Синтез азотистых гетероциклов ряда диазепина, изоксазола, имидазолидина и нитронилнитроксильных радикалов 2-имидазолина в реакциях 1,2-бисгидроксиламинов и 1,2-бисалкоксиаминов с карбонильными соединениями тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Мостович Евгений Алексеевич

СИНТЕЗ АЗОТИСТЫХ ГЕТЕРОЦИКЛОВ РЯДА ДИАЗЕПИНА, ИЗОКСАЗОЛА, ИМИДАЗОЛИДИНА И НИТРОНИЛНИТРОКСИЛЬНЫХ РАДИКАЛОВ 2-ИМИДАЗОЛИНА В РЕАКЦИЯХ 1,2-БИСГИДРОКСИЛАМИНОВ И 1,2-БИСАЛКОКСИАМИНОВ С КАРБОНИЛЬНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

(02.00.03 - органическая химия)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

2 9 МА? 2012

НОВОСИБИРСК-2012

005012834

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Новосибирском институте органической химии им. H.H. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук и в Max-Plank Institute für Polymerforschung, Mainz, Germany

Научные руководители: кандидат химических наук, доцент,

Мажукин Дмитрий Геннадьевич

Professor, Dr. Baumgarten Martin

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор,

Третьяков Евгений Викторович

ФБГУН Международный томографический центр СО РАН, г. Новосибирск, в.н.с.

доктор химических наук, профессор, Адонин Николай Юрьевич ФБГУН Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, г. Новосибирск, с.н.с.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Новосибирский институт химической кинетики и горения Сибирского отделения Российской академии наук

Защита состоится «13» апреля 2012 г. в 930 часов на заседании диссертационного совета Д 003.049.01 при Новосибирском институте органической химии им. H.H. Ворожцова СО РАН по адресу 630090, г. Новосибирск, проспект акад. Лаврентьева, 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского института органической химии им. H.H. Ворожцова СО РАН.

Автореферат разослан марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук К / п Петрова Тамара Давыдовна.

ги

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В настоящее время одними из наиболее перспективных направлений в органической химии являются разработка новых методов синтеза гетероциклических соединений и создание новых материалов, в частности, обладающих парамагнитными свойствами. Первое представляет интерес с точки зрения выявления биологической активности у новых гетероциклических производных. С другой стороны, молекулярный дизайн функциональных парамагнитных органических молекул является ключевым инструментом в создании материалов для спинтроники - электроники использующей одновременно как полупроводниковые свойства материала, так и его спин.

Известно, что вицинальные 1,2-бисгидроксиламины (БГА) и 1,2-бисалкокси-амины (БАА) являются предшественниками широкого класса гетероциклических соединений, однако их свойства по отношению к карбонильным соединениям изучены недостаточно. Например, производные 1,4-диазепина на их основе ранее были фактически недоступны. Отсутствовали также сведения по реакционной способности БГА и БАА в отношении разного рода функциональных карбонилсодержащих соединений.

Мультиспиновые системы на основе полученных из БГА нитронилнитроксиль-ных радикалов являются перспективными кандидатами на роль квантовых магнитов, поэтому разработка методов их получения и изучение влияния особенностей строения на парамагнитные свойства молекулы представляется важной и актуальной проблемой современной синтетической органической химии.

Цель работы — изучение взаимодействия производных БГА и БАА с функциональными карбонилсодержащими соединениями, молекулярный дизайн и синтез мультиспиновых систем на основе нитронилнитроксильных радикалов ряда 2-имидазолина. Изучение магнитных свойств полученных радикалов для установления взаимосвязи величины и характера обменного взаимодействия в зависимости от используемого я-линкера. Создание рабочей модели бирадикала для моделирования квантовых магнитов.

Научная новизна и практическая значимость. Впервые изучено взаимодействие БГА и БАА с функциональными ],3-дикарбонильными соединениями. Установлено образование производных 3-замещенных 1-гидрокси-5а,6,7,8,9,9а-гекса-гидро-3#-бензо[6][1,4]диазепин-5-оксидов в реакциях БГА и производных 1,3-диальдегидов в условиях кислотного катализа. В то же время показано, что реакции БГА с моноформильными производными карбонильных соединений в нейтральной среде преимущественно приводят к пятичленным гетероциклам с одним или двумя атомами азота - имидазо[1,2-6]изоксазолам, 5-оксо-2,5-дигидро-изоксазолам, ацетилимидазолидин-2-илиденам.

Так, при взаимодействии 2,3-бисгидроксиламино-2,3-диметилбутана с этокси-метиленацетоуксусным эфиром образуется 1,6-дигидроксиимидазо-[1,2-Л]изоксазол, окислением которого был впервые получен нитронилнитроксиль-ный радикал, содержащий 1,3-кетоэфирную функциональную группировку, способный к образованию стабильных солей с щелочными металлами.

Обнаружено, что БАА в реакциях с дикарбонильными соединениями ведут себя аналогично NN'-замещенным диаминам. Так, при взаимодействии вторичных БАА с 1,3-диальдегидами, 1,3-кетоальдегидами и 1,3-дикетонами образуются устойчивые

1,4-диалкокси-1,4-диазепиниевые соли. Также показано, что наличие алкоксиамино-группы в БАА при третичном атоме углерода или введение сильной электроноакцеп-торной группы в карбонильное соединение - реагент ингибирует процесс образование 1,4-диазепиниевых солей.

На основе тетраметилзамещенного БГА разработаны способы синтеза триради-калов, в которых связующим я-линкером является яора-фениленацетиленовая группа. Для 2,2'-(4,4'-(5-(1-оксил-4,4,5,5-тетраметил-3-оксияо-4,5-дигидро-1//-имидазол-2-ил)-1,3-фенилен) бис(этин-2,1 -диил)бис(4,1 -фенилен))-бис(-4,4,5,5-тетраметил-4,5-дигидро-Ш-имидазол-оксо-З-оксида) методом РСА установлена структура.

Синтезирован набор биснитронилнитроксильных радикалов с различными я-линкерами на основе дифенила, терфенила, бис(пиразолил)бензола, толана, дифе-нилдиацетилена и бис(пирвдил)ацетилена. Полученные радикалы были изучены с использованием БСДЛО машитометрии, в результате чего был установлен антиферромагнитный характер внутримолекулярного обмена между неспаренными электронами и были найдены значения Уы,,.

Для 1,2-бис(4-( 1 -оксо-3-оксил-4,4,5,5-тетраметил-4,5-дигидро- 1Я-имидазол-2-ил)фенил)этина значение /¡п(г, составило -9.6 К, что позволило зарегистрировать магнитный квантовый фазовый переход в бирадикале при температуре 191 мК и значении магнитного поля ~ 9.2 Т. Обнаруженная формате зависимости от магнитного поля характерна дня двумерных межмолекулярных взаимодействий, что также было подтверждено данными строения кристалической упаковки радикала. Оценка межмолекулярных взаимодействий позволяет говорить о величине Л,*, -1 ... -2 К.

Синтезирован аналог 1,2-бис(4-(1-оксо-3-оксш1-4Д5,5-тетраметил-4,5-дищдро-Ш-имидазол-2-ил)фенил)этина, в котором бензольные кольца заменены на пиридиновые. Показано, что введение гетероатома оказывает незначительное воздействие на характер и величину энергии обмена Лппг -Ю.7 К.

Апробация работы. Основные результаты обсуждены на Объединенном семинаре НИОХ СО РАН, ежегодном семинаре МР1Р; отдельные части работы были представлены на Российских и международных конференциях (Новосибирск 2004, 2005, Москва 2006, Берлин 2008, Майнц 2008, Анкона 2008, Суздаль 2009, Н.Новгород 2010, Новосибирск 2011).

Публикации. Основной материал диссертации опубликован в 4 статьях и тезисах 10 докладов.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 133 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературных данных, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы (126 наименований). Работа содержит 86 схем, 3 таблицы и 54 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, показаны ее научная и практическая значимость, определены объекты и цели исследования.

Первая глава является обзором литературных данных и посвящена вопросам синтеза формилсодержащих функциональных карбонильных соединений и их применению в синтезе гетероциклических соединений.

Вторая и третья главы - обсуждение полученных результатов. Вторая глава включает разделы, касающиеся взаимодействия 1,2-бисгидроксиламинов и 1,2-бис-алкоксиаминов с формилсодержащими 1,3-дикарбонильными соединениями. Третья

глава посвящена синтезу трис- и бисшпронилнитроксильных радикалов на основе реакций 2,3-бисгидроксиламино-2,3-диметипбутана с ди- и триальдегидами. Приводится обсуждение магнитных свойств полученных бирадикапов.

Четвертая глава - экспериментальная часть. В ней представлены данные по использованным материалам, оборудованию, приведены методики проведения экспериментов и синтеза соединений, а также данные ЯМР, ЭПР, масс-, УФ- и ИК-спектров, температуры плавления и данные элементного анализа новых веществ, полученных в работе.

1. Взаимодействие 1,2-бисгидроксиламинов и 1,2-бисалкоксиаминов с фор-милсодержащими 1,3-дикарбонильными соединениями.

1.1. Взаимодействие 1,2-бисгидроксиламинов с формилсодержащими 1,3-дикарбонильыыми соединениями.

Реакция 1,2-бисгидроксиламинов с 2-замещенными 1,3-диальдегидами в кислотно-катализируемых условиях приводит к образованию семичленных гетероциклов -1,4-диазепш1-ЛЧжсидов За-в (схема 1). Реакция проводилась с добавлением различных кислот, например HCl, НСЮ4, H2S04, СН3СООН, однако наилучший выход был достигнут при использовании соляной кислоты.

Было обнаружено, что взаимодействие БГА 1а со свободным фенилмалоновым альдегидом 2в в апротонном и неполярном растворителе - хлороформе, с количественным выходом приводит к имидазоизоксазолу 4.

В отличие от производных малонового альдегида, другие формилсодержащие 1,3-дикарбонильные соединения, при взаимодействии с БГА образуют исключительно пятичленные гетероциклы. Так, реакция БГА 1а с этиловым эфиром этоксимети-ленциануксусной кислоты 5а, привела количественно к продукту, имеющему строение имидазолидгашлидена 6а.

'nhoh нс|

Sa-в он

RJ=NOj(a), СНО(6), Ph(B);

1а

Схема 1

Ru=-{CH2)4, R2.5=H (а); R1_4=CH3(6) NHJ

Схема 2

Обработкой кетенаминалей 6а,б метанольным раствором метилата натрия при кипячении были получены соответствующие производные имидазоизоксазолинонов 7а,б.

В то же время, реакция БГА lac производным 2-формилмалонового эфира 56 в присутствии соляной кислоты привела к образованию гидрохлорида изоксазолинона 10а, чье строение было подтверждено данными РСА.

Е,0*С S6 ЕЮзС/

ГЛ

О" CC^Et ОН COjEt 0_Р

__^^co.Et^pr^co.Et .на, pr-^'sAccbE.

^-"Чнон ^SjHOH ЧАмНОН'НСГНаО

8 9 10a

Схема 3

По-видимому, в ходе гидролиза винилового эфира 5а, образовавшийся альдегид взаимодействует с гидроксиламиногруппой субстрата 1а с образованием ациклического нитрона 8. Последний претерпевает таутамерное превращение в енгидрокси-ламин 9, после чего неподеленная электронная пара атома кислорода гадроксильной группы внутримолекулярно атакует карбонильный атом углерода сложноэфирного фрагмента, в результате чего образуется изоксазолинон 10а.

Продукт аналогичного строения 106 образуется и в случае конденсации диэтил этоксиметиленмалоната 56 с БГА 16.

В реакции БГА 1а,б с этоксиметаленацетилацетоном 5в также не происходит образования кетенаминалей 11а,б. Вместо них были выделены имидазолидин-2-илидены 12а,б, которые были получены ранее конденсацией диэтилацеталя ацето-ацетальдегида 13 и БГА 1а,б в кислотно-катализируемых условиях. Наилучшие результаты были достигнуты при кипячении реагентов в присутствии соляной кислоты в этаноле, так в этих условиях выход продукта 12а составил 95%. Проведете реакции в нейтральной среде, напротив, ведет к значительному снижению выхода.

»: R'^-ICH^, R2-3=H; б: R'-tMe.

ЧСІ •ЯА,

ЕЮН Ff-hN НСІ ^ ^ vOEl

HCI R< hu

Схема 4

Взаимодействие БГА 1а с этил-2-металенэтоксиацетоацетатом 5г, сопровождающееся двойной гетероциклизацией, привело к образованию смеси диастереомеров имидазоизоксазола 14а (схема 5). Аналогичным образом с эфиром 5г реагирует БГА 16.

о

Т ♦ Х^со2в-

ЕЮН

1а,б

5г ОЕ1

^■•»-(СНг)* ^Н и;

Я'-^СНзСб)

ОН

«лийо,^^0

При окислении имидазо[1,2-£]изоксазола 146 РЬ02, либо ЫаЮ4, бьш получен нитронилнитроксильный радикал 15. Будучи сильной СП-кислотой, радикал 15 не может быть выделен в твердом виде имеет ограниченное время жизни в неполярных растворителях. Тем не менее, при действии на него растворов щелочей (МеО№, КОН или ООН) были получены стабильные парамагнитные соли 16. Интересно, что выдерживание раствора 15 с солями переходных металлов (№С12, Си(ОАс)2) приводит к его разложению с элиминированием Р-кетоэфирной группировки и образованием незамещенного радикала 17.

С целью изучения процесса элиминирования ацильного фрагмента в ходе реакции БГА с трикарбонилсодержагцими соеднениями был синтезирован циклический 1,3-кетоальдегид - 2-формил-З-кетосульфолан 18, структурная жесткость молекулы которого позволяла надеяться па получение циклического кетенаминаля 19. Однако реакция кетоальдегида 18 с БГА 1а в присутствии НС1 привела к динитрону 21.

Схема 6

Образование последнего объясняется возможностью существования первоначально образующегося имидазолидина 20 в равновесии с таутомерной ациклической формой 20', наличие в которой реакционноспособной гидроксиламиногруппы приводит к присоединению второй молекулы альдегида и образованию продукта термодинамического контроля - динитрона 21.

Таким образом, резюмируя полученные данные по исследованию химических свойств БГА 1а,б можно сделать выводы, что наиболее предпочтительным продуктом реакции этих азотистых бинуклеофилов с ди- и трикарбонилсодержащими со-

единениями являются аннелированные пятичленные гетероциклы - имидазо[ 1,2-6]-изоксазолы. Исключением является образование производных диазепина в реакции БГА и маяоновых альдегидов, проводимой в кислой среде. Обнаружен интересный факт процесса монодезацилирования в реакции БГА 1а,б и этоксиметиленацетила-цетона 5в. Продуктами реакции являются соответствующие циклические кетенами-нали 12а,б. Имидазоизоксазол 146 окисляется в нитронилнитроксильный радикал 15, имеющий 1,3-кетоэфирную функцию, обработкой которого МеОЫа, КОН или 1ЛОН были получены соответствующие устойчивые Ыа, и или К-соль 16. Реакция БГА 1а с циклическим кетоальдегидом 17 в кислотно-катализируемых условиях не приводит к разрыву С-С связи, наблюдаемому при образовании кетенаминаля 12а,б, вместо этого продуктом реакции является динитрон 21.

3.2. Реакции 1,2-бисалкоксиаминов с 1,3-дикарбонилы1ыми соединениями.

С целью сравнения реакционной способности 1,2-бисалкоксиаминов и родственных им N. N '-дгоамещенных диаминов по отношению к карбонильным соединениям, мы изучили вначале поведение БАА в реакции с производными 1,3-альдегидов, как наиболее реакционноспособными субстратами. Было обнаружено, что в нейтральной среде продуктами данных превращений являются исключительно производные МЛ^'-диалкоксиимидазолидина.

о он

її

Q,OBn ВпО, / \ ВпО У ОВп ЕЮН

ВлО-ы^„.ОВп

123ч

■и,

О

№Ме(а). Вп(в)

Схема 7

Выходы имидазолидинов 23а-в в этих реакциях составили 42+61%.

Стоит отметить, что в отсутствие кислотного катализа БАА 22а-в не реагируют с ацетилацетоном, ацетоуксусным эфиром, малоновым эфиром и 2-цианоуксусным эфиром даже при использовании указанных карбонильных соединений в качестве растворителей.

В присутствии избытка сильной минеральной кислоты, БАА ведут себя аналогично 1,2-диаминам, реагируя с 1,3-дикарбонильными соединениями с образованием солей 1,4-диазепиния 24а-ж, строение которых было подтверждено с помощью данных ИК, УФ и ЯМР спектроскопии, а также рентгеноструктурного анализа (рис. 1).

О он

і. ЕІОН, НХ (Х=С1. СЮ,), г Д.,24-43 П. 63-93%.

К9

ро к

24а-ж

© «=Ме. І^Н. ^РИ, Х=С1 (а), Х И=Ме. К' »=Н, Р1!=Р11, Х=С104 (6), ^Ме, И1,=Ме. Х=СЮ4 (в), №=Вп, Н,3=Н, ^РЦ Х=СЮ4 (г). Р=Вп, И'-^Ме, І^Н, Х=СІО, (д), І^Вп, Я1і3=Н, Х=СЮ, (е), К=Вп, Г!1=Ме. Х=СЮ4 (ж).

Рисунок 1. Структуры диазепинисвых солей 246, в.

О^ок ^ о;;

мн

МеО

ІЧНОМе 22а

О О

АЛ,

ЕЮН

етз нею.

оме сю?

МеО он

аХ

. МеО

27

мео ^Н*

МеО оЛ

МеО 26 он Ме0 28

Прз

I,

25 °МВ ОЛ

■НгО

ОМе ' ОН

Схема 9.

Неожиданный результат был получен при взаимодействии БАА 22а с 1,1,1-трифторацетилацетоном (схема 9). Единственным продуктом реакции в этом случае оказалась соль имидазолиния 25, а не диазепиния. По-видимому, повышенная элек-трофильность карбонильного атома углерода трифторацетильной группы, обусловленная сильными электроноакцепторными свойствами соседней СР3-группы, способствует присоединению к СР3СО фрагменту воды или спирта в условиях реакции, а не к образованию промежуточного дигидроксипергидробенздиазетша 27. Это приводит к смещению равновесия на этой стадии реакции в сторону ациклического интер-медиата 26, протонирование которого способствует разрыву С-С связи и выбросу молекулы трифторацетона с образованием эфира гидроксамовой кислоты 28. Интер-медиат 28 претерпевает внутримолекулярную циклизацию с образованием имидазо-лвдина 29, а дегидратация последнего дает соль имидазолиния 25.

К подобному результату приводит и конденсация стерически напряженного БАА 22в с ацетклацетоном (схема 10).

^ нею, \^кноме

'7чмноме 22в

Г АЛ"

нсю4

ОМе

>4-

ОМе 30

Схема 10.

Поскольку одна из алкоксиаминогрупп соединения 22в находится не у вторичного, как в случае БАА 22а,б, а у третичного атома углерода, то атака атома азота по карбонильной группе затруднена, что сдвигает равновесие в сторону открытой про-

межуточной формы аналогичной интермедиату 26. На последующих стадиях происходит образование имидазолиниевой соли 30 по механизму описанному выше на схеме 9.

При взаимодействии БАА 22а с этоксиметиленацетилацетоном 5в в аналогичных условиях была получена смесь двух солей диазепиния 24з и 24в в соотношении 2.5:1.

Образование в этой реакции побочного продукта 24в можно объяснить с учетом ряда последовательных превращений приведенных ниже на схеме 11.

^»^ЛІНОМе ^/Л.ІНОМя

Ме<? он Ч I У-СОМе

^АіЧ

МеО ™

і. еюн. нею» «а ч

Схема 11.

Предположительно, интермедиат 31 может трансформироваться по двум возможным направлениям. Путь а, представляет основное направление реакции. Он включает катализируемое кислотой элиминирование молекулы воды из интермедиа-та 31 с образованием основного продукта - катиона диазепиния 24з. Согласно пути Ь, протонирование соединения 31 может сопровождаться внутримолекулярной перегруппировкой, приводящей к разрыву С-С связи между атомами С(2) и С(3) и образованием промежуточного соединения 32, которое в условиях кислотно-катализируемого гидролиза образует алкоксиамин 33. Циклизация последнего последующая дегидратация приводят к соли диазепиния 24в, как побочному продукту реакции.

Дополнительным подтверждением предложенной нами схемы образования минорной соли диазепиния 24в может служить образование ЛуУ'-дизамещенного бис-мстоксиамина 34, который был изолирован и идентифицирован методом РСА в реакции БАА 22а с нитромалоновым альдегидом в присутствии НС1 (схема 12).

МеО

ОН ЕЮН, НСІ

сш

' он

< 289і\

N0,

м-

МеО

24а

МеО

.N■^¡^N05

а

'Р^о

МеО

Схема 12.

Протекание данного процесса, по-видимому, происходит без образования соответствующей соли диазепиния 24и, что вероятно, обусловлено превращениями, аналогичными пути Ь, приведенному на схеме 11.

4. Взаимодействие 2гЗ-бнсгидроксиламн11о-2,3-дн1нетнлбута11а с ди- и три-карбонилсодержащими функциональными соединениями.

4.1. Синтез ннтроиилнитроксильных радикалов — предшественников гибридных магнитных материалов.

С целью изучения комплексообразующих и магнитных свойств полиспиновых систем на базе стабильных нитроксильных радикалов ряда 2-имидазолина, был синтезирован ряд трис(нитронил)- и трис(иминонитроксидов) на основе пара-фениленацетиленового я-линкера, связывающего парамагнитные гетероциклические остатки. Так, синтез трирадикала 39, обладающего симметрией С3 был осуществлен согласно схеме 13.

Схема 13.

Реакцией Соногашира 1,3,5-триэтинилбензола 35 с 4-бромбензальдегидом 36 был получен триальдегид 37 с выходом 60%. Кипячение 37 с избытком БГА 16 в толуоле в атмосфере аргона привело к образованию соответствующего трис(имидазолидина) 38, последующее окисление которого КаЮ4 при комнатной температуре, дало эквивалентную смесь трирадикалов 39-42 с низким выходом. Проведение этой реакции при пониженной температуре (0-5°С) и в отсутствие избытка окислителя позволило получить целевой трирадикал 39 с 80%-м выходом.

.1 < Ч|||Г

3320 3330 3340 3350 3350

Мзткгио« поле. Гс

б и. е=902г2.аЗ)

«>512(2.91)

У

V

длина волны, нм

Рисунок 2. ЭПР-спектр радикала 39 в РЬСНз (с=10'4М, £=2.0061).

Рисунок 3. УФ спектр радикала 39 в РЬСНз (с=4.6'10"6М).

2000

^66 (3.22)

і >і

1500

г

і 1000

о

ч.

332 333 334 335 Мапмтмае (юле, мТл

400 500 800 700 600

Ш1НН8 ВОЛНЫ. НМ

Рисунок 4. ЭПР-спектр радикала 42 в РЬСНз (с^Ю^М, g=2.0060).

Рисунок 5. УФ спектр радикала 42 в РІіСНз (с= Ю^М).

Полученные радикалы трис-ННР 39 и трис-ИНР 42 были охарактеризованы УФ и ЭПР-спектрами. В твердом состоянии радикал 39 представляет собой аморфное вещество, разлагающееся при нагревании выше 155°С. Смешение эквивалентных количеств 39 и Си(Ыас)2 или Мп(ЬГас)2 в системе СН2С12 - ацетон также не привело к образованию кристаллических комплексов, при этом образуется аморфная масса непостоянного состава. Такой результат, скорее всего, обусловлен низкой устойчивостью радикала 39 в растворе.

ЭПР спектр трирадикала 39, записанный в дегазироваїшом толуоле представляет собой мультиплет из 13 линий с относительной интенсивностью 1:6:21:56:96:132:141:132:96:56:21:6:1, что соответствует расщеплению трех испаренных электронов на шести эквивалентных ядрах азота 14М. Расстояние между линиями в спектре равно 0.25 мТл, что составляет -1/3 от ам=0.75 мТл - типичной константы СТВ, характерной для нитронилнитроксильных радикалов. Вид ЭПР спектра триси(минонитроксильного) радикала 42 имеет более сложный характер и теоретически должен представлять мультиплет из 19 линий с двумя разными константами спин-спинового расщепления на двух неэквивалентных атомах азота (Рисунок 4)

%1=%2=аю=0-15иам4=здм5=ямб==0.31

о

Я

но

-к

-к

Схема 14

Синтез другого трирадикала 47 с симметрией С2 приведен выше на схеме 14. Исходное поликарбонильное соединение - трисальдегид 45 был получен в реакции Со-

ногашира 4-бромбензальдегида 44 с 3,5-бис(этинил)бензальдегидом 43 с выходом 75%. Нагревание полученного трисальдегида 45 в толуоле с -3.3 эквивалентами БГА 16 привело к трис(имидазолидину) 46 с выходом 91%. Окисление соединения 46 в трирадикал 47 происходит более гладко, чем в случае трисимидазолидина 38 и может быть осуществлено при комнатной температуре с выходом -60%.

Спектр ЭПР радикала 47 аналогичен ЭПР-спектру трирадикала 39 и представляет собой мультиплет из 13 линий с расстоянием между линиями равному 0.25 мТл. В УФ-спектре переходы 7г-+я* и п—т* наблюдаются, соответственно, 8 области 370 и 612 им. Кристаллы 47 для рентгенострукгурного анализа были получены путем медленного испарения раствора радикала в хлористом метилене. Структура и упаковка радикала представлены на рис. 6.

Рисунок 6. Структура и упаковка радикала 47.

4.2. Синтез антиферромагнитно взаимодействующих бирадикалов, как перспективных моделей квантового компьютера.

Систему из двух слабовзаимодействующих спинов с 5=1/2 можно представить в виде бозона. При помещении такой частицы в достаточно сильное, постоянное магнитное поле, происходит сближение синглетного |0,0> и нижнего тригшетного |1,1> уровней. Это явление позволяет манипулировать квантовыми уровнями путем «переключения» между синглетным и триплетным состоянием. Т.к. энергетическая разница между расщепленными уровнями зависит от прилагаемого к системе магнитного поля, то это накладывает некоторые ограничения на величину энергии внутримолекулярного взаимодействия межу двумя спинами (интрамолекулярное взаимодействие, Лига)- Исходя из возможностей имеющегося оборудования, позволяющего достигать магнитное поле до 40 Тл, было необходимо, чтобы величина энергии |.^пП:а[ имела значение -^/¿вЯ т.е. -10 К. Для нивелирования межмолекулярных взаимодействий между двумя спиновыми системами величина интермолекулярного взаимодействия ./¡,„,.г, должна быть как минимум в два раза меньше по сравнению с энергией внутримолекулярного обмена, |/ш1га|~2 |Л«ег|-

Спиновые дммеры

Рисунок 7.

В качестве рабочих моделей для исследования были выбраны биснитронил-нитроксипьные радикалы с основным состоянием по спину синглет |0,0>.

На основе систематического анализа множества бирадикалов ряда HHP была предложена корреляция энергии внутримолекулярного взаимодействия относительно расстояния между двумя радикальными центрами. Оценочные расчеты величины •/■¡ntm проводились с использованием метода «broken symmetry» (BS). Общая стратегия синтеза нитронилнитроксильных бирадикалов основывалась на первоначальном получении бисальдегидов различного строения, их конденсации с БГА 16 и последующем окислении бис(1,3-дигидроксиимвдазолидинов) до целевых парамагнитных соединений.

Так, квантово-химический расчет константы /¡„tra для бирадикала 51, предсказал величину yintra= -18.8 К, что побудило нас синтезировать соединение 51 в качестве предельной структуры с заведомо большим значением константы /¡ntra.

ом

Схема 15.

Диальдегид 49 был наработан по методике Кумады-Тамао (схема 15) с общим выходом 72%. Конденсация диальдегида 49 с БГА 16 при кипячении в толуоле в атмосфере аргона привела количественно к бис(имидазолидину) 50. Радикал 51 был получен последующим окислением бисимидазолидина 50 с выходом 39%.

ЭПР спектр бирадикала 51 представляет собой мультиплет, состоящий из девяти линий с расстоянием между линиями 0.374 мТл, что составляет от значения а^ для мононитронилшпроксильного радикала. В УФ-спектре радикала 51 наблюдаются три максимума поглощения при 324, 383 (п-*п*) и 601 нм (п—Радикал обладает плоской структурой бифенильного фрагмента с антиферромагнитным характером взаимодействия между двумя спинами со значением = -28.0 К.

Рисунок 8. Структура и межмолекулярные контакты в кристалле радикала 51.

Радикал 57, с терфенильным я-линкером, был получен согласно схеме 16. ЭПР-спектр данного радикала аналогичен ЭПР-спектру радикала 51 и представляет собой мультиплет из 9-ти линий с расстоянием между линиями 0.33 мТл.

Схема 16.

Данные магнитной восприимчивости в эксперименте SQUID указывают на слабый антиферромагнитный характер взаимодействия в бирадикале, значение энергии внутримолекулярного обмена Jbtn, составляет -1.2 К.

Бис-ННР 63 был синтезирован следующим методом (схема 17). Реакция Ульмана 1,4-дибромбензола 58 с избытком пиразола, в присутствии поташа и Cul в нитробензоле, при 210°С, привела к 1,4-бис(1-пиразол-Ш-ил)бензолу 59. Окислительное йодирование последнего смесью йодной кислоты и йода в уксусной кислоте завершилось образованием труднорастворимого 1,4-бис(4-йод-1Я-пиразол-1-ил)бензола 60, с выходом 60%. Дийодпроизводное 60 далее подвергалось переметаллированию с этилмагнийбромидом в ТГФ, а образующееся магнийорганическое соединение обрабатывалось двумя эквивалентами сухого ДМФ, с последующим разложением аддук-та насыщенным раствором NH4C1. Выход целевого реагента 61 составил 89%.

Пг

м /) I I.ElMgBr.THF ^ 2. DMF

Кипячение диальдегида 61 с БГА 16 в толуоле, в атмосфере аргона, привело к количественному образованию бисимидазолидина 62. Обработкой последнего №Ю4 в системе Н20-СН2С12 был получен темно-синий бирадикал 63 с выходом 61%.

ЭПР-спектр радикала 63 представляет собой нонет с константой спин-спинового расщепления ац=0.38 мТл. В УФ-спеюре радикала 63 характерными являются четыре максимума поглощения с Х^ при 321, 367, 599 и 654 нм. Для двух последних максимумов, ответственных за п—+х* электронные переходы, наблюдается увеличение экстинкции по сравнению с арилзамещенными ННР, которое происходит вследствие наличия в молекуле двух электронодонорных пиразолильных фрагментов.

Данные магнитной восприимчивости (/) радикала 63 говорят об антиферромагнитном характере обменного взаимодействия между радикальными центрами. Экспериментально найденная величина энергии /¡п1га оказалась равной -32 К, что намного превышает предполагаемую расчетную величину = -2.5 К. Такое аномально высокое значение можно объяснить, либо структурными особенностями молекулы бирадикала 63, либо пространственными особенностями его упаковки в кристалле.

К сожалению, вырастить кристаллы радикала 63, пригодные для РСА, не удалось, ввиду мелкодисперсности образующихся частиц.

Основываясь на примерах полученных модельных радикалов 51,57 и 63 и изменении значения /¡п1г, в зависимости от строения центральной части молекулы бирадикала, было предположено, что оптимальное решение может заключаться в использовании толанового фрагмента в качестве связующего я-линкера между двумя нит-ронилнитроксидами. Действительно, расчет значения Уц,1п1 для радикала 67, оказался весьма близким к требуемым значениям и составил величину -11.7 К. Бирадикал 67 был синтезирован согласно схеме 18 с выходом на последней стадии 17%.

""О,-

Рсі(РРЬз)СІг Сні, РРІіз

ДМФ-Шз атмосфера аргона, 90°С гґ"^ 65 4ч lJ

О'^уК-р

1.16, РЬСН, 100°С, 6 ч

2. ЫаЮд, ЦгО-СНгСІг

О-оЛм*-0

Схема 18.

УФ спектр радикала 67 имеет максимумы поглощения при 344 нм с 1££=4.77 (я—ад*) и 611 нм с ^£=2.39 (п—>я*). ЭПР спектр, записанный в растворе СНС13 представлен 9-ю линиями с константой спин-спинового расщепления ац=0.38мТл.

Рисунок 9. Структура и зигзагообразные одномерные слои радикала 67.

Молекулы радикала образуют одномерную зигзагообразную сеть по типу «голо-ва-к-хвосту» за счет формирования коротких контактов двух типов. Первые обусловлены взаимодействием одной N-0 фуппы и фрагментом С-II бензольного кольца соседней молекулы. Вторые возникают за счет взаимодействия другой N-0 группы и метальных групп имидазолидинового фрагмента соседней молекулы. Длины этих контактов составляют: Ы-О...Н* 2.54, Ы-О...С* 3.17, Ы-О...Н* 2.60 и И-О.-.Н* 2.35 А, соответственно. Таким образом, одна молекула радикала координирует вокруг себя шесть других молекул. Расстояние между двумя цепями составляет 2.35 А. В кристалле подобные одномерные образования формируют молекулярные слои с межплоскостным расстоянием в 4.33 А.

\

/ \

*

( / V.

7 8 9 10 11

вгп (б)

Рисунок 10. (а) Эффективный магнитный момент //е[Г = Х'Т на один спин S — 1/2. радикала 67 (пунктир: //е(г для не взаимодействующего спина S = 1/2). Вставка: зависимость ХаиЛ и 1//„|((| от температуры с аппроксимирующей функцией (непрерывная линия), (б) Зависимость Хж от магнитного поля В при 191 мК, положение максимумов Btl ~ 8.5 Т и 5S ~ 9.2 Т.

Данные измерений SQUID представлены на рисунке 10а. Эффективный магнитный момент fttit практически не зависит от температуры в области 100+300 К и его величина совпадает с расчетным значением 1.73 Иъ, что соответствует одному

не взаимодействующему спину S = 'А. При понижении температуры ниже 100 К величина цаг начинает плавно, а после 40 К. резко уменьшаться, что говорит о преобладании антиферромагнитных взаимодействий между двумя спинами радикала 67. Оценка /intra из линейной аппроксимации зависимости l/Хтл от температуры законом Кюри-Вейса, в температурном диапазоне 70^-270 К, дает величину 0 = -8.2 ± 0.5 К. Более точные данные, полученные из аппроксимации зависимости Мв от магнитного поля В моделью Блини-Бауэрса, дают значение 7iolni = -9.6 К.

На рис. 106 показана зависимость /ас как функции от величины магнитного поля при температуре 191 мК. Вид зависимости указывает на межмолекулярные магнитные взаимодействия, осуществляющиеся через водородные связи между димерами в молекуле. Двойной гладкий пик в этой картине между нижним критическим полем Ва и полем насыщения Bs около 9.2 Т, указывает на индуцированный магнитный фазовый переход. Такая форма зависимости характерна для случая квазидвумерных межмолекулярных взаимодействий, тогда как для трехмерного межмолекулярного взаимодействия наблюдались бы остроконечные максимумы. На квазидвумерный характер межмолекулярных взаимодействий также указывают данные по строению кристалла. Из разности Вл и В, можно оценить величину /inln. в -1... -2 К.

Несмотря на то, что подходящая модель была найдена, мы решили проверить, насколько сильно отразится на значении /¡ntra введение дополнительного ацетиленового мостика из еще одной DC связи, т.к. расчетные данные дня бирадикала 72 указывали на близкое с радикалом 67 значение Ji„M = -14.4 К.

На схеме 19 приведен синтез радикала 72. Реакция окислительного сдваивания (реакция Глазера) ,3-диоксолан-2-ил)фенилацетилена 69 в присутствии эквивалентного количества CuCl/CuCl2 в пиридине привела к диацетилену 70. Продукт без выделения из реакционной смеси был напрямую подвергнут гидролизу взаимодействием с 3% НС1 в смеси ТГФ-вода. Выход диацетилена 71 составил 74%. Кипячение полученного диальдегида 71 с избытком БГА 16 в толуоле в атмосфере аргона привело к сответствующему бис(имидазолидину). Окисление последнего периодатом натрия, привело к нитронилнитроксильному радикалу 72.

Кристаллы, пригодные для РСА, были получены путем медленной диффузии раствора радикала 72 в хлористом метилене в избыток эфира. Данные РСА представлены на рисунке 11.

Рисунок 11, Структура молекулярные слои и различного типа короткие контакты радикала 72.

Найденное экспериментально значение УЫп, оказалось равным -4.8 К, что примерно в три раза меньше расчетной величины и составляет половину значения У|п(га для бирадикала 67.

Полученный модельный радикал 67, полностью удовлетворяющий условиям дальнейших физических экспериментов, однако лишен каких-либо функциональ-ныхЛсоординирующих групп, необходимых для успешного получения координационно-полимерной ЗБ сети. Это стало мотивом для молекулярного дизайна другой рабочей модели - бирадикала 78. Молекула соединения 78 имеет аналогичное бира-дикалу 67 строение, но вместо бензольных колец последнего в качестве связывающего парамагнитные центры звена выступает ядро пиридина, при таком исполнении радикал обладает двумя комплексообразующими Бр^-гибридными атомами азота. Расчетное значение /¡^ для данного бирадикала имеет величину равную -10.1 К.

Методология получения альдегида 77 и его дальнейшее превращение в биради-кал 78 представлены на схеме 20.

1) 1М ЫаОН(>ч.)-1зкв. 2)АСОН-1Э*8.

МеОН, СС

1) П-Ви1_і (1,6 М в гексане) Е!20. -78°С

2)ШР .. Е|20, -76"С->25°С 3) МН<С1И)

3

Реакция Соногаширы 2,5-дибромпиридина 73 с триметилсилилацетиленом при комнатной температуре, в смеси ацетонитрил-триэтиламин (1:3), приводит к селективному замещению а-атома брома и образованию моноацетиленового производного 74. Стоит отметить, что использование ацетонитрила как растворителя в этом процессе критично, так, проведение реакции в триэтапамине или смеси триэтиламин-диметилформамид, приводит к образованию смеси из продуктов замещения атома брома во 2-м и 5-м положениях гетерощшта. Снятие триметилсилильной защитной группы в соединении 74 привело к образованию 1-этинил-5-бромпиридина 75, который на следующей стадии вновь был использован в реакции Соногашира с 2,5-дибромпиридином 73 в описанных выше условиях, это селективно привело к симметричному продукту - дипиридилацетилену 76. Суммарный выход соединения 76 в пересчете на исходный 2,5-дибромпиридин 73 составил -40%. Металлирование субстрата 76 я-ВиУ, в диэтиловом эфире, последующая обработка двумя эквивалентами ДМФ и гидролиз образующегося аддукта раствором хлористого аммония привели к диальдегиду 77 с выходом -18% Выход диальдегида удалось существенно увеличить (до -70%) при проведении металлирования ацетилена 76 в ТГФ. Кипячение диальдегида 77 с избытком БГА 16 в толуоле, в инертной атмосфере, привело к количественному образованию соответствующего имидазолидина, окислением которого Ыа104 был получен биснитронилшпроксильный радикал 78.

Медленным упариванием раствора радикала 78 в хлористом метилене были выращены кристаллы, пригодные для РСА. Структура радикала 78 приведена на рисунке 12.

Рисунок 12. Структура и молекулярная упаковка радикала 78.

Элементарная ячейка состоит из двух асимметричных молекул радикала. Упаковка молекул строится на основе двух разнонаправленных слоев, межплоскостное расстояние между которыми составляет 3.54 А.

Экспериментально найденное значение У!аСгя оказалось равным -10.7 К, что хорошо укладывается в рамки проведения дальнейших физических экспериментов. Вид кривой иегг и/шы практически совпадает с таковой для бирадикала 67 (рис. 10а), что объясняется схожестью их пространственного строения.

В таблице 1 резюмированы данные по расчётным и экспериментальным значениям величины энергии обмена /щ^, для синтезированных радикалов.

Номер_Структура _■/»,Г[К|°" Jm |К| Т...[К|

-18,8 -17.7 -28.0 16.5

-320! 19.5

Таблица 1. [а] Оптимизированная геометрия молекул получена DFT расчетами (B3LYP, 6-31 G*); [Ь] Величина энергии обмена расчитана исходя, из геометрии молекулы, полученной на основании данных РСА с использованием метода «broken symmetry» (BLYP, 6-3 Ю*).

Таким образом, резюмируя последнюю часть проведенного исследования, можно сделать следующее заключение. Синтезированы новые бис(нитронилнитроксильные) радикалы с линкерами различной длины на основе сопряженных я-систем. Измерения магнитных характеристик бирадикалов и их анализ подтвердил предполагаемый антиферромагнитный характер взаимодействия двух спинов (таблица 1). Величина энергии обмена для радикала 63 обладает наибольшим значением -32 К, что, по-видимому, связано с существованием более эффективного пути обменного взаимодействия, нежели яг-сопряжение. Полученные радикалы 67 и 78 имеют наилучшие характеристики, удовлетворяющие требованиям теоретических расчетов значений величины /¡„,га (-10 К) и будут использованы для дальнейшего изучения. Радикал 78 при этом обладает двумя дополнительными координационными зр2-атомами азота, что позволит использовать его для конструирования разветвленной координационной 3D сети.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что взаимодействие цис-1,2-бисгидроксиламиноциклогексана с производными малонового альдегида в кислотно-катализируемых условиях приводит к 3-замещенным 1чгидрокси-5а,6,7,8,9,9а-гексагидро-ЗЯ-бензо[й][1,4]диазепин-5-оксидам. В то же время, в реакциях 1,2-бисгидроксиламинов с моноформильны-ми производными карбонильных соединений преимущественно образуются пяти-членные гетероциклы с одним или двумя атомами азота - имидазо[1,2-¿]изоксазолы, 5-оксо-2,5-дигидроизоксазолы, ацетилимидазолидин-2-илидены.

2. Взаимодействием 2,3-бисгидроксиламино-2,3-диметилбутана с формальным производным ацетоуксусного эфира и последующим окислением промежуточного 1,6-дигидроксиимидазо[1,2-6]изоксазола, впервые получен нитронилнитроксиль-ный радикал с p-кетоэфирной функциональной группировкой, образующий стабильные соли с щелочными металлами.

3. Продемонстрирована близость химических свойств 1,2-бисалкоксиаминов и родственных им 1,2-диаминов, на примере реакций с 1,3-дикарбонильными соеди-

нениями. Так, показано, что в нейтральной среде 1,2-бисалкоксиамины реагируют с малоновыми альдегидами, давая производные бис- и трис- пергидро-1,3-диалкокси-Ш-бензо[г/]имидазолов, тогда как в кислотно-катализируемых условиях количественно образуются устойчивые диазепиниевые соли - производные 1,5-бис(алкокси)-5а,6,7,8,9,9а-гексагидро-5#-бензо[й][1,4]-диазепиния.

4. Показано, что в зависимости от строения субстрата (при наличии алкоксиамин-ной группы у третичного атома углерода) или природы реагента (присутствие в 1,3-дикарбонильном соединении сильной электроноакцепторной группы, такой как CF3, NO2, Ас) реакция между 1,2-бисалкоксиамином и карбонильным соединением протекает преимущественно без образования диазепинового цикла. В этом случае происходит разрыв С-С связи с образованием имидазолиниевой соли или jV,jV-дизамещенного бисалкоксиамина. Предложены схемы данных превращений.

5. Разработаны способы синтеза нитронилнитроксильных трирадикалов ряда 2-имидазолина, связующим линкером в которых является пара-фениленацетиленовый фрагмент. Для 2,2'-{4,4'-(5-(1-оксил-4,4,5,5-тетраметил-3-оксидо-4,5-дигидро- 1Я-имидазол-2-ил)-1,3-фенилен)бис(этин-2,1 -диил)бис(4,1 -фенилен))бис(-4,4,5,5-тетраметил-4,5-дигидро-1Я-имидазол-оксо-3-оксида) установлена структура методом РСА.

6. Синтезирован репрезентативный набор биснитронилнитроксильных радикалов с различными я-линкерами на основе дифенила, терфенила, бис(пиразолил)бензола, талана, дифенилдиацетилена и бис(пиридил)ацетилена. Методом SQUID-мапгитометрии проведены прецизионные измерения в полученных радикалах, в результате чего был установлен антиферромагнитный характер внутримолекулярного обмена между неспаренными электронами и получен набор значений /¡0(П1. На примере бирадикала 1,2-бис(5-(1-окси-3-оксил-4,4,5^-тетраметил-4,5-дигидро-1Я-имидазол-2-ил)пиридин-2-ил)этина показано, что введение гетероароматического фрагмента в структуру я-линкера не сказывается существенным образом на величине энергии обмена Jmtn.

7. Для нитронилнитроксильного радикала 1,2-бис(4-(1-оксо-3-оксил-4,4,5,5-тетраметил-4,5-дигидро-Ш-имидазол-2-ил)фенил)этина зафиксирован магнитный квантовый фазовый переход при температуре 191 мК и значении магнитного поля ~ 9.2 Т. Обнаруженная форма /АС зависимости от магнитного поля характерна для двумерных межмолекулярных взаимодействий, что также подтверждается данными о строении кристалла. Оценка межмолекулярных взаимодействий позволяет оценить величину Jmtei. порядка -1 ... -2 К.

Основные результаты исследований изложены в следующих работах:

1. Mostovich, Е.А., Borozdina, Y., Enkelmann, V., Removic-Langer, К., Wolf, В., Lang, M., Baumgarten, M. Planar Biphenyl-Bridged Biradicals as Building Blocks for the Design of Quantum Magnets II Crystal Growth & Design. 2012. - V. 12. - N 1. - P. 54-59. doi: 10.1021 /cg201224g

2. Mostovich, E.A., Mazhukin, D.G., Rybalova, T.V. Reactions of vicinal aliphatic bis(hydroxylamines) with trifunctionalized methane derivatives H ARK1VOC. 2011. - N XI. - P. 29-42. http://www.arkat-usa.org/get-file/41422/

3. Wolf, В.; Cong, P. Т.; Removic-Langer, K.; Borozdina, Y. В.; Mostovich, E.A; Baumgarten, M.; Lang, M. Coupled spin S = 1/2 dimer systems based on nitronyl-

nitroxide biradicals // Journal of Physics: Conference Series. 2010. - V. 200. - N 1. -P. 012225. doi: 10.1088/1742-6596/200/1/012225

4. Mostovich, E.A., Mazhukin, D.G., Gatilov, Y.V., Rybalova, T.V. Coupling of 1,2-bis(alkoxyamino)cyclohexanes with 1,3-dicarbonyl compounds: first synthesis of l,4-dialkoxy-2,3-dihydro-l,4-diazepinium salts // Mendeleev Communications. 2007. - V. 17. - N 1. - P. 48-50. doi:10.1016/j.mencom.2007.01.019

Основные результаты диссертации доложены на отечественных и международных конференциях:

1. Mostovich Е.А., Mazhukin D.G, l,4-Dialkoxy-l,4-diazepinium Salts, "Current Topics in Organic Chemistry", June 6-10,2011, Novosibirsk, Russia, p. 151.

2. M. Baumgarten, E. Mostovich, J.B. Borozdina, Organic radicals for spin networks, spin switches, and sensing. IV Russian-Japanese Workshop on Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices. September 4-8, 2010, N.Novgorod, Russia, Jl.

3. E.A. Мостович, Ю.Б. Бороздина, M. Баумгартен, Направленный синтез слабо-взаимодействующих бис(нитронилнитроксильных) радикалов. XII Всероссийская Школа конференция для молодых ученых «Современные проблемы органической химии», 7-11 декабря, 2009, Суздаль, Россия, с. 131-132.

4. С.Т. Pham, К. Removic-Langer, В. Wolf, Y.B. Borzdina, E.A. Mostovich, M. Baumgarten, M. Lang, Coupled spin S = 1/2 dimer-systems based on nitronyl-nitroxide biradicals. Combined DPG Spring Meeting of the Section Condensed Matter (SKM) and the Working Group on Industry and Business as well as the Working Group on Physics of Socio-economic Systems (AGSOE), March 22-27, 2009, Dresden, Germany, TT 6.27.

5. E.A. Mostovich, Y.B. Borozdina, M. Baumgarten, K. Removic-Langer, B. Wolf, M. Lang, Weakly Interacting Spin-Dimers Based on Nitronylnitroxides. 5th International Conference on Nitroxide Radicals SPIN-2008, September 7-11,2008, Ancona, Italy, P37.

6. E.A. Mostovich, M. Baumgarten, Antiferromagnetically coupled nitronylnitroxide biradicals for network formation to Bose-Einstein condensates, MPIP seminar, NA-UROD-2008, Mainz, Germany, 2008.

7. K. Removic-Langer, U. Tutsch, C.T. Pham, M. Baumgarten, E.A. Mostovich, B.Wolf, and M. Lang, Search for coupled S = 1/2 dimer systems in a new class of ni-tronyl nitroxides biradicals. Verhandlungen der Deutsche Physikalische Gesellschaft, February 25-29, 2008, Berlin, Germany, TT32.26.

8. E.A. Мостович, Д.Г. Мажукин, Реакции 1,2-бисгидроксиламинов с формилсо-держащими 1,3-дикарбонильными соединениями, Международная конференция молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2006» - секция химии, 12-15 апреля, 2006, Москва, Россия, с. 185.

9. Е.А. Мостович, Образование 1,4-диазепин-№оксидов в реакциии 1,2-бисгидроксиламиноциклогексана с малоновыми альдегидами. XLII Международная научная конференция «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2005, с. 94-95.

10. E.A. Mostovich, D.G. Mazhukin, Reaction of l,2-(Bishydroxylamino)cyclohexane Derivatives with Malonaldehydes, Book of Abstr. 3rd EuroAsian Heterocyclic Meeting "Heterocycles in Organic and Combinatorial Chemistry", September 12-17, 2004, Novosibirsk, Russia, p. 184.

Формат бумаги 60x84 1/16. Объем печати 1 печ. лист. Тираж 100 экз.

Отпечатано на ротапринте Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН 630090, г. Новосибирск, 90, пр. ак. Лаврентьева, 9.

61 1.2-2/392

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ НОВОСИБИРСКИЙ ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ ИМ. H.H. ВОРОЖЦОВА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК МАХ PLANCK INSTITUTE FÜR POLYMERFORSCHUNG

Мостович Евгений Алексеевич

На правах рукописи

СИНТЕЗ АЗОТИСТЫХ ГЕТЕРОЦИКЛОВ РЯДА ДИАЗЕПИНА, ИЗОКСАЗОЛА, ИМИДАЗОЛИДИНА И НИТРОНИЛНИТРОКСИЛЬНЫХ РАДИКАЛОВ 2-ИМИДАЗОЛИНА В РЕАКЦИЯХ 1,2-БИСГИДРОКСИЛАМИНОВ И 1,2-БИСАЛКОКСИАМИНОВ С КАРБОНИЛЬНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

(02.00.03 - органическая химия)

Диссертация на соискание степени кандидата химических наук

Научные руководители:

Доцент, к.х.н., Мажукин Дмитрий Геннадьевич Профессор, Мартин Баумгартен

НОВОСИБИРСК-2012

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

HHP - нитронилнитрокссильный радикал

ИНР - иминонитроксильный радикал

БГА - бис(гидроксиламин)

БАА - бис(алкоксиамин)

РФА - рентгенофазовый анализ

5ц, 5с - значения хим. сдвигов сигналов атомов для ЯМР 'Н и |3С ПМР - протонный магнитный резонанс (ЯМР 'Н)

J - константа сверхтонкого взаимодействия (СТВ) при описании ЯМР спектров

ЭПР - электронный парамагнитный резонанс

g, gjS0 - g-фактор Ланде, гиромагнитный множитель

aN - константа СТВ в спектрах ЭПР

ТСХ - тонкослойная хроматография

БЭК - конденсат Бозе-Эйнштейна

S - электронный спин

./intra - энергия внутримолекулярного обменного взаимодействия между двумя спинами

Jinter энергия межмолекулярного обменного взаимодействия между спинами

SQUID - Superconducting Quantum Interference Device.

piQ - магнитный момент

netf- эффективный магнитный момент

В - магнитное поле

/П101 - молярная магнитная восприимчивость

/ас - магнитная восприимчивость при переменном магнитном поле къ - константа Больцмана 0 - константа Кюри

Введение...................................................................................................................................3

1. 1,3-Дикарбонильные соединения в органическом синтезе.................................................7

1.1. Получение производных 1,3-дикарбонильных соединений, содержащих в своем составе формильную группу................................................................................................7

1.1.1. Получение производных малонового альдегида...................................................7

1.1.1.1. Использование конденсации Кляйзена............................................................7

1.1.1.2 Присоединение к алкил-(арил-)виниловым эфирам........................................8

1.1.1.3 Реакция Вильсмейера-Хаака-Арнольда............................................................9

1.1.1.4 Восстановление малонитрилов.......................................................................11

1.1.1.5 Окисление 1,3-диолов.....................................................................................11

1.1.1.6 Галогенирование малоновых альдегидов.......................................................13

1.1.1.7 Получение 2-(арилазо)малональдегидов........................................................14

1.1.1.8 Получение 2-метиленмалональдегидов.........................................................14

1.1.1.9 Получение триметиниевых (винамидиниевых) солей...................................15

1.1.1.10 Получение нитромалонового альдегида.......................................................15

1.1.2. Синтез формильных производных других карбонилсодержащих соединений.. 17

1.1.2.1. Использование конденсации Кляйзена..........................................................17

1.1.2.2. Ацилирование виниловых эфиров.................................................................18

1.1.2.3. Получение ацеталей Р-формилкарбоновых кислот.......................................19

1.2. Синтез гетероциклов с использованием формилсодержащих 1,3-дикарбонильных соединений.....................................................:....................................................................20

1.2.1. Синтез пирролов и индолов..................................................................................20

1.2.2. Синтез пиразолов и изоксазолов..........................................................................21

1.2.3. Синтез производных имидазола и 1,3-тиазола.....................................................24

1.2.4. Синтез 1,2,3-триазолов..........................................................................................26

1.2.5. Синтез пиридинов и пиримидинов.......................................................................26

1.2.6. Синтез производных пиридазина.........................................................................30

1.2.7. Синтез производных диазепина............................................................................31

1.2.8. Синтез макроциклов..............................................................................................32

2. Взаимодействие 1,2-бисгидроксиламинов и 1,2-бисалкоксиаминов с формилсодержащими 1,3-дикарбонильными соединениями...............................................35

2.1. Взаимодействие 1,2-бисгидроксиламинов с формилсодержащими 1,3-дикарбонильными соединениями......................................................................................36

2.2. Реакции 1,2-бисалкоксиаминов с 1,3-дикарбонильными соединениями..................49

3. Взаимодействие 2,3-бисгидроксиламино-2,3-диметилбутана с ди- и трикарбонилсодержащими функциональными соединениями............................................57

3.1. Синтез бис- и триснитронилнитроксильных радикалов — предшественников гибридных магнитных материалов....................................................................................57

3.2. Синтез антиферромагнитно взаимодействующих бирадикалов, как перспективных моделей квантового компьютера.......................................................................................72

4. Экспериментальная часть...................................................................................................96

4.1 Синтез исходных субстратов и карбонилсодержащих реагентов...............................97

4.2 Реакции 1,2-БГА и 1,2-БАА с функциональными карбонилсодержащими соединениями......................................................................................................................99

Выводы.................................................................................................................................120

Список литературы...............................................................................................................122

Введение.

Органические производные гидроксиламина (iV-замещенные, R1NHOH и N,0-ди-замещенные, алкоксиамины R'NHOR2) широко используются в органической химии1. На их основе разработан ряд методов получения аминов, гидроксамовых кислот, оксимов и их эфиров, нитронов, различных азотсодержащих гетероциклических соединений, содержащих в своем составе связи N-0, N—»-0 и N-OR. Многие представители перечисленных классов гидроксиламинов зарекомендовали себя как перспективные синтетические блоки в дизайне и синтезе соединений, обладающих потенциальной биологической активностью, хелатообразующими, парамагнитными и др. полезными свойствами. Например, 2,3-бисгидроксиламино-2,3-диметилбутан уже более 40 лет находит применение в получении нитронил-(ННР) и иминонитроксильных радикалов (ИНР) ряда 2-имидазолина2 - уникальных органических парамагнитных объектов, обладающих выдающейся термодинамической стабильностью3. Это свойство данных радикалов, вкупе с их способностью образовывать координационные полимеры с ионами переходных металлов4 и, в частности, с лантанидами5'6, привели к бурному росту исследований в области дизайна новых материалов, построенных на основе, как полностью органических, так и гибридных соединений, обладающих ферро-, ферри и антиферромагнитными свойствами7. В 1991 году совместная работа трех групп японских ученых (Takahashi, Ishikawa, Kinoshita) ознаменовалась открытием первого полностью органического ферромагнетика ряда 2-имидазолина - 2-(и-нитрофенил)нитронил-нитроксильного радикала, кристаллическая /?-фаза которого проявляла эффект ферромагнетизма, при температуре ниже 0.6 К8. Сегодня уже известно более 20 видов ферромагнетиков на основе органических радикалов, в том числе HHP, с температурой Кюри от 0.09 до 0.6 К9. Быстрое и количественное превращение HHP в ИНР под действием NO, позволило использовать HHP в качестве рабочего вещества для измерения концентрации окиси азота как в атмосфере10, так и в тканях живых организмов11"13. HHP и ИНР нашли также применение в органических полупроводниковых материалах14'15, в качестве электроактив^ых компонентов полностью органических аккумуляторов16, а в последнее время благодаря обратимости Ox/Red состояний HHP, было предложено использовать их для элементов устройств органической памяти17.

Систематическое изучение химии азотистых нуклеофилов, ведущееся в лаборатории азотистых соединений НИОХ СО РАН, позволило разработать методы получения ранее неизвестных бифункциональных производных гидроксиламина - 1,2-бис-гидроксиламинов (БГА) и их О, (9'-диал копированных производных, 1,2-бисалкокси-аминов (БАА). Определенное внимание в этих работах было уделено рассмотрению

взаимодействия БГА и (БАА) с электрофильными реагентами, включая простые моно- и

1.2-дикарбонильные соединениями. Результатом этих исследований стал синтез ряда

18 19 20 21 22 23 24

производных 1,2-диазета ' , имидазола , 1,2,3-триазола , пиразина ' , диазепина

содержащих в своем составе iV-окси-, iV-гидрокси- и /V-алкоксигруппы. Переход к 1,3-

кетоальдегидам позволил получить циклические пятичленные TV-гидроксикетенаминали -

производные имидазолидин-2-илидена, окисление которых привело к

винилнитроксильным радикалам.25 На их основе были получены стабильные комплексы с

переходными металлами, обладающие высокой энергией обмена, порядка 200 см"1, между

26

парамагнитным металлом и неспаренным электроном винилнитроксильного радикала .

В этой связи, целью настоящей работы стало дальнейшее изучение реакций БГА и БАА с производными 1,3-дикарбонильных соединений и полифункциональными карбонильными соединениями, в частности несущими формильную функцию. Предполагалось, что в данных реакциях будут получены функциональные производные /V-гидроксикетенаминалей - предшественники перспективных парамагнитных лигандов, либо не известные ранее TV-оксиды и iV-алкокси 1,4-диазепины, аналоги биологически-активных хлордиазепоксида и других бензодиазепинов. На начальном этапе нашего исследования были изучены реакции азотистых бинуклеофилов БГА и БАА с ациклическими 1,3-дикарбонильными и поликарбонилсодержащими соединениями с формильной функцией. Основными продуктами данных превращений явились пятичленные гетероциклы - производные имидазола, изоксазола и имидазо[1,2-Ь]изоксазола, а в кислой среде, в реакции БГА с малоновыми альдегидами были выделены неустойчивые 1,4-диазепин-А'-оксиды. В случае циклического 1,3-дикарбонильного соединения - 2-формил-З-кетосульфолана, продуктом реакции явился ациклический динитрон. Впервые был получен нитронилнитроксильный радикал с Р-кетоэфирной функциональной группировкой, образующий стабильные соли с щелочными металлами. Производные БАА в реакции с 1,3-дикарбонильными соединениями в нейтральных условиях образуют производные имидазолидина, а в присутствии сильных минеральных кислот единственными продуктами реакции становятся N,N-1,4-диалкокси-1,4-диазепиниевые соли.

На втором этапе исследований мы сконцентрировали свое внимание на направленном синтезе бис- и трис-ННР в реакциях стерически затрудненного БГА -

2.3-диметил-2,3-бисгидроксиламинобутана с ди- и триформилсо держащими функциональными производными ароматических соединений. На основе триальдегидов были получены высокоспиновые трирадикалы (£=3/2) с симметрией Сз и Сг, линкером в которых между парамагнитными фрагментами выступает л-фениленацетиленовый

фрагмент. Синтезирован набор биснитронилнитроксильных радикалов с различными ^-линкерами на основе дифенила, терфенила, бис(пиразолил)бензола, толана, дифенилдиацетилена и бис(пиридил)ацетилена. Полученные радикалы были изучены с использованием SQUID магнитометрии, в результате чего был установлен антиферромагнитный характер внутримолекулярного обмена между неспаренными электронами и были найдены значения энергии внутримолекулярного обмена между неспаренными электронами - Jmtra-

Литературный обзор разбит на две части. В первом разделе рассмотрены методы синтеза формилсодержащих карбонильных соединений и их синтетических аналогов. Во второй части обзора обсуждаются их реакции гетероциклизации различных 1,3-дикарбонильных соединений, в основном, с азотцентрированными нуклеофилами. Приоритет в библиографии отдавался работам последних десятилетий.

Обсуждение полученных результатов представлено в нескольких частях диссертации. Так, третья глава начинается с обсуждения реакций малоновых альдегидов с производными БГА и завершается конденсацией последних с производными трикарбонильных соединений. В заключительном разделе этой главы рассмотрены аналогичные реакции БАА. Первая часть четвертой главы посвящена направленному синтезу бис- и трис-ННР радикалов, как перспективных лигандов, в то время как вторая часть рассматривает получение бис-ННР радикалов для использования их в качестве моделей квантового компьютера. В экспериментальной части подробно описаны использованные методики и приведены спектральные характеристики всех новых соединений.

Автор хочет выразить благодарность в первую очередь в адрес своего научного руководителя, к.х.н. Мажукина Дмитрия Генадьевича, за становление его как химика-синтетика, привитие самостоятельности и должного упорства в изучении непростой тематики. Выражаю благодарность в адрес своего научного руководителя с немецкой стороны - профессора Мартина Баумгартена (Martin Baumgarten, MPIP, Mainz, Germany) за прекрасное руководство, интересные дискуссии, советы и понимание. Отдельную благодарность автор выражает сотрудникам ЦКП НИОХ СО РАН, за выполнение спектральных, аналитических и структурных исследований, доктору Фолькеру Энкельманну (Volker Enkelmann, MPIP, Mainz, Germany), за рентгеноструктурный анализ полученных автором нитронилнитроксильных радикалов, группе профессора Михаэля Ланга (Michael Lang, Physik Institut, J.W. Goethe-Universität, Frankfurt am Main, Germany), за проведение SQUID измерений. Автор благодарит за финансовую, научную и социальную поддержку общества Max-Plank Institute für Polymerforschung, Max-Plank

Research School, DFG и фонд РФФИ. Отдельное спасибо за содействие Бороздиной Юлии Борисовне. Большое спасибо всем моим друзьям и коллегам, тем, кто все эти годы помогал мне собирать материал для написания диссертации и поддерживал меня все это время.

1. 1,3-Дикарбонильные соединения в органическом синтезе.

1.1. Получение производных 1,3-дикарбонильных соединений, содержащих в своем составе формильную группу.

1.1.1. Получение производных малонового альдегида. 1.1.1.1. Использование конденсации Кляйзена.

К малоновым альдегидам относятся соединения 1 имеющие общее строение, показанное на схеме 1:

В И

О О о_0

1 н

Схема 1

Все производные данного класса являются сильными СН-кислотами и в свободном виде существуют преимущественно в енольной форме, стабилизированной за счет образования внутримолекулярной водородной связи.

Родоначальником малоновых альдегидов выступает 1,3-пропандиаль (Д=Н), соединение, не устойчивое при комнатной температуре. В индивидуальном состоянии при 20°С он быстро полимеризуется, поэтому обычно его используют сразу после получения, чаще всего без выделения из реакционной смеси.27 В отличие от самого малонового альдегида, его 2-замещенные производные относительно стабильны и могут храниться при нормальных условиях, особенно в случае наличия заместителей, имеющих электроноакцепторный характер.

Типичный пример получения малональдегида основан на реакции по типу конденсации Кляйзена. Механизм данного процесса постулируется в виде последовательности нескольких равновесных стадий (схема 2). На первой стадии анион уксусного альдегида атакует карбонильный атом углерода этилформиата. Элиминирование этилат-аниона приводит к образованию малональдегида. Недостаток метода заключается в том, что для получения удовлетворительных выходов необходимо сдвигать равновесие, удаляя один из продуктов реакции, например этанол, однако

в" ©

сн3сно . ■ Чзн2сно + вн

СО @ еО -ЕЮН /-ОН

н—■\ ^_усн2сно . - н-4-сн2сно . - н—<(

ста ОЕ1 ^=0

Схема 2

последний процесс представляется затруднительным, поскольку исходный эфир имеет температуру кипения близкую с т. кип. этанола. Поэтому данный способ годится только для получения простых 2-замещенных производных малональдегида, например, этоксикарбонилмалондиальдегида 1а.

Первой стадией синтеза этого соединения является присоединение по концевой тройной связи эфира пропаргиловой кислоты двух молекул этанола, катализируемое ионами одновалентной меди29. Затем полученный ацеталь сложного эфира 2 вводят в реакцию конденсации с последующим гидролизом диэтоксипроизводного до альдегида 1а с выходом 59%.

ГС°2Й1)ЫаН Н0^С°2Н

екЛзв 2)зУСн&В

2 59% 1а

Схема 3

1.1.1.2 Присоединение к алкил-(арил-)виниловым эфирам.

Другой распространенный метод синтеза основан на получении полных ацеталей

^ 30

малональдегидов 3, с последующим гидролизом их до соответствующего диальдегида.

Соединения 3 образуются при действии эфира ортомуравьиной кислоты на алкил(арил-)виниловые эфиры 4 в присутствии каталитических количеств кислот Льюиса (2пСЬ, эфират хлористого алюминия или трехфтористого бора). Для подавления конкурентной реакции взаимодействия ацеталя 3 с эфиром енола 4 применяют 2-х-4-х кратный избыток реагента - эфира ортомуравьиной кислоты. Катализатор нейтрализуют водным раствором карбоната натрия, а продукты реакции очищают перегонкой в вакууме, получая ацетали с выходом > 70%.

к

К10

+ НС(ОЕ1)3 --—д-/

70-95%

Я10

3

У-СЖ1 Н30+ /Г-ОН

1 6070% рЛ=о р=Ам' Ар; У~СЖ1 ° Я-гМе, Е1

з

Схема 4

Полученные ацетали 3 являются стабильными соединениями: они не разлагают�