Циклоолиго-м-фениленамидофосфиты - новый класс фосфорсодержащих краун-эфиров тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

£

/

МОСКОВСКИЙ ПЕДАШШЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЯНКОВИЧ Инна Владимировна

ЦИКЛООЛИГО-.М-ФЕНИЛЕНАМИДОФОСФИТЫ -НОВЫЙ КЛАСС ФОСФОРСОДЕРЖАЩИХ КРАУН-ЭФИРОВ. СИНТЕЗ, СТРУКТУРА И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

Специальность 02.00.03 - органическая химия

На правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Научные руководители: д.х.н., проф. Нифантьев Э.Е.

к.х.н., ст.н.сотр. Расадкина Е.Н.

МОСКВА 1999 г.

Оглавление

1. Введение............................................................................................................................................4

2. Синтез и свойства бензокраун-эфиров, содержащих эндоциклические атомы фосфора (литературный обзор)............7

2.1. Методы синтеза............................................................................................................7

2.1.1. Хлорангидридный метод получения..................................................7

2.1.1.1. Синтез оксо- и тиофосфонатов........................................................7

2.1.1.2. Синтез фосфатов..............................................................................................13

2.1.1.3. Синтез краун-эфиров с иминофосфорильными группами 14

2.1.1.4. Синтез хлорфосфатов .........................................................................15

2.1.1.5. Синтез средних фосфитов................................................................17

2.1.1.6. Синтез кислых фосфитов..........................................................17

2.1.1.7. Синтез фосфонитов..........................................................................................18

2.1.2. Амидный метод получения..............................................................................19

2.1.2.1. Синтез фосфонитов..........................................................................................19

2.1.2.2. Синтез амидофосфитов................................................................................21

2.2. Химические свойства..................................................................................................24

2.2.1. Химические свойства фосфитов........................................................................24

2.2.2. Химические свойства фосфонитов..................................................................25

2.2.3. Химические свойства гидрофосфитбензокраун-эфиров.... 26

2.2.4. Химические свойства хлорфосфатов............................................................28

2.2.5. Химические свойства азидотионфосфатов..............................................31

2.3. Комплексообразование................................................................................................34

2.3.1. Комплексообразование с «жесткими» металлами..............................34

2.3.2. Комплексообразование с «мягкими» металлами..................................38

2.4. Биологическая активность фосфобензокраун-эфиров..............40

3. Циклоолиго-м-фенилендиамидофосфиты - новый класс

фосфорсодержащих краун-эфиров. Синтез, структура и химические

свойства (обсуждение результатов)............................................................................43

3.1. Синтез олигомерных амидофосфитов на основе резорцина.. 44

3.2. Синтез фосфокраун-эфиров....................................................................................50

3.2.1. Синтез краун-эфиров, содержащих в цикле 2-6 атомов Р(Ш).. 50

3.2.2. Синтез краун-эфиров, содержащих в цикле атомы Р(Ш) и Р(У) 55

3.3. Химические свойства синтезированных фосфокраун-эфиров.................................................. ......................................57

3.3.1. Сульфуризация....................................................................................................................57

3.3.2. Окисление................................................................................................................................62

3.3.3. Иминирование......................................................................................................................63

3.3.4. Гидролиз....................................................................................................................................65

3.3.5. Комплексообразование................................................................................................65

3.3.5.1. Комплексообразование с асйгсКЪ(СО)2..............................................65

3.3.5.2. Комплексообразование с галогенидами меди(1)........................69

4.Экспериментальная часть..........................................................................................................72

Выводы................................................................................................................................................................92

Список литературы................................................................................................................................93

Приложение......................................................................................................................................................102

1. Введение.

В последний период в органической химии резко усилился интерес к исследованию синтеза и свойств макрогетероциклических соединений. Особое внимание при этом уделяется системам, в молекулах которых регулярно чередуются органоленовые радикалы и функциональные группы. К таковым относятся циклические простые эфиры, получившие название краун-эфиров [1]. С момента первой публикации, посвященной краун-эфирам, прошло более тридцати лет, а внимание к ним продолжает лавинообразно расти [2,3]. Это обусловлено способностью краун-эфиров эффективно образовывать комплексы с катионами металлов и возможностью создания на их основе оригинальных селективных сорбентов. Селективность комплексообразующей способности краун-эфиров в значительной степени определяется параметрами их структуры - размером полиэфирного кольца, природой заместителя в макроцикле, природой донорных атомов, гибкостью каркаса и другими факторами. Меняя один из этих параметров, можно синтезировать макроциклы с заранее заданными свойствами.

Введение в молекулу краун-эфиров функциональных групп (С=0, 8=0, Р=0) оказывает существенное влияние на их свойства [4]. Среди краун-эфиров с функциональными группами фосфорсодержащие макроциклические полиэфиры занимают особое место. Интерес к этим системам определяется перспективой их использования при исследовании фундаментальных вопросов реакционной способности фосфорных функциональных групп, возможностью создания необычных супрамолекулярных систем, исследованием закономерностей молекулярного узнавания, конкурентных взаимодействий в системе одинаковых фосфорсодержащих групп и т.д. Кроме этого, они могут использоваться как

молекулярные контейнеры при решении различных научных, технических и медицинских задач.

На первом этапе работ круг исследованных фосфорсодержащих краун-эфиров оказался очень узким [5]. В него практически не входили макроциклы, содержащие функции трехвалентного фосфора, которые могли бы определять ценные качества фосфокраун-эфиров. Между тем, хорошо известно, что металлические комплексы, в состав молекул которых входят соответствующие р- , донорные лиганды, например фосфины и фосфиты, широко используются в гомогенном катализе. Поэтому приоритетным является направление по созданию новых поколений лигандов, которые отличались бы существенными структурными особенностями, порождающими ценные электронные эффекты в их комплексах.

Мало исследовались и макрогетероциклы с ареновыми ядрами, расположенными в пространстве так, чтобы обеспечить свое тс-донорное действие в адрес металла. Последние могут принимать участие в регулировании динамики систем и активности функциональных групп, а также в самостоятельном лиган-дировании ионов и органических молекул. Хороший аргумент в пользу сказанного нашли японские авторы, которые показали возможность комплексообразования ионов щелочных металлов циклическими углеводородами - олигопарафениленами. Подчеркнем, что размер кольца в этих системах определяет избирательность комплексообразования с определенными ионами [6].

С учетом сказанного, в настоящей работе решена задача дизайна и исследования основных химических свойств нового класса фосфорсодержащих макрогетероциклов, которые можно отнести к типу краун-эфиров. В молекулах

этих соединений регулярно чередуются остатки кислот фосфора и ариленовые радикалы.

Путь решения первого этапа работы был успешно найден на основании подбора доступных реагентов и методов построения макроциклических систем. Базовым диатомным реагентом был выбран резорцин, а эффективным методом связывания блоков - фосфорилирование амидами фосфористой кислоты.

Синтезированные соединения исследованы в структурном отношении с применением физико-химических методов (ЯМР, РСА). Их химические особенности оценены в аспекте химии фосфорсодержащих соединений.

Представленная диссертация написана в традиционном ключе и включает следующие разделы: введение, литературный обзор, посвященный обзору литературы по химии фосфобензокраун-эфиров, обсуждение результатов, экспериментальную часть, выводы, а также список литературы и приложение.

Автор выражает глубокую признательность своим научным руководителям -д.х.н., проф. Э.Е. Нифантьеву и к.х.н., ст.н.сотр., E.H. Расадкиной. Автор благодарит к.х.н., ст.н.сотр. Л. К. Васянину, к.х.н., ст.н.сотр. А. Р. Беккер (МПГУ), к.х.н., ст.н.сотр. A.B. Игнатенко (ИОХ им. Н.Д. Зелинского) за помощь при записи и обсуждении данных спектров ЯМР, д.х.н. В. К. Вельского и к.ф.-м..н., ст.н.сотр. А .И. Сташа (НИФХ им. Л.Я. Карпова) за помощь в проведении ренгеноструктурных исследований, а также к.х.н., ст.н.сотр. А.Т. Телешева и A.A. Жданова за помощь в исследовании каталитического гидрирования.

2. Синтез и свойства бензокраун-эфиров, содержащих эндоциклические атомы фосфора. {Литературный обзор).

В рамках интенсивно развивающегося крупного направления, получившего название супрамолекулярная химия, большое внимание уделяется дизайну новых макрогетероциклов, относящихся к различным структурным типам. Обычно в конструкцию таких циклов включены своеобразные функциональные группы, которые способны принимать активное участие в процессах молекулярного связывания. Исследование подобных соединений, как указывалось в введении, начато давно, однако внимание к синтезу и исследованию химических особенностей фосфорсодержащих циклических систем было обращено сравнительно недавно.

В литературном обзоре освещена литература по химии фосфомакроциклов, которые в какой-то степени родственны системам, изученного нами класса фосфорсодержащих краун-эфиров. В этой главе рассмотрены методы получения и свойства известных на данный момент бензокраун-эфиров, содержащих эндоциклические атомы фосфора.

2.1. Методы синтеза.

2.1.1. Хлорангидридный метод получения.

2.1.1.1. Синтез оксо- и тиофосфонатов.

Первые синтезы фосфобензокраун-эфиров были осуществлены в середине 70-х годов. Введение фосфорильной группы в цикл краун-эфира, по мнению исследователей, должно было бы придать широко известным уже в то время краун-

эфирам новые свойства [7]. Для этого был предложен хлорангидридный метод синтеза, в результате которого из 2,2-(оксидиэтилендиокси)дифенола 1а и дихлорангидрида метилфосфоновой кислоты 2 был получен ранее не известный фосфорсодержащий краун - 2,2-(оксидиэтилендиокси)дифениловый эфир метилфосфоновой кислоты (или дибезо-метилфосфонил-14-краун-5) 3 [7]. Реакцию проводили при медленном одновременном прибавлении эквимолярных количеств реагентов в смеси ацетонитрила, бензола и триэтиламина при интенсивном перемешивании в токе сухого инертного газа. Однако выход фосфорсодержащего макроцикла 3 не превышал 9%. Усовершенствованный метод [8] приводил к 17%-ному выходу соединения 3. Этот метод заключался во взаимодействии 2,2'-(оксидиэтилендиокси)дифенолята натрия 1в с дихлорангидридом метилфосфоновой кислоты, в результате чего образовывалась сложная смесь, из которой удалось выделить два кристаллических вещества с т. пл. 104—106°С 3 и

4

Дальнейшие исследования синтеза соединений 3 и 4 [4] показали, что в ходе реакции образуется не два продукта, а - четыре, причем три из них 4 а-в имеют одинаковую массу (в два раза превышающую массу 3) и элементный состав, но

1?-Н(а)

снзгроаг

отличаются температурами плавления, растворимостью и комплексообразующей способностью (Табл 1).

Таблица 1. Характеристика фосфорсодержащих макроциклов .

№ соед. Название соединения Выход, % Т. пл., °С

3 Дибензо-метилфосфонил-14-краун-5 17 104-106

4а Тетрабензо-ди(метилфосфонил)-28-краун-10 12 127-129

46 Тетрабензо-ди(метилфосфонил)-28-краун-10 3 138

4в Тетрабензо-ди(метилфосфонил)-28-краун-10 11 216-218

Соотношение макроциклов 3-4 а-в в продуктах реакции зависело от растворителя. При увеличении количества ацетонитрила выход макроцикла 4 а повышался, при уменьшении — образовывался преимущественно макроцикл 3. Макроцикл 4 в являлся, по-видимому, наиболее термодинамически выгодным и получался во всех случаях. Разделение соединений 4 а-в проводилось дробной кристаллизацией из н-гептана, дихлорэтана и смеси бензол -ацетон (1:1). Изомерия макроциклов 4 а-в, по мнению авторов, обусловлена различной цис,-транс-направленностью фосфонатной группы по отношению к полиэфирному кольцу краун-эфира [4].

Взаимодействием lac метилтиодихлорфосфонатом 5 и фенилдихлор-фосфонатом 6 в присутствии перхлората лития были получены краун-эфиры 7-8:

Было установлено, что сближенность четьфехкоординированного атома фосфора и двух бензольных ядер в макроциклах 3-4, 7 и 8, значительно снижает их комплексообразующую способность [9,10]. Авторы поставили перед собой цель синтезировать фосфорсодержащие крауны, более близкие по строению к такому сильному комплексообразователю, как дибензо-18-краун-6 [11]. Для этого следовало отдалить атом фосфора от бензольных ядер. С этой целью в качестве исходных реагентов были использованы 0, (3 - дихлор диэтиловый эфир метилфосфоновой кислоты 9 и 2,2'-(оксидиэтилендиокси)дифеноляты 1л, N3 и К

1 б-г. В результате реакции образовывался дибензометилфосфонил-20-краун-7 10. При реакции с дифенолятом 1л 1 б выход крауна составлял примерно 5%, с дифенолятом К 1 г ~ 3%, ас дифенолятом Ыа 1 в — около 40%. Соединения с удвоенным молекулярным весом не были выделены.

Реакция фосфонита 9 с фенолятом N3 18 протекала при длительном кипячении в диметилформамиде (ДМФА). Дибензометилфосфонил-20-краун-7 представлял собой бесцветное кристаллическое вещество, легко растворимое в хлороформе и ДМФА, кристаллизующееся из ацетона и метилэтилкетона.

Наряду с синтезом 14-,20- и 28-членных фосфорсодержащих макроциклов были синтезированы 17-членные оксо- и тиофосфонатные краун-эфиры 13-15 на основе 2,2'-(окситриэтилендиокси)дифенолята натрия 11 и дихлорангидридов оксо-и тиофосфоновых кислот 12 [12].

С

.О

1в

О СНз 10

ЛЛ /~Л/~\

. О О (

о

он

но

шхх)а2 12

->

Аг

/ЛУЛ,^

О

О

13-15

11

К=СН3, Х=8 (13), 11=С6Н5, Х=Б (14), Х=0 (15)

При синтезе краун-эфиров 13-15, во избежание образования полимерных продуктов, использовался метод высокого разбавления. Причем выход 17-членных макроциклов зависел от реакционной способности исходных дихлорангидридов. Так, при взаимодействии дифенолята 11 с высокореакционноспособным дихлорангидридом метилфосфоновой кислоты выделить циклические продукты не удалось. Авторы делают вывод, что удлинение полиэфирной цепи дифенола 11 создавало большую гибкость молекулы, а это, в свою очередь, способствовало реакции полимеризации, а не циклизации [12].

Краун-эфиры 13-15 — бесцветные кристаллические вещества, труднорастворимые в апротонных растворителях, хорошо растворимые в ТГФ и хлороформе, кристаллизующиеся из бензола (13, 14) или гептана (15), устойчивы при длительном хранении, не гидролизуются при кипячении с водой.

Синтез 17-членных фосфокраун-эфиров 19, 20, включающих в цикл наряду с атомами О атомы 8, осуществлялся при взаимодействии диола 16 с дихлорангидридами соответствующих кислот 17, 18 в присутствии в

ацетонитриле [13].

ау(Х)С1г,в^

17 х=о

18 х=я

он

СНз

16

19 х=о

20 х=я

Выход продуктов реакции составлял 16-18% для фосфонатного макроцикла 19 и 5% для тиофосфонатного соединения 20. Полиэфиры 19, 20 представляли собой бесцветные кристаллические вещества, устойчивые при хранении, термически стабильные, легко растворимые в полярных органических растворителях.

Интересен синтез 28-, 32-, и 36-членных оксо- и тиофосфонатных макроциклов 25 а- б, 26 а-Ь, и 27 а-г [14-16]. Причем, авторы предлагают два пути

синтеза названных соединении.

риу

Ме Н 21

ри-р(х)с12 22

тйтьАЬгдаз

он

н

л

рь

N

N==0,

шу н

РЬ

I

О' п о

X

-к

РЬ

РЬ.

р-(о

23

+

сно

рь-р(у)[1ч(№)1чн 2]2

24

I Путь В

Н

с=1ч №

У/рь /Ч

n 1

н

25а-б , 26а-б, 27 а-г

28-членные циклы 32-членные циклы

25а х=б у=о 256х=о у=б

26а х=б у=о 266 х=о у=б

36-членные циклы 27а х=в у=о 276 х=Б у=в 27в х=о у=в 27г х=о у=о

В первом случае (путь А), в растворе ТГФ, в присутствии триэтиламина при комнатной температуре, к фосфодигидразиду 21 (У = 8 или О, с О в орто-, мета-,

или пара-положении) медленно прибавляли тио- или оксофенилдихлорфосфораны 22 а или 22 Ь. В другом случае (путь В), в реакцию при комнатной температуре в ТГФ вводили диальдегиды 23, содержащие карбонильную группу в положениях 17, 1-9, или 1-11 (орто-, мета-, или пара-положении по отношению к атому фосфора) с фосфодигидразидом С6Н5Р(У)[М(СН3)КН2]2 (24 а, У=8; 24 Ь, У=0) [14].

Выходы продуктов реакции в зависимости от используемого метода составляли 38-78%.

2.1.1.2. Синтез фосфатов.

Взаимодействием 1 а с фенилдихлорфосфатом 28 в присутствии перхлората лития было выделено два макроцикла 29 а-б с одинаковым молекулярным весом [4]. Их изомерия, как и в случае фенилфосфонатных макроциклов 4 а-в, обусловлена различной направленностью фосфатной группы по отношению к полиэфирному кольцу краун-эфира.

17-членый фосфатный краун-эфир 30 был получен из 11 и фенилдихлор-фосфата 28 [12].

СбНзОРГСЯСЬ 28

>

29 п= 1

1а

сУкоР(ча2 28

->

Аг

11

Соединение 29 - бесцветное кристаллическое вещество, труднорастворимое в апротонных растворителях, хорошо растворимое в ТГФ и хлороформе,

кристаллизующееся из этанола, устойчиво при длительн�