Синтез C-борилкарборанов и применение производных карборанил-, алкил- и арилборных и -диборных кислот для конструирования моно- и бис-клатрохелатов железа(II) тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

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

ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ им. Н.Д.ЗЕЛИНСКОГО РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

Наппряахрукописи

Свидлов Семен Владимирович

СИНТЕЗ С-БОРИЛКАРБОРАНОВ И ПРИМЕНЕНИЕ ПРОИЗВОДНЫХ КАРБОРАНИЛ-, АЛКИЛ- И АРИЛБОРНЫХ И -ДИБОРНЫХ КИСЛОТ ДЛЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ MOHO- И БИС-КЛАТРОХЕЛАТОВ

ЖЕЛЕЗА(П)

02.00.03 - органическая химия 02.00.08 - химия элементоорганических соединений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

15 ЯНВ 2015

005557703

Москва — 2015

005557703

Работа выполнена в Лаборатории карбоциклических соединений Института органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук (ИОХ РАН) и в Лаборатории алифатических борорганических соединений Института злементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук (ИНЭОС РАН).

Научные руководители главный научный сотрудник ИНЭОС РАН,

заведующий лабораторией ИОХ РАН академик Бубнов Юрий Николаевич, г. Москва

заведующий лабораторией ИНЭОС РАН, доктор химических наук, профессор Волошин Яп Зигфрпдович г. Москва

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Стужнн Павел Анатольевич Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановский государственный химико-технологический университет", г. Иваново

кандидат химических наук Прищенко Андрей Анатольевич Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова", г. Москва

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки "Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН"

Защита состоится «5» февраля 2015 г. в II00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.250.01 по присуждению ученой степени кандидата химических наук при ИНЭОС РАН по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, В-334, ул. Вавилова, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ИНЭОС РАН.

Автореферат диссертации разослан декабря 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.250.01 кандидат химических наук

Ольшевская В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Карбораны представляют уникальный класс каркасных борсодержащих соединений, обладающих высокой термической и химической устойчивостью. Их производные широко используются в каталитической химии, в качестве лигандов — в металлорганической химии, а также для получения люминесцентных материалов, полимеров, наноматериалов и жидких кристаллов. К настоящему времени химия простейших карборанилборанов с хлор-, алкокси- и гидридными заместителями изучена мало, а известные методы их синтеза недостаточно эффективны. Между тем, соединения со связями В-С1, В-0 и В-Н служат основными предшественниками в синтезе большинства типов борорганических соединений, широко используемых в органическом и металлоорганическом синтезе. Кроме того, карборансодержащие гидриды бора КВН2 представляют несомненный интерес как гидроборирующие агенты с двумя активными В-Н связями и объемным икосаэдрическим заместителем. В последнее десятилетие интенсивно развивается химия перфторфенилборанов из-за их необычных каталитических и электронных свойств; однако их карборановые производные ранее не были получены.

С другой стороны, несомненный интерес представляет разработка новых способов введения апикальных и реберных (в т.ч. карборанильных) заместителей в молекулы клатрохелатов - клеточных комплексов с ионом металла, инкапсулированным в трехмерной полости макрополициклического лиганда и в значительной мере изолированным от влияния внешних факторов. В частности, клатрохелаты железа(П) рассматриваются в качестве молекулярных платформ для дизайна и синтеза ингибиторов транскрипции нуклеиновых кислот, т.е. являются перспективными лекарственными препаратами («топологическими лекарствами»), С практической точки зрения несомненно актуальной задачей является синтез апикально-сшитых бис-клатрохелатов, являющихся потенциально более эффективными ингибиторами транскрипции, чем их моноклатрохелатные аналоги.

Целью исследования явилась разработка новых методов синтеза С-борилкарборанов с различными функциональными группами при внешнем атоме бора и применение производных карборанил-, алкил- и арилборных, а также диборных кислот в синтезе новых моно- и бис-клатрохелатов железа(П).

Задачи исследования: Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие два блока задач: 1-й блок:

• Разработать эффективную методологию синтеза С-борилкарборанов из карбораниллитиевых соединений и простейших хлорборанов и изучить их реакции с перфторфенильными агентами, триаллилбораном, комплексами борана (ВНуТГФ и ВН3 8(Ме)2) и кросс-сочетание с квазиароматическими и ароматическими соединениями;

2-й блок:

• Разработать методы синтеза гибридных моно- и бис-клатрохелатов железа(Н) с апикальными карборанильными, алкильными и арильными заместителями из производных борных кислот на основе темплатной конденсации, реакции переметаллирования и кислотно-катализируемой циклизации.

• Установить строение новых синтезированных соединений, а также изучить их спектральные характеристики.

Научная новизна и практическое значение полученных результатов. Предложена новая методология синтеза простейших С-борилкарборанов, включающая борилирование литиевых производных карборанов хлорборанами в эфирных растворителях при низких температурах. Впервые изучены реакции С-борилкарборанов с триаллилбораном и перфторфенильными агентами и получены первые перфторфенилборильные производные карборана. Разработан новый эффективный метод синтеза карборансодержащих гидридов бора, которые региоспецифично присоединяются к терминальным двойным и тройным связям. Впервые проведено Pd-катализируемое/Си-промотируемое кросс-сочетание с участием производных карборанилборных кислот, с использованием которого получен бифенил-орто-карборан. Впервые синтезированы

карборанилклатрохелаты железа(И) с карборанильными апикальными и реберными заместителями, являющиеся перспективными ингибиторами транскрипции ферментов биосинтеза нуклеиновых кислот и потенциальными лекарственными соединениями для бор-нейтронозахватной терапии рака (БНЗТ). Также получены новые оксимгидразонатные и ниоксиматные бис-полу- и бис-клатрохелаты железа(Н) с неэквивалентными апикальными заместителями. С использованием данных Fe-мессбауэровской, ИК, полиядерной ЯМР-спектроскопии, ЭСП и РСА получены данные о пространственном и электронном строении синтезированных соединений.

Личный вклад исследователя состоял в участии в общей постановке задачи (в соответствии с развиваемым направлением), а также во всех экспериментальных и теоретических исследованиях, обобщении, анализе и интерпретации результатов.

Автор выражает бесконечную благодарность канд. хим. наук |С.Ю. Ердякову| за участие в постановке задачи и неоценимую помощь в работе, а также Т.В. Потаповой, докт. хим. наук C.B. Баранину, канд. хим. наук Р.Ф. Саликову, канд. хим. наук Е.В. Шулишову, канд. хим. наук. IO.B. Бурыкиной (ИОХ РАН, Москва), канд. хим. наук И.Г. Белой, канд. хим. наук A.C. Белову, канд. хим. наук Е.Г. Лебедь, канд. хим. наук В.В. Новикову, канд. хим. наук З.А. Стариковой, докт. хим.

наук К.А. Лысенко, канд. хим. наук И.В. Ананьеву, канд. хим. наук A.B. Долганову (ИНЭОС РАН, Москва), докт. хим. наук O.A. Варзацкому (ИОНХ НАНУ, Киев) за участие в постановке экспериментов и обсуждении полученных результатов на разных этапах работы.

Апробация результатов работы и публикации. Основные результаты работ доложены на 4-ой Европейской конференции по химии бора (Германия, Бремен, 2007), Всероссийской конференции «Итоги и перспективы химии элементоорганических соединений», посвященной 110-летию со дня рождения академика А.Н. Несмеянова (Россия, Москва, 2009), Всероссийской конференции по органической химии, посвященной 75-летию со дня основания Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН (Россия, Москва, 2009), 5-ой Европейской конференции по химии бора (Великобритания, Эдинбург, 2010), 6-ой Европейской конференции по химии бора (Польша, Радзеевице, 2013), 15-ой Международной конференции по химии бора (Чехия, Прага 2014). Основной материал диссертации изложен в 4 статьях, опубликованных в ведущих отечественных и международных научных изданиях, и 6 тезисах докладов.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты №№ 08-03-00623-а, 10-03-00423-а, 11-03-00656-а, 11-03-01188-а, 12-03-00955), Отделения химии и наук о материалах (программы фундаментальных исследований «Химия и физикохимия супрамолекулярных систем и атомных кластеров» и «Создание научных основ экологически безопасных и ресурсосберегающих химико-технологических процессов. Отработка процессов с получением опытных партий веществ и материалов»), Президиума РАН (направление «Развитие методологии органического синтеза и создание соединений с ценными прикладными свойствами» программы фундаментальных исследований «Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов»), а также Совета по грантам Президента Российской Федерации (программа поддержки ведущих научных школ РФ, грант № НШ-69.2014.3).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 6 таблиц, 67 схем и 15 рисунков. Список литературы включает 88 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована цель исследования.

В первой главе приведен обзор литературных данных, охватывающий методы синтеза С-борилкарборанов (методы построения связи hf,„eulj-Cfnai,^), описана их реакционная способность по отношению к протоногенным реагентам, основаниям Льюиса, переходным металлам, их термические превращения, а также проанализированы основные структурные характеристики соединений этого типа.

Во второй главе описаны синтез, строение и свойства серии известных и новых С-борил-орто- и jwema-карборанов (гидридов, эфиров, галогенидов, аллильных и перфторарилированных соединений), а также ряда 1,2- и 1,7-диборильных производных орто- и мета-карборанов из соответствующих дикарба-клозо-додекаборанов. Здесь же обсуждаются разработанные диссертантом пути использования производных карборанил-, алкил-, арилборных и -диборных кислот в синтезе моно- и бис-клатрохелатов железа (II).

В третьей главе приведены методики синтеза С-борилкарборанов, моно- и бис-клатрохелатов железа(Н) и описаны физические и физико-химические методы исследования, использованные для получения физических, физико-химических, спектральных и структурных характеристик борорганических производных карборанового ряда и клатрохелатных комплексов железа (II).

Синтез, строение и реакционная способность борорганических производных С-алкил-орто-карборанов

Карборанилбораны могут быть получены с использованием двух основных методов: (1) взаимодействием галоборанов с литиевыми производными карборанов и (2) трансформацией С-борилкарборанов путем термических превращений, обменных реакций, функционализации с использованием нуклеофильных агентов и т.д.

С-Борил-орто-карбораны 1а-г синтезированы с применением методологии, включающей литирование С-алкил-орто-карборанов н-бутиллитием с последующей обработкой образующихся литиевых производных соответствующими хлорборанами в эфирных растворителях при низких температурах (схема 1). Молекулярная структура соединений 1а и 16, представленная на рис. 1 и 2, установлена методом РСА.

гексанЛ^О

1а-1г

Я = ¡Рг, X = С1 (а, 81%, /= -78°С/ТГФ), X = ОМе (б, 92%,¿= -78°С/Е120),

ВХ, =-В,

О-А

58%, ¡= -ЮО'СЯГФ ); Я = Е1, X = С1 (г, 74%, /= -78°С/ТГФ) Схема 1

С1

Рис. 1. Общий вид молекулы 1а.

Рис. 2. Общий вид молекулы 16.

Реакция дихлоркарборанилборана 1а с двумя эквивалентами пентафторфенилмагнийбромида в диэтиловом эфире (схема 2) привела к диперфторфенилборильному производному 2, молекулярная структура которого представлена на рис. 3.

2 экв. С6Р5К^Вг

а-

1а

88%

Схема 2

Рис. 3. Общий вид молекулы 2.

Обработкой дихлорборана 1а нуклеофильным пентафторфенолом синтезирован диборный оксид 3, структура которого приведена на рис. 4.

2зкв. С^ОН

СМ2С1,

*.....«

"Ч >

.м

л

ж

V

Схема 3 Рис. 4. Общий вид молекулы 3.

Описанные методы синтеза карборансодержащих гидридов бора характеризуются низкими или умеренными выходами (7-55%). Нами разработан и реализован новый эффективный метод получения соединений этого типа из доступного метилового эфира карборанилборной кислоты. В частности, мы обнаружили легкость замещения эфирных групп в (С-изопропил-орто-карборанил)диметоксиборане 16 на атомы водорода под действием комплексов ВН3 с ТГФ или с диметилсульфидом (схема 4). Реакция борана 4а с эквимолярным количеством 4-(диметиламино)пиридина в гексане привела к комплексу 4в, молекулярная структура которого представлена на рис. 5.

вн3-ь

20°С

с

I

МеО ОМе 16

4а

-НВ(ОМе)2 -

С

4а Ь=ТГФ, 96% 46 Ь=Ме28, 96%

Схема 4

Рис. 5. Общий вид молекулы 4в.

Представлялось интересным изучение возможности использования синтезированных комплексов карборансодержащих гидридов бора в качестве г идроборирующих реагентов - аналогов тексилборана, давно и успешно применяемого в органическом и борорганическом синтезе. Установлено, что реакции гексена-1 и фенилацетилена с комплексом 46, приводящие к боранам 5 и 6, протекают медленно (48 и 72 ч). По данным 'Н ЯМР спектроскопии реакционной

смеси атом бора локализуется у концевого атома углерода двойной или тройной связи, т.е. присоединение протекает региоспецифично (схема 5).

2.1 экв. рь-

Обнаружено, что при использовании в качестве гидроборирующего агента тетрагидрофуранового раствора комплекса изопропил-орото-карборанилборана 4а протекает полимеризация растворителя с образованием политетрагидрофурана.

При обработке изопропил-орто-карборанилдиметоксиборана 16 избытком триаллилборана только одна из двух метокси-групп замещается на аллильную и получается аллилметоксиборилкарборан 7, а замещение второй группы не происходит даже при 90°С. Этот результат можно объяснить большим объемом карборанильного заместителя. Обмен метоксильного фрагмента на аллильный, по-видимому, протекает через шестичленное переходное состояние, представленное на схеме 6.

А113В (изб)

МеО ОМе 16

98%

Схема 6

Сравнительный анализ молекулярных структур 1-борил-2-изопропил-орто-

карборанов

Молекулярные и кристаллические структуры полученных карборановых соединений 1а, 16, 2, 3 и 4в были установлены методом рентгеноструктурного анализа их монокристаллов. Основные геометрические параметры этих молекул близки к ожидаемым и незначительно зависят от природы заместителей в борильном фрагменте. В частности, в молекулах 1а, 16, 2 и 3 с тригональным атомом бора В(1) длина связи В(1)-С(2) изменяется в диапазоне 1.579(2)- 1.611(2) А. В то же время, в молекуле 4в с тетракоординированным атомом бора, как и ожидалось, длина связи В(1)-С(2) существенно больше (1.649(2) А). В молекулах 1а, 16 и 3 плоскость, задаваемая заместителями при атоме бора В(1), ортогональна

связи С(1)-С(2) в карборановом остове, а величины соответствующих диэдральных углов изменяются от 93 до 116°. Напротив, в молекуле 2 величина этого угла существенно меньше (27.9°), что объясняется стерическим отталкиванием между объемными пентафторфенильными заместителями и изопропильной группой. Изменение положения заместителя ЪХ2 по отношению к связи С(1)-С(2) также приводит к некоторому изменению длины последней. Однако, в отличие от ранее изученных С-арилкарборанов, при ортогональном расположении эта связь оказывается короче (1.676(2) - 1.689(2) А), чем в случае заслоненной конформации (1.702(2) А), что демонстрирует значительное влияние стерических факторов на структурные особенности молекулы 2.

Анализ кристаллических упаковок, проведенный с использованием геометрических критериев, показал отсутствие заметных межмолекулярных взаимодействий во всех кристаллах, за исключением соединения 4в. В его кристалле обнаружено стекинг-взаимодействие между пиридиновыми кольцами, объединяющее его молекулы в центросимметричные димеры (рис. 6): расстояние между среднеквадратическими плоскостями, проведенными через атомы N(1), С(6), С(7), С(8), С(9) и С(10), составляет приблизительно 3.51 А, а величина сдвига ароматических колец друг относительно друга приблизительно равна 1.55 А.

Таблица 1. Основные геометрические характеристики молекул борорганических соединений 1а, 16, 2, 3, 4в.

1а 16 2 3 4в

С(1)-С(2),А 1.681(2) 1.676(2) 1.702(2) 1.6812(19) 1.6893(17)

С(2)-В(1),А 1.611(3) 1.605(2) 1.579(3) 1.589(2) 1.649(2)

В(1)-Х,"А 1.715 1.349 1.577 1.351 1.575

93 104.7 27.9 116 90

а) X -заместители при атоме В(1), для всех структур кроме 4в приведены средние значения для двух заместителей, для структуры 4в приведена длина связи В Ы: б) <р - торсионный угол С(1)-С(2)-В(1)-Х, причем X выбран таким образом, чтобы значение ф было положительным.

межмолекулярных стекинг-взаимодействий. Атомы водорода не приведены для ясности.

Еорилирование незамещенных карборанов

Несомненный интерес представляло исследование малоизученных реакций незамещенного орто-карбораниллития с простейшими хлорборанами в эфирных растворителях. Действие н-бутиллития на орто-карборан и обработка образующегося ор/ио-карбораниллития электрофильными агентами в эфирных растворителях, как правило, приводят к смеси продуктов моно- и дизамещения, а также исходному ор/яо-карборану; при этом их соотношение зависит прежде всего от природы электрофильной компоненты и условий второй стадии процесса. Установлено, что выходы целевых моноборилкарборанов в выбранных на основе анализа литературы условиях борилирования орто-карбораниллития (диэтиловый эфир в качестве растворителя и температура реакции -60°С) также зависят от природы используемого хлорборана. В частности, борилирование орто-карбораниллития 8, приготовленного по известной методике металлированием орто-карборана н-бутиллитием в диэтиловом эфире раствором ВС13 по схеме 7 в гексане не приводит к целевому продукту 9: в ПВ{'Н} ЯМР-спектре реакционной смеси сигналов, соответствующих фрагменту СВС12, не наблюдалось.

8 9

Схема 7

В то же время 1 В('Н} ЯМР-мониторинг реакционной смеси на стадии борилирования показал, что диметоксиборил-орото-карборан 10 образуется по схеме 8, однако оказалось, что при выделении (перегонка в вакууме) продукт 10 разлагался с образованием исходного орто-карборана.

Схема 8

Далее было установлено, что диборилирование орто-карборанилдилития 11, приготовленного реакцией орто-карборана с двумя эквивалентами н-бутиллития в диэтиловом эфире при 0°С, в данных условиях протекает более гладко: в зависимости от обработки соли 11 двумя эквивалентами диметоксихлорборана или триметилбората (схема 9) получаются 1,2-бис(диметоксиборил)-ор/ио-карборан 12

и дилитиевая соль 13, которые после кристаллизации из гексана были выделены с выходами 56 и 87%, соответственно.

£йй

и,

2 экв. лВиЫ 0°С

2 экв. С1В(ОМе)2

-60"С -21лС1

МеО | ОМе

МеО

13

87%

МеО'

¿ ОМе ' чОМс

56%

11

Схема 9

12

Анализ литературных данных показал, что борорганические производные мета-карборана изучены меньше, чем соответствующие соединения орто-карборана. Известно, что кислотность карборанов уменьшается в ряду орто->мета->пара- и их рКа в шкале органических СН-кислот равны 22.0, 25.6 и 26.8, соответственно. В связи с этим представлялось интересным сравнить борилирование монолитиевых производных орто-карборана и .мета-карборана. Оказалось, что в иВ{'Н} ЯМР-спектре реакционной смеси 1М раствора ВС1з и монолитированного мета-карборана 14 наблюдаются сигналы атомов бора несимметрично-замещенного л<ета-карборанового ядра и фрагмента СВСЬ (8"В = 30.9 м.д.), что свидетельствует об образовании дихлорборильного производного 15 (схема 10). Однако соединение 15 выделить не удалось, т.к. оно при перегонке разлагается с образованием исходного мета-карборана.

С I

и

14

ВС1,

ЕЬО -60°С

Схема 10

Реакция дилитиевого производного л<ета-карборана 16 с двумя эквивалентами трихлорида бора по схеме 11 привела к 1,7-бис(дихлорборил)-мета-карборану 17; по данным "В{'Н} ЯМР-мониторинга смеси после обработки в ней содержится приблизительно 65 % целевого продукта.

Lk

X J

Li

16

Et20 -60°C

Схема 11

Реакции кросс-сочетания карборанилборанов

Было осуществлено первое кросс-сочетание с участием производного карборанилборной кислоты: реакция приготовленного in situ орто-карборанилтриметоксибората лития 18 с 4-йодбифенилом в присутствии каталитических количеств Pd(dppf)CI2 и избытка йодида меди(1) привела к 4-(1-орто-карборанил)бифенилу 19. Важно отметить, что в отсутствии соли меди образование целевого продукта не наблюдается даже при кипячении реакционной смеси в течение 20 часов. Возможный механизм реакции включает промежуточное образование карборанилмедного интермедиата и последующее связывание йодид-аниона ионом меди (I).

н

1)/

2) И

Li4

МеО

Ме0ОМе Н

60%

/: 1 экв «BuLi, —78°С, ТГФ/гексан и: 1экв. В(ОМе)3, -78°С, ТГФ/гексан

Схема 12

С использованием этого метода был синтезирован первый клатрохелат 21, содержащий реберный карборанильный фрагмент. Кросс-сочетание соли 18 с квазиароматическим дийодклатрохелатом железа(П) 20 в ТГФ протекает с высоким выходом в присутствии каталитических количеств Рё^рр^СЬ (схема 13); добавление солей меди в данном случае не является необходимым.

Схема 13

Возможный механизм реакции соли 18 с дииодидом 20, приводящей к замещению одного из двух атомов йода на карборановый фрагмент, а другого - на атом водорода, включает либо анион-радикальное гидродейодинирование дийодклатрохелата 20 с последующим замещением иода в образовавшемся моноиодиде, либо замещение одного атома иода на карборанильный заместитель с последующим гидродеиодинированием образующегося

монокарборанилмоноиодклатрохелата железа(П). Образование

дикарборанилклатрохелата железа(П) не наблюдалось и при использовании избытка карборанилирующего агента 18 из-за стерических затруднений объемного карборанильного заместителя.

Молекулярная и кристаллическая структура гибридного комплекса 21 установлена методом РСА (рис. 7). Наличие объемного карборанильного заместителя приводит к увеличению искажения /•е./Уб-координационного полиэдра:

молекула 21 имеет геометрию, промежуточную между тригональной призмой (ТП, угол искажения <р = 0°) и тригональной антипризмой (ТАП, угол искажения <р = 60°) со средним значением угла искажения ¡р равным 24.9°, в то время как для дийодклатрохелатного предшественника величина <р составляет 21.6°.

Данные РСА о расстоянии Н...О, равном 2.767(4) А, свидетельствуют о наличии сильного внутримолекулярного

взаимодействия С^щ—Н. ..О, что подтверждается высокой величиной химического сдвига протона СН-группы карборанового остова в соединении 21 в 'Н ЯМР-спектре (81н= 5.67 м.д.).

Рис. 7. Общий вид молекулы 21.

Клатрохелаты железа (II) с функционализирующими карборанилборчыми и другими органилборными апикальными заместителями

Несомненный интерес представляло использование полученных производных карборанилборных кислот в синтезе новых типов клатрохелатов с апикальными карборанильными заместителями. Большинство описанных к настоящему времени борсодержащих алифатических и ароматических клатрохелатов железа(П) получено прямой темплатной конденсацией на матрице — ионе Ре2+ соответствующих лигандов и борсодержащего сшивающего агента как кислоты Льюиса в полярных протонных растворителях (обычно, спиртах). Однако такие условия не подходят для синтеза целевых клатрохелатов из-за протекания реакции протолиза связи В-С в исходных С-борилкарборанах. Поэтому в качестве растворителя для макробициклизации был выбран полярный апротонный ацетонитрил; однако и в этой системе наблюдались побочные реакции протолитического расщепления связей В-С выделяющимися ионами Н+. В связи с этим для их нейтрализации к растворам карборансодержащих производных 1а и 22 предварительно добавляли эквимолярные количества триэтиламина. Комплекс несимметричного оксимгидразонатного клатрохелата 23, содержащий в апикальных положениях неэквивалентные борорганические сшивающие фрагменты, был получен по схеме 14 темплатной сшивкой 2-изопропил-1-дихлорборильным производным карборана 1а фенилборатного полуклатрохелата 22.

(СП

2Е13К

—2 Е|,№НС1 -N«01

(ВЬТ)

1а

Схема 14

Обнаружена эквивалентность сигналов всех трех реберных хелатирующих фрагментов в 'Н и |3С ЯМР-спектрах этого комплекса. Данный факт свидетельствует о быстрой миграции протона между тремя атомами азота в растворе соединения 23, приводящей к усреднению сигналов всех трех фрагментов в ЯМР-спектрах.

Планировалось также осуществить синтез бис-клеточных оксимгидразонатных комплексов железа(П) с использованием метилового эфира

оряю-карборанил-1,2-диборной кислоты 12 как сшивающего агента и последующей макроциклизации под действием активных карбонилирующих агентов; бифункциональность 12 как кислоты Льюиса предполагала образование биядерного полуклатрохелатного гекса-оксимгидразонатного комплекса железа (II) с орто-расположением этих полуклатрохелатных фрагментов в карборановом остове. Однако темплатная конденсация монооксима 2,3-бутандионгидразона (гидразона диацетилмонооксима) с эфиром 12 на матрице — ионе железа(П) по схеме 15 в ацетонитриле в присутствии триэтиламина привела к моно-клатрохелату 24, а не к его бис-аналогу. Этот результат можно объяснить пространственным эффектом объемного клатрохелатного фрагмента.

2 Ре

ЫН2

А'

он

№ВР4

МеО.

В-Сч МеО

МеО'"~ОМе

(ВИЛ

Схема 15

Кислотно-катализируемая конденсация полуклатрохелатного продукта 24 с формальдегидом или триэтилортоформиатом (ТОФ) привела к соответствующим оксимгидразонатным моно-клатрохелатам 25 и 26 с апикальными 1,3.5-триазациклогексановыми фрагментами (схема 16).

Т

М12

ГЖХ -л

/^И / N N

I

<й\ ^Б^с-н

О-

ОС2Н5^ N

Н ОС2Н5Н 1 ОС2Н5

СН(ОШ)3

(ВРЛ

25 24 26

Схема 16

Строение комплексов 25 и 26 подтверждено данными 'Н и 13С ЯМР-спектроскопии; в частности, двойной набор сигналов метиновых и этокси-групп в этих спектрах свидетельствует о низкой симметрии молекулы клатрохелата 26 -отсутствии в ней псевдооси симметрии Сз, проходящей через сшивающий атом бора и инкапсулированный ион железа(И).

Электронные спектры поглощения (ЭСП) борсодержащих оксимгидразонатных клатрохелатов 25 и 26 содержат в видимой области две полосы близкой интенсивности (е~3-8103 л-моль' см^1) с максимумом в диапазоне 450-500 нм и менее интенсивную (е ~ 1 — 2 ■ 103 лмоль-1 см"') полосу с максимумом при 400 - 450 нм, отнесенные к полосам переноса заряда (11113) металл-лиганд Рес1—>Ьл*, в то время как ЭСП симметричных борсодержащих трис-диоксиматов железа(Н) характеризуются единственной ассиметричной высоко интенсивной (е ~ 1 — 3■ 104 л-моль^'-см-1) полосой этой же природы в видимой области, разложение которой на Гауссовы компоненты позволяет выделить более интенсивную полосу с максимумом в диапазоне 440^190 нм и существенно менее интенсивную (е ~ 2 — 3 • 103 л-моль"'-см-1) полосу с максимумом около 400 нм. Увеличение числа ППЗ в случае оксимгидразонатных клатрохелатов может быть связано с наличием двух типов донорных групп (оксимных и гидразонатных) в их молекулах и отсутствием в последних плоскости симметрии, проходящей через середины связей С-С в хелатных циклах и инкапсулированный ион металла. Неэквивалентность азометиновых фрагментов оксимгидразонатных макробициклических лигандов отчетливо проявляется в ИК-спектрах этих комплексов, в которых наблюдаются полосы валентных колебаний связей С = N как в оксимных (С = N - О, 1583см~'), так и в гидразонатных (С = N - N. 1620 см-1) группах.

Молекулярная и кристаллическая структура клатрохелатного катиона 26 была ф

установлена методом РСА кристаллов 26а „ А и

(клатрохелатный катион 26 с противоионом ф^ф шЛ ^" •

РеСЦ ), образующихся при проведении аналогичной реакции в отсутствии ЫаВР4 (рис. 8). Ион железа(П) находится в искаженном тригонально-призматическом окружении шести атомов азота трех хелатирующих оксимгидразонатных фрагментов; расстояния Ре—N и углы искажения <р характерны для борсодержащих клатрохелатных

трис-оксимгидразонатов. Клатрохелатный

катион 26 имеет необычную

син, син, ан/ии-ориентацию этоксильных групп относительно сшивающего фрагмента.

Рис. 8. Молекулярная структура клатрохелатного катиона 26

Широкий диапазон значений торсионных углов С-О-С-С (170-180°) обусловлен значительной тепловой лабильностью этильных фрагментов. Кристалл 26а стабилизирован за счет системы водородных связей С1...Н - С между анионом РеСЦ и атомами водорода клатрохелатного фрагмента (рис. 9). Контакты С1...Н, длина которых меньше суммы ван-дер-ваальсовых радиусов (2.97 А), образуют атомы С1(1) и С1(4) с атомами водорода при атомах углерода С(15) и С(8)

(расстояния С1(1)...Н(8С), С1(1)...Н(15А) и С1(4)...Н(8В) равны соответственно 2.79, 2.92 и 2.85 А). Кроме того, такие же водородные связи образуют атомы водорода при атомах углерода С(13) и С(14) апикального

1,3,5-триазациклогексанового кольца (расстояния С1(3)...Н(13А) и С1(3)...Н(14А) равны 2.78 и 2.96 А) и атом Н(16А) этоксильной группы 0(4)— С(16) - С(17) (2.95 А).

Ранее было получено большое число моно-и биядерных полуклатрохелатных

трис-оксимгидразонатов железа(Н) с

сшивающими бор-, олово-, сурьма- и германийсодержащими апикальными группами, последующая Н+-катализируемая

макробициклизация которых под действием ТОФ привела в каждом случае к образованию единственного изомера клатрохелатного комплекса. В случае борсодержащих клатрохелатов была обнаружена син, син, син-ориентация этоксильных групп по отношению к полуклатрохелатному фрагменту относительно плоскости 1,3,5-триазациклогексанового кольца, тогда как в молекулах олово-, сурьма- и германийсодержащих комплексов все этоксильные группы имели анти, анти, анти-ориентацию. Такие различия были объяснены изменением геометрии полуклатрохелатного предшественника от ТП для борсодержащих соединений до ТАП для других типов сшивающих групп. Наблюдаемое образование продукта с сгот,син,а/шн-конформацией в случае карборанилборатных клатрохелатов 26 и 26а связано со строением апикального заместителя, один из атомов водорода которого, располагаясь между «лепестками», образованными плоскостями оксимгидразонатных хелатирующих фрагментов, создает стерические затруднения для этоксильной группы на первой стадии макроциклизации с ТОФ, что приводит к ее анти-ориентации относительно объемного полуклатрохелатного фрагмента.

Использование в качестве диборной компоненты в темплатной конденсации пространственно-незатрудненного дибутилового эфира 1,3-пропандиборной кислоты привело к соответствующему бис-полуклатрохелату 27 по схеме 17. Биядерные бис-клатрохелатные комплексы 28 и 29, содержащие 1,3,5-

Рис. 9. Водородные связи С1...Н - С в кристалле 26а

триазациклогексановый фрагмент, были получены кислотно-катализируемой макробициклизацией оксимгидразонатного бис-полуклатрохелатного

предшественника 27 формальдегидом и ТОФ, соответственно.

Положение, число и соотношение интегральных интенсивностей сигналов в 'Н и 13С{'Н} спектрах бис-полуклатрохелата 27 и бис-клатрохелатов 28 и 29 свидетельствует о наличии в их молекулах псевдооси симметрии СУ В случае биядерного комплекса 29 число и положение синглетных сигналов протонов метановых фрагментов и этоксильных групп свидетельствует об образовании только син,син,син-изомера этого комплекса, в котором все этоксильные группы и полуклатрохелатный фрагмент имеют одинаковую ориентацию относительно 1,3,5-триазациклогексанового сшивающего фрагмента.

(ВиО)2В

W

HjN—N N-O

П2

p-N j^'-NH,

(BF4-J,

Y A /

«V\i \

H Y A /

"t'K

Схема 17

MALDI-TOF масс-спектры комплексов 27-29 не содержат пиков молекулярных ионов или каких-либо их ионных ассоциатов. В положительной области ESI масс-спектров обнаружены интенсивные пики моно- и дикатионных макробициклических частиц, образовавшихся в результате отщепления одного или двух противоионов BF4 , соответственно. Экспериментально наблюдаемое изотопное распределение в этих спектрах находится в хорошем соответствии с расчетной моделью для соответствующих положительно-заряженных бис-полуклатрохелатных и клатрохелатных частиц.

С использованием стратегии синтеза, основанной на переметаллировании апикально-неэквивалентных трис-диоксиматов железа(П) с сурьма- и борсодержащими сшивающими фрагментами под действием производных диборных кислот были синтезированы диоксиматные бис-клатрохелатные

комплексы железа(П) 32 и 33. Триэтилсурьмасодержащий клатрохелатный предшественник 31, реагирует с фенилен-1,4-диборной кислотой и бутиловым эфиром пропан-1,3-диборной кислоты, давая целевые бис-клатрохелатные диоксиматы железа(П) 32 и 33 (схема 18). Переметаллирование комплекса 31 с использованием фенилборной кислоты в смеси дихлорметан-метанол привело к соответствующему несимметричному н-бутилбор-фенилбор-сшитому трис-ниоксимату железа (II) 34 с неэквивалентными борсодержащими сшивающими фрагментами. Все реакции переметаллирования проводили в присутствии силикагеля как гетерогенного катализатора.

Соединение 33 является первым представителем ряда поликлатрохелатов с углеводородными спейсерными фрагментами, молекулярная и кристаллическая структура которого была установлена методом РСА (рис. 10). Молекула 33, как и в случае карборанилклатрохелатов 21 и 26, имеет геометрию, промежуточную между ТП и ТАП со средним значением угла искажения ч> равным 20.4°. Жесткость фениленового заместителя обусловливает наличие в молекуле 33 псевдооси симметрии С3 В-Ре-В-В-Ре- -В, проходящей через оба макробициклических фрагмента и фениленовое кольцо; при этом расположение циклогексансодержащих лигандов соответствует заторможенной конформации молекулы 33 (рис. 11).

Рис. 10. Общий вид молекулы 33. Водородные атомы не приведены для ясности.

Рис. 11. Проекция молекулы 33 вдоль псевдооси симметрии Сз.

выводы

1. Разработана стратегия использования производных карборанил-, алкил- и арилборных и -диборных кислот в качестве кислот Льюиса и карборанилирующих агентов для синтеза клеточных комплексов металлов, на основе которой впервые получены новые типы моно- и бис-клатрохелатов железа(И) с карборанильными, алкильными и ароматическими апикальными и реберными заместителями.

2. Предложен новый эффективный метод синтеза карборансодержащих гидридов бора, включающий обменную реакцию метиловых эфиров карборанилборной кислоты с комплексами борана (ВН3'ТГФ и BH3 SMe2). Полученные гидриды впервые использованы в качестве региоспецифичных гидроборирующих агентов в реакциях с терминальными алкенами и ацетиленами.

3. Реакцией дихлорборилкарборана с перфторфенилсодержащими соединениями впервые получены перфторфенилборильные производные карборана, молекулярная и кристаллическая структура которых была установлена методом РСА.

4. Выявлена необычная реакционная способность диметилового эфира карборанилборной кислоты по отношению к триаллилборану, заключающаяся в замещении только одной из двух метоксильных групп на аллильную.

5. Впервые осуществлена реакция кросс-сочетания с участием производных карборанилборных кислот: получены первый гибридный карборанилоклатрохелат железа(И) с реберным карборанильным заместителем и его ароматический аналог 1-л-бифенил-ор/ло-карборан.

6. С использованием производных карборанил-, фенил- и алкилборных кислот в качестве сшивающих агентов - кислот Льюиса - впервые получены новые типы оксимгидразонатных клатрохелатов железа(Н) с неэквивалентными апикальными фрагментами.

7. Темплатной конденсацией на матрице — ионе железа(И) шести молекул монооксима 2,3-бутандионгидразона с бутиловым эфиром 1,3-пропандиборной кислоты получены первые оксимгидразонатные бис-полуклатрохелаты и бис-клатрохелаты железа(Н) с алифатическими спейсерными заместителями.

8. Переметаллированием сурьмасодержащих макробициклических предшественников с инкапсулированным ионом железа(Н) под действием производных алкил- и арилдиборных кислот синтезированы новые диоксиматные бис-клатрохелаты железа(П) с апикальными 1,3-пропандиборным и 1,4-фенилендиборными спейсерными фрагментами; впервые для соединений этого типа методом РСА решена структура апикально-сшитого бис-клатрохелата.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Волошин Я.З., Ердяков С.Ю., Макаренко И.Г., Лебедь Е.Г., Потапова Т.В., Свидлов С.В., Старикова З.А., Польшин Э.В., Бубнов Ю.Н. Макроциклизация полу-клатрохелатных о-карборанилборатного и н-бутил-боратного оксимгидразонатов железа(П): синтез и структура клатрохелатных продуктов и неожиданный аллостерический эффект апикального заместителя // Изв. АН Сер. хим.-2007.-Т. 11.-С. 1724-1731.

2. Belaya I. G., Svidlov S. V., Dolganov A. V., Zelinskii G. E., Potapova Т. V., Vologzhanina A. V., Varzatskii O. A., Bubnov Yu. N., Voloshin Ya. Z. Apically linked iron(II) o-dioximate and a-oximehydrazonate bis-clathrochelates: synthesis, structure and electrocatalytic properties // Dalton Trans. - 2013.-V. 42. - P. 1366713678.

3. Svidlov S.V., Varzatskii O. A., Potapova Т. V., Vologzhanina A.V., Bukalov S.S., Leites L.A., Voloshin Ya.Z., Bubnov Yu.N. C-carboranylation of a quasi-aromatic iron(II) cage complex and its organic aromatic analog by the metal-catalyzed (promoted) cross-coupling reactions // Inorg.Chem.Commun. - 2014. - V. 43. - P. 142-145.

4. C.B. Свидлов, Я.З. Волошин, H.C. Юргина, Т.В. Потапова, А.Ю. Белый, И.В. Ананьев, Ю.Н. Бубнов Синтез, структура и реакционная способность борорганических производных С-изопропил-ор/ио-карборана // Изв. АН Сер. хим-2014. -Т. 10. - С. 2343-2350.

5. S. Yu. Erdyakov, S. V. Svidlov, E. G. Lebed', I. G. Makarenko, Т. V. Potapova, K. A. Lyssenko, Z. A. Starikova, M. Yu. Antipin, Y. Z. Voloshin, Yu. N. Bubnov Organoboron derivatives of 1,2-dicarba-c/oso-dodecaborane. Apical functionalization of iron (II) clathrochelates// The 4th European Meeting on Boron Chemistry (Euroboron 4). - Bremen, Germany. - 2007. - P. 52.

6. Свидлов C.B., Ердяков С.Ю., Макаренко И.Г., Потапова Т.В., Игнатенко А.В., Лысенко К.А., Волошин Я.З., Бубнов Ю.Н. Органические производные бора карборанового ряда // Всероссийская конференция «Итоги и перспективы химии элементоорганических соединений», посвященной 110-летию со дня рождения академика А.Н. Несмеянова. - Москва, Россия. - 2009. - С 129.

7. Свидлов С.В., Лысенко К.А., Ердяков С.Ю., Потапова Т.В., Бубнов Ю.Н. Рентгеноструктурное исследование борорганических соединений о-карборанового ряда // Всероссийская конференция по органической химии, посвященной 75-летию со дня основания Института органической химии им. Н.Д.Зелинского РАН. - Москва, Россия. - 2009. - С. 377.

8. Svidlov S.V., Stefanyuk S.V., Erdyakov S.Yu., Potapova T.V., Lyssenko K.A., Bubnov Yu. N., Cage boron Hydrides // International Symposium (Euroboron5). -Edinburgh, UK.-2010.-P44

9. Svidlov S., Varzatskii O., Voloshin Ya., Potapova Т., Denisenko I., Bubnov Yu., Metal-primoted carboranylation of quasi-aromatic boron-capped iron clathrochelates and their aromatic analogs // The 6lh European Meeting on Boron Chemistry (Euroboron 6). - Radziejowice, Poland. — 2013. — P. 133.

10. Voloshin Y. Z., Svidlov S.V., Potapova T.V., Iurgina N.S., Bubnov Yu.N. Boron-based metal complexes and hybrid carbonyloclathrochelates as prospective toplogical drugs // The 15 International Meeting on Boron Chemistry (IMEBORON XV). -Prague, Czech Republic. - 2014. - P. 47.

Подписано в печать:

19.12.2014

Заказ № 10437 Тираж -120 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru