Синтез и исследование порфиразинов с 5,7-замещенными диазепиновыми фрагментами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ
|
Тараканов, Павел Александрович
АВТОР
|
||||
|
кандидата химических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Иваново
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2012
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
02.00.03
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
005015916
На правах рукописи
Тараканов Павел Александрович
СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРФИРАЗИНОВ С 5,7-ЗАМЕЩЁННЫМИ ДИАЗЕПИНОВЫМИ ФРАГМЕНТАМИ
02.00.03 — органическая химия
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук
3 МАЙ 1Ш
Иваново 2012
005015916
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет»
Научный руководитель: доктор химических наук, доцент Стужин Павел Анатольевич.
Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Ненайденко Валентин Георгиевич, профессор кафедры химии нефти и органического катализа Химического факультета «МГУ им. М.В. Ломоносова»;
доктор химических наук, профессор Майзлиш Владимир Ефимович, профессор кафедры технологии тонкого органического синтеза Ивановского государственного химико-технологического университета.
Ведущая организация: ФГБУН «Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН»,
Защита диссертации состоится «21» мая 2012 г в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.063.01 в ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, д. 7. Тел. (4932)32-54-33. Факс (4932)32-54-33, e-mail dissovet@isuct.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Ивановского государственного химико-технологического университета
по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, д. 10.
Автореферат разослан « » апреля 2012 г. Ученый секретарь
г. Москва.
Д 212.063.01
совета
Кувшинова Е.М.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Синтез и изучение свойств порфиразинов является актуальным направлением в современной химии. Особенности молекулярной структуры фтало-цианинов и родственных соединений (порфиразинов, тетрапиразинопорфиразинов и т.п.) обуславливают возможность осуществления ими функций катализаторов и фотокатализаторов окислительно-восстановительных взаимодействий между самыми разнообразными субстратами. Порфиразины по эффективности действия в этом качестве не уступают, а часто и превосходят свои карбоаналоги - порфирины, реализующие эти функции в живой природе. Не менее важным направлением применения порфиразинов является и современная органическая электроника. В связи с этим очень важна разработка синтеза новых порфиразинов, в том числе с аннелированными гетероциклами, и изучение их структуры и физико-химических свойств. Особое внимание в последнее время уделяется исследованию супрамолекулярной химии.
Цель работы. Синтез и исследование физико-химических свойств новых 1,4-диазепинаннелироваипых порфиразинов. Разработка нового подхода к синтезу р,р-аминозамещённых порфиразинов на основе 1,4-диазепинаннелированных порфиразинов.
При выполнении работы были поставлены и решены следующие задачи:
- синтез и исследование спектральных свойств новых алкил-, алкенил- и арилзамещён-ных тетракис-1,4-диазепинопорфиразинов и их металлокомплексов с , 7,п , № , Си , Ре";
- изучение влияния свойств среды на строение и физико-химические свойства тегракис-1,4-диазепинопорфиразинов;
- синтез новых низкосимметричных (АААВ) порфиразинов, содержащих аннелирован-ные фрагменты 5,6-диэтилпиразина (А) и 1,2,5-селенодиазола (В) или 5,7-дифенил-6Я-1,4-диазепина (В), и исследование их спектральных свойств;
- изучение реакции модификации периферии низкосимметричньгх (АААВ) порфиразинов для разработки нового метода синтеза р,Р-аминозамещённых порфиразинов.
Работа выполнена с использованием методов электронной абсорбционной, эмиссионной, ИК- и 'II ЯМР-спектроскопии, масс-спекгрометрии, элементного анализа, рентгеноструктурного анализа и колоночной хроматографии.
Научная новизна. Разработаны методы синтеза серии новых порфиразинов симметричного и низкосимметричного строения, содержащих аннелированные семичленные 1,4-диазепиновые гетероциклы, и получены их комплексы с №и, У.пи, Си и Бе .
Впервые получены 5,7-алкил- и алкенилзамещённые 1,4-диазепинопорфиразины. Изучено влияние природы растворителя на спектральные свойства полученных тетра-кис-1,4-диазепинопорфиразинов и обнаружена их способность к образованию специфических димерных структур за счет комплементарных водородных связей. Структура ди-мерного комплекса №п установлена методом рентгеноструктурного анализа. Предложена схема взаимодействий исследуемых соединений в растворах, объясняющая сильную зависимость их ЭСП и !Н ЯМР спектров от природы растворителя и добавки лигандов.
Впервые получены порфиразины АААВ типа, содержащие три пиразиновых и один 1,4-диазепиновый или 1,2,5-селенадиазольный фрагменты и изучены их спектральные и кислотно-основные свойства. Разработан принципиально новый подход к синтезу Р,Р-аминозамещённых порфиразинов на основе 1,4-диазепинопорфиразинов.
Научная и практическая значимость. Фундаментальные исследования химии порфиразинов являются необходимым этапом для расширения перспектив их практического использования, например, для создания на их основе эффективных катализаторов, устройств органической электроники, препаратов для диагностики и лечения заболева-
ний полостных органов (в частности, рака) и др. Поскольку производные диазепинов, проявляя высокую биологическую активность, широко применяются в фармацевтике, с прикладной точки зрения, представляется очень перспективным объединение свойств диазепиновых и порфиразиновых гетероциклов в единой молекуле. Создание и исследование самоорганизующихся супрамолекулярных систем, аналогичных биологическим, является одним из приоритетных направлений современной химии. Обнаруженная способность тетракис-1,4-диазепинопорфиразинов к специфической димеризации посредством комплементарных водородных связей открывает перспективы прикладного применения этих соединений.
Разработанный новый подход к синтезу р,р-аминозамещённых порфиразинов на основе 1,4-диазепинопорфиразинов удобен для селективной периферической модификации порфиразинов, что перспективно для практического использования.
Личный вклад автора. Непосредственное участие на всех этапах работы: постановка цели и задач работы, планирование эксперимента, обсуждение полученных результатов. Все описанные в работе экспериментальные исследования выполнены лично автором.
Настоящая работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (10-03-01069-а) и ФЦП научные и научно-педагогические кадры инновационной России (ГК №. 14740.11.0268).
Апробация работы. Результаты работы представлялись на Международных научных конференциях по порфиринам и фталоцианинам (1СРР-4, 2006, Рим; ICPP-5, 2008, Москва); на 11-й Международной конференции по химии порфиринов и их аналогов (ICPC-U, 2011, Одесса); на XXIV Международной Чугаевской конференции по координационной химии (2009, Санкт-Петербург); на конференциях «Природные макроцикли-ческие соединения и их синтетические аналоги» (2007, Сыктывкар); «Новые направления в химии гетероциклических соединений» (2009, Кисловодск); на VI Всероссийской конференции молодых учёных, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев 2012» (2012, Санкт-Петербург).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 4 статьи и 6 тезисов докладов.
Объем н структура диссертации. Диссертация изложена на 177 страницах машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения полученных результатов, выводов. Работа содержит 11 таблиц, 68 рисунков, 47 схем и список цитируемой литературы, включающий 220 работ.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Литературный обзор
Литературный обзор состоит из шести разделов. В первых двух рассматривается история открытия исследуемых гетероциклов, особенности их строения и номенклатура. В третьем и четвёртом разделах подробно анализируются методы синтеза порфиразинов и их металлокомплексов, а также 1,4-диазепшшв, и обсуждаются имеющиеся данные их структурных исследований. Пятый раздел посвящен рассмотрению ЭСП, ИК и *Н ЯМР спектров порфиразинов, а в шестом разделе представлены особенности кислотно-основного взаимодействия исследуемых гетероциклов.
2. Экспериментальная часть
В этой части работы перечислены использованные реактивы и описаны методы их очистки, изложены также методы синтеза, выделения и физико-химические характери-
стики (масс-спектрометрия, ЭСП, ИК, !Н ЯМР спектроскопия, элементный анализ) всех полученных соединений
3. Обсуждение результатов
3.1. Синтез и исследование 5,7-дизамещённых-6#-1,4-диазепин-2,3-дикарбонктрилов.
5,7-дитрет-бутил-6Н-1,4-диазепин-2,3-дикарбонитрил (3) получали с выходом 20% при конденсации эквимолярных количеств дикетона 1 и диаминомалеонитрила 2 в безводном этаноле в присутствии Рг05:
Структура полученного динитрила 3 была установлена методом рентгенострук-турного анализа2 (см. Рис. 1), который показал, что 1,4-диазепиновый гетероцикл находится в форме 6|/-таутомера и имеет коиформациго ванны со средним значением двугранных углов плоскости N1N2C5C11 с плоскостью N1N2C3C1 - 155°, а с плоскостью С5С10С11 - 145°.
5,7-ди(4-трет-бутилфенил)-6Н-1,4-диазепин-2,З-дикарбонитрил (5) был получен, исходя из простейших прекурсоров - т£>ет-бутилбензола и 4-тре/я-бутилбензойной кислоты (Схема 1). Дикетон 4 (выход 36% по трет-бутилбензолу) при конденсации с диаминомалеонит-рилом в абсолютном этаноле в присутствии каталитического количества Р2О5 давал динитрил 5 с выходом 95%.
5.7-бис[(Е)-2-(4-(метокси,_Ы-диметиламино)фенш)этиленил]-6Н-1.4-диазепин-2,3-
дикарбонитрил (6 и 7) синтезировали конденсацией 5,7-диметил-6Я-1,4-диазепин-2,3-
дикарбонитрила, полученного из диаминомалеодинитрила и аце-тилацетона с соответствующими альдегидами (Схема 2), причем за счет оптимизации условий конденсации их выход был повышен по сравнению с литературным (с 10% до 85%).
1 MALDI-TOF масс-спектры регистрировались к х н. А.Г. Мартыновым (ИОНХ им. Н.С. Курнакова РАН); 'Н ЯМР спектры регистрировались к.х.н. P.C. Кумеевым (ИХР РАН).
2 РСА выполнен д.х.н. С.Е. Нефёдовым (ИОНХ им. Н.С. Курнакова РАН)
Схема 1.
+ у с^
° и H CN
Схема 2.
'Н ЯМР спектры показали, что все полученные 5,7-замещённые-1,4-диазепин-2,3-дикарбонитрилы (3,5-7) в нейтральной среде находятся в форме бЯ-таутомера. Исследование температурной зависимости 'Н ЯМР спектров и коалесценции сигналов диасте-реотропных ея- и ах-СН2 протонов показало, что наличие фенильной группы непосредственно в 5,7-положении повышает энергетический барьер инверсии 1,4-диазепинового цикла (Таблица 1). Это объясняется одновременным влиянием двух факторов, препятствующих инверсии цикла - частичное сопряжение фенильной группы с 1,4-диазепиновым циклом и пространственные затруднения.
Таблица 1. Параметры 1IIЯМР сигналов СН2 протонов диазепинового чикла.
1,4-диазепин Растворитель 5 м.д.СН2 протонов Тк(К) коалесц. АО инверсии (дж/моль)
ах-Н ея-1 1 Гц
(4-Ме081уг)207.(СЫ)2 6 ИМБО 2,05 5,35 - 323 57,2
'Ви20г(С^2 3 Ру 1,7 4,7 12,2 323 57,5
(4-'ВиРЬ)2Ог(СЫ)2 5 Ру 2 5,7 11,5 363 64,1
я Спектральные исследования в кис-
/ , лых средах показали, что алкилзамещён-
н - " Д-г- || \ ный динитрил 3 в трифторуксусной и сер-
"^и'Ч ной кислотах находится в форме монока-н " тиона (Схема 3), а арил- (5) и алкенил- (6, 7) Схема 3. Протонирование 1,4-дназепина цикла, замещённые менее основны и образуют
монокатион только в серной кислоте. 3.2. Синтез и исследование тетракие-1,4-дназепш1о|2,3-Ь^,1,<)]ппрфираишов и их металлокомплексов.
До начала наших исследований были известны только тетра(5,7-дифенил-1,4-диазепино)порфиразин и его металлокомплексы. Однако особенности, наблюдаемые в их ЭСП, 'Н ЯМР спектрах, не имели удовлетворительного объяснения. Для установления взаимосвязи особенностей структуры диазепинопорфиразинов и их спектральных свойств мы получили /лрет-бутил-фенилзамещённые тетрадиазепинопорфиразины, а также впервые алкил- и алкенилзамещённые аналоги.
Тетракис(5,7-ди(трет-6утил)-6Н-1.4-диазепино)[2,3-Ъ, е.I.а]порфиразин получали в виде комплекса (8а) в условиях темплатной циклотетрамеризации дикарбонитрила 3 в бутаноле в присутствии бутилата мапшя с выходом 60% (Схема 4). Полученный продукт был очищен перекристаллизацией в ацетонитриле. Метод хроматографии не может быть применён, поскольку в её процессе наблюдается деструкция 8а, сопровождающаяся раскрытием диазепинового цикла. Масс-спектрометрическое исследование продуктов позволило предложить следующую схему деструкции (Схема 4):
ИХ
-14 у г., «д.
Ч
лл
(М»Н1*=!вМст. 1М+Н1*=923-2СТ. 1М*НТ=»59-Зст
350
657
нации, до сих пор они получались лишь путем восстановительного деселенирования 1,2,5-селенодиазолоаннелированных порфиразинов под действием сероводорода. Нами предложен новый подход к синтезу р,р-аминозамещённых порфиразинов путем модификации диазепинового цикла в низкосимметричных диазепинопорфиразинах.
Низкоышметричные трис(5,6-диэтиппиразино)порфиразины с аннелированным 1,4-диазепиновым (1.2.5-селенодназольным) фрагментами получали темплатной кросс-соконденсацией 5,6-диэтилпиразин-2,3-дикарбонитрила (12, А) с 5,7-дифенил-6Я-1,4-диазепин-2,3-дикарбонитрилом (13, В) или 1,2,5-селенадиазол-2,3-дикарбонитрилом (11,
В) в соотношении А:В=7:1 в присутствии бутилата магния в бутаноле. При этом с общим выходом 80% была получена смесь Mg11-комплексов порфиразинов симметричного АААА и ВВВВ и низкосимметричного строения состава 1:3 — АААВ (3), 2:2 - г(ис-ААВВ и транс-AB AB, 3:1 - АВВВ (Схема 8), из которой мето-
500
700 им
600
Рис. 10. ЭСП 14, а,б и 15.а в дихлометане с добавление м 1% пиридина в случае металлоко.мтексов.
дом колоночной хроматографии были выделены низкосимметричные порфиразины АААВ с выходом 14% для 15а и 2% для 14а. Оптимизировав условия синтеза трипира-зин-1,2,5-селенодиазоланнелировашюго порфиразина на примере цинкового комплекса, мы добились повышения выхода низкосимметричного порфиразина 146 до 15% (Схема 9). В неполярных растворителях порфиразины (14а,б, 15а) склонны к ассоциации, которая снимается при добавлении координирующего пиридина (Рис. 10).
М=Мд (14а) CF.COOH
М=Мд (15а) CF.COOH
C.H.OLi, C.HjOH
\\ А
■V-N
Zn(CHjCOO), f \ / %
-— n' Z„
У \
и В
А \V
Схема 9.
Строение полученных порфиразинов было установлено методом масс-спектрометрии МЛ1,0[-Т0!':
Intens. XI О8
Intens ХЮ8
Intens. ХЮ8
1
766 [M+Na]ь 766 [М^К]+
808 [М+Н]+
146
„J. 830 [M+Na]+ [846 [tvHK]1
6 958 [M+H]+
4
15
2
1000 1400 1800m/z
' 600 1000 1400 1800т/г 600 1000 1400 1800т/г < Рис. 11. Масс-спектры МЛI.О! ТОЬ'порфиртинов 14, 146, 15.
Модификация 1,2,5-селенодиазолъного и 1,4-диазепинового фрагментов в низкосимметричных порфиразинах АААВ типа 14 и 15. Реакция восстановительного деселе-нироваиия 1,2,5-селенадиазолопорфиразина по действием Н28, которая на протяжении уже 10 лет применяется в химической практике синтеза вицинальных аминопорфирази-нов, в случае порфиразина 14,6 приводит к р,р-диаминотрипиразинопорфиразину 16,а, который в процессе выделения на воздухе легко окисляется в секо-порфиразин 18 (Схема 10).
M=Zn (146) М=Н2 (14)
NL .Et
М=Мд (15а) М=Н2(15)
M=Zn (18)
ла3. Однако совокупность полученных нами структурных и спектроскопических ('Н ЯМР, ЭСП) данных однозначно свидетельствует, что на самом деле наличие расщеплённой Q-полосы объясняется димеризацией тетракис-1,4-диазепинопорфиразинов и их комплексов, как в растворах, так и в твердом состоянии.
Строение димера было определено рентгеноструктурным анализом4 монокристаллов Nin комплекса 9в, полученных из раствора в CHCI3, (Рис. 5). Хотя димер состоит из двух кристаллографически независимых молекул, содержащих Nil и N¡2, его симметрия близка к Dm классу (квадратная антипризма), что свойственно сэндвичевым фталоциа-нинам, например, Pc2Lu и Pc2Zr. Расстояние Nil...Ni2 составляет всего 3.234 А, а Са...Са' 3,325 А, что и обуславливает наличие сильного экситонного взаимодействия двух гс-хромофоров, приводящего к появлению расщеплённой Q-полосы, аналогично фталоцианинам с сэндвичевой структурой.
Склонность тетрадиа-зепинопорфиразинов к образованию такого типа диме-ров объясняется повышенной кислотностью СН2 групп диазепинового цикла и способностью аксиальных атомов водорода в диазепи-новых кольцах одной молекулы к строго комплементарным взаимодействиям с мезо-атомшн азота соседней молекулы за счет образования между ними водородных связей с участием молекулы воды. Об этом свидетельствует совокупность данных ЭСП и 'Н ЯМР спектроскопии.
Рис. 5. Вид димера по оси С^МП-Ы12), и вид укладки димеров в элементарной ячейке монокристалла 9в.
679
679
Рис. 6. ЭСП: А- титрование 9а Н20(0-20%) в ОШО; Б-титрование 9а &аС)Н(0-0,1М) в ОСЫ; В-1) 9а в йМЗО (20% Н2О), 2) добавление ¡ЬаР к раствору 9а в ВМЗО, 3) после нагревания до 80 °Сраствора 9а в (■ 1Ьа¥\ Г- 9в в /)М5С при добавлении ЛаР(пунктирная диния) и нагре-
вании до 80сС (штрих линия).
3 М. P. Donzello et al. Eur. J. Inorg. Chem., 1999, P.2075-2084.
4 PCA выполнен д.х.н. C.E. Нефедовым (ИОНХ им. H.C. Курнакова РАН)
ЭСП с единичной (¿-полосой, типичный для симметричных металлопорфиразинов, удается наблюдать только для гексакоординационного комплекса Ре11 96 и для комплексов М§п и 2п" (9а, 9д) в безводных апротонных растворителях (ДМСО, ДМФА)(Рис. 4). При добавлении воды к раствору комплекса 9а в ДМСО спектр мономерной формы с единичной (¿-полосой переходит в спектр димера с расщепленной (¿-полосой (Рис. 6 А), при этом наблюдаются четкие изобестические точки, свидетельствующие о равновесии двух форм. Аналогичная спектральная картина наблюдается и в смесях ДМСО (ДМФА) с метанолом и пиридином. Напротив, при добавлении хорошо координирующих анионов (ОН", Р, N3") к раствору димерной формы комплексов MgII и 7п" наблюдается образование мономера (Рис. 6 Б). Этого не происходит в случае димеров, образованных комплексами Си11 и № , не способными к экстракоординации. Таким образом, димер разрушается при координации анионов, а также в растворителях с повышенной диэлектрической проницаемостью (ДМСО, ДМФА), способных к образованию экстракомплексов.
'Н ЯМР спектры димерной формы (С02С12) (Рис. 4, Таблица 2) характеризуются наличием дублета дублетов СН2 протонов диазепиновых колец с характерной геминаль-ной константой спин-спинового взаимодействия (tJ~\2 Гц). Вследствие участия аксиального протона в образовании водородной связи с .пезо-атомом азота другой молекулы его сигнал сдвинут в слабое поле на 2,5-4 м.д. по сравнению с исходным динитрилом. Кроме того, в отличие от исходного динитрила не наблюдается коалесценции СН2 дублетов при повышеных температурах, поскольку димерная структура препятствует инверсии диазепинового цикла (Рис. 7 А). Интересно, что при повышении температуры димерная структура не диссоциирует, как это происходит с обычными ассоциатами, и в 'Н ЯМР спектре наблюдается даже сужение линий в дублете дублетов. При повышении температуры процессу диссоциации за счет энтропийного фактора, вероятно, противостоит упрочение связывания за счет повышения кислотности СН-связей. В ДМСО при концентрациях обычных для 'Н ЯМР спектроскопии (~1 мМ), М§п комплекс существует в виде смеси димерной и мономерной форм, о чем свидетельствует наличие двух пар дублетов в ароматической области (Рис. 7 Б). Вследствие взаимного экранирующего действия макроциклов сигналы ароматических протонов в димере наблюдаются в более сильном поле (8,05 о-Аг, 7,40 .и-Аг м.д.) по сравнению с мономерной формой (8,45 о-Аг, 7,63 м-Ах м.д.). Интегральная интенсивность СН2 дублетов (6,1-ея и 4,8-ах м.д.) соответствует только сигналам димера, а в мономерной форме сигнал СН2 протонов не наблюдается вследствие инверсии диазепинового цикла (Таблица 2). Сдвинуть равновесие в сторону мономерной формы М§п комплекса удается только в сильно разбавленных растворах в ДМСО (0.005 мМ) или в присутствии избытка аниона (фторид, ОН, азид) (Рис. 7 Б), поскольку два образующихся при замещении координируемой нейтральной молекулы воды анионных комплекса, диссоциируют вследствие электростатического отталкивания. В 'Н ЯМР спектре мономера уширенный сигнал метиленовых протонов удается наблюдать только при нагревании около 4,5-4,3 м.д. (Рис. 7 Б-383К), когда ускоряется процесс инверсии диазепинового цикла. В случае комплексов Си" и №п, неспособных к аксиальной координации, диссоциация димерной формы при добавлении анионов не наблюдается. Разрушение димера возможно только при нагревании раствора комплексов в ДМСО в присутствии избытка фторид-анионов, нарушающих водородные связи в димере и стабилизирующих аннелированные 1,4-диазепиновые гетероциклы в 1Н таутомер-ной форме (Схема 6). 1Н таутомерная форма мономера имеет характерный ЭСП с уширенной (¿-полосой (Рис. 6 В, Г, Рис. 8 В).
о-Аг и-Аг
323 К ' 5 аг-СНг
о-Ах м-Аг
* 1 «7 « -
0-А1 _ м-Аг
363 к [■ I Г5
о-Аг м-Аг
1 * 1 1 еа ах 93 .
С(9а)=0,1мМ(ОМ5О) «?-СН2аг.СН2
о-Аг м"Лг (I)
383 К
С(9а)=1мМ (ПМЯ01МаЫ3)
10 98765432 1
м.д.
8.5 7.5 6.5 5.5 4.5
м.д.
400 500 600 70(км
Рис. 7. А-температурная зависимость 'Н ЯМР 5 и 9а; Б-'Н ЯМР и ЭСП 9а в разных средах.
Схема 6 показывает взаимные превращения мономерной и димерной форм в зависимости от растворителя и присутствующего координирующего аниона.
2 Н20
М=Мд". гп". Си" К=4-'ВиРП- 1=ОМЗО. ЭМРА, М,", Г, ОН'
Схема 6.
Тетракис(5.7-ди(4-метоксистирил)-6Н-1.4-диазепино)[2.3-Ь.«.1.д]порфиразинат магния. (10а) получали циклотетрамеризацией динитрила 6 и очищали методом колоночной хроматографии (выход 87%, Схема 7). В МА1.Ш-ТОР масс-спектре 10а, как и в случае 9а, наряду с основным пиком молекулярного иона [М+Н]+ = 1659 присутствует малоинтенсивный спутник с удвоенной молекулярной массой [М2+Н]+ = 3317.
ЭСП показали, что 10а проявляет аналогичную склонность к димеризации в растворителях с низкой диэлектрической проницаемостью, как и 9а (Рис. 8). Кроме того в неполярных растворителях (СН2С12, бензол) наблюдается ассоциация димерной формы 10а, которая подавляется добавлением координирующего агента, такого как пиридин (Рис. 8 Б). Более батохромный сдвиг (^-полосы в ЭСП 10а показывает проявление сти-
Схема 7. -
сигналы NH и =
рильной группой более сильного электронодонорного эффекта в сравнении с фенилом. Наличие пространственных изомеров с цисоид-ной- и трансоидной-конформацией стирильных фрагментов (Ох — СН = СН — Аг) обуславливает уширение полос в ЭСП мономерной формы в ДМФА. При добавлении фторида димер диссоциирует с образованием мономера в 6Н форме. При его нагревании образуется 1Я форма комплекса 10а с уширенной (^-полосой (Рис. 8 В-3) В 'Н ЯМР спектре Ш формы наблюдаются характерные
=СН протонов при 8,61 и 5,37 м.д., соответственно.
375
400 500 600 7 00 „ч 400 500 600 700 нм 500 600 700 800 900 1000 им
Рис. 8. ЭСП А- 10а в ПИРА; Б- 10а в ОСМ при добавлении 5% Ру; В-1) 10а в ЭМ50. 2) добавление ¡ЬаГ к раствору 10а в ОМЭО, 3) после нагревания до 80 °С раствора 10а в ОМЗО > 1ЬаГ.
При исследовании влияния димеризации 10а в растворе на его флуоресценцию показано, что в отличие от флуоресцирующей мономерной формы 10а, димер не флуоресцирует, и увеличение его содержания, например, при добавлении воды, приводит к снижению интенсивности флуоресценции (Рис. 9). Димеризация мало влияет на флуоресценцию стирильных фрагментов (Рис. 9), возбуждение которых лишь незначительно переносится на порфиразиновый хромофор.
# о § 60
ОМГА дА ^ К г У DMrA -Аг ж
/к к Pv /Л то» 7:. \г н Ai; i'"••"! "¿1
40(1 6(10 SOO им 400 600 800 ни " 100 Я» ™ нм 600 700 900 11«
Рис. 9. Спектры 10а: флуоресценции (А- Лтб = 400 нм; Б- Я,036. = 630 нм),возбуждения флуоресценции (В- Лрег = 740 нм), поглощения (Г), 1) в DMSO при добавлении ibaF, 2) в DMSO, 3) в DMSO при добавлении 20% Н20.
3.3. Новый метод синтеза р,Р-аминозамещённыж порфиразинов
Несмотря на усиленный интерес к химии р,р-аминозамещённых порфиразинов как предшественников многоядерных порфиразинов с периферическими центрами коорди-
4!К1 5(10 ОЮ 700
Рис. 2. ЭСП порфиразина 8а в нейтральных и апротонныхрастворителях
Во всех апротонных и нейтральных растворителях для 8а наблюдается типичный фталоцианино-вый спектр (Рис. 2). 'Н ЯМР спектры 8а, зарегистрированные при разных температурах, показали, что как и в дикарбонитри-ле 3, 1,4-диазепиновый цикл находится в форме 6Я таутомера, причем для 8а сигналы диастерео-тропных eq- и ах-СНг протонов коалесцируют уже
при комн. температуре, а при 50 °С они дают синглет при 3,6 м.д.
Тетрак11с(5.7-ди(4-трет-бут1тфенш)-бН-1.4-д1шзепино)Г2.3-Ь.я.1.д]порфиразин и его
металлокомтексы с
Ми". Ум". ЛТ". Си", /^е"
3) С4Нэои, М(СН3СОО)2 |
-М=РеРу2-9б
1)(С4Н90)2Мд(М=Мд-9а) р ™ 2) С„НэОи. Н20 (М=Н2-9)
. м=н _9 ,ДМФА-^ М=Си-9г
N и п2а Си(СН3СОО)2
Схема 5.
комплекс 9а получали темплатной соконденсацией дикарбонитрила 5 (Схема 5). Далее его очищали колоночной хроматографией (СН2С12, ХЮ2) и перекристаллизацией из ацетона (выход - 85%). Учитывая неустойчивость диазепинового цикла к кислотному гидролизу, безметальный порфиразин 9 и комплексы с Уп", N1" (9в, 9д) получали, не применяя кислые среды, через литиевый комплекс, который, не выделяя, подвергали дальнейшему превращению (Схема 5). Очистку 9 (выход - 40%) и 9д (выход - 66%) проводили перекристаллизацией из ДМСО, а 9в (выход - 60%) из ДМФА. Си" комплекс 9г получали комплексообразованием лиганда 9 с ацетатом Си в ДМФА при комнатной температуре (выход - 95%), а синтез комплекса Бе11 96 осуществляли при кипячении лиганда 9 в пиридине с семиводным сульфатом железа в атмосфере Аг (выход - 60%). В МА1ЛЛ-ТОР масс-спектрах свободного лиганда 9 и его комплексов с Mgп, 7.п и № , наряду с пиками молекулярных ионов М+, присутствуют малоинтенсивные спутники М2+ (Рис. 3).
Intens Х10й
1637 |М«Н]+ 9 хю* 120 1650 М+ %
120 3318 1."
Intens XIO8
169ЯМ+
9»
120
XIO*
| I70Ü М
1120
3400 М-)+
9
ЯК)-ГЙо-2500-35ÖWZ 5ÖÖ-ilöo 2SÖÖ зт^г SOO 1500 2500 .1500 m/z 51X1 1500 2500 3500 mft
Рис. 3. Масс-спектры МАШ1-ТОР порфиразинов 9,а,ад. п
Характерной особенностью порфиразина 9, а также его комплексов с Си и № является наличие в ЭСП двойной длинноволновой (^-полосы с максимумами 630-640 и 670-680 нм (Рис. 4). Такой же характер спектра наблюдается для комплексов с Ма(И) и гп(Н) в нейтральных (бензол, СНС13, СН2С12) и донорных (пиридин, ТГФ) растворителях.
Ч1А» оии <>Л' «м '•л' ■ - • - -
Рис. 4. ЭСП порфиразинов 9,б,в,д в нейтральных и апротоных растворителях. Таблица 2. Значение максимумов ЭСП и 'НЯМР сигналов диастереотропных ед- и ах-СИ2
порфиразин Значение полос в ЭСП нм. (DCM) 5 М.Д.СН2 протонов
В (Ige) ОхОйЕ) Ov(lS Б) ах-Н eq-H "J Гц
9 (DCM) 365 (4,98) 637 (4,74) 680 (4,69) 4,7 d 6,1 m 12,2
9а (DCM) 9а (DMSO) 370 (5,01) 355 641 (5,02) отсутствует 681 (4,81) 679 4,8 d отсутствует 6,1 d отсутствует 12,8
96 372 (-) отсутствует 680 (-) отсутствует отсутствует
9в 343 (4,86) 631 (4,67) 660 (4,58) 4,8 d 6 m 11,6
9г 361 (4,93) 633 (4,86) 673 (4,67) не измеряли
9д (DCM) 9fl(DMSO) 367 (4,86) 370 (-) 637 (4,83) отсутствует 675 (4,62) 676 (-) 4,9 а отсутствует 6,1 d отсутствует 11,9
Ранее двойная (^-полоса наблюдалась в ЭСП для фенилзамещенных тетрадиазепи-нопорфиразинов, и ее происхождение было связано с проявлением наряду с л—л* переходами макроцикла п->л* переходов с участием атомов азота диазепинового гетероцик-
ЭСП продуктов взаимодействия 14,6 с сероводородом имеют вид, характерный для р,р-амино и секо-производных порфиразинов (Рис. 12 А, Б). Склонность к окислению затрудняет использование днаминопорфиразина 16,а, однако реакцией in situ с ct-дикетоном он может быть превращен, например, в тетрапиразинопорфиразин 17 (Схема 10).
Нами впервые осуществлена модификация периферии порфиразина реакцией раскрытия 1,4-диазепинового цикла (Схема 10). В присутствии каталитических количеств соляной кислоты 1,4-диазепиновый гетероцикл подвергается раскрытию цикла, при этом получается устойчивое к окислению кислородом воздуха ацилпроизводное р,р-аминопорфиразина 19. Изменения в ЭСП, наблюдаемые при раскрытии диазепинового цикла в диазепинопорфиразине 15,а характерны для Р,Р-аминопроизводных, (Рис. 12 В).
16а 640 \ «0 / . A \/U \ 592 / г)Ц 1 690 18 16(636 нм) \ Б \ 61--А 350 15а :. 15 В 19(636 нм):' i:
s'jC > д ''Ш
146/' \ Ч-./ Sj к
---...............'*'
500 600 700 нм 500 600 700 11М 400 500 600 700 „м
Рнс. 12. Изменение ЭСП в условиях: реакции восстановительного деселенирования 14(А), 14б(Б) и реакции раскрытия диазепинового цикла 15(В.)
Строение полученного раскрытием диазепинового цикла р,р-ациламинозамешённого порфиразина 19 было установлено на основании данных MALDI-TOF-масс-спектрометрии (Рис. 13).
Intens. Х109"
774 [M+HJ+
796[M+Na]+ Jnü......... Ii
600 800 1000 1200 т/г 400 500 600 700 нм Рис. 13. Масс \iALDl-TOF 19 и ЭСП 1- после загрузки 2,3-гсксандиона, 2- после хроматографи-ческой очистки.
На модельных реакциях с а-дикетоном и диоксидом селена показано, что ациль-ное производное 19 может быть использовано в реакциях периферической модификации аналогично р,р-диаминозамещённому производному 16. При взаимодействии порфиразина 19 с 2,3-гександионом замыкается диэтилпиразиновый цикл и получается октаэтил-тетрапиразинопорфиразин 17 (Рис. 13). При взаимодействии с 8еОг образуется 1,2,5-селенадиазолопорфиразин 14 (Схема 10).
Кислотно-основные
свойства
низкосимметричных трис(5. б-диэтшпиразиио)-
порфиразинов 14 а 15 изучались методом спектрофотометрического титрования в ди-хлорметане с добавками трифторуксусной кислоты АГОН или гидроксида тетрабутилам-мония (tbaOH).
300 600 700 им 500 «*> 50П 600 700 ««
Рис. 14. Спектрофотометрическое титрование в среде СН^С12- А/ОН 14 (А) и 15 (В) Слрн = 0-0,5 М; в среде А/ОН- Я250<14 (Б) Н° -3 - (-6).
Данные спектрофотометрического исследования 14 и 15 в среде СН2С12 - АГОН и АЮН - Н2504 (Рис. 14) показывают, что .мезо-атомы азота порфиразинового макроцикла имеют более низкую основность, чем атомы азота пиразиновых колец в 14 и диазепинового фрагмента в 15, которые и вступают в кислотно-основное взаимодействие на первой стадии:
(Руг)з8еРгН2 + Н+ = (Руг^Р^Н^еРгН;, (/ч.к(в,2))
(Руг)зОгРгН2 + Н+ ^ (Руг)з(ОгН+)РгН2 Сч-Щк))
В случае 14 протонирование атомов азота пиразиновых колец приводит к гипсо-хромному сдвигу длинноволновой компоненты (¿-полосы и уменьшению ее расщепления. При дальнейшем увеличении кислотности за счет подкисления раствора 14 в 100%-ной АЮН серной кислотой протонируются л<езо-атомы азота и наблюдается батохром-ный сдвиг длинноволновой 0х-иолосы до 677 нм (на 520 см" ) (Рис. 14 Б):
(РугН^зБеРгНг + Н+ = (РугН+)3ЯеР/Н3+ (Кх.Щтею))
Протонирование диазепинового фрагмента в 15 приводит к существенным изменениям в ЭСП, связанных с появлением диазепиниевого л-хромофора и новых полос п-к* и ПЗ переходов с его участием.
Полученные данные по константам кислотно-основного взаимодействия (Таблица 3) показывают, что атомы азота в аннелированных пиразиновых фрагментах имеют более высокую основность, чем в 1,2,5-селенадиазольном, но более низкую, чем в 1,4-диазепиновом фрагменте.
Рис. 15. Спектрофотометрическое титрование 14(А, Б) и 15(В) в среде СН&гЛаОН (С,ьмн = 1*106-1*1СГ3М).
В среде СН2С12 - ЛаОН 14 депротонируется по двум ступеням до дианиона, а 15 де-протонируется лишь по одной ступени с образованием менее симметричного моноаниона (Рис. 15).
(РугЪЭеРгНг + [Ла]ОН — (Руг^еРгН" + [1Ьа]+ Н20 (К,) (РугЬБеРгН-+ [Ла]ОН = (Ру^еРт2 + [1Ьа]* И20 (К2) (Руг)3ОгРгН2 + [Ла]ОН = (Руг)30?Р21Г + [1Ьа|* Н20 (К^
Установлено, что аннелированый 1,4-диазепиновый гетероцикл в составе 15 оказывает электронодонорный, а 1,2,5-селенодиазольный в составе 14 электроноакцепторный эффект на порфиразиновый макроцикл.
Таблица 3. Значения концентрационных констант кислотно-основного взаимодействия
14 и 15.
порфи-разин СН2С12- АГОН АГОН -НгБОд СН2С12-ЛаОН
рКа|.Ье! (П) рКа1.тко (п) рКы (п) рКЬ2 (п)
14 2,64 ±0,04 (3,54 ±0,05) -4 ±0,1 (0,87 ±0,02) 6,2 ±0,3 (1,26 ±0,06) 10,9 ±1,1 (3±0,3)
15 6,08 ±0,07 (2,8 ±0,04) - 17 ±0,6 (3,9 ±0,1)
Выводы
1. Впервые синтезированы и спектрально охарактеризованы 5,7-трет-бутил и 5,7-(4-трет-бугилфенил)замещённые 1,4-диазепин-2,3-дикарбонитрилы. Оптимизирована методика синтеза 4-метоксизамещённого 5,7-стирил-1,4-диазепин-2,3-дикарбонитрила и его выход увеличен с 10% до 85%.
2. На основании данных ЭСП и *Н ЯМР спектроскопии установлено влияние заместителей в 1,4-диазепин-2,3-дикарбонитрилах на основность диазепинового гетеро-цикла и его конформационную подвижность.
3. Впервые синтезированы и спектрально охарактеризованы М§п комплексы алкил-и алкенилзамещённыхтетракис(6Я-1,4-диазепино)порфиразинов (трет-бутип и 4-метоксистирил производные), а также серия новых арилзамещенных - тетра-кис(5,7-ди(трет-бутилфенил)-6Я-1,4-диазепино)порфиразин и его комплексы с
7,п", № , Си11 и Ре . Разработан новый подход к синтезу тетракисдиазепино-порфиразинатов 2ип и N1".
4. Впервые установлено, что причиной специфики спектральных свойств тетракис-диазепинопорфиразинов является их способность к комплементарной димериза-ции посредством водородных связей. Методом рентгеноструктурного анализа на примере тетракис(5,7-ди(4-т/>ет-бутилфенил)-6Я-1,4-диазепино)[2,3-6,£,/,</]-порфиразинатоникеля определена структура образующегося димера.
5. Методами *Н ЯМР и электронной спектроскопии (поглощения и флуоресценции) изучено влияние природы растворителя и анионов (ОН", N3",?"), как на димериза-цию тетракисдиазепинопорфиразинов, так и на 1Я-6Я таутомерию аннелирован-ных 1,4-диазепиновых гетероциклов. Представлена принципиальная схема существующих равновесий тетракисдиазепинопорфиразинов в растворе.
6. Показано, что существованию комплексов тетрадиазепинопорфиразинов в мономерной флуоресцирующей форме благоприятствуют апротонные растворители с повышенной диэлектрической проницаемостью (ДМСО, ДМФА), а также аксиальная координация анионов и, образование пента- и гексакоординационных комплексов. Добавки воды приводят к образованию нефлуоресцирующего димера, а в присутствии фторида при нагревании стабилизируется 1Я форма комплекса.
7. Впервые синтезированы и охарактеризованы порфлразины низкосимметричного АААВ строения, аннелированные пиразиновыми (А), 1,2,5-селенодиазольным (В) и 1,4-диазепиновым (В) гетероциклами. Оптимизирована методика получения трис(5,6-диэтилпиразино)[2,3-й^,/]-1,2,5-селенодиазоло[2,3-д]порфиразина на примере цинкового комплекса, что позволило увеличить выход с ~2% до 15%.
8. Изучены кислотно-основные свойства низкосимметричных трипиразинопорфира-зинов и установлено, что аннелированный 1,2,5-селенодиазол проявляет электро-
ноакцепторный, а 1,4-диазепин электронодонорный характер по отношению к порфиразиновому макроциклу.
9. На примере трис(5,6-диэтилпиразино)[2,3-6,§,/]-(5,7-дифенил-6#-1,4-диазепин) [2,3-^]порфиразина впервые показано, что реакцией раскрытия 1,4-диазепинового цикла получается устойчивый к окислению кислородом воздуха р,р-ациламинозамещённый порфиразин 19, который в дальнейших периферических модификациях может быть использован аналогично р,Р-аминозамещённому производному.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. P. Tarakanov, М. Donzello, О. Koifman, P. Stuzhin. Porphyrazines with Annulated Di-azepine Rings. 3. Mg" Complex of 4-tert-Butylphenyl Substituted Tetra(l,4-diazepino)porphyrazine: Synthesis and Peculiar Effect of Solvent on Its Spectral Properties //Macroheterocycles (Макрогетероциклы). 2011 Vol.4, P.177-183.
2. S. Ivanova. O. Butovitskaja, P. Tarakanov, M. Donzello, C. Ercolani, P. Stuzhin Synthesis and characterization of gallium(III) complexes of azaporphyrins and porphyrazines // J. Porphyrins Phthalocyanines, 2006, V.10, №4-6, P.686.
3. P. Tarakanov, A. Kozlov, R. Kumeev, P. Stuzhin. Low-symmetry Pyrazinoporphyra-zines with P,P-Fused 1,2,5-Selenadiazole and 1,4-Diazepine rings // Journal of Porphyrins and Phthalocyanines 2008. Vol.12, №3-6, P.745.
4. A. Kozlov, P. Tarakanov, A. Ul-Haq, I. Pimkov, E. Ermolina, V. Svetlichnyj, R. Kuz-netsova and P. Stuzhin Synthesis and Study of Hexaarylporphyrazines with one Annulated 5, 6, or 7-Membered Heterocycle // Journal of Porphyrins and Phthalocyanines 2008. Vol.12, №3-6, P.594.
5. П. Тараканов, К. Кузьмичёва, P. Кумеев, П. Стужин. Синтез и исследование пор-фиразинов с аннелированными 1,4-диазепиновыми гетероциклами. II Международная конференция по химии порфиринов и их аналогов (ICPC-11), Одесса 2011, С.135.
6. П. Тараканов, А. Козлов, М. Михайлов, П. Стужин. Синтез и свойства комплексов октаэтилтетрапиразинопорфиразина с металлами подгруппы алюминия (Al, Ga, In). XXIV Международная Чугаевская конференция по координационной химии Санкт-Петербург, 2009 С.171.
7. П. Тараканов, П. Стужин. Синтез и исследование три(диэтилпиразино)-1,2,5-селенодиазолопорфиразина и его Mgu комплекса. Всероссийская научная конференция "Природные макроциклические соединения и их синтетические аналоги" Сыктывкар 2007, С. 172.
8. П. Тараканов, Р. Кумеев, П. Стужин. Синтез и свойства окта(трет-бутил)тетра(1,4-диазепино)порфиразина. Международная научная конференция "Новые направления в химии гетероциклических соединений" Кисловодск 2009, С.489.
9. П. Тараканов, Р. Кумеев, П. Стужин. Синтез и исследование тетракис(5,7-дизамещённых-6/Л1,4-диазепино)порфиразинов и их комплексов с Mgn, Znu, Ni", Си11, Fe11. VI Всеросийская конференция молодых учёных, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев 2012» Санкт-Петербург, 2012 С.462-463.
Подписано в печать 16.04.2012. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл.печ.л. 0,93. Уч.-изд.л. 1,03. Тираж 100 экз. Заказ 2850
ФГБОУ ВПО Ивановский государственный химико-технологический университет
Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры экономики и финансов ФГБОУ ВПО «ИГХТУ» 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7
61 12-2/426
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет»
На правах рукописи
Тараканов Павел Александрович
СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРФИРАЗИНОВ С 5,7-ЗАМЕЩЁННЫМИ ДИАЗЕПИНОВЫМИ ФРАГМЕНТАМИ
Специальности: 02.00.03 - Органическая химия
Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук
Научный руководитель: доктор химических наук, доцент Стужи н П. А.
Иваново - 2012
Содержание
Введение...................................................................................................................5
1. Литературный обзор.......................................................................................7
1.1. История......................................................................................................... 7
1.1.1. Фталоцианин и его И-аналоги............................................................7
1.1.2. Диазепины.............................................................................................В
1.2. Структура и номенклатура.........................................................................8
1.2.1. Порфиразины........................................................................................ 8
1.2.2. Диазепины................................................................................................................9
1.3. Синтез..............................................................................................................Ю
1.3.1. Порфиразины...........................................................................................10
1.3.1.1. Синтез фталоцианина симметричного строения..........................11
1.3.1.2. Синтез порфиразинов низкосимметричного строения ................ 17
1.3.1.3. Синтез порфиразинов с помощью реакций модификации его периферии......................................................................................................23
1.3.2. Синтез диазепинов..................................................................................26
1.3.2.1. Синтез замещённых 1,4-диазепинов.............................................. 27
1.3.2.2. Синтез аннелированных 1,4-диазепинов.......................................28
1.3.3. Синтез динитрилов на основе тетрамера синильной кислоты........... 30
1.4. Строение..........................................................................................................35
1.4.1. Строение порфиразинов и их комплексов............................................ 35
1.4.2. Строение 1,4-диазепина.......................................................................................38
1.5. Спектральные свойства порфиразинов........................................................40
1.5.1. Электронные спектры поглощения.......................................................40
1.5.2. Колебательные спектры поглощения....................................................43
1.5.2. 1НЯМР спектроскопия............................................................................46
1.6. Кислотно-основные взаимодействия...........................................................49
1.6.1. Кислотно-основные свойства порфиразинов....................................... 49
1.6.2. Кислотно-основные свойства 1,4-бензо(Ь)диазепина.........................52
2. Экспериментальная часть.................................................................................53
2.1. Свойства и подготовка растворителей и реагентов....................................53
2.1.1. Растворители............................................................................................53
2.1.2. Реагенты...................................................................................................54
2.2. Синтез..............................................................................................................54
2.2.1. Синтез дикарбонитрилов........................................................................54
2.2.1.1. 1,2,5-селено диазол-3,4-дикарбонитрил........................................54
2.2.1.2. 5,6-диэтилпиразин-2,3-дикарбонитрил.........................................55
2.2.1.3. 5,7-ди/;//>£'т-бутиЛ-6Я-1,4-диазепин-2,3-дикарбонигрил............55
2.2.1.4. 5,7-ди(4-ш;?еш-бутилфенил)-6Я-1,4-диазепин-2,3-дикарбонитрил .........................................................................................................................55
2.2.1.5. 2,3-бис(4-метоксифенил)фумародикарбонитрил.........................58
2.2.1.6. 5,7-бис[(Е)-2-(4-метоксифенил)этиленил]-6Я-1,4-диазепин-2,3-дикабонитрил................................................................................................. 58
2.2.1.7. 5,7-бис[(Е)-2-(4-Н,М-диметиламинофенил)этиленил]-6Я-1,4-диазепин-2,3-дикабонитрил......................................................................................59
2.2.2. Синтез порфиразинов симметричного строения и их металлокомплексов........................................................................................... 60
2.2.2.1. Окта(4-метоксифенил)порфиразин и его металлокомплексы с М^, 1п..............................................................................................................60
2.2.2.2. Тетракис(5,6-диэтилпиразино)[2,3-Ь,§,1,д]порфиразин и его металлокомплекс с М^.................................................................................. 62
2.2.2.3. Тетракис(5,7-дитрет-бутил-6Я-1,4-диазепино)[2,3-Ь^,1,я]порфиразин и его металлокомплекс с М§.......................................62
2.2.2.4. Тетракис(5,7-ди(4-т/?ет-бутилфенил)-6Я-1,4-диазепино)[2,3-Ь^,1,с]]порфиразин и его металлокомплексы с Zn, №, Си, Ре........... 63
2.2.2.5. Тетракис(5,7-ди(4-метоксистирил)-6Я-1,4-диазепино)[2,3-Ь^,1^]порфиразинат магния........................................................................ 67
2.2.3. Синтез порфиразинов низкосимметричного строения и их металлокомплексов........................................................................................... 67
2.2.3.1. Трис(5,6-диэтилпиразино)[2,3-Ь,§,1]-1,2,5-селенодиазоло[2,3-ц]порфиразин и его комплексы с М», Ъъ....................................................67
2.2.3.2. Трис(5,6-диэтилпиразино)[2,3-Ь^,1]-(5,7-дифенил-6Я-1,4-диазепино) [2,3-я]порфиразин и его комплекс с М^.................................................69
2.2.4. Синтез порфиразинов с помощью реакции модификации их периферии..........................................................................................................71
2.2.4.1. Реакция восстановительного деселенирования............................71
2.2.4.2. Реакция рециклизации 1,4-диазепинового гетероцикла..............71
2.3. Методы и оборудование исследования полученных соединений............72
3. Обсуждение результатов..................................................................................74
3.1. Синтез и исследование 5,7-дизамещённых-6Я-1,4-диазепин-2,3-дикарбонитрилов...................................................................................................74
3.1.1. 5,7-дит/?ет-бутил-6Я-1,4-диазепин-2,3-дикарбонитрил...................74
3.1.2. 5,7-ди(4-тре«г-бутилфенил)-6Я-1,4-диазепин-2,3-дикарбонитрил.. 78
3.1.3. 5,7-бис[(Е)-2-(4-(метокси, 1Ч-диметиламино)фенил)этиленил]-6Я-
1,4-диазепин-2,3 -дикабонитрил.......................................................................81
3.1.4. Заключение.............................................................................................82
3.2. Синтез и исследование тетракис-1,4-диазепино[2,3-Ь^,1^]порфиразинов и их металлокомплексов.......................................................................................85
3.2.1. Тетракис(5,7-дит/;ет-бутил-6Я-1,4-диазепино)[2,3-Ь,§,1,я]порфиразин и его металлокомплекс с М»............................................................86
3.2.2. Тетракис(5,7-ди(4-трет-бутилфенил)-6Я-1,4-диазепино)[2,3-Ь,§,1,я]порфиразин и его металлокомплексы с N1, Си, Бе...............95
3.2.3. Тетракис(5,7-ди(4-метоксистирил)-6Я-1,4-диазепино)[2,3-Ь,§,1,ч]порфиразинат магния........................................................................................122
3.2.4. Заключение............................................................................................ 130
3.3. Новый метод синтеза р,(3-аминозамещённых порфиразинов.................. 130
3.3.1. Синтез и спектральные характеристики низкосимметричных порфиразинов типа АААВ с аннелированным 1,2,5-селенодиазольным или 5,7-дифенил-бЯ-1,4-диазепиновым гетероциклом...................................... 131
3.3.2. Реакции раскрытия 1,2,5-селенодиазольного и 5,7-дифенил-6Я-1,4-диазепинового гетероциклов низкосимметричных порфиразинов типа АААВ................................................................................................................138
3.3.3. Заключение............................................................................................143
3.4 Кислотно-основные свойства трис(5,6-диэтилпиразино)[2,3-Ь^Л]-1,2.5-селенодиазоло[2,3-я]порфиразина и трис(5,6-диэтилпиразино)[2,3-Ь^Л]-(5,7-дифенил-6Я-1,4-диазепино) [2,3-я]порфиразина.............................................144
Выводы.................................................................................................................151
Список литературы...............................................................................................................153
Введение
Актуальность. Синтез и изучение свойств порфиразинов является актуальным направлением в современной химии. Особенности молекулярной структуры фталоцианинов и родственных соединений (порфиразинов, тетра-пиразинопорфиразинов и т.п.) обуславливают возможность осуществления ими функций катализаторов и фотокатализаторов окислительно-восстановительных взаимодействий между самыми разнообразными субстратами. Порфиразины по эффективности действия в этом качестве не уступают, а часто и превосходят свои карбоаналоги - порфирины, реализующие эти функции в живой природе. Не менее важным направлением применения порфиразинов является и современная органическая электроника. В связи с этим очень важна разработка синтеза новых порфиразинов, в том числе с ан-нелированными гетероциклами, и изучение их структуры и физико-химических свойств. Особое внимание в последнее время уделяется исследованию супрамолекулярной химии.
Новизна. Разработаны методы синтеза серии новых порфиразинов симметричного и низкосимметричного строения, содержащих аннелирован-ные семичленные 1,4-диазепиновые гетероциклы, и получены их комплексы с М^1, №п, гп", Си11 и Бе11.
Впервые получены 5,7-алкил- и алкенилзамещённые 1,4-диазепинопорфиразины. Изучено влияние природы растворителя на спектральные свойства полученных тетракис-1,4-диазепинопорфиразинов и обнаружена их способность к образованию специфических димерных структур за счет комплементарных водородных связей. Структура димерного комплекса №п установлена методом рентгеноструктурного анализа. Предложена схема взаимодействий исследуемых соединений в растворах, объясняющая сильную зависимость их ЭСП и 'Н ЯМР спектров от природы растворителя и добавки лигандов.
Впервые получены порфиразины АААВ типа, содержащие три пирази-новых и один 1,4-диазепиновый или 1,2,5-селенадиазольный фрагменты и изучены их спектральные и кислотно-основные свойства. Разработан принципиально новый подход к синтезу (3, р-аминозамещённых порфиразинов на основе 1,4-диазепинопорфиразинов.
Научное и прикладное значение. Фундаментальные исследования химии порфиразинов являются необходимым этапом для расширения перспектив их практического использования, например, для создания на их основе эффективных катализаторов, устройств органической электроники, препаратов для диагностики и лечения заболеваний полостных органов (в частности, рака) и др. Поскольку производные диазепинов, проявляя высокую биологическую активность, широко применяются в фармацевтике, с прикладной точки зрения, представляется очень перспективным объединение свойств диазепиновых и порфиразиновых гетероциклов в единой молекуле. Создание и исследование самоорганизующихся супрамолекулярных систем, аналогичных биологическим, является одним из приоритетных направлений современной химии. Обнаруженная способность тетракис-1,4-диазепинопорфиразинов к специфической димеризации посредством комплементарных водородных связей открывает перспективы прикладного применения этих соединений.
Разработанный новый подход к синтезу р, р-аминозамещённых порфиразинов на основе 1,4-диазепинопорфиразинов удобен для селективной периферической модификации порфиразинов, что перспективно для практического использования.
1. Литературный обзор
1.1. История
1.1.1. Фталоцианин и его ^аналоги
Впервые порфиразиновый макроцикл был получен в 1907 году в составе фталоцианина в ходе синтеза о-цианбензамида кипячением фталоимида [1]. Строение фталоцианина значительное время оставалось неизвестным, и лишь в 1934 году Линстедом с сотрудниками была предложена формула этого соединения и заложены основы синтетической химии Рс [2,3] и Рг [4,5]. Позднее предположения о структуре фталоцианина подтвердились данными рентгеноструктурного анализа [6,7]. К числу впервые синтезированных и достаточно хорошо исследованных относятся также пиридин-, пиразинанне-лированные порфиразины [8,9], наряду со своими бензогомологами - хино-лин, хиноксалин содержащими гетероциклами. Синтез и спектральные свойства этих М-аналогов фталоцианина рассмотрены в обзоре [10]. Эти соединения нашли широкое практическое применение в качестве таких материалов, как носители оптической записи информации, электрофотографических фоторецепторов, жидких кристаллов, молекулярных фильтров и катализаторов, что подтверждается большим количеством патентов.
Мало внимания уделено порфиразинам с аннелированными 5- и 7-членными гетероциклами. Несмотря на более ранние попытки синтезировать порфиразины с 5-членными гетероциклами, положительный результат был достигнут только в случае тиофен содержащих производных [8,9]. Серия фу-ран-, тиофен-, пиррол- и имидазоланнелированных порфиразинов упоминается в японских патентах [11,12,13,14] в качестве веществ для потенциального применения как носителей оптической записи информации и электрофотографических фоторецепторов. Однако в этих патентах не описано никаких деталей синтеза и физико-химических свойств запатентованных порфиразинов. Имидазол содержащие фталоцианины и порфиразины более подробно исследованы в работах [15,16,17,18]. Также интенсивное внимание привле-
кают 1,2,5-тиадиазоло- [19,20,21], 1,2,5-селенодиазоло- [22,23] и 1,4-диазепинаннелированные [24] порфиразины.
1.1.2. Диазепины
Первый диазепин в составе хлордиазепоксида был синтезирован в 1930-х годах Лео Стернбахом во время работы в Хофман-Ла Рош по разработке транквилизаторов [25]. Однако долгое время данные о нём не опубликовывали. И только в 1960 году после ряда клинических исследований под торговой маркой «Либриум» он был внедрён в клиническую практику компанией Хофман-Ла Рош. В дальнейшем диазепиновый гетероцикл стал основой для разработки множества биологически активных препаратов широкого спектра действия.
1.2. Структура и номенклатура
1.2.1. Порфиразины
Порфиразины являются структурными аналогами порфиринов. Отличие в их структурах заключается в замещении метановых радикалов по мезо-положениям порфирина на атомы азота. Поэтому, согласно рекомендациям ИЮПАК, порфиразины и их функциональные замещённые называются как производные порфина с использованием заместительной номенклатуры и нумерации, показанной на (Рисунок 1). Само же наименование порфиразин для 5,10,15,20-тетраазапорфирина было введено Линстедом, который и является автором многочисленных работ по методам синтеза порфиразинов [4,5,8,9,26,27,28]. Для гетероциклических аналогов фталоцианина вводится дополнительная нумерация арабскими цифрами атомов аннелированного ге-тероцикла и латинскими буквами связи порфиразина для уточнения, посредством каких связей осуществляется аннелирование (Рисунок 1).
м-н н-м
N
N
18 17
порфирин
5,10,15,20-тетраазапорфирин (порфиразин)
ы7 хм
N ^
к
Ь м-н н-ы
N а
1 П\ N 'п
э \ То
N
Мч ,Н
фталоцианин (тетрабензопорфиразин)
тетрапиразино[2,3-Ь;2,3-д;2,3-1;2,3^]порфиразин (тетрапиразино[2,3]порфиразин)
Рисунок 1. Структурные формулы порфирина, порфиразина, фталоцианина и тетрапиразино[2,3]порфиразина.
1.2.2. Диазепины
Диазепины представляют собой ненасыщенные семичленные циклы, содержащие в кольце два атома азота. В зависимости от взаимного расположения атомов в цикле различают 1,2-дазепины, 1,3-диазепины и 1,4-диазепины (Рисунок 2).
1,2-диазепин
1,3-диазепин
1,4-диазепин
Рисунок 2. Структурные формулы диазепинов.
В аннелированных диазепинах вводится дополнительная нумерация латинскими буквами в гетероцикле для указания связей, посредством которых осуществляется аннелирование. Так 1,4-бензодиазепин имеет два изомера бензоф-1,4-диазепин и бензо(Ь)-1,4-диазепин, последний в литературе чаще называют бензо-1,5-диазепин (Рисунок 3).
Н
бензо(Ь)-1,4-диазепин (бензо-1,5-диазепин)
6eH3o(f)-1,4-диазепин
Рисунок 3. Структурные формулы бензо-1,4-диазепинов. 1.3. Синтез
1.3.1. Порфиразины
В области синтеза тетраазапорфиринов наиболее широко разработаны методы получения фталоцианиновых производных. Поэтому именно эти методы служат основой для получения порфиразинов и, в особенности, их аналогов с аннелированными гетероциклами. Достаточно полный материал на сегодняшний день по синтезам фталоцианинов был собран и опубликован журналом "The Porphyrin Handbook" [29]. По структуре получаемых порфиразинов методы их синтеза делятся на три основных раздела: синтез Pz сим-
метричного и низкосимметричного строения циклотетрамеризацией, а также синтез путём модификации периферии порфиразина. Каждый из этих разделов включает в себя ряд методов, различающихся в зависимости от состава реакционной массы и условий протекания реакции. Разработка новых и оптимизация существующих методов получения порфиразинов является основной задачей научных групп, занимающихся их синтезом.
1.3.1.1. Синтез фталоцианина симметричного строения
Синтез Рс осуществляют циклоконденсацией производных ароматических 1,2-дикарбоновых кислот. Все методы синтеза Рс можно разбить на две группы. Одна группа синтезов приводит к получению свободного основания фталоцианина, а вторая - к его металлокомплексам, как показано на Схема 1 и Схема 2 соответственно.
Схема 1. Синтез Н2Рс.
спирт, основание,,
Н2Рс
Метод (I) основан на циклотетрамеризации дикарбонитрилов в присутствии таких оснований как аммиак и стерически затруднённых бицикличе-ских аминов - 1,5-диазабицикло[4,3,0]-5-нонена (3) или 1,8-диазабицикло[5,4,0]-7-ундецена (4). Реакцию проводят в органических рас-
творителях типа н-бутанол, н-пентаиол, а также в основных спиртах, таких как КДчГ-диметилэтаноламин (DMAE). Ж
(3)
Впервые основания (3), (4) при синтезе Н2Рс были применены в работе Tomada [30], поэтому данный метод получения фталоцианина и его металло-комплексов (метод VII) иногда
