Химики превратили аммиак в аминокислоты

Китайские химики предложили метод синтеза аминокислот из аммиака. Они провели реакции между диазосоединениями и аммиаком в присутствии двух катализаторов — органического и металлорганического. В результате им удалось получить энантиомеры аминокислот с высокими выходами. Исследование опубликовано в Nature Catalysis.

Аммиак — газ с резким запахом и формулой NH3. Он обладает оснóвными свойствами и легко образует соли с сильными кислотами, которые используют в качестве азотных удобрений. Также из аммиака можно получать амины — органические соединения, в которых атомы водорода аммиака замещены на цепочки из атомов углерода.

Аммиак мог бы быть идеальным веществом для применения в органическом синтезе — это дешевый и активный реагент. Но проблема в том, что реакции с ним часто идут неселективно. Например, получить из аммиака первичный амин реакцией с органическим галогенидом практически невозможно: на выходе все время получается смесь первичного, вторичного и третичного аминов вместе с аммонийной солью. А реакции, в которых катализаторами выступают комплексы металлов, часто вообще не идут в присутствии аммиака — он легко вытесняет лиганды, координированные к металлу, и дезактивирует катализатор.

Химики под руководством Чжоу Ци-Линя (Zhou Qi-Lin) из Нанькайского университета смогли успешно применить аммиак в металл-катализируемой реакции с диазосоединениями. Они подобрали лиганд — трис(пиразолил)борат — который прочно координировался к атому меди, и аммиак не разрушал катализатор в процессе реакции. Также химикам понадобился органический катализатор с фрагментом тиомочевины.

Ученые предполагали, что на стабильном медном катализаторе диазосоединения будут разлагаться с выделением азота, а получившийся карбен будет внедряться в связи азот-водород аммиака. При этом будет получаться илид (молекула с положительным и отрицательным зарядами на разных атомах), который будет протонироваться и превращаться в эфир аминокислоты.

Чтобы проверить свою гипотезу, химики взяли комплекс меди с трис-пиразолилборатом, смешали его с диазосоединением и органическим катализатором. Затем в смесь добавили раствор аммиака в трет-бутилметиловом эфире и перемешивали ее 10 часов при 40 градусах Цельсия. С помощью колоночной хроматографии химикам удалось выделить продукт — сложный эфир аминокислоты — с выходом 90 процентов и энантиомерным избытком 96 процентов.

Далее ученые провели компьютерные расчеты методом DFT (теория функционала плотности), чтобы узнать, как именно протекает катализ. Им было известно, что диазосоединение разлагается на атоме меди, но как именно получается продукт, химики не знали. Оказалось, что один энантиомер аминокислоты получается благодаря переносу атома водорода с амидной группы органического катализатора. Когда разлагается диазосоединение и происходит присоединение аммиака, получается илид, способный протонироваться. И в этот момент перенос водорода от органического катализатора с одной из сторон илида оказывается более энергетически выгодным, и поэтому образуется только один энантиомер.

В результате химики разработали метод получения аминокислот из аммиака и протестировали его на десятках соединений. Во всех случаях выход оказался больше 50 процентов, а энантиомерный избыток превзошел отметку в 80 процентов. Авторы считают, что им удалось одними из первых применить аммиак в реакции, катализируемой комплексом переходного металла.

В 2021 году за исследования реакций, катализируемых органическими катализаторами, дали Нобелевскую премию. Об этом мы рассказывали в материале «Химия зазеркалья».

Источник: N+1 .