Синтез спиросоединений и мероцианинов на основе 1-бензотиено[3,2-b]пиррола тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК «-"и^ибЭОБВ

П7

ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ имени Н. Д. ЗЕЛШ|СК0£0 Г; 7

ШИМКИН Алексей Алексеевич

На правах рукописи

СИНТЕЗ СПИРОСОЕДИНЕНИЙ И МЕРОЦИАНИНОВ НА ОСНОВЕ 1-БЕШОТИЕНО[3,2-6]ПИРРОЛА

02.00.03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 2007

003055058

Работа выполнена в Лаборатории гетероциклических соединений Института органической химии имени II. Д. Зелинского РАН

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

доктор химических наук, профессор Краюшкин Михаил Михайлович

доктор химических наук Фёдорова Ольга Анатольевна доктор химических наук, профессор Литвинов Виктор Петрович

Южный научный центр РАН, Ростов-на-Дону

Защита диссертации состоится " 16 " февраля 2007 г. в 10°° часов на заседании Диссертационного совета К 002.222.01 по присуждению ученой степени кандидата химических наук при Институте органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 47.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОХ РАН.

Автореферат разослан "_15_" января 2007 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета К 002.222.01 при ИОХ РАН доктор химических наук

Родиновская Л. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Фотохромные спиропираны и спирооксазины интенсивно изучаются в качестве материалов для светофильтров, молекулярных переключателей, фотоконтролируемых магнетиков, оптических и флуоресцентных сенсоров на ионы металлов и биологические объекты. Несмотря на большой объём исследований, проблема получения новых производных фотохромных спиро-соединений по-прежнему остаётся актуальной.

Под действием ультрафиолетового света спиросоединения в результате электроциклической реакции превращаются в интенсивно окрашенные вещества, аналогичные по строению мероцианиновым красителям, используемым в таких областях, как сенсибилизация фотографических эмульсий, нелинейная оптика, запись и хранение информации, солнечная и водородная энергетика.

Подавляющее большинство известных спиропиранов и спирооксазинов построено на основе индола, одним из ближайших аналогов которого является тиено[3,2-6]пиррол и его конденсированные производные. Данная работа продолжает исследования, проводимые в Лаборатории гетероциклических соединений ИОХ РАН, и направлена на разработку методов получения неизвестных ранее спиросоединений и мероцианиновых красителей бензотиенопирролинового ряда. Предполагалось, что замена бензольного цикла в индоле на электроноизбыточную бензотиофеновую систему приведёт к модификации спектральных и физико-химических свойств циклических и мероцианиновых форм спиросоединений, что позволит найти новые сферы применения фотохромных материалов.

Целью работы является разработка удобного метода синтеза конденсированных производных тиено[3,2-6]пиррола и получение на их основе фотохромных спиросоединений и мероцианиновых красителей тиенопирролинового ряда, а также изучение физико-химических свойств данных соединений.

Научная новизна. Разработан общий метод получения \Н- и 3#-[1]бензо-таено[ЗД-Ь]пирролов, основанный на взаимодействии гидразонов тиофен-3-онов с кетонами в условиях реакции Фишера.

Взаимодействием четвертичных солей ЗН-бензотиенопирролия с производными салицилового альдегида получены первые представители спиропиранов, а взаимодействием соответствующего метиленового основания с 1-нитрозо-2-нафтолом и

монооксимом 9,10-фенантрохинона - ранее неизвестные спирооксазины на основе 1-бензотиено[3,2-6]пиррола.

Реакцией четвертичных солей ЗЯ-бензотиенопирролия с гетероциклическими гидроксиальдегидами или диметиламинометилиденовыми производными гетероцик-лов синтезированы первые мероцианиновые красители бензотиенопирролинового ряда.

Обнаружена не имеющая аналогий для индольных производных сигматропная перегруппировка ЗЯ-бензотиенопирролов и их четвертичных солей, приводящая к 2Я-[1]бензотиено[3,2-6]пирролам. Показано, что процесс чувствителен к влиянию заместителей как в бензольном кольце, так и в пирролыюм цикле.

На основе 2Я-бензотиенопирролов - продуктов перегруппировки ЗЯ-пирролов - получены спиропираны и мероцианиновые красители неизвестного ранее типа с максимумами поглощения, смещёнными более чем на 110 нм в длинноволновую область по сравнению с "классическими" аналогами.

Практическая ценность. Разработан эффективный метод синтеза 1-бензо-тиено[3,2-6]пиролов, применимый для получения как Ш-, так и ЗЯ-производных.

Получен ряд спиропиранов тиенопирролинового ряда, проявляющих фото- и термохромные свойства. Синтезированы гибридные фотохромные соединения, содержащие в своей структуре спиропирановый и гидроксииминный фрагменты.

Предложен модифицированный метод синтеза спирооксазинов, позволяющий значительно увеличить выходы целевых соединений.

Получены мероцианины на основе 3Я- и 2Я-бензотиенопирролов, максимумы полос поглощения которых лежат в широком интервале длин волн (500-650 нм). Показано, что синтезированные продукты могут представлять интерес в качестве красителей и компонентов композитных плёнок.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы были представлены на 4-ом Международном симпозиуме по фотохромизму 180Р'04 (Аркашон, Франция, 2004 г.), VIII Молодёжной научной школе-конференции по органической химии (Казань, 2005 г.), I и II Молодёжных конференциях ИОХ РАН (Москва, 2005, 2006 гг.), 9-ой Международной конференции по солнечной энергии и прикладной фотохимии 80ЬАК.'06 (Каир, Египет, 2006 г.). Основное содержание работы изложено в публикациях в виде 4 статей и 5 тезисов докладов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 05-03-33191) и Международного научно-технического центра (проект № 2117).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, посвященного методам синтеза спиропиранов и мероцианинов, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы, включающего наименования. Работа изложена на страницах печатного

текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертационное исследование включает три основные части: разработку метода синтеза производных 1-бензотиено[3,2-6]пиррола, получение спиросоедине-ний и мероцианинов на их основе, а также изучение фото- и термохромных свойств для определения сферы применения полученных веществ. Ключевыми соединениями в синтезе спиропиранов, спирооксазинов и мероцианиновых красителей являются тиенопирроленины А, которые мы предполагали получить по методу Фишера, исходя из доступных конденсированных производных тиофен-3-она В (Схема 1).

-Спиропираны

Х-СЦИ

Спирооксазины

Мероцианины

Схема 1.

Нами были изучены два подхода к синтезу соединений А: получение тиено-пирролов С с последующим алкилированием их литиевых солей и прямой синтез 3#-пирролов исходя из гидразонов Б; оба подхода основаны на реакции Фишера (Схема 2).

«я.

г ш,

1) ВиУ

2) МеТ

В первом случае задача облегчалась тем, что аналогичный синтез неконденси-рованных тиенопирролов был описан в литературе. Второй метод для получения тиенопирроленинов ранее не применялся, однако он представлялся более перспективным, так как практически не накладывает ограничений на характер заместителей.

Разработка метода синтеза 1//-[1|бензотиено[3,2-6]пирролов

В обеих предложенных нами схемах в качестве исходных веществ используются гидразоны тиофен-3-онов, синтез которых не был описан в литературе. Гидразо-ны 4-6 были получены взаимодействием Тиофенонов 1-3 с гидразингидратом в спиртовом растворе в присутствии каталитических количеств я-толуолсульфо-кислоты (Схема 3). Позже мы обнаружили, что гндразоны удобнее получать из 3-ацетокситиофенов, поскольку тиофеноны легко окисляются кислородом воздуха. Наличие в соединении 3 основного пиридинового фрагмента не препятствует протеканию реакции.

м2н„н2о

ТбОН, ЕЮН

Я - Н, X - СП (1.4); Я = N0;, X - СН (2.5); Я - Н, X (3,6)

Схема 3.

Исследование взаимодействия гидразона 4 с кетонами в различных условиях позволило разработать оптимальный метод получения бензотиенопирролов 7 (Схема 4). В отличие от синтеза индолов, данная реакция сопровождается образованием битиофена 8, являющегося, по-видимому, результатом нуклеофильного замещения в тиофеновом ядре и последующей [3,3]-сигматропной перегруппировки образующегося азина 9.

.N-N11,

МН.

Я1 = Я2 = Ме (а); И1 = Ме, Я2 = Е1 (Ь); Я,Я2 = (СН2)4 (с); Я' - Ме, Я2 - СН2С00Е1 (<!}; Я1 ' Ме, Я! - РЬ (с); Я, - Ме, Я2 = С00Е1 (Г)

Варьируя условия реакции, мы обнаружили, что минимизировать влияние побочного процесса и значительно увеличить выходы целевых тиенопирроленинов удаётся, используя гидрохлорид гидразона 4 в бензоле (Таблица 1, метод А). Применение описанных в литературе условий (кипячение реагентов в спирте в присутствии HCl, метод В), как и проведение реакции в две стадии (получение несимметричных азинов 10 кипячением реагентов в бензоле с последующим пропусканием хлороводорода, метод С) приводит к гораздо меньшим выходам тиено-пирролов.

V //

,n-n

10

Таблица 1.

№ Выход, %

А В С

7а 87 40 57

7Ь 70 38 19

7с 90 39 48

7d 82 46 24

7е 65 26 15

7f 51 3 28

Универсальность метода подтверждается получением бензотиенопирролов со сложными заместителями 7g,h. Необходимые для синтеза кетоны были получены С-алкилированием 4-гидрокси-2-метил-3 -этоксикарбонилтиофена а-галогенкетонами по ранее разработанной нами методике.

Разработанный метод делает доступными разнообразные производные 1-бензо-тиено[3,2-6]пиррола. Особенностью предложенного подхода является использование солянокислой соли гидразона и проведение реакции в бензоле. Это позволяет уменьшить количество побочных продуктов и значительно увеличить выходы тиено-пирролов.

Синтез тиенопирроленинов

В настоящем разделе диссертационного исследования рассматриваются два подхода к синтезу ЗЯ-бензотиенопирролов.

По аналогии с распространённым методом синтеза индоленинов взаимодействием тиенопиррола 7а с н-бутиллитием и иодистым метилом был получен тиенопирроленин 11а, при этом наблюдается образование значительного количества продукта Л'-алкилирования 12 (Схема 5).

1) BuLi

2) Mel

+

7а lia ,20%

Схема 5.

В отличие от литературного метода, выход ЗЯ-пиррола оказался очень низким, варьирование условий не привело к его существенному увеличению. Кроме того, использование н-бутиллития накладывало значительные ограничения на строение исходных тиенопирролов, которые не могли содержать реакционноспособных заместителей. В связи с этим было реализовано прямое получение ЗЯ-пирролов по реакции Фишера.

Взаимодействие гидразона 4 с З-метилбутан-2-оном в условиях, разработанных нами для синтеза 1Я-бензотиенопирролов, привело к тиенопирроленину 11а с выходом 61% (Схема 6).

.N-NH,

сн

1) ПС1

2) МеС{0)СНМе2

Схема 6.

Аналогично были получены ЗЯ-бензотиенопирролы lib,с, 13а,b и 14. Стоит отметить, что при синтезе тиенопирроленинов, содержащих акцепторные заместители в ароматическом ядре, образование продукта бензидиновой перегруппировки, аналогичного 8, не наблюдалось.

13а, 64% 13b, 25% 14,47%

Нитрогруппа в соединении 13а может быть легко восстановлена до аминогруппы (Схема 7).

Таким образом, метод, разработанный нами для синтеза 1Я-бензотиено-пирролов, был с успехом применён для получения конденсированных тиенопирро-ленинов - исходных веществ для синтеза спиросоединений и мероцианиновых красителей.

Алкилирование ЗЯ-пирролов и сигматропная перегруппировка их солей

Данный раздел посвящён обнаруженной нами сигматропной перегруппировке солей тиенопирроленинов, приводящей к 2Я-пирролам.

Для синтеза спиросоединений и мероцианинов тиенопирролинового ряда необходимы метиленовые основания или четвертичные аммонийные соли тиено-пирролия. Алкмлированием тиенопирроленина 11а метилтрифлатом была получена соль 16, однако наряду с ней была обнаружена соль 17, являющаяся продуктом миграции метальной группы из положения 3 в положение 2 пирролыгого кольца (Схема 8).

15, 78%

Схема 7.

ТГО"

д

11а

16

17

Скорость процесса сильно зависит от температуры: при 80°С реакция проходит за 35 ч, при повышении температуры до 140°С (кипячение в я-ксилоле) превращение завершается уже через 2.5 ч. Строение солей было доказано спектроскопиейЯМР 'II, данными элементного анализа, а также превращением в спиросоединения и меро-цианиновые красители.

Движущей силой этой перегруппировки является, по-видимому, значительная устойчивость 2Я-бензотиенопиррольной системы, чему может способствовать стабилизация положительного заряда с участием атома серы.

Мы предположили, что данная перегруппировка может катализироваться кислотой Льюиса. Действительно, после нагревания тиенопирроленина 11а в бензоле в присутствии эфирата трехфтористого бора и обработки водой с выходом 40% был выделен 2Я-пиррол 18а (Схема 9). Изомеризация дифенильного производного lib в этих условиях происходит уже при комнатной температуре; более того, данная реакция идёт даже в отсутствие кислоты Льюиса, хотя и сопровождается образованием большого числа побочных продуктов.

Строение соединения 18Ь было доказано рентгеноструктурным анализом (Рисунок 1). Длина связи СЗа-С8Ь соответствует одинарной, что означает отсутствие ароматичности в тиенопиррольной системе.

17

11а,Ь

18а, b

R> - R2 = R» = Me (a); R' = Me; R2 = R3 = Ph (b)

Схема 9.

вий, либо к спиросоединению 18с (кипячение в бензоле с эфиратом трёхфтористого бора в течение 1 ч), либо к бензотиеноиндолу 18(1 (увеличение продолжительности реакции или повышение температуры). Более мягкие условия образования спиро-соединения 21с обусловлены лёгкостью миграции метиленовой группы по сравнению с метальной.

Схема 10.

Строение полученных 2Я-пирролов 18а-<1 доказано спектроскопией ЯМР 'Н и 13С, масс-спектрометрией и подтверждено элементными анализами их пикратов. Наиболее характерными для этих соединений являются сигналы в спектрах ЯМР 13С четвертичных атомов углерода пиррольного кольца, которые в результате перегруппировки сдвигаются на 25-30 м.д. в слабое поле (с 54-73 до 86-98 м.д.).

Обнаруженная нами реакция является разновидностью перегруппировки Вагнера-Меервейна и протекает через [1,5]-сигматропный сдвиг в тиено[3,2-6]пир-рольной системе. В литературе описано несколько примеров подобных реакций 3Я-пирролов, тогда как информация о перегруппировках производных ЗЯ-индола отсутствует, и наши попытки провести превращение 2,3,3-триметил-ЗЯ-индола в 2Я-изомер не увенчались успехом. Это побудило нас подробнее изучить этот процесс.

В Таблице 2 представлены результаты квантово-химических расчётов1 (метод ГЛТ ВЗЬУР/б-ЗЮ**) свободных энергий конденсированных и неконденсированных 2Я- и ЗЯ-пиррольных систем. Полученные данные свидетельствуют о том, что данная перегруппировка энергетически выгодна для производных пиррола и затруднена в случае индольных производных. Значения разницы энергии 3Я- и 2Я-(бензо)тиено-пирролов хотя и отрицательны, но достаточно малы, что, на наш взгляд, подтверждает возможность подобного превращения.

Таблииа 2. Свободные энергии 3Н- и 2Я- пирролов.

ЗЯ-пирролы Ез/г-Е:/л кДж/моль 2Я-пирролы

-80.21

- 14.75

Оф: -0.69

¥ + 15.62

Как и следовало ожидать для катионоидной перегруппировки, изомеризация солей тиенопирролия с электроотрицательными заместителями протекает гораздо труднее: кипячение раствора соли 19 в ацетонитриле в течение 50 ч приводит только к 50%-ной конверсии исходного вещества (Схема 11).

Схема 11.

Синтез спиропиранов тиенопирролинового ряда и гибридов на их основе

Настоящий раздел посвящен синтезу спиропиранов тиено[3,2-й]пирролинового ряда, а также гибридных фотохромных соединений на их основе.

1 Квантово-химические расчеты были проведены в лаборатории математической химии и компьютерного синтеза ИОХ РАН (д.х.н. Пивина Т. С.).

По классической схеме конденсацией четвертичных солей ЗЯ-бензотиено-пирролия 16, 19 и 21 с различными о-гидроксиальдегидами были получены спиро-пираны бензотиенопирролинового ряда 22 и 23 (Схема 12).

1?!

Я1 = н, Ме (16,22а-й); = Н, К" = СцН,, (21,22^), Я' = Шг, - Мс (19,23)

Схема 12.

Выходы полученных соединений составили 19-74% (Таблица 3). Соединения 22е^, содержащие при атоме азота пиррольного кольца октадецильный заместитель, представляют интерес для изучения процессов агрегации в растворах и на границах разделов фаз. Наличие в спиропиранах 22гидроксигруппы может быть использовано как для модификации данных соединений, так и для связывания их с полимерными матрицами.

Таблица 3. Строение и выходы спиропиранов 22 и 23.

№ 1 И1 22а Н И2 Я3 К4 И5 Выход

Ме Н N02 н 47

22Ь Н Ме (СН)4 н 68

22с | Н Ме Н Н ОМе 41

226 Н Ме Н 4-НО-С6Н4 Н 67

22е Н С18Н37 н N02 Н 20

22{ Н С18Н37 (СН)4 Н 69

22Я Н С18Н37 н | 4-НО-С6Н4 Н 19

22Ь Н Ме 0С(0)СН=С(Ме) Н 35

221 Н Ме С(Ме)=СНС(0)0 Н 60

23а Ы02 Ме Н N02 Н 74

23 Ь N02 Ме (СН)4 Н 53

23с N02 Ме Н | Н ОМе 71

23(1 N02 Ме 0С(0)СН=С(Ме) Н 54

23 е Ьт02 Ме С(Ме)=СНС(ОЮ н 35

23 Г* N02 Ме | Н N02 N02 78

* - устойчив в открытой форме

Наш интерес к спиропиранам кумаринового ряда 2211,1 и 23(1,е был обусловлен тем, что эти соединения могут обладать интенсивной флуоресценцией в закрытой или открытой форме, что важно для решения проблемы недеструктивного считывания.

Взаимодействием соли 16 с 2,2'-диформил-4,4'-бифенолом был получен бис-продукт 22}, содержащий в своей структуре два сопряжённых фотохромных остатка. Соединение 23{, содержащее две нитрогруппы в хроменовой части, устойчиво в мероцианиновой форме.

Взаимодействием соли 24 с 2-гидрокси-5-нитробензальдегидом был получен первый представитель спиропиранов пирролотиенопиридинового ряда 25 (Схема 13).

Схема 13.

При получении 7-аминозамещённых спиропиранов были получены неожиданные результаты: реакция соединения 23Ь с хлоридом олова (II) в метаноле в присутствии соляной кислоты привела к основанию Шиффа 26а (Схема 14). По-видимому, его образование является следствием взаимодействия получающегося первоначально амина и исходного спиропирана с высвобождением соли тиенопирролениния.

Для проверки этого предположения была проведена реакция спиропирана 22Ь с анилином, продуктом которой также явилось основание Шиффа 27 (Схема 15). Стоит отметить, что подобное замещение метиленовых оснований в спиропиранах нуклео-филами иной природы ранее не наблюдалось.

"Х5

22Ь

Схема 15.

Данная реакция протекает только в кислой среде, поскольку для этого необходимо превращение спиропирана в более активную гидроксистириловую соль. Получить аминопроизводное 28 удалось, проводя восстановление спиропирана 23Ь в основной среде (Схема 16).

0,N

ЕЮН, Д

Схема 16.

В диссертации отмечается, что амин 28 является привлекательным исходным соединением для получения "гибридных" фотохромных систем, содержащих помимо спиропиранового, также гидроксииминный фрагмент, что обусловливает возможность их применения для фотохимического контроля комплексообразования. Основания Шиффа 26а-с были получены с выходами 35-64% конденсацией 7-аминоспиро-пирана 28 с рядом 2-гидроксиальдегидов (Схема 17).

Щ

Схема 17.

Реакция амина 28 с 4-метил-2,6-диформилфенолом привела к диимину 26(1. Его образование наблюдалось уже при комнатной температуре, и выделить продукт моноконденсации не удалось.

Полученные основания Шиффа 26а-с1 являются полифотохромными соединениями, поскольку гидроксииминный фрагмент, так же как спиропирановый, обладает фото- и термохромными свойствами. Фотохимическое раскрытие спиропирановых остатков, приводя к значительным изменениям в их структуре, должно оказывать существенное влияние на комплексообразующие свойства данных соединений.

В диссертации рассмотрена возможность получения ранее неизвестных спиро-пиранов пирролинового ряда путём восстановительной десульфуризации спиропира-нов бензотиенопирролинового ряда. Однако при обработке спиртового раствора спиропирана 22Ь никелем Ренея были получены продукты более глубокого восстановления, основным из которых являлся дигидрохромен 29.

Реакция солей 2#-бензотиенопирролия 17 и 20 с салициловым альдегидом приводит с выходами 26-43% к гидроксистириловым красителям 30, 31, при разложении которых водной щёлочью образуются ранее неизвестные спиропираны на основе 2#-пиррола 32, 33 (Схема 18). Пирановый цикл в этих соединениях очень легко раскрывается, даже в случае нитропроизводного 33, и получить их удаётся только при отсутствии акцепторных заместителей в хроменовой части молекулы.

Схема 18.

Существование соединений 32, 33, как и их "классических" аналогов 22, 23, в спиро-форме подтверждается величинами констант спин-спинового взаимодействия (7= 10 Гц) сигналов метановых протонов в спектрахЯМР 'н.

Синтез спирооксазинов тиеиопирролинового ряда

В последнее время большое внимание уделяется азааналогам спиропиранов -спирооксазинам. Благодаря хорошим фотохромным свойствам и высокой цикличности они нашли практическое применение при создании солнцезащитных очков и светофильтров. В настоящем разделе диссертации описан синтез первых представителей спирооксазинов бензотиенопирролинового ряда.

Изучение модельной реакции соли индоленина и основания Фишера с 1-нитрозо-2-нафтолом (Таблица 4) позволило определить оптимальные условия для получения 1,3,3-триметилспиро[индолино-2,3'-[3#]-нафто[2,1-6][1,4]оксазина] (Е) -кипячение метиленового основания с избытком нитрозосоединения в толуоле.

Таблица 4. Выходы спирооксазина Е в зависимости от условий его получения.

Исходное соединение Условия Выход, %

\ I экв. 1-нитрозо-2-нафтола, ЬтЕи, ЕЮН, Д 29

\ 1 экв. 1-нитрозо-2-нафтола, ЕЮН, Д 40

1 экв. 1-нитрозо-2-нафтола, бензол, Д 55

1 экв. 1-нитрозо-2-нафтола, толуол, Д 63

2 экв. 1-нитрозо-2-нафтола толуол, Д 77

Выходы спиропиранов тиенопирролинового ряда 35а,Ь при использовании метиленового основания 34, полученного разложением соли 16 гидроксидом калия в системе вода / толуол в присутствии 18-краун-6, составили 65 и 54% соответственно (Схема 19). Помимо увеличения выходов, образующиеся спирооксазины характеризуются высокой степенью чистоты, что позволяет обойтись без дополнительной очистки.

35а,Ь

толуол, Л 11 = Н<я);(СН)4(Ь)

Схема 19.

Строение спирооксазина 35а было доказано рентгеноструктурным анализом (Рисунок 2). В структуре 35а нафтооксазиновый фрагмент практически плоский, а пиррольный значительно изогнут (спиро-атом выходит из плоскости на 0.500 А). Связь Сспиро-0 (1.455 А) удлинена, что характерно для фотохромных спирооксазинов, между тем как связь Сспирп-К (1.469 А) близка к стандартной одинарной связи, хотя обычно она укорочена.

Рисунок 2. Строение спирооксазина 35а.

Синтез мероцианиновых красителей

В данном разделе диссертации описывается синтез мероцианинов бензотиено-пирролинового ряда. Особый интерес представляют производные 2Я-пиррола, не имеющие индолиновых аналогов.

Для синтеза мероцианинов необходимы гетероциклические аналоги салициловых альдегидов, многие из которых труднодоступны. Вместо них в ряде случаев мы

использовали диметиламинометилиденовые производные гетероциклов 36, 37, легко образующиеся при взаимодействии метиленактивных гетероциклических соединений с диметилацеталем диметилформамида (Схема 20). Подобные соединения ранее практически не применялись для получения мероцианинов, однако они оказались очень удобными синтонами как из-за простоты получения, так и из-за высокой активности. Их конденсация с четвертичными солями азотистых гетероциклов проходит в отсутствие основания.

37

Схема 20.

Взаимодействие соли 16 с гетероциклическими гидроксиальдегидами или диметиламинометилиденовыми производными гетероциклов 36, 37 с выходами 4857% были получены "классические" мероцианины 38а-(!. Реакция проводится в кипящем этаноле, в случае использования гидроксиальдегидов в присутствии пиперидина. Длинноволновые полосы поглощения растворов полученных соединений в ацетонитриле лежат в диапазоне 502-540 нм (Таблица 5).

I let = 5-метШ1-4-мстоксикарбонилтиофен-3-он, 1 -бензотаофек-3-он, 3-фенил-1-(4-хлорфенил)пиразол, хроман-2,4-дион

Аналогичная реакция 2Я-бензотиенопирролиевой соли 17 с выходами 45-54% приводит к изомерным мероцианинам 39a-d, полосы поглощения которых сдвинуты более чем на 110 нм в красную область (Таблица 5), что является следствием появления дополнительной двойной связи между атомом азота и карбонильной группой.

Таблица 5. Строение, выходы и длины волн максимумов поглощения (в ацетонитриле) мероцианинов 38 и 39.

с_ 0 О о о

Qcfp 38а 53% 540 нм 38Ь 57% 520 нм 38с 49% 503, 525 нм 38d 48% 502 нм

\ __ 39а 50% 621, 656 нм 39Ь 49% 603, 645 нм 39с 45% 605, 648 нм 39d 54% 624 нм

Строение соединения 39а было доказано рентгеноструктурным анализом (Рисунок 3). Молекулы мероцианина имеют пленарное строение с 2,2-конфигурацией двойных связей мостикового фрагмента. Длины связей С2-С12 (1.392А), С12-С13 (1.394А) и С13-С2 (1.409А) практически одинаковы, что говорит о высокой степени сопряжения в молекуле.

Рисунок 3. Молекулярная структура мероцианина 39а.

Для доказательства строения мероцианина 38а было проведено ЯМР исследование, включавшее съёмку как одномерных ('Н и |3С), так и двумерных (COSY, NOE, НМВС) спектров.2 Это позволило определить конфигурацию двойной связи при пиррольном фрагменте и таким образом уменьшить число возможных изомеров мероцианина 38а до двух (E.Z и Е,Е, Рисунок 4).

' ЯМР исследование было проведено к.х.н. Троицким Н. А.

Рисунок 4. Четыре возможных трансоидных изомера мероцианина 38а.

Квантово-химические расчёты (метод ММЕЮ) свободных энергий изомеров соединения 38а свидетельствуют о наибольшей устойчивости £,7-фор мы, в то время как второй возможный изомер (Е,Е) обладает одним из наиболее высоких значений энергии (Таблица 6). Полученные результаты соответствуют газовой фазе, однако высокий дипольный момент Е,2-изомера (6.20 Д) даёт основания полагать, что и в полярных растворителях данная форма будет наиболее устойчивой.

Таблица 6. Энтальпии образования изомеров мероцианина 38а.

1 Е* Е£ гг

\Н°, кДж/чоль [ 300.91 313.80 305.59 315.77

/', Д 1 6.20 2.17 2.24 5.55

Мероцианин кумаринового ряда 38(1, по-видимому, существует в виде двух изомеров, различающихся конфигурацией двойной связи при кумариновом фрагменте. Об этом говорит наличие в 'Н ЯМР спектре двух наборов сишалов, относящихся к протонам СН-групп мостикового фрагмента. Соотношение изомеров равно 4:3. Аналогичная картина наблюдалась для индолиновых производных.

Спектральные исследования полученных соединений

Данный раздел диссертации посвящён сравнительному анализу спектрально-кинетических характеристик полученных спиросоединений и мероцианиновых красителей по сравнению с индолиновыми аналогами (Г-Н). Также рассматривается возможность создания материалов на их основе.

Первичные исследования3 полученных спиросоединений показали наличие явного фото- и термохромизма (Рисунок 5).

Рисунок 5. Изменение спектра поглощения толуольного раствора 22е (—) при облучении УФ (—) и видимым (•••) светом (а) и этанольного раствора 22h (—) при нагревании (—) и охлаждении (•••).

Сравнение спектральных параметров открытых форм полученных спиро-пиранов с характеристиками индолиновыми аналогами (F, G) показало, что введение в молекулу электроноизбыточной бензотиофеновой системы приводит к батохром-ному сдвигу полос поглощения фотоиндуцированных форм (Таблица 7).

Таблица 7. Спектральные параметры фотоиндуцированных форм спиросоединений (2'10"3 М).

Соединение Ацетонитрил Толуол

Хтач, нм D™ Хщях, НМ ®тах

F 555 0.220 605 0.938

22а 595 0.023 610 0.124

G 565 0.791 605 0.958

22е 580 0.015 625 0.158

23а 575 0.053 620 0.202

35а 625 0.067 625 0.257

Меньшая окрашиваемость растворов спиропиранов тиенопирролинового ряда под действием УФ света обусловлена, по-видимому, уменьшением скорости фото-

3 Фото- и термохромные исследования были проведены в лаборатория фотохромиых систем Центра фотохимии РАН (к.ф.-м.н. Барачевский В. А.) и лаборатории гетероциклических соединений ИОХ РАН (к.ф.-м.н. Набатов Б. В.)

окрашивания с одновременным увеличением скорости термообесцвечивания (Таблица 8).

Таблица 8. Константы скорости реакций фотоокрашивания и термообесцвечивания (ацетонитрил).

! Соединение Кд.в,с Кв-А.С"1

Р 0.1460 0.0152

22а 0.0864 0.0158

в 0.1496 0.0394

22с 0.0838 0.0557

Соединение 23Г устойчивое в открытой форме, представляет собой обратный фотохром, т.е. его растворы обесцвечиваются под действием видимого света и окрашиваются в темноте(

Рисунок 6). Интересным является то, что в процессе обесцвечивания максимум поглощения раствора сдвигается в длинноволновую область, что, по-видимому, обусловлено процессами агрегации.

Рисунок 7. Спектры поглощения меропианинов бензотиофен-3-онового ряда (С = 2-нитрил): Н (—), 38а (—) и 39а (•••)•

Рисунок 6. Изменение спектра поглощения

,,, , , , бензотиофен-3-онового ряда (С = 2-Ю"1 М, ацето-

ацетонитрильного раствора 231 (—) при облуче- * г « I

нии видимым светом (—) и после выдерживания

в темноте (•■-).

Спектральное исследование мероцианинов - производных индола (Н), 3Н-(38а) и 2#-бензотиенопиррола (39а) - показало, что замена бензольного кольца в индолыюм фрагменте на электроноизбыточную бензотиофеновую систему приводит, как и для открытых форм спиропиранов, к батохромному сдвигу полосы поглощения (Рисунок 7). Мероцианин 39а принципиально отличается от двух прочих тем, что в его структуре амино- и карбонильный фрагменты разделены не двумя, а тремя двойными связями. Сдвиг полосы поглощения мероцианина 39а относительно индолинового аналога Н достигает 136 нм. Наблюдаемые в спектре две длинно-

волновых полосы поглощения, по-видимому, объясняются агрегацией молекул красителя в растворе.

Мероцианины 38а и 39а были использованы для окрашивания синтетических тканей.4 Цвета получаются яркие и насыщенные, хотя наблюдается некоторая неоднородность окрашивания. Предварительные измерения выцветания показывают, что окраска тканей остаётся неизменной при облучении нефильтрованным УФ светом в течение времени, соответствующего примерно 600 ч непрерывного нахождения на солнце.

Мероцианин 38а был использован в качестве красителя для приготовления композитов.5 Материал на основе растянутого полиэтилена, содержащий жидкокристаллическую фазу 21Л 1695 и 0.5%-ную добавку мероцианина 38а обладает ярко выраженным дихроизмом. Введение в композитную плёнку нематического фотохром-ного допанта на основе изосорбида приводит к тому, что при облучении полученной плёнки УФ-светом величина дихроизма изменяется (Рисунок 8). Благодаря этому при помещении плёнки между скрещенными поляризаторами можно видеть рисунок, нанесённый светом, в виде светло-голубых участков на красном фоне, сохраняющийся в течение нескольких минут.

(а)

<ь>\

Рисунок 8. Полярная диаграмма поглощения света на длине волны 535 нм до (□) и после (о) облучения УФ светом (а) и поляризационная микрофотография композитной плёнки с нанесённым рисунком (Ь).

4 Окрашивание тканей было проведено на кафедре органической химии и химии красителей Московского государственного текстильного университета им. А.Н. Косыгина (проф. Кобраков К. И.).

5 Получение и исследование композитных шгёнок было проведено в лаборатории химических превращений полимеров Химического факультета МГУ (проф. Шибаев В. П.).

23

ВЫВОДЫ

1. Изучено взаимодействие гидразона бензотиофен-3-она с различными кетонами в условиях реакции Фишера. Разработан эффективный метод синтеза производных 1Я- и 3#-[1]бензотиено[3,2-А]пиррола.

2. Получен широкий ряд спиропиранов и спирооксазинов на основе тиено[3,2-6] пиррола, содержащих донорные и акцепторные заместители в обеих частях молекулы, что позволило получить как классические спиросоединения, так и "обратные" фотохромы.

3. Предложен удобный метод синтеза мероцианинов исходя из диметиламино-метилиденовых производных гетероциклических кетонов, и синтезированы первые представители мероцианшювых красителей бензотиенопирролинового ряда.

4. Обнаружена и исследована сигматропная перегруппировка солей ЗЯ-бензотиено-пирролия, приводящая к ранее неизвестным конденсированным производным 2Я-пиррола. Показано, что на процесс оказывают влияние заместители как в бензольном, так и в пиррольном циклах.

5. На основе 2Я-бензотиенопирролов - продуктов перегруппировки ЗЯ-пирролов -получены спиропираны и мероцианиновые красители нового типа с максимумами поглощения, смещёнными более чем на 110 нм в длинноволновую область по сравнению с "классическими" аналогами.

6. Исследованы спектральные свойства полученных спиросоединений и меро-цианиновых красителей. Установлено, что введение в молекулу электроно-избыточной бензотиофеновой системы приводит к батохромному сдвигу (до 40 нм) полос поглощения относительно индолиновых аналогов.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Ширинян В. 3., Краюшкин М. М., Никалин Д. М, Шимкин А. А. Синтез производных тиено[3,2-6]пирроленина в условиях реакции Фишера 11 Изв. Акад. Наук, Сер. Хим. - 2005. - No. 3. - Р. 725-729.

2. Shirinian V. Z, Krayushkin М. М., Nikalin D. М, Shimkin A. A., Vorontsova L. G., Starikova Z. A. Synthesis and structure of spirooxazines of the thieno[3,2-6]pyrro!ine series // Arkivoc. - 2005. - No. 7. - P. 72-81.

3. Shimkin A. A., Nikalin D. M., Shirinian V. Z., Krayushkin M. M., Vorontsova L. G., MetelitsaA. V, Minkin V. I. Synthesis of novel photochromic spiro compounds based on thieno[3,2-Z>]pyrroles // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 2005. - Vol. 431. - P. 307-314.

4. Shimkin A. A., Shirinian V. Z., Nikalin D. M., Krayushkin M. M., Pivina T. S., Troitsky N. A., Vorontsova L. G., Starikova Z. A. Isomerization of 3H- to 2tf-[l]benzothieno[3,2-6]pyrroles and synthesis of the first merocyanine dyes based on them // Eur. J. Org. Chem. - 2006. - No. 9. - P. 2087-2092.

5. Shimkin A. A., Nikalin D. M., Shirinian V. Z., Krayushkin M. M. Synthesis of novel photochromic spiro-compounds based on thieno[3,2-6]pyrroles // Book of Abstracts of 4th International symposium on photochromism (ISOP'04). - 2004. - Arcachon, France. -P. 108.

6. LLIUMKUH А. А., Ширинян В. 3., Никалин Д. М., Краюшкин М. М. Синтез фотохромных спиросоединений и цианиновых красителей на основе тиено[3,2-¿]пиррола // Сборник тезисов докладов VIII Молодёжной научной школы-конференции по органической химии. - 2005. - Казань, Россия. - С. 449.

7. Маилян А. К., Шимкин А. А., Ширинян В. 3., Краюшкин М. М. Синтез бензо[6]тиено[3,2-6]пирролов в условиях реакции Фишера // Сборник тезисов докладов I Молодёжной конференции ИОХ РАН. - 2005. - Москва, Россия. - С. 82.

8. Shimkin A. A., Shirinian V. Z., MailianA. К, KorendyukL. G., Krayushkin M. M. Photochromic spiro compounds and merocyanine dyes based on thieno[3,2-£>]pyrrolines // Book of Abstracts of 9th International conference on solar energy and applied photochemistry (SOLAR'06). - 2006. - Cairo, Egypt. - P. 97.

9. Шимкин А. А., Маилян А. К, Ширинян В. 3., Краюшкин M. М. Перегруппировка ЗЯ-тиенопирролов: удобный путь к новым спиропиранам и мероцианиновым красителям // Сборник тезисов докладов II Молодёжной конференции ИОХ РАН. - 2006. - Москва, Россия. - С. 44.

Принято к исполнению 12/01/2007 Исполнено 15/01/2007

Заказ № 22 Тираж: 150 экз.

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (495) 975-78-56 www.autoreferat.ru

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. СИНТЕЗ СПИРОПИРАНОВ И МЕРОЦИАНИНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

21 ВВЕДЕНИЕ

2 2 ОБРАЗОВАНИЕ СВЯЗИ С3-С

Из 2-гидроксиалъдегидов

Из метиленовых производных карбонильных соединений

Из енамипов и имидов

Из других производных

2 3 ОБРАЗОВАНИЕ СВЯЗИ С4-С5.

Из непредельных альдегидов и кетонов

Из винильных производных

Из енаминов и имидов

Из ацетиленовых производных.

Из других производных

2 4 ОБРАЗОВАНИЕ СВЯЗЕЙ С3-С4-С

2.5 ОБРАЗОВАНИЕ СВЯЗИ СгС

2 6 СИНТЕЗЫ НА ОСНОВЕ ПИРАНОВОЙ СИСТЕМЫ

2 7 ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДВОЙНЫХ СВЯЗЕЙ

2.8 ДРУГИЕ МЕТОДЫ.

2.9 ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЕ СПИРОПИРАНОВ И МЕРОЦИАНИНОВ.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

31. СТРАТЕГИЯ СИНТЕЗА.

3 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА СИНТЕЗА 1Н-[1]БЕН30ТИЕН0[3,2-В]ПИРР0Л0В 51 3 3 СИНТЕЗ ТИЕНО[3,2-В]ПИРРОЛЕНИНОВ . 54 3 4 АЛКИЛИРОВАНИЕ ЗН-ПИРРОЛОВ И СИГМА ТРОЙНАЯ

ПЕРЕГРУППИРОВКА ИХ СОЛЕЙ.

3 5 СИНТЕЗ СПИРОПИРАНОВ ТИЕНОПИРРОЛИНОВОГО РЯДА И ГИБРИДОВ

НА ИХ ОСНОВЕ

3 6 СИНТЕЗ СИИРООКСАЗИНОВ ТИЕНОПИРРОЛИНОВОГО РЯДА

3 7 СИНТЕЗ МЕРОЦИАНИНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ.

3 8 СПЕКТРАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛУЧЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ

4. ВЫВОДЫ.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

5 1. ГИДРАЗОНЫ ТИОФЕН-З-ОНОВ

5 2 1Н-[1]БЕН30ТИЕН0[3,2-В]ПИРРОЛЫ.

53 ТИЕНО[3,2-В]ПИРРОЛЕНИНЫ

5 4 2Н-[1]БЕН30ТИЕН0[3,2-В]ПИРР0ЛЫ

5 5 СПИРОПИРАНЫТИЕНОПИРРОЛИНОВОГОРЯДА

5 6 СПИРОПИРАНЫ 2Н-БЕНЗОТИЕНОПИРРОЛЬНОГО РЯДА

5 7 СПИРООКСАЗИНЫ БЕНЗОТИЕНОПИРРОЛИНОВОГО РЯДА 98 5 8 ДИМЕТИЛАМИНОМЕТИЛИДЕНОВЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛОВ

5 9 МЕРОЦИАНИНЫ 2Н- И ЗН-БЕНЗОТИЕНОПИРРОЛЬНОГО РЯДА

510 РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Список сокращений

Ас ацетил

А1к алкил

АН аллил

Аг арил

Ви бутил

COSY корреляционная спектроскопия

Ср циклопентадиенил

DABCO 1,4-диазабицикло[2.2.2]октан

DDQ 2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-бензохинон

DFT теория функционала плотности

DIBAL-H гидрид диизобутилалюминия

DMF ДМФА, диметилформамид

DMSO ДМСО, диметилсульфоксид

Et этил

Het гетарил

НМВС гетероядерная корреляция множественных связей

LR реагент Лавессона, 2,4-бис(4-метоксифенил)-1,3-дитиа-2,4-дифосфетан-2,4-дисульфид

MNDO модифицированное пренебрежение дифференциальным перекрыванием

NOE ядерный эффект Оверхаузера

Nu нуклеофил

Ph фенил

PPTS тозилат пиридиния

Рг пропил

Ру пиридин

Tf трифторметансульфонил

THF ТГФ, тетрагидрофуран

Ts тозил, я-толуолсульфонил

ДХЭ дихлорэтан

ЖК жидкокристаллический

ТСХ тонкослойная хроматография

УФ ультрафиолетовый

ЯМР ядерный магнитный резонанс

Спиропираны привлекли внимание исследователей сначала как термохромные, а позже как фотохромные соединения. В середине XX века была высказана идея о возможности использования спиропиранов в устройствах оптической памяти, что положило начало интенсивным исследованиям по их синтезу и изучению фотохромных свойств. С появлением спирооксазинов - азааналогов спиропиранов, показывающих гораздо более высокую цикличность и продемонстрировавших возможность практического применения, -данная идея обрела второе рождение, вызвав волну исследований в этой области.

Фотоиндуцированные формы спиропиранов (спирооксазинов) по сути являются мероцианинами (азометинами), принадлежащими к интереснейшему классу красителей, обладающих уникальными свойствами, в частности, высокой поляризуемостью, что позволяет использовать их при создании нелинейно-оптических материалов. Таким образом, спиросоединения представляют собой фотоуправляемую систему с кардинально меняющимися параметрами, что выделяет их среди других классов органических фотохромов

Спектрально-кинетические характеристики спиропирано-мероцианиновой системы чрезвычайно чувствительны к различным факторам: строению гетероциклической и хроме-новой частей спиросоединений, природе заместителей и даже способу выделения, причем задача предсказания физико-химических свойств в зависимости от строения соединений до сих пор не решена. Получение новых спиросоединений и мероцианиновых красителей и изучение их свойств по-прежнему является актуальной задачей.

Подавляющее большинство известных спиропиранов и спирооксазинов построено на основе индола, одним из ближайших аналогов которого является тиенопиррол и его конденсированные производные. Данная работа продолжает исследования, проводимые в Лаборатории гетероциклических соединений ИОХ РАН, и направлена на разработку методов получения спиросоединений и мероцианиновых красителей 1-бензотиено[3,2-6]пирроли-нового ряда. Замена бензольного цикла в индоле на электроноизбыточную бензотиофеновую систему должна привести к батохромному сдвигу полос поглощения мероцианинов; кроме того, доступность бензотиофенов сделает возможным получение спиросоединений и мероцианинов с различными заместителями.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 05-03-33191) и Международного научно-технического центра (проект №2117).