Синтез новых фосфорсодержащих каликсаренов на основе α-фосфонийзамещенных ацеталей и тиофосфорилированных бензальдегидов

Соколова, Виктория Ивановна

Синтез новых фосфорсодержащих каликсаренов на основе α-фосфонийзамещенных ацеталей и тиофосфорилированных бензальдегидов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.08 ВАК РФ

Соколова, Виктория Ивановна АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Синтез новых фосфорсодержащих каликсаренов на основе α-фосфонийзамещенных ацеталей и тиофосфорилированных бензальдегидов»

Автореферат диссертации на тему "Синтез новых фосфорсодержащих каликсаренов на основе α-фосфонийзамещенных ацеталей и тиофосфорилированных бензальдегидов"

На правах рукописи

СОКОЛОВА ВИКТОРИЯ ИВАНОВНА

СИНТЕЗ НОВЫХ ФОСФОРСОДЕРЖАЩИХ КАЛИКСАРЕНОВ НА ОСНОВЕ а-ФОСФОНИЙЗАМЕЩЕННЫХ АЦЕТАЛЕЙ И ТИОФОСФОРИЛИРОВАННЫХ БЕГОАЛЬДЕГИДОВ

02.00.08 - Химия элементоорганических соединений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

і ¿013

£107

? I

КАЗАНЬ-2013

005535501

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Бурилов Александр Романович

доктор химических наук, профессор кафедры органической химии Казанского (Приволжского) федерального университета Стойкое Иван Иванович

доктор химических наук, профессор кафедры органической химии Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Зык Николай Васильевич

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный

технологический университет растительных полимеров

Защита диссертации состоится 13 ноября 2013 года в 11 час, на заседании диссертационного совета Д 022.005.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук по адресу: 420088, г. Казань, ул. Арбузова, 8, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук.

Отзывы на автореферат (в 2х экземплярах) просим направлять по адресу: 420088, г. Казань, ул. Арбузова, 8, ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН.

Автореферат разослан 11 октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук

А.В. Торопчина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В настоящее время наблюдается тенденция углубленного изучения макроциклических соединений, таких как каликсарены, циклодексгрины и кукурбитурилы, что основано на широких возможностях их практического применения. Одним из актуальных и перспективных направлений является их использование в качестве катализаторов различных органических реакций. Особое внимание в этой сфере уделяется каликсаренам, обладающим уникальной способностью участвовать в инклюзивных взаимодействиях типа «гость - хозяин». Наличие у этих макроциклов нескольких реакционных центров позволяет вводить различные функциональные заместители и в значительной степени изменять селективность и эффективность связывания разнообразных субстратов. Будучи доступными и нетоксичными, эти макроциклы уже давно используются для дизайна молекулярных рецепторов и полидентантных лигандов, но лишь недавно они были предложены в качестве строительных блоков для создания мультифункциональных моделей ферментов.

Пристальный интерес в качестве объектов исследования вызывают фосфорсодержащие каликсарены и, в частности, каликс[4]резорцины, которые благодаря наличию эффективных центров координации способны селективно распознавать и разделять ионы тяжелых и переходных металлов, в большинстве своём токсичных и загрязняющих окружающую среду. В литературе достаточно подробно представлены методы введения фосфорсодержащих фрагментов по гидроксильным группам каликс[4]резорцинов и до недавнего времени практически не были разработаны синтетические приемы, позволяющие вводить фосфорсодержащие группы к узловым атомам углерода каликсареновой матрицы. Последнее направление получило развитие в работах, проводимых в лаборатории Элементоорганического синтеза ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН. В частности, был предложен оригинальный одностадийный метод синтеза каликс[4]резорцинов и каликс[4]пиридина, содержащих фосфорорганические группы в узловых атомах углерода каликсареновой платформы, основанный на взаимодействии различных фосфонацеталей, этоксивинилфосфонатов с резорцином, его производными и гидрохлоридом 2,6-дигидроксипиридина. Отличительной особенностью этих соединений является нестабильность в водных растворах, связанная с гидролизом алкоксильных групп при атоме фосфора. Поэтому важной и актуальной задачей является дальнейшее развитие методов синтеза макроциклических соединений (каликс[4]резорцинов, каликс[4]пиридинов, порфиринов), содержащих в составе молекулы устойчивые к гидролизу фосфорорганические фрагменты.

Целью диссертационной работы являлось исследование реакций различных а-фосфонийзамещенных ацеталей и тиофосфорилированных производных орто-, мета- и иора-гидроксибенз альдегидов с резорцином и его производными, гидрохлоридом 2,6-дигидроксипиридина, пирролом, направленное на разработку оригинальных методов синтеза новых фосфорсодержащих макроциклов -каликс[4]резорцинов, каликс14]пиридинов и порфиринов.

в результате которой получены фосфониевые соли диарилэтанового строения. На их основе изучены реакции 0-алкилирования и С-аминоалкилирования, позволившие разработать методы синтеза различных фосфониевых солей, содержащих в составе молекулы 2,2-диарилэтильные фрагменты. В результате конденсации бромида [2,2-бис-(2,4-дигидрокси-3-метилфенил)этил]-трисморфолинофосфония и бромида [2,2-бис-(2,4-дигидрокси-3-метилфенил)этил]-триспиперидинофосфония с пропаналем осуществлен синтез первых представителей каликс[4]резорцинов нового типа с чередующимися (этильными и фосфониевыми) заместителями. Разработаны простые и удобные методы синтеза новых фосфорсодержащих каликс[4]резорцинов, основанные на конденсации тиофосфорилированных производных орто-, мета- и лара-гидроксибензальдегидов с резорцином и его производными, позволяющие получать гссс- и rctt-изомеры в индивидуальном виде. Установлено, что тиофосфорилированные каликс[4]резорцины в конформации конус с гссс-конфигурацией заместителей способны вступать в реакции Манниха и О-алкилирования, что позволило синтезировать С-аминоалкилированные и О-октапропаргилированные по верхнему ободу молекулы производные каликс[4]резорцинов. Показано, что при взаимодействии гидрохлорида 2,6-дигидроксипиридина с 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2-диоксафосфоринаном в среде хлороформа в присутствии трифторуксусной кислоты сгереоселективно образуется гссс-изомер каликс[4]пиридина, содержащего в составе молекулы четыре тиофосфорильных фрагмента. Установлено, что конденсация пиррола с 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2-диоксафосфоринаном в условиях кислотного катализа приводит к образованию первого представителя л<езо-замещенного порфирина, имеющего Р=8-содержащие фрагменты в составе ароматических заместителей.

Практическая значимость работы. Разработаны методы синтеза новых фосфорсодержащих макроциклических соединений". каликс[4]резорцинов с чередующимися (этильными и фосфониевыми) заместителями, а также каликс[4]резорцинов, каликс[4]пиридина и мезо-порфирина, содержащих в составе молекулы четыре тиофосфорильных фрагмента. Установлено, что каликс[4]резорцины, содержащие фосфониевые группы, проявляют выраженные поверхностно-активные свойства (ККМ = 1.5-10"4 моль/л), сравнимые с характеристиками большинства известных поверхностно-активных веществ (ПАВ). Показано, что никелевьге комплексы новых тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов в конформациях кресло и конус с retí- и /гсс-конфигурацией заместителей, соответственно, являются эффективными катализаторами процессов электровосстановления водорода из трифторуксусной кислоты, работающими при потенциалах порядка -1.0 В с максимальным числом оборотов каталитического цикла (TOF), равным 109000 с'1.

Публикации и апробация работы. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 статей в центральных российских и зарубежных научных журналах, 6 тезисов докладов на российских и международных конференциях. Положения диссертации докладывались и обсуждались на International Symposium «Advanced Science in Organic Chemistry» (Crymea, 2010), XIV Молодежной конференции no органической химии (Екатеринбург, 2011), I Всероссийском симпозиуме по поверхностно-активным веществам «От коллоидных систем к нанохимит (Казань,

2011), Международном конгрессе по органической химии (Казань, 2011), VI Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев 2012» (Санкт-Петербург, 2012), V Международной научно-практической конференции «Теоретические и практические аспекты развития современной науки» (Москва, 2012).

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 166 страницах машинописного текста, включающего 6 таблиц, 30 рисунков и состоит из введения, трех глав, выводов и списка использованных источников, состоящего из 213 наименований. Первая глава включает литературный обзор, в котором проведен анализ методов синтеза некоторых макроциклических соединений и их применения в качестве катализаторов различных химических реакций. Во второй главе представлены результаты собственных исследований: конденсация а-фосфонийзамещенных ацеталей и тиофосфорилированных производных орто-, мета-и т7ра-гидроксибензальдегидов с резорцином и его производными, гидрохлоридом 2,6-дигидроксипиридина и пирролом, а также представлены результаты исследований некоторых химических свойств и практического применения полученных фосфорсодержащих каликс[4]резорцинов. Третья глава посвящена описанию экспериментальной части работы.

Работа выполнена в лаборатории Элементоорганического синтеза Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук в соответствии с научным направлением Института по бюджетной теме «Дизайн рецепторных и амфифильных макроциклических соединений и создание многофункциональных супрамолекулярных структур и наночастиц» (№ гос. регистрации 01201157530). Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (гранты 08-03-00512-а, 11-03-00416-а, 12-0331002), грантом президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых МК-919.2009.3.

Личный вклад автора. Экспериментальные данные, приведенные в диссертационной работе, получены автором лично и при его непосредственном участии. Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность и признательность своему научному руководителю д.х.н., профессору Бурилову А.Р. за чуткое руководство и всестороннюю поддержку. Автор выражает благодарность н.с. лаборатории Элементоорганического синтеза (ЭОС) ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН. к.х.н. Князевой И.Р., принимавшей активное участие при выполнении и обсуждении данной диссертационной работы. Автор выражает благодарность сотрудникам лаборатории Дифракционных методов ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН за проведение рентгеноструюурного анализа, сотрудникам лаборатории Молекулярной спектроскопии за помощь в интерпретации ИК-спектров, коллективу лаборатории спектроскопии ЯМР за помощь в проведении ЯМР-экспериментов и обсуждении полученных результатов, а также д.х.н. Будниковой Ю.Г., асп. Хризанфоровой В.В., д.х.н. Захаровой Л.Я., асп. Вагаповой Г.И., д.х.н. Латыпову Ш.К., к.х.н. Сякаеву В.В., д.х.н. Губайдуллину А.Т., асп. Габидуллину Б.М. за плодотворное сотрудничество и помощь в выполнении работы. Автор благодарит всех сотрудников лаборатории ЭОС ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН за поддержку.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В последнее десятилетие особое внимание уделяется фосфорсодержащим каликсаренам, в частности, каликс[4]резорцинам, которые благодаря наличию дополнительных координационных центров, способны селективно распознавать и разделять органические молекулы и ионы тяжелых и переходных металлов. Введение функциональных групп в состав каликсаренового остова позволяет в широком диапазоне изменять эффективность и селективность связывания разнообразных субстратов, варьировать размер их гидрофобной полости, а также улучшать растворимость этих соединений в органических растворителях и воде. Например, водорастворимые фосфониевые каликсарены могут выступать в качестве конкурентоспособных ПАВ и перспективных материалов при создании ионоселективных электродов на основе полимерных мембран. В отличие от типичных ПАВ, каликсарены способны образовывать агрегаты не только за счет гидрофобного эффекта, но также инклюзивных взаимодействий, предполагающих участие полости. Кроме того, возможность существования их в различных конформациях позволяет фиксировать требуемую пространственную ориентацию центров связывания. Опубликовано множество работ, посвященных синтезу модифицированных каликс[4]резорцинов путем введения функциональных групп по гидроксильным группам (О-фосфорилирование) или по незамещенному ор/яо-положению относительно гидроксильных групп (С-фосфорилирование). В тоже время практически не разработаны синтетические подходы, позволяющие вводить фосфорсодержащие фрагменты к узловым углеродным атомам каликсаренового остова. Присутствие в составе молекулы тиофосфорильных или фосфониевых групп позволило бы синтезировать соединения, устойчивые к процессу гидролиза или более растворимые в воде. Поэтому развитие методов синтеза новых фосфорсодержащих каликсаренов является актуальной задачей.

1 Синтез новых а-фосфонийзамещенных ацеталей и их взаимодействие с резорцином и его производными

Взаимодействием триамидофосфитов 1а-г с избытком диэтилацеталя бромацетальдегида 2 при температуре 80 'С с выходом 43-64 % нами синтезированы новые а-фосфонийзамещенные ацетали За-г с азотсодержащими ациклическими и циклическими заместителями при атоме фосфора.

? ос2н5 д

и—¥ + ВгСН2СН -** К—РСН2СНч

К ЧОС2Н5 £ осгн5

1а"г 2 За-г (43-64%)

/—\ /—Ч 5„ 48-56 м.д.

И = ГШе2 (а), N£12 (б), N_О (в), N_} (г) р

Наличие в составе молекул продуктов За-г фосфониевых групп улучшает их растворимость в воде и в органических растворителях, в том числе апротонных (например, в хлороформе). Строение полученных соединений За-г доказано с привлечением методов спектроскопии ЯМР (3|Р, 'Н), рентгеноструктурного анализа

(рис. 1), состав подтвержден методом масс-спектрометрии (ЕБЬМБ) и данными элементного анализа

За Зв Зг

Рис. 1 Геометрия молекул а-фосфонийзамегценных ацеталей За,в,г в кристаллах

Последующая конденсация а-фосфонийзамещенных ацеталей За-г с резорцином и его производными (2-метилрезорцином и пирогаллолом) в кислых водно-спиртовых средах приводит к образованию фосфониевых солей диарилэтанового строения 4а-г, 5а-г, ба-г.

,ОЕ(

НО.

И'

К-|®СН2С<ОЕ(+ 2 1^!]

« Вг За-г

.ОН

с2іі5он/н,о/но _ - 2С2И5ОН

и- И'

ОННО. X ,он

И = NMe2 (а), Ж(2 (б), ^_О (в), (г);

И' = н, сн3 он.

К-р—к

4а-г (К' = Н), 5а-г (Я' = СН3), 6а-г (Я' = ОН) (48-79 %), 8р 50-59 м.д.

Образование димерных структур 4а-г, 5а-г, ба-г вместо ожидаемых каликс[4]резорцинов, по-видимому, обусловлено тем, что фосфониевый фрагмент имеет электроноакцепторную природу и дезактивирует незамещенное орто-положение резорциновых остатков, поэтому реакция останавливается на этой стадии. Строение полученных соединений 4а-г, 5а-г, ба-г доказано с привлечением методов спектроскопии ЯМР (31Р, 'Н), состав подтвержден методом масс-спектрометрии (Е81-МЭ) и данными элементного анализа. В типичных протонных спектрах соединений 4а-г, 5а-г, ба-г в пользу образования продуктов реакции свидетельствует наличие сигналов в области 6.18 - 7.11 м.д., соответствующих протонам резорциновых остатков, а для соединений 5а-г - наличие синглета, в области 1.97 - 1.99 м.д., характерного для метильной группы.

2 О-Ллкилирование и С-аминоалкилирование фосфониевых солей, содержащих 2,2-днарилэтильные фрагменты

Присутствие в фосфониевых солях диарилэтанового строения гидроксильных групп обусловливает интерес к реакциям, протекающим с их участием. В результате

взаимодействия бромида 2,2-бис-(2,4-дигидрокси-3-метилфенил)этил-трисморфоли-нофосфония 5в с бромистым пропаргилом образуется бромид 2,2-бис-(2,4-дипропаргилокси-3-метилфенил)этил-трисморфолинофосфония 7в с выходом 97 %.

4 \ -

К2С03. МсСК 90 "С, 24 ч

їн, I®

-Г—, 6

І9 / \ О N—Р—N О

\_/ I \_/

-ГЧ^

7в (97 %)

Л 6р 50 их

Строение соединения 7в доказано методами спектроскопии ЯМР (31Р, 'Н), ИК-спектроскопии, состав подтвержден методом масс-спектрометрии (ЕЭГ-МЭ) и данными элементного анализа. В спектре ЯМР 'Н продукта наблюдаются сигналы, соответствующие метановой и метиленовой группам пропаргильного фрагмента, в области 2.53, 2.62 м.д. и 4.55 м.д., соответственно. Кроме того, в ИК-спектре продукта 7в наблюдаются полосы поглощения, характерные для терминальной тройной углерод-углеродной связи, и отсутствует полоса поглощения гидроксильных групп, наблюдаемая в ИК-спектре исходного соединения 5в.

О-Пропаргилзамещенные полифенолы, подобные синтезированному нами соединению 7в, могут быть интересны для последующего изучения их химических свойств с участием тройной связи, в частности, в так называемой «с//'с£»-резкции -(3+2)-циклоприсоединение азидов и алкинов, катализируемое соединениями меди.

С целью дальнейшего исследования новых синтетических возможностей полученных полифенолов 4а-г, 5а-г, ба-г, а также для улучшения их растворимости, нами проведена реакция Манниха и с 70% выходом получены новые модифицированные полифенолы 8а,в, растворимые не только в ДМСО, ДМФА и воде, как их прекурсоры, но также и в хлороформе.

сн3 сн3

с'

сн2 я-^н I

5а,в

- 2Н20

Вг®

Є Вг

Н^ С' I

оь к-А I

8а,в (64-70 %)

Строение соединений 5а,в доказано методами спектроскопии ЯМР (3,Р, 'Н), состав подтвержден методом масс-спектрометрии (ЕЭГ-Мв) и данными элементного анализа Таким образом, было показано, что незамещенное орто-положение резорциновых остатков в фосфониевых солях диарилэтанового строения 5а,в является все же реакционноспособным.

3 Взаимодействие фосфонневых солей диарилэтанового строения с пропноновым альдегидом

Ациклические полифенолы 4а-г, 5а-г, ба-г, благодаря легкости синтеза и наличию функциональных заместителей, могут служить перспективными исходными реагентами для получения более сложных по строению структур,^ например, каликс[4]резорцинов с чередующимися заместителями. Ранее с этой целью в лаборатории ЭОС ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН была проведена реакция аналогичного по строению аминометилированного линейного полифенола диарилметанового строения с формалином в водно-спиртовом растворе в присутствии избытка соляной кислоты, позволившая получить первый пример каликсарена, содержащего два аммониевых фрагмента в составе молекулы. Используя этот подход, нами была изучена реакция пропионового альдегида с ациклическими полифенолами 5в,г в смеси этанол/концентрированная соляная кислота в соотношении 1:1, в результате чего были получены каликс[4]резорцины 9в,г нового типа с чередующимися (этильными и фосфониевыми) заместителями: си, СИ, н3с \__онг онЯЬ

ноЛ°ннаЛон \ еюпл1С1

с"! Т 1

о+о пХ г\ О

О ° О ,в' О ^

5в,г 9в,г (60-94%)

8р 51-53 мл.

X = О (в), СН2 (г). 3| ,

Строение соединений 9в,г доказано методами спектроскопии ЯМР ( Р, Н), состав подтвержден методом масс-спектрометрии (МАЬШ-МЗ) и данными элементного анализа. Спектры ЯМР 'Н соединений 9в,г содержат уширенные сигналы протонов соответствующих групп. Это свидетельствует о том, что в растворе молекулы этих соединений сильно ассоциированы. Для подтверждения этого предположения были проведены дополнительные исследования совместно с лабораторией Высокоорганизованных сред ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН под руководством д.х.н. Захаровой Л.Я. (Вагаповой Г.И.) с привлечением различных физико-химических методов (динамического светорассеяния, тензиометрии, кондукгомегрии и рН-метрии). Было установлено, что циклические полифенолы 9в,г при низких концентрациях в воде способны образовывать супрамолекулярные агрегаты с узким распределением по размеру в интервале 250 - 300 нм (рис. 2а). Несмотря на то, что каликсрезорцины фосфониевого строения 9в,г не имеют гидрофобных заместителей, они проявляют выраженные поверхностно-активные свойства, сравнимые с характеристиками широко применяемых ПАВ. Так, значение критической концентрации мицеллообразования (ККМ) для соединения 9г составляет 15-Ю"4 моль/л (рис. 26), что сопоставимо с величиной ККМ для цетилтриметиламмоний бромида (ЦТАБ), равной 0.85-10'3 моль/л. Вероятно, это

обусловлено способностью каликсаренов образовывать агрегаты не только за счет гидрофобного эффекта, как в случае типичных ПАВ, но также инклюзивных

Рис. 2 Зависимость диаметра агрегатов от концентрации соединения 9г (а); зависимость поверхностного натяжения водных растворов соединения 9г от его концентрации, 25 °С (б)

4 Синтез тиофосфорилированных производных орто-, мета- и лора-гидроксибензальдегидов

Ранее нашей исследовательской группой одностадийной конденсацией О.О-диэтил-0-(4-карбальдегидофенил)тиофосфата с резорцином и его производными в кислых водно-спиртовых средах были получены каликс[4]резорцины, содержащие в составе молекулы диэтилтиофосфатные группы. Реакция протекает стереоселективно с образованием только геи-изомеров в конформации кресло. Было установлено, что данные макроциклы образуют комплексы с ионами переходных металлов (№, Со), которые эффективно катализируют электровосстановление водорода из трифторуксусной кислоты.

Наличие тиофосфорильной группы в составе молекулы делает её гидролитически устойчивой и позволяет существенно расширить область потенциальных каталитических систем. Поэтому на втором этапе работы представляло интерес разработать методы синтеза новых каликерезорцинов, содержащих тиофосфорильные фрагменты. Для реализации этого подхода в качестве объектов исследования нами выбраны новые тиофосфорилированные бензальдегиды 12-15, синтезированные взаимодействием орто-, мета- и пара- гидрокси-бензальдегидов с циклическими тиохлорфосфатами в присутствии гидрида натрия.

НО^/^Ч // КаН/ТНГ /Р-0^Г=\

" "" ---- " \\ />_<

С /-С1Ю + в"Р С1 "ТЕ* " \^ГСН0

(пара-, мета-, орто-) 10, И 12-15 (45-88 %)

6Р 53-77 м.д.

= ^ 10;Х1О" » К+К= Са П ^

о 13 (пара-), X 14 (мета-), ° 15 (орто-)

Строение полученных соединений 12-15 доказано с привлечением методов спектроскопии ЯМР (31Р, 'Н), ИК-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа (рис. 3), состав подтвержден методом масс-спектрометрии (ЕвІ-МБ) и данными элементного анализа.

О - Ч.ж"сЛо*

12 " 13 15

Рис. 3 Геометрия молекул тиофосфорилированных производных гидроксибензальдегидов 12,13,15 в кристаллах

5 Взаимодействие 2-(4-карбалъдегидофеноксн)-2-тио-1,3,2-диоксафосфолана с резорцином и его производными

Конденсация 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-1,3,2-диоксафосфолана 12 с резорцином и его производными привела к образованию новых каликс[4]резорцинов 16-18, содержащих четыре тиодиоксафосфолановых фрагмента.

НОх А^ОН о 8 /=\

О+'С^О0

и = н, сн3і ОН

гс«-изомер, конформация кресло 16 (І* = Н), 17 (К = СН3), 18 (К = ОН) (80-89 %), 8р 78-79 м.д.

Необходимо отметить, что проведение этой реакции в обычных условиях для такого типа взаимодействия (спирт, вода, соляная кислота) сопровождается побочными процессами и, вероятно, деструкцией исходного альдегида 12. В результате применения хлороформа в качестве растворителя и каталитических количеств трифторуксусной кислоты реакция протекает стереоселективно с образованием желаемых макроциклов 16-18 в конформации кресло с rctt-конфигурацией заместителей с высокими выходами. Строение соединений 16-18 подтверждено методами спектроскопии ЯМР (31Р, 'Н, 13С, 2D COSY HSQC, НМВС и ROESY), ИК-спектроскопии; состав доказан методом масс-спектрометрии (ESI-MS) и данными элементного анализа. В спектрах ЯМР !Н и 13С соединений 16-18 наблюдается удвоение сигналов протонов, принадлежащих ароматическим кольцам резорциновых остатков в молекулах каликс[4]резорцинов, что свидетельствует о различном (вертикальном или горизонтальном) расположении в пространстве противолежащих ароматических фрагментов по отношению к плоскости макроцикла

6 Взаимодействие 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2-диоксафосфоринана с резорцином и его производными

Взаимодействием 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2-

диоксафосфоринана 13 с резорцином и его производными в среде хлороформа в присутствии каталитических количеств трифторуксусной кислоты были получены новые каликс[4]резорцины 19а, 20а,б, 21а,б, содержащие тиодиоксафосфоринановые фрагменты.

\-0 v-y CFj 13

R = H, СН3, ОН

HO'~i!y~OH но

R R

гссс-изомер (а) гсМ-изомер (б)

конформация конус конформация кресло

19а (R = Н); 20а,б (R = СБ3); 21а,6 (R - ОН) (89-96 %), 5р 54-56 мл.

В результате этого взаимодействия образуется смесь rctt- и гссс-изомеров, причем на их соотношение существенное влияние оказывает природа применяемого полигидроксибензола. При использовании резорцина реакция протекает строго стереоселективно с образованием гссс-изомера 19а (гссс : rctt = 1:0). Реакция с 2-метилрезорцином привела к образованию смеси rctt- и rccc-изомеров 20а,б с преимущественным содержанием гссс-изомера 20а (гссс : rctt = 5:1). Тогда как реакция с пирогаллолом тоже дает оба изомера 21а,б, но доминирующим уже является rctf-изомер 216 (гссс : rctt = 1:2). Все гссс- и «//-изомеры тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов 19а, 20а,б, 21а,б были выделены в индивидуальном виде последовательной перекристаллизацией из ацетона и этанола.

SI Si

V LP

i i i

3JIM=7.8S Гц

4 конформация конус

Рис. 4 Спектры ЯМР 'Н (600 МГц, ДМСОЧ) соединений 206 и 20а

В спектре ЯМР 'Н rcK-изомера тиофосфорилированного каликсарена 206 наблюдается удвоение сигналов, принадлежащих ароматическим остаткам каликсрезорцинового остова, что свидетельствует о различном вертикальном (v) и горизонтальном (И) расположении противолежащих ароматических колец (рис. 4). В спектре ЯМР 'Н rccc-изомера тиофосфорилированного каликсарена 20а наблюдается по одному сигналу дія каждой группы протонов, что соответствует конформации конус (рис. 4).

Известно, что в результате реакций бензальдегидов с резорцином и его производными в основном образуются /г«-изомеры или смеси гссс- и гсИ-изомеров с преимущественным образованием /-сК-изомеров. Необходимо отметить, что нами впервые было показано, что взаимодействие тиофосфорилированного гидроксибензальдегида 13 с резорцином способно привести к стереоселективному образованию rccc-изомера тиофосфорилированного каликс[4]резорцина 19а. Структура полученных reit- и rccc-изомеров 19а, 20а, 216 подтверждена методом PC А (рис. 5). Интересно отметить, что в кристаллах соединения 19а и 20а находятся в конформации лодка с гссс-конфигурацией заместителей.

19а

20а

216

Рис. 5 Геометрия молекул тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов 19а, 20а, 216 в кристаллах

Интересным свойством гах-изомеров полученных каликс[4]резорцинов является сильная зависимость их динамических свойств от выбора растворителя.

Обычно, когда каликс[4]резорцин содержит необъемные (алифатические) заместители, в его спектре ЯМР ]Н фиксируются единичные сигналы соответствующих протонов, характерные для усредненной конформации конус, хотя на самом деле имеют место быстрые конформационные переходы лодка 1 — лодка 2. В случае объемных заместителей спектры ЯМР *Н каликс[4]резорцинов, как правило, соответствуют конформации лодка, т.е. наблюдается удвоение сигналов протонов резорциновых фрагментов каликсарена

лодка 1 лодка 2

В нашем случае наблюдалось большое различие спектров ЯМР 'Н гссс-изомера 19а, снятых в двух растворителях: в ДМСО-с4 и ацетоне-с^ (рис. 6). В спектре ЯМР 'Н соединения 19а, снятого при 30 'С в ДМСО-«/А отсутствует сигнал лгета-протонов резорциновых остатков каликсаренового остова С целью выявления причин такого

поведения каликсаренов в различных растворителях нами было проведено исследование влияния температуры на характер сигналов в спектрах ЯМР Н этого соединения. Обнаружено, что в спектре ЯМР 'Н соединения 19а, снятого при 30 С в ацетоне-с4, для каждой группы протонов наблюдается по одному сигналу, что соответствует конформации конус. В ДМСО-4 аналогичную картину удалось получить только при 100 -С, тогда как при 30 -С наблюдается сильное уширение сигнала .«етяа-протонов, приводящее практически к его исчезновению. Барьеры конформационных переходов лодка 1 - лодка 2, рассчитанные по температурам коалесценции, соответствуют Ав = 59.5 кДж/моль для Тк = 30 'С (ДМСО-Об) и М} -44.4 кДж/моль для Тк = -50 'С (ацетон-с4). Это существенное различие (Дв - 15 кДж/моль) между ДМСО-4; и ацетоном-^ может быть связано с высокой основностью диметилсульфоксида как растворителя, который, встраиваясь во внутреннюю водородную связь гидроксильных групп, сольватирует молекулу макроцикла. В целом, при увеличении температуры скорость конформационных переходов лодка 1 - лодка 2 увеличивается, поэтому в спектрах ЯМР Н мы наблюдаем картину, характерную для усредненной конформации конус, а при понижении температуры - конформационные переходы замедляются, поэтому мы можем зафиксировать лодку.

НО. /

.. .-..Д.

Рис. 6 Температурная зависимость сигналов ароматических протонов соединения 19а в спектрах ЯМР 'Н (600 МГц, в ацетоне-^ (а) и ДМСО-4 (б)); пик Н4 помечен звездочкой

С целью изучения влияния экспериментальных условий на синтетический результат реакции нами была проведена конденсация 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2-диоксафосфоринана 13 с резорцином и 2-метилрезорцином в водно-спиртовой среде в присутствии концентрированной соляной кислоты.

^ /Р С2П,ОН/

\ н2о/нсі н

к=н,сц, И'-

«И-іпомер, конформация кресло 196 (И = II), 206 (И = СН3) (54-56 •/.), 8р 54-56 мд.

Интересно отметить, что при смене растворителя и соответствующей кислоты (хлороформ, трифторуксусная кислота) на смесь этанола, воды и концентрированной соляной кислоты реакция протекает стереоселективно с образованием новых тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов в конформации кресло с гсй-конфигурацией заместителей с выходами до 56 %. Строение полученных соединений 19а,б-21а,б доказано с привлечением методов спектроскопии ЯМР (31Р, 'Н), ИК-спектроскопии, состав подтвержден методом масс-спектрометрии (Е81-М8) и данными элементного анализа.

7 Взаимодействие 2-(3-карбальдегіідофеііоксн)-2-тио-5,5-диметил-1Д2-диоксафосфоринана с резорцином и его производными

При конденсации 2-(3-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2-диоксафосфоринана 14 с резорцином и его производными в среде хлороформа в присутствии каталитических количеств трифторуксусной кислоты образуются смеси геи- и гссс-изомеров тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов 22а, 23а,б, 24а,б, причем имеет место аналогичное существенное влияние природы исходных полигидроксибензолов на синтетический результат реакции, как и в случае реакций с альдегидом 13.

но >н

о-

К = Н, СНз,ОН

гссс-изомер (а) гаГ-изомер (б)

конформация конус конформация кресло

22а (Я - Н); 23я,б (К = СН3); 24а,б (Я - ОН) (62-77 •/.), 5, 53-55 мл

Необходимо отметить, однако, что л»ета-замещенный альдегид 14 является менее реакционноспособным, нежели его ияра-замещенный аналог 13, что обусловлено, по-видимому, стерическим фактором. Так, время проведения реакции резорцина с лге/иа-альдегидом 14 составило 60 ч, выход продукта - 62 %, в аналогичной реакции с шра-альдегидом 13 реакция проходит уже за 35 часов с выходом 96 %. Строение полученных продуктов 22а, 23а,б, 246 (гссс-изомер 24а не удалось выделить в индивидуальном виде) подтверждено с привлечением методов ЯМР ('Н, 31Р, 13С), ИК-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа 236 (рис. 7); состав доказан методом масс-спектрометрии (МЛЬОІ-МБ) и данными элементного анализа.

Рис. 7 Геометрия молекул тиофосфорилированного каликс[4]резорцина 236 в кристалле

8 Взаимодействие 2-(2-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2-диоксафосфоринана с резорцином и его производными

Конденсация стерически затрудненного 2-(2-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил- 1,3,2-диоксафосфоринана 15 с резорцином и 2-метилрезорцином в апротонной среде (в хлороформе), катализируемая трифторуксусной кислотой, приводит к стереоселективному образованию тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов 25, 26 в конформации лодка с rccc-конфигурацией заместителей с умеренными выходами. В случае реакции с пирогаллолом выделенный продукт 27 представляет собой смесь reit- и гесс-изомеров в соотношении 2:1, которую не удалось разделить.

(40-69 %),5р 49-50 мд.

Состав и строение полученных гссс-изомеров 25, 26 доказаны с привлечением различных физических методов: ЯМР ('Н, з1Р, 13С), ИК-спектроскопии, масс-

гссс-изомер, конформация лодка 25 (R = Н), 26 (R = СН3), 27 (R = ОН)

спектрометрии (МАІЛ5І-М3), данными элементного, а также рентгеноструктурного анализа (рис. 8).

25 26

Рис. 8 Геометрия молекул тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов 25,26 в кристаллах

Таким образом, можно сделать вывод о существовании некоего кооперативного эффекта, влияющего на образование того или иного изомера.

9 Изучение реакционной способности тиофосфорнлнрованных каликс[4]резорцинов

С целью дальнейшего изучения новых синтетических возможностей полученных гссс-изомеров тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов 19а, 20а мы ввели их во взаимодействие с бромистым пропаргилом и в реакцию Манниха, осуществив синтез, соответственно, О-пропаргилированных 28а, 29а и С-аминоалкилированного 30а производных каликс[4]резорцинов, содержащих тиофосфорильные группы.

НО-

НО

но

-^ОН

он

і У

П он

но'

гссс-нзомер, конформация конус 19а (Л = Н), 20а (Л - СН3)

К2СО,^

СНзСТЧ

I />

гссе-изомер, конформация лодка 28а (И = Н), 29а (И = СН3) (75-вЗ %), 5р 54-55 м-д.

Р + сн,о

„ОН

с2н5он

и' 4

гссс-тамер, конформация конус 30а (Л = Н) (90 %), 5р 54 м.д.

Строение полученных продуктов подтверждено методами ЯМР ('н, 31Р), ИК-спектроскопии; состав доказан методом масс-спектрометрии (МАЬОЬ, ЕБЬМЗ) и данными элементного анализа.

10 Взаимодействие 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметнл-1,3,2-диоксафосфоринана с гидрохлоридом 2,6-дигидроксипиридина

С целью синтеза близких гетероаналогов каликс[4]резорцинов -модифицированных каликс[4]пиридинов, которые являются потенциальными реагентами для получения катализаторов электрохимических процессов получения водорода, нами была осуществлена конденсация гидрохлорида 2,6-дигидроксипиридина с 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2-диоксафосфоринаном 13 в апротонной среде (хлороформ, трифторуксусная кислота). В результате с выходом 23 % был получен новый тиофосфорилированный каликс[4]пиридин 31а в конформации конус с гссс-конфигурациией заместителей.

31а (23 %) 8р 54 м.д.

Строение соединения 31а доказано методами спектроскопии ЯМР (31Р, ]Н), ИК-спекгроскопии, состав подтвержден методом масс-спектрометрии (МАЬШ-МЭ) и данными элементного анализа.

11 Синтез первого представителя тиофосфорилированных-мезо-порфиринов

Другим классом макроциклов, представляющим особый интерес для ученых являются порфирины. Эти соединения служат основой для создания различных катализаторов, сенсоров, лекарственных средств, органических полупроводников, кристаллов и т.д. Благодаря наличию жесткого остова порфирины могут содержать расположенные определенным образом заместители, способные к взаимодействию типа «гость - хозяин», то есть они являются перспективными

комплексообразователями и прекурсорами для создания новых эффективных каталитических систем.

Взаимодействием 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2-

диоксафосфоринана 13 с пирролом в среде хлороформа в присутствии трифторуксусной кислоты нами постадийно (через образование промежуточного продукта, который затем был окислен) получен первый представитель порфиринов 32, имеющий в л<езо-положениях тиофосфорильные фрагменты. На основе этого порфирина можно создать перспективную каталитическую систему для восстановления водорода, что является предметом наших дальнейших исследований.

Строение соединения 32 доказано методами спектроскопии ЯМР (31Р, 'Н), состав подтвержден методом масс-спектрометрии (MALDI-MS) и данными элементного анализа. В спектре ЯМР 31Р присутствует сигнал ядер фосфора в области 55 м.д. в виде синглета, что свидетельствует об индивидуальности полученного соединения.

12 Изучение каталитической активности никелевых комплексов тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов

В лаборатории Электрохимического синтеза ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН под руководством д.х.н. Будниковой Ю.Г. (Хризанфоровой В.В.) были исследованы каталитические свойства комплексов синтезированных нами retí- и гссс-изомеров тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов с некоторыми переходными металлами (Ni, Со, Си). Методом циклической вольтамперометрии найдено, что все никелевые комплексы rett- и rccc-изомеров тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов проявляют высокую каталитическую активность в электрохимических реакциях образования молекулярного водорода из трифторуксусной кислоты. Эти каталитические системы работают при потенциалах порядка -1.0 В с максимальным значением TOF, равным 109000 с'1, то есть являются конкурентоспособными аналогами катализаторов Дюбуа, работающих с перенапряжением 0.3-0.6 В, числом каталитических циклов 106000 с" и являющихся на сегодняшний день наилучшим примером катализа указанного процесса. Анализ полученных на этом этапе данных, приведенных в таблице 1, показал, что в целом никелевые комплексы rcfí-изомеров тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов (Ni2+L166, J76) с конформацией лиганда кресло восстанавливаются при менее

отрицательных потенциалах (-0.84--1.15 В), чем комплексы Ni2+L19a, 20а (-1.15 --1.20 В) с конформацией лиганда конус.

Таблица 1. Значения электрохимических характеристик комплексов Ni2+L (L = 166,176,206,236) h№2+L (L = 19а, 20а, 23а, 26а)

Комплекс Конформация лиганда Потенциал восстановления комплекса -E,V Потенциал каталитической волны -E,V TOF С.Е.

Nii+L166 кресло 1.17 1.10 109523 0.87

Ni2+Li76 кресло 0.84 0.92 70442 0.79

Ni/TL„a конус 1.15 1.00 92609 1.12

Ni2+L206 кресло 1.31 1.30 33578 0.45

NiztL2„a конус 1.20 1.06 74129 0.92

Niz+LH6 кресло 1.34 1.37 97913 0.75

Ni^j, конус 1.28 1.00 51577 1.13

Ni^ea лодка 1.32 1.34 12683 0.31

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Выявлено, что конденсация а-фосфонийзамещенных ацеталей с резорцином и его производными в кислых водно-спиртовых средах приводит к образованию фосфониевых солей диарилэтанового строения. Показано, что эти соединения вступают в реакции С-аминоалкилирования и О-алкилирования с образованием новых оснований Манниха и тетрапропаргилированных производных, соответственно. Установлено, что в результате конденсации фосфониевых солей, содержащих 2,2-диарилэтильный фрагмент, с пропионовым альдегидом образуются новые каликс[4]резорцины с заместителями двух типов (этильными и фосфониевыми), расположенными поочередно.

2. Разработан метод синтеза новых капикс[4]резорцинов, функционализированных тиофосфорильными фрагментами, на основе кислотно-катализируемой конденсации тиофосфорилированных производных орто-, мета-, пара-гидроксибензальдегидов с резорцином и его производными. Впервые показано, что природа исходных реагентов и растворителя оказывают существенное влияние на строение образующихся изомеров. Найдены экспериментальные условия, позволяющие разделять конфигурационные reit- и гссс-изомеры каликс[4]резорцинов, содержащие четыре тиодиоксафосфоринановых фрагмента в составе молекулы.

3. Установлено, что каликс[4]резорцины в конформации конус, содержащие на нижнем ободе молекулы тиодиоксафосфоринановые фрагменты, вступают в реакцию О-алкилирования с образованием октапропаргилированных производных, а также в реакцию Манниха, что позволило синтезировать фосфорсодержащие каликс[4]резорцины, аминоалкилированные по верхнему ободу молекулы.

4. Показано, что взаимодействие гидрохлорида 2,6-дигидроксипиридина с 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2-диоксафосфоринаяом в присутствии трифторуксусной кислоты приводит к образованию нового каликс[4]пиридина в конформации конус, содержащего в молекуле четыре тиодиоксафосфоринановых фрагмента

5. Обнаружено, что реакция пиррола с 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2-диоксафосфоринаном в условиях кислотного катализа приводит к образованию первого представителя жсзо-замещенных порфиринов, содержащего в составе молекулы четыре тиофосфорильных фрагмента.

6. Найдено, что никелевые комплексы rctt- и /rcc-изомеров тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов проявляют высокую каталитическую активность в реакции электровосстановления молекулярного водорода из трифторуксусной кислоты.

Основное содержание работы изложено в следующих работах:

Статьи:

1. Князева, И.Р. Новые триамидофосфониевые ацетали и их конденсация с резорцином и его производными [Текст] / И.Р. Князева, В.И. Соколова. А.Р. Бурилов, М.А. Пудовик, А.Б. Добрынин, О.Н. Катаева, О.Г. Синяшин // Изв. АН Сер. Хим. 2012. № 3. С. 628 - 634.

2. Князева, И.Р. Никелевые комплексы тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов как катализаторы электрохимических процессов получения водорода [Текст] / И.Р. Князева, В.В. Хризанфорова, В.И. Соколова. А.А. Тимирьянова, А.Р. Бурилов, Ю.Г. Будникова, Х.Э. Харлампиди // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 15. С. 159 - 161.

3. Kibardina, L.K. Synthesis and properties of novel ca!ix[4]resorcino!s containing phosphonium substituents [Text] / L.K. Kibardina, I.R. Knyazeva, V.I. Sokolova, GI. Vagapova, L.Ya. Zakharova, A.R. Burilov, M.A. Pudovik. // Phosphorus, Sulfur, and Silicon and the Related Elements. 2013. V. 188. № 1 - 3. P. 1 - 3.

4. Хризанфорова, B.B. Электрохимический синтез комплексов никеля с каликс[4]резорцинами, модифицированными тиофосфорильными фрагментами [Текст] / В.В. Хризанфорова, И.Р. Князева, И.Р. Низамеев, Т.В. Грязнова, В.И. Соколова. С.А. Краснов, М.К. Кадиров, А.Р. Бурилов, Ю.Г. Будникова, О.Г. Синяшин // Журнал общей химии. 2013. Т. 83. № 4. С. 575 - 581.

5. Knyazeva, I.R. Single step preparation and conformational analysis of novel thiophosphorylaled ligands based on calix[4]resorcinol matrix [Text] / I.R. Knyazeva, V.I. Sokolova. M. Gruner, W.D. Habicher, J.K. Voronina, A.R. Burilov, M.A. Pudovik // J. Inci. Phenom. Macrocycl. Chem. 2013. V. 76. 231 - 235.

6. Knyazeva, I.R. One-step synthesis of rccc- and rctt-diastereomers of novel calix[4]resorcinols based on a para-thiophosphorylated derivative of benzaldehyde [Text] / I.R. Knyazeva, V.I. Sokolova. M. Gruner, W.D. Habicher, V.V. Syakaev, V.V. Khrizanforova, B.M. Gabidullin, A.T. Gubaidullin, Y.H. Budnikova, A.R. Burilov, M.A. Pudovik // Tetrahedron Letters. 2013. V. 54. P. 3538 - 3542.

Тезисы докладов:

1. Князева, И.Р. Новые а-фосфонийацетали, синтез и свойства [Текст] / И.Р. Князева, В.И. Соколова, А.Р. Бурилов, М.А. Пудовик // International Symposium «Advanced Science in Organic Chemistry»: Abstracts. Crymea, Miskhor. June 21 - 25th, 2010. C. 194.

2. Соколова, В.И. Новые линейные и циклические полифенолы, содержащие фосфониевые фрагменты [Текст] / В.И.Соколова, И.Р. Князева, А.Р. Бурилов, М.А. Пудовик // Материалы XIV Молодежной конференции по органической химии. / Екатеринбург. 10- 14 мая, 2011. С. 483-486.

3. Соколова, В.И. Синтез и самоорганизация нового каликс[4]резорцина, функционапизированного фосфониевыми группами [Текст] / В.И. Соколова, Г.И. Баталова, И.Р. Князева, Ф.Г. Валеева, Л.Я.Захарова, А.Р. Бурилов, А.И. Коновалов // I Всероссийский симпозиум по поверхностно-активным веществам «От коллоидных систем к нанохимии»: Тезисы докладов. Казань. 28 июня - 1 июля, 2011. С. 110.

4. Sokolova, V.I. Synthesis and redox properties of transition metal complexes on the basis of new calix[4]resorcinols with thiophosphoryl-containing fragments [Text] / V.I. Sokolova, V.V. Khrisanforova, I.R. Knyazeva, T.V. Giyaznova, A.R. Burilov, Yu.G. Budnikova, M.A. Pudovik, W.D. Habicher // International Congress on Organic Chemistry: Book of Abstracts. Kazan. September 18-23, 2011. P. 317.

5. Соколова, В.И. Новые лиганды на основе тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов: синтез и свойства [Текст] / Соколова В.И., Хризанфорова

B.В., Князева И.Р., Бурилов А.Р. // VI Всероссийская конференция молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев 2012»: Тезисы докладов. Санкт-Петербург. 3-6 апреля, 2012. С. 448 - 450.

6. Князева, И.Р. Новые биоинспирированные катализаторы на основе никелевых комплексов тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов для электрохимических процессов получения водорода [Текст] / И.Р. Князева, В.В. Хризанфорова, В.И. Соколова, А.А. Тимирьянова, А.Р. Бурилов, Ю.Г. Будникова // Материалы V Международной научно-практической конференции «Теоретические и практические аспекты развития современной науки». Москва, 2-3 октября, 2012.

C. 17-21.

Соискатель В.И. Соколова

Отпечатано в ООО «Печатный двор», г. Казань, ул. Журналистов, 2А, оф. 022

Тел: 295-30-36, 564-77-41, 564-77-51. Лицензия ПДМ7-0215 от 01.11.2001 г. Выдана Поволжским межрегиональным территориальным управлением МПТР РФ. Подписано в печать 24.09.2013 г. Печл. 1,5 Заказ М К-7299. Тираж 150 экз. Формат 60x841/16. Бумага офсетная. Печать - ризография.

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Соколова, Виктория Ивановна, Казань

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ ИМ. А.Е. АРБУЗОВА КАЗАНСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201 364191 СОКОЛОВА ВИКТОРИЯ ИВАНОВНА

СИНТЕЗ НОВЫХ ФОСФОРСОДЕРЖАЩИХ КАЛИКСАРЕНОВ НА ОСНОВЕ а-ФОСФОНИЙЗАМЕЩЕННЫХ АЦЕТАЛЕЙ И ТИОФОСФОРИЛИРОВАННЫХ

БЕНЗАЛЬДЕГИДОВ

02.00.08 - Химия элементоорганических соединений

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Бурилов А.Р.

КАЗАНЬ-2013

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В настоящее время наблюдается тенденция углубленного изучения макроциклических соединений, таких как каликсарены, циклодекстрины и кукурбитурилы, что основано на широких возможностях их практического применения. Одним из актуальных и перспективных направлений является их использование в качестве катализаторов различных органических реакций. Особое внимание в этой сфере уделяется каликсаренам, обладающим уникальной способностью участвовать в инклюзивных взаимодействиях типа «гость - хозяин». Наличие у этих макроциклов нескольких реакционных центров позволяет вводить различные функциональные заместители и в значительной степени изменять селективность и эффективность связывания разнообразных субстратов. Будучи доступными и нетоксичными, эти макроциклы уже давно используются для дизайна молекулярных рецепторов и полидентантных лигандов, но лишь недавно они были предложены в качестве строительных блоков для создания мультифункциональных моделей ферментов.

Пристальный интерес в качестве объектов исследования вызывают фосфорсодержащие каликсарены и, в частности, каликс[4]резорцины, которые благодаря наличию эффективных центров координации способны селективно распознавать и разделять ионы тяжелых и переходных металлов, в большинстве своём токсичных и загрязняющих окружающую среду. В литературе достаточно подробно представлены методы введения фосфорсодержащих фрагментов по гидроксильным группам каликс[4]резорцинов и до недавнего времени практически не были разработаны синтетические приемы, позволяющие вводить фосфорсодержащие группы к узловым атомам углерода каликсареновой матрицы. Последнее направление получило развитие в работах, проводимых в лаборатории Элементоорганического синтеза ИОФХ им. А.Б. Арбузова КазНЦ РАН. В частности, был предложен оригинальный одностадийный метод синтеза калике[4]резорцинов и каликс[4]пиридина, содержащих фосфорорганические группы в узловых атомах углерода каликсареновой платформы, основанный на взаимодействии различных фосфонацеталей, этоксивинилфосфонатов с резорцином, его производными и гидрохлоридом 2,6-дигидроксипиридина. Отличительной особенностью

этих соединений является нестабильность в водных растворах, связанная с гидролизом алкоксильных групп при атоме фосфора. Поэтому важной и актуальной задачей является дальнейшее развитие методов синтеза макроциклических соединений (каликс[4]резорцинов, каликс[4]пиридинов, порфиринов), содержащих в составе молекулы устойчивые к гидролизу фосфорорганические фрагменты.

Целью диссертационной работы являлось исследование реакций различных а-фосфонийзамещенных ацеталей и тиофосфорилированных производных орто-, мета- и «<зра-гидроксибензальдегидов с резорцином и его производными, гидрохлоридом 2,6-дигидроксипиридина, пирролом, направленное на разработку оригинальных методов синтеза новых фосфорсодержащих макроциклов - каликс[4]резорцинов, калике [4]пиридинов и порфиринов.

Научная новизна. Впервые изучена конденсация резорцина и его производных с новыми а-фосфонийзамещенными ацеталями с ациклическими и циклическими азотсодержащими заместителями у атома фосфора в кислых водно-спиртовых средах, в результате которой получены фосфониевые соли диарилэтанового строения. На их основе изучены реакции О-алкилирования и С-аминоалкилирования, позволившие разработать методы синтеза различных фосфониевых солей, содержащих в составе молекулы 2,2-диарилэтильные фрагменты. В результате конденсации бромида [2,2-бис-(2,4-дигидрокси-3-метилфенил)этил]-трисморфолинофосфония и бромида [2,2-бис-(2,4-дигидрокси-3-метилфенил)этил]-триспиперидинофосфония с пропаналем осуществлен синтез первых представителей каликс[4]резорцинов нового типа с чередующимися (этильными и фосфониевыми) заместителями. Разработаны простые и удобные методы синтеза новых фосфорсодержащих каликс[4]резорцинов, основанные на конденсации тиофосфорилированных производных орто-, мета- и шра-гидроксибензальдегидов с резорцином и его производными, позволяющие получать гссс- и гс«-изомеры в индивидуальном виде. Установлено, что тиофосфорилированные каликс[4]резорцины в конформации конус с гссс-конфигурацией заместителей способны вступать в реакции Манниха и 0-алкилирования, что позволило синтезировать С-аминоалкилированные и О-октапропаргилированные по верхнему ободу молекулы производные каликс[4]резорцинов. Показано, что при взаимодействии гидрохлорида 2,6-

дигидроксипиридина с 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2-

диоксафосфоринаном в среде хлороформа в присутствии трифторуксусной кислоты стереоселективно образуется rccc-изомер калике [4]пиридина, содержащего в составе молекулы четыре тиофосфорильных фрагмента. Установлено, что конденсация пиррола с 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2-диоксафосфоринаном в условиях кислотного катализа приводит к образованию первого представителя л*езо-замещенного порфирина, имеющего Р=8-содержащие фрагменты в составе ароматических заместителей.

Практическая значимость работы. Разработаны методы синтеза новых фосфорсодержащих макроциклических соединений: каликс[4]резорцинов с чередующимися (этильными и фосфониевыми) заместителями, а также каликс[4]резорцинов, калике[4]пиридина и мезо-порфирина, содержащих в составе молекулы четыре тиофосфорильных фрагмента. Установлено, что каликс[4]резорцины, содержащие фосфониевые группы, проявляют выраженные поверхностно-активные свойства (ККМ = 1.5-10"4 моль/л), сравнимые с характеристиками большинства известных поверхностно-активных веществ (ПАВ). Показано, что никелевые комплексы новых тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов в конформациях кресло и конус с rctt- и гссс-конфигурацией заместителей, соответственно, являются эффективными катализаторами процессов электровосстановления водорода из трифторуксусной кислоты, работающими при потенциалах порядка -1.0 В с максимальным числом оборотов каталитического цикла (TOF), равным 109000 с"1.

Петербург, 2012), V Международной научно-практической конференции «Теоретические и практические аспекты развития современной науки» (Москва, 2012).

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 166 страницах машинописного текста, включающего 6 таблиц, 30 рисунков и состоит из введения, трех глав, выводов и списка использованных источников, состоящего из 213 наименований. Первая глава включает литературный обзор, в котором проведен анализ методов синтеза некоторых макроциклических соединений и их применения в качестве катализаторов различных химических реакций. Во второй главе представлены результаты собственных исследований: конденсация а-фосфонийзамещенных ацеталей и тиофосфорилированных производных орто-, мета- и шра-гидроксибензальдегидов с резорцином и его производными, гидрохлоридом 2,6-дигидроксипиридина и пирролом, а также представлены результаты исследований некоторых химических свойств и практического применения полученных фосфорсодержащих каликс[4]резорцинов. Третья глава посвящена описанию экспериментальной части работы.

Работа выполнена в лаборатории Элементоорганического синтеза Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук в соответствии с научным направлением Института по бюджетной теме «Дизайн рецепторных и амфифильных макроциклических соединений и создание многофункциональных супрамолекулярных структур и наночастиц» (№ гос. регистрации 01201157530). Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (гранты 08-03-00512-а, 11-03-00416-а, 12-03-31002), грантом президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых МК-919.2009.3.

данной диссертационной работы. Автор выражает благодарность сотрудникам лаборатории Дифракционных методов ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН за проведение рентгеноструктурного анализа, сотрудникам лаборатории Молекулярной спектроскопии за помощь в интерпретации ИК-спектров, коллективу лаборатории спектроскопии ЯМР за помощь в проведении ЯМР-экспериментов и обсуждении полученных результатов, а также д.х.н. Будниковой Ю.Г., асп. Хризанфоровой В.В., д.х.н. Захаровой Л.Я., асп. Вагаповой Г.И., д.х.н. Латыпову Ш.К., к.х.н. Сякаеву В.В., д.х.н. Губайдуллину А.Т., асп. Габидуллину Б.М. за плодотворное сотрудничество и помощь в выполнении работы. Автор благодарит всех сотрудников лаборатории ЭОС ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН за поддержку.

ГЛАВА 1.

МАКРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ КАК ЭФФЕКТИВНЫЕ

КАТАЛИЗАТОРЫ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

(литературный обзор)

Макроциклы - сложные органические соединения, состоящие из девяти или более атомов в цикле и имеющие, как правило, полостную, жесткую структуру, являются предметом неугасающего интереса ученых. Большинство макроциклических соединений, таких как каликсарены (циклические продукты фенол-альдегидной конденсации), циклодекстрины (продукты метаболизма бактерий Clostridium butyricum), кукурбитурилы (продукты альдегид-гликоурильной конденсации) имеют схожую структуру. Благодаря особенностям строения эти соединения являются перспективными лигандами, эффективными рецепторами, в том числе для биологических систем, селективными катализаторами разнообразных органических реакций, а также компонентами супрамолекулярных систем, способными участвовать в инклюзивных взаимодействиях типа «гость - хозяин». Действительно, их пред организация, возможность введения функциональных заместителей и создание координированных металлокомплексов существенно расширяют область применения этих соединений и делают их привлекательными в качестве новых эффективных каталитических систем.

В представленном литературном обзоре мы попытались обобщить существующие данные об использовании некоторых типов макроциклических соединений в качестве катализаторов разнообразных органических реакций, в том числе имеющих большое значение для понимания биохимических процессов, протекающих в живых организмах (биомиметический катализ).

1.1 Катализ, биомиметический катализ

Биомиметика (от лат. bios - жизнь и mimesis - подражание) - это область химии, занимающаяся созданием и исследованием искусственных систем, механизмов и технологий, идея и основные элементы которых заимствованы у живой природы. Впервые термин биомиметическая химия был употреблен в 1972 году [1-4]. Пионерские работы, в которых осуществлены серьезные попытки сымитировать процессы ферментативного

катализа, датированы 60-70 гг. прошлого столетия. Биомиметический катализ сводится в основном к имитации ключевых признаков ферментативных систем, то есть к образованию ферментативно-субстратного комплекса с последующим полифункциональным катализом посредством правильного расположения каталитических групп. При создании имитаторов ферментов в качестве критериев исследователи обычно используют некоторые признаки энзимов, обеспечивающие эффективный катализ. К ним относятся существенное увеличение скорости по сравнению с некатализируемыми реакциями, селективность, высокое число оборотов каталитического цикла и высокая связывающая способность (фермент-субстрат).

Исследования, проводимые в области биомиметического катализа, способствуют расширению ряда новых высокоэффективных и селективных биомиметических катализаторов. В обзоре [5] наиболее полно представлены работы, посвященные использованию различных каркасных соединений, в том числе функционально-замещенных, таких как циклодекстрины [6, 7-17], кукурбитурилы [18-20], синтетические кавитанды [21, 22] в качестве биомиметиков. Остановимся на рассмотрении применения различных представителей макроциклических соединений в качестве катализаторов некоторых органических реакций, в том числе и биомиметических.

1.1.1 Функционализированные каликсарены

Каликсарены - это чашеобразные, легко синтезируемые (одностадийной конденсацией фенолов с алифатическими и ароматическими альдегидами) макроциклы. Они являются удобными прекурсорами для создания на их основе более сложных структур, путем их функционализации соответствующими гетероатомными группами как по верхнему, так и по нижнему ободу (О-фосфорилирование, С-фосфорилирование), что многократно повышает селективность и эффективность связывания субстратов.

За счет гидрофобных взаимодействий каликсарены способны включать в свою молекулярную полость небольшие органические молекулы, катионы металлов и различные анионы с образованием комплексов типа «гость - хозяин», а возможность существования каликсаренов в нескольких конформациях позволяет фиксировать требуемую пространственную ориентацию центров связывания.

Изначально эти соединения использовались как модели для доказательства существования слабых внутримолекулярных связей (СН-л, катион-л, водородных связей и т.д.), для распознавания и извлечения ионов различных щелочных, щелочноземельных, а также переходных металлов, для катализа и многих других целей в супрамолекулярной технологии. В последние десятилетия ученые, вдохновленные низкой токсичностью этих макроциклов, ставят перед собой более смелые и сложные задачи, такие как самосборка на монослоях и наночастицах; формирование ротаксанов и молекулярных машин; создание пористых материалов для хранения газа и дендримеров, систем для молекулярной инкапсуляции, что делает каликсарены перспективными в реализации подхода к созданию наносистем (по принципу «снизу-вверх»).

Каликсарены с успехом используются при конструировании биомиметических систем [23]. Например, в обзоре [24] авторы рассматривают некоторые модифицированные производные каликс[4]аренов 1-6, которые могут применяться в качестве биомиметических сенсоров и поливалентных платформ, то есть способны имитировать или влиять на определенные биологические функции (распознавать малые пептиды и углеводы, связывать белки; осуществлять биомиметический катализ, транспорт ионов через мембрану, конденсацию ДНК и т.д).

«V

NN >0 НИ/

4 5 6

В частности, использование синтетических кавитандов в процессах биомиметического катализа было подробно изучено Юлиусом Ребекком и соавторами [25]. Кавитанды, исследованные Ребекком, были получены на основе каликс[4]резорцина 9 в конформации лодка, синтезированного конденсацией резорцина 7 и бензальдегида 8 [26, 27] с более чем 80 % выходом, а также содержащего фенильные остатки, ориентированные вниз, и гидроксильные группы, расположенные на верхнем ободе.

Незамещенный каликсрезорцин 9 имеет малую полость для инкапсулирования небольших молекул гостей, однако функционализация по гидроксильным группам позволяет увеличить полость этого макроцикла. Например, конденсация каликс[4]резорцина 9 с 1,2-дифтор-4,5-динитробензолом 10 дает тетрафенилфункционализированный кавитанд 12 и т�