Получение и исследование физико-химических свойств хелатных комплексов хинизарина и его производных тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

КОРНЕВ Михаил Сергеевич

*

ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ХЕЛАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ХИНИЗАРИНА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ

специальность 02.00.04 - физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Кемерово 2003

Работа выполнена на кафедре органической химии Кемеровского государственного университета. Научный руководитель: доктор химических наук,

профессор

Денисов Виктор Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

профессор

Еременко Николай Кондратьевич

кандидат химических наук, Пискунов Александр Владимирович

Ведущая организация: Институт химии кинетики и горения СО

РАН (ИХКиГ СО РАН), г. Новосибирск

Защита диссертации состоится _в _ часов на

заседании Совета по защите диссертаций Д 212.088.03 в Кемеровском государственном университете (650043, г.Кемерово, 43, ул. Красная, 6). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кемеровского Государственного университета.

Автореферат разослан 5^. /¿>.

Ученый секретарь Совета Д 212.088.03 доктор химических наук, профессор

Б.А.Сечкарев

17?18

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Химия антрахинона и его производных (здесь и далее имеется в виду 9,10-антрахинон) давно выделилась в самостоятельную и обширную область органической химии. Интерес к антрахинону и его производным обусловлен широкими возможностями получения на их основе веществ, необходимых для современной техники. Производство синтетических красителей - это область, в которой производные антрахинона традиционно занимают видное место: хромофорные системы производных антрахинона содержатся в структуре многих ценных красителей для шерсти, шелка и синтетических полиамидов, кубовых красителей для целлюлозных волокон, дисперсных красителей для синтетических волокон, активных красителей для различных натуральных и синтетических материалов.

В настоящее время значение производных антрахинона далеко выходит за рамки химии красителей. Бурный подъем переживают исследования методов получения производных антрахинона в связи с работами по синтезу антрациклинов - антибиотиков, обладающими ярко выраженными противоопухолевыми свойствами. Помимо красителей и биологически активных ' веществ, антрахинон и его производные используются для получения люминофоров, фотографических проявителей, компонентов жидкокристалличских композиций, активных лазерных сред, фотохромных веществ, аналитических реагентов, химических добавок к полимерным материалам. Десятки ежегодно появляющихся патентов на способы получения и применения призводных антрахинона свидетельствуют об устойчивом интересе к данному ряду соединений как в нашей стране, так и за рубежом.

Актуальность исследований в области химии антрахинона и его производных определяется не только задачами синтетической органической химии - созданием новых реакций, разработкой новых методов синтеза, целевым синтезом новых органических соединений, обладающих заданными физико-химическими и биологическими свойствами, важных для практического использования, но и задачами теоретической органической химии.

С теоретической точки зрения исследование химии антрахинона и его производных важно для понимания закономерностей органических реакций. Эти соединения вступают в реакции нуклеофильного и электрофильного замещения в ядре. Благодаря наличию в молекулах производных антрахинона различных заместителей обеспечивается большое разнообразие свойств. Это позволяет использовать производные антрахинона как объекты для изучения влияния растворителей, электронных и стерических эффектов заместителей на направление и скорость их химических реакций, для | выяснения взаимосвязи между 3

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА ] С. Петер« 03 »0*

структурой соединений и их реакционной способностью.

Данная работа является результатом исследований в области химии производных хинонов и ароматических кетонов, начатых на кафедре органической химии Кемеровского Государственного университета в 1998 году в связи с выполнением плановой бюджетной темы «Исследование фото- и термохимических реакций в допированных мономерных и полимерных матрицах» (тема №6 по единому заказ-наряду ПНИЛ СТТ КемГУ, 1998-2002 г.г.), участием в выполнении работы по программе «Интеграция» (проект А 0044 федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки», 1997-2001 г.г.), по программе «Ведущие научные школы» (проект 00-15-97368,2000-2001 г.г.).

Целью работы является изучение молекулярной струрктуры и реакционной способности хелатных комплексов хинизарина (1,4-дигидроксиантрахинона) и его производных.

Научная новизна. Показано, что хинизарин и замещенные хинизарины (как с электроноакцепторными, так и с электронодонорными заместителями в ядре) в среде инертного растворителя реагируют с галогенидами бора, титана, олова, меди и других металлов, образуя хелатные комплексы. Определены состав и молекулярная структура полученных хелатных комплексов. Получены спектральные характеристики хелатных комплексов. Установлены основные закономерности реакций хелатных комплексов хинизарина и его производных с С-нуклеофилами (фенол, а-нафтол, малоновый эфир, 9-антрол) и N-нуклеофилами (анилин, пиперидин, п-толуидин, о- и п-фенилендиамины). Дана оценка реакционной способности ряда хелатных комплексов производных хинизарина в реакциях с N-нуклеофилами. Проведены расчеты геометрии и ряда параметров электронной структуры производных хинизарина и их хелатных комплексов полуэмпирическими методами квантовой химии, установлена корреляция между параметрами электронной структуры и реакционной способностью комплексов.

Достоверность результатов обеспечена применением современных методов исследования - электронной адсорбционной спектроскопии, ИК-спектроскопии, ПМР-спектроскопии, хроматографии. Для квантовохимических расчетов применялся комплекс программ HyperChem 7.

На защиту выносятся следующие положения:

- общая методика получения хелатных комплексов хинизарина и его производных, основанная на взаимодействии хинизаринов с галогенидами металлов в среде инертного органического растворителя;

- установленные на основании аналитических и спектральных методов и квантовохимических расчетов данные о структуре хелатных

комплексов хинизарина и его производных;

- данные об основных закономерностях реакций исследуемых хелатных комплексов с С- и И-нуклеофилами;

- результаты анализа реакционной способности исследуемых хелатных комплексов с позиций квантовой химии.

Практическое значение настоящей работы состоит в разработке методики получения хелатных комплексов хинизарина и его производных, представлющих интерес как промежуточные продукты для синтеза производных антрахинона, имеющих практическое значение как красители, инициаторы фотохимических реакций, биологически активные препараты и др. Систематизированные спектральные данные по большой группе этих соединений могут быть использованы в работах по химии антрахинона и его производных. В результате изучения закономерностей реакций хелатных комплексов хинизарина и его производных с С- и И-нуклеофилами найдены закономерности этих реакций и показана применимость расчетных методов для оценки реакционной способности производных хинизарина, что может быть использовано при разработке стратегии и тактики органического синтеза в ряду рассматриваемых соединений.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международной конференции студентов и аспирантов «Ленинские горы -1995» (Москва, 1995), Международной научной студенческой конференции XXXIV и XXXV (Новосибирск, 1996-1997), конференции «Молодежь и химия-98» (Красноярск, 1998), Международной коференции студентов и аспирантов «Ломоносов-2000» (Москва, 2000), конференции «Молодые ученые Кузбассу. Взгляд в XXI век» (Кемерово, 2001), Международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах» (Кемерово, 2001).

Публикации. По содержанию диссертационной работы опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в журнале «Известия высших учебных заведений» серия «Химия и химическая технология».

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 110 страницах машинописного текста, включая 10 таблиц, 36 рисунков и состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы из 103 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и задачи работы, приведены аргументы, касающиеся выбора объектов исследования.

Первая глава содержит обзор литературных данных, посвященных изучению производных хинизарина и, в частности, их хелатных комплексов. Из представленных литературных данных следует, что производные хинизарина представляют интерес в основном как красители и биологически активные вещества или их прекурсоры. Объектом исследования в большом количестве публикаций являются антибиотики антрациклинового ряда, обладающие ярко выраженной противоопухолевой активностью. Ряд хелатных комплексов хинизарина и его производных, описанных в литературе, в основном ограничен комплексами с Си2+, которые являются модельными объектами для изучения взаимодействия антрациклиновых антибиотиков с ДНК раковых клеток, и борными комплексами хинизарина, для которых описано их использование в реакциях электрофильного и нуклеофильного замещения. Хелатные комплексы производных хинизарина с другими металлами только начали привлекать внимание исследователей. Сведения о Химических реакциях хелатных комплексов хинизарина с переходными металлами практически отсутствуют.

Для борных комплексов хинизарина в литературе описаны их реакции с Ы-нуклеофилами. Показано, что хелатирование молекулы хинизарина способствует протеканию прямого нуклеофильного замещения атомов водорода в положениях 2 и 3 антрахинонового ядра, которое обычно идет при повышенной температуре и с низким выходом. По литературным данным, прямое нуклеофильное замещение в молекулах борных комплексов хинизарина происходит аналогично 1,4-присоединению к а,р-ненасыщенным кетонам за счет того, что в борных комплексах крайнее кольцо имеет в значительной мере хиноидный характер, что отвечает вкладу 1,4-антрахиноидной структуры.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальных методик и получения исследуемых соединений. Описаны синтезы ряда полихлорпроизводных хинизарина, амино- и ариламинопроизводных хинизарина и их хелатных комплексов с ВРз, ТЮи, СиС12, ЗпС14. Для соединений, не описанных ранее в литературе, приведены данные по элементному составу и спектральные данные.

Приведено описание экспериментов, относящихся к реакциям полученных хелатных комплексов хинизарина и его производных с С-нуклеофилами (фенол, а-нафтол, малоновый эфир, 9-антрол) и >1-нуклеофилами (анилин, пиперидин, п-толуидин, о- и п-фенилендиамины).

Для оценки реакционной способности хелатных комплексов производных хинизарина в реакциях с Ы-нуклеофилами проведена серия реакций комплексов с пиперидином и определены средние выходы пиперидинозамещенного хинизарина в этих реакциях.

В третьей главе обсуждены экспериментальные результаты по синтезу полихлорпроизводных хинизарина и хелатных комплексов.

Изучено влияние растворителя, катализатора, температуры, природы хлорирующего реагента и добавок борной кислоты на направление реакции хлорирования хинизарина. Установлено, что при хлорировании хинизарина в концентрированной серной кислоте газообразным хлором в присутствии иода как катализатора с хорошим выходом получается 2,3-дихлорхинизарин (2), вопреки патентным данным, указывающим на образование в этих условиях 2,6(или 2,7)-дихлорхинизарина.

Подобно хинизарину, 2-хлорхинизарин при хлорировании в концентрированной серной кислоте в присутствии иода превращается в 2,3 -дихлорпроизводное.

По литературным данным, хинизарин при хлорировании в олеуме в присутствии борной кислоты дает 5,8-дихлорпроизводное. Изменение ориентации замещения объясняется образованием борного комплекса, сопровождающимся частичной локализацией 1,4-антрахиноидной структуры, сравнительно устойчивой к действию электрофильных реагентов. Установлено, что 5,8-ориентация электрофильного замещения сохраняется при хлорировании борных комплексов 2-хлор- и 2,3-дихлорхинизаринов. При взаимодействии хинизарина с хлорсульфоновой кислотой, выполняющей одновременно роль растворителя и хлорирующего реагента, в присутствии борной кислоты и иода имеет место полихлорирование молекулы хинизарина до полного замещения атомов водорода на хлор с образованием 2,3,5,6,7,8-гексахлорхинизарина. Ранее это соединение не было известно.

В работе были получены следующие комплексы хинизарина и его производных:

- комплексы хинизарина с ВР3 (1), 'ПСЦ (2), БпСЦ (3), СиС12 (4).

- комплексы 5,8-дихлорхинизарина, 2,3-дихлорхинизарина и 2,3,5,8-тетрахлорхинизарина с ВР3 (5), (6), (7) и Т1С14 (8), (9), (10).

- комплекс 5,8-дихлорхинизарина с БпСЬ (11).

- комплексы 5,8-бис-п-толуидинохинизарина с ВР3 (12), ИСЦ (13) и 8пС14(14).

- комплексы 5,8-бис-пиперидинохинизарина с ВР3 (15), ЛСЦ (16) и БпСЦ (17).

- боросульфатный комплекс хинизарина (18) и 5,8-дихлорхинизарина

(19).

Комплексы образуются при взаимодействии соответствующего производного хинизарина и галогенида металла в среде неполярного растворителя (ксилола или толуола). Исключение составляет комплекс хинизарина с хлоридом меди (II) (4), который образуется в водно-

спиртовой среде. Комплексы были получены с выходами 54-85%. Элементным анализом было подтверждено ожидаемое соотношение лиганд:металл 1:2 для комплексов хинизарина и его производных с BF3, 2:1 для комплекса хинизарина с C11CI2 и 1:1 для комплексов с TiCU и S11CI4. Комплексы хинизарина и его его производных с TiCU представляют собой порошки цвета от черного до темно-фиолетового, неплавкие и нерастворимые в органических растворителях (при растворении в ацетоне присходит разложение). Комплексы 5,8-бис-(п-толуидино)-хинизарина и 5,8-бис-(пиперидино)-хинизарина с хлоридом титана(1У) ограниченно растворимы в ксилоле и ДМСО. Комплексы производных хинизарина с SnCl4 проявляют аналогичные свойства, за исключением большей растворимости в органических растворителях. В ИК-спектрах комплексов с TiCU и SnC14 не обнаружено расщепления полосы Veo > что свидетельствует о том, что обе карбонильные группы в молекуле хинизарина участвуют в хелатообразовании. На основании этих данных комплексам приписана полимерная структура в виде линейной цепочки из молекул лиганда, соединенных мостиками из атомов металла.

(M=Ti,Sn; X=H,Cl,n-C6h4nh2,c5h10N; Y=H,C1)

Комплекс хинизарина с СиС12 представляет собой красно-коричневый порошок, растворимый в горячем ксилоле и этаноле. По данным элементного анализа, на один атом меди приходится две молекулы хинизарина. Это строение подтвердается данными ИК-спектра, в котором полоса vCo расщеплена на две полосы (1550 и 1600 см"1), что соответствует двум карбонильным группам, одна из которых связана с атомом меди. Такому составу комплекса может соответствовать две конфигурации молекулы - цис и транс.

В четвертой главе систематизированы спектральные характеристики производных хинизарина и их хелатных комплексов.

В электронном спектре поглощения раствора хинизарина в этаноле наблюдается 4 полосы в УФ-области и широкая полоса со слабо выраженной колебательной структурой в видимой области. Полосы поглощения в УФ-области спектра относятся к электронным переходам я—>7i -типа, полоса поглощения в видимой области, обусловливающая оранжевую окраску хинизарина (Àmax 450 нм), является полосой переноса заряда от электронодонорных гидроксильных групп на электроноакцепторную часть молекулы (хиноидное кольцо).

Введение в антрахиноновое ядро электроноакцепторных заместителей не приводит к существенным изменениям электронных спектров. Электронные спектры 2-хлорхинизарина и 5,8-дихлорхинизарина напоминают спектр хинизарина. В отличие от этого, введение в молекулу хинизарина электронодонорной пиперидиногруппы оказывает существенное влияние на вид кривой поглощения: наблюдается уширение и смещение полос поглощения.

Электронный спектр поглощения борофторидного комплекса хинизарина отличается от спектра хинизарина во-первых, батохромным смещением длинноволновой полосы, во-вторых, значительно более четко выраженным расщеплением этой полосы на несколько максимумов (четко наблюдаются максимумы при 515 и 556 нм). Сходные изменения характерны для электронного спектра борофторидного комплекса 5,8-дихлорхинизарина по сравнению со спектром 5,8-дихлорхинизарина: длинноволновая полоса поглощения батохромно смещена и расщеплена на максимумы при 505, 536 и 580 нм. Электронные спектры поглощения борофторидных комплексов свидетельствуют о существенном изменении электронной структуры хинизарина и его хлорпроизводного под влиянием комплексообразования. Изменение электронной структуры комплексов может быть представлено как перераспределение электронной плотности в направлении локализации 1,4-антрахиноидной структуры.

Обращает на себя внимание большое сходство спектров борофторидных комплексов хинизарина и 5,8-дихлорхинизарина со спектрами растворов хинизарина и 5,8-дихлорхинизарина в концентрированной серной кислоте. Это дает основание утверждать, что комплексообразование и протонирование вызывают сходные изменения электронного распределения в молекуле хинизарина.

Наиболее информативными в ИК-спектрах хинизарина и его комплексов являются полосы валентных колебаний карбонильных групп (vco). В спектре 9,10-антрахинона в КВг частота vco равна 1675 см"1. В хинизарине гидроксильные группы в пери-положении образуют

внутримолекулярную водородную связь (ВВС) с карбонильными группами, в результате чего колебания последних смещаются до 1625 см"1. Когда в ВВС участвует только одна из карбонильных групп, то в ИК-спектре обнаруживаются две полосы - связанной карбонильной группы и свободной. Это наблюдается в спектрах хелатных комплексов хинизарина состава лиганд:металл 2:1.

Комплексообразование сопровождается еще большим смещением Veo в сторону низких частот, чем при образовании ВВС. Так, смещение vCo при переходе от 9,10-антрахинона к хинизарину составляет 53 см"', а при переходе к медному комплексу - 138 см"1. Аналогичное смещение наблюдается в спектрах полимерных комплексов хинизарина с TiCL» и SnCl4. Смещение зависит от природы комплекса.

В ИК-спектре хинизарина присутствует широкая полоса валентных колебаний гидроксильной группы (v0h) в области 3400 см-1. В спектрах Некоторых хелатных комплексов (в частности, борофторидного комплекса) полоса voh отсутствует, что указывает на полное депротонирование гидроксильной группы и связвание атома кислорода с атомом металла.

Валентные колебания ароматических связей С-Н проявляются в виде слабой полосы в области 3000-3100 см"1 и не представляют интереса. Более информативны внеплоскостные деформационные колебания этих связей в области 700-900 см'1. Наличие в ИК-спектре интенсивной полосы вблизи 710 см"1 указывает на то, что в антрахиноновом ядре заместители находятся лишь в одном боковом кольце, в то время как второе боковое кольцо свободно и содержит 4 атома водорода.

Спектры ПМР дают ценную информацию о положении заместителей в ядре антрахинона, однако плохая растворимость производных антрахинона в стандартных растворителях (ССЦ, cdci3 и т.п.) создает трудности для широкого применения метода ПМР при исследовании соединений антрахинонового ряда. Нами найдено, что тионилхлорид с успехом может быть использован как растворитель при съемке спектров ПМР производных антрахинона. Основные закономерности, наблюдаемые в спектрах ПМР галогенхинизаринов, выражаются в следующем:

- сигналы протонов гидроксильных групп находятся в слабом поле (12-14 м.д.), что свидетельствует об их сильном связывании внутримолекулярной водородной связью с хиноидными карбонильными группами;

- протоны в положениях 2 и 3 хинизарина (кольцо А) дают синглетный сигнал в области 7.1 - 7.3 м.д., тогда как четырем протонам в положениях 5,6,7 и 8 (кольцо В) отвечает симметричный мультиплет в области 7.6 -

8.5 м.д. (А2В2-система);

- в спектре ПМР 5,8-дихлорхинизарина протонам кольца А соответствует синглет в районе 7.2 - 7.3 м.д., протонам кольца В - синглет в районе 7.5

- 7.6 м.д.

Пятая_глава посвящена исследованию влияния

комплексообразования на реакционную способность хинизарина и его производных в реакциях с Ы- и С-нуклеофилами.

Нуклеофильное замещение атома водорода привлекательно с практической точки зрения, так как избавляет от необходимости с помощью сульфирования, нитрования или галогенирования сначала вводить в молекулу подходящий заместитель, а затем вытеснять его действием нуклеофильного реагента. Сравнительно малое распространение реакций нуклеофильного замещения атома водорода обусловлено трудностью удаления гидрид-иона.

Образование хелатных комплексов способствует протеканию реакции нуклеофильного замещения атома водорода за счет нарушения ароматичности бокового кольца.

Можно предположить следующую общую схему нуклеофильного замещения в хелатном борном комплексе хинизарина.

П1

он он

да*"

он он о он

.101 > I II

VI

N11®: N1-, С-, О-, Б-нуклеофил.

[О] : кислород воздуха, специально добавленный окислитель.

V

Промежуточное соединение IV после окисления кислородом воздуха

в хинон может взаимодействовать со второй молекулой нуклеофильного реагента, что в конечном итоге приведет к образованию дизамещенного хинизарина.

Нами проведены реакции борофторидного комплекса хинизарина с анилином, п-толуидином, пиперидином, о- и п-фенилендиаминами. В этих реакциях образуется смесь моно- и дизамещенных хинизаринов. Варьируя условия реакции (температуру, время), можно получить преимущественно дизамещенное производное. Установлено что при реакции борофторидного комплекса хинизарина с анилином при комнатной температуре образуется смесь моно- и дизамещенных хинизаринов, тогда в случае борацетатнош комплекса хинизарина образуется лишь 2-анилинохинизарин. Это указывает на более высокую активность борофторидного комплекса по сравнению с борацетатным (влияние атомов фтора). Хелатные комплексы производных хинизарина с хлоридом титана (IV) плохо растворимы в органических растворителях, что отражается на их реакционной способности. Они подвергаются нуклеофильному замещению при проведении реакции в избытке амина при нагревании, и образуют смесь моно- и дизамещенных продуктов с более низкими выходами по сравнению с борофторидными комплексами.

С целью увеличения растворимости комплексов с хлоридом титана (IV) получены комплексы с 5,8-бис-п-толуидинохинизарином и 5,8-бис-пиперидинохинизарином в качестве лигандов. Эти комплексы более растворимы органических растворителях, что обусловливает их большую реакционную способность в реакциях с N-нуклеофилами.

Для оценки реакционной способности полученных комплексов

была проведена серия экспериментов по аминированию комплексов пиперидином в бензольном растворе при комнатной температуре. Условия экспериментов были выбраны исходя из того, что реакция должна проводиться в инертном растворителе, исключающем разложение комплекса, а также для получения по возможности одного продукта реакции (монозамещенного) и исключения побочных процессов. Результаты опытов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Выходы монозамещенного продукта в реакциях хелатных комплексов хинизарина и его производных с пиперидином

Выход

пиперидино-

Вещество производного, %

Хинизарин 0

5,8-дихлорхинизарин 0

Комплекс хинизарина с ВРз 28

Комплекс 5,8-дихлорхинизарина с ВР3 37

Комплекс хинизарина с Т1С14 3

Комплекс 5,8-дихлорхинизарина с Т1СЦ 8

Комплекс хинизарина с 8пСЦ 17

Комплекс 5,8-дихлорхинизарина с ЭпСЦ 21

Комплекс хинизарина с СиСЬ 0

5,8-бис-(п-толуидино)хинизарин 0

5,8-бис-пиперидинохинизарин 0

Комплекс 5,8-бис-п-толуидинохинизарина с Вр1 14

Комплекс 5,8-бис-пиперидинохинизарина с ВРз 12

Комплекс 5,8-бис-(п-толуидино)хинизарина с ТЮЦ 31

Комплекс 5,8-бис-пиперидинохинизарина с "ПСЬ 20

Комплекс 5,8-бис-(п-толуидино)хинизарина с БпСЦ 27

Комплекс 5,8-бис-пиперидинохинизарина с БпСЦ 16

Из анализа результатов экспериметна (см. табл. 1) можно сделать следующие выводы. Хинизарин, 5,8-дихлорхинизарин, 5,8-бис-п-голуидинохинизарин и 5,8-бис-пиперидинохинизарин в мягких условиях непосредственно не аминируются. Также не аминируется медный комплекс хинизарина. Остальные комплексы хинизарина подвергаются аминированию с разными выходами. Разница в реакционной способности объясняется строением комплексов. Плохо растворимые полимерные комплексы (комплексы с оловом(1У) и титаном(1У)), как правило, менее реакционноспособны, чем мономерные комплексы хинизарина и 5,8-дихлорхинизарина с ВР3. Также необходимо отметить, что введение

атомов хлора в положения 5 и 8 антрахинонового ядра увеличивает реакционную способность хелатных комплексов при реакции с пиперидином. Это согласуется с явлением возрастания скорости реакции нуклеофильного замещения при введении в молекулу субстрата электроноакцепторных заместителей.

Важной проблемой химии антрахинона является введение в антрахиноновое ядро углеродсодержащих заместителей, поскольку из-за электроноакцепторного вляиния карбонильных групп ядро антрахинона инертно к электрофильному алкилированию, арилированию и ацилированию, которые обычно используются для этой цели в ряду ароматических соединений. Прямое нуклеофильное замещение водорода в ароматическом кольце на остаток С-нуклеофила представляет собой хорощую альтернативу классическим методам.

При взаимодействии борофторидного комплекса хинизарина с малоновым эфиром в среде апротонного полярного растворителя (например, ДМСО) в присутствии карбоната калия как основания получен продукт реакции, который является гетероциклическим производным антрахинона - 5-окси-2,3,6,11-тетрагидроантра[1,2-Ь]фуран-2,6,11-трионом. Продукт реакции идентифицирован сравнением с образцом, описанным в литературе. Таким образом, борофторидный комплекс хинизарина при взаимодействии с анионом малонового эфира подвергается нуклеофильному замещению в положение 2, сопровождающемуся внутримолекулярной циклизацией и декарбоксилированием.

ДМСО

СН2(СООС2Н5)2 + СОз2"---> еСН(СООС2Н5)2 + НСОзе

П1-, ^ НЬ Ш ;

?* 2 9 9 о \ С'Н(«ХК-,Н5>,

оСО-оО>—со> -

о о О о О п

* / \ И Ч ° 0

В1-, ос.

Взаимодействие борофторида хинизарина с фенолом в ДМСО в присутствии карбоната калия при комнатной температуре приводит к разложению хелатного комплекса до хинизарина и образованию 1,2,4-триоксиантрахинона (пурпурина), идентифицированного сравнением с заведомым образцом. Образование пурпурина в качестве продукта реакции имеет место также при нагревании хинизарина при 100 "С в ДМСО в присутствии борной кислоты и карбоната калия. Таким образом, анион КСОзе более активен, чем фенол, и в конкурирующей нуклеофильной атаке на борный комплекс хинизарина играет определяющую роль.

При исследовании реакций борных комплексов хинизарина с 1-нафтолом и 9-антролом установлено, что борофторидный комплекс хинизарина реагирует с 1-нафтолом в ДМСО в присутствии карбоната калия при комнатной температуре, образуя два основных продукта реакции, которым на основании данных элементного анализа и ИК-спектров приписаны структуры 2-(4-оксо-1,4-дигидронафтил-1)хинизарина и 2-(1-нафтилокси)хинизарина.

Образование этих изомерных соединений объясняется тем, что нафтолят-анион взаимодействует с борофторидом хинизарина как амбидентный нуклеофил.

о он

о он

он

о©

о

-нсоо®

С022"

О-нуклеофил

н

С-нуклеофил

Реагируя как С-нуклеофил, нафтолят-анион обеспечивает образование 2-(4-оксо-1,4-дигидронафтил-1)хинизарина, реагируя как О-нуклеофил — 2-(1-нафтилокси)хинизарина. Образование этих соединений зарегистрировано также при взаимодействии хинизарина с 1 -нафтолом в ДМСО в присутствии эквимольных количеств карбоната калия и борный кислоты.

В отличие от 1-нафтола, 9-антрол существует преимущественно в таутомерной кето-форме (9-антрона), однако под действием оснований он, подобно 1-нафтолу, образует анион, являющийся амбидентным нуклеофилом.

Как при взаимодействии антрона с борофторидным комплексом хинизарина, так и с хинизарином в присутствии борной кислоты и карбоната калия в ДМСО образуется смесь нескольких продуктов реакции. В качестве главного продукта реакции (выход 74-88%) в обоих случаях получен 2-(9-оксо-9,1-дигидроантрил-10)хинизарин, строение которого подтверждено данными элементного анализа и ИК-спектра. По-видимому, в случае аниона 9-антрола способность реагировать как С-нуклеофил выражена сильнее, чем способность реагировать как О-нуклеофил.

н^ н

о

О-нуклеофил

н

С-нуклеофил

борные комплексы хинизарина при реакции с 1-нафтолом и 9-антролом в полярном апротонном растворителе типа ДМСО в присутствии карбоната калия подвергаются арилированию в положение 2.

В шестой главе изложены результаты квантовохимических расчетов структуры и электронного строения хелатных комплексов хинизарина и его производных. Оптимизация геометрии и расчеты проводились с использованием метода MNDO с наборами параметров AMI и РМЗ, включенных в пакет программ HyperChem 7. Результаты расчетов приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2

Рассчитанные длины связей в молекулах некоторых антрахинонов,

хинизарина и его производных

Вещество Длина Длина Длина

связи связи СВЯЗИ Сд-

с,-с2, с2-с3, 0,

а а а

1,4-антрахинон 1.454 1.346 1.284(С,-0)

1,4-антрахинон (рентгенографические данные) 1.473 1.321 1.224(С,-0)

Хинизарин 1.418 1.380 1.307

5,8 -дих лорхинизарин 1.418 1.380 1.300

2,3-дихлорхинизарин 1.418 1.378 1.299

2,3,5,8-тетрахлорхинизарин 1.416 1.380 1.298

Комплекс хинизарина с ВИз 1.435 1.361 1.323

Комплекс 5,8-дихлорхинизарина с ВРз 1.435 1.361 1.322

Комплекс хинизарина с Т1СЦ 1.425 1.353 1.315

Комплекс 5,8-дихлорхинизарина с "ПС1| 1.422 1.367 1.315

Комплекс хинизарина с БпСЦ 1.457 1.349 1.278

Комплекс 5,8-дихлорхинизарина с БпС!» 1.460 1.348 1.284

Комплекс хинизарина с СиСЬ 1.425 1.365 1.306

5,8-бис-п-толуидинохинизарин 1.395 1.380 1.309

5,8-бис-пиперидинохинизарин 1.418 1.380 1.304

Комплекс 5,8-бис-п-толуидинохинизарина с ВБз 1.439 1.362 1.279

Комплекс 5,8-бис-пиперидинохинизарина с ВРз 1.438 1.361 1.274

Комплекс 5,8-бис-п-толуидинохинизарина с ТЮЬ 1.475 1.352 1.290

Комплекс 5,8-бис-пиперидинохинизарина с ТЮЬ 1.485 1.341 1.307

Комплекс 5,8-бис-п-толуидинохинизарина с впСЦ 1.449 1.351 1.278

Комплекс 5,8-бис-пиперидинохинизарина с БпСЦ 1.457 1.345 1.280

Сравнивая рассчитанные длины связей в молекуле 1,4-антрахинона с рентгеноструктурными данными, можно сделать вывод о том, что квантохимические расчеты дают хорошее совпадение с экспериментальными данными (разница составляет менее 5%).

Из сравнения длин связей С|-С2 и С2-С3 в хинизарине и 9,10-дигидрокси-1,4-антрахиноне следует, что связь С2-Сз в 9,10-дигидрокси-1,4-антрахиноне более близка по длине к изолированной двойной связи, а связь С1-С2- к одинарной связи, в то время, как в хинизарине длины этих связей более выравнены и более близки по длине к связям в бензоле. В хелатных комплексах хинизарина и 5,8-дихлорхинизарина длины связей С1-С2 и С2-С3 различаются сильнее, чем в хинизарине, что позволяет говорить о нарушении ароматичности в боковом кольце и наличии 1,4-антрахиноидной структуры в хелатных комплексах хинизарина.

Таблица 3

Рассчитанные порядки связей в молекулах хинизарина и его производных

Вещество Порядок Порядок Порядок

связи связи связи

с2-с3 С,-О С9-0

Хинизарин 1.632 1.198 1.579

5,8-дихлорхинизарин 1.636 1.201 1.595

2,3-дихлорхинизарин 1.547 1.215 1.586

2,3,5,8-тетрахлорхинизарин 1.543 1.211 1.594

Комплекс хинизарина с ВРз 1.844 1.270 1.381

Комплекс 5,8-дихлорхинизарина с ВРз 1.855 1.179 1.588

Комплекс хинизарина с "ПСЬ 1.698 1.152 1.479

Комплекс 5,8-дихлорхинизарина с Т1СЦ 1.782 1.327 1.281

Комплекс хинизарина с БпСЬ 1.759 1.266 1.400

Комплекс 5,8-дихлорхинизарина с ЭпСЦ 1.775 1.303 1.355

Комплекс хинизарина с СиСЬ 1.603 1.375 1.540

5,8-бис-п-толуидинохинизарин 1.496 1.100 1.689

5,8-бис-пиперидинохинизарин 1.627 1.196 1.590

Комплекс 5,8-бис-п-толуидинохинизарина с ВР3 1.658 1.150 1.563

Комплекс 5,8-бис-пиперидинохинизарина с ВРз 1.656 1.150 1.616

Комплекс 5,8-бис-п-толуидинохинизарина с "ПСи 1.810 1.400 1.234

Комплекс 5,8-бис-пиперидинохинизарина с Т1СЦ 1.763 1.690 1.080

Комплекс 5,8-бис-п-толуидинохинизарина с ЭпСЦ 1.725 1.213 1.406

Комплекс 5,8-бис-пиперидинохинизарина с БпСЦ 1.772 1.292 1.382

Анализируя порядок связи с2-с3, можно отметить, что в молекулах хелатных комплексов хинизарина и его производных (за исключением медного комплекса) связь с2-с3 имеет больший порядок по сравнению с этой связью в молекуле хинизарина. Это свидетельствует о существенном

вкладе 1,4-антрахиноидной структуры в строение хелатного комплекса.

Шестая глава посвящена изучению связи электронного строения и реакционной способности хелатных комплексов.

Как отмечено выше, реакционная способность производных хинизарина в реакциях нуклеофильного замещения будет тем выше, чем больший вклад вносит 1,4-антрахиноидная структура в резонансный гибрид. В качестве параметра для оценки этого вклада можно использовать порядок связи С2-С3 в молекуле производного хинизарина. Обнаружена корреляция между выходами продуктов аминирования и порядком связи С2-С3. Существенное выпадение из прямой наблюдается у комплексов хинизарина и 5,8-дихлорхинизарина с хлоридом титана, малая активность которых в реакции с пиперидином объясняется плохой растворимостью._

1,5500 1,6000 1,6500 1,7000 1,7500 1,8000 1,8500 1,9000 Порядок связи С2-СЗ

у=125,53х-200,16

1 комплекс хинизарина с СиС12

2 хинизарин

3 комплекс 5,8-бис-пиперидино-хинизарина с В1:3

4 комплекс 5,8-бис-(п-толуидино)-хинизарина с В1'з

5 комплекс хинизарина с Т1СП4

6 комплекс хинизарина с ЭпСЦ

7 комплекс 5,8-бис-пиперидино-хинизарина с Т1С14

8 комплекс 5,8-бис-пиперидино-хинизарина с ЭпСЦ

9 комплекс 5,8-дихлорхинизарина с БпСЦ

10 комплекс 5,8-дихлорхинизарина с ТЮЦ

11 комплекс 5,8-бис-(п-толуидино)-хинизарина с ЯпО,

12 комплекс 5,8-бис-(п-толуидино)-хинизарина с Т1С14

13 комплекс хинизарина с ВИз

14 комплекс 5,8-дихлорхинизарина с ВР3

Рис. 1. Зависимость выхода аминопроизводного от рассчитанного порядка связи с2-с3 в реакции аминирования хелатных комплексов

хинизарина

Необходимо отметить, что сравнение рассчитанных порядков связей С2-Сз позволяет говорить только о перераспределении электронной

плотности в молекулах производных хинизарина при комплексообразовании, в то время как реакционная способность в реакции нуклеофильнош замещения зависит и от других факторов. Более корректно связывать реакционную способность с такими показателями электронной структуры, как заряды на атомах и уровни орбиталей, участвующих в донорно-акцепторном взаимодействии.

В соответствии с общей многоэлектронной теорией возмущения полное изменение энергии в процессе донорно-акцепторного взаимодействия атома азота пиперидина и атома углерода молекулы хелатного комплекса хинизарина выражается уравнением, состоящим из двух членов - электростатического и ковалентного :

д^ = ЧпЧс2 , 2 (с^СААус)2 КтР Енвмо ~ Евзмо

где Яи - заряд на атоме азота аминогруппы, Яс - заряд на атакуемом атоме углерода,

11мс - расстояние между атомами N и С в переходном состоянии;

В - диэлектрическая проницаемость среды,

Сы - коэффициент при атоме азота в ВЗМО,

Сс - коэффициент при атоме углерода в НВМО,

ДРкс _ изменение резонансного интеграла при

взаимодействии атомов N и С,

Епвмо _ энергия НВМО,

Евзмо - энергия ВЗМО,

Ъ - переводной множитель для перехода от атомных единиц к электронвольтам (7=14,399).

Первый член уравнения выражает электростатическое взаимодействие между атомом азота аминогруппы и атакуемым атомом углерода антрахинонового ядра. Рассчитанный методом МИБО с параметризацией РМЗ заряд на атоме азота для пиперидина составляет -0,064. Приближение теории возмущений справедливо для расчета начальных этапов реакций, когда расстояние между взаимодействующими атомами относительно невелико (порядка 2,3-2,5 ангстрем). С учетом этого обстоятельства для полярных растворителей (0=20) величина электростатического взаимодействия составляет:

АЕэлст = -0,064 * яс * 14,399 / (2,5*20)

Поскольку рассчитанные заряды на атоме С2 во всех рассматриваемых производных хинизарина не превышают десятую долю 20

единицы (от -0,017 в хинизарине до -0,1 в хелатных комплексах его производных), то ДЕэлст будет составлять единицы тысячных долей.

Энергию ковалентного взаимодействия можно рассчитать, воспользовавшись приближением Малликена для определения параметра Арыс:

Арке = К8*ср°ыс= К8цс0,8р , где К - поправочный коэффициент (принимают К=3),

Б - интеграл перекрывания (обычно принимают в < 0,2), Р - резонансный интеграл стандартной углерод-углеродной евзязи (принимают равным -2,32 эВ).

Для молекулы пиперидина методом МЫБО с параметризацией РМЗ рассчитаны значения ВЗМО (-9,0149 эВ) и коэффициента вклада атома N в ВЗМО (См = 0,8569).

На основании рассчитанных полуэмпирическими методами значений коэффициентов Сс и с учетом сделанных допущений вычислены значения энергии ковалентного взаимодействия для реакции хелатных комплексов хинизарина и его производных с пиперидином (таблица 4).

Таблица 4

Рассчитанные уровни НВМО, значения коэффициента при атоме углерода в НВМО и ковалентные члены донорно-акцепторного взаимодействия хелатных комплексов хинизарина с пиперидином

Вещество .Расч. НВМО, ДЕков,

Сс эВ эВ

Хинизарин 0,1563 -2,3953 0,011

5,8-дихлорхинизарин 0,1732 -2,5039 0,013

Комплекс хинизарина с ВРз 0,2469 -3,5738 0,032

Комплекс 5,8-дихлорхинизарина с ВРз 0,2588 -3,6823 0,036

Комплекс хинизарина с Т1С14 0,2437 -3,9562 0,033

Комплекс 5,8-дихлорхинизарина с Т1СЦ 0,2693 -3,6578 0,039

Комплекс хинизарина с ЭпСЦ 0,2153 -3,4283 0,024

Комплекс 5,8-дихлорхинизарина с БпСЦ 0,2235 -3,4327 0,025

Комплекс хинизарина с СиС12 0,0953 -2,2293 0,004

5,8-бис-(п-толуидино)хинизарин 0,1705 -2,0034 0,012

5,8-бис-пиперидинохинизарин 0,1838 -2,1334 0,014

Комплекс 5,8-бис-п-толуидинохинизарина с ВИз 0,2028 -2,6851 0,017

Комплекс 5,8-бис-пиперидинохшшзарина с ВРз 0,2153 -2,3279 0,018

Комплекс 5,8-бис-п-толуидинохинизарина с ТЮЦ 0,2533 -3,6552 0,032

Комплекс 5,8-бис-пиперидинохинизарина с Т|СЦ 0,2450 -3,0176 0,027

Комплекс 5,8-бис-п-толуидинохинизарина с ЭпСЦ 0,2323 -3,4745 0,026

Комплекс 5,8-бис-пиперидинохинизарина с БпСЦ ОД 169 -3,3091 0,022

ч о

X

л

ш

40

35 -30 25 Н 20 15 4 10 5 0

0,01 0,02 0,03

ДЕков, эВ

у=1206,63х-10,041

0,04

0,05

1 комплекс хинизарина с СиСЬ

2 хинизарин

3 комплекс 5,8-бис-пиперидино-хинизарина с В^

4 комплекс 5,8-бис-(п-толуидино)-хинизарина с ВГ3

5 комплекс хинизарина с Т1С14

6 комплекс хинизарина с БпСЦ

7 комплекс 5,8-бис-пиперидино-хинизарина с Т1О;

8 комплекс 5,8-бис-пиперидино-хинизарина с .ЧпС14

9 комплекс 5,8-дихлорхинизарина с ЗпС14

10 комплекс 5,8-дихлорхинизарина с Т1СЦ

11 комплекс 5,8-бис-(п-толуидино)-хинизарина с ЯпСГ;

12 комплекс 5,8-бис-(п-толуидино)-хинизарина с ^ (С14

13 комплекс хинизарина с ВИ-,

14 комплекс 5,8-дихлорхинизарина с ВР5

Рис. 2. Зависимость выхода аминопроизводного от рассчитанного ДЕков в реакции аминирования хелатных комплексов хинизарина

Таким образом, характер взаимодействия всех хелатных комплексов хинизарина и его производных с пиперидином примерно одинаков. Поскольку рассчитанные заряды на атоме азота в молекуле пиперидина (-0,064) и на атомах углерода 2 и 3 в хелатных комплексах (единицы тысячных долей ед.) невелики, то электростатический член уравнения относительно невелик, и процесс нуклеофильного замещения в молекулах хелатных комплексов производных хинизарина будет орбитально-контролируемой реакцией. Скорость реакции зависит от знаменателя (ЕВзмо - Енвмо) и от коэффициента Сс- Сравнение рассчитанных параметров и экспериментальных данных по реакционной

способности комплексов показывает, что отчетливо прослеживается корреляция в рамках линейной зависимости между выходами продуктов аминирования и рассчитанным значениями АЕков (см. рис. 2). Существенное выпадение из прямой наблюдается у комплексов хинизарина и 5,8-дихлорхинизарина с хлоридом титана, малая активность которых в реакции с пиперидином объясняется плохой растворимостью.

ВЫВОДЫ

1. Разработана методика получения хелатных комплексов хинизарина и его производных, содержащих в качестве металла-хелатообразователя бор, титан, олово, медь и другие металлы. По данной методике получен ряд ранее в литературе не описанных хелатных комплексов.

2. С использованием аналитических и спектральных методов, а также квантовохимических расчетов изучена молекулярная структура хелатных комплексов. Установлено, что борофторидные комплексы мономерны, боросульфатные и медные димерны, титановые и оловянные полимерны.

3. Систематизированы спектральные характеристики производных хинизарина и его производных, включая хелатные комплексы. Выявлены закономерности УФ-, ИК- и ПМР-спектров, которые могут быть использованы при идентификации соединений антрахинонового ряда.

4. Изучены реакции хелатных комплексов хинизарина и его производных с С-нуклеофилами (фенол, а-нафтол, малоновый эфир, 9-антрол) и Ы-нуклеофилами (пиперидин, анилин, п-толуидин, о- и п-фенилендиамины). Установлены основные закономерности реакций. Дана оценка реакционной способности хелатных комплексов.

5. Проведены расчеты геометрии и ряда параметров электронной структуры производных хинизарина и их хелатных комплексов полуэмпирическими методами квантовой химии. Установлена корреляция между параметрами электронной структуры и реакционной способностью комплексов.

6. С позиций теории возмущений определены вклады электростатического и ковалентного членов в полное изменение энергий донорно-акцепторного взаимодействия между хелатным комплексом и Ы-нуклеофилом. Показано, что данную реакцию следует отнести к орбитально контролируемым реакциям.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Денисов В.Я., Корнев М.С. Синтез ди- и полихлорпроизводных хинизарина // Материалы Международной конференции студентов и аспирантов «Ленинские горы - 1995». - Москва, 1995. С. 82.

2. Денисов В.Я., Корнев М.С. Получение хелатных комплексов хинизарина и его производных // Тез. докл. Международной научной студенческой конференции XXXIV. - Новосибирск, 1996. -Т. 2. - С. 72.

3. Денисов В.Я., Корнев М.С. Получение и исследование реакционной способности хелатных комплексов хинизарина и его производных // Тез. докл. Международной научной студенческой конференции XXXV. - Новосибирск, 1997. - Т. 2. - С. 121.

4. Денисов В.Я., Корнев М.С., Волосенко В.П., Лузгарев C.B. Синтез ди- и полихлорпроизводных хинизарина / Известия вузов. Химия и химическая технология. - 1998. - Т. 41. вып. 5. - С. 98.

5. Денисов В.Я., Корнев М.С. Исследование строения и реакционной способности производных хинизарина и их хелатных комплексов // Тез. докл. конференции «Молодежь и химия-98». - Красноярск, 1998.-С. 162.

6. Денисов В.Я., Корнев М.С. Исследование строения и реакционной способности производных хинизарина и их хелатных комплексов // Тез. докл. Международной конференции студентов и аспирантов «Ломоносов-2000». - Москва, 2000. - Т. 2. - С. 83.

7. Корнев М.С., Денисов В.Я. Исследование строения и реакционной способности производных хинизарина и их хелатных комплексов. / Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2001. - Т. 44, вып. 2. - С. 66.

8. Корнев М.С. Получение и исследование свойств хелатных комплексов хинизарина и его производных // Сборник трудов областной научной конференции «Молодые учейые Кузбассу. Взгляд в XXI век». - Кемерово, 2001. - С. 59.

9. Корнев М.С., Денисов В.Я. Исследование строения и реакционной способности производных хинизарина и их хелатных комплексов. // Тезисы докладов Международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах». - Кемерово, 2001. - Т. 3,-С. 130.

Ю.Денисов В.Я., Корнев М.С. Спектральные свойства производных хинизарина и их хелатных комплексов. / Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2003. - Т. 46, вып. 2. - С. 84.

г1

1771s

»1791»

введение.

1 хелатные комплексы производных 9до-антрахинона (литературный обзор).

1.1 Применение.

1.2 Борные комплексы.

1.3 Комплексы с другим и металлами.

1.4 квантовохимические методы расчета.

2 экспериментальная часть.

2.1 Использованные вещества и реактивы. Применяемые методы исследования.

2.2 Получение производных хинизарина.

2.3 Получение хелатных комплексов хинизарина.

2.4 Реакции хелатных комплексов хинизарина с N-нуклеофилами.

2.5 Реакции хелатных комплексов хинизарина с С-нуклеофилами.

3 получение и исследование свойств производных хинизарина и их хелатных комплексов.

3.1 Синтез производных хинизарина.

3.2 Получение хелатных комплексов хинизарина и его производных.

4 спектры поглощения хинизарина и его производных.

5 реакции хелатных комплексов хинизарина и его производных.

5.1 Реакции хинизарина и его производных с N-нуклеофилами.

5.2 Реакции хинизарина и его производных с С-нуклеофилами.

6 электронное строение и реакционная способность хинизарина и его производных.

6.1 квантовохимические расчеты структуры и электронного строения хелатных комплексов хинизарина и его производных.

6.2 связь электронного строения и реакционной способности.

7 ВЫВОДЫ.

5 Химия антрахинона и его производных (здесь и далее имеется в виду

9,10-антрахинон) давно выделилась в самостоятельную и обширную область органической химии. Интерес к антрахинону и его производным обусловлен широкими возможностями получения на их основе веществ, необходимых для современной техники. Производство синтетических красителей - это область, в которой производные антрахинона традиционно занимают видное место: хромофорные системы производных антрахинона содержатся в структуре многих ценных красителей для шерсти, шелка и синтетических полиамидов, кубовых красителей для целлюлозных волокон, дисперсных красителей для синтетических волокон, активных красителей для различных натуральных и синтетических материалов. С древнейших времен ткани окрашивали природными красителями, важнейшим из которых был ализарин. В настоящее время благодаря своим характеристикам, антрахиноновые красители приобрели большое практическое значение, а развитие производства этих красителей привело к возникновению химии антрахинона и его производных. Задачи по максимальному удовлетворению потребности в ярких и прочных красителях определяют необходимость и актуальности дальнейших исследования в области химии антрахинона и его производных.

В настоящее время значение производных антрахинона далеко выходит за рамки химии красителей. Бурный подъем переживают исследования методов получения производных антрахинона в связи с работами по синтезу антрациклинов - антибиотиков, обладающими ярко t- выраженными противоопухолевыми свойствами. Исследования в области антрациклинов продолжают интенсивно развиваться, давая новые антибиотики, обладающие большей эффективностью против различных злокачественных опухолей и меньшей кардиотоксичностью. Полные синтезы антрациклинов, которые проводятся для поиска альтернативы биохимическому пути для получения антибиотиков, дают мощный импульс для развития химии антрахинона и его производных.

Помимо красителей и биологически активных веществ, антрахинон и его производные используются для получения люминофоров, фотографических проявителей, компонентов жидкокристалличских композиций, активных лазерных сред, фотохромных веществ, аналитических реагентов, химических добавок к полимерным материалам. Десятки ежегодно появляющихся патентов и авторских свидетельств на способы получения и применения производных антрахинона свидетельствуют об устойчивом интересе к данному ряду соединений как в нашей стране, так и за рубежом.

Актуальность исследований в области химии антрахинона и его производных определяется не только задачами синтетической органической химии - созданием новых реакций, разработкой новых методов синтеза, целевым синтезом новых органических соединений, обладающих заданными физико-химическими и биологическими свойствами, важных для практического использования, но и задачами теоретической органической химии.

С теоретической точки зрения исследование химии антрахинона и его производных важно для понимания закономерностей органических реакций. Эти соединения вступают в реакции нуклеофильного и электрофильного замещения в ядре. Благодаря наличию в молекулах производных антрахинона различных заместителей обеспечивается большое разнообразие свойств. Это позволяет использовать производные антрахинона как объекты для изучения влияния растворителей, электронных и стерических эффектов заместителей на направление и скорость их химических реакций, для выяснения взаимосвязи между структурой соединений и их реакционной способностью.

Данная работа является результатом исследований в области химии производных хинонов и ароматических кетонов, начатых на кафедре органической химии Кемеровского Государственного университета в 1998 году в связи с выполнением плановой бюджетной темы «Исследование фото- и термохимических реакций в допированных мономерных и полимерных матрицах» (тема №6 по единому заказ-наряду ПНИЛ СТТ КемГУ, 1998-2002 г.г.) и участием в выполнении работы по программе «Интеграция» (проект А 0044 федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки», 1997-2001 г.г.). В рамках этих исследований были получены результаты, представленные в настоящей диссертационной работе.

Целью данной работы является изучение молекулярной структуры и реакционной способности хелатных комплексов хинизарина (1,4-дигидроксиантрахинона) и его производных. В ходе ее достижения решались следующие задачи:

- целенаправленный синтез ряда производных хинизарина и разработка методики получения хелатных комплексов хинизарина и его производных;

- исследование структуры хелатных комплексов с использованием экспериментальных методов и квантовохимических расчетов;

- изучение протекания реакций хинизарина, его производных и их хелатных комплексов с С- и N-нуклеофилами;

- исследование взаимосвязи между электронным строением и реакционной способностью производных хинизарина в реакциях нуклеофильного замещения;

Научная новизна:

- показано, что хинизарин и его производные, имеющие в молекуле как электронодонорные, так и электроноакцепторные заместители, в среде ароматического углеводорода реагируют с галогенидами бора, титана, олова и других металлов с образованием хелатных комплексов;

- определены состав и молекулярная структура полученных хелатных комплексов; получены спектральные характеристики хелатных комплексов, выявлены наиболее существенные закономерности спектров, которые пригодны для идентификации исследуемых соединений;

- установлены основные закономерности реакций хелатных комплексов хинизарина и его производных с С-нуклеофилами (фенол, а-нафтол, малоновый эфир, 9-антрол) и N-нуклео филами (анилин, пиперидин, п-толуидин, о- и п-фенилендиамины);

- дана оценка реакционной способности ряда хелатных комплексов производных хинизарина в реакциях с N-нуклеофилами;

- проведены расчеты геометрии и ряда параметров электронной структуры производных хинизарина и их хелатных комплексов полуэмпирическими методами квантовой химии, установлена корреляция между параметрами электронной структуры и реакционной способностью комплексов.

Для получения достоверных результатов и создания надежной базы для их использования применялись современные методы исследования -электронная адсорбционная спектроскопия, ИК-спектроскопия, ПМР-спектроскопия, хроматография.

Практическое значение настоящей работы состоит в разработке методики получения хелатных комплексов хинизарина и его производных, представляющих интерес как промежуточные продукты для синтеза производных антрахинона, имеющих практическое значение как красители, инициаторы фотохимических реакций, биологически активные препараты и др. Систематизированные спектральные данные по большой группе этих соединений могут быть использованы в работах по химии антрахинона и его производных. В результате изучения закономерностей реакций хелатных комплексов хинизарина и его производных с С- и N-нуклеофилами найдены закономерности этих реакций и показана применимость расчетных методов для оценки реакционной способности производных хинизарина, что может быть использовано при разработке стратегии и тактики органического синтеза в ряду рассматриваемых соединений.

7 ВЫВОДЫ

1. Разработана методика получения хелатных комплексов хинизарина и его производных, содержащих в качестве металла-хелатообразователя бор, титан, олово, медь и другие металлы. По данной методике получен ряд ранее в литературе не описанных хелатных комплексов.

2. С использованием аналитических и спектральных методов, а также квантовохимических расчетов изучена молекулярная структура хелатных комплексов. Установлено, что борофторидные комплексы мономерны, боросульфатные и медные димерны, титановые и оловянные полимерны.

3. Систематизированы спектральные характеристики производных хинизарина и его производных, включая хелатные комплексы. Выявлены закономерности УФ-, ИК- и ПМР-спектров, которые могут быть использованы при идентификации соединений антрахинонового ряда.

4. Изучены реакции хелатных комплексов хинизарина и его производных с С-нуклеофилами (фенол, а-нафтол, малоновый эфир, 9-антрол) и N-нуклеофилами (пиперидин, анилин, п-толуидин, о- и п-фенилендиамины). Установлены основные закономерности реакций. Дана оценка реакционной способности хелатных комплексов.

5. Проведены расчеты геометрии и ряда параметров электронной структуры производных хинизарина и их хелатных комплексов полуэмпирическими методами квантовой химии. Установлена корреляция между параметрами электронной структуры и реакционной способностью комплексов.

6. С позиций теории возмущений определены вклады электростатического и ковалентного членов в полное изменение энергии донорно-акцепторного взаимодействия между хелатным комплексом и N-нуклеофилом. Показано, что данную реакцию следует отнести к орбитально контролируемым реакциям.

1. Thomson R.H. Naturally Occurring Quinones. New York, Academic Press, 1971.

2. Химия синтетических красителей. Т. 5. / Под ред. К.Венкатарамана. -Л.: Химия, 1977.-432 с.

3. Chemistry of Synthetic Dyes and Pigments. New York, Hafner Pub. Co., 1965.

4. Coble H.D, Holtzclaw H.F. Jr. // J.Inorg.Nucl.Chem., 1974. v. 36. - p. 1049.

5. Singh H.B., Agnihotri N.K., Singh V.K. // Talanta, 1998. v. 47. - p. 12871296.

6. Muramatsu Y., Yamamoto T. // Polymer, 1999. v. 40, N 23. - p. 66076609.

7. Пат. США N US 5030387 (1991), Organic conductive complex -anthraquinone derivatives. / Kitao Teijiro, Matsuoka Masaru, Shimizu Yo.

8. Пат. США N US 4622169 (1986), Electrically conducting complexes -anthraquinone or naphthaquinone substituted with amino group reacted with metal salt. / Rickle G.K.

9. Sharma J., Singh H.B., Rao T.S. Synthesis and characterization of some polymeric transition metal chelates of 1,4-DHAQ and their electrical properties. // Indian J. Chem., 1986. Sect. A. - v. 25A. - N 4. - p. 330334.

10. Sharma J.; Singh H.B., Satake M., Kumar S. Synthesis of doped polymericmetal complexes of some lanthanides with 1,5-DHAQ and study of their thermal and electrical behavior. // Indian J.Chem., 1989. Sect. A. v. 28A. -N 7. - p. 588-591.

11. Zanbower E.D., Kam C.M., Powers J.C., Zalkow, L.H. // J.Med.Chem., 1992.-v. 35.-p. 1597.

12. Remers W.A. The chemistry of antitumor antibiotics. New York, Wiley, 1979.-p.63.

13. Henry D.W. Experimental antitumor activity of aminoanthraquinones. // Cancer Treat. Rep., 1979. v. 63. - p. 845-850.

14. Waring M.J. The Molecular Basis of Antibiotic Action. // Annu.Rev.Biochem., 1981.-v. 50-p. 159-165.

15. Бушелев C.H., Сибельдина JI.A. // Биорг.хим., 1982. т.8. - N 5. - С. 702-705.

16. Lown J.W., Kim S.K., Chem H.H. Antitumor effect of adriamycin. // Can. J. Biochem., 1978. v.56. - p. 1042.

17. Arcamone F. Doxorubicin: Anticancer antibiotics. // New York, Academic Press, 1981.

18. Ко T.S, Maeng H.Y., Park M.K., Park I.H. Park I.S., Kim B.S. Cu2+ anthraquinone complexes: formation, interaction with DNA, and biological activity. // Bull. Korean Chem. Soc., 1994. v. 15. - N 5. - p. 364-368.

19. Mailer K., Petering D.H. Inhibition of Oxidation Phosphorylation in Tumor Cells and Mitochondria by Daunomycin and Adriamycin. // Biochem.Pharmacol., 1976. v. 25. - p. 2085.

20. May P.M., Williams G.K., Williams D. Copper complexing by growth stimulating tripeptide, glycylhistidyllysine. // Inorg.Chim.Acta, 1980. v. 46.-p. 221.

21. Kozlowski H., Drabent K., Aszyszuk H., Gosalvez M. // Inorg.Chim.Acta, 1982.-v. 66.-p. 189.

22. Greenaway F.T., Dabrowiak J.C. The Electronic Ground State and Coordination Environment of Copper(II) in Adriamycin. // J.Inorg.Biochem., 1982.-v. 16.-p. 91.

23. Beraldo H., Garnier-Suillerot A., Tosi L. Metal Ions in Biological Systems. // Inorg.Chem, 1983. v. 22. - p. 4117.

24. Tachibana M., Iwaizumi M., Tero-Kubota M. Studies of the binding of the copper ions Cu(II) with Adriamycin. // J.Inorg.Biochem., 1981. v. 28. - p. 131-138.

25. Fiallo M.M.M., Garnier-Suillerot A. Spectral shape modifications of anthracyclines bound to cell nuclei. // Biochemistry, 1986. v. 25. - p. 924.

26. Dutta P.K., Hutt J.A. Adriamycin activity in experimental tumors. // Biochemistry, 1986. v. 25. - p. 691.

27. Myers C.E., Gianni L., Simone C.B., Klecker R., Greene R. Oxidative destruction of erythrocyte ghost membranes catalyzed by the doxorubicin-iron complex. // Biochemistry, 1982. v. 21. - p. 1707.

28. Spinelli M., Dabrowiak J.C. Interaction of copper(II) ions with the daunomycin-calf thymus deoxyribonucleic acid complex. // Biochemistry, 1982.-v. 21.-p. 5682.

29. Phillips D.R., Carlyle G.A. Interaction of copper(II) ions with the adriamycin. // Biochem. Pharmacol., 1981. v. 30. - p. 2021.

30. Mikelens, P., Lewinson, W. // Bioinorg.Chem., 1978. v. 9. - p. 441.

31. Calendi E., DiMarco A., Reggiani M., Scarpinato В., Valentini L. Experimental animal models of adriamycin cardiotoxicity. // Biochim.Biophys.Acta, 1965. v. 103. - p. 25.

32. Бушелев C.H. Параметры электронной структуры и количественные соотношения структура активность противораковых антрациклиновых антибиотиков. // Докл. АН СССР. - 1985. - Т. 282. -№2.

33. Русских С.А., Лоскутов В.А., Русских В.В. // ЖОХ, 1974. Т. 44. - №3. -С. 642-648.

34. Фокин Е.П., Русских В.В., Русских С.А., Мазур В.Г. // ЖПХ, 1971. Т. 44.-№10.-С. 2271-2276.

35. Matsuoka М., Kitao Т. Direct Amination of anthraquinones promoted by metal salts and its application for dye syntheses. // Kenkyu Hokoku Asahi Garasu Kogyo Gijutsu Shoreikai, 1981. - N 38. - p. 207-14.

36. Горелик M.B. Химия антрахинонов и их производных. М.: Химия, 1983.-296 с.

37. Горелик М.В., Шапетько Н.Н., Аринич Л.В. Строение борных комплексов амино- и оксиантрахинонов и их производных. // ЖорХ, 1986. Т. 22, вып. 3. - С. 611-621.

38. Курдюмова Т.Н. Борнокислые эфиры хинизарина. // ЖорХ, 1968. Т. 4, вып. 9.-С. 1683.

39. Корнев М.С., Денисов В.Я. Исследование строения и реакционной способности производных хинизарина и их хелатных комплексов. // Химия и химическая технология, 2001. Т. 44, вып. 2 - С. 66.

40. Денисов В.Я., Корнев М.С., Волосенко В.П., Лузгарев С.В. Синтез ди-и полихлорпроизводных хинизарина // Химия и химическая технология. 1998. - Т.41, вып.5. - С. 98.

41. Bakola-Christianopoulou М. N., Akrivos P. D., Baumgarten М. Binuclear metal chelate complexes of anthraquinones having a M04 chromophore. Part 1. Quinizarin// Can.J.Chem., 1987. v. 65. - p. 1485-1490.

42. Das S., Saha A., Mandal PC. Studies on the formation of Cu(II) and Ni(II) complexes of l,2-dihydroxy-9,10-anthraquinone. // Talanta, 1996. v. 43. -N l.-p. 95-102.

43. Masoud M.S., Tawfik M.S., Zayan S.E. Structural chemistry studies of hydroxyanthraquinone complexes. // Synth.React.Inorg.Met.Org.Chem.,1984.-v. 14.-N l.-p. 1-19.

44. Tachibana M., Iwaizumi M. EPR and UV-visisble spectroscopic studies of copper(II) and cobalt(II) complexes of hydroxyanthraquinones. // J.Inorg.Biochem., 1987.-v. 30.-N2.-p. 141-51.

45. Koch T.S., Rava R.P. Interpreting the visible absorption bands of 1,4-(dihydroxy)-9,10-anthraquinone and its metal chelates. // Biophys. Chem., 1990. v. 36.-N3.-p. 187-99.

46. Routier S., Cotelle N., Catteau J.-R, Bernier J.-L., Waring M.J. Salen-Anthraquinone Conjugates. Synthesis, DNA-Binding and Cleaving Properties, Effects on Topoisomerases and Cytotoxicity. // Bioorg.Med.Chem., 1996. -v. 4. -N 8.-p. 1185-1196.

47. Dutta P.K., Hutt J.A. // J.Raman. Spectrosc., 1987. v. 18. - p. 339.

48. Bakola-Christianopoulou M.N. Copper (II) complexes of hydroxyanthraquinones as models for quinone binding sites in reaction centers of cancer tumors. // Polyhedron, 1984. v. 3. - p. 729.

49. Kiraly R., Martin R.B. // Inorg.Chim.Acta, 1982. v. 67. - p. 13.

50. Bogdanovic В., Yus M., Anticancer activity of adriamycin copper (II) complexes. // Angew.Chem.Int.Ed.Engl., 1979. v. 91. - p. 681.

51. Merrell P.H. Formation constants of hydroxyanthraquinones with transition metal ions. // Inorg.Chim.Acta, 1979. v. 32. - p. 99.

52. VanDuuren D.L., Segal A., Tseng S.S., Rusch G.M., Loewengart G., Mate U., Roth D., Smith A., Melchionne S. // J.Med.Chem., 1978. v. 21. - p. 26.

53. Padhye S.B., Joshi C.R., Kulkarni B.A. Studies of some rare earth chelates of naphthoqui-none antibacterials. // J.Inorg.Nucl.Chem., 1977. v. 39. - p. 1289.

54. Dufrense A., de Lima C.G., Knudsen J., Moreira J.E. Copper (II) complexes of antraquinones. // J.Inorg.Nucl.Chem., 1973. v. 35. - p. 789.

55. Зайцев Б.Е., Васильева Н.П., Иванов-Емин. Б.Н. // Ж.Неорг.Хим., 1971. -N 16.-с. 502.

56. Bottei R.S., McEachem C.R Thermal and Spectral Study of Some Divalent Metal Chelates of Antraquinones. // J.Inorg.Nucl.Chem., 1970. v. 32. - p. 2653.

57. Bottei R.S., Quane D.J. Hydroxyanthraquinone complexes of copper(II): Structural studies. // J.Inorg.Nucl.Chem., 1964. v. 26. - p. 1919.

58. Bottei R.S., Gerace RL. Electrochemical studies of transition metal complexes of quinizarine. // J.Inorg.Nucl.Chem., 1961. v. 23. - p. 245.

59. Bottei R.S., Lusardi D.A. Cobalt (II) complexes of some hydroxyanthraquinones. // Thermochimica Acta, 1981. v. 43. - p. 355.

60. Robinson E.A., Earley J.E. Metal-ligand electronic interactions in mononuclear and dinuclear triethylenetetramineCobalt(iii) complexes containing the anion of quinizarin. // Collect.Czech.Chem.Commun., 1993. -v. 58.-Nl.-p. 62-70.

61. Cheung B.C.L., Sun T.H.T., Leenhouts J.M., Cullis P.R. Loading of doxorubicin into liposomes by forming Mn2+-drug complexes. // Biochimica et Biophysica Acta (BBA)/Biomembranes, 1998. v. 1414. - N 12.-p. 205-216.

62. Moruichi T.,Watanabe Т., Ikeda I., Ogawa A., Hirao T. Quinone Oxygen-Coordinated Palladium(II) Complexes with Anthraquinone Ligands Bearing N-Heterocyclic Coordination Sites. // Eur.J.Inorg.Chem., 2001. -N l.-p. 277 -288.

63. Venkatesan R., Rajendiran T.M., Rao S. Synthesis and spectroscopicinvestigations on mixed ligand complexes of Pd(II) and Pt(II). // Indian J.Chem.Sect.A.: Inorg.,Bio-inorg.,Phys.,Theor. Anal.Chem., 1998. v. 37. -N 3. - p. 280-282.

64. DelMedico A., Pietro W.J., Lever A.B.P. Linkage isomers of alizarin-bis(bipyridine)ruthenium(II) // Inorganica Chimica Acta, 1998. v. 281. -N2.-p. 126-133.

65. Gooden V.M., Dasgupta T.P., Gordon N.R., Sadler G.G. Properties and kinetics of dihydroxy- and diaminoanthraquinone ruthenium bipyridyl dimers. // Inorganica Chimica Acta, 1998. v. 268. -N 3. - p. 31-36.

66. Handa M., Sono H., Kasamatsu K., Kasuga K., Mikuriya M., Ikenoue S. A chain compound built up by alternated arrangement of molybdenium(ii) trifluoracetate dimer and 9,10 anthraquinone. //Chem.Lett., 1992. - N 3. -p. 453-456.

67. Chen Z., Schall O.F., Alcala M., Li Y., Gokel G.W., Echegoyen L. Unusual 1:2 Ligand:Metal Complex Formation between an Anthraquinone Cryptand and Li // J.Amer.Chem.Soc., 1992. v. 114. -N 2. - p. 444-451.

68. Waldmann H. // J. pract. Chem., 1930. v. 126. - p. 250.

69. Waldmann H. 11 J. pract. Chem., 1931. v. 130. - p. 92.

70. Dimroth O., Hilcken V. 11 Berichte, 1921. v. 54. - p. 3050.

71. Пат. 2181046 США//Chem. Abstr., 1940.-v. 34.-p. 1862.

72. Пат. 3631074 США//РЖХим, 1972, 19Н177П.

73. Пат. 1973151 ФРГ//Изобр. в СССР и за рубеж., 1972.-N 14.-c.81.

74. Файн В.Я. Таблицы электронных спектров антрахинона и его производных. JL: Химия, 1970. - 168 с.

75. Курковская Л.Н., Хафизова Р.А., Травень В.Ф. О роли борной кислоты в превращениях лейко-1,4-диаминоантрахинона. // Тез. докл. Всесоюзной конференции по химии хинонов и хиноидных соединений. Новосибирск, 1991. - с 51.

76. Спектры поглощения производных антрахинона в инфракрасной, ультрафиолетовой и видимой областях. Атлас спектров ароматических и гетероциклических соединений под редакцией В.А.Коптюга. -Новосибирск. 1998. - вып. 16.

77. Горелик М.В. Строение производных антрахинона и их активность в реакциях нуклеофильного замещения // Изв. Сиб. Отд-ния АН СССР. Сер.хим.н. 1983. - Вып. 4, №9. - с. 77-86.

78. Русских С.А., Константинова А.В., Фокин Е.П. Прямое нуклеофильное арилирование хинизарина 2,6-ди-трет-бутилфенолом // Изв. Сиб. Отд-ния АН СССР. Сер.хим.н. 1983. - вып.4. - с. 137.

79. Бушелев С.Н.,Степанов Н.Ф. Электронная структура и биологическая активность молекул. М.: Знание, 1989. - 32 с.

80. Реакционная способность и пути реакций. / Под ред. Г. Клопмана. -М.: Мир, 1977.-с. 32.

81. Fischer Т.Н., Almloef J. General Methods for Geometry and Wave Function Optimization // J.Phys.Chem., 1992. v. 96. -N 24. - p. 9768-9774.

82. Полуэмпирические методы расчета электронной структуры / Под ред.

83. Дж. Сигала. М.: Мир, 1980. - Т. 1-2.

84. Квантовохимические методы расчета молекул / Под ред. Ю.А.Устынюк. М.: Химия, 1980, с.255.

85. Pople J.A., Beveridge D.L. Approximate molecular orbital theory. // N.Y.: McGraw-Hill, 1970, p. 85-127.

86. Boehm S., Kuthan J. Optimization Of Molecular Geometry Of Para-Substituted Benzoic Acids And Their Anions By Means Of Gradient Cndo/2 Method. // Collect.Czech.Chem.Commun., 1982. v. 47. -N 12. -p. 3393-3404.

87. Nudelman N.S., Cormack P. Theoretical Calculations Of Chemical Interactions-Iii. The Reaction Of Halonitrobenzenes With Nucleophiles. // Tetrahedron, 1984. v. 40. -N 21. - p. 4227-4235.

88. Ramos M.N., Pereira S.R. Conformation, Electronic Structure, and Biological Activity of Antitumor Triazenes. // J.Chem.Soc.Perkin, 1986. -N 2. p. 131-134.

89. Matsuzawa N., Dixon D.A., Fukunaga T. Semiempirical Calculations of Dihydrogenated Buckminsterfullerenes, C60H2.// J.Phys.Chem., 1992. v. 96.-N 19.-p. 7594-7604.

90. Movsumzade E. M., Rekuta Sh. F., Polyakov A. D., Agaguseinova M. M. Calculation of molecular geometry of acetonitrile complexes with d-element salts. // Russ.J.Gen.Chem., 1994. v. 64. - N 6. - p. 810-811.

91. Sargent M.V., Smith D.O'N. // Tetrahedron Lett., 1970. N 24. - p.2065.

92. Горелик M.B., Мишина E.B. A.c. 852853 СССР; Бюлл.изобр., 1981. -N 29.-с. 113.

93. Green A. // J.Chem.Soc., 1926. p. 1428.

94. A.C. 319584, 1971 г. (СССР).

95. A.C. 335262, 1972 г. (СССР).

96. Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев P.M. Теория строения молекул. М.: Высшая школа. - 407 с.