Разработка методов синтеза и исследование новых азакраун-соединений

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ

ИНСТИТУТ ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

им. А. Н. НЕСМЕЯНОВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

Ощепков Максим Сергеевич

Разработка методов синтеза и

исследование новых

азакраун-соединений 02.00.03 – органическая химия 02.00.04 – физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва 2012 2

Работа выполнена на кафедре технологии тонкого органического синтеза и химии красителей Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева»

(РХТУ) Научные руководители доктор химических наук, проф.

Федорова Ольга Анатольевна

ИНЭОС РАН

доктор химических наук, проф.

Перевалов Валерий Павлович РХТУ

Официальные оппоненты: доктор химических наук Ширинян Валерик Зармикович

ИОХ РАН

доктор химических наук Кочетков Константин Александрович

ИНЭОС РАН

Ведущая организация: Химический факультет Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова"

Защита состоится 23 мая 2012 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.250.01 по присуждению ученой степени кандидата химических наук при ИНЭОС РАН по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, В-334, ул.

Вавилова, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНЭОС РАН

Автореферат диссертации разослан « » апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.250. кандидат химических наук Ларина Т.А.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Азакраун-соединения в настоящее время с успехом применяются в различных областях науки и техники: в органическом синтезе в процессах межфазного катализа, в аналитической химии в качестве высокоселективных лигандов для катионов металлов, в медицине при создании контрастных реагентов для магнитно-резонансной томографии. Кроме того, азакраун-соединения используются в качестве реагентов при проведении биохимических исследований, а также являются важным составным блоком в сложных супрамолекулярных системах различного назначения.

Известные к настоящему времени методы синтеза азамакроциклических соединений достаточно многочисленны и разнообразны. В то же время сложные функциональные системы, содержащие фрагменты азакраун-соединений, в литературе представлены в значительно меньшей степени. Одна из причин этого является неустойчивость азамакроциклических соединений в химических процессах, которые могли бы привести к получению сложных органических продуктов. В связи с этим актуальной синтетической задачей является поиск новых способов получения азакраун-соединений, позволяющих проводить достраивание макроцикла на сложных функциональных молекулах в мягких условиях.

Другим актуальным направлением исследований в области краун-соединений является установление связи между их структурой и комплексообразующими свойствами. Для достижения значимых результатов в этой области необходимы комплексные исследования с использованием совокупности физико-химических методов анализа, включающих ЯМР и оптическую спектроскопию, потенциометрию, методы экстракционного анализа. Результаты таких исследований позволяют определить зависимость между структурой краунсодержащих систем и их способностью к связыванию с катионами металлов. Данные знания открывают путь к созданию практически важных материалов различного назначения.

Цель работы. Цель данной диссертационной работы состояла в: 1) разработке методов синтеза производных бензо-, пиридиназакраун-соединений и бензокриптандов различного строения, а также новых стириловых красителей и производных нафталимида, содержащих в своем составе азамакроциклы; 2) изучении процесса комплексообразования новых азакраунсодержащих соединений с катионами металлов для установления связи между структурой лиганда и его комплексообразующими свойствами.

Научная новизна. В настоящей работе предложен метод синтеза производных бензо-, пиридиназакраун-соединений и бензокриптандов конденсацией ациклических предшественников при комнатной температуре в концентрированном ацетонитрильном растворе реагентов. Впервые обнаружено образование азамакроциклических соединений в отсутствие карбонатов щелочных металлов.

Подобраны условия получения и синтезирован ряд неописанных ранее стириловых красителей, содержащих азамакроциклический фрагмент.

Продемонстрирована возможность использования разработанного в данной работе метода макроциклизации для синтеза серии новых фоточувствительных азакраунсоединений путем достраивания азакраун-эфирного фрагмента на производных нафталимида.

Выявлены структурные факторы синтезированных азакраун-соединений, влияющие на селективность их комплексообразования с катионами металлов.

Показана возможность использования азакраун-соединений, включенных в состав стириловых красителей и производных нафталимида, в оптическом катионном анализе.

Практическая ценность работы заключается в следующем: 1) Предложен метод азамакроциклизации, мягкие условия которого позволяют проводить процесс с участием широкого круга реагентов и получать целевые продукты с высокими выходами; 2) обнаружена высокая селективность синтезированных азакраун-соединений по отношению к анионам йода и катионам серебра в процессах их экстракции из водных растворов; 3) установлена высокая каталитическая активность азакраун-соединений в реакции окислительного обессеривания пероксидом водорода смесей сероорганических соединений в насыщенных углеводородах, моделирующих дизельное топливо; 4) получены флуоресцентные сенсоры на катионы металлов.

Личный вклад автора. Автор диссертации участвовал в анализе литературных данных, обсуждении задач, решаемых в диссертационной работе, подготовке и проведении экспериментов, интерпретации полученных результатов и их обобщении, формулировке основных научных выводов, а также в написании научных публикаций и представлении докладов по теме диссертации на конференциях различного уровня.

Данная работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 09-03-00108, 09Министерства образования и науки РФ (Гос.контракт № 16.74011.0446), а также Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научнотехнической сфере.

Автор выражает особую благодарность к.х.н. Ю. В. Федорову, к.х.н. Е.Н. Гулаковой, к.х.н. П. А. Панченко и М. В. Добровольской (ИНЭОС им. А. Н. Несмеянова РАН), проф.

А. В. Анисимову, к.х.н. Э. В. Рахманову и студ. А. С. Ощепкову (Химический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова), проф. К. Глое (Технический Университет г. Дрездена, Германия) за участие в обсуждении и организации экспериментальной работы на разных ее этапах.

Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях: Открытый конкурс на лучшую научную работу студентов вузов по естественным, техническим и гуманитарным наукам (Министерство Образования РФ, Россия, 2009г); V, VI и VII Международный конгресс молодых ученых по химии и химической технологии «UCChT» (РХТУ, Москва, Россия, 2009, 2010, 2011гг.); IX, X и XI Всероссийская выставка Научно-технического творчества молодежи (НТТМ) (ОАО «ГАО ВВЦ», Москва, Россия, 2009, 2010, 2011 гг.);

XLV, XLVI Всероссийская конференция по проблемам математики, информатики, физики и химии (РУДН, Москва, Россия, 2009, 2010 гг.); XVI, XVII, XVIII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (МГУ, Москва, Россия, 2009, 2010, 2011 гг.); I и II Международная молодежная школа-конференция по физической химии краун-соединений, порфиринов и фталоцианинов (Туапсе, Россия, 2009, 2010 гг.); Vth International Symposium «Supramolecular Systems in Chemistry and Biology» (Киев, Украина, 2009 г.); Design and Synthesis of Supramolecular Architectures (Казань, Россия, 2009 г.);

Выставка инновационных проектов (МГУ Химический факультет, Москва, Россия, 2009, 2011 гг.); 3rd, 4th International Summer School «Supramolecular Systems in Chemistry and Biology» (Львов, Украина, 2010 г.; Регенсбург, Германия, 2011 г.); «Инновации в химии:

достижения и перспективы» (МГУ Химический факультет, Москва, Россия, 2010г.); IV Молодежная конференция ИОХ РАН (Москва, Россия, 2010 г.); XXV Международная Чугаевская конференция по координационной химии и II Молодежная конференция-школа "Физико-химические методы в химии координационных соединений" (Суздаль, Россия, г.); Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области химических наук и наук о материалах в рамках Всероссийского фестиваля науки (Казань, Россия, 2011 г.).

Структура работы. Диссертационная работа общим объемом 170 страниц состоит из введения, обзора литературы, обсуждения полученных результатов, экспериментальной части, выводов и приложений и содержит 49 схем, 25 таблиц и 96 рисунков. Список литературы включает 167 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Синтез исходных диэлектрофилов, используемых в реакции образования Основным методом синтеза бензо-, пиридиназакраун-эфиров и бензокриптандов является реакция конденсации олигооксиэтиленов, содержащих в качестве терминальных групп хорошо уходящие тозильные группы или атомы галогенов, с,полиоксаалкандиаминами и диазакраун-эфирами. В настоящей главе описаны реакции получения бензо- и пиридиндиэлектрофилов, содержащих терминальные тозильные группы или атомы галогенов.

Прекурсор для синтеза бензоазакраун-эфиров – 1,2-бис-(2-гидроксиэтокси)бензол (1) – был получен по реакции Вильямсона гидроксиэтилированием пирокатехина этиленхлоргидрином в присутствии КОН (схема 1).

Из диола 1 при добавлении SOCl2 в сухом бензоле получали дихлорид 2.

Формилирование 1,2-бис(2-йодэтокси)бензола 3 проводилось по Даффу, нитрование 1,2бис(2-хлорэтокси)бензола 2 осуществляли смесью уксусной и азотной кислот. Кипячением в сухом ацетоне с NaI с выходом 84% был получен 3,4-бис(2-йодэтокси)нитробензол 6.

Дийодид 8 может быть получен взаимодействием соответствующего диэтанола с NaI.

Однако более эффективным подходом является двухстадийный синтез (схема 3) с образованием на первой стадии дитозилата 7.

Из пиридин-2,6-диметанола с использованием известных методов нами получены различные по реакционной способности диэлектрофилы 9-11 (схема 4).

4-Нитро-2,6-дибромметилпиридин 13 синтезирован бромированием 4-нитро-2,6лутидина 12а N-бромсукцинимидом (NBS) в бензоле при освещении и последующим восстановлением 13а диэтилфосфитом в присутствии основания Хунига (схема 5).

Конденсацией диэтилового эфира щавелевой кислоты с ацетоном в присутствии этилата натрия с последующим гидролизом была синтезирована хелидоновая кислота 14. Далее по реакции Юрьева кипячением 14 в 25% водном аммиаке получали хелидамовую кислоту (схема 6). Замещение гидроксильной группы на бром осуществляли пентабромидом фосфора.

Замену атома брома в 16 на метильную группу проводили с использованием диэтилмалоната и гидрида натрия. Дикислоту превращали вновь в диэтиловый эфир 4метилпиридин-2,6-дикарбоновой кислоты 17 и окисляли оксидом селена в уксусном ангидриде до 18 с выходом 48% (схема 7). Формильную группу 18 защищали и проводили восстановление сложноэфирных групп до спиртовых.

2. Синтез азакраун-соединений и бензокриптандов макроциклизацией подандов в условиях высокой концентрации реагентов.

Синтез краун-соединений, как правило, заключается в конденсации линейных предшественников в условиях высокого разбавления под действием оснований в среде органических растворителей или их смесей с водой при температуре кипения.

На примере конденсации 3,4-бис(2-иодэтокси)бензальдегида 4 с 2,2’-оксибис(Nметилэтанамином) 1a (схема 8) проведено изучение возможности проведения реакции при комнатной температуре, а также проанализировано влияние присутствия основания на выход продукта реакции.

Известно, что макроциклизации способствует присутствующий в реакционной среде катион металла, который, координируясь с гетероатомами поданда, образует темплатный комплекс, сближая друг с другом терминальные группы и облегчая их взаимодействие.

Максимальный темплатный эффект для 15-краун-5-соединений наблюдается у катиона калия, поэтому для проведения реакций макроциклизации нами был выбран К2СО3. В качестве растворителя использовался ацетонитрил, в котором растворяются как исходные органические реагенты, так и карбонат калия. Время окончания реакции определялось по данным ТСХ.

Зависимость выходов 22 от условий проведения конденсации реагентов представлена в табл. 1.

Таблица 1. Условия проведения реакции и выходы бензодиазакраун-соединения 22.

Концентрированный раствор Как показали наши исследования, во всех случаях наблюдались сравнимые высокие выходы продукта 22, которые не зависят от условий реакции – концентрации раствора реагентов и присутствия темплатного агента. Следует отметить, что протекания побочных реакций не наблюдалось, а присутствие в реакционной среде темплатного агента – К2СО3 – позволяет существенно сократить время реакции.

Аналогично была изучена конденсация линейных диэлектрофилов 3, 4, 6-11, 13, 21 с диаминами 1а-h, 26 в присутствии/отсутствии карбонатов щелочных металлов в концентрированном ацетонитрильном растворе при комнатной температуре (схема 9). С целью изучения влияния структуры реагентов на их взаимодействие реакцию проводили в одинаковых условиях (время реакции, температура и концентрация реагентов).

Можно предположить, что образование азакраун-соединений 22-43 включает в себя несколько стадий (схема 10). Реакция N-алкилирования диаминопроизводных 1а-h под действием 3, 4, 6 приводит к образованию производных аммония I, депротонирование которых дает азаподанды II. Заключительной стадией взаимодействия является циклизация азаподандов II в целевые макроциклические производные 22-36.

При использовании карбонатов щелочных металлов катионы участвуют в образовании промежуточного темплатного комплекса III (схема 10).

В отсутствие М2СО3 роль основания может выполнять исходный диамин. В этих условиях, возможно, циклизация азаподанда I в макроцикл протекает через образование комплекса со структурой IV (схема 10), в котором имеет место координация протона с терминальной аминогруппой. С одной стороны, образование такого комплекса способствует внутримолекулярной циклизации за счет организации поданда в псевдомакроцикл и сближения терминальных реагирующих групп. С другой стороны, из-за такой координации должна затрудняться заключительная стадия процесса – алкилирование терминальной аминогруппы, что и проявляется в длительном протекании реакции.

Выходы образующихся бензодиаза-15-краун-5-соединений 23, 24, бензотриаза-17-краунсоединения 30 и бензодиаза-18-краун-6-соединений 25, 26 достаточно высоки (табл. 2).

Низкий выход продукта 29, по-видимому, связан с возможностью протекания конденсации по любому атому азота цепи исходного тетраамина 1f и образованием широкого набора продуктов (табл. 2).

На примере безокриптандов 32, 33 показано, что в присутствии Na2CO3 выход продукта реакции ниже, чем в отсутствии основания (табл. 2). На наш взгляд, в ходе реакции образования криптанда происходит прочное связывание катиона металла с исходным диазакраун-эфиром через координацию с атомами азота и кислорода, что понижает нуклеофильность атомов азота и снижает их активность в реакции с дигалогенидами.

Для получения фенилазакраун-эфира 37 исходный дииодид 8 оказался недостаточно активен, образование продукта 37 наблюдалось лишь при использовании дитозилата 7 (табл.

2).

При проведении конденсации 1,5-бис(метиламино)-3-оксапентана (1a) с дитозилатом 2,6-пиридин-диметанола (9) или 2,6-бис(бромметил)пиридином (11) происходило значительное осмоление реакционной смеси, выходы целевого продукта 38 были невысокими. Использование больших по размеру диаминосоединений 1d и 1e получены целевые продукты 39, 40 с более высокими выходами (табл. 2).

Обнаружено также, что электронные факторы заместителей в ароматическом ядре исходных дигалогенидов 4, 6, 13, 21 не оказывают заметного влияния на протекание макроциклизации и выходы целевых продуктов.

Таблица 2. Условия проведения реакции и выходы азакраун-соединений 22-43.

Интересно, что для каждого из синтезированных лигандов наблюдается своя характерная селективность комплексообразования. Различие в величинах констант комплексообразования между расположенными соседними катионами металлов в ряду составляет 1-2 порядка, однако между крайними катионами металлов это различие достаточно велико и может достигать 5 порядков.

Таблица 5. Константы протонирования соединений 23, 25, 30, 39, 46 и константы устойчивости их комплексов с катионами Ni2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+, Ag+, Pb2+ (вода, 25.0C, = 0.10 М KNO3).

[a] лит. данные; [b] образование нерастворимых гидроксокомплексов при низких значениях pH;

[c] образование комплекса не наблюдалось.

Таким образом, к достоинствам изученных комплексонов можно отнести способность эффективно связывать катионы различных металлов в воде с константами устойчивости, значения которых варьируются от средних до достаточно высоких. Наличие синтетически доступных лигандов с различной селективностью может обеспечить в дальнейшем построение на их основе линейки сенсоров для катионного анализа.

4. Включение азакраун-соединений в сложные полифункциональные Примеры включения азакраун-соединений в сложные полифункциональные системы в литературе малочисленны. В настоящее время широко развивается направление по созданию высокоэффективных фоточувствительных материалов. В данной работе с целью получения новых оптических и флуоресцентных сенсоров было осуществлено введение ионофорных фрагментов азамакроциклов в состав таких фоточувствительных молекул, как стириловые красители и нафталимиды.

4.1. Синтез азакраунсодержащих стириловых красителей и исследование их Известно, что основным подходом к синтезу стириловых красителей является конденсация альдольного типа четвертичных солей гетероциклических оснований с производными бензальдегида.

Основания краунсодержащих стириловых красителей были получены конденсацией метильных производных гетероароматических соединений с формильными производными краун-эфиров под действием NaOMe. К сожалению, дальнейшие реакции по получению на их основе подходящих диэлектрофилов и использование их в реакциях с диаминами были неуспешными (схема 12).

Диазакраунсодержащие стириловые красители 50a,b были получены реакцией конденсацией четвертичных солей бензотиазолия с формильным производным бензoдиазакраун-соединения 22 в среде абсолютного этанола (схема 13). В качестве основания в этой реакции выступает бензодиазакраун-соединение 22.

Альтернативным способом получения данного типа диазакраунсодержащих стириловых красителей может являться двухстадийный синтез с получением на первой стадии ациклического стирилового красителя 49 и достраивании диазамакроцикла на второй стадии.

Краситель 49 был получен с выходом 67% (схема 14).

Реакцию макроциклизации 49 с диамином 1a проводили как в присутствии К2СО3, так и без него по разработанной нами методике, однако образования целевого продукта не наблюдалось. Результат может быть связан с низкой устойчивостью дииодида 49, поскольку протекание реакции сопровождалось практически полным осмолением реакционной массы.

Наличие хромофорной части в 50а позволяет проводить исследования комплексообразования методом спектрофотометрии. Стириловый краситель 50а практически не растворяется в воде, однако, хорошо растворим в ацетонитриле.

Хромофорная система 50a образована бензотиазолиевым фрагментом и сопряженным с ним через двойную связь бензольным кольцом с двумя донорными атомами кислорода (схема 15). Если при образовании комплекса образуются координационные связи между катионом металла и атомами кислорода, сопряженными с хромофорной системой, то в электронном спектре поглощения будет наблюдаться гипсохромный сдвиг длинноволновой полосы поглощения (ДП). А в случае координации катиона только по атомам азота оптические изменения предполагаются небольшие, поскольку данные гетероатомы не входят в состав хромофорной системы.

Стириловый краситель 50a практически не растворяется в воде, однако хорошо растворим в ацетонитриле. Добавление перхлоратов Cd2+, Co2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+ к раствору 50a не вызывает изменения положения и интенсивности длинноволновой полосой поглощения. Поскольку из данных потенциометрического титрования известно, что катионы металлов Ni2+, Cd2+ и Cu2+ образуют комплексы с диазакраун-эфирами, то отсутствие оптических изменений свидетельствует о координации катиона металла только по атомам азота, которые не входят в состав хромофорной системы.

Таблица 6. Константы комплексообразования и данные ЭСП лиганда 50a с катионами металлов в ацетонитриле, 20oC.

Добавление перхлоратов Mg2+, Ca2+, Ba2+, Ag+, Hg2+, Pb2+ к раствору соединения 50a ([50a] = 5·10-5 моль·л-1) в MeCN приводит к гипсохромному сдвигу ДП в ЭСП, что свидетельствует о протекании процесса комплексообразования с участием краун-эфирного фрагмента. Значения максимумов ДП в спектрах поглощения лиганда 50a и его комплексов с исследованными катионами металлов приведены в табл. 6.

Расчет констант устойчивости комплексов лиганда 50a с катионами Mg2+, Ca2+, Ba2+, Ag+, Hg2+, Pb2+ (табл. 6) проводили с использованием метода спектрофотометрического титрования и расчетной программы "SPECFIT/32". При расчете констант устойчивости учитывалась возможность образования комплексов по схемам:

Известно, что для катионов большого диаметра, таких как Ca2+, Ba2+, Hg2+ и производных 15-краун-5-эфира характерно образование сэндвичевых комплексов стехиометрии 2:1. Действительно, в наших исследованиях было обнаружено образование комплексов состава 2:1 для катионов Ca2+ и Ba2+. Для катионов Mg2+, Ag+, Pb2+ установлено образование комплексов стехиометрии 1:1 с исследуемым лигандом (схема 16).

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что введение хромофорной части в состав ионофора приводит к возможности проведения исследования комплексообразования с использованием спектрофотометрического метода. Полученные данные также позволяют сравнить комплексообразующую способность диаза-15-краун-5эфира в ацетонитриле и в воде. Так, катионы серебра образуют с данным краун-соединением близкие по устойчивости комплексы в воде и ацетонитриле. Этот факт объясняется тем, что координация катионов серебра осуществляется в основном через гетероатомы азота, вода или ацетонитрил не являются этим гетероатомам конкурентами. В то же время вода благодаря высокой сольватирующей способности может значительно влиять на способность определенных катионов металлов к координации с краун-эфиром. Переход от водного к ацетонитрильному раствору расширяет комплексообразующие возможности диазакраунэфира. В результате установлено, что азакраун-эфир связывает катионы щелочно-земельных металлов в ацетонитриле, что не наблюдалось в воде, а также обнаружено увеличение значений констант устойчивости комплексов с катионами свинца и ртути.

4.2. Синтез азакраунсодержащих производных N-фенил-1,8-нафталимида.

Методы обнаружения катионов металлов, основанные на флуоресцентном детектировании, благодаря их высокой чувствительности и избирательности, а также возможности дистанционного проведения анализа при использовании оптоволоконных спектрофотометров являются очень популярными среди аналитических методов.

Поскольку производные нафталимида являются эффективными люминофорами, то весьма привлекательной представляется идея использовать их в качестве сигнальных элементов для конструирования различного типа молекулярных устройств. Так, в литературе описаны примеры флуоресцентных сенсоров на катионы и анионы, содержащих остаток нафталимида.

Синтез 4-бром-, 4-нитро- и 4-метокси-N-фенил-1,8-нафталимидов, содержащих в Nфенильном ядре алкокси- группы и остаток азакраун-эфира.

В качестве субстратов для синтеза производных нафталимида использовали коммерческий доступный 4-бромнафталевый ангидрид (51) и полученный из ацетонафтена 4-нитронафталевый ангидрид (52).

В качестве модельных ароматических аминов использовали 4-аминопиридин, анилин.

Другие первичные амины получены путем восстановления соответствующих нитросоединений 5, 6, 12, 13, 34-36, 42 под действием гидразин гидрата - Ni-Ренея или действием сульфата железа (II) в уксусной кислоте.

В данной работе синтез производных N-фенил-1,8-нафталимида проводили ацилированием аминов бензольного ряда 4-замещенным нафталевым ангидридом при кипячении в 80% уксусной кислоте в течение 1.5 ч. Для получения N-пиридинсодержащих нафталимидов ацилирование аминопиридинов проводилось в присутствии ацетата цинка (схема 17, табл. 7).

Таблица 7. Условия проведения реакции по схеме 17 и выходы соединений 53-60.