1,4-триазолсодержащие мультипорфириновые системы тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ИМЕНИ А.Н. НЕСМЕЯНОВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

1,4-ТРИАЗОЛСОДЕРЖАЩИЕ МУЛЬТИПОРФИРИНОВЫЕ СИСТЕМЫ

02.00.03 — органическая химия АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

На правах рукописи

Полевая Юлия Петровна

Москва 2014

005547808

005547808

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина

Российской академии наук (ИФХЭ РАН)

Научный руководитель: академик РАН, профессор

Белецкая Ирина Петровна

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Горбунова Юлия Германовна

(Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук)

доктор химических наук, профессор Миронов Андрей Федорович

(Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования Ивановский государственный химико-технологический университет

Защита состоится «05» июня 2014 года в 11:00 на заседании диссертационного совета Д002.250.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук по адресу: 119334, г. Москва, ул. Вавилова, д.28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института элементоорганических соединении им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук.

Автореферат разослан апреля 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.х.н., Ольшевская Валентина Антоновна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Порфирины являются основой важнейших биологических молекул, моделирование которых представляет несомненный интерес для исследователей. Мультипорфириновые системы можно рассматривать в качестве аналогов фотосинтетического центра, а их изучение может раскрыть закономерности высокоэффективного преобразования солнечной энергии. Помимо моделирования важнейшей биологической функций - преобразования энергии, мультипорфирины имеют перспективы практического применения в оптических и электронных приборах, в качестве сенсоров. В рамках данной работы нами была поставлена цель синтезировать новые типы мультипорфириновых систем, в частности, димеров и тримеров, исследовать их электроннооптические характеристики.

Цель работы:

Разработка «клик»-методологии (реакция 1,3-диполярного циклоприсоединеиия) для получения мультипорфириновых систем. Разработка дизайна и методов синтеза функционально-замещенных порфиринов как универсальных «строительных» блоков для построения мультипорфириновых систем. Установление строения и свойств порфириновых олигомеров, связанных 1,4-триазольными мостиковыми группами, с помощью спектральных методов анализа.

Научная новизна.

1. Реакция 1,3-диполярного циклоприсоединеиия была впервые применена для синтеза порфириновых тримеров.

2. Синтезированы два типа новых изомерных порфириновых тримеров, связанных 1,4-триазольными мостиковыми группами.

3. Получены фотофизические данные новых триазол-связанных тримеров и димеров порфиринов, что позволило провести их сравнение с данными ранее полученных аналогов, соединенных ацетиленовыми мостиковыми группами.

4. Получен и охарактеризован физико-химическими методами анализа новый звездообразный тример порфирина, содержащий 1,4-триазольные мостиковые группы.

5. Спланирован дизайн и выбраны оптимальные методики синтеза функционально-замещенных металлопорфиринов, содержащих одну и две азидные или ацетиленовые группы.

Практическая значимость работы.

1. Созданы эффективные методы получения порфириновых тримеров путем реакции 1,3-диполярного циклоприсоединеиия. Дальнейший практический интерес представляет применение данных методов для получения порфириновых триад и олигомеров различного строения, введение донорно-акцепторных периферийных групп для исследования электронной проводимости.

2. Соединения порфириновых молекул посредством триазолыюго цикла открывает возможность создания изогнутых сопряженных мультипорфириновых систем, отличных от известных линейных мультипорфиринов, соединенных ацетиленовыми или фениленовыми «линкерами».

3. При комбинация, хромофоров в звездообразной структуре получена молекула с интересной архитектурой. Подобные структуры имеют перспективу применения в фотособирающих системах.

4. Металлопорфирины, содержащие одну и две азидные или ацетиленовые группы, а также трет-бутилфенильные и мезитильные .мезо-заместители, получены с высокими выходами и наименьшим количеством стадий синтеза и разделения продуктов конденсации. Данные металлопорфирины являются универсальными «строительными блоками» для построения мультипорфириновых систем путем реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения, при этом обеспечены необходимые свойства растворимости и препятствия кофациальной агрегации порфиринов, что является практически значимым для их изучения и применения.

Апробация работы.

Результаты исследований были представлены на российских и международных конференциях: II Молодежная научно-техническая конференция «Наукоемкие химические технологии», Москва, 16-18 октября 2007 г.,; II Молодежная конференция ИФХЭ РАН, Москва, 29-30 ноября 2007 г.; IV International Summer School "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology", September 28 - October 2, 2008 Tuapse; Молодежная конференция ИФХЭ РАН «Физикохимия нано- и супрамолекулярных систем - 2008», Москва, 11-12 ноября 2008 г.; СуПРаЗ-09, Всероссийская школа-конференция "Супрамолекулярные системы на поверхности раздела", Москва, 25 мая - 27 мая 2009 г.; Vth International Symposium "Design and Synthesis of Supramolecular Architectures", October 12-16, 2009, Kazan; Московская конференция-конкурс молодых ученых, аспирантов и студентов «Физикохимия-2009», Москва, 01-04 декабря 2009 г.; IV Международная молодёжная школа-конференция по физической химии краун-соединений, порфиринов и фталоцианинов. Туапсе, 17-21 сентября 2012 г.

Публикации.

Материалы диссертационной работы опубликованы в 6-ти статьях и 5-ти тезисах докладов на научных конференциях.

Личный вклад автора. Диссертантом выполнен весь объём синтетической части работы, проведён ряд физико-химических исследований, полностью проанализирован весь массив полученных данных физико-химических методов анализа синтезированных соединений, сформулированы общие положения и выводы.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов, приложений и списка цитируемой литературы, включающего 96 наименований. Работа изложена на 98 страницах печатного текста и содержит 31 рисунок, 24 схемы и 5 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам лаборатории новых физико-химических проблем ИФХЭ РАН за помощь в проведении экспериментов, д.х.н. Аверину А.Д. за помощь в получении данных масс- и ЯМР-спектров, д.х.н., проф., член-корр. Разумову В.Ф. и к.х.н. Гаку В.Ю. за помощь в получении данных

оптических спектров, д.х.н. Надточенко В.А., к.х.н. Михайлову K.M. за помощь в исследовании методами фемтосекундной спектроскопии. Автор выражает особую благодарность к.х.н. Тюрину B.C. за помощь на всех этапах работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введение описаны актуальность темы диссертационной работы, выбор объектов исследования и сформулированы цели работы.

В литературный обзоре продемонстрировано, что мультипорфириновые системы имеют широкий спектр практического применения, а их синтез и исследование долгое время остаются высокоактуальной задачей. Наиболее распространенным и широко изученным подходом к синтезу сопряженных мультипорфириновых систем являются реакции каталитического кросс-сочетания (Сузуки, Соногашира). С помощью данных реакций синтезированы мультипорфириновые системы, связанные ацетиленовыми мостиковыми группами: димеры, тримеры, олигомеры, как линейного, так и разветвленного строения. Между тем, с появлением «клик» - химии (реакция 1,3-диполярного циклоприсоединения Хьюсгена) эта простая и эффективная реакция стала популярным методом соединения двух органических молекул имеющих азидную и ацетиленовую группы посредством триазолыгого цикла. Естественно, что «клик» -реакция нашла свое применение и в синтезе порфириновых систем. Однако на данный момент этому вопросу не уделено должного внимания в литературе и опубликовано лишь несколько работ по синтезу биспорфиринов с триазольными связывающими мостиковыми группами. Применение «клик»-реакции описано главным образом для получения порфириновых конъюгатов с другими молекулами. Поэтому в рамках данного обзора представлены наиболее интересные и практически значимые примеры порфириновых конъюгатов, образованных путем 1,3-циклоприсоединения. Показано, что «клик»-методология является универсальным подходом в химии порфиринов, представляющим широкое разнообразие условий проведения реакций, простоту выделения продуктов реакции и высокие выходы.

Обсуждение результатов 1. Сннтез ковалентно-связанных олнгомеров порфирнна

Нами были разработаны дизайн и синтез новых порфириновых тримеров линейной и звездообразной конфигурации с использованием «клик»-методологии (реакция 1,3-диполярного циклоприсоединения).

На первом этапе были определены два парных набора «строительных блоков» -порфиринатов цинка, содержащих одну и две азидные или ацетиленовые группы, на основе которых планировалось построение линейных тримеров посредством реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения. Первая пара - это центральный порфириновый блок I будущего тримера, который имеет две 4-алкинилфенильные группы в противоположных мезо-положениях порфирина. Блоком II является мезо-{ 4-азидофенил)порфирин. Вторая пара: центральный порфирин III, имеющий две, расположенные напротив ,мезо-(4-азидофенильные) группы; и блок IV лгезо-(4-этинил) порфирин (Рис. 1).

и

г—» / ^ч Строительные

_/ \ 7."ч > V блоки для

Г\ ГЛ "КЛИК"-реакции III Ч^Х^

А к

к

и = —(3-ши;

Рис 1. Два набора «строительных блоков» для построения тримеров посредством реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения.

Далее были подобраны наиболее эффективные методики синтеза данных порфириновых «строительных» блоков, имеющих заданную конфигурацию, количество азидных и ацетиленовых реакционных центров и нужные свойства растворимости.

Для получения порфириновых блоков типа П и IV первоначально был применен метод смешанной конденсации альдегидов с пирролом, проведенный по стандартной методике Линдсея при катализе эфиратом трёхфтористого бора с последующим окислением ООО (2,3-дихлоро-5,б-дпциано-л-бензохинон). Конденсация пиррола с 4-трет-бутилбензальдегидом и 4-нитробензальдегидом в соотношении 4:3:1 дает смесь шести возможных порфириновых продуктов конденсации: транс- и цис- А2В2-, АВ3-, АзВ-, А4- и В4- порфиринов, где А это 4-нитрофенильный заместитель и В - 4-третбутилфенильный заместитель. После предварительной очистки реакционной смеси флэш-хроматографией без разделения порфиринов было проведено восстановление нитро-групп и получен 5-(4-аминофенил)-10,15,20-три(4-третбутилфенил)порфирин 1 с выходом 10%. Реакция диазотирования порфирина 1 и дальнейшее взаимодействие сацетатом цинка дает 5-(4-азидофенил)-10,15,20-три(4-трет-

бутилфенил)порфиринатоцинк 2, общий выход составил 8% (Рис. 2).

Синтез несимметрично - замещенных порфиринов для реакции 1,3 днполярного циклоприсоединения

) 2 ¡Ни

Рис.2.

Схема

5-(4-азидофенил)-10,15,20-три(4-

третбутилфенил)порфиринатоцинка.

Аналогично конденсация пиррола, 4-трет-бутилбензальдегида и 4-(триметилсилил)этинилбензальдегида в соотношении 4:3:1 дает смесь замещенных порфиринов, которую без разделения металлнровали реакцией с ацетатом цинка, затем удалили триметилсилильную защитную группу. После хроматографического разделения получен 5-(4-этшшлфенил)-10,15,20-три(4-трет-

бутилфенил)порфир1шатоцинк 3 с суммарным выходом 13% (рис. 3).

тмя

п

N11

Рис.З. Схема порфирипатоципка.

5-(4-этинил фенил)-10,15,20-три(4-трет-бутилфепил)

Использованный метод смешанной конденсации альдегидов с пирролом дает смесь продуктов реакции, включающую шесть замещенных порфиринов со всевозможными комбинациями заместителей, разделение которых весьма затруднительно и, как правило, требует неоднократного хроматографирования и приводит к низким выходам целевого продукта. Поэтому в дальнейшем нами был использован подход смешанной [2+2] конденсации Мак-Дональда дипирролилметана с двумя различными бензальдегидами. Три типа 5-замещенных дипирролилметанов, были рассмотрены в реакции конденсации (рис. 4).

4 5 6

Рис. 4. Дипирролилметаны, использованные в [2+2] конденсации с альдегидами.

При [2+2] конденсации дипирролилметанов 4, 5 с 4-нитробензальдегидом и 4-трет-бутилбензальдегидом, получалась трудноразделимая смесь порфиринов со всевозможными комбинациями заместителей. Однако при конденсации бензальдегидов с 5-мезитилдипирролилметаном 6 получен желаемый набор продуктов реакции: три типа замещенных порфиринов, которые легко были разделены хроматографически. Данная особенность конденсации дипирролилметанов описана в работе Линдсея, где показано, что использование стерически-затрудненных дипирролилметанов в конденсации с альдегидами позволяет избежать побочных продуктов перемешивания ("*сгатЫт§") заместителей. Так как 5-мезитилдипирролилметан 3 оказался наиболее подходящим прекурсором для синтеза разнозамещенных порфиринов посредством [2+2] конденсации с альдегидами это определило единый путь синтеза задуманных порфириновых «строительных блоков» представленных на рис. 1.

При взаимодействии 5-мезитилдипирролилметана с 4-нитробензальдегидом и 4-трет-бутилбензальдегидом получен порфирин 7 с одной нитрофеиильной группой. Последующие реакции восстановления и диазотирования проведены аналогично синтезу порфирина 2, в результате получен 5-(4-трет-бутилфенил)-15-(4-азидофенил)-10,20-димезитилпорфиринатоцинк 8, суммарный выход по 4 стадиям составил 17% (рис. 5).

10,20-димезитилпорфиринатоцинка (гпР^).

Аналогичная конденсация 5-мезитилдипирролилметана, 4-

(триметилсилил)этинилбензальдегида и 4-трет-бутилбензальдегида после проведения реакции с ацетатом цинка и снятия защитной группы дала 5-(4-трет-бутилфенил)-15-(4-этинилфенил)-10,20-димезитилпорфиринатоцинк (ХпР(С2Н)) с общим выходом 22% (рис. 6).

у (гпР(с2н»

Рнс. 6. Синтез строительного блока IV - 5-(4-трет-бутилфенил)-15-(4-этинилфенил)-10,20-димезитилпорфиринатоцинка (гпР(С2Н)).

Транс-.мезо-АгВг-замещенные порфирины типа I, III были получены при конденсации 5-мезитилдипирролилметана с одним типом бензальдегида, в этом случае получали один тип порфиринового продукта без необходимости хроматографического

разделения смеси порфиринов. 5,15-(4-нитрофенил)-10,20-димезитилпорфиринатоцинк 11 получен с выходом 25% при конденсации 5-мезитилдипирролилметана с 4-нитробензальдегидом. Проведено восстановление нитро групп, реакция диазотирования и реакция с ацетатом цинка, что дало 5,15-ди(4-азидофенил)-10,20-димезитилпорфиринатоцинк 13 содержащий две азидные группы

(строительный блок III), общий выход после пяти стадий составил 17 % (рис. 7).

Ранее известный 5,15-ди(4-этинилфенил)-10,20-димезитилпорфиринатоцинк 14 (ХпР(СгН)2) был получен по усовершенствованной методике с общим выходом после трех стадий 28 % (рис. 8).

Конденсация дипирролилметана с двумя различными альдегидами оказалась предпочтительным путем получения асимметрично .иезо-замещенных порфиринов. Используя данный путь синтеза, дополнительная стадия получения дипирролилметана оправдывается большим суммарным выходом порфиринов и меньшим количеством побочных продуктов. Синтез 5-мезитилдипирролилметана легко осуществим при взаимодействии комерчески доступного мезитилбензальдегида с избытком пиррола, при этом использование в качестве катализатора \lgBr2 дает выход 50%, тогда как стандартные условиях катализа трифторуксусной кислотой дают выход 27%. 5-Мезитилдипирролилметан устойчив при хранее без доступа воздуза в холодильнике. Коммерческая доступность прекурсоров, устойчивость и универсальность 5-мезитилдипирролилметана позволили получить на его основе все 4 типа замещенных порфиринов согласно запланированной схеме (рис. 1).

Синтез сопряженных порфнрнповых олигомеров с помощью реакции 1,3-днполярного цнклопрнсоединения.

Отработав методики синтеза и имея в своем распоряжении порфириновые «строительные блоки» I, И, III, IV в достаточном количестве, мы исследовали их в реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения с целью получения сопряженных линейных тримеров. Подбор подходящих условий проведения «клик»-реакции был осуществлен на примере порфирина ХпР(С2Н)2, содержащего две ацетиленовые группы, и порфирина гпР^ с одной азидной группой (рис. 9). Данные соединения были исследованы в реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения с использованием медьсодержащих катализаторов в ряде условий, описанных в литературе при проведении «клик»-реакции с порфириновыми субстратами (Таблица 1). В ряду исследованных условий большая часть не дала целевого продукта - тримера Т\-ХпР. Оптимальными условиями «клик»-реакции рассмотренных порфиринов оказалось использование йодида меди и диизопропилэтиламина (01РЕА) в смеси ТГФ/ацетонитрил (5:1) при температуре 60 "С (Таблица 1, опыт 6). Эти условия характеризуются простотой методики, легкостью выделения тримерного продукта с помощью флэш-хроматографии, доступностью катализатора. Условия реакции, используемые в опыте 2, тоже дают сравнимые результаты по выходу целевого продукта ТугпР, но при более высокой температуре, и выделение продукта требует дополнительный этап экстрагирования (вода/ТГФ) для удаления ДМФА. В связи с этим, условия реакции Си1Я)1РЕА в смеси ТГФ/ацетонитрил (5:1) при температуре 60 °С определены как более предпочтительные.

Таблица 1. Условий реакции 1,3-Диполярного циклоприсоединения порфиринов.

№ опыта Исходные порфиринаты цинка Условия реакции Продукт реакции Выход (%)

1 ZnPN3; ZnP(C2H)2 CuS04x5H20, аскорбат натрия, СН2С12/Н,0 (3:1), 12ч. T,-ZnP следы

2 ZnPN3; ZnP(C2H)2 CuS04x5H20, аскорбат натрия, ДМФА, 100 "С, 2ч. Ti-ZnP 60

3 ZnPNj; ZnP(C2H)2 iPiCuBr1*1, ТГФ/Н20 (3:1), 45 "С, 12ч. Tj-ZnP -

4 ZnPN3; ZnP(C2H)2 CuBF4(CH3CN)4, ТГФ/Н,0 (3:1), 45 "С, 12ч. Tj-ZnP -

5 ZnPN3; ZnP(C2H)2 Cul, DIPEA"", ТГФ/MeCN (1:1), 20 °С, 12ч. T,-ZnP следы

6 ZnPN3; ZnP(C2H)2 Cul, DIPEA, ТГФ/MeCN (5:1), 60 "С, Зч. T,-ZnP 68

7 ZnPN3; ZnP(C2H)2 Cul, DIPEA, толуол, 100 "С, Зч. Tj-ZnP следы

8 ZnP(C2H); ZnP(N,)2 Cul, DIPEA, ТГФ/MeCN (5:1), 60 °С, Зч. T2-ZnP 70%

9 ZnPN3; ZnP(C2H) Cul, DIPEA, ТГФ/MeCN (5:1), 60 "С, Зч. Д-ZnP 60%

10 ZnPN3; 1,3,5-триэтинил бензол CuS04x5H20, аскорбат натрия, ДМФА/вода, 90 °С, Зч. Tj-ZnP 30%

[a] iPrCuBr = (М,Л^-быс(2,4,6-триметилфенил)-4,5^аигидро-имидазол-2-илидин);

[b]01РЕА=диизопропилэтиламин

Для получения изомерного тримера T2-ZnP, условия реакции, использованные в опыте 6, применены при конденсации металлопорфиринов гпР^зЬ и гпР(Сг11). В результате был получен тример Тг-ХпР с выходом 70 % (рис. 10).

Рис. 10. Схема синтеза тримера 16 (Тг^пР).

Данная методика была применена для синтеза димера порфирина с аналогичным связывающим линкером, выход составил 60% (рис. 11).

Полученные тримеры Т^пР, Тг-ТпР и димер Д-ТпР были охарактеризованы с помощью ЯМР- и масс-спектроскопии. Спектры ЯМР 'Н тримеров Ту/пР (рис. 12), Т2-гпР (рис. 13) были расшифрованы на основе данных спектров исходных порфиринов и известных порфирин-триазольных конъюгатов. Синглетный сигнал резонанса протона 1,2,3-триазола расположен в 8,79 м.д. для тримера Т^пР, и в 8,73 м.д. для тримера Тг-2пР. В тримерах протоны 2,6-положений (0 фенильных групп, связанных с положением 1 триазолыюго цикла сдвинуты в область слабого поля на 0.9 м.д. в сравнении с сигналами резонанса исходных азидопорфиринов 2пР(Из)2, ZnPNзt.

Рис. 12. 'н ЯМР спектр тримера 15 (Т,-7пР).

Рис. 13. *Н ЯМР спектр тримера 16 (Т2-гпР).

При проведении масс-спектральиого анализа, наблюдается фрагментация соединений с потерей молекул азота. В результате чего в МА1ЛЭ1-ТОР масс-спектрах полученных соединений присутствуют ионы, образующиеся в результате потери молекул N2 из триазольных циклов (рис. 14).

1674 Димер 17 с потерей | одной молекулы N2

Длмер 17 1703

¿■А-.

Рис. 14. MALDI-TOF масс-спектр тримеров 15 (Ti-ZnP), 16 (T2-ZnP) и димера 17 (Д-ZnP).

Осуществлен синтез звездообразного тримера порфирина путем реакции циклоприсоединения 5-(4-азидофенил)-10,15,20-тримезитилпорфиринатоцинка

(ZnPNj) к 1,3,5- триэтинилбензолу в ДМФА в присутствии сульфата меди и аскорбата натрия (рис. 15). Целевой продукт 18 (Тз-ZnP) образуется в результате трех последовательных ("one-pot") «клик»-стадий и выделен хроматографически с выходом 30%.

Рис. 15. Синтез звездообразного тримера 18 (Тз-гпР).

Новый звездообразный тример порфирина был охарактеризован методами масс-спектрометрии и ЯМР-спектроскопии. Спектр ЯМР Н Тз^пР был охарактеризован на основе данных спектра исходного порфирина ZnPNзJ и известных порфирин-триазольных конъюгатов. Синглетный сигнал резонанса протона 1,2,3-триазола находится при 8,73 м.д. (Рис.16).

Рис. 16. *Н ЯМР спектр звездообразного тримера 18 (Тз-2пР).

В МА1ЛЛ-ТОР масс-спектре наблюдается фрагментация молекул Тз-ХпР на ионы (рис. 17): молекулярный ион тримера с потерей 3-х молекул N2 из триазольных

циклов (m/z 2645), ион с потерей одного порфиринового фрагмента и молекул азота из триазольных циклов (m/z 1870), ион исходного порфирина 9 (Z11PN3) с потерей молекулы N2 (m/z 830).

Исходный порфпрш потерей молекулы'

Трим ер 18 с потерей одной молекулы лорфнрнна в молеку л N2

2645 Тример 18 с потерей

к.. LI

Рис. 17. МА1Х>1-ТОР масс-спектр тримера 18 (Т3-гпР).

2. Фотофизические исследования олигомеров порфирина

Электронные спектры поглощения порфнрнповых олигомеров соединенных 1,3-триазольпыми циклами

Исследование ЭСП порфириновых олигомеров проводили в сравнении с данными исходных мономерных цинк-порфиринов (гпР(^)2, гпР^, 2пР(С2Н), гпР(С2Н)2). В спектрах димера и тримеров наблюдается схожее с мономерами расположение (^-полос в области 500-600 нм, однако для полосы Соре в спектре димера наблюдается уширение, а в спектрах тримеров она расщеплена и смещена батохромно (рис. 18).

ш

о

z

<

ю а: О СО

m <

У/-

К, пт

Рпс. 18. Спектры поглощение в ТГФ при 20 °С, концентрация (интенсивность спектров в области 470-720 нм увеличена в 5 раз).

2.5x10"" М

Отмечено увеличение коэффициента молярной экстинкции полос Соре и 0 для тримеров Т^пР и Тг-ХпР по отношению к данным для димера и мономерных порфиринов. В соответствии с теорией экситон-экситонного расщепления в приближении диполь-дипольного взаимодействия проведен приближенный расчет

величины расщепления полосы Соре для исследуемых тримеров, которая составила ~ 5,6 нм, что согласуется с данными спектров поглощения.

Для изучения влияния связывающего мостика на структурные особенности и степень электронного сопряжения хромофоров в составе мультипорфиринового ассоциата было проведено сравнение спектральных характеристик полученных тримеров и димера, соединенных посредством триазольного цикла, с данными широко изученных и описанных в литературе порфириновых димеров и тримеров, связанных ацетиленовыми мостиковыми группами. Были рассмотрены данные, опубликованные в работах Линдсея для мономера и олигомеров порфиринов (рис. 19).

Рис. 19. Димер и тример порфирина с ацетиленовыми мостиковыми группами. Расчет квантового выхода проведен относительно мономерного порфирина ТлА), Фг =0.035.

Характеристики поглощения триазол-связанных тримеров схожи с данными для тримера с ацетиленовыми мостиками (Таблица 2). Триазольный цикл, как связывающий мостик, открывает возможность создания изогнутых сопряженных мультипорфнриновых систем, отличных от известных линейных мультипорфиринов с ацетиленовыми «линкерами». Поэтому сравнение проводимости подобных систем представляет в перспективе несомненный интерес.

Таблица 2. Данные абсорбции и флюоресценции в ТГФ.

Соединение (Ф,)1ь| Соре полоса /-rlux {ехЮ 3, м ' cm"1) Q полосы А™, (схКГ\ М 1 cm1)

гпр(с2н)2 0.049 426 (5.4) 558 (3.2), 598 (1.9)

гпрг^ 0.015 425 (3.2) 559 (3.4), 598 (2.6)

гпР^3)2 0.017 426 (2.8) 559 (3.3), 596 (2.6)

гпР(С2н> 0.034 425 (5.3) 558 (3.9), 597 (2.7)

Д-гпР димер 0.047 426 (4.2) 558 (3.8), 598 (1.36)

Хп2и1л> димер 0.043 426 (6.8) 550 (4.3), 588(0.72)

ТгХпР тример 0.053 422 (6.9), 431 (6.5) 558(6.1), 599 (3.9)

ТгХпР тример 0.051 422 (4.8), 431 (5.9) 558 (4.9), 599 (2.9)

гп3Ьт тример 0.058 423 (8.9), 431 (8.9) 550 (6.9), 590(1.4)

[а] соединения с ацетиленовыми мостиками. Спектры абсорбции и флюоресценции записаны при 20 °С, концентрация образцов 2.5Х10"6 М. [Ь] Спектр эмиссии интегрирован в интервале 570 - 780 нм, Л„„=400 нм. Квантовый выход был рассчитан относительно ХпИ, ФГ =0.035 с поправкой на разницу коэффициентов преломления растворителей.

С помощью полуэмпирического метода расчета AMI была выполнена оптимизации геометрии и представлена структура тримера, которая напоминает пропеллер, где порфириновые макроциклы как лопасти расположены ортогонально центральному бензольному циклу (рис. 20).

Рис. 20. Оптимизация геометрии Тз-ZnP, выполненная с помощью метода AMI.

Для полосы Соре тримера Тз-ZnP не наблюдается уширения или расщепления, что характерно для плоских мезо-мезо-связанных мультипорфириновых ассоциатов и является следствием взаимодействия хромофоров в возбужденном состоянии. Данную особенность ЭСП тримера Тз-ZnP можно объяснить относительно удаленным и непланарным расположением порфириновых макроциклов в нем, что уменьшает экситопное взаимодействие, при этом перпендикулярное расположение бензольных циклов нарушает сопряжение между it-электронными системами.

Звездообразный тример Тз-ZnP исследован в реакциях супрамолекулярной ассоциации с экзобидентатными лигандами 1,4-диазобициклооктаном (DABCO) и 4,4'-бипиридином (Bipy). При этом в ЭСП для всех полос поглощения наблюдается уменьшение коэффициентов экстинкции, пропорционально донорной способности лигандов, координация DABCO к атому цинка порфирина вызывает незначительный батохромный сдвиг Соре и Q полос поглощения (Таблица 3). Согласно полученным данным, порфириновая трехлучевая звезда T3-ZnP способна координировать лиганды, образуя кофациальные димеры (рис. 21).

Таблица 3. Данные ЭСП в СН2С12 при 20 °С, концентрация 4x10"6 М.

Соединение Cope, Ящи (exlO 5, M"1 cm"1), нм Q, A,,,,, (exlO"5, M"1 cm"1), нм

ZnPN, 421 (5.40) 550 (4.07), 589 (3.62)

T3-ZnP 421 (5.96) 550 (4.69), 587 (3.87)

T3-Z11P + DABCO 423 (5.80) 553 (4.40), 600 (3.90)

T,-ZnP + Bipy 422 (5.85) 550(4.58), 591 (3.82)

Мезо-заместители не указаны для упрощения.

Согласно полученным данным основные характеристики порфириновых хромофоров в составе исследуемых тримеров сохраняются, что свидетельствует о слабом интерхромофорном взаимодействии в основном электронном состоянии. Однако, в электронновозбужденном состоянии отчетливо наблюдается экситон-экситонное расщепление. Таким образом, триазольный линкер имеет перспективы применения в построении мультихромофорных молекул и фотоактивных систем, а также в супрамолекулярной химии порфиринов, что подтверждается рядом опубликованных примеров, в частности, в работе Такео Ито и соавторов опубликован триазолсодержащий порфирин-Р-карболиновый коньюгат, обладающий значительной фотоцитотоксичностью против опухолевых клеток. Также известна работа, в которой в качестве молекул, выполняющих роль «хозяев», были использованы порфирины, содержащие четыре триазольные группы.

Исследование методами фемтосекундпой когерентном спектроскопии

Появление фемтосекундных лазеров открыло уникальные возможности для исследования электронной структуры молекул. Основным методом таких исследований являются эксперименты типа накачка-зондирование, в которых коротким мощным лазерным импульсом осуществляют возбуждение молекул, а затем при последующем сканировании слабыми пробными лазерными импульсами исследуют последующую эволюцию системы, получая информацию о динамике сверхбыстрых процессов. При этом за счет малой длительности импульсов фемтосекундных лазеров удается исследовать динамику молекулярных процессов с высоким временным разрешением. После поглощения фемтосекундного светового импульса в молекуле реагента создается когерентный волновой пакет, в котором движения ядер синхронизированы, а энергия возбуждения локализована в определенном месте молекулы. При этом динамика когерентного волнового пакета наблюдается в виде осцилляции, Фурье-анализ которых позволяет выявить параметры колебательных мод. Ранее для порфириновых олигомеров, связанных триазольными циклами, не проводились фотофизические

исследования методами фемтосекундной спектроскопии. Используя данный метод, нами были получены данные фемтосекундной динамики процесса релаксации возбуждения димера Д^пР и тримера Т^пР.

В ходе эксперимента проводили возбуждение порфиринового молекул сверхкоротким импульсом (частота импульса 15 Гц, время действия 20 фс) при 600 нм (область (2-полос). Димер, так же, как и тример, обнаруживает экситон-экситонное взаимодействие между тетрапирррольными макроциклами в молекуле, параметры которого согласуются с исследованиями стационарного ЭСП в предыдущей части работы. При этом, если путем обычной стационарной спектроскопии в димере не наблюдали экситонное расщепление, то в случае фемтосекундной спектроскопии это расщепление было очень отчетливо. Были обнаружены значительные по величине когерентные осцилляции интенсивности экситонных компонентов полосы Соре во времени (рис. 22). Предложена модель объяснения этих осцилляций, основанная на их колебательной природе (колебательное движение внутри порфиринового олигомера, при котором один тетрапиррольный макроцикл движется относительного другого, циклически модулирует величину поглощения компонентов расщепленной полосы Соре). Полученные димер и тримеры порфирина оказались уникальными с точки зрения высокой устойчивости этих осцилляций в когерентно возбужденных молекулах (длительность -1,5 не). Результаты исследований динамики релаксации возбуждения в олигомерах порфирина показали перспективность подобных соединений как модельных для изучения динамики переноса энергии в фотосистемах и создания искусственных аналогов природных фотосинтетических центров.

Рис. 22. Изменение спектра выцветания полосы Соре во времени.

3. Синтез функционально-замещенных металлопорфиринов - строительных блоков для построения супрамолекулярных мультииорфириновых систем

Для построения мультипорфириновых систем, в которых порфириновые фрагменты связаны друг с другом нековалентными взаимодействиями, нами был осуществлен синтез строительных блоков, содержащих как донорные, так и акцепторные центры координации на основе функционально-замещенных порфиринов

-С.6

и их металлокомплексов, способных к координации катионов металлов периферийными лигандными центрами и к аксиальной координации лигандов центральным катионом металла: тетракис-л/ез<?-(3-гидроксифенил)порфирин, тетракис-л(езо-(3-гидроксифенил)октаэтилпорфирин, тетракис-.иез«(3-бензилпентан-2,4-

дион)порфирин и их цинковые комплексы. Синтез тетракис-мезо-(3-гидроксифенил)порфирина и тетракис-мезо-(3-гидроксифенил)октаэтилпорфирина выполнен в мицеллярной среде водного раствора додецилсульфата натрия по методу Я. Р. Вопаг-Ьа\у, т.к. стандартные условия конденсации пиррола с бензальдегидами в кислой среде в присутствии воздуха не пригодны для синтеза порфиринов, содержащих в бензольных кольцах активные заместители, такие как гидрокси- или аминогруппы, вследствие их окисления. Далее при взаимодействии с ацетатом циика были получены металлокомплексы порфиринов (рис. 23).

сно 1) НО, 8ГХЧ, Н20,20 С 60 мин

2) /п(ОАС)2, СН3ОЧ 4

К = Н 19%, 11= 17%

ОН

НО

Рис. 23. Схема синтеза л{езо-тетра(3-гидроксифенил)порфирина, примере .кезо-тетра-(З-гидроксифенил)-р-октаэтилпорфирина и их металлокомплексов.

Полученные металлопорфирины были исследованы в процессах супрамолекулярной сборки с рядом катионов металлов (Мп2+, Сг3+, 8п4+, Ьа3+) и азотсодержащими экзобидентаными лигандами (1,4-диазобицикло[2.2.2]октан (ЦАВСО) и 4,4'-бипиридин (4,4'-В1ру)). Данные ЯМР и ЭСП свидетельствуют о координации, однако, образующиеся ассоциаты оказались лабильны, а полученные спектральные данные были недостаточны для однозначного установления их структуры. Л/езо-тетра(3-гидроксифенил)порфиринатоцинк растворим только в достаточно полярной среде сольватирующих растворителей (ацетон, ТГФ, ДМФА), которые конкурировали за координацию и препятствовали образованию прочных комплексов. Поэтому для образования слабых координационных связей требуется среда слабо сольватирующих растворителей (хлороформ, бензол, толуол). Нами была осуществлена попытка улучшить растворимость порфирина за счет введения дополнительных алкильных заместителей на примере .1/«о-тетра-(3-гидроксифенил)-Р-октаэтилпорфирина, однако, несмотря на наличие восьми этильных заместителей, сам порфирин и его цинковый комплекс, как оказалось, обладают еще меньшей растворимостью в неполярной среде, чем их р-незамещенные аналоги. Особенности растворимости л/е?о-тетра(3-гидроксифенил)порфиринов и неустойчивость образуемых ими координационных взаимодействий не позволили провести дальнейшее выделение и исследование формируемых мультипорфириновых ассоциатов.

С целью получения прочных координационных комплексов нами был осуществлен синтез соответствующего супрамолекулярного «строительного блока» -металлопорфирина с сильными Р-дикетонными лигандными центрами - мезо-тетра(3-((пентан-2,4-дион-3-ил)метил)фенил)порфиринатоцинка (рис. 24).

ил)метил)фенил)порфиринатоцинка.

Данный «строительный блок» был опробован в сборке порфириновых димеров путем координации р-дикетонными группами катионов меди (II), однако, этот подход не позволил выделить и охарактеризовать продукты такого взаимодействия для их дальнейшего изучения. Таким образом, были синтезированы строительные блоки для построения мультипорфиририновых супрамолекулярных ансамблей, методы получения которых требует дальнейшего исследования.

ВЫВОДЫ:

1. Разработаны методы синтеза порфиринов, содержащих азидную либо ацетиленовую группы, а также две азидные либо ацетиленовые группы. Данные порфирины были использованы в качестве универсальных «строительных блоков» для создания мультипорфириновых систем путем «клик»-реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения, полученные соединения обладают хорошей растворимостью и невысокой склонностью к агрегации.

2. С использованием «клик»-методологии на базе полученных «строительных блоков» синтезированы порфириновый димер и два изомерных тримера линейной структуры, а также тример звездообразной структуры, которые содержат 1,4-триазольные мостиковые группы.

3. Все полученные соединения исследованы фотофизическими методами. Для линейного порфиринового тримера и димера. проведены исследования методами времяразрешенной фемтосекундной когерентной спектроскопии, которые показали перспективность подобных соединений как моделей для изучения фотосистем и создания искусственных аналогов природных фотосинтетических центров.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Ю. П. Ящук (Полевая), В. С. Тюрин, И. П. Белецкая, К. М. Михайлов, И. В. Шелаев, Ф. Е. Гостев, В. А. Надточенко. Фемто-пикосекундная релаксация тримера порфирина цинка, связанного триазольным мостиком. Известия Академии наук. Серия химическая, 2014, 1, 76-81.

2. Y. P. Polevaya, V. S. Tyurin, I. P. Beletskaya. Linear conjuncted porphyrin trimer synthesis via "click" reaction. J. Porphyrins Phthalocyanines. 2014, 18, 20-34.

3. Y. P. Yaschuk (Polevaya), V. S. Tyurin, I. P. Beletskaya. Trimer Porphyrin Star. Macroheterocycles, 2012,5(4-5), 302-307.

4. IO. П. Ящук (Полевая), В. С. Тюрин, И. П. Белецкая. Синтез функционально-замещенных металлопорфириновых рецепторов и исследование их супрамолекулярных свойств. Физикохимия поверхности и защита материалов, 2009,45(6), 1-6.

5. В. С. Тюрин, Ю. П. Ящук (Полевая), И. П. Белецкая. Исследование супрамолекулярной самосборки тетракис-мезо-(3-гидроксифенил)порфиринатоцинка с рядом переходных металлов и бидентатными лигандами. Журнал Органической химии, 2008, 44(9), 1393-1399.

6. Ю. П. Ящук (Полевая), В. С. Тюрин, И. П. Белецкая. Супрамолекулярные биспорфириновые клетки: дизайн и пути самосборки супрамолекулярных биспорфириновых структур - элементов молекулярных наномоторов и наносенсоров. Физикохимия поверхности и защита материалов, 2008, 44(6), 608614.

7. Ю. П. Ящук (Полевая), Е. А. Маслова, В. С. Тюрин. Наноструктурированные металлопорфириновые материалы. II Молодежная научно-техническая конференция «Наукоемкие химические технологии», Москва, 16-18 октября 2007 г., 84.

8. Yu. P. Yaschuk (Polevaya), V. S. Tyurin. Supramolecular bisporphyrins. IV International Summer School "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology", September 28 - October 2,2008 Tuapse, Russia, p. 137.

9. V. Tyurin, Yu. Yaschuk (Polevaya), E. Kirichenko, E. Mikhalitsyna, I. Beletskaya. Supramolecular coordination of metalloporpyrins. Vth International Symposium "Design and Synthesis of Supramolecular Architectures", October 12-16, 2009, Kazan, Russia, .59.

10. IO. П. Ящук (Полевая), В. С. Тюрин. Металлопорфирины с периферийными лигандными центрами. Московская конференция-конкурс молодых ученых, аспирантов и студентов «Физикохимия-2009», Москва, 01-04 декабря 2009 г., 72.

11. В. С. Тюрин, Е. А. Михалицына, Ю. П. Ящук (Полевая), И. П. Белецкая Современные методы синтеза функционализированных порфиринов. IV Международная молодёжная школа-конференция по физической химии краун-соединений, порфиринов и фталоцианинов. Туапсе, 17-21 сентября 2012 г., 17.

Подписано в печать 20.04.2014г.

Усл.п.л. - 1.5 Заказ № 20255 Тираж: 100 экз.

Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина Российской академии наук

04201457995 На правах рукописи

Полевая Юлия Петровна

1,4-ТРИАЗОЛСОДЕРЖАЩИЕ МУЛЬТИПОРФИРИНОВЫЕ

СИСТЕМЫ

02.00.03 — органическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: академик РАН, проф. Белецкая И.П.

Москва - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Список сокращений.................................................................................................5

1. Введение................................................................................................6

2. Литературный обзор: "МОДИФИКАЦИЯ ПОРФИРИНОВ С ПОМОЩЬЮ РЕАКЦИИ [3+2]-ДИПОЛЯРНОГО ЦИКЛОПРИСОЕДИНЕНИЯ АЗИДОВ И АЛКИНОВ»...............................................................................................................8

2.1. Особенности реакции и условия ее проведения...............................................8

2.2. Синтез 1,5-диарилзамещенных триазолов.....................................................11

2.3. Особенности реакции Си(1)-катализируемого алкин-азидного

цикл ©присоединения с участием порфиринов......................................................12

2.4. «Клик» - реакция как метод синтеза конъюгатов порфиринов с другими молекулами..............................................................................................................16

2.4.1. Конъюгаты с циклодекстринами..................................................................16

2.4.2. Конъюгаты с антибактериальными агентами..............................................17

2.4.3. Конъюгаты с наночастицами........................................................................18

2.4.4. Иммобилизация порфиринов для создания материалов.............................19

2.4.5. Производные для катализа...........................................................................19

2.4.6. Конъюгаты с аминокислотами.....................................................................21

2.4.7. Конъюгаты с полиоксометаллатами............................................................21

2.4.8. Конъюгаты с УЕвЕ-подобными пептидами................................................22

2.4.9. Дендримеры на основе порфиринов............................................................23

2.4.10. Конъюгаты с фуллереном..........................................................................23

2.4.11. Гликоконьюгаты..........................................................................................24

2.5. Синтез порфириновых олигомеров.................................................................25

2.5.1. Олигомеры с нелинейной структурой.........................................................25

2.5.2. Линейные структуры....................................................................................26

2.5.3 Координационные структуры.......................................................................29

Заключение..............................................................................................................33

3. Обсуждение результатов....................................................................................34

3.1. Синтез ковалентно-связанных олигомеров порфирина................................35

3.1.1. Синтез несимметрично - замещенных порфиринов для реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения........................................................................36

3.2.2. Синтез сопряженных порфириновых олигомеров с помощью реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения........................................................................43

3.2. Фотофизические исследования олигомеров порфирина..............................52

3.2.1. Электронные спектры поглощения порфириновых олигомеров соединенный 1,3-триазольными циклами..............................................................52

3.2.2. Исследование методами фемтосекундной когерентной спектроскопии....60

3.3. Синтез функционально-замещенных металлопорфиринов...........................63

4. Экспериментальная часть..................................................................................68

4.1. Характеристика реактивов и материалов........................................................68

4.2. Методы исследования......................................................................................68

4.2.1 Методика проведения исследования фемтосекундной когерентной спектроскопии.........................................................................................................69

4.3. Синтез функционально-замещенных металлопорфиринов...........................70

5,10,15,20-(3-гидроксифенил)порфирин, ТНРР.....................................................70

5,10,15,20-(3-гидроксифенил)порфиринатоцинк, 2пТНРР...................................70

5,10,15,20-(3-гидроксифенил)октаэтилпорфирин, ОЕТНРР................................71

5,10,15,20-(а-бром-т-толуол)порфирин................................................................71

5,10,15,20-(а-бром-т-толуол)порфиринатоцинк...................................................71

5,10,15,20-(3-бензилпентан-2,4-дион)порфиринатоцинк......................................71

4.4. Синтез А3В-порфиринов по методу смешанной конденсации Линдсея.......72

5-(4-аминофенил)-10,15,20-(4-трет-бутилфенил)порфирин (1)............................72

5-(4-азидоофенил)-10,15,20-(4-трет-бутилфенил)порфиринатоцинк (2).............72

5-(4-этинилфенил)-10,15,20-(4-трет-бутилфенил)порфиринатоцинк (3).............72

4.5. Синтез порфиринов по методике [2+2] конденсации МакДональда...........73

5-(4-трет-бутилфенил)-15-(4-нитрофенил)-10,20-димезитилпорфирин (7), 5-(4-трет-бутилфенил)-15-(4-аминофенил)-10,20-димезитилпорфирин (8)................73

5-(4-трет-бутилфенил)-15-(4-азидофенил)-10,20-димезитилпорфиринатоцинк

(9 )................................................................................................:............................74

5-(4-трет-бутилфенил)-15-(4-этинилфенил)-10,20-димезитилпорфиринатоцинк

(10 )...........................................................................................................................75

5,15-(4-нитрофенил)-10,20-димезитилпорфирин (11)...........................................75

5,15-(4-аминофенил)-10,20-димезитилпорфирин (12)..........................................75

5,15-(4-азидофенил)-10,20-димезитилпорфиринатоцинк (13)..............................76

5,15-(4-этинил фенил)-10,20-димезитилпорфиринатоцинк (14)...........................77

Общая методика Си(1)-катализируемого 1,3-диполярного циклоприсоединения для синтеза сопряженных порфириновых олигомеров (15 - 18).........................78

ВЫВОДЫ:...............................................................................................................80

6. Приложения............................................................................................................81

7. Список литературы................................................................................................91

Список сокращений

АсО - СН3С(0) - ацетил Аг - арил Ви - бутил

DDQ - 2,3-дихлоро-5,6-дициано-и-бензохинон

DIPEA- диизопропилэтиламин.

DME (ДМЭ) - 1,2-диметоксиэтан

DMEDA - N,N' -диметилэтилендиамин

ДМФА (ДМФА) - диметилформамид

DMSO (ДМСО) - диметилсульфоксид

EDA - этилендиамин

Et - этил

/-Рг - изо-пропил

MALDI ToF MS -время-пролётная масс-спектроскопия матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации Me - метил Mes - мезитил

PDT (ФДТ) - фото динамическая терапия рака РЕ - петролейный эфир Ph - фенил Рг - пропил Ру - пиридин

Ткомн. - комнатная температура

tBu - трет-бутил

ТГФ (ТГФ) - тетрагидрофуран

TMS - триметилсилил

ТРР - тетрафенилпорфирин

МРТ - магнитно-резонансная томография

ЭСП - электронные спектры поглощения

ЯМР - ядерный магнитный резонанс

SDS - додецилсульфата натрия

DABCO - 1,4-диазобицикло[2.2.2]октан

4,4'-Bipy - 4,4'-бипиридин

1. Введение

Порфирины - один из краеугольных камней, на которых базируется существование живой природы. Выполнение этими соединениями важнейших биохимических, ферментативных и фотохимических функций основано на особых свойствах тетрапиррольного макроцикла и его взаимодействии с другими функциональными элементами. Хотя спрос на новые материалы и биологически активные молекулы продолжает расти, и данная область исследований остается высокоактуальной на протяжении многих лет, ряд перспективных порфириновых соединений только начали недавно исследовать. В быстроразвивающейся химии порфиринов на базе фундаментальных методологий активно появляются новые синтетические пути и возможности, среди которых можно выделить несколько основных направлений исследования и синтеза:

1. Синтез порфириновых молекул.

2. Функционализация порфириновых молекул, которая осуществляется путем модификации прекурсоров порфиринов (пирролы, дипирролилметаны, альдегиды) или за счет введения функциональных заместителей в уже имеющиеся порфириновые молекулы.

3. Создание супрамолекулярных или ковалентно-связанных мультипорфириновых систем.

Синтез мультипорфириновых систем представляет особый интерес и перспективы практического применения в оптических и электронных приборах, фотоэлементах [1,2,3], катализе [4,3д], адсорбентах [5], нелинейно-оптических материалах [6,7], а также для применения в фотодинамической терапии (ФДТ) [8].

В настоящее время для создания ковалентно-связанных мультипорфириновых систем успешно применяются следующие каталитические методы:

■ Реакции кросс-сочетания с образованием связи углерод-углерод (Сузуки /Стилле, Соногаширы, Хека).

■ Реакции кросс-сочетания с образованием связи углерод-гетероатом.

■ Реакции метатезиса.

■ «Клик» реакции.

Наиболее распространенным и широко изученным подходом к синтезу сопряженных мультипорфириновых систем являются реакции каталитического кросс-сочетания (Сузуки, Соногашира). С помощью данных реакций синтезированы мультипорфириновые системы, связанные ацетиленовыми мостиковыми группами: димеры, тримеры, олигомеры, как линейного, так и разветвленного строения. Были изучены спектроскопические и электрохимические свойства полученных при этом соединений [За,е,ж,9,10,11].

Между тем, с появлением «клик» - химии (реакция 1,3-диполярного циклоприсоединения Хьюсгена) эта простая и эффективная реакция стала популярным методом соединения двух органических молекул имеющих азидную и ацетиленовую группы посредством триазольного цикла. Естественно, что «клик» -реакция нашла свое применение и в синтезе порфириновых систем. Соединение порфириновых молекул посредством триазольного цикла представляет особый интерес, открывая возможность создания изогнутых сопряженных мультипорфириновых систем, в отличие от линейных мультипорфиринов, соединенных ацетиленовыми или фениленовыми «линкерами». Однако на данный момент этому вопросу не уделено должного внимания в литературе и опубликовано лишь несколько работ по синтезу биспорфиринов с триазольными связывающими мостиковыми группами [12,13,14]. Применение «клик»-реакции описано главным образом для получения порфириновых конъюгатов с другими молекулами. Поэтому в рамках данного обзора представлены наиболее интересные и практически значимые

примеры порфириновых конъюгатов, образованных путем 1,3-циклоприсоединения.

7

2. Литературный обзор

МОДИФИКАЦИЯ ПОРФИРИНОВ С ПОМОЩЬЮ РЕАКЦИИ [3+2]-ДИПОЛЯРНОГО ЦИКЛОПРИСОЕДИНЕНИЯ АЗИДОВ И АЛКИНОВ

2.1. Особенности реакции и условия ее проведения

Клик-химия, впервые описанная Б. Шарплессом в 2001 году[15] приспособлена для быстрого и надежного получения гетероатомных связей и открывает уникальные возможности в поиске новых материалов и молекул. Концепция клик-химии не касается отдельной реакции, но была задумана как подражание природе, в которой широко используется принцип построения сложных соединений из модульных элементов. Подобные реакции проходят в мягких условиях, с высоким выходом, при простой методике проведения реакции и очистки ее продуктов. Группа ученых во главе с Б. Шарплессом определила ряд реакций, наиболее подходящих к данной категории [15,16]. В данном обзоре под термином «клик» химии будет рассмотрена реакция азид-алкинового циклоприсоединения с образованием 1,2,3-триазолов. Некаталитический вариант реакции был исследован Хьюсгеном в начале 1960-х в рамках изучения реакций 1,3-диполярного присоединения [17].

Широкое развитие реакция получила после открытия катализа Си(1), что было сделано независимо группами М. Мельдаля [18] и Б. Шарплесса [19] в 2002 году и привнесло "новое дыхание" в общую концепцию 1,3-диполярного циклоприсоединения. Эта простая и эффективная реакция стала главной методологией соединения двух органических фрагментов посредством триазольного цикла. Реакция получила широкое применение в различных областях органической химии и, особенно в получении макромолекул и функциональных материалов [20]. Дальнейший интерес к этой реакции возник благодаря интересной биологической активности 1,2,3-триазолов. Эти гетероциклы функционируют как жесткие связывающие «мостики», которые имитируют расположение атомов и электронные

свойства пептидной связи, исключая склонность к гидролитическому расщеплению [21].

Данная реакция также играет важную роль в химии порфиринов, позволяя проводить модификации порфиринов за счет формировании конъюгатов с фуллеренами [22], фрагментами фармакофоров [23,24,25], дендримеров с порфириновым ядром [26,27], иммобилизации порфиринов на твёрдых носителях [28], включая полипептиды [24]. Азиды и алкины, в основном, инертны к большинству условий реакции, включая высоко функционализированные органические молекулы, молекулярный кислород, воду [29]. В большинстве случаев эти функциональные группы могут быть введены в молекулу в «удобный момент» и оставаться незатронутыми в течении дальнейших превращений. Несмотря на термодинамическую неустойчивость азидов, кинетические факторы позволяют алифатическим азидам быть практически «невидимыми» до появления хорошего диполярофильного реагента. Кинетическая стабильность алкинов и азидов отвечает за низкие скорости реакции их циклоприсоединения, протекающие обычно при высоких температурах. При этом региоселективность реакций алкин-азидного циклоприсоединения, проводимых без катализатора, достигается только с участием терминальных алкинов с сильными акцепторными свойствами, а реакции с другими алкинами дают смесь 1,4- и 1,5-изомеров [30].

® !

° -— \Ц *

к:—= к2 И2

са. 1:1 mixture

Схема 2.1. Реакция алкин-азидного циклоприсоединения, проводимая без катализатора, с образованием смесь 1,4- и 1,5-изомеров.

Только открытие условий Си^катализируемого алкин-азидного циклоприсоединения открыло все преимущества этой реакции. Калифорнийскими учеными был предложен ступенчатый механизм данной реакции [31].

К2 —.......н

Ь„Св ■ ■ [ииС«]21

С» са!я!у<и

I*—гЬ—н

1ГВ в-н

К1 -N.""4

м

Г"

V.

в-н

|>1 .К. ,

"К;

/К,

ЦОь И3

М

1-„счь и2^

Ц^Си К'

ЦСигч

Си ясс1уНс1е

| К'-К; Си

Ч""

Схема 2.2. Предполагаемая схема каталитического цикла реакции алкин-азидного циклоприсоединения.

Алкин-азидное циклоприсоединение позволяет получать большинство триазолов

с высокими выходами при различных условиях реакции, что подчеркивает ее

универсальность. В зависимости от источника Си(1) катализатора можно выделить

несколько типов условий:

1. Формирование Си(1) катализатора восстановлением солей Си(П).

2. Формирование Си(1) катализатора окислением металлической меди

3. Формирование Си(1) катализатора из соли Си(1)

4. Алкин-азидное циклоприсоединение с участием лигандов.

5. Мультистадийные реакции.

В большинстве Си(1)-катализируемоеалкин-азидное циклоприсоединение это надежный, быстрый и эффективный способ получения триазолов, но, как в случае любой реакции, существует ряд исключений: 1. Гомо-сочетание алкинов.

2.

Насыщение Си(1)

2.2. Синтез 1,5-диарилзамещенных триазолов

Реакция алкин-азидного циклоприсоединения может также проходить с образованием 1,5-диарилзамещенных триазолов. Данная реакция арильных азидов с терминальными алкинами проводится в ДМСО, в присутствии каталитического количества гидроксида тетраалкиламмония. Методика реакции исключительно проста, не требует катализа переходными металлами, не чувствительна к атмосферному кислороду и влажности (Схема 2.3,2.4).

1^2

ЫШОН (водн.) (10 мол%)

ДМСО, Ткомн

В! = А1ку1, ОМе, р, Вг, N02, СЫ Я? = А1ку1, ОМе, Вг, N0?, СО?Я

/'

37-92%

ь/

N

Схема 2.3. Реакция алкин-азидного циклоприсоединения с образованием 1,5-диарилзамещенных триазолов.

П

©

Б-Н

Схема 2.4. Предполагаемые интермедиаты в катализируемом основанием синтезе 1,5 - дизамещенных-1,2,3-триазолов.

Данная реакция интересна и полезна, поскольку позволяет получать коньюгаты с альтернативной геометрией - соединяемые фрагменты располагаются рядом, под острым углом, в отличие от 1,3-дизамещенных триазолов, образующихся в реакции, катализируемой медью [32].

2.3. Особенности реакции Си(1)-катализируемого алкин-азидного циклоприсоединения с участием порфиринов

Для проведения «клик» реакции как правило используются мезо-тетрафенилпорфириновые производные, т.к. в фенильные заместители можно вводить нужные реакционные группы. В большинстве описанных примеров это мезо-тетрафенилпорфирин с азидной или ацетиленовой группой в одном из фенильных фрагментов, и с «объемными» неполярными метальными, третбутильными орто-, пара-, .мета-заместителями в остальных фенильных фрагментах (Таблица 2.1). Это обусловлено особенностями синтеза асимметрично замещенных порфиринов:

• при «смешанной» альдегид - пиррольной конденсации используют различные по полярности бензальдегиды, что делает возможным легкое хроматографическое разделение продуктов реакции.

• если исходные бензальдегиды одинаковы по полярности и ко-хроматографичны, наличие орто-заместителей в фенильных группах создает различные степени стерического затруднения, препятствующего адсорбции, что позволяет хроматографически разделять смесь порфириновых продуктов реакции конденсации. При этом порфирины эллюируются в порядке уменьшения стерической затрудненности.

• наличие объемных алкильных заместителей улучшает растворимость порфиринов [33].

• С началом применения клик-химии с участием порфириновых субстратов открылся ряд особенностей и препятствий при проведения данной реакции. Так как порфирин представляет собой лиганд, то при использовании в виде свободного основ�