Новые органические внутрикомплексные соединения кремния и германия на основе альфа-амино- и альфа-гидроксикислот тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

ФАН ХУНЦЭ

Новые органические внутрикомплексные соединения кремния и германия на основе альфа-амино- и альфа-гидроксикислог

02.00.03 — органическая химия 02.00.08 — химия элемеитоорганическнх соединений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва — 2012

005043796

005043796

Работа выполнена на кафедре общей и биоорганической химии Российского национального исследовательского медицинского университета имени Н. И.

Пирогова

Научные руководители: д.х.н., проф. Бауков Юрий Иванович

(Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова)

д.х.н., в.н.с. Шипов Александр Геннадьевич (Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова)

Официальные оппоненты: д.х.н., в.н.с. Иоффе Сёма Лейбович

Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН (Москва)

к.х.н., в.н.с. Прищенко Андрей Анатольевич (Химический ф-т МГУ им. М.В. Ломоносова)

Ведущая организация: Иркутский институт химии им. А.Е.

Фаворского Сибирского отделения РАН

Защита состоится " 23" марта 2012 г. в И часов 00 мин на заседании диссертационного Совета Д 501.001.97 по химическим наукам при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 1, Химический факультет МГУ, аудитория 446.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан " 20_" февраля 2012 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета, кандидат химических наук

Кардашева Ю. С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Интенсивное развитие химии органических производных элементов 14 группы в настоящее время обусловлено бурным развитием микроэлектронной промышленности, необходимостью получения новых полимеров и материалов, а также широким спектром биологической активности органических производных кремния, германия и олова. Открытие силатранов и их аналогов выявило важную роль координации в химии элементов этой группы. Учитывая, что механизмы многих реакций нуклсофильного замещения предполагают участие пента- и гекса-координированных шггермедиатов, соединения кремния, германия и олова с расширенной координационной сферой можно рассматривать как достаточно стабильные модели этих промежуточных состояний. Поэтому синтез, изучение структуры органических нейтральных, анионных и катионных внутрикомплексных соединений кремния и германия, содержащих биоактивные фрагменты а-амиыо- и а-гидроксикислот, имеет важное значение как для практических приложений, так и для развития теоретических представлений органической химии.

Цель работы. Диссертация посвящена разработке методов синтеза органических нейтральных, анионных и катионных внутрикомплексных соединений 81 и Ос, содержащих биоактивные фрагменты а-амино- и а-гидроксикислот с различными заместителями при центральном атоме, сравнительному изучению структурных особенностей, химических и физико-химических свойств полученных соединений.

Научная новизна и практическая значимость работы. С использованием известных и разработанных нами сшггетических методов получен ряд новых соединений кремния и германия с расширенной координационной сферой. Впервые синтезированы 2-сила-5-пиперазиноны — удобные промежуточные соединения для получения нейтральных пентакоординированных производных кремния и дисилоксанов с фрагментом а-аминокислот. На основе дисилоксанов получен ряд внутрикомплексных фторсиланов, более устойчивых к действию влаги, чем хлориды и бромиды.

Изучено влияния строения лактамного цикла и а-гидроксикарбоновых кислот на возможность дополнительного координационного взаимодействия О—в фрагменте С(0)ЫСН2Б1 в анионных моноядерных силикатах. Па основе Л,Д-винной кислоты получены новые внутрикомплексные дианионные дисиликаты и дигерманаты.

Разработан новый способ получения катионных внутрикомплексных соединений кремния и германия на основе Л', /У-диметиламида гликолевой кислоты, триалкоксисиланов или -германов и ацетилбромида в одноколбовом варианте.

Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ в научных журналах и сборниках тезисов докладов. Отдельные результаты исследования были представлены и докладывались на Всероссийской конференции по органической химии (Москва, 2009), XI Андриановской Конференции «Кремнийорганические соединения. Синтез, Свойства, Применение»

(Москва, 2010), XXV Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Суздаль, 2011), XVI международном симпозиуме по химии кремния (Канада, Онтарио, 2011) и Симпозиуме по теоретической, синтетической, биологической и прикладной химии элементорганических соединений (Санкт-Петербург, 2011).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, посвященного синтезу и свойствам силацикланов, содержащим дополнительные гетероатомы в цикле, обсуждения результатов собственного исследования, экспериментальной части, выводов, списка цитируемой литературы (193 наименования). Работа изложена на 120 страницах, содержит 29 рисунков и 4 таблицы.

Методы исследования. Для проведения химических реакций, выделения их продуктов и подготовки образцов для РСА использовались стандартные приемы и оборудование. Структуры полученных соединений подтверждены данными элементного анализа, спектроскопии ИК и ЯМР (проф. Вад. В. Негребецкий), РСА (с. н. с. А. А. Коряюков, аспирант Д. Е. Архипов). Автор выражает свою признательность доц. В. М. Демьянович за помощь при определении удельного вращения и с. н. с. Г. Я. Зуевой за предоставленные образцы полифункциональных органогерманов.

Работа проводилась в соответствии с планом научно-исследовательских работ Российского национального исследовательского медицинского университета имени Н. И. Пирогова в рамках внутриуниверситетской темы «Синтез и изыскание новых лекарственных препаратов и изучение механизма их действия на организм».

Отдельные части работы выполнены при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты №№ 08-03-01071, 10-03-00824 и 11-03-00655).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Взаимодействие производных амидов а-аминоксислот с системой С1СП2Я|Мс2С1—(Ме^^М!. Получение 2-сила-5-пиперазинонов

В проведенных ранее исследованиях по синтезу и изучению свойств 2-сила-5-морфолипонов было найдено, что реакция С1СН2^Ме2С1 с О-ТМС-А'-метиламидами 2-гидроксикислот в присутствии Е1зЫ приводит к продуктам ЛГ-диметилхлорилилметилирования, которые далее претерпевают циклизацию с выделением Ме381С1 и образованием целевых соединений. Был разработан и упрощенный вариант циклосилилметилирования Л'-мстиллактиламида под действием системы С1С1 ^¡МегСМ^МсзЗ^МН при нагревании реагентов. В продолжение этих исследований мы изучили циклосилилметилирование N'-органосульфонил-Лг-метиламидов а-аминокислот указанной системой, в результате чего из соединений 1, 2, (5)-3, 4, нами впервые были получены неизвестные ранее 2-сила-5-пиперазшгоны 5, 6, (5)-7, 8.

1СШ2ЮМ1Мс

1,1, (5>3, 4

С1СН281Ме2С1, (МезБОзКН, 1° - \le3SlC], - Ы114С1

БОгЛ1

И I

I

Ме 5,6, (ад я

(1)

1, 5: Я1 = Ме, К2=Н (53%); 2, 6: Я1 = и-СН3С6Н4, Я2 = Н (90%) (5)-3, (¿>7: Я1 = и-М02С6Н4, Я2 = Ме (65%); 4,8: Я1 = я-]\'02С6Н4, Я2 = Ме2СНСН2

(68%)

Можно предположить, что в реакции Ц) первоначально образуются продукты Л'-диметилхлорсилилм оптирования — пентакоординированные (С,0)-хелатные хлорсилапы, которые затем претерпевают внутримолекулярную циклизацию с отщеплением НС1 (или Ме381С1) и образованием целевых 2-сила-5-пиперазинонов 5, 6, (5)-7, 8.

Я1502МНОт2СОКНМе

-НС1 (или -Ме38|С1)

С1СН25Ме2С1, (Меэ31)2М1

- МезЯЮ

БС^Я1

М/1 Хо

N

I

Ме

а'БОгКСН

ч /О, Ме N.

X

Х = НилиМе,51

Схема 1

Синтезированные 2-сила-5-пиперазиноны 5, (5)-7) 5 — кристаллические вещества; соединение 6 — желтоватое масло. Строение целевых продуктов установлено на основании элементного анализа, данных спектроскопии ИК и ЯМР

'Н, ,3С и 2981 и рентгеноструктурными исследованиями. Выделенные в индивидуальном виде 2-сила-5-штеразиноны 5, 6, (5)-7, 8 характеризуются в ИК спектрах полосой поглощения при -1630-1650 см"1 (N00) и обычным для тетракоординированного атома 81 с сопоставимым окружением значением химического сдвига атома кремния в спектрах ЯМР 2931 (-4-7 м. д.). Особенностью спектров является неэквивалентность метальных групп и протонов в 51Ме2 и СН231 фрагментах соединений (5)-7 и 8, обусловленная их диастереотопностью.

По данным РСА 6-членный силапиперазиноновый цикл в молекулах 5, (5)-7 и 8 имеет в кристаллах искаженную конформацию «лодки» с длиной связи 511-N2 1.774(2), 1.776(1) и 1.779(2) А соответственно. В качестве примера на рис. 1 приведено строение молекулы 2-сила-5-пиперазинона (5)-7.

Рис. 1. Общий вид молекулы 2-сила-5-пиперазинона (5)-7 в кристалле по данным

РСА

(атомы водорода не показаны).

Отметим, что циклосилилметилирование оптически активного производного (5)-аланина, (5)-3, привело к сохранению оптической активности в продукте циклизации (5") -7, однако его оптическая чистота нами не определялась.

2. Взаимодействие 2-сила-5-пиперазинонов с электрофильными реагентами с образованием (О—>80-хелатных соединений

Известная легкость расщепления связи Бь-N под действием элекгрофильных реагентов использована нами для получения новых внутрикомплексных соединений кремния с фрагментом глицина. Так, взаимодействие 2-сила-5-пиперазинона 6 с ацетилбромидом и 1-хлорметил-2-пирролидоном (Ь5СН2С1) в мягких условиях привело к продуктам раскрытия цикла — (О—>81)-хелатам 9 и 10

соответственно.

В ИК спектре бромида 9 присутствуют пики с характерными для пятичленного хелатного цикла частотами 1632 и 1496 см"1. Пентакоординация кремния в его кристаллах установлена методом РСА. В аксиальных положениях ТБП кремния располагаются атомы кислорода и брома.

Схема 2

В отличие от бромида 9, соединение 10, по данным элементного анализа, является моногидратом, образовавшимся, видимо, вследствие доступа влаги воздуха при выделении и храпении образца продукта. Таким образом, соединение 10 является хлоридом силилоксония — продуктом гидролиза промежуточного пентакоординированного хлорида кремния. Наличие координационного связывания О—»81 в нем констатировано на основании спектров ИК (1615 и 1490 см"1), ЯМР (З2^ = -30 м.д.) и РСА (рис. 2).

Оказалось, что бромсилан 9 также присоединяет молекулу воды при кристаллизации его из неабсолютного 01,СЫ и образует внутрикомплексный бромид силилоксония И,. Его строение подтверждено элементным анализом, спектрами ИК, ЯМР и данными РСА.

10

И

Рис. 2. Общин вид молекул (О—>81)-хелатных силилоксонийхлорида [ТзН(СН2Ь5)ОТ2С(0)Ы(Ме)СН281Ме20Н2]С1 (10) и силилоксонийбромида [ТзК(Ас)СН2С(0)К(Ме)СН281Ме20Н2]Вг (11) в кристалле (атомы водорода показаны только в молекулах воды) в кристалле.

3. Получение 1,1гЗ,3-тетраметнл-1,3-бис(2-органосульфоииламидо-1Ч-метилалк11ламидомстил)-1,3-Дисилоксанов

Гидролиз 2-сила-5-пиперазинонов 5, (5)-7, 8 водным этанолом легко протекает уже при комнатной температуре с расщеплением связи Б ¡--И и образованием дисилоксанов 12, (&5Н4.15 с выходами 46, 54 и 49% (схема 3, "а"). На примере дисилоксанов 13, 17, и 19 показано, что препаративно удобнее осуществлять синтез дисилоксанов в однореакгорном варианте путем гидролиза 2-сила-5-пиперазинонов, образующихся "¡п эии" (схема 3, "Ь"). Выходы конечных продуктов составили при этом 72, 52 и 67% соответственно. Состав и строение дисилоксанов 12, 13, (5,5)-14, 15, 17, 19 подтверждены элементным анализом, спектрами ИК и ЯМР 'Н, 13С, и 2951, а для соединений 15 и 17 — также РСА.

Схема 3

БОгЯ1

Ме, N я2 к2 Ь. С1СН23|Мс2С1,

м«Т "Т (Я'502К1^НС0МСН28,М=2)20 Ж . 1,16,18

-Ме38,С1

Ме 12,13, (Х."Г>-14.15, 12. 12

5, 8

5,12: Я1 = Ме, 112=Н (46%); 6,13: Я1 = л-СИзОН,, Я2=Н (67%)

16,17: Я1 = п-Ы02СбН4, Я2=Н (72%); 18,19: Я1 = «-СН3С6Н4, Я2= Ме (52%)

(в)-! (5,8)-14: Я1 = п-ШгСвП,, К.2=Ме (54%); 8,15: Я1 = п-К02СйН4, Я2= Ме2СНСН2 (49%)

На рис. 3 в качестве примера приведено строение молекулы дисилоксана 15. Основные длины связей и углы (А и °) в нем имеют значения: §1(1)—0(1) 1.653(3), 81(1)0(1)Б1(2) 149.5(2), тогда как в дисилоксане 17 — 51(1)-0(1) 1.629(1), 81(П)0(1)81(1) 159.3(3).

Рис. 3. Общий вид молекулы дисилоксана [№ЫНСН(СН2СНСМе2)С(0)1ч[(Ме)СН281Ме2]20 (15) в кристалле (атомы водорода не показаны).

4. Взаимодействие дисилоксанов [К18021Ч11С1т2С(0)^Ме)8!Ме2]20 с электрофильными реагентами (Е120'ВРз, СН3СОВг)

Реакция полученных силоксанов с эфиратом ВР3 протекает в достаточно мягких условиях, а выход и чистота получаемых продуктов позволяют считать этот метод препаративным для получения чистых образцов фторидов 20-25. Их строение подтверждено элементным анализом, спектрами ИК, ЯМР *Н, 13С, 19Р , "Б! и РСА.

Я2 . I

(ТЯСЬМНСН

я2

(Я^ОзЫНСНССЖа^МеЛО -»- N Уг)

12,13, (£5)-14,15,17,19 20, 21, 22,23, (5)-24,25

12, 20: Я1 = Ме, Я2 = Н (75%); 13, 21: Я1 = п-СН3С6Н4, Я2 = Н (86%)

17, 22:ьГ^ л-Ы02СбП4, Я2 = Н (61%); 19, 23: Я1 = и-СН3СД14, Я2 = Ме (91%)

(ЗД-Ы, (5)-24: Я1 = и-М02С6Н4, Я2 = Ме (78%); 15, 25: Я1 = и-М02С6Н41<2 = Ме2СНСН2 (78%)

На координацию 0->5| в силилфторидах 20-25 указывает присутствие в их ИК спектрах в области 1450—1700 см"1 двух полос поглощения при 1615-1640 см"1 (с) и 1450-1520 см"1 (сл). О слабом внутримолекулярном координационном взаимодействии (ВКВ) в их растворах свидетельствуют и параметры спектров ЯМР 19Ри2981.

О пентакоординированном состоянии кремния в подобных комплексах можно судить по величинам «координациотплх вкладов», позволяющих оценить степень ВКВ с донорным атомом на основании разности химических сдвигов в пентакоординированном комплексе и модельном соединении с тетракоордшшрованным атомом (-Д8 = — 881|у). В качестве модельного соединения использовали дифторид МеС(0)М(СН281Ме2Р)2 (26), в котором один атом тетракоординирован, а второй — пентакоординирован. Химические сдвиги сигналов 19Р (Б у и Р у Б^') и 2 ,81 (2981№ и 2981у) составляют -159.8, -116.7, 29.0 ('./ит 287 Гц) и -23.5 ('^¡ г 257 Гц) м.д. соответственно.

Силыюпольный (относительно дифторида 26) сдвиг сигнала в спектрах ЯМР 2981 и слабопольный в спектрах ЯМР Р коррелируют с увеличением прочности ВКВ О—>81 по данным РСА. Координационные вклады —А8(2981) фторсиланов 2025 (как правило, 27-32 м.д.) невелики. На этом основании они могут быть отнесены к комплексам с относительно весьма слабым координационным взаимодействием.

Наиболее сильное 0->81 взаимодействие в растворе имеет место в случае фторсилана 23, для которого величины химических сдвигов в спектрах ЯМР 2981 и

орсилана ¿¿, для которого величины химических сдвигов в спектрах лт 29' 19Р составляют -2.9 и —130.80 м.д. В то же время, согласно данным РСА, наименьшую длину связи в твердой фазе имеет комплекс (5)-24. В связи с этим заметим, что при обсуждении влияния различных факторов на степень ВКВ в данном случае следует учитывать также возможность ослабления такого взаимодействия при переходе из твердого состояния к раствору за счет склонности фторсиланов 2(1-25 к образованию в жидкой фазе межмолекулярных ассоциатов.

В кристаллах фторидов 23, 25 найдены межмолекулярные и внутримолекулярные водородные связи (N)H ' O(C) (расстояние 0 --N составляет 3.170(2) и 3.074(2)А) соответственно. В кристаллах фторидов 20. 22 обнаружены иные межмолекуляр1ше водородные связи (N)H--O(S) (расстояние O - N короче и. составляет 2.875(1) и 2.833(2) А). Отметим, что в кристаллах фторида 21 найдены внутримолекулярные водородные связи (N)H--O(C) с расстоянием 0--N 2.618(2) А (при сумме ван-дер-ваальсовых радиусов атомов О и N, равной 3.07 А). В то же время, для фторида (S)-24 тип Н-связи другой — (N)1I F (расстояние N-- F составляет 2.870(3) А при сумме ван-дер-ваальсовых радиусов атомов F и N, равной 3.03 А). Углы N-H-X (X = О, F) в 20, 22-25 близки к 180°. Водородные связи образуют в кристаллах цепочки молекул, вытянутые вдоль одной из кристаллографических осей. Напротив, углы N-H-O в кристалле 23 равны 120°.

Рис. 4. Схематичное изображение Н-связей во фторидах 20-25.

Расстояние 0-81 во фториде 21 (2.383(1) А) (рис. 5) наибольшее из известных в ряду Ы-(диметилфторсилилметил)амидов и -лактамов с В КВ. Для фторида (5)-24, в котором атом Б имеет дополнительную водородную связь, расстояние О—

Таким образом, образование водородных связей оказывает значительное влияние на параметры координационного узла ОЗ^зБ в полученных нейтральных внутрикомплексных производных а-аминокислот. Отметим, что часто используемый параметр ТБП — выход атома из экваториальной плоскости трех углеродных заместителей в сторону одного из аксиальных атомов (в данном случае атома Р) — составляет для фторидов 20-25 — 0.22, 0.28, 0.25, 0.25, 0.20 и 0.24 А соответственно.

Рис. 5. Общий вид молекулы фторида TsNHCH2C(0)N(Me)CH2SiMe2F (21) в

2.135(2) А.

кристалле (атомы водорода не показаны).

На примере дисилоксана (.У. .У)-14 продемонстрирована возможность расщепления активированной амидными группами связи 81-0 в изученных нами дисилоксанах избытком ацетилбромида при комнатной температуре.

Ме

I АсВг (Г-Ы02С6И4502ШСНС0КСН251Ме2)20 -

Ме

(ЗД-Ц (5>27

(3)

Строение внутрикомплексного бромсилана (5)-27 подтверждено его спектральными характеристиками, элементным анализом и РСА (рис. 6).

Рис. 6. Общий вид молекулы бромида (5)-4-№ШСН(Ме)С(0)Ы(Ме)СН281Ме2Вг

(04-27)

в кристалле (атомы водорода не показаны, за исключением водорода при атоме

N(2)).

5. Взаимодействие ¡Ч-трнметоксисилилметиллактамов с а-гидроксикарбоиовыми кислотами и дициклогексиламином

С целью получения новых внутрикомплексных анионных соединений кремния на основе широко представленных в природе а-гидроксикислот, содержащих в качестве потенциальных бидентатных лигандов лактамометильные фрагменты, мы изучили взаимодействие ^-(триметоксисшшлметшОлактамов Ь"СН281(ОМе)3 (л = 6,7) 28, 22 и производного 2,2-диметил-1,3-бензоксазин-4-она ВопСН281(ОМе)3 (30) с а-гидрокснкислотами в присутствии дициклогексиламина (Cy2NH). В результате получены как гекса-, так пентакоординированные кремниевые комплексы (в твердом виде) и выяснены особенности строения лакгамного и а-гидроксикислотных фрагментов, способствующие образованию дополнительной координационной связи амидного кислорода с атомом в комплексе.

Реакции проводили при нагревании о-ксилоле до удаления метанола или путем выдерживания реагентов в растворе ацетонитрила или его смеси с метанолом в течение одной-двух недель до образования осадка. При использовании гликолевой кислоты были выделены гексакоординированные анионные комплексы 31-33.

(СН2)л

2НОСН2СООН, (ОН„)2Ш

N ^О I

СН251(ОМе)3

п= 128;/1 = 229

Су2№12

4

(4)

/7= 131 (94%), п = 2 32 (66%)

к

Ме Ме О

Б^ОМе),

2 НОСН2СООП, (СбН.ОаШ

(Л/

Ме Ме

(5)

30

33(54%)

Строение целевых продуктов здесь и далее установлено на основании элементного анализа, данных спектроскопии ИК и ЯМР и рентгеноструктурными исследованиями. В ИК спектрах соединений 31-33 кроме слабых полос в области 2600-2400 см"1, относящихся к колебаниям группы №12+, обнаружены две характеристичные полосы колебаний карбоксигрупп: в интервалах 1680-1710 (сл) и 1660-1670 (с) см"1, что, видимо, отвечает синфазным и антифазным колебаниям двух таких групп в комплексах. Кроме этого, наблюдается вторая пара характеристичных полос, относящаяся к асимметричным и симметричным колебаниям амидной группы в интервалах 1608-1616 и 1512-1518 см"1.

По данным РСА, соединения 31 и 33 представляют собой анионные комплексы кремния с противоионом дициклогексиламмония и координационным узлом 81С05, гексакоординированный атом 81 в котором имеет окружение близкое к октаэдрическому. Строение анионов комплексов представлено на рис. 7.

31

33

Рис. 7. Общий вид аниона в комплексах Су2МН2+[Ь6СН281(ОСН2СОО)2]" (31) и Су2>Щ2+[ВопСН281(ОСН2СОО)2]~ (33)в кристалле. Атомы водорода не показаны.

Однако сигналы атомов 81 в спектрах ЯМР 81 соединений 31-33 регистрируются в интервале 5 -(90.0-91.4) м.д., что близко к наблюдавшимся ранее для родственных по строению соединений и указывает на пентакоординацию атома кремния в растворах.

В аналогичной реакции Л^-триметоксисилилметил^-азепанона (29) с рацемической миндальной кислотой был выделен комплекс 34, мало отличающийся по спектральным характеристикам от соединения 32 (содержит лишь дополнительную полосу поглощения в ИК спектре при 1590 смотнесенную нами к колебаниям ароматической системы). По данным РСА (рис. 8) он также является гексакоординированным анионным комплексом с координационным узлом 8Ю05.

1ЛЗШОМе)з »'ОСНСРЦСООНДСеН,,)^. ^^с^оснпоооу- (6)

- 3 МеОН

29

34 (80%)

Рис. 8. Общий вид аниона комплекса Су2ЫН2+[Ь'СН251(ОСН1П1СОО)2]Ч34)-Атомы водорода не показаны.

При реакции с А'-триметоксисилилметиллактамов с более пространственно затрудненной дифенилгликолевой кислотой были получены анионные комплексы 35-37.

Г/СИ^^ОМе)] Ь6 28:Ь'.29

ВопСНгБ^ОМе)} 30

2 НОСРЬ2СООН, (С6Н„)2МН

-3 МеОН

сУ2ш2+о."сн28;(осрь2соо)2г

Ь6 35 (77%); I.7 36 (79%)

су2нн2*[вопсн2х:(оср112соо)2г 37(91%)

Схема 4

По данным РСА атом кремния в комплексах 35 и 37, как и в производных гликолевой и миндальной кислот 31., 33 и 34, гексакоординирован с координационным узлом 81С05 и имеет несколько искаженную октаэдрическую

конфигурацию. В отличие от этого, комплекс 36 характеризуется отсутствием координационной связи с амидным атомом кислорода (расстояние между атомом и амидным атомом О составляет 3.384 А, координационный узел БЮС^, рис. 9). Атом кремния в комплексе имеет ТБП конфигурацию с аксиальным расположением координирующих атомов кислорода карбоксигрупп.

Рис. 9. Строение аниона комплекса Су2Ы112'|Ь7С1 12Я ¡(ОСРЬ2СОО)2Г (36).

Атомы водорода не показаны.

Наличие координационной связи О—в комплексах 35 и 37 и ее отсутствие в комплексе 36 согласуется с высокочастотным сдвигом полос поглощения карбоксигрупп в ИК спектре соединения 36 (1718 и 1671 см"1) по сравнению с 31 и 32 (см. выше).

Отличие в строении координационных узлов в столь близких соединениях мы склонны отнести на счет разницы пространственного строения 6- и 7-членного лактамных циклов, что приводит к данному результату в стернчески нагруженных фенильными кольцами анионах. В случае конформационно более выгодных производных с шестичленными лактамными циклами (35 и 37), дополнительное (С,0)-хелатировапие ведет к соединениям с гексакоординированным атомом 51. Конформация капролакгамового цикла в соединении 36, видимо, не способствует реализации дополнительного координационного взаимодействия амидного атома кислорода с кремнием в кристалле. Возможно, определяющая роль в отсутствии такого хелатирования связана с эффектами кристалллической упаковки и наличием водородной связи лактамного атома кислорода с катионом (С(,Ни)2>Ш2+ (расстояние 07...НЫ 1.881 А).

В аналогичной реакции соединения 30 с 2-гидрокси-2-метилпропановой кислотой и дициклогексиламином в ацетонтитриле выделен комплекс 38 (выход 74%). Его РСА (рис. 10) показал отсутствие координационной связи амидного атома кислорода с кремнием в анионе соединения 38 (расстояние I)—0(7) 3.521А), что можно связать со значительным стерическим влиянием неплоских метальных групп в кислотных остатках.

си

Рис. 10. Общий вид аниона Су2М [2+[ВопСН281(ОСМс2СОО)2Г (38).

Атомы водорода не показаны.

В продолжение изучения взаимодействия Ы-триметоксисилилметиллактамов с а-гидроксикислотами нами впервые использована в такого типа реакциях 9-гидроксифлуорен-9-карбоновая кислота НО(Р1и)СООН, жесткий углеродный скелет которой, как мы полагали, будет способен вызывать значительные пространственные затруднения. С другой стороны, плоское строение скелета могло и нивелировать этот эффект.

Оказалось, что изученная нами на примере 2-азепанона 29 реакция (в присутствии дициклогексиламина в о-ксилоле) неожиданно привела к нейтральному комплексу — дисилоксану 32 (выход 59%). Его монокристаллы, по данным РСА, представляют собой моносольват ацетонитрила с дисилоксаном {Ь7СН25![0(Р1и)С00]}20МеСЫ (39-МеСМ), оба атома кремния в котором пентакоординированы (реакция 7, рис. 11).

Образование дисилоксана 39 может быть следствием частичного гидролиза следами воды первоначально образовавшегося «нормального» комплекса типа 31— 38 с соответствующим остатком а-гидроксикислоты или промежуточного соединения, содержащего один остаток гидроксикислоты и метоксигруппу у атома кремния.

2 Ь7СН281(ОМе)3 + 2 29

-4 МеОН -2МеОН

Су2ГШ следы Н20

{Ь7СН25и0(Р1и)С00]}20 (7) 39

Рис. 11. Строение моносольвата {Г ,7СН281 [0(Р1и)С00]} 2О МсСЫ (39 МеСМ). Атомы водорода и разупорядоченная молекула ацетонитрила не показаны.

Желаемый анионный комплекс на основе 9-гидроксифлуорен-9-карбоновой кислоты удалось синтезировать при использовании производного бензоксазинона 30 (реакция 8).

Строение полученного гексакоординированного комплекса 40 (выход 49%) подтверждено элементным анализом, ИК-спектрами и рентгеноструктурным иследованием. Его успешное образование, возможно, обусловлено более «плоскостным» строением фрагментов аниона.

При взаимодействии силилметиллактамов 28, 29 с (К,К)-винной кислотой и дициклогексиламином в соотношении 1:1:1 в о-ксилоле с удалением метанола были получены биядерные анионные комплексы кремния 41 и 42 (реакция 9) с умеренным выходом (около 40%). Попытки увеличить выход продуктов путем проведения реакции в ацетоншриле при длительном выдерживания реагентов при 20 °С к успеху не привели.

Комплексы 41 и 42 имеют близкие ИК спектры, содержащие по 4 полосы разной интенсивности карбоксигрупп, указывающие на их дисиликатное строение,

40

а также соответствующие амидные полосы поглощения, присущие шести- и семичленным Л-замещениым лактамам. Положение сигналов в спектрах ЯМР 2981 (-95.8 для 41 и -95.7 м.д. для 42) говорит о пептакоординации атомов 81 в растворах этих соединений.

п = 1 (28), 2 (29) п = 1 41 (38%), 2 42 (48%)

По данным РСА в соединениях 41, 42 отсутствует хелатирование кремния атомами О амидных фрагментов. Атомы в них имеют ТБП окружение с аксиальным расположением карбоксильных заместителей; атом С и атомы О гидроксильных групп находятся в экваториальной плоскости. Отсутствие дополнительных координационных взаимодействий в 41, 42 скорее всего связано с биядерным строением анионов и их определенной конформационной жесткостью. В качестве примера на рис. 12 приведено строение аниона соединения 41 (в литературе для такого рода структур используют название «китайские фонарики»). Отметим, что расстояния между атомами кислорода амидных фрагментов и ближайшими атомами кремния (несостоявшиеся координационные взаимодействия) в 41 составляют 3.524 и 3.678 А, а в 42 — по 3.499 А.

Влияние катиона на геометрические параметры анионных комплексов кремния на основе (Д,Д)-винной кислоты оценено путем сравнения основных геометрических характеристик координационных узлов полученного нами аналогично реакции (8) сольвата 2Су2ЫН2+{РЬ81[0СН(С00)СН(С00)0]281РЬ}2" ■СН3СЫ (43 СН3СЫ) и описанного в литературе комплекса с катионами триэтиламмония. Сравнение указывает на близость соответствующих параметров и, фактически, отсутствие влияния на них строения катиона.

Рис. 12. Общий вид аниона моносольвата 2Су2КН2+{1.6СН281[0СН(С00)СН(С00)0]28!СН2Ь6}2- -СН3СЫ (41СНзСЫ). Атомы

водорода не показаны.

6. Взаимодействие органотриалкоксигерманов с а-гидроксикарбоновыми кислотами в присутствии дициклогсксиламниа

Взаимодействие этилтрипропоксигермана (44) с гликолевой и рацемической мин-дальней кислотами в присутствии дициклогексиламина в о-ксилоле привело к ожидаемым этилгерманатам дициклогексиламмония — Су2ЫН-,+ [ЕЮе(ОСН2СОО)2Г(45) и Су2"№12т [ЕЮе(ОСНРЬСОО)2Г (46) с выходами 76% и 72% соответственно (реакция 10), что говорит о достаточно гладком протекании этих реакций.

к

I

2 НОСНСООН, (С'бНцЬХН

ЕЮе(ОРг)3 -1—► Су2КН2+

-ЗРгОН

44

45 (Я = Н), 46 (II = РИ)

Строение выделенных анионных комплексов установлено на основании элементного анализа, спектральных характеристик и РСА полученных монокристаллов — моногидрата (45 Н20) и моносольвата с этанолом (46-С2Н5ОН). В качестве примера на рис. 13 приведено строение аниона этилгерманата 45.

С целью получения анионных биядерных комплексов германия типа «китайских фонариков» мы изучили взаимодействие органотриалкоксигерманов с (Л,Л)-винной кислотой и дициклогексиламином в о-ксилоле, а в некоторых случаях и в ацетоггатриле.

Рис. 13. Строение аниона моногидрата Су2К112+[ЕЮе(0СН2С00)2Г Н20 (45 Н20).

Атомы водорода не показаны.

Оказалось, что пропилтриметоксигерман (47) и беизилтриэтоксигерман (48) при проведении реакций в о-ксилоле при нагревании, действительно, дают дигерманаты 2Су2ЫН2+{БЮе[ОСН(СОО)СН(СОО)0]2ОеК}2~ (52, Я = Рг) и (53,11 = СП2РЬ) с выходами 25 и 40% соответственно. В случае р-хлорэтилтриэтокси-германа (49) выделенным кристалллическим продуктом оказался гидрохлорид

[(C6Hu)2NH2]C1, предположительно образовавшийся в этих условиях в результате элиминирования HCl из исходного соединения 49. В более мягких условиях (ацетонитрил, 20 °С) желаемый продукт 54 (R = С1СН2СН2) удалось получить с весьма низким выходом (26%). Аналогично из бензил-, фенил- и хлорметил-триэтоксигерманов (48-51) были синтезированы анионные биядерные комплексы — дигерманаты 53 (42%), 55 (R = С1СН2, 18%) и 56 (R = Ph, 56%) (схема 5).

2-

2 RGe(OR')3 47-51

СООН

, н—LOH 2cyjNii ' но—|-н соон

- 6 R'OH

2 Cy2NH2+

о ОП

/ \ \ °ч R—Ge Ge—R

о' чо О' \ / \ О /

L оу 0_

52-56

47, 52 (Я = Рг, Я' = ОМе); 48, 53 (Я = СН2Р11, Я' = ОЕ1);

49, 54 (Я = С1СН2СН2, Я' = ОЕ0; 51, 55 (Я = С1СН2, Я' = ОГл); 50, 56 (Я = РЬ, Я' =

ОЕ1)

Схема 5

Состав и строение полученных биядерных комплексов германия установлено на основании их спектральных характеристик, элементного анализа и РСА для 52 и 53.

В качестве примера на рис. 14 приведено строение аниона дигерманата 53 с коордииационньм узлом 0еС04. в значительной степени аналогичным таковому в ранее рассмотренных дисиликатах на основе (Д Д)-винной кислоты.

Рис. 14. Строепие аниона дигерманата 2Су2КН2+(РЬСН20е^СП(С00)СН(С00)0]20еСИ2РЬ}2 (53) в кристалле. Атомы водорода не показаны.

Таким образом, в результате изучения реакций органотриалкоксигерманов с а-гидроксикислотами нами получено 7 новых анионных комплексов — органогерманатов и диорганодигерманатов, строение четырех из них установлено методом РСА. На основании этих данных координационные узлы ОеСО* в соединениях 45, 46, 52, 54 имеют ТБП конфигурацию с аксиальным расположением карбоксигрупп и экваториальным — С-заместителя и двух атомов О алкоксигрупп. С учетом схожести спектральных характеристик соединений 52—56 можно предполагать близкое строение координационного окружения центральных атомов во всех исследованных анионных комплексах германия.

7. Взаимодействие органотриалкоксисиланов и -германов с Л'.Л'-диметиламидом гликолевой кислоты и ацетилбромидом

Реакциями фенилтриметоксисилана и фенилтриэтоксигермана (50) с Л'Л'-ди-метилгликольамидом в присутствии следов р-ТаОН в о-ксилоле после удаления спирта и добавления в охлажденную смесь ацетилбромида получены бромиды бис(диметилкарбамоилмегилокси)фенилсилилия РЬ81[0СН2С(0)К1Ме2]2+Вг" (57) и бис(диметилкарбамоилметилокси)фенилгермилия РЬОе[ОСН2С(0)ММе2]2+Вг~ (58) с выходами 85% и 88% соответственно (реакция 11).

PhM(OR)3

3 HOCU,C(ü)NMe2 -3 ROH

АсВг Tl. _„ PhM[OCH2C(G)NMe2]2 Br"

OD

M = Si, R = Me, 57; M = Ge, R = Et, 58

Взаимодействие хлорметилтриметоксисилана с Л' /V-диметилгликольамидом и ацетилбромидом в аналогичных условиях привело к некристаллизующемуся маслу. После добавления в смесь эквивалентного количества HgBr2 удалось выделить бис(0—>81)-хелатный триброммеркурат BrCH2Si[0CH2C(0)NMeJ2+HgBr3" (59, 37 %). Отметим также замещение хлора в хлорметильной группе на бром в последней реакции.

Состав и строение комплексов 57-59 установлено на основании их элементного анализа, спектральных характеристик и РСА 57 и 59 (строение катиона в 59 приведено на рис. 15). ИК спектры соединений 57—59 содержат по две полосы поглощения амидных групп в интервале 1665-1675 (с) см-1 и около 1480 см-1 (ср) (NCO), присущих пятичленному халатному циклу. Пентакоординация Si в растворах 57 и 59 подтверждается, кроме того, его химическим сдвигом в спектрах ЯМР298К-77.2 и —59.5 м.д. соответственно).

Рис. 15. Строение катиона триброммеркуратаВгСН28;[ОСН2С(0)т1е2]2^Вгз~

(59)

в кристалле. Атомы водорода не показаны.

Таким образом, в результате проведенного исследования нами разработаны методы синтеза анионных, нейтральных и катионных пента- и гекса-коордшшрованных moho-, бис- и трис-С,0- и 0,0'-хелатных комплексов Si и Ge. Установлено, что в ряде случаев небольшие изменения в строении реагентов приводят к существенному изменению типа образующихся продуктов, причем важную роль здесь играет пространственный фактор.

ВЫВОДЫ

1. Найдено, что силилметилирование //-метиламидов АР-органосульфонил-а-аминокислот системой диметилхлорметилхлорсилан-гексаметилдисилазан приводит к получению неизвестного ранее класса гетероциклических соединений — 2-сила-5-пиперазинонам. Их строение установлено на основании спектральных характеристик, данных рентгеноструктурного исследования и дальнейших превращений.

2. На примере 2,2,4-триметил-1-тозил-2-сила-5-пиперазинона показано, что связь 81—N в 2-сила-5-пиперазинонах легко расщепляется электрофильными реагентами, 1-хлорметил-2-пнрролидоном (Ь5СН2С1) и ацетилбромидом; в результате получены (О—>81)-хелатные внутрикомплексные соединения кремния — хлорид силилоксония |Т8К(СН2Ь5)СН2С(0)СН281Ме20Н2]С1 и бромид ТзЫ(Ас)СН2С(0)СН28!Ме2Вг соответственно. Их строение подтверждено спектральными характеристиками и РСА.

3. Установлено, что гидролиз 2-сила-5-пиперазинонов водным этанолом проходит с расщеплением связи 81-Ы и образованием соответствующих дисилоксанов [К1802ЫНК2С(0)Н(Ме)СН281Ме2]20, содержащих фрагменты а-аминокислот.

4. В полученных дисилоксанах связи 8Ь-0, активированные соседними амидными фрагментами, легко расщепляются под действием эфирата ВБз или ацетилбромида с образованием нейтральных пентакоординированных С,0-хелатов с внутримолекулярной координациогаой связью О—*8ь По данным рентгеноструктурного исследования, в кристаллах полученных таким образом фторидов К.'802ТД1СНК2С(0)ЫМсСН281Ме2Р обнаружены межмолекулярные и внутримолекулярные водородные связи.

5. Разработан общий синтетический подход к новым моно- и биядерным 0,0'-хелатным анионным комплексам кремния, содержащим амидометильные заместители у центрального атома, путем взаимодействия соответствующих органилтриадкоксисиланов с а-гидроксикарбоновыми кислотами, в том числе (й,Л)-винной кислотой, в присутствии органического основания (дицикло-гсксиламина). В зависимости от природы реагентов в этих реакциях образуются трис- или бис-хелатные гекса- или пентакоординированные комплексы с противоионом дициклогексиламмония, причем наиболее важную роль здесь играет пространственный фактор.

-Шести- и семичленные JV-триметоксисилилметиллактамы, а также 2,2-диметил-3-(триметоксисилилметил)-1,3-бензоксазин-4-он, в реакциях с участием гликолевой и миндальной кислот, по данным РСА, дают гексакоор-динированные трис-хелаты с координационным узлом SiC05 и различными хелатными лигандами — двумя (О,О')- и одним (С,0)-хелатиым. -В реакциях более пространственно затрудненной дифенилгликолевой кислоты с производными шестичленного лактама и бензоксазин-4-она образуются аналогичные трис-хелаты, тогда как в случае семичлепного лактама — бис(0,0')-хелат, в котором координационная связь О—>Si с амидным атомом кислорода отсутствует.

-Еще более затрудненная 2-гидрокси-2-метилпропановая кислота с производным бензоксазин-4-она дает бис(0,0')-хелат с координационным узлом SiC04.

- В реакциях с участием 9-гидроксифлуорен-9-карбоновой кислоты Flu(OH)COOH, имеющей весьма жесткий, плоскостной скелет, при использовании производного бензоксазин-4-она образуется гексакоординированный трис-хелат; в тоже время, в случае производного семичлепного лактама выделен нейтральный биядерный комплекс — дисилоксап {L7CH2Si[0(Flu)C00]}20. Оба атома Si в его координационных узлах SiC04 связаны с одним (О,О')- и одним (С,0)-хелатным лигандами.

- Взаимодействие (R,R)-винной кислоты с JV-триметоксисилилметил-лактамами дает биядерные дианионные мостиковые бис[(|12-тартрато-0,0',0",0"')]дисиликаты с пентакоординировашшми атомами Si в координационных узлах SÍCO4, атомы кислорода лакгамометильных фрагментов которых координационной связи О—»Si не образуют.

6. Найдено, что органилтриалкоксигерманы в реакциях с а-гидроксикислотами дают бис(0,0г)хелатоорганилгерманаты, по данным РСА представляющие собой, как в случае моногидроксимонокарбоновых кислот, так и в случае (Л,Л)-винной кислоты, анионные комплексы германия с одним углеродным заместителем и хелатирующими фрагментами а-гидроксикислот. Атом Ge, как в моноядерных моноанионных комплексах, так и в биядерных дианионных комплексах, пентакоординирован и образует координационный узел GeCO,|.

7. Предложена стратегия синтеза катионных впутрикомплексных бис-0,01-хелатов с координационными связями О—>М (М = Si, Ge) — бис-(О—>М)хелатных органилсилилий- и -гермилийбромидов взаимодействием органилтриалкоксисиланов и -германов с Л'Л'-диметнлгликольамидом и далее ацетилбромидом. Строение этих хелатов установлено на основании их спектральных характеристик и данных РСА.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях

1. Shipov A.G., Korlyukov A.A., Arkhipov D.E., Kramarova Е.Р., Negrebetsky V.V., Bylikin S.Yu., Nikolin A.A., Fang H.C., Antipin M.Yu., Baukov Y.I. Synthesis and structural features of anionic chelates of hypercoordinate silicon, the derivatives of glycolic and tartaric acids. // Mendeleev Communications. 2010, 20 (5) 273-274.

2. Шипов А.Г., Корлюков A.A., Крамарова Е.П., Архипов Д.Е., Быликин С.Ю., Фан Хунцэ, Погожих С.А., Мурашева Т.П., Негребецкий В.В.,Хрусталев В.Н., Овчинников Ю.Э., Бассипдэйл А., Тэйлор П., Бауков Ю.И. Донорно-стабилизированные пентакоординированные катиошше внутрикомплексные соединения кремния с двумя (О—» ЗО-коордшшрующими лигандами. ИЖОХ. 2011.81. 12. С. 1963-1978.

3. Николин А.А., Фан Хунцэ, Шипов А.Г., Архипов Д.Е., Коршоков А.А., Попков С.В., Ниребецкий В.В. Новые кремнийсодержащие гетероциклы на основе сульфопроизводпых аминокислот. "Всероссийская конференция по органической химии", посвященная 75-летию со дня основания Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН, 25 - 30 октября, 2009, 319.

4. Negrebetsky V., Nicolin A., Fang Н. С., Taylor P., A. Bassindale. Permutational izomerisation of novel mono- and binuclear penta- and hexacoordinated silicon, germanium and tin complexes. XI Andrianov Conference "Organosilicon Compounds. Synthesis, Properties, Applications. September 26-30 2010, Moscow. Book of Abstracts, i-20. 43.

5. Бауков Ю.И., Корлюков A.A., Грюнер C.B., Шипов А.Г., Крамарова Е.П., Фан Хунцэ, Негребецкий В.В., Быликин С.Ю., Архипов Д.Е., Николин А.А., Айрапстян Д.В. Новые С,О- и 0,0-хелаты гиперкоординированного кремния, германия и олова — производные 2-гидрокси- и 2-амшкжислот. XXV Международная Чугаевская конференция по координационной химии. 6-11 июня 2011 г. Тезисы докладов, г. Суздаль, с. 26.

6. Негребецкий В.В., Николин A.A., Фан Хунцэ, Крамарова Е.П., Шипов А.Г., Бауков Ю.И. Пентакоординированные фторсиланы — особенности строения и стереодинамического поведения. XXV Международная Чугаевская конференция по координационной химии. 6-11 июня 2011 г. Тезисы докладов, г. Суздаль, с. 253.

7. Negrebetsky Vad.V., Nikolin A.A., Fang H.C., Baukov Y.I., A. Bowden, P.G. Taylor, A.R. Bassindale. Synthesis and dynamic stereochemistry of the novel hypercoordinate silicon derivatives of 2-amino acids. XVI International Symposium On Silicon Chemistry, August, 14-18, 2011, McMaster University, Hamilton, Ontario, Canada, Abstracts, 6.

8. Бауков Ю.И., Корлюков A.A., Грюнер C.B., Шипов А.Г., Крамарова Е.П., Негребецкий В.В., Быликин С.Ю., Фан Хунцэ, Архипов Д.Е., Николин A.A., Айрапетян Д.В. Новые С,О- и 0,0-хелаты гиперкоординированных кремния, германия и олова — производные 2-гидрокси- и 2-аминокислот. «Теоретическая, синтетическая, биологическая и прикладная химия элементорганических соединений».' Симпозиум, посвященный 90-летию академика М. Г. Воронкова, 5-7 декабря 2011 г. Тезисы докладов, г. Санкт-Петербург, с. 14.

9. Негребецкий В.В., Николин A.A., Фан Хунцэ, Крамарова Е.П., Шипов А.Г., Бауков Ю.И. Пентакоординированные галогенсиланы: сшгтез, строения и стереохимическая нежесткость. «Теоретическая, синтетическая, биологическая и прикладная химия элементорганических соединений». Симпозиум, посвященный 90-летию академика М. Г. Воронкова, 5-7 декабря 2011 г. Тезисы докладов, г. Санкт-Петербург, с. 15.

Подписано в печать:

15.02.2012

Заказ № 6657 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

61 12-2/302

РОССИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н. И. ПИРОГОВА

Кафедра общей и биоорганической химии

На правах рукописи

УДК 547.466+245

Фан Хунцэ

Новые органические внутрикомилексиые соединения кремния и германия на основе альфа-амино- и альфа-гидроксикислот

02.00.03 — органическая химия

02.00.08 — химия элементоорганических соединений

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата химических наук

» I

Научные руководители:

доктор химических наук, профессор Ю. И. Бауков

доктор химических наук, ведущий научный сотрудник А. Г. Шипов

Москва-2011

Список используемых сокращений

м. д. миллионная доля

с синглет

уш. с уширенный синглет

д дублет

т триплет

кв квартет

м мультиплет

т. пл. температура плавления

т. кип. температура кипения

т. разл. температура разложения

ВКВ внутримолекулярное координационное взаимодействие

РСА рентгеноструктурный анализ

ТБП тригональная бипирамида

ТМС- триметилсилил-

ТГФ тетрагидрофуран

СШ" трифторметансульфонилоксигруппа (ОБОгСРз)

Мб МеБОг

№ ФЫОгСеНдЗОг

Те ФМеСеЩБОг

ЬпСНг «-членный лактамометильный лиганд

ВопН 2,2-диметил-1,3 -бензоксазин-4-он НОС(Р1и)СООН 9-гидроксифлуорен-9-карбоновая кислота

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................... 5

ГЛАВА I. Синтез и свойства силацикланов с дополнительными гетероатомами в цикле (обзор литературы).............. 7

1.1. Синтезы с участием диметилхлорметилхлорсилана и родственных соединений.................................................... 7

1.2. Другие методы синтеза.......................................... 17

1.3. Некоторые свойства и реакционная способность К,0-содержащих кремнийорганических гетероциклических соединений................ 26

1.4. Получение и особенности строения анионных внутрикомплексных соединений кремния и германия на основе а-гидроксикислот.......... 34

ГЛАВА II. Новые органические внутрикомплексные соединения кремния и германия на основе альфа-амино- и альфа-гидроксикислот (обсуждение результатов).................. 41

ПЛ. Взаимодействие производных амидов а-аминоксислот с системой СЮБ^МегО—(МезБ^МН. Получение 2-сила-5-пиперазинонов..... 41

П.2. Взаимодействие 2-сила-5-пиперазинонов с электрофильными реагентами с образованием (О—^^-хелатных соединений......................... 45

П.З. Получение 1,1,3,3-тетраметил-1,3-бис(2-органосульфониламидо-М-метил-

алкиламидометил)-1,3-дисилоксанов............................... 47

*

П.4. Взаимодействие дисилоксанов [Я1802КНСНК2С(0)М(Ме)81Ме2]20 с

электрофильными реагентами (Е120-ВРз, СНзСОВг).................. 50

11.5. Взаимодействие К-триметоксисилилметиллактамов с а-гидрокси-карбоновыми кислотами в присутствии дициклогексиламина.......... 55

11.6. Взаимодействие органотриалкоксигерманов с а-гидроксикарбоновыми кислотами в присутствии дициклогексиламина...................... 70

И.7. Взаимодействие органотриалкоксисиланов и -германов с 1\[,М-диметил-

амидом гликолевой кислоты и ацетил бромид ом....................................74

ГЛАВА III. Экспериментальная часть........................................................77

111.1. Физико-химические методы исследования ..................................................77

111.2. Исходные реагенты....................................................................77

111.3. Синтез 2-сила-5-пиперазинонов......................................................................82

111.4. Свойства 2-сила-5-пиперазинонов........................................................83

111.5. Синтез дисилоксанов [R1S02NHCHR2C(0)N(Me)SiMe2]20

— производных а-аминокислот.................................... 85

111.6. Расщепление связи Si-0 в полученных дисилоксанах под действием BF3Et20 и СНзСОВг..........................................................................................88

111.7. Взаимодействие органотриалкоксисиланов с а-гидроксикислотами в присутствии дициклогексиламина.........................................................91

111.8. Взаимодействие органотриалкоксигерманов с а-гидроксикислотами в присутствии дициклогексиламина................................................................97

111.9. Взаимодействие органотриалкоксисиланов и -германов с 14,№-диметил-амидом гликолевой кислоты и ацетилбромидом......................101

ВЫВОДЫ...................................................... юз

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................105

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Интенсивное развитие химии органических производных элементов 14 группы в настоящее время обусловлено бурным развитием микроэлектронной промышленности, необходимостью получения новых полимеров и материалов, а также широким спектром биологической активности органических производных кремния [1—5], германия [6, 7] и олова [8, 9]. Открытие силатранов и их аналогов выявило важную роль координации в химии элементов этой группы. Учитывая, что механизмы многих реакций нуклеофильного замещения предполагают участие пента-и гексакоординированных интермедиатов [10, 11], соединения кремния, германия и олова с расширенной координационной сферой можно рассматривать как достаточно стабильные модели этих промежуточных состояний [12-15]. Поэтому синтез, изучение структуры органических нейтральных, анионных и катионных внутрикомплексных соединений кремния и германия, содержащих биоактивные фрагменты а-амино- и а-гидроксикислот, имеет важное значение как для практических приложений, так и для развития теоретических представлений органической химии.

Цель работы. Диссертация посвящена разработке методов синтеза органических нейтральных, анионных и катионных внутрикомплексных соединений и Ое, содержащих биоактивные фрагменты а-амино- и а-гидроксикислот с различными заместителями при центральном атоме, сравнительному изучению структурных особенностей, химических и физико-химических свойств полученных соединений.

Научная новизна и практическая значимость работы. С использованием известных и разработанных нами синтетических методов получен ряд новых соединений кремния и германия с расширенной координационной сферой. Впервые синтезированы 2-сила-5-пиперазиноны — удобные промежуточные соединения для получения, нейтральных пентакоординированных производных кремния и соответствующих дисилоксанов с фрагментом а-аминокислот. На основе дисилоксанов получен ряд внутри-комплексных фторсиланов, более устойчивых к действию влаги, чем хлориды и бромиды.

Изучено влияния строения лактамного цикла и а-гидроксикарбоновых кислот на

возможность дополнительного координационного взаимодействия С(0)МСН2^1 в анионных моноядерных силикатах. На основе (ЯК)-винной кислоты получены новые внутрикомплексные дианионные дисиликаты и дигерманаты.

Разработан новый способ получения катионных внутрикомплексных соединений кремния и германия на основе ДЛЧциметиламида гликолевой кислоты, триалкокси-силанов или -германов и ацетилбромида в одноколбовом варианте.

Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 2 печатные работы в научных журналах [16-17] и 7 тезисов докладов на конференциях [1824]. Отдельные результаты исследования были представлены и докладывались на Всероссийской конференции по органической химии (Москва, 2009), XI Андриановской Конференции «Кремнийорганические соединения. Синтез, Свойства, Применение» (Москва,

2010), XXV Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Суздаль, 2011), XVI международном симпозиуме по химии кремния (Канада, Онтарио,

2011) и Симпозиуме по теоретической, синтетической, биологической и прикладной химии элементорганических соединений (Санкт-Петербург, 2011).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, посвященного синтезу и свойствам силацикланов, содержащим дополнительные гетероатомы в цикле, обсуждения результатов собственного исследования, экспериментальной части, выводов, списка цитируемой литературы (193 наименований). Работа изложена на 120 страницах, содержит 29 рисунков и 4 таблицы.

Методы исследования. Для проведения химических реакций, выделения их продуктов и подготовки образцов для РСА использовались стандартные приемы и оборудование. Структуры полученных соединений подтверждены данными элементного анализа, спектроскопии ИК и ЯМР (проф. Вад. В. Негребецкий), РСА (с. н. с. А. А. Корлюков, аспирант Д. Е. Архипов). Автор выражает свою признательность доц. В. М. Демьянович за помощь при определении удельного вращения и с. н. с. Г. Я. Зуевой за предоставленные образцы полифункциональных органогерманов.

Работа проводилась в соответствии с планом научно-исследовательских работ Российского национального исследовательского медицинского университета имени Н. И. Пирогова в рамках внутриуниверситетской темы «Синтез и изыскание новых лекарственых препаратов и изучение механизма их действия на организм».

Отдельные части работы выполнены при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты №№ 08-03-01071, 10-03-00824 и 11-03-00655).

ГЛАВА I

СИНТЕЗ И СВОЙСТВА СИЛАЦИКЛАНОВ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ

ГЕТЕРОАТОМАМИ В ЦИКЛЕ (обзор литературы)

В последние годы значительно возрос интерес к одному из разделов химии кремнийорганических соединений — силацикланам. Это связано как с перспективами их использования в фармакологии и сельском хозяйстве, так и с их разнообразной реакционной способностью. В частности, восьмичленный оксасилациклан "Cisobitan" является первым соединением, исследованным как потенциальное кремнийсодержащее лекарственное средство с эстрогенной активностью (см. [1], стр. 864). Заслуживает упоминания также шестичленный азаоксасилациклан, производное морфолина "Sandoz 58-112", представляющий интерес в качестве эффективного мышечного релаксанта (см. [1], стр. 864-865).

Ме Ме

Ph O-Si' MeN ^Ме

ч° /Si_A //—\

Ме-1 1ГМ, VcH2-/ )

/Si-0/ NPh ^Sb-^ N-(

Me Me Me Me OMe

Cisobitan Sandoz 58-112

Силацикланы часто являются наиболее удобными полупродуктами для синтеза некоторых труднодоступных или недоступных ранее веществ. В настоящей работе рассмотрены основные методы синтеза силагетероциклов и их некоторые свойства. В

обзор фактически не вошли данные по синтезу силатранов и родственных соединений, по

« »

которым в литературе имеются исчерпывающие обзоры [4, 25, 26], а также литературные данные, связанные с получением силагетероциклов из силациклоалканов. Отдельное внимание в обзоре уделено получению анионных хелатных комплексов кремния и германия на основе а-гидроксикислот.

1.1. Реакции с участием диметилхлорметилхлорсилана и родственных соединений

Диметилхлорметилхлорсилан ClCb^SiMeaCl широко используется в синтезе различных силацикланов. Его реакции с бифункциональными соединениями протекают в две стадии и приводят к образованию кремнийсодержащих гетероциклов, в которых атом

7

кремния, как правило, связан с атомом кислорода или азота. Так, циклосилил-метилирование а-гидроксикарбоновых кислот приводит к образованию соответствующих силалактонов с высокими выходами. Например, при взаимодействии ОСК^МегО с гликолевой кислотой образуется 4-окса-2-силалактон 1 [27].

ЕгзИ

НОСН2С + С1СН281Ме2С1 -II т

\он -Ш3М-НС1

0

1

Аналогичная реакция с тиогликолевой кислотой дает соответствующийо тиолактон [28]. Циклосилилметилирование салициловой кислоты при действии С1СН2§1Ме2С1 также протекает хемоселективно с образованием бензосилалактона 2; при этом кремний связывается с атомом кислорода карбоксильной группы [27]. ОН

СЮ^МеС! _ > [ОТ ^Ме2 (2)

- Ег31ч[*НС1

СООН ^^ /Г'°

О

2

Взаимодействие СЮН^МегС! с пирокатехином протекает через стадию образования О-силилового эфира, который под действием триэтиламина отщепляет молекулу НС1, что приводит к 2,2-диметилбензо-1,4-диокса-2-силациклогексану 3 с выходом 89% [29, 30].

. ОСЕ*«*, ^ К^ ^ (3)

ОН ^^ ОСН281Ме2С1 °

3

Недостаток или отсутствие триэтиламина позволяет выделить промежуточный О-сшшловый эфир. Диоксасилациклогексан 3 может быть получен также из динатриевой соли пирокатехина, однако выход в этом случае составляет 55%, что указывает на целесообразность использования Е1зИ, выступающего в качестве акцептора НС1 [29].

Аналогичные реакции циклосилилметилирования с участием С1СН281Ме2С1 для

о-аминофенола 4а, о-фенилендиамина 46 [29] и о-гидроксиметиланилина [30] приводят к

образованию соответствующих бензогетеросилацикланов 4.

хн х.

Е13К (ГУТ ?Ше2

. С,СН28Ме2С, (4)

4

X = О, У = N114а; X = У = N1146; X = N11, У = СН20 4в

При силилировании ]\Г,]\[-диалкиалкилендиаминов диметилхлорметилхлорсиланом в бензоле или эфире в присутствии триэтиламина были получены 2-силапиперазины 5а и 2-сила-1,4-диазепаны 56.

(СН2)п

Е13М \

КНН(СН2)п№Ж + С1СН28)Ме2С1 -*- N11 (5)

-Е13№НС1 Ме281^У

5

п = 2 (5а), 3 (56), К = Ме, Ви

Использование диаминов с изопропильным заместителем привело не к аналогичным циклическим продуктам, а к продуктам К,№-бис-диметил(хлорметил)силилирования [31, 32, 33]. В то же время, при взаимодействии С1СН281Ме2С1 с первичными аминами были выделены 2,5-дисилапиперазины 6, вместо возможных силаазиридинов [34].

1ШН2 + С1СН281Ме2С1 --—/ кг / (6)

-Е%№НС1 Ме2Бг 7

Полученные соединения обладают достаточно высокой реакционной способностью вследствие лабильности связи —N и являются удобными реагентами для синтеза ряда других кремнийсодержащих гетероциклов [35].

Образование 2,5-дисилапиперазина 7 с выходом 86% наблюдается при взаимодействии С1СН281Ме2С1 с биссилилгидразином.

Меч Ме

С1СН281Ме2С1 г^ КЫМе9

Me2NN(SiMeз)2 -»- II П\

- Ме38Ю1 у '>

М/ Ме 7

» »

При этом первоначально образуется продукт пересилилирования по одной ТМС-группе, далее следует его перегруппировка в продукт М-метилсилилирования. Последний в результате внутри- или межмолекулярного десилилирования (отщепление Ме381С1) дает конечный 2,5-дисилапиперазин 7 [36].

Использование моносилилированных бифункциональных соединений (О-силил-карбаматов) в реакциях с С1СН281Ме2С1 в присутствии (Мез81)2МН приводит к М,0-ТМС-карбамату в качестве основного продукта (60%) и с меньшим выходом к макроциклу 8 (31%) [37].

MeNHC \

ClCH2SiMe2Cl, (Me3Si)2NH

О

.с

MeN N

OSiMe3

OSiMe3 + w o. SiMe3 Me2Sr

SiMe2

Оказалось, что взаимодействие 0,1М-биссилилкарбаматов с СЮН^МегО является более эффективным методом получения подобных силацикланов. Отгонка триметил-хлорсилана, выделяющегося в процессе реакции, позволяет сместить равновесие в сторону образования желаемых продуктов.

О

N-C

Me3Si OSiMe3

ClCH2SiMe2Cl

t°

- 2 Me3SiCl

Me2Si-

SiMe,

(9)

R = C1CH2CH2 (9a) [38], R = Alk (9b) [39] Как предполагают авторы, реакция (9) проходит в несколько стадий: на первой стадии образуется продукт пересилилирования, претерпевающий в условиях процесса (110°С) внутримолекулярную перегруппировку в продукт N-силилметилирования, дальнейшее превращение которого в конечный гетероцикл может происходить по двум направлениям (схема 1). Наиболее вероятный путь, по их мнению, заключается во внутримолекулярном пересилилировании продукта N-силилметилирования в промежуточный азасилалактон и его последующей димеризации [38, 39]. О

R

N-C

ClCH2SiMe2Cl

Me3Si/ OSiMe3 ~ Me3sici

R о

4 y> ClCH2Me2Si OSiMe3

- 2 Me3SiCl

R О 4 ^

N-C

ClMe2SiCH/ OSiMe3

- Me3SiCl

Me2Si-

SiMe2

R

Yl

О-Si

-SiMe2

Схема 1

Внутримолекулярное десилилирование с образованием 2-силаморфолинов 10а,б наблюдалось и при использовании в реакции с СЮН^МегО силилированных формамида и карбаминовой кислоты, полученных на основе моноэтаноламина [40].

О о ,-V

II ClCH2SiMe2Cl V N/ \Q

Me3SiOCH2CH2NCR ^^ (10)

SiMe3 | ^Me

Me 10

R = H (a), OSiMe3 (6)

Прямое N-диметилхлорсилилметилирование О-ТМС-производных N-метиламидов молочной и миндальной кислот, а также 0,0'-бис-ТМС-производного N-метиламида пантоевой кислоты под действием ClCH2SiMe2Cl в присутствии триэтиламина в бензоле протекало за несколько часов. В результате из реакционных смесей были выделены масла, представляющие собой по спектральным данным неочищенные пентакоординированные хлорсиланы 11, которые при фракционировании претерпевали внутримолекулярную гетероциклизацию с отщеплением триметилхлорсилана и образованием целевых продуктов — 2-сила-5-морфолинонов 12 [41-45].

Ме Ме Ме О О—с;' Si II Et3N '/ / \ C1 t° S ПП

RCHCNHMe + ClCH2SiMe2Cl -2-RCHC-_T_-/ Ме -I { )

' , - Et3N -HCl ' ,л„ 4 -2Me3SiCl N. А

OSiMe3 OSiMe3 Ме Me'

11 О

R = Me IIa, 12a; Ph 116,126; Me3SiOCH2CMe2 IIb, 12b 12

В случае производных молочной и миндальной кислот образование продуктов диметилхлорсилилметилирования и их последующая гетероциклизация протекали с достаточно высоким (~70%) выходом 2-сила-5-морфолинонов 12а,б. Напротив, реакция с участием производного пантоевой кислоты не отличалась высокой избирательностью: 2-сила-5-морфолинон 12в был выделен лишь с выходом 16%.

Промежуточные соединения пентакоординированного кремния были охарактеризованы ИК спектрами. Так, в спектрах неочищенных хлоридов 11а-в в области 1500-1750 см-1 присутствует по две полосы поглощения при 1605 и 1515 см'"1,1610 и 1520 см-1, 1590 и 1508 см-1 соответственно, характерные для (0-^81)-хелатных соединений.

На примере N-метиламида молочной кислоты было показано, что получение 2-сила-5-морфолинонов можно упростить, если использовать метод прямого N-силилметили-рования с использованием системы ClQHhSiM^Cl — гексаметилдисилазан. В этом случае можно использовать сами ОН-соединения без их предварительного силилирования.

Ме ОН

С 2 (Me3Si)2NH / \

3 | +3 ClCH2SiMe2Cl ---3 0 N-Me (12)

- 4 Me3SiCl, -2 NH4C1 \_/

Oy XNHMe - • /

Ме О 12а

При обработке лактиламида не менее чем 2.5-кратным избытком С1СН281Ме2С1 и 1.25-кратным количеством (Мез81)2>Щ образуется силагетероцикл с пентакоординирован-ным экзо-атомом кремния [43].

„тт Ме. Ме

Ме ОН * •

С (Me3Si)2NH /

I +

2 ClCH2SiMe2Cl -�