Селективная функционализация n-трет Бутилтиакаликс(4)арена по нижнему ободу тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

Введение

Глава 1. Синтез,ение и химическая модификация тиакаликс[4]арена (Литературный обзор)

1.1. Синтез исходных тиакаликсаренов

1.2. Сульфинильные и сульфонильные производные тиакаликс[4] арена.

1.3. Функционализация ТС А по нижнему ободу

1.3.1. Тетразамещенные производные

1.3.1.1. Модификация галоидными алкилами

1.3.1.2. Модификация ТСА функционализированными алкилирующими агентами

1.3.2. Частично функционализированные по нижнему ободу и смешанные тиакаликс[4]арены

1.3.3. Гетеро-функционализированные тиакаликс[4] арены

1.4. функционализация ТСА по верхнему ободу

1.5. Комплексообразование тиакаликсаренов с ионами металлов

1.5.1. Тиакаликс[4]арен

1.5.2. Сульфинил- и сульфонил- каликсарены

1.5.3. Каликсарены, функционализированные по нижнему ободу

Глава 2. Синтез и изучение экстракционных свойств тетразамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих карбонильные, амидные фрагменты.

2.1. Синтез новых тетразамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих карбонильные, амидные фрагменты

2.1.1. Изучение взаимодействия ТСА с а-бромацетофеноном

2.1.2. Изучение взаимодействия ТСА с МДЧ-диэтилхлорацетамидом

2.2. Изучение экстракционных свойств тетразамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов, содержащих карбонильные, амидные фрагменты

2.3. Синтез новых моно- и 1,3-дизамещенных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов

2.4. Синтез первых тетра-смешанно-замещенных по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]аренов

Глава 3. Экспериментальная часть

Актуальность исследования. Бурно развивающейся областью современной органической химии является химия макроциклических соединений. В последнее десятилетие особое внимание привлекают каликсарены, являющиеся универсальными "строительными блоками" для синтеза новых супрамолекулярных систем. Каликсарены - продукты конденсации фенолов и формальдегида -являются доступными предорганизованными макроциклическими структурами. Основная причина возникновения интереса к этим соединениям - способность образовывать комплексы включения типа "гость - хозяин" с заряженными и нейтральными молекулами.

Впервые продукты макроциклизации фенолов и альдегидов были получены А.Байером в 1872 г. Но приписать им циклическую тетрамерную структуру удалось только в 40-х годах XX столетия. Спустя тридцать лет Гуче с соавторами разработал методики получения каликсаренов с различным четным числом фенольных фрагментов в цикле [1,2].

В 1997 году одностадийным синтезом был получен п-трет-бутилтиакаликс[4]арен (ТСА), ставший новым объектом исследований в химии макроциклических соединений. Очевидно, что замена в молекуле п-трепг-бутилкаликс[4] арена метиленовых мостиков на атомы серы создает новые особенности в химическом поведении и комплексообразующей способности каликсаренов. Однако при этом резко усложняется задача установления конформации макроцикла вследствие отсутствия мостиковых метиленовых протонов, позволяющих определять конформацию каликс[4]аренов по ПМР спектрам [3,4].

Каликсарены широко используются в качестве молекулярной платформы для создания высокоселективных экстрагентов. Наличие в них активных реакционных центров позволяет проводить различные модификации структуры. Функционализацией фенольных групп, ароматических колец и мостиковых 5 фрагментов исходных макроциклов соответствующими органическими и элементорганическими реагентами может быть достигнуто многократное увеличение рецепторной способности [2].

В связи с этим целью настоящей работы является разработка подходов к синтезу различных конформеров тиакаликс[4]арена и синтезу тиакаликс[4]аренов с различной степенью функционализации.

Научная новизна и выносимые на защиту положения состоят в следующем.

Изучено взаимодействие п-т/?ет-бутилтиакаликс[4]арена с а-бромацетофеноном и КДЧ-диэтилхлорацетамидом в присутствии карбонатов щелочных металлов в ацетоне и ацетонитриле. Установлено, что темплатный эффект ионов щелочных металлов приводит к стереоселективному образованию трех конформационных изомеров: конус, частичный конус и 1,3-альтернат.

Показано, что полученные тетракетон и тетраамид на основе тиакаликс[4]арена являются эффективными и селективными экстрагентами, способными к распознаванию катионов щелочных металлов. Причем тетраамид является наиболее эффективным экстрагентом для всех изученных катионов металлов, а тетракетон демонстрирует высокую селективность по отношению к катионам натрия и калия.

Установлено, что стехиометрия (соотношение макроцикл/ион щелочного металла) комплексов, образующихся в дихлорметане, варьируется от 1:1 до 1:4 и зависит от следующих факторов: комплементарности размеров иона и полости, образованной четырьмя лигандирующими фрагментами на нижнем ободе, а также от аллостерического эффекта.

Разработана методика получения с высоким выходом 1,3-дизамещенного по нижнему ободу п-трем-бутилтиакаликс[4]арена в конформации конус, содержащего две (бензоил)метокси-группы.

Показано, что возможно использование CH2-C(0)Ph фрагмента в качестве защитной группы фенольных групп п-т/?ет-бутилтиакаликс[4]арена.

Впервые синтезирован и охарактеризован п-трет-бутилтиакаликс[4]арен с тремя различными группами в нижнем ободе, обладающий внутренней хиральностью. 6

Практическая значимость работы.

Синтезированы новые эффективные и селективные экстрагенты катионов щелочных металлов, являющиеся перспективными в качестве ионофоров в ионоселективных сенсорах. Пикратным методом показана возможность разделения катионов щелочных металлов.

Применение CH2-C(0)Ph фрагмента в качестве защитной группы открывает широкие синтетические возможности для модификации нижнего обода п-трет-бутилтиакаликс[4]арена и получения смешанных три- и тетразамещенных, смешанных дистально дизамещенных, 1,3-дизамещенных и монозамещенных по нижнему ободу п-т/?ет-бутилтиакаликс[4]аренов в различных конформациях.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и списка цитируемой литературы. В первой главе представлен обзор современного состояния исследований способов получения тиакаликс[4]арена и его производных, их конформационного поведения и химических свойств. Во второй главе приведены основные результаты экспериментальных исследований и их обсуждение. В третьей главе (экспериментальная часть) представлены методики синтеза полученных в работе соединений и описание проведенных экспериментов.

Основные выводы и результаты.

1. Реакцией тетра-О-алкилирования п-трет-бутилтиакаликс[4]арена с а-бромацетофеноном и К^-диэтилхлорацегамидом впервые получены и охарактеризованы различными физическими методами 5,11,17,23-тетра-п-трет-бутил-25,26,27,28-тетракис-[(бензоил)-метокси]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен и 5,11,17,23-тетра-п-т/>ет-бутил-25,26,27,28-тетракис-[(1Ч, М-диэтиацетил)-метокси]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен в конформациях конус, частичный конус и 1,3-альтернат. Стереоселективность реакции достигается темплатным эффектом катиона, соответствующего карбоната щелочного металла, используемого в качестве основания.

2. Изучение экстракционных свойств полученных тетракетона и тетраамида на основе тиакаликс[4] арена пикратным методом показало, что полученные соединения являются эффективными и селективными экстрагентами. 5,11,17,23-тетра-п-т/?ет-бутил-25,26,27,28-тетракис-[(бензоил)-метокси]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен в конформации конус наиболее эффективно экстрагирует катион натрия, а в конформациях частичный конус и 1,3-альтернат - катион калия. 5,11,17,23-TeTpa-n-mpem-6yTM-25,26,27,28-TeTpaKHC-[(N,N-flH3™aue™n)-метокси]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен связывает катионы щелочных металлов значительно более эффективно, но с низкой селективностью.

3. Впервые разработана методика получения с высоким выходом 1,3-дизамещенного по нижнему ободу п-т/?ет-бутилтиакаликс[4]арена - 5,11,17,23-тетра-п-шрет-бутил-25,27-бис-[(бензоил)метокси]-26,28-дигидрокси-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арена в конформации конус.

4. Впервые синтезированы на основе 5,11,17,23-тетра-п-т/?т-бутил-25,27-бис-[(бензоил)-метокси]-26,28-дигидрокси-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арена и охарактеризованы различными физическими методами смешанный дистально

157 дизамещенный, 1,3-дизамещенный и монозамещенный по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]арены в конформации конус - 5,11,17,23-тетра-п-т/?ет-бутил-25-[(бензоил)-метокси]-27-(1-пропокси)-26,28-дигидрокси-2,8,14,20-тетратиакаликс [4]арен, 5,11,17,23-те1ра-п-трет-бутил-25,27-бис-(1-пропокси)-26,28-дигидрокси-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен, 5,11,17,23-тетра-п-т/?ет-бутил-25-( 1 -пропокси)-26,27,28-тригидрокси-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен.

5. Впервые получен п-т/?ет-бутилтиакаликс[4]арен с тремя различными заместителями в нижнем ободе - 5,11,17,23-тетра-п-т/?ет-бутил-25-[(бензоил) метокси]-26,28-бис-(1-пропокси)-27-гидрокси-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен, обладающий внутренней хиральностью.

6. Применение CH2-C(0)Ph фрагмента в качестве защитной группы открывает широкие синтетические возможности для модификации нижнего обода п-трет-бутилтиакаликс[4]арена и получения смешанных три- и тетразамещенных ТСА в различных конформациях.

158

1. Gutche С. D., Muthukrishan R. Calixarenes. 1 Analysis of the Product mixtures Produced by Base-catalyzed Condenzation of formaldehyde with para Substituted Phenols. // J. Org. Chem. 1978. - Vol. 43 - P. 4905-4906.

2. Calixarenes Revisited "Monograph in supramolecular chemistry", ed. Stoddart J.F. The Royal society of chemistry, Cambridge, 1998.

3. Calixarenes in Action; Imperial College Press: Mandolini L., Ungaro R. London, 2000.

4. Jaime C., de Mendoza J., Prados P., Nieto P. M., Sanchez C. 13C NMR Chemical Shifts. A Single Rule to Determine the Conformation of Calix4.arenes. // J. Org. Chem. -1991.-Vol. 56-P. 3372-3376.

5. Sone Т., Ohba Y., Moriya K., Kumada H., Ito K. Synthesis and Properties of Sulpher-Bridged Analogs of p-tret-Butylcalix4.arene. // Tetrahedron Lett. 1997. - Vol. 53-N. 31-P. 10689-10698.

6. Iki N., Kabuto C., Fukushima Т., Kumagai H., Takeya H., Miyanari S., Miyashi Т., Miyano S. Synthesis of p-tretButylthiacalix4.arene and its Inclusion property. // Tetrahedron. 2000. - Vol. 56 - P. 1437-1443.

7. Iki N., Morohashi N., Suzuki Т., Ogawa S., Aono M., Kabuto C., Kumagai H., Takeya H., Miyanari S., Miyano S. Crystal structure and inclusion property of p-tret-butylthiacalix6.arene. // Tetrahedron Lett. 2000. - Vol. 41 - P. 2587-2590.

8. Kon N., Iki N., Miyano S. Synthesis of p-tert-Butylthiacalixn.arenes (n=4, 6, and 8) from a sulpher- bridged acyclic dimer of p-tert- butylphenol. // Tetrahedron Lett. -2002. Vol. 43 - P. 2231-2234.

9. Bernardino R. J., Costa Cabral B. J. Structure and conformational equilibrium of thiacalix4.arene by density functional theory. // J. Molecular Structure (Theochem) -2001.-Vol. 549-P. 253-260.159

10. Lang J., Dvorakova H., Bartosova I., Lhotak P., Stibor I., Harbal R. Conformational Flexibility of a Novel Tetraethylether of Thiacalix4.arene. A Comparison with the "Classical" Methylene-Bridged Compounds. // Tetrahedron Lett.1999.-Vol. 40-P. 373-376.

11. Lang J., Vlach J., Dvorakova H., Lhotak P., Himl M., Harbal R., Stibor I. Thermal isomerisation of 25,26,27,28-tetrapropoxy-2,8,14,20-tetrathiacalix4.arene: isolation of all four conformers. // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2001. - Vol. 2 - P. 576-580.

12. R. J. Bernardino, B. J. Costa Cabral. Structure, conformational equilibrium, and proton affinity of calix4.arene by density functional theory. // J. Phys. Chem. -1999. Vol. 103- N.45 P.-9080-9085.

13. Gutche C. D., Livine A. J., and. Sujeeth K. P. Calixarenes 17 The synthesis of functionalized calixarenes the Klaisen rearrangement route. // J. Org. Chem. 1985. - N. 50-P. 5802-5806.

14. Gutche C. D., and Gin Lin L. Calixarenes 12 The synthesis of functionalized calixarenes. // Tetrahedron 1986. - Vol. 42 - N. 6 -P. 1633-1640.

15. Mislin G., Graf E., Hosseini M. W., Cian A. D., Fisher J. Tetrasulfinylcalix4.arenes : Synthesis and Solid State Structural Analysis. // Tetrahedron Lett. 1999. - Vol. 40 - P. 1129-1132.

16. Iki N., Miyano S. Can Thiacalixarene Surpass Calixarene ? // J. Incl. Phenom. And Macrocyclic Chemistry. 2001. - Vol. 41 - P. 99-105.

17. Calixarenes 2001; Asfari Z., Bohmer V., Harrowfield J., Vicens J. Eds., Kluwer Acadimic Publishers: Dordrecht 2001.160

18. Morohashi N., Iki N., Kabuto C., Miyano S. Sterocontrolled oxidation of a thiacalixarene to the sulfinyl counterpart of a defined S=0 configuration. // Tetrahedron Lett. -2000. Vol. 41 - P. 2933-2937.

19. Mislin G., Graf E., Hosseini M. W., Cian M. D., Fisher J. Sulfone-calixarenes: a new class of molecular building block. // J. Chem. Commun. 1998. - P. 1345-1346.

20. Lhotak P. Regioselective and steroselective oxidation of thiacalix4.arene tetraacetate : synthesis of all possible sulfinylcalix[4]arenes. // Tetrahedron 2001. - Vol. 57-P. 4775-4779.

21. Lhotak P., Himl M., Pakhomova S., Stibor I. Tetraalkylated 2,8,14,20-Tetrathiacalix4.arenes: Novel infinite Channels in the Solid State. // Tetrahedron Lett. -1998.-Vol. 39-P. 8918-8918.

22. Akdas H., Mislin G., Graf E., Hosseini M. W., Cian A. D., Fisher J. Synthesis and Solid State Sructural Analysis of Conformers of Tetrakis ((ethoxycarbonyl)methoxy)tetrathiacalix4.arene . // Tetrahedron Lett. -1999. Vol. 40 -P. 2113-2116.

23. Lhotak P., Stastny V., Zlatuskova P., Stibor I., Michlova V., Tkadlecova M., Havlicek J., Sykora J. Synthesis and 'H NMR complexation study of Thiacalix4.arene Tetraacetates. // Collect. Czech. Chem. Commun. 2000. - Vol. 65 - P. 757-771.

24. Iwamoto K., Shinkai S. Synthesis and Ion Selectivity of All Conformational Isomers of tetrakis((ethoxycarbonyl)methoxy)calyx4.arene. // J. Org. Chem. 1992. -N. 57-P. 7066-7073.

25. Iki N., Narumi F., Suzuki Т., Sugawara A., Miyano S. A New Chiral Stationary Phase for Gas Chromatography by Use of a Chiral Thiacalix4.arene Derivative. // Chemistry Letters 1998. - P. 1065-1066.

26. Narum F., Iki N., Suzuki Т., Onodera Т., Miyano S. Synthesis of Chirally Modified Thiacalix4.arenes with Enantiomeric Amines and Their Application to Chiral Stationary Phases for Gas Chromatography. // Enantiomer 2000 - Vol. 5 - P. 83-93.

27. Lamartine R., Bavoux C., Vocanson F., Martin A., Senlis G., Perrin M. Synthesis, X-ray crystal stucture and complexation properties towards metal ions of new thiacalix4.arenes. // Tetrahedron Lett. 2001. - Vol. 42 - P. 1021-1024.

28. Feng Ye Z., Gang Pan Z., Jiang Nr W., Fa Shi X., Gen Zhu L. Synthesis and Properties of New Thiacalix4.arene Derivatives with Palladium Ion. // J. Incl. Phenom. And Macrocyclic Chemistry. -2001. Vol. 40 - P. 89-93.

29. Lamare V., Dozol J. F., Thuery P., Nierlich M., Asfari Z., Vicens J. Expermental and theoretical study of the first thiacalixcrowns and their alkali metal ion complexes. // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2001. - Vol. 2 - P. 1920-1926.

30. Pochini, A.; Ungaro, R.; Comprehensive Supramolecular Chemistry Vol. 2; Atwood J.L., Davies J.E.D., Masnicol D. D., Vogtle F. Eds. Pergman: Oxford, 1996, 103-142.

31. Lhotak P., Kaplanek L.,Stibor I., Lang J., Dvorakova H., Harbal R., Sykora J. NMR and X-ray analysis of 25,27-dimethoxythiacalix4.arene : unique infinite channels in the solid state. // Tetrahedron Lett. 2000. - Vol. 41 - P. 9339-9344.

32. Lhotak P., Dudicc M., Stibor I., Petrickova H., Sykora J., Hodacova J. Unprecedented formation of lactone derivatives in thiacalix4.arene series. // J. Chem. Commun., 2001. - P. 731-732.

33. Antipin I. S., Stoikov I. I., Gubaidullin А. Т., Litivinov I. A., Weber D., Habicher W. D., Konovalov A. I. Phosphorylation of p-tert-Butylthiacalix4.arene: Reaction with Phosphorus Trichloride. // Tetrahedron Lett. 1999. - Vol. 40. - P. 8461-8464.

34. Weber D., Gruner M., Stoikov 1.1., Antipin I. S., Habicher W. D. Phosphorylation of p-tert-Butylthiacalix4.arene: Reaction with Phosphorus Triamide. // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2000. - Vol. 2 - P. 1741-1744.

35. Aleksiuk O., Cohen S., Biali S. Selective hydroxyl replacement in calixarenes: amino-, azo-, and xanthenocalixarene derivatives. // J. Am. Chem. Soc. -1995.- Vol. 117 N. 38 - P.9645-9652.

36. Katagiri H., Iki N., Hattori Т., Kabuto C., Miyano S. Calix4.arenes Comprised of Aniline Units. // J. Am. Chem. Soc. 2001 - N. 123 - P. 779-780.

37. Rao P., Hosseini M. W., Cian A. D. Synthesis and structural analysis of mercaptothiacalix4.arene. // J. Chem. Commun. 1999. - P. 2169-2170.

38. Iki N., Suzuki Т., Koyama K., Kabuto C., Miyano S. Inclusion Behavior of Thiacalix4.arenetetrasulfonate toward Water-Miscible Organic Molecules Studied by Salting-Out and X-ray Crystallography. // Organic Letters. 2002. - Vol. 4 - N. 4 - P. 509-512.

39. Iki N., Fujimoto Т., Miyano S. A New Water-soluble Host Molecule Derived from Thiacalix4.arene. // Chemistry Letters. 1998. - P. 625-626.

40. Iki N., Horiuchi Т., Oka H., Koyama K., Morohshi N., Kabuto C., Miyano S..

41. Energy transfer luminescence of Tb ion complexed with calix4.arenetetrasulfonate and the thia and sulfonyl analogue. The effect of bridging groups. // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2001. - Vol. 2-P. 2219-2225.

42. Lhotak P., Himl M., Stibor I., Sykora J., Cisarova I. Upper rim substitution of thiacalix4.arene . // Tetrahedron Lett. 2001. - Vol. 42 - P. 7107-7110.

43. Shokova E., Tafeenko V., Kovalev V. First synthesis of adamantylated thiacalix4.arenes. // Tetrahedron Lett.-2002. -Vol. 43-P. 1400-1403.

44. Iki N., Morohashi N., Kabuto C., Miyano S. Coordination of Epithio Groups of p-tert-Butylthiacalix4.arene in Zn2+ Complex Studied by X-ray Crystallography. // Chemistry Letters 1999. - P. 219-220.

45. Bilyk A., Hall A. K., Harrowfield J. M., Hosseini M. W., Mislin G., Skelton B. W., Tylor C., White A. H. Linear, Divergent Molecular Receptors-Subtle Effects of Transition Metal Coordination Geometry. // Eur. J. Inorg. Chem. 2000. - P. 823-826.

46. Bilyk A., Hall A. K., Harrowfield J. M., Hosseini M. W., Skelton B. W., White A. H. A Unique Rare- Earth Cluster within a Calixarene Sandwich Parallels in the Chemistry of Cyclosiloxanes and Calixarenes. // Aust. J. Chem., -2000.-N. 53-P. 895898.

47. Hosseini. M. W., Cian. A. D. Crystal engineering: molecular networks based on inclusion phenomena. // J. Chem. Commun. -1998.-P. 727-733.164

48. Bilyk A., Hall A. K., Harrowfield J. M., Hosseini M. W., Skelton B. W., White A.

49. H. Systematic Structural Coordination Chemistry of p-tert-Butyltetrathiacalix4.arene:

50. Group 1 Elements and Congeners. // Inorg. Chem.-2001.- N. 40-P. 672-686.

51. Asfari Z., Dunlop J. W. C., Hall A. K., Harrowfield J. M., Hosseini M. W., Skelton B. W., White A. H. Subtleties with Sulphur: Calixarenes as Uranophiles. // Angen. Chem. Int. Ed. -2001.- Vol.40 -N. 4 -P.-721-723.

52. Morohashi N., Iki N., Miyano S., Kajiwara Т., Ito T. Synthesis and Structural Characterization of a Pd2+ Complex with p-tert-Butylsulfonylcalix4.arene. // Chemistry Letters. -2000. -P. 66.

53. Omran A.O., Stoikov I.I., Antipin I.S., Konovalov A.I. Lower Rim Selective Functionalization of p-Tert-butylthiacalix4.arene by a- Bromoacetophenone. // 6th International conference on Calixarene, Enschede, Netherlands, 2001. P.4.

54. Bohmer V., Calixarenes, Macrocycles with (almost) Unlimited Possibilities. // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1995. -N.34- P. 713-745.

55. Liquid membranes: applications. // Eds., Araki Т., Tsukube H.- Boca Raton, Florida: CRC Press Inc. 1990. - P.-231.

56. Perrin D. D., Armarego W. L. F., Perrin D. R. Purification of laboratory chemicals. -Oxford: Pergamon Press. -1980- P.570.

57. Органические растворители. Физические свойства и методы очистки./ Вайсбергер А., Проскауэр Б., Риддик Дж., Тупс Б.-М.-: ИЛ, 1958.-С 520.

58. Физер Л., Физер М. Реагенты для органического синтеза, Т.2. / Пер. с англ. -М.: Мир, 1970. С.478.

59. Гордон А., Форд Р. Спутник химика. / Пер. с англ. -М.: Мир, 1976. С.541.

60. Синтезы Органических препаратов Сб. 2, Москва, Иностранная литература, 1949.-С. 116.