Синтез макроциклов с ароматическими фрагментами и их применение в детектировании катионов металлов

Углов, Алексей Николаевич

Синтез макроциклов с ароматическими фрагментами и их применение в детектировании катионов металлов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.08 ВАК РФ

Углов, Алексей Николаевич АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Синтез макроциклов с ароматическими фрагментами и их применение в детектировании катионов металлов»

Автореферат диссертации на тему "Синтез макроциклов с ароматическими фрагментами и их применение в детектировании катионов металлов"

Углов Алексей Николаевич

СИНТЕЗ МАКРОЦИКЛОВ С АРОМАТИЧЕСКИМИ ФРАГМЕНТАМИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ДЕТЕКТИРОВАНИИ КАТИОНОВ МЕТАЛЛОВ

02.00.08 — химия элементорганических соединений 02.00.03 — органическая химия

1 7 НОЯ 20П

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва-2011

005001071

Работа выполнена в лаборатории элементорганических соединений кафедры органической химии Химического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, г. Москва, и в Институте молекулярной химии университета Бургундии, г. Дижон, Франция.

Научные руководители:

академик РАН, доктор химических наук, профессор Белецкая Ирина Петровна профессор Гиляр Роже

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Федорова Ольга Анатольевна

доктор химических наук Дильмап Александр Давидович

Ведущая организация: Институт физической химии и электрохимии

Защита состоится «07» декабря 2011 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.69 по химическим наукам при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу. 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3, Химический факультет МГУ, аудитория 446.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ. Автореферат разослан «07» ноября 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

им. А.Н. Фрумкина РАН, г. Москва.

доктор химических наук, профессор

Т.В. Магдесиева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Дизайн и синтез молекулярных систем абиотической природы, способных распознавать различные молекулы или ионы, представляют значительный интерес в современной химии. Детектирование катионов металлов, например, применяется в таких областях, как диагностика и лечение заболеваний, клиническая токсикология, оценка техногенного загрязнения окружающей среды, контроль и утилизация промышленных отходов. Молекулярные сенсоры, основанные на обратимом изменении цвета или спектров флуоресценции в присутствии аналита (объекта детектирования) особенно привлекательны, поскольку они могут быть использованы для экспресс-анализа и в качестве основных компонентов при разработке тест-полосок, портативных оптоволоконных устройств, коммерческих индикаторов. Эти молекулы должны обеспечивать эффективное связывание субстрата, давать интенсивный отклик на это связывание и, по возможности, быть водорастворимыми, так как большинство прикладных случаев использования относится к водным растворам. Поскольку необходимо объединить эти свойства в одну молекулу, разработка оптимальных хемосенсоров — сложная синтетическая задача, которая обычно осуществляется с использованием многостадийных методик.

Структура хемосенсора включает две субъединицы, связанные ковалентно или с помощью спейсера, — рецепторную, отвечающую за селективное взаимодействие с аналитом, и сигнальную, обеспечивающую формирование отклика на это взаимодействие. В качестве ионофоров (рецепторов для катионов металлов) часто используются полидентантные лиганды линейного и циклического строения. Хромофоры и флуорофоры в подавляющем большинстве случаев представляют собой ароматические и гетероароматические фрагменты. Важным условием эффективности некоторых типов хемосенсоров является прямое связывание рецепторной и сигнальной групп, кроме того для спектрофотометрического и флуориметрического детектирования иногда полезно наличие в составе сигнальной субъединицы ароматической аминогруппы.

Палладий-катализируемое аминирование арилгалогенидов позволяет ковалентно связать полиаминовые или полиоксааминовые фрагменты и ароматические хромогенные и флуоресцентные группы, а при использовании дигалогенаренов и а,си-диаминов — создавать макроциклические соединения. При этом возможность варьирования ароматических и гетероароматических фрагментов, размера макроцикла, природы и количества донорных атомов в нем открывает широкие перспективы для целенаправленного синтеза хемосенсоров. В связи с этим настоящая работа посвящена разработке простого и эффективного способа синтеза новых азот- и кислородсодержащих макроциклов с использованием палладий-катализируемого аминирования дигалогенаренов, и исследованию их в детектировании ионов металлов.

Цель работы. Данная диссертационная работа посвящена разработке универсального метода синтеза азот- и кислородсодержащих макроциклических и макробициклических соединений, включающих фрагменты дизамещенных нафталина, бифенила, 2,2'-бипиридила, с использованием палладий-катализируемого аминирования дигалогенаренов линейными ди-и полиаминами, изучению зависимости выходов макроциклов от природы исходных веществ и условий реакций, созданию водорастворимых лигандов на основе аминоантрахинонов, сравнению комплексообразования лигандов, содержащих полиазамакроциклы и линейные полиамины, с катионами тяжелых металлов, с целью выявления селективных комплексообразователей для создания хромогенных хемосенсоров.

Научная новизна и практическая значимость работы. Разработан метод синтеза азот- и кислородсодержащих макроциклов методом палладий-катализируемого аминирования 2,7-дибромнафталина, 3,3'-дибромбифенила, 6,6'-дибром-2,2'-бипиридила с использованием линейных оксадиаминов и полиаминов. Найдены условия получения макроциклов, содержащих по два арильных и полиаминовых фрагмента. Исследовано N,N,N'¿4'-

тетраарилирование оксадиаминов 2,7-дибромнафталином, на основе полученных тетракис(бромнафтил)производных диаминов синтезированы макробициклические соединения. Разработан метод модификации макроциклов на основе 2,7-дизамещенного нафталина бромбензильными заместителями и осуществлен синтез разнообразных макроби-и макротрициклических соединений реакциями с ди- и полиаминами и диазакраун-эфирами. Исследовано комплексообразование бипиридилсодержащих макроциклов с катионами металлов с использованием спектрофотометрии, флуоресценцентной спектроскопии и спектроскопии ЯМР. Реакциями палладий-катализируемого аминирования галогенпроизводных антрахинона синтезированы линейные и циклические полиаминопроизводные антрахинона, на их основе получены водорастворимые полидентатные лиганды. С использованием спектрофотометрии и спектроскопии ЯМР проведено исследование комплексообразования ряда синтезированных лигандов на основе антрахинона с катионами тяжелых металлов в воде. С помощью спектрофотометрического и потенциометрического титрования определены константы устойчивости комплексов некоторых лигандов с катионами меди, свинца и кадмия, в результате найдены селективные комплексообразователи, способные служить хромогенными хемосенсорами на катионы меди и свинца в водных растворах.

Апробация работы. Материалы данной работы были представлены на российских и международных конференциях: XII Blue Danube Symposium on Heterocyclic Chemistry (Tihany, Hungary, 2007), XVth European Symposium on Organic Chemistry (Dublin, Ireland, 2007). International Conference on Organic Chemistry "Chemistry of Compounds with Multiple Carbon-Carbon Bonds" (С.-Петербург, 2008), Всероссийская конференции по органической химии RCOC, посвященная 75-летию со дня основания ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН (Москва, 2009), Международная конференция «Новые направления в химии гетероциклических соединений» (Кисловодск, 2009), CRC International Symposium "Cross-coupling & organometallics" (Москва, 2009), Всероссийская конференция «Итоги и перспективы химии элементоорганических соединений», посвященная 110-летию со дня рождения академика А.Н. Несмеянова (Москва, 2009), Rencontres Capteurs des Universités de Bourgogne et de Franche-Comté (Dijon, France, 2011), XIX EuCheMS Conference on Organometallic Chemistry (Toulouse, France, 2011), XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011).

Публикации. По данной работе опубликованы 6 научных статей, 2 главы в книгах и 12 тезисов докладов научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов, приложения и списка литературы. Работа изложена на 240 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 26 схем и 9 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 210 наименований. Работа выполнена при финансовой поддержке министерства иностранных дел Франции (стипендия PhD Правительства Франции), грантов РФФИ № 06-03-32376, 09-03-00735, программы ARCUS Bourgogne-Russie, интернациональной лаборатории CNRS LIA LAMREM. Во введении обоснована актуальность темы работы и сформулированы основные задачи исследования. В обзоре литературы даны классификация и сравнительный анализ методов оптического детектирования катионов металлов в растворах с помощью органических хемосенсоров.

Благодарности. Автор выражает особую благодарность кандидату химических наук Алле Бессмертных Лёмён и кандидату химических наук Алексею Дмитриевичу Аверину за помощь на всех этапах работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Работа состоит из двух основных частей, первая посвящена разработке методов синтеза азот-и кислородсодержащих макроциклов на основе дизамещенных нафталина, бифенила и бипиридила с помощью палладий-катализируемого аминирования соответствующих дибромаренов, во второй изучено комплексообразование бипиридилсодержащих макроциклов с катионами металлов и предложен синтетический подход для быстрого поиска эффективных хромогенных хемосенсоров на примере аминоантрахинонов для детектирования тяжелых металлов.

1. Синтез макроциклов на основе 2,7-дизамещенного нафталина.

Ранее в лаборатории ЭОС была показана возможность синтеза полиазамакроциклических соединений палладий-катализируемым аминированием некоторых дигалогенаренов и дигалогенгетероаренов: изомерных дибромбензолов, дибромпиридинов, 1,8- и 1,5-дихлорантраценов и дихлорантрахинонов. В настоящей работе основной упор сделан на синтез макроциклических соединений, содержащих в своем составе ненасыщенные фрагменты, которые могут служить сигнальными группами для флуориметрического или спектрофотометрического определения катионов металлов. Аминозамещенные нафталины — одна из таких групп, поэтому на первом этапе работы мы изучили возможность синтеза полиаза- и полиоксаазамакроциклов, содержащих 2,7-диаминонафтапиновый фрагмент.

Реакции между эквимольными количествами 2,7-дибромнафталина (2) и ди- и полиаминами 1Ь, с1—к проводили в присутствии 8 мольн. % каталитической системы Рс1(с1Ьа)2/ВШАР ((1Ьа = дибензилиденацетон, ВИЧАР = 2,2'-бис(дифенилфосфино)бинафтил), в качестве основания использовали тре/и-бутилат натрия, реакции проводили в разбавленных растворах в диоксане (С = 0,02 М) для подавления образования продуктов олигомеризации (Схема 1), при кипячении в течение 6-8 ч. Выделение продуктов реакции проводили с помощью колоночной хроматографии на силикагеле. Выходы целевых макроциклов 3, а также побочных макроциклических димеров 4, макроциклических олигомеров 5 и нециклических продуктов 6 представлены в Таблице 1.

Вг.

Вг

Н2М NN2 1Ь, ¿-к (1 экв.)

Рс^ЬаЫВШАР (8/9 мольн. %)

№ОШи диоксан, 100 °С

5Ь, И, I

Схема 1. Синтез макроциклов на основе 2,7-диаминонафталина.

Макроциклы 3 были получены в реакциях со всеми аминами, за исключением наиболее короткоцепного триамина 1Ь, в данном случае были выделены только циклический димер 4Ь и смесь циклических олигомеров 5Ь (оп. 1). Реакции с аминами 1(1,11 привели к образованию целевых макроциклов 3(1, Ь, но с низкими выходами (оп. 2, 6) из-за недостаточной длины цепи. Другие ди- и полиамины обеспечили выход макроциклов 3 с удовлетворительными для реакций макроциклизации выходами. Наилучший результат

(36 %) был достигнут при использовании наиболее длинноцепного триоксадиамина Ц (оп. 8). Для образования циклических димеров и олигомеров 4,5 и нециклических продуктов 6 не отмечено каких-либо закономерностей. Структуры макроцикла ЗГ (в виде азотнокислой соли) и макроцикла 3] (в виде сольвата с метанолом) подтверждены данными РСА. Таким образом, синтез макроциклов 3 возможен при достаточной (не менее 10 атомов) длине цепи полиаминов, и рост выходов в целом коррелирует с ростом длины цепи исследованных соединений.

Таблица 1. Синтез макроциклов 3<1-к. РсКс1Ьа)2/ВШАР 8/9 мольн. %, С = 0,02 М.

№ Использованный амин Выход8' Выход2' Выход"'

циклических циклических других

мономеров 3, % димеров 4, % продуктов, %

1 1Ь НгМ^^СЛ-Г^^^МНг ЗЬ,0 4Ь, 25 5Ь (п = 2), 10 5Ь (п = 2-6), 49 (смесь)

2 ы н2^"»^ын2 за, 9 - 6с1,5

3 Зе, 26 4е, 25 -

4 3£ 28 - 6П 18

5 19 4g.ll 58(П = 2),8

6 11. ЗЬ, 10 411, 32 511 (п = 2), 14

7 31,29 41, 16 51 (п = 2), 8

8 ц Н2М^Ьо-1з^Н2 36 - -

9 Зк, 28 4к, 8 5Ь (п = 2, 3), 24 (смесь)

здесь и далее приведены выходы всех соединений после хроматографического выделения.

В связи с тем, что циклические димеры 4 представляют большой интерес в качестве рецепторов для катионов металлов, было предпринято изучение способов их целенаправленного синтеза. Согласно первому подходу (Схема 2), первоначально были синтезированы Л',Л^-бис(бромнафтил)замешенные полиамины 6 при взаимодействии 2,2 экв. 2,7-дибромнафталина с 1 экв. ди- и полиаминов в более концентрированных растворах.

Н2М мн2 1е, М

"СО"

2 (2,2 экв.)

Рс^Ьа)2/1_ №0(Ви диоксан, 100 °С

N4 Ж

______^^ 4/4,5 мольн. %

Н2М'^ЧГ^Н N Н:

Рс1/В1МАР

Вг Вг

бе, 27 %; 6Ь, 27 %; 6), 37 %

гж нм

Вг Вг

711, 10 %; 7], 10 % Вг

1е

212,5 мольн. % . Ра/ХагфИоз

8е, 37 %; 811, 13 %; 81, 6

Схема 2. Синтез бис(бромнафтил)производных 6.

При этом в качестве катализатора в случае реакции с тетраамином 1е (С = 0,1 М) была использована стандартная каталитическая система Рс1(с1Ьа)2/В1ЫАР, в то время как в реакциях с оксадиаминами 1Ь, j оказалось необходимым применить в качестве лиганда ХатрИов (9,9-диметил-4,5-бис(дифенилфосфино)ксантен) и проводить аминирование в более разбавленном растворе (С = 0,05 М) для подавления протекания процессов диаминирования 2,7-дибромнафталина и Д',Л'-диарилирования первичной аминогруппы. Тем не менее, во всех трех случаях были выделены побочные продукты 7 и 8, образовавшиеся по указанным реакциям.

Синтезированные диарилпроизводные бе, Ь,] были введены в реакции макроциклизации с теми же полиаминами 1е, Ь, j (Схема 3), причем условия палладий-катализируемого аминирования были аналогичны таковым для однореакторного синтеза макроциклов 3. Наилучший выход циклического димера (28 %) был зафиксирован для производного триоксадиамина 4], причем в синтезе макроцикла Зj данное соединение не было выделено вообще. С другой стороны, выходы циклических димеров 4е, Ь оказались ниже, чем в случаях синтеза макроциклов Зе, Ь где данные димеры получались как побочные. В качестве побочных продуктов образовывались соотвествующие циклические олигомеры 5е, И,

N4 НКк

бе, И, 1

Н2Ы МН2

1е, И,) (1 экв.)

Рс|(с1Ьа)2/В1МАР (8/9 мольн. %)

МаОШи диоксан, 100 °С

N4 НЫ^

бе (п = 3), 11 %

(п = 3,5), 10% (п = 3, 5), 11%

4е, 21 %;4|1, 11 %;4], 28%

Схема 3. Синтез циклических димеров 4 аминированием бис(бромнафтил)производных 6.

Далее был изучен альтернативный метод синтеза циклических димеров 4, а именно, через промежуточное образование 2,7-бис(полиамино)замещенных нафталинов 9 (Схема 4). Реакции проводили с 4 экв. ди- и полиаминов 1Г, Ь, при концентрации дибромнафталина С= 0,1 М, в присутствии 4 мольн. % каталитических систем Рс1(с1Ьа)2/Ь. Образующиеся соединения 9 не выделяли в индивидуальном состоянии, а непосредственно вводили в реакции макроциклизации с 2,7-дибромнафталином.

^х^ ^х^ ^х^

Н2М ЫНг Н2М НЫ^^^^МИ мн2

М. 11, ] (4 экв.)

"XXX"

Рс1(аьа)2^ (4/4,5 мольн. %) МаОШи, диоксан, 100 °С

МН2 = ВМАР

ххг

И,) /л а'(и

^ мн2 1», м

2 (3 экв.)

' Рсцаьа^/ВШАР (8/9 мольн. %) №0/Ви, диоксан, 100 °С

51 (п = 2). 20% 5(1 (п = 2, 3), 21% 5] (п = 2-4), 25 %

ЗГ 19 Ч 31, 24

4Г, 22 %; 4Ь,10 %; 4), 30 %

Схема 4. Синтез циклических димеров 4 через бис(полиамино)замещенные нафталины 9.

При этом с наилучшим выходом (30 %) опять, как и в вышеописанном методе, был получен циклический димер 4j с двумя триоксадиаминовыми фрагментами. Также с выходом 22 % был синтезирован циклический димер который не был получен в качестве побочного при синтезе макроцикла ЗГ. Побочно образовавшиеся циклические олигомеры 5 были выделены во всех реакциях со сравнимыми выходами; кроме того, поскольку в реакционных смесях наряду с бисполиаминозамещенными нафталинами 9 присутствовал

избыток полиаминов 1, в результате последующей макроциклизации были получены и соответствующие макроциклические мономеры 3. В целом можно сделать вывод о применимости обоих подходов к синтезу циклических димеров 4, как через диарилированные полиамины 6, так и через бис(полиамино)производные 9.

2. Синтез макроциклов на основе 3,3'-дизамещенного бифенила.

Ранее в каталитическом синтезе полиазамакроциклов были подробно исследованы только реакции дигалогенаренов, в которых два атома галогена являются заместителями в одной ароматической системе. Для сравнения на следующем этапе работы изучены закономерности образования макроциклов с использованием дигалогенаренов, в которых каждый из атомов галогена находится в изолированном ароматическом ядре. В качестве объекта исследования был выбран 3,3'-дибромбифенил, в котором взаимное расположение атомов брома представлялось оптимальным для создания макроциклов. Реакции эквимольных количеств 3,3-дибромбифенила (10) и полиаминов 1а-к (Схема 5) проводили в условиях, аналогичных таковым для вышеописанного синтеза макроциклов на основе 2,7-дизамещенного нафталина (Рс1(с1Ьа)2/ВМАР (8/9 мольн. %), С = 0,02 М, т/;ста-бутилат натрия в качестве основания, кипячение в диоксане в течение 24-30 ч).

Н2М N42

1 а—к (1 экв.)

Рс1(с1Ьа)2/В1№Р (8/9 мольн. %)

№ОШи диоксан, 100 °С

X 13а-к

Схема 5. Синтез макроциклов на основе 3,3'-диаминобифенила.

Выходы продуктов реакций приведены в Таблице 2. Взаимодействие с наиболее короткоцепным триамином 1а (7 атомов в цепи) не привело к образованию соответствующего макроцикла, при этом был получен циклический димер 12а и смесь циклических олигомеров более высокой массы 13а (оп. 1). Начиная с триамина 1Ь (9 атомов в цепи), целевые макроциклы 11 образовывались с выходами от умеренных до хорощих (оп. 2 и далее). Наилучшие выходы макроциклов 11 (более 40 %) были достигнуты в реакциях с тетрааминами 1е, f (оп. 5, 6) и с оксадиаминами 3 (оп. 9-12), причем в случае диоксадиамина 1Ь выход был существенно увеличен за счет удвоения количества катализатора, а при взаимодействии с триоксадиамином Ц некоторое увеличение выхода было достигнуто при замене лиганда ВВДАР на ОауеРЬоз (2-дициклогексилфосфино-2'-диметиламинобифенил). Циклические димеры 12 были выделены в большинстве случаев с выходами до 25 %, а в реакции с диоксадиамином 1Ь был выделен и циклический тример 13Ь (п = 2) с выходом 16 % (оп. 9). В других реакциях циклические олигомеры 13 были получены только в смесях. Основной вывод, который можно сделать из полученных данных, — реакции палладий-катализируемого аминирования 3,3'-дибромбифенила приводят к большим выходам азот- и кислородсодержащих макроциклов за счет того, что два атома брома находятся в изолированных ароматических системах и замещение одного атома брома на донорную аминогруппу не сказывается на замещении второго атома брома.

Таблица 2. Синтез макроциклов lla-k. Pd(dba)2/BINAP 8/9 мольн. %, С = 0,02 М.

№ Использованный амин Выход циклических мономеров 11, % Выход циклических димеров 12, % Выход циклических олигомеров 13, %

1 .NH lia, 0 12a, 23 13a (n = 2-5), 38 (смесь)

2 lb lib,25 12b, 21 13b (n = 2-5), 23 (смесь)

3 lc H2N-i-NH-)rNH2 11c, 16 12c + 13c (n = 2), 18 (смесь)

4 ld H2N-Mh-)TNH2 lid, 26 12d, 8 12d + 13d (n = 2, 3), 27 (смесь)

5 lie, 44 12e, 25 12e + 13e (n = 2), 17 (смесь)

6 jf H2N"v(--^NH')$- NH2 llf, 41 12f + 13f (n = 2, 3), 19 (смесь)

7 lg H2N4-NH^-NH2 llg, 19 12g, 3 12g + 13g (n = 2), 12 (смесь)

8 lh H2N-i-0^rNH2 Uh, 19 12h, 12 -

9*) llh,40 12h,15 13h (n = 2), 16

10 J. H.N-^^O'V^NH, lli, 44 12i, 12 12i + 13i (n = 24), 18 (смесь)

11 jj llj, 38 12j, 12 12j + 13J (n = 24), 17 (смесь)

12ь) ц llj, 45 Щ21 12j + 13j (n = 2, 3), 9 (смесь)

13 lk H2N-HrNH2 Ilk, 32 12k, 22 13k (n = 2-4), 26 (смесь)

а) загрузка катализатора была увеличена вдвое; 0> использовали ОауеРЬоз вместо ВПЧАР

Далее мы исследовали возможности альтернативных подходов к целенаправленному синтезу циклических димеров 12. Согласно первому методу, первоначально синтезировали Л',Д''-бис(бромбифенил)замещенные полиамины 14 взаимодействием 2,2-3 экв. дибромбифенила 10 с полиаминами 1е, Н, j (Схема 6). Первоначально катализ осуществляли Pd(dba)2/BINAP (4 мольн. %), при этом в реакциях тетраамина 1е и триоксадиамина у были получены интересующие нас продукты 14е, j с выходами 26 и 21 %. Кроме того, были выделены соответствующие макроциклы Не, ] и олигомеры 15е, j образовавшиеся за счет реакций диаминирования дибромбифенила. В случае тетраамина 1е удалось повысить выход целевого продукта 14е до 34 % за счет использования 3 экв. дибромбифенила. Аналогичный подход не оказался успешным для реакций с оксадиаминами 1Ь, ] поскольку привел к образованию многочисленных побочных продуктов, однако при замене лиганда ВГЫАР на ХапСрЬов удалось получить соединение 14Ь с выходом 27 %, а выход диарилированного триоксадиамина 14] увеличился до 35 %.

Реакции макроциклизации с использованием соединений 14е, И, ] проводили в стандартных условиях (Схема 7) и их результат был сходным с таковым для синтеза циклических димеров на основе дизамещенного нафталина: выходы циклических димеров 12 составили 25-30 %, побочные циклические тетрамеры и гексамеры были выделены в виде смесей со сравнимыми выходами. В случае призводных диоксадиамина циклические олигомеры 13Ь были полностью отделены от целевого димера 12Ь, в то время как в двух других случаях циклические олигомеры не были полностью отделены от димеров, что в определнной степени снизило выход последних.

h2n nh2 h,l

~YJ

10 (2,2-3 ЭКВ.)

Pd(dba)2/L (4/4,5 мольн. %)

NaO/Bu диоксан, 100 °C

11e, 7 h 11j, 11 <

(L = BINAP, 2,2 экв. 10) , (L = BINAP, 2,2 экв. 10)

„NH2

14e, 26 % (L = BINAP, 2,2 экв. 10); 34 % (L = BINAP, 3 экв. 10) 14h, 27 % (L = Xantphos, 3 экв. 10)

14j, 21 % (L = BINAP, 2,2 экв. 10); 35 % (L = Xantphos, 3 экв. 10)

ын2 —

15е, 28 % (I. = ВШАР, 2,2 экв. 10); 32 % (I = ВМАР, 3 экв. 10) 15И, 5 % (I = ХаШрЬов, 3 экв. 10)

15), 11 % (I. = ВМАР, 2,2 экв. 10); 19 % (I. = ХагЛрЬоз, 3 экв. 10) Схема 6. Синтез бис(бромбифенил)производных 14.

h2n nh2

1e, h, j (1 экв.)

Pd(dba)2/BINAP (8/9 мольн. %)

NaO/Bu диоксан, 100 "С

13e (n = 3)

(в смеси с 12е), 28 % 13h (n = 3), 13%,

13h (n = 3, 5), 18% 13j (n = 3. 5) (в смеси с 12j), 48 %

14e, h, j

12е, 25 %; 12Ь, 27 %; 12], 30 %

Схема 7. Синтез циклических димеров 12 аминированием бис(бромбифенил)производных 14.

Согласно второму подходу (Схема 8), 3,3'-дибромбифенил 10 ввели в реакции с 4 экв. полиаминов 1е, И, при этом промежуточно образующиеся 3,3'-бис(полиамино)замещенные бифенилы 16е, Ь, з в индивидуальном состоянии не выделяли, их образование анализировали с помощью спектроскопии ЯМР и МА1Х)1-ТОР, и далее они были введены в реакции с 3 экв. дибромбифенила 10. Наилучший результат был получен для циклического димера 12Ь, который выделен с выходом 44 %, Во всех случаях дополнительно были получены макроциклы 11 с выходами до 40 %, что очень хорошо соответствует выходам этих же соединений при их целенаправленном синтезе (Схема 5, Табл. 2).

Н^ NN N4 N1-^

1е.М(4экв.) +

РауЫ^аЫАР^б ^ьн.*) 16е. И,] /„«„ 1вМ

N80(811, диоксан, 100 С смесь 1; 2

вг

а V

12е, 9 %; 12h, 44 %; 12j, 15 %

Схема 8. Синтез циклических димеров 12 через бис(полиамино)замещенные бифенилы 16.

Таким образом, продемонстрировано, что два альтернативных подхода к синтезу циклических димеров дают различные результаты для производных разных полиаминов, и в каждом случае требуется индивидуальный подбор метода.

3. Синтез макроциклов на основе 6,6'-дизамещенного 2,2'-бипиридила.

Производные 2,2'-бипиридила часто используются для флуоресцентного детектирования. В связи с этим актуальным является разработка удобных методов синтеза азот- и кислородсодержащих макроциклов, содержащих в своем составе данный гетероароматический фрагмент. Взаимодействие 6,6'-дибром-2,2'-бипиридила 17 с полиаминами 1Ь, (I—Г, Ь-к (Схема 9) проводили в стандартных условиях (Рс^ёЬаЬ/ВВДАР (8/9 мольн. %), 15-20 ч кипячения в диоксане при С = 0,02 М, трет-6утилат натрия в качестве основания).

Н2Ы 1МН2

1Ь, <М, М-К (1 экв.)

Рс1(<)Ьа)2/В1МАР (8/9 мольн. %)

№0/Ви диоксан, 100 "С

20Ь, сН, Ь-к

Схема 9. Синтез макроциклов на основе 6,6'-диамино-2,2'-бипиридила.

Данные о выходах полученных соединений приведены в Таблице 3. Из них следует, что выходы целевых макроциклов 18 в сильной степени зависят от длины полиамина 1. Так, наиболее корткоцепной триамин 1Ь обеспечил только 4 % выход соответствующего макроцикла 18Ь (оп. 1), тетраамины 1ё-Г по мере увеличения длины цепи давали макроциклы 18(1-Г с выходами от 10 до 29 % (оп. 2-4). Реакция с более короткоцепным диоксадиамином 1Ь привела снова к незначительному выходу макроцикла 18Ь (13 %, оп. 5), а более длинноцепные ди- и триоксадиамины и декандиамин И-к обеспечили выходы макроциклов до 48 % (оп. 6-8). Увеличение загрузки катализатора до 16 мольн. % не приводит к росту выходов макроциклов 18, использование каталитической системы Рё(с1Ьа)2/1)ауеРЬо8 неэффективно. Как и в ранее рассмотренных синтезах макроциклов, в большинстве случаев были получены как циклические димеры 19, так и смеси циклических олигомеров более высокой массы 20.

Далее была предпринята попытка целенаправленного синтеза циклических димеров 19 согласно двум вышеописанным методам. Оказалось, что способ, предполагающий промежуточное образование А^'-бис(галогенарил)производных полиаминов, в данном случае совершенно непригоден в с связи с невозможностью синтезировать указанные соединения. Согласно второму методу, взаимодействием 17 с 3 экв. полиаминов 1Ь, первоначально получали 6,6'-бис(полиамино)замещенные 2,2-бипиридилы 21, которые не выделяли в индивидуальном состоянии, а анализировали с помощью спектроскопии ЯМР и МАЫЛ-ТОР, причем их выходы были оценены примерно в 50% (Схема 10). Далее проводили макроциклизацию этих соединений с дибромбипиридилом, в результате чего были получены циклические димеры 19, однако их выходы были ниже, чем в реакции эквимольных количеств дибромбипиридила 17 с полиаминами (Таблица 3). Кроме того, были выделены и циклические олигомеры с большими массами 20. С другой стороны, в данном процессе были получены также макроциклы 18Ь, Ь-,), причем выходы соединений 18Ь, И составили 23 и 44 %,соответсвенно, что намного превышает их выходы в целенаправленном синтезе данных макроциклов и делает такой двухстадийный однореакторный метод хорошей альтернативой непосредственному синтезу данных соединений в одну стадию.

Таблица 3. Синтез макроциклов 18. Рс1(ёЬа)2/ВШАР 8/9 мольн. %, С = 0,02 М.

№ Использованный амин Выход Выход Выход

циклических циклических циклических

мономеров 18, % димеров 19, % олигомеров 20, %

1 1Ь —^Шг 18Ь, 4 19Ь + 20Ь (п = 2,3), 45 (смесь)

2а, ы Н2^МН~)рМН2 18(1,10 19(1, 6 20(1 (п = 2, 3), 18"' (смесь)

3 1е НгМ^^МН'^Г^МНг 18е, 20 19е, 15 -

4 Ш, 29 - -

5 18Ь, 13 1911, 20 20Ь (п = 2-5), 26"' (смесь)

6 181,47 191, 17 201 (п = 2-5), 22°' (смесь)

7 48 «У, 15 -

8 18к, 30 19к, 32 20к (п = 2, 3), 15 (смесь)

эксперимент с увеличением загрузки катализатора вдвое не привел к изменению результата ' содержит примеси линейных олигомеров

,Вг ^Х

н^ мн2

1Ь, И-КЗэкв.)

Рс1(с!Ьа)2/ВтАР (8/9 мольн. %) №ОШи, диоксан, 100 °С

Н2М N42

1Ь,|>-]

21Ь, Ь—] /ла(и

17 (2 экв.)/| /

NN N4

X-смесь1:1

Рс1(с!Ьа)2/ВШАР (8/9 мольн. %) №ОШи, диоксан, 100 "С

20Ь (п = 2, 3), 31 % 18Ь, 23 %

20И(п = 2), 4% 1811,44%

20! (п = 2, 3), 8 % 181,43%

20] (п = 2. 3), 11 % 18], 39%

м т

19Ь, 19 %; 19Ь, 8 %; 191, 9 %; 19], 12 % Схема 10. Синтез циклических димеров 19 через бис(полиамино)производные 21.

4. Тетраарилирование диаминов дибромнафталином и синтез макроциклов на их основе.

Показав возможность синтеза разнообразных макроциклов палладий-катализируемым аминированием дибромпроизводных нафталина, бифенила и бипиридила, мы опробовали несколько путей синтеза макробициклических соединений на основе 2,7-дизамещенного нафталина. Поскольку в лаборатории ЭОС уже была продемонстрирована возможность ДУУ-диарилирования ди- и полиаминов с использованием 1,3-дибромбензола и 2-бромпиридина, первоначально мы разработали метод исчерпывающего арилирования диаминов 1Ь-к 2,7-дибромнафталином (Схема 11).

22|1-к

Схема 11. Синтез Л',Л',Л'',ЛГ-тетракис(бромнафтил)производных диаминов 22.

Было обнаружено, что стандартная каталитическая система с использованием лиганда ВШАР совершенно неэффективна для этих целей, поскольку в результате взаимодействия диаминов 1Ь-к с избытком дибромнафталина 2 в достаточно концентрированных растворах происходит образование сложных смесей олигомеров за счет реакций Л/,А'-диарилирования диаминов и диаминирования 2,7-дибромнафтапина. Замена ВШАР на ХаШрИоз помогла решить проблему, при этом целевые тетрарилпроизводные 22Ь-к были получены с выходами 42-51 % (Таблица 4). Увеличению выхода соединений 22 способствует увеличение количества вводимого в реакции 2,7-дибромнафталина (оп. 1 и 2, 4 и 5, 6-8). Основной проблемой является отделение более высокомолекулярных полиарилированных олигомеров от целевых продуктов 22, что наиболее характерно для производных декандиамина 1к (оп. 6-8).

Таблица 4. Тетраарипирование а,си-диаминов 2,7-дибромнафталином (2). Рс1(<1Ьа)2/ХатрЬо5 4/4,5 мольн. %, С = 0,1 М.

№ Использованный диамин Кол-во экв. 2 Выход 22, %

1 4 22Ь, 17

2 6 22Ь, 42

3 6 221', 50

4 Ц н-^^Ьо^^т, 6 22), 32

5 8 22\, 48

6 1к н2м-И^Нг 4 22к, 43а)

7 1к н2м-И^Нг 6 22к, 51а>

8 8 22к, 42

а) содержит незначительную примесь олигомеров.

Первоначально синтезированные тетракис(7-бромнафт-2-ил)замещенные диамины 22Ь-к вводили в реакции с диаминами (1 экв.) для получения мономакроциклических соединений 23. Выходы данных соединений были весьма невысоки и не превышали 14 %, в связи с тем, что одновременно образовывались и макробициклические соединения 24. В большинстве случаев макроциклы 23 представляли собой смеси двух возможных региоизомеров А и В. Далее тетранафтилпроизводные диаминов 22И-к вводили в реакции с теми же диаминами (2 экв.) для получения макробициклических соединений 24 (Схема 12). Выходы целевых продуктов в данных реакциях (Таблица 5) оказались ниже, чем при синтезе макроциклов 3 (Схема 1), и не превысили 17 %. Кроме того, в большинстве случаев также образовывались смеси двух региоизомеров макробициклов А и В, неразделимые с помощью колоночной хроматографии.

1Н(1-2экв.)

. . Рй(йЬа)2/ОауеРЬо8 (/ ^ (8-9/16-18 мольн. %) №ОШи диоксан, 100 °С

23, 5-141

Вг Вг 22И-к

ж нй

^Х2"7 А 24ЬИ—к|

Схема 12. Синтез макроциклов 23 и 24 на основе тетранафтилпроизводных диаминов 22.

Таблица 5. Синтез макробициклов 24 из соединений 22. Р(1(с1Ьа)2/Ш\'еРЬоз 16/18 мольн. %, С = 0,02 М.

№ Соединение 22 Диамин, экв. Выход 24, % Соотношение А:В

1а> 22Ь 1Ь н^°ЧГнн21экв 24ЬЬ, 3 1:0

2 22Ь 24Ы1, 9

3 22Ь 24Ы, 14 1:1,3

4 22Ь 2411.]-,

5 221 24Ш, 4 1:0

6а) 221 24н, 14 1:2,3

7 221 Ц н^-^о-^мн^з^ 24Н, 13

8 22} ц Н^^сГ^Н^ 24Ц 17 1:2

9 22} ц 2экв> 24}}, 8 1:1

10а) 22к 241у, 3 1:2

11 22к 24к}, 10

12 22к 241д, 15

спектрально, в индивидуальном состоянии не выделен

Отнесение региоизомеров макробициклов 24, содержащих исключительно симметричные линкеры Гч'-Х'-И, осуществлено с помощью спектроскопии ЯМР 'Н в результате сопоставления химических сдвигов протонов нафталиновых колец и метиленовых групп СНгЫАгг с таковыми в моноциклических производных тетранафтилзамещенных диаминов 23, один из изомеров которых, А, содержит симметричный линкер М-Х'-Г>Г, а второй, В, содержит несимметричный линкер И-Х'-И.

Из данных, приведенных в Таблице 5, следует, что бициклические соединения 24 могут быть получены как при использовании 2 экв. диаминов 1, так и при использовании 1 экв. диаминов (оп. 3, 6, 11), и даже большее количество катализатора не во всех случаях непременно приводит к увеличению выхода бициклов: так, это имеет место в случае реакций тетранафтилпроизводного 22Ь с диоксадиамином 1И и производного 22к с триоксадиамипом 1] (оп. 1 и 2, 10 и 11), однако взаимодействие соединения 221 с диоксадиамином Н (1 экв., 8 мольн. % катализатора) обеспечило практически такой же выход макробицикла 241!, как и при использовании 2 экв. диамина и 16 мольн. % катализатора (оп. 6 и 7). Эти данные могут быть объяснены за счет увеличения образования побочных продуктов олигомерного строения при увеличении количества диамина и катализатора, в то время как недостаток диамина и катализатора приводят к образованию моноциклических продуктов, и оптимальный баланс достигается в каждом индивидуальном случае при разных условиях.

5. Синтез макробициклов на основе днбензилпроизводных макроциклов, содержащих 2,7-дизамещеиный нафталин.

Скромные результаты, достигнутые в синтезе макробициклических соединений вышеописанным методом, заставили нас искать более эффективный путь образования соединений такого рода. Согласно второму подходу, предварительно синтезированный макроцикл на основе 2,7-дизамещенного нафталина 3] модифицировали двумя бромбензильными заместителями с разным положением брома в бензольном кольце, при этом изомерные бис(бромбензил)производные о-, м-, п-25 были получены с практически количественными выходами (Схема 13).

го

Г V}

"ГгГ

СНгСуСНзСЫ, 25 "С 31 о-, м-, л-25, 90-100%

Схема 13. Лу\Л-дибензилирование макроцикла 3^ изомерными бромбензилбромидами.

Данные соединения вводили в реакции палладий-катализируемого аминирования с разнообразными ди- и полиаминами 1Ь—^ Ь,,), 1-р, включая адамантансодержащии диамины и диазакраун-эфиры (Схема 14).

г^о н/ йн, I J I )

Ч^^Х 1ЬЧМ'И"1ЭКВ)- ГТГУ! + ГЧ^'"

ТТ] ] Рс1(с1Ьа)г/В1ЫАР ¿К ¿К ¿К. к

х (8/9 мольн. %) I -й-мн Ны{- |1 [ |]

о-, м-, л-28 (2 экв.)

I -п-Вг Вг-г- II №0(Ви ^ ^у^ ^ ~

диоксан, 100 °С л 27

о-, м-25 о-, м-2еь-е, И, ], 1-р

Схема 14. Синтез макробициклов аминированием //,Л''-бис(бромбензил)производных 25.

Лучше всего реакции шли при использовании м-25, в Таблице 6 приведены данные о выходах макроби- и макротрициклических соединений м-26. Наилучшие выходы (до 35 %) достигнуты при использовании ди- и триоксадиаминов 1Ь, j (оп. 6, 7), три- и тетраамины 1Ь—Г обеспечили также приемлемые выходы макробициклов (оп. 1-5), а в реакциях с диазакраун-эфирами 11, т получены макротрициклические соединения (оп. 8, 9). С неплохими выходами синтезированы необычные макробициклы, содержащие фрагменты 1,3-дизамещенных адамантанов (оп. 10-12). Применение в данных реакциях 0-25 наложило определенные ограничения на геометрию полиаминов: реакции с линейными триамином 1Ь, диоксадиамином 1Ь и триоксадиамином 1] протекали обычным образом (оп. 13-15), в то время как взаимодействие с более пространственно затрудненным диаза-18-крауном-6 в качестве единственного продукта было получено соединение 27, образовавшееся в результате полного восстановления двух атомов брома в исходном о-25 (оп. 16). Наконец, по невыясненным пока причинам, использование шра-производного п-25 в реакциях с разнообразными ди- и полиаминами не привело к образованию желаемых макробициклов, в результате образовывались неразделимые смеси олигомеров.

Таблица 6. Синтез макробициклических соединений 26. РсКсШа^/ВЕЧАР 8/9 мольн. %, С = 0,02 М.

№ Использованный амин Выход соединений 26,% № Использованный амин Выход соединений 26,%

1 1Ь л-26Ь, 25 И Г^МНг 10 л<-261, 20

2 м-26с, 20

3 и Н2М-Мн-)>Н2 М-266, 20

4 1е м-26е, 14 12 м-26р,23

5 ж-26к, 19

6 м-26Ь, 33

7 м-26у 35 13 1Ь н.м'^мн^хн, о-26Ь, 19

8а) О „ NN НЫ 11 ^о^ м-261, 16 14 о-26Ь, 18

15 о-26у 27

9» Г мн нм 1ш л<-26т, 10 16а' Г° П NN NN 1т ^ 27,46

10а» ЫИ2 м-26п, 17 17 о-26, 8

а) использовали 16/18 мольн. % Рс1(ёЬа)2/ВауеРЬо5

Таким образом, модификация макроциклов лгта-бромбспзильными заместителями с последующим замыканием второго цикла с помощью палладий-катализируемого аминирования является удобными методом синтеза макробициклических соединений.

6. Комплексообразование макроциклов на основе бипиридила

с катионами металлов.

Изучение комплексообразования флуоресцентных бипиридилсодержащих макроциклов с катионами металлов было начато с макроциклами 18j и 19j.

При добавлении катионов гп2+, РЬ2+, Сс12+, Си2+, Со2+, №2+, к раствору 18] в

ацетонитриле происходит батохромный сдвиг максимума поглощения (рис. 1а), величина которого практически не зависит от природы катиона и составляет 40-50 нм. В спектрах флуоресценции также наблюдается сдвиг максимума полосы испускания в длинноволновую область, который составляет 50 нм для Ъх\'+, и около 100 нм для других катионов, при этом катионы Си2+, Со2+, №2+, Аё+, Нё2+ вызывают еще и значительное тушение флуоресценции

(рис1б). Таким флуоресценции.

образом, возможно распознавание катионов цинка по изменению

0.16-,

0.12

< 0.08

0.04-

0.00

18)

1 экв. Zn2* 1 экв. РЬ2* или 5 экв. Cd2* 1 экв. Си2* 1 экв. Со2* или Ni2* 10 экв. Ад* 1 экв. Нд2*

300 350 Я (нм)

350

(а)

450 500 Я(нм)

(б)

Рис. 1. Спектры поглощения (а) и флуоресценции (возбуждение при 355 нм) (б) макроцикла 18j до и после добавления перхлоратов металлов в MeCN. [18j] = 0,01 мМ.

Состав и строение комплексов в растворе ацетонитрила в системах Zn2+/18j и Zn2+/19j были определены с помощью спектрофотометрии и спектроскопии ЯМР.

При добавлении до 0,5 экв. Zn2+ к раствору 18j наблюдается последовательное изменение электронного спектра поглощения (ЭСП) с изобестической точкой при 355 нм, а при дальнейшем добавлении катионов цинка происходят небольшие изменения ЭСП, однако с изобестической точкой при 405 нм, что указывает на наличие в растворе комплексов разного состава. О существовании в растворе нескольких комплексов свидетельствует также форма графика Жоба (метод изомолярных серий) (Рис. 26). С помощью спектроскопии ЯМР *Н установлено, что в координации катиона цинка участвует только фрагмент бипиридила, в то время как триоксадиаминовая цепочка остается некоординированной, а также подтверждено, что в системе Zn2+/18j существует сложная смесь моно- и дилептических комплексов.

0.2 Рп(И)]

350 1(нм)

(а) (б)

Рис. 2. (а) Спектры поглощения макроцикла 18^ до и после добавления различного количества Хп2* в МеСМ [18]] = 0,07 мМ. (б) Зависимость АА от состава изомолярного раствора на длине волны 380 нм (график Жоба). [гп(П)]0бщ + [18,)]общ = 0,07 мМ.

Циклический димер 19), напротив, образует только один комплекс с катионами цинка состава 1:1,что было доказано с помощью спектрофотометрии и спектроскопии ЯМР. При добавлении Хп2+ к раствору 19] также наблюдается последовательно изменение ЭСП, однако в этом случае наблюдается только одна изобестическая точка при 360 нм (Рис. За), что указывает на наличие в растворе только одного комплекса. Это подтверждают данные спектроскопии ЯМР 'Н, кроме того, как и в случае макроцикла 18], в координации катиона цинка участвуют фрагменты бипиридила. Данные рентгеноструктурного анализа также подтверждают координацию обоих фрагментов 2,2'-бипиридила одной молекулы циклического димера 19] к катиону цинка (Рис. 36). При этом за счет жесткой структуры комплекса в его спектре ЯМР 'Н протоны метиленовых групп триоксадиаминовых звеньев неэквивалентны.

Рис. 3. (а) Спектры поглощения макроцикла 19] до и после добавления различного количества Хп2* в МеСМ. [19]] = 0,04 мМ. (б) Структура комплекса [2п19)]2+. Атомы водорода и противоионы не показаны.

7. Спектрофотометрическое и визуальное детектирование ионов металлов производными аминоантрахинонов.

Производные антрахинона давно известны в качестве важного класса красителей и комплексообразователей, поэтому существует определенный интерес к созданию оптических детекторов на их основе. В настоящей работе мы исследовали возможность создания хромогенных хемосенсоров на основе полиаминозамещенных антрахинонов. Палладий-катализируемое аминирование галогенантрахинонов полиаминами ранее уже было изучено совместными усилиями лаборатории ЭОС Химического факультета МГУ и Института молекулярной химии университета Бургундии, была показана возможность синтеза линейных и циклических моно- и диаминозамещенных производных антрахинона. Кроме того, предварительные работы показали, что водорастворимое макроциклическое соединение 41 эффективно для детектирования катионов свинца в водных растворах, поэтому в данной работе мы продолжили поиск селективных колориметрических детекторов катионов тяжелых металлов.

За помощь в проведении экспериментов по детектированию катионов металлов и измерению констант протонирования лигандов и констант стабильности комплексов автор выражает благодарность доктору Мишелю Мейеру и к.х.н. Елене Романовне Ранюк (университет Бургундии).

7.1. Синтез лигандов и детектирование металлов.

В качестве предшественников для создания водорастворимых лигандов мы использовали соединения 28 и 32, описанные ранее, а также синтезировали другие интересные полиаминозамещенные антрахиноны 29, 30, 31 и 33 с помощью палладий-катализируемого арилирования соответствующих полиаминов доступными галогенпроизводными антрахинона (l-хлор-, 1,8-дихлор-, 1,5-дихлор- и 2,3-дибромантрахиноны) в стандартных условиях (Pd(dba)2/BINAP, CS2CO3, диоксан).

30 (R = Н), б %

31 (R = Вг), 23 %

Дальнейшую /V-функционапизацию

NH О HN ^

33, 10%

этих соединений проводили в кипящем ацетонитриле с использованием бромпроизводных диэтилфосфонатов 34 и 35 и карбоната калия в качестве основания (Схема 15). При этом селективно проходило алкилирование первичных и вторичных алкил- и диалкиламиногрупп с образованием соединений 36-43, которые были выделены с выходами 45-72 %. Все синтезированные лиганды с фосфорильными группами обладают высокой растворимостью в воде, а их водные растворы интенсивно окрашены (log е = 3,5-4), что делает эти соединения перспективными для исследования спектрофотометрического и визуального детектирования катионов металлов в водных средах. Изучение детектирования было начато с нециклических соединений как более простых моделей.

(ЕЮЫО)Р

-*| (ЕЮЫО)Р

(ЕЮЫО)Р' (ЕЮЬ(О)Р'

(ЕЮ)2(0)Р^,^>

. 11 кУ

(ЕЮ)2(0)Р'

но ;

(В0)2(0)Р^.М

НК1'^ЙР(ОКОЕ1)2

3°

,р(0)(ОЕ()2

К2СОз СНзСЫ, 90 °С

от

J 0

NN О N

к^о ны—.Р(0)(0Е1)2 Н1^Р(0)(0Е()2 43, 45 %

Схема 15. Л'-алкилирование полиаминозамещенных антрахинонов соединениями 34 и 35.

Возможности по детектированию катионов металлов соединениями 36-43 были оценены визуально и с помощью спектрофотометрии в водных растворах при рН 7,4 (35 мМ НЕРЕЭ буфер). Были исследованы перхлораты 14 различных металлов: Ыа+, К+, Са2+, Ва2+, гп2+, А13+, РЬ2+, Сё2+, Си2+, Со2+, №2+, Ag+, Hg2+. При добавлении 1 экв. катионов к раствору лиганда 36 только в случае Си2+ обнаружено заметное изменение окраски с красной на синюю (Рис. 4а), происходящее вследствие батохромного сдвига максимума поглощения с 518 до 605 нм. В присутствии 100 экв. №2+ хорошо заметно изменение красной окраски на зеленую (Рис. 46) в связи с появлением трех новых максимумов поглощения при 395, 449 и 691 нм. Добавление 100 экв. А13+, Со2+, Ag+ и также приводит к изменению окраски, хотя и в разной степени (Рис. 46), а щелочные и щелочноземельные металлы и цинк практически не изменяют спектр поглощения лиганда.

Аналогично, при добавлении к раствору лиганда 37 1 экв. Си2+ цвет раствора меняется с красного на синий (Рис. 5а, в). Добавление к данному лиганду катионов других металлов даже в количестве 100 экв. практически не приводит к смещению полосы поглощения, кроме ионов которые вызывают изменение окраски на красно-оранжевую (Рис. 56). В связи с этим, визуальное детектирование меди может быть осуществлено в присутствии других катионов, только 10-кратный избыток А13+ и вызывает небольшое изменение спектра поглощения в системе Си2+/37.

При добавлении 1 экв. Си2+ в водный раствор лиганда 38 вновь наблюдается отчетливое изменение окраски с красной на синюю (Рис. 6а), что связано с батохромным сдвигом полосы поглощения на 93 нм в ЭСП лиганда. В отличие от лиганда 37, добавление 1 экв. РЬ2+ приводит к изменению цвета от красного до желто-розового за счет 42 нм гипсохромного сдвига полосы поглощения. В случае солей Сс12+ и Щ2+ изменения в цвете

существенно менее значимые, и могут быть замечены глазом только при добавлении боелее 10 экв. данных металлов (Рис. 66).

36 Н Na К Mg Са Ва Zn A1 Pb Cd Си Ni Со Ag Hg

1 экв. Си2' 100 экв. !ЧГ

(а)

36 Н Na К Mg Са Ва Zn Al Pb Cd Си Ni Со Ag Hg

iiiliiiiiiiilEil

(6)

300 400 500 600 700 800 A(HM)

(в)

Рис. 4. Изменение цвета хемосенсора 36 в присутствии 1 (а) и 100 (б) экв. различных катионов и (в) спектры поглощения его комплексов. [36] = 0,07 мМ.

37 Н Na К Mg Са Ва Zn Al Pb Cd Cu Ni Co Ag Hg

■ w

37 H Na К Mg Ca Ba Zn Al Pb Cd Си Ni Co Ag Hg

1.0-, 0.80.60.4 0.2

0.0

1 экв. Си "

300 400 500 600 700 800 Л (НМ)

(в)

Рис. 5. Изменение цвета хемосенсора 37 в присутствии 1 (а) и 100 (б) экв. различных катионов и (в) спектр поглощения его комплекса с медью. [37] = 0,11 мМ.

1-0-н -38

1 экв. РЬг<

(а) Ч

38 Н Na К Mg Са Ва Zn Al Pb Cd Cu Ni Co Ag Hg

500 600 Л (пт)

(б) (в)

Рис. 6. Изменение цвета хемосенсора 38 в присутствии 1 (а) и 100 (б) экв. различных катионов и (в) спектры поглощения его комплексов. [38] = 0,11 мМ.

Пределы обнаружения для меди и свинца лигандом 38 составляют 0,4 и 1,3 м.д. для невооруженного глаза. Эти значения могут быть уменьшены до 0,02 м.д. (615 нм) и 0,07 м.д. (480 нм) при использовании спектрофотометра. Разница в максимумах полос поглощения для меди и свинца составляет 135 нм, и данный лиганд можно использовать для одновременного количественного определения обоих металлов.

Для сравнения с 38 было исследовано влияние катионов металлов на ЭСП соединений 39 и 40. Оказалось, что 1 экв. РЬ2+ вызывает гипсохромный сдвиг максимумов поглощения обоих лигандов, составляющий 41 нм (Рис. 7в), что свидетельствует о координации ароматической аминогруппы с катионом свинца. В присутствии кадмия полоса поглощения 39 претерпевает серьезные изменения (Рис. 7в), что приводит к сильному обесцвечиванию раствора. Другие металлы вызывают лишь небольшие изменения окраски растворов и ЭСП (Рис 7а, б). Интересно, что добавление катионов меди приводит к небольшим гипсохромным сдвигам максимумов поглощения (18 нм для 39 и 8 нм для 40). Это означает, что в случае 1-аминозамещенных антрахинонов 36-38 карбонильная группа, находящаяся в пери-положении к ароматической аминогруппе, участвует в процессе, ответственном за значительный батохромный сдвиг.

40 К Мв Са Ва Ъп А1 Си N1 Со РЬ С<1 Нд

Л (нм)

(б) (в)

Рис. 7. Изменение цвета хемосенсоров 39 (а) и40 (б) в присутствии 1 экв. различных катионов и (в) спектры поглощения комплексов 39. [39] = 0,11 мМ.

Циклические лиганды 41 и 42 представляют собой 1,8-диаминозамещенные антрахиноны и имеют максимум поглощения при 570 нм, обеспечивающий синюю окраску их водных растворов. При добавлении 1 экв. РЬ2+ происходит изменение окраски на розовую, обусловленное гипсохромными сдвигами 45 и 30 нм, соответственно (рис 8). Катионы кадмия также вызывают гипсохромный сдвиг в обоих случаях, однако для полного связывания необходим по крайней мере 5-кратный избыток Сс12+. Добавление 1 экв. Си2+ вызывает появление дополнительной полосы поглощения с максимумом около 680 нм, что приводит к осветлению окраски растворов обоих лигадов. №2+, Со2+ и вызывали гипсохромный сдвиг максимума поглощения до 20 нм только при добавлении не менее 10-кратного избытка катионов.

X (нм) X (нм)

(а) (б)

Рис. 8. Спектры поглощения комплексов 41 (а) и комплексов 42 (б). [41] = 0,08 мМ. [42] = 0,08 мМ.

Циклический лиганд 43 на основе 1,5-диаминоантрахинона имеет максимум поглощения при 540 нм, вследствие чего его водный раствор окрашен в красный цвет. 20

Добавление 1 экв. Си2+ вызывает изменение окраски раствора на синюю (гипсохромный сдвиг максимума поглощения до 620 нм), в то время как добавление даже 100 экв. катионов других металлов вызывает лишь минорные изменения в ЭСП лиганда. Однако, в отличие от

37, добавление уже 2-кратного избытка существенно мешает определению катионов меди хемосенсором 43.

Далее была изучена селективность комплексообразования РЬ2+ в присутствии других катионов. К растворам лигандов 38, 41 и 42, содержащим 1 экв. РЬ2+, были добавлены различные количества других катионов. Наибольшее влияние на спектры поглощения комплексов со свинцом со всеми лигандами оказывают катионы меди, ртути и кадмия. При этом циклические хемосенсоры 41 и 42 проявили лучшую селективность, чем нециклический

38. Более того, 42 оказался несколько более эффективным, чем 41, что позволяет использовать его для детектирования катионов свинца в присутсвии 10 экв. А13+, Хп2+, Со2+, А§+ и 2 экв. №2+. На Рис. 9 показано изменение оптической плотности раствора, содержащего смесь 1:1 лиганда 42 и РЬ2+, при добавлении различных количеств других катионов на трех длинах волн (/(кор— оптическая плотность, исправленная с учетом разбавления при добавлении апиквот катионов металлов).

492 пт 542 пт 592 пт

Рис. 9. Кросс-селективность определения ионов свинца хемосенсором 42 в присутствии ионов других металлов.

7.2. Изучение протонирования лигандов и констант устойчивости комплексов.

Детальный потенциометрический и спектрофотометрический анализ комплексообразования лигандов 37, 38, 41 и 42 с катионами тяжелых металлов был проведен для наиболее интересных систем, результаты приведены в Табл. 7. Заметим, что константы протонирования данных соединений оказались неожиданно малы для третичных аминов (Табл. 7), что, по-видимому, связано с сильным электроноакцепторным действием амидофосфонатных заместителей. Такие величины означают, что в нейтральной среде протонирование не мешает комплексообразованию.

Константы устойчивости комлексов хемосенсоров 37, 38, 41 и 42 с катионами Си2+, СсГ и РЬ2+ были определены с использованием программ Нурегциас! 2006 и 8ресСп (Табл. 7). На основании полученных констант построены диаграммы распределения комплексов (Рис.10) с помощью программы Нувв. Эти диаграммы отражают процентное соотношение различных комплексов в зависимости от рН раствора и помогают сделать несколько важных выводов. Изменение красной окраски растворов 37 и 38 на синюю в присутствии катионов меди при рН = 7,4 возникает при образовании дважды депротонированного и монодепротонированного комплексов, соответственно (Рис. 10а, б). Депротонирование ароматической аминогруппы в присутствии Си2+ приводит к большому батохромному сдвигу максимума полосы поглощения.

По сравнению с [Си38]2+, константы устойчивости комплексов 38 с кадмием и свинцом меньше на два и один порядок, соответственно. Как следствие, только 45 и 85 % от общего количества С<1(11) и РЬ (П) связаны с хемосенсором в пределах рН от 4 до 7

(Рис. 10в, г). Однако область преобладания в смеси комплексов [Сс138]2+ и [РЬ38]2+ увеличена на 4 единицы рН по сравнению с [Си38]2+, так как для их депротонирования необходимы существенно более щелочные условия. По-видимому, депротонированию в комплексах свинца и кадмия подвергаются амидные группы, но не ароматическая аминогруппа. Циклические лиганды 41 и 42 обеспечивают более полное связывание катионов свинца вследствие больших констант устойчивости соответствующих комплексов (Рис. 10д, е).

Таблица 7. Константы протонирования (Кош) лигандов 37, 38, 41, 42 и константы устойчивости их комплексов (АГп-») с медью, кадмием и свинцом. / = 0,1 М КЖ)3. Г= 298,2(2) К.

Катион Константа 37 38 41 42

Н+ lOg^oil log Kqi2 l,95(2)a) l,92r) 2>U(1)6).B) 4,32(3)a) 4,39(3)b'-B' 5,67(2)"' 5,83r) 2,0(1)"' 2,2r) 5,57(4)® 2,5(1)® 5,26(2)°' 2,1(1)®

CuJ+ log ЛГцо log*,,., log Д i-i log Кц-2 log K\ i_3 -2,00(7)a) 4,98(4)a) -1,92(5)6) 5,07(2)6> 12,07(2)6) 6,53(9)a) 4,37(3)"' 2,16(8)a) 7,91(6)" 6,09(3)°' 4,28(2)6' 1,81(3)6' 8,14(2)® 11,43(4)®

Cd'+ log A"uo log/sfu-i log K\ l_2 4,20(8)"' 8,49(2)"' 9,80(4)"' 4,24(6)°' 8,44(6)® 10,11(3)®

log Km log/sTn-i log KU-2 5,5(1)"' 8,3(1)"' 9,5(2)"' 5,56(7)® 8,56(6)® 8,76(3)® 6,20(9)°' 8,5(3)® 9,0(2)® 5,83(2)°' 8,6(1)® 8,7(2)®

"' потенциометрические измерения; спектрофотометрические измерения;"' /= 0,1 М KCI r> 'Н и 13С ЯМР измерения в Н20Ю20 9:1 об.

(а) (б) (в)

(г) (д) (е)

Рис. 10. Диаграммы распределения комплексов 37 с Си2+ (а), 38 с Си2+ (б), 38 с Cd2+ (в), 38 с РЬ2+ (г), 41 с РЬ2+ (д), 42 с РЪ2+ (е). [L] общ. = [MCIDJoe,,,. = 0,1 мМ. /= 0,1 М KN03. Т= 298,2(2) К

ВЫВОДЫ:

1. С использованием палладий-катализируемого аминирования 2,7-дибромнафталина, 3,3'-дибромбифенила, 6,6'-дибром-2,2'-бипиридила линейными оксадиаминами и полиаминами синтезированы азот- и кислородсодержащие макроциклы с выходами до 45 %, установлена зависимость образования макроциклических мономеров, димеров и олигомеров от природы дагалогенаренов и длины цепи полиаминов.

2. Разработаны 2 альтернативных метода целенаправленного синтеза циклических димеров: через /У,/У'-бис(галогенарил)замещенные полиамины и через бис(полиамино)замещенные арены, установлено, что данные подходы дают различные результаты для производных различных дигалогенаренов и полиаминов, необходим индивидуальный подбор метода, в результате чего циклические димеры могут быть получены с выходами до 44 %.

3. Найдены условия Л',Л',Л",Л',-тетраарилирования оксадиаминов 2,7-дибромнафтапином, с использованием полученных тетракис(бромнафтил)производных синтезированы макробициклические соединения, содержащие по 4 нафталиновых и по три оксадиаминовых фрагмента; показано, что большинство данных макробициклов существуют в виде двух региоизомеров.

4. Практически с количественными выходами осуществлена модификация макроцикла на основе 2,7-диаминонафталина изомерными бензилбромидами, полученные соединения введены в реакции палладий-катализируемого аминирования с линейными ди- и полиаминами, а также диазакраун-эфирами, в результате чего синтезированы макроби- и макротрициклические соединения с выходами до 35 %, установлена зависимость выхода данных соединений от строения исходных Л',Л'-бис(бромбензил)производных макроцикла и природы ди- и полиаминов.

5. Исследовано комплексообразование бипиридилсодержащих макроциклов с катионами Хп1*, РЬ2+, Си2+, Со2+, №2+, Ag+, с использованием спектрофотометрии, флуоресцентной спектроскопии и спектроскопии ЯМР, методом РСА охарактеризован комплекс с 7х?+.

6. На примере производных антрахинона продемонстрированы возможности палладий-катализируемого аминирования для разработки хемосенсоров и оптимизации их селективности. Используя данную реакцию, удается ковалентно связывать выбранную сигнальную группу с широким набором рецепторов линейного и циклического строения. Это позволяет осуществить быструю и эффективную проверку большого числа лигандов.

7. Разработан высокоселективный колориметрический хемосенсор для качественного и количественного определения ионов меди в воде при физиологическом значении рН. С его помощью возможно визуальное определение катионов меди при концентрациях более 0.4 м.д. в присутствии 13 других металлов. Минимальная концентрация определения катионов меди может быть снижена до 0.02 м.д. при использовании УФ-спектрофотометра.

8. Разработан селективный хемосенсор для визуального определения катионов свинца в воде при концентрациях, превышающих 1.3 м.д.

9. Комплексообразование катионов меди, свинца и кадмия с наиболее селективными хемосенсорами изучено методами спектрофотометрии, потенциометрии и спектроскопии ЯМР. Определены константы устойчивости комплексов и обсуждены причины, вызывающих изменение цвета растворов хемосенсоров при добавлении катионов металлов. Доказана ключевая роль депротонирования ароматической амино группы для изменения цвета аминоантрахинонов в присутствии катионов меди. Показано, что изменение цвета растворов аминоантрахиноновых сенсоров в присутствии ионов свинца связано в первую очередь с координацией ароматического атома азота ионом металла.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. A.D. Averin, A.N. Uglov, I.P. Beletskaya. Synthesis of macrocycles comprising 2,7-disubstituted naphthalene and polyamine moieties via Pd-catalyzed amination. Chem. Lett. 2008,37,1074-1075.

2. A.D. Averin, A.N. Uglov, A.K. Buryak, I.P. Beletskaya. Facile synthesis of new polyazamacrocycles by the Pd-catalyzed amination of 3,3'-Dibromobiphenyl. Macroheterocycles 2009, 2 (3), 275-280.

3. A.D. Averin, A.N. Uglov, A.K. Buryak, A.G. Bessmertnykh, R. Guilard, I.P. Beletskaya. Synthesis of polyazamacrocycles comprising 6,6'-diamino-2,2'-bipyridine moieties via Pd-catalyzed amination. Heterocycles 2010, 80 (2), 957-975.

4. A.D. Averin, A.N. Uglov, A.K. Buryak, I.P. Beletskaya. Pd-catalyzed Amination of isomeric dibromobiphenyls: possibilities of one-step synthesis of macrocycles. Mendeleev Commun. 2010, 20 (1), 1-3.

5. A.D. Averin, A.N. Uglov, I.P. Beletskaya, A.G. Bessmertnykh, R. Guilard. Pd-Catalyzed arylation of polyamines. In: Advances in Chemistry Research, vol. 4. Ed. J. C. Taylor, Nova Science Pubs. 2010, 269-296. ISBN: 978-1-61668-743-4.

6. A.D. Averin, A.N. Uglov, A. Lemeune, R. Guilard, I.P. Beletskaya. Palladium-catalyzed amination of dihaloarenes: a simple and efficient approach to polyazamacrocycles. In: Heterocyclic Compounds: Synthesis, Properties and Applications Eds: K. Nylund and P. Johansson, Nova Science Pubs. 2010,119-146. ISBN: 978-1-60876-368-9.

7. A.N. Uglov, A.D. Averin, A.K. Buryak, I.P. Beletskaya. Pd-catalyzed amination of dibromobiphenyls in the synthesis of macrocycles comprising two biphenyl and two polyamine moieties. ARKIVOC 2011, viii, 99-122.

8. E. Ranyuk, A. Uglov, M. Meyer, A. Bessmertnykh Lemeune, F. Denat, A. Averin, I. Beletskaya, R. Guilard. Rational design of aminoanthraquinones for colorimetric detection of heavy metal ions in aqueous solution. Dalton Trans., 2011,40, 10491-10502.

9. Averin A.D., Ranyuk E.R., Shukhaev A.V., Uglov A.N., Beletskaya I.P. Synthesis of polyazamacrocycles via Pd-catalyzed amination of aryl halides. Abstracts of the XII Blue Danube Symposium on Heterocyclic Chemistry. June 10-13,2007, Tihany, Hungary, 52.

10. Averin A.D., Ranyuk E.R., Shukhaev A.V., Uglov A.N., Beletskaya I.P. Palladium-catalyzed amination in the synthesis of polyazamacrocycles. Abstracts of the XV European Symposium on Organic Chemistry. July 8-13,2007, Dublin, Ireland.

11. Uglov A.N., Averin A.D., Beletskaya I.P. Palladium-catalyzed amination of dibromobiphenyls and 2,7-dibromonaphthalene in the synthesis of polyazamacrocycles. Abstracts of International Conference on Organic Chemistry "Chemistry of Compounds with Multiple Carbon-Carbon Bonds". June 16-19, 2008, St-Petersburg, 170.

12. Углов A.H., Аверин А.Д., Белецкая И.П. Синтез полиазамакроциклов палладий-катализируемым аминированием дибромбифенилов. Тезисы первой Международной конференции «Новые направления в химии гетероциклических соединений». Кисловодск, 3-8 мая 2009 г., 462.

13. Аверин А.Д., Углов А.Н., Лёмён А., Гиляр Р., Белецкая И.П. Палладий-катализируемое аминирование в синтезе полиазамакроциклов, содержащих фрагменты 2,7-дизамещенного нафталина. Тезисы первой Международной конференции «Новые направления в химии гетероциклических соединений». Кисловодск, 3-8 мая 2009 г., 238.

14. Uglov A.N., Averin A.D., Beletskaya I.P. Palladium catalysis in the synthesis of new polyazamacrocycles with biphenyl, naphthalene and bipyridine spacers. Abstracts of the V CRC International Symposium in Moscow on Cross-Coupling and Organometallics. September 18, 2009, Moscow, 66.

15. Углов А.Н., Аверин А.Д., Лёмён А., Гиляр Р., Белецкая И.П. Папладий-катализируемое аминирование в синтезе полиазамакроциклов, содержащих фрагменты бифенила, нафталина и 2,2'-бипиридила. Тезисы Всероссийской конференции «Итоги и перспективы химии элементоорганических соединений», посвященной 110-летию со дня рождения академика А.Н. Несмеянова. Москва, 28 сентября - 2 октября 2009 г., 307.

16. Аверин А.Д., Углов А.Н., Белецкая И.П. Тетраарилзамещенные диамины и синтез бисмакроциклов на их основе. Тезисы Всероссийской конференции по органической химии RCOC, посвященной 75-летию со дня основания ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН. Москва, 25-30 октября 2009 г., 81.

17. Углов А.Н., Аверин А.Д., Белецкая И.П., Lemeune A., Guilard R. Полиазамакроциклы, содержащие фрагменты дизамещенных бифенила и бипиридина. Тезисы Всероссийской конференции по органической химии RCOC, посвященной 75-летию со дня основания ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН. Москва, 25-30 октября 2009 г., 415.

18. Uglov A., Meyer M., Averin A., Lemeune A., Beletskaya I., Guilard R. Aminoanthraquinone-based chemosensors for colorimetric detection of heavy metal ions in aqueous solution. Rencontres Capteurs des Universités de Bourgogne et de Franche-Comté et Journée annuelle du Club des Micro-Capteurs Chimiques. May 18-19, 2011, Dijon, France, 19.

19. Uglov A., Averin A., Beletskaya I.P., Bessmertnykh Lemeune A., Guilard R. Synthesis of fluorescent aza-oxa macrocycles using palladium catalized amination of dihaloarenes. Abstracts of XIX EuCheMS Conference on Organometallic Chemistry. July 3-7, 2011, Toulouse, France, 202.

20. Зубриенко Г.А., Углов A.H., Аверин А.Д., Бессмертных Лёмён А., Гиляр Р., Белецкая И.П. Азот- и кислородсодержащие макрополициклы, содержащие фрагменты нафталина и бифенила. XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Волгоград, 25-30 сентября 2011 г., 1, 213.

Заказ № 14-а/11/2011 Подписано в печать 02.11.2011 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,2

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; е-тай: info@cfr.ru

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата химических наук, Углов, Алексей Николаевич

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. Оптическое детектирование ионов металлов в растворах с помощью молекулярных детекторов.

2.1. Роль и методы детектирования.

2.2. Оптические хемосенсоры и хемодозиметры.

2.2.1. Ионофоры для катионов металлов.

2.2.2. Сигнальные механизмы оптических хемосенсоров.

2.2.3. Основные подходы к хемодозиметрам.

2.3. Детектирование ионов металлов.

2.3.1. Детектирование Ъп

2.3.2. Детектирование Си

2.3.3. Детектирование РЬ

2.3.4. Детектирование С<32+.

2.3.5. Детектирование

§2+.

2.4. Синтетические подходы к созданию хемосенсоров.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

3.1. Синтез макроциклов на основе 2,7-дизамещенного нафталина.

3.1.1. Макроциклы, содержащие по одному фрагменту 2,7-дизамещенного нафталина и полиамина.

3.1.2. Макроциклы, содержащие по два фрагмента 2,7-дизамещенного нафталина и полиамина (циклические димеры).

3.2. Синтез макроциклов на основе 3,3-дизамещенного бифенила.

3.2.1. Макроциклы, содержащие по одному фрагменту 3,3-дизамещенного бифенила и полиамина.

3.2.2. Макроциклы, содержащие по два фрагмента 3,3-дизамещенного бифенила и полиамина (циклические димеры).

3.2. Синтез макроциклов на основе 6,б'-дизамещенного 2,2'-бипиридила.

3.4. Тетраарилирование диаминов дибромнафталином и синтез макроциклов на их основе.

3.4.1. Л^-диарилирование макроциклов на основе 2,7-диаминонафталина и 3,3'-диаминобифенила.

3.4.2. Тетраарилирование диаминов 2,7-дибромнафталином.

3.4.3. Синтез макробициклов на основе

ЛУ^Л/УУ'г-тетракис(7-бромнафт-2-ил)замещенных диаминов.

3.5. Синтез макробициклов на основе дибензилпроизводных макроциклов.

3.5.1. Макробициклы, содержащие фрагмент 2,7-диаминопафталина.

3.5.2. Макробициклы, содержащие фрагмент 3,3'-диаминобифенила.

3.6. Комплексообразование макроциклов на основе бипиридила с катионами металлов.

3.7. Линейные и циклические полиазалиганды, содержащие фрагменты антрахинона.

3.7.1. Синтез антрахинонсодержащих лигандов.

3.8. Спектрофотометрическое детектирование ионов металлов антрахинонсодержащими полиазалигандами.

3.8.1. Детектирование ионов металлов.

3.8.2. Исследование протонирования лигандов.

3.8.3. Исследование комплексообразования ионов меди, свинца и кадмияс лигандами 65, 66, 46 и 73.

3.8.3. Исследования координации лиганда 66 с ионами свинца с помощью спектроскопии ЯМР.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

4.1. Синтез макроциклов на основе 2,7-дизамещенного нафталина.

4.2. Синтез циклических димеров на основе 2,7-дизамещенного нафталина.

4.3. Синтез макроциклов на основе 3,3'-дизамещенного бифенила.

4.4. Синтез циклических димеров на основе 3,3'-дизамещенного бифенила.

4.5. Синтез макроциклов на основе 6,6'-дизамещенного 2,2'-бипиридила.

4.6. Синтез циклических димеров на основе 6,6'-дизамещенного 2,2'-бипиридила.

4.7. Синтез N,N,А^',А^'-тетракис(7-бром-2-нафтил)производных аг,ш-диаминов.

4.8. Синтез макробициклов на основе тетранафтилзамещенных а,ш-диаминов.

4.9. Синтез макробициклов на основе дибензилпроизводных нафталинсодержащего макроцикла.

4.10. Синтез макробициклов на основе дибензилпроизводных бифенилсодержащих макроциклов.

4.11. Синтез полиазалигандов, содержащих фрагменты антрахинона.

4.12. Спектрофотометрическое детектирование ионов металлов антрахинонсодержащими полиазалигандами.

5. ВЫВОДЫ.

Введение диссертация по химии, на тему "Синтез макроциклов с ароматическими фрагментами и их применение в детектировании катионов металлов"

Дизайн и синтез молекулярных систем абиотической природы, способных распознавать различные молекулы или ионы, представляют значительный интерес в современной химии. Детектирование катионов металлов, например, применяется в таких областях, как диагностика и лечение заболеваний, клиническая токсикология, оценка техногенного загрязнения окружающей среды, контроль и утилизация промышленных отходов. Молекулярные сенсоры, основанные на обратимом изменении цвета или спектров флуоресценции в присутствии аналита (объекта детектирования) особенно привлекательны, поскольку они могут быть использованы для экспресс-анализа и в качестве основных компонентов при разработке тест-полосок, портативных оптоволоконных устройств, коммерческих индикаторов. Эти молекулы должны обеспечивать эффективное связывание субстрата, давать интенсивный отклик на это связывание и, по возможности, быть водорастворимыми, так как большинство прикладных случаев использования относится к водным растворам. Поскольку необходимо объединить эти свойства в одну молекулу, разработка оптимальных хемосенсоров — сложная синтетическая задача, которая обычно осуществляется с использованием многостадийных методик.

Палладий-катализируемое аминирование арилгалогенидов позволяет ковалентно связать полиаминовые или полиоксааминовые фрагменты и ароматические хромогенные и флуоресцентные группы, а при использовании дигалогенаренов и ос,«-диаминов — создавать макроциклические соединения. При этом возможность варьирования ароматических и гетероароматических фрагментов, размера макроцикла, природы и количества донорных атомов в нем открывает широкие перспективы для целенаправленного синтеза хемосенсоров. В связи с этим настоящая работа посвящена разработке простого и эффективного способа синтеза новых азот- и кислородсодержащих макроциклов с использованием палладий-катализируемого аминирования дигалогенаренов, и исследованию их в детектировании ионов металлов.

Данная диссертационная работа посвящена разработке универсального метода синтеза азот- и кислородсодержащих макроциклических и макробициклических соединений, включающих фрагменты дизамещенных нафталина, бифенила, 2,2'-бипиридила, с использованием палладий-катализируемого аминирования дигалогенаренов линейными ди- и полиаминами, изучению зависимости выходов макроциклов от природы исходных веществ и условий реакций, созданию водорастворимых лигандов на основе аминоантрахинонов, сравнению комплексообразования лигандов, содержащих полиазамакроциклы и линейные полиамины, с катионами тяжелых металлов, с целью выявления селективных комплексообразователей для создания хромогенных хемосенсоров.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Оптическое детектирование ионов металлов в растворах с помощью молекулярных детекторов

Заключение диссертации по теме "Химия элементоорганических соединений"

5. ВЫВОДЫ.

2. Разработаны 2 альтернативных метода целенаправленного синтеза циклических димеров: через Л^У-бис(галогенарил)замещенные полиамины и- через бис(полиамино)замещенные арены, установлено, что данные подходы дают различные результаты для производных различных дигалогенаренов и полиаминов, необходим индивидуальный подбор метода, в результате чего циклические димеры могут быть получены с выходами до 44 %.

3. Найдены условия ЛУУу/УУУ-тетраарилирования оксадиаминов 2,7-дибромнафталином, с использованием полученных тетракис(бромнафтил)производных синтезированы макробициклические соединения, содержащие по 4 нафталиновых и по три оксадиаминовых фрагмента; показано, что большинство данных макробициклов существуют в виде двух региоизомеров.

4. Осуществлена модификация макроциклов на основе 2,7-диаминонафталина и 3,3-диаминобифенила изомерными бензилбромидами, полученные соединения введены в реакции палладий-катализируемого аминирования с линейными ди- и полиаминами, а также диазакраун-эфирами, в результате чего синтезированы макроби- и макротрициклические соединения с выходами до 35 %, установлена зависимость выхода данных соединений от строения исходных Д(Аг'-бис(бромбензил)производных макроциклов и природы ди- и полиаминов.

5. Исследовано комплексообразование бипиридилсодержащих макроциклов с катионами РЬ2+, Си2+, Со2+, М2+, Аё+, Нё2+ с использованием спектрофотометрии, флуоресцентной спектроскопии и спектроскопии ЯМР, методом РСА охарактеризован комплекс с