Соединения клозо-бороводородных анионов B10H102- и B12H122- с экзо-полиэдрическими связями B-O, B-C, B-N тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.01 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР Ю

J 1.1. Строение и особенности химической связи в клозобороводородных анионах.

1.2. Реакции замещения экзо-полиэдрических атомов водорода в анионах В10Н102" и В12Н122".

1.2.1. Производные со связью В-О.

1.2.2. Производные со связью В-С.

1.2.3. Производные со связью B-N.

Более 40 лет значительный интерес как теоретиков, так и химиков-экспериментаторов привлекает обширный класс соединений, остов которых состоит либо целиком из атомов бора, либо включает в себя также атомы углерода, кремния, азота, фосфора, серы, атомы переходных металлов и т.д. [1]

Специфика соединений на основе бороводородных фрагментов и их производных заключается в разнообразии способов расположения атомов и их координации, что в первую очередь связано с электронодефи-цитным характером химических связей и высокими координационными числами атомов, составляющих полиэдрические остовы, кластерным характером связывания, высокой степенью делокализации электронов в остове. [2]

В последнее время наиболее интенсивно развивается химия кластерных анионов ВД^2" (п=6-12). Она весьма непроста и разнообразна и составляет самостоятельный раздел химии бора. Анионы бора ВПНП2" (п=6-12), наряду со сравнительно недавно открытыми фуллеренами, являются одними из немногих примеров полностью «неметаллических» кластеров. Проблема их электронного строения стала развиваться одновременно с экспериментальными исследованиями и возникла, можно сказать, даже до их экспериментального открытия. Именно квантовохимические расчеты Лонге-Хиггинса и Робертса [15], показавшие возможность существования кластерных бороводородных полиэдров в виде двухзарядных анионов, послужили основным стимулом к их экспериментальному исследованию. Факт существования этих систем и их химическое поведение во многом определяется наличием дело-кализованных электронов и пространственно-ароматическим характером химической связи. С ароматической природой полиэдрических анионов бора связаны особенности их свойств, отличающие их от большинства гидридных соединений бора: высокая термостойкость и кинетическая стабильность остовной борной системы, ярко выраженная тенденция к реакциям замещения и др.

Именно эти аспекты обуславливают высокую важность не только теоретических, но и экспериментальных исследований в области химии высших бороводородных анионов ВПНП2", как уникальных представителей пространственно-ароматических систем. Многие фундаментальные вопросы этого научного направления находятся на стыке неорганической, элементоорганической и органической химии. И с этой точки зрения имеется еще много проблем, решение которых может не только дать важные результаты собственно для химии кластеров бора, но и быть источником новых идей, подходов и закономерностей в химии.

Для ряда производных на основе двух высших представителей этого класса, анионов В10Н102' и В12Н122', уже определены наиболее важные аспекты их практического применения. В частности, энергетике предложено их использование в качестве компонентов высококалорийных ракетных топлив.[4] В атомной технике соединения анионов В,0Н102" и В12Н122" могут быть использованы для создания прочных термостойких полимерных нейтронозащитных покрытий с хорошей адгезией к различным материалам. [5] Кроме того, такие полимеры весьма перспективны для создания устойчивых пленок и нитей, пригодных для получения нейтронозащитных тканей. [6]

Некоторые соли полиэдрических бороводородных анионов уже используются в качестве добавок в электролиты для электрохимических источников тока [7]. Они оказались полезными в пиротехнике, во взрывном деле в качестве инициаторов, и как компоненты горючих сигнальных ракет. [8] Было предложено использовать некоторые соединения для получения карбида бора, боридов титана, ниобия, молибдена, вольфрама, кобальта, магния, бериллия[9], для инициирования полимеризации винильных эфиров, в качестве секвеструющих агентов для тяжелых металлов. [10]

Наиболее интенсивно развивается направление по использованию кластерных анионов бора для создания препаратов нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей (BNCT). В основе BNCT лежит ядерная реакция взаимодействия стабильного изотопа бора-10 с тепловыми нейтронами (Еп=0,025 эВ, сечение захвата 10В 3890 барн). Образующиеся в результате реакции 10B(nth | a,y)7Li частицы - ядра гелия (альфа-частицы) и ядра отдачи лития-7 обладают в тканях высокой ЛПЭ (соответственно, 200 и 350 кэВ/мкм) и небольшим суммарным пробегом (-14 мкм), соизмеримым с диаметром одной клетки. В случае же селективного накопления бора-10 в опухолевых клетках может быть достигнут избирательный радиационный эффект на клеточном уровне. В идеальном случае, разрушаются только опухолевые клетки, включая сколь угодно мелкие метастазы, без повреждения нормальных тканей в облучаемом объеме.[11] Для успешной реализации в клинической практике уникальных возможностей должен быть решен комплекс сложных химических, биологических, медицинских и физико-технических проблем. [12] Ключевым звеном этого комплекса, без решения которого BNCT состояться не может, является создание борсодержащих препаратов, способных избирательно доставлять в клетки злокачественных опухолей терапевтическое количество бора-10, обеспечивать его оптимальное микрораспределение и оставаться в клетках в течение необходимого для облучения периода времени. Рассчитано, что при верхнем пределе флюенса нейтронов 1013 н/см2 абсолютное количество бора-10 в опухоли при равномерном его распределении должно достигать 109 атомов на клетку, или 20-35(40) мкг/г. Для предотвращения поражения здоровых тканей в облучаемом объеме, количество бора-10 в них во время облучения должно быть в 3 и более раз ниже, чем в опухоли. Требование к количеству бора-10 в опухоли может резко измениться в зависимости от его локализации в клетке. Полагают, что при включении бора-10 в ядро опухолевой клетки для эффективного проведения BNCT достаточно 2 мкг 10-В/г опухоли. Следовательно, на радиобиологическую эффективность реакции 10B(nth|a,y)7Li существенное влияние может оказать т.н. «фактор соединения», обусловленный особенностями химического строения и, соответственно, метаболизма соединения.[13] Таким образом, основной, все еще не решенной задачей, на пути становления бор-нейтронозахватной терапии является создание препаратов, отвечающих всему комплексу медико-биологических требований. Производные полиэдрических анионов В10Н102" и В12Н122" наиболее пригодны для достижения этих целей по причине своей высокой химической и биологической стабильности, большого содержания бора в молекуле, низкой токсичности и, как правило, высокой водорастворимости соединений. К сожалению, не существует прямых способов присоединения биологически активных транспортных групп к кластерам бора. Поэтому возникает проблема получения производных анионов В10Н102" и В12Н122" с активными функциональными спейсерными группами, которые можно было бы использовать для создания биологически активных борсодержащих соединений для BNCT.

Настоящая работа посвящена исследованию возможных путей синтеза, а также изучению строения, свойств и механизмов образования замещенных производных кластерных анионов В]0Н102' и В12Н122" с экзо-полиэдрическими функциональными азот-, кислород- и углёродсодер-жащими группами.

ВЫВОДЫ.

Найдено, что кислотно-катализируемое нуклеофильное замещение экзо-полиэдрических атомов водорода на карбоксилатные группы в клозо-декаборатном анионе ВюНю2" при его взаимодействии с алифатическими карбоновыми кислотами носит ярко выраженный ступенчатый и региоселективный характер. Показано, что механизм такого замещения включает стадию образования ундекагидродекаборатного аниона ВюНц~, подвергающегося атаке нуклеофильных частиц RCOO". Установлено, что в координационных соединениях свинца (II) ацетилокси- и диацетилокси-клозо-декаборатные анионы выступают в роли хелатирующих лигандов.

Показано, что взаимодействие солей клозо-додекаборатного аниона с карбоновыми кислотами носит ступенчатый и региоселективный характер. При этом, экзо-полиэдрическая карбоксилатная группа выступает в роли мета-ориентанта по отношению к вновь вводимой функциональной группе.

Разработан метод синтеза карбонил-клозо-додекаборатов на основе взаимодействия солей аниона Bi2Hi22" и его замещенных производных с оксалилхлоридом. Предложен возможный механизм процесса, объясняющий неполное превращение анионов, не содержащих гидроксигруппы, в карбонильные продукты, из-за невозможности образования активированных форм реагента. Установлено, что при взаимодействии аниона Bi2Hi22" с различными нитрозирующими образуются нитрозо-клозо-додекаборатный анион, и продукт его димеризации, для которого на основании ИК спектров установлено транс-строение. Разработан новый метод получения амино-клозо-додекаборатов, основанный на восстановлении нитрозопроизводных аниона Bi2Hi22". Изучено аминирование клозо-додекаборатного аниона гидроксил-амин-О-сульфоновой кислотой. На основании данных о кристаллической структуре Bi2H10(NH3)2 установлено, что введенная аминогруппа является тиета-ориентантом по отношению к вновь вводимой.

Разработан метод синтеза новых водорастворимых додекаборат-фталоцианинов MPctCHzNHzB^HjOn, где n=4,8; МСо, АЮН, Fe -перспективных соединений для BNCT.

Благодарности

АВТОР ВЫРАЖАЕТ ИСКРЕННЮЮ БЛАГОДАРНОСТЬ доктору химических наук, профессору Солнцеву К.А. доктору химических наук, профессору Серебренниковой Г.А. доктору химических наук, профессору Лукьянцу Е.А. кандидату химических наук, доценту Вотиновой Н.А. за постановку некоторых разделов этой работы и помощь в их выполнении.

Автор благодарит д.х.н. Сахарова С.Г. (лаборатория химии неорганических фторидов ИОНХ РАН) за регистрацию спектров ЯМР и Центр рентгеностуктурных исследований ИНЭОС РАН за проведение некоторых рентгеноструктурных экспериментов.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ, (гранты 00-15-97394.0 и 99-03-32589)