mendeleev Commun. – 2017. – V. 27. – I. 3. – P. 243-245.
Terent’ev A. O., Vil’ V. A., Gorlov E. S., Nikishin G. I., Pivnitsky K. K., Adam W. Lanthanide-catalyzed oxyfunctionalization of 1,3-diketones, acetoacetic esters, and malonates by oxidative C-O coupling with malonyl peroxides // J. Org. Chem. – 2016. – V. 81. – I. 3 – P. 810–823.
Lapitskaya M.A., Vil’ V.A., Vasil’eva L.L., Daeva E.D., Terent’ev A.O., Pivnitsky K.K. Spontaneous reaction of malonyl peroxides with methanol // Mendeleev Commun. – 2017. – V. 27. – I. 3. – P. 243-245.
Terent’ev A. O., Vil’ V. A., Gorlov E. S., Rusina O. N., Korlyukov A. A., Nikishin G. I., Adam W. Selective oxidative coupling of 3H-pyrazol-3-ones, isoxazol-5(2H)-ones, pyrazolidine-3,5-diones, and barbituric acids with malonyl peroxides: an effective C-O functionalization // ChemistrySelect. – 2017. – V. 2. – I. 11 – P. 3334–3341.
Vil’ V.A., Gomes, G. d. P., Bityukov O.V., Lyssenko K.A., Nikishin G.I., Alabugin I.V., Terent’ev A.O. Interrupted Baeyer–Villiger rearrangement: Building a stereoelectronic trap for the Criegee intermediate // Angew. Chem. Int. Ed. – 2018. – V. 130. – I. 13. – P. 3430-3434.
Lapitskaya T.V., Vil’ V.A., Daeva E.D., Terent’ev A.O., Pivnitsky K.K. Dimethylmalonoyl peroxide – the neglected lowest homologue: simple synthesis and high reactivity // Mendeleev Commun. – 2018. – V. 28. – I. 5. – P. 505-507.
Vil’ V.A., Gomes G.d.P., Ekimova M.V., Lyssenko K.A., Syroeshkin M.A., Nikishin G.I., Alabugin I.V., Terent’ev A.O. Five roads that converge at the cyclic peroxy-Criegee intermediates: BF3-catalyzed synthesis of β-hydroperoxy-β-peroxylactones // J. Org. Chem. – 2018. – V. 83. – I. 21. – P. 13427–13445.
Bityukov O.V., Vil’ V.A., Merkulova V.M., Nikishin G.I., Terent’ev A.O. Silica gel catalyzed oxidative C-O coupling of β-dicarbonyl compounds with malonyl peroxides in solvent-free conditions // Pure Appl. Chem. – 2018. – V. 90. – I. 1 – P. 7-20.
Bityukov O.V., Vil’ V.A., Lukashin N.V., Cherednichenko A.G., Nikishin G.I., Terent’ev A.O. Solvent-free silica gel mediated decarboxylation of C-O coupling products of β-diketones and β-oxo esters with malonyl peroxides // Mendeleev Commun. – 2018. – V. 29. – I. 1 – P. 55-56.
Vil’ V.A., Gorlov E.S., Bityukov O.V., Krylov I.B., Nikishin G.I., Pivnitsky K.K., Terent’ev A.O. Oxidative C–O coupling as a new idea in the ‘click-like chemistry’: malonyl peroxides for the conjugation of two molecules // Mendeleev Commun. – 2019. – V. 29. – I. 2. – P. 132-134.
Vil’ V.A., Barsegyan Y.A., Barsukov D.V., Korlyukov A.A., Alabugin I.V., Terent’ev A.O. Peroxycarbenium ions as the “gatekeepers” in reaction design: assistance from inverse alpha-effect in three-component β-alkoxy-β-peroxylactones synthesis // Chem. Eur. J. – 2019. – I. 25. – P. 14460-14468.
Bityukov O.V., Matveeva O.K., Vil’ V.A., Kokorekin V.A., Nikishin G.I., Terent’ev A.O. Electrochemically induced intermolecular cross-dehydrogenative C–O coupling of β-diketones and β-ketoesters with carboxylic acids // J. Org. Chem. – 2019. – V. 84. – I. 3. – P. 1448–1460.
Vil’ V.A., Barsegyan Y.A., Kuhn L., Ekimova M.V., Semenov E.A., Korlyukov A.A., Terent’ev A.O., Alabugin I.V. Synthesis of Unstrained Criegee Intermediates: Inverse α-Effect and Other Protective Stereoelectronic Forces Can Stop Baeyer–Villiger Rearrangement of γ-hydroperoxy-γ-peroxylactones // Chem. Sci., – 2020. – Т. 11. – I. 20. – P. 5313–5322.
Vil’ V.A., Grishin S S., Baberkina E.P., Kostyagina V.A., Kovalenko A.E., Terent’ev A.O. Radical Addition of Tetrahydrofuran to Imines Assisted by Tert-Butyl Hydroperoxide // Tetrahedron Lett. – 2020. – V. 61. – P. 152150.
Bityukov O.V., Vil’ V.A., Nikishin G.I., Terent’ev A.O. Alkene, bromide, and ROH – How to Achieve Selectivity? Electrochemical Synthesis of Bromohydrins and Their Ethers // Adv. Synth. Catal. – 2021. – V. 363. – P. 3070-3078.
Vil’ V.A., Merkulova V.M., Ilovaisky A.I., Paveliev S.A., Nikishin G.I., Terent’ev A.O. Electrochemical Synthesis of Fluorinated Ketones from Enol Acetates and Sodium Perfluoroalkyl Sulfinates // Org. Lett. – 2021. – V. 23. – I. 13. – P. 5107–5112.
Kuhn L., Vil’ V.A., Barsegyan Y.A., Terent’ev A.O., Alabugin I.V. Carboxylate as a Non-Innocent L-Ligand: Computational and Experimental Search for Metal-Bound Carboxylate Radicals // Org. Lett. – 2022. – V. 24. – I. 21. – P. 3817-3822.
Vil’ V.A., Grishin S.S., Baberkina E.P., Alekseenko A.L., Glinushkin A.P., Kovalenko A.E., Terent’ev A.O. Electrochemical synthesis of tetrahydroquinolines from imines and cyclic ethers via oxidation/aza-Diels-Alder cycloaddition // Adv. Synth. Catal. – 2022. - V. 364. – P. 1098-1108
Vil’ V.A., Grishin S.S., Terent’ev A.O. Electrochemically induced synthesis of imidazoles from vinyl azides and benzyl amines // Molecules. – 2022. – V. 27. – P. 7721.
Vil’ V.A., Barsegyan Y.A., Kuhn L., Terent’ev A.O., Alabugin I.V. Creating, preserving, and directing carboxylate radicals in Ni-catalyzed Csp3-H acyloxylation of ethers, ketones, and alkanes with diacyl peroxides // Organometallics. – 2023. – V. 42. – I. 18. – P. 2598-2612.
Grishin S.S., Mulina O.M., Vil’ V.A., Terent’ev A.O. Electrochemical synthesis of CN-substituted imidazo[1,5-a]pyridines via cascade process using NH4SCN as both electrolyte and non-trivial cyanating agent // Org. Chem. Front. – 2024. – V. 11. – P. 327-335.
Grishin S.S., Ustyuzhanin A.O., Vil’ V.A., Terent’ev A.O. Electrochemically Mediated Synthesis of Cyanated Heterocycles from Α-Amino Esters, Pyridine-2-Carbaldehydes and NH4SCN as Cyano Group Source // Chem. A. Eur. J. – 2025. – e202404051.
