На правах рукописи СОКОЛОВА ВИКТОРИЯ ИВАНОВНА СИНТЕЗ НОВЫХ ФОСФОРСОДЕРЖАЩИХ КАЛИКСАРЕНОВ
advertisement
На правах рукописи СОКОЛОВА ВИКТОРИЯ ИВАНОВНА СИНТЕЗ НОВЫХ ФОСФОРСОДЕРЖАЩИХ КАЛИКСАРЕНОВ НА ОСНОВЕ α-ФОСФОНИЙЗАМЕЩЕННЫХ АЦЕТАЛЕЙ И ТИОФОСФОРИЛИРОВАННЫХ БЕНЗАЛЬДЕГИДОВ 02.00.08 – Химия элементоорганических соединений АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук КАЗАНЬ – 2013 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. Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Бурилов Александр Романович Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор кафедры органической химии Казанского (Приволжского) федерального университета Стойков 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, 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.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 α-фосфонийзамещенных ацеталей и тиофосфорилированных производных орто-, мета- и пара-гидроксибензальдегидов с резорцином и его производными, гидрохлоридом 2,6-дигидроксипиридина, пирролом, направленное на разработку оригинальных методов синтеза новых фосфорсодержащих макроциклов – каликс[4]резорцинов, каликс[4]пиридинов и порфиринов. Научная новизна. Впервые изучена конденсация резорцина и его производных с новыми α-фосфонийзамещенными ацеталями с ациклическими и циклическими азотсодержащими заместителями у атома фосфора в кислых водно-спиртовых средах, 3 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 [2,2бис-(2,4-дигидрокси-3-метилфенил)этил]-трисморфолинофосфония и бромида [2,2бис-(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 пара-гидроксибензальдегидов с резорцином и его производными, позволяющие получать rccc- и rctt-изомеры в индивидуальном виде. Установлено, что тиофосфорилированные каликс[4]резорцины в конформации конус с rcccконфигурацией заместителей способны вступать в реакции Манниха и Оалкилирования, что позволило синтезировать С-аминоалкилированные и Ооктапропаргилированные по верхнему ободу молекулы производные каликс[4]резорцинов. Показано, что при взаимодействии гидрохлорида 2,6дигидроксипиридина с 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2диоксафосфоринаном в среде хлороформа в присутствии трифторуксусной кислоты стереоселективно образуется rccc-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 мезо-замещенного порфирина, имеющего P=S-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 никелевые комплексы новых тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов в конформациях кресло и конус с rctt- и rccc-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 по органической химии (Екатеринбург, 2011), I Всероссийском симпозиуме по поверхностно-активным веществам «От коллоидных систем к нанохимии» (Казань, 4 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 αфосфонийзамещенных ацеталей и тиофосфорилированных производных орто-, метаи пара-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 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. 5 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 орто-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 α-фосфонийзамещенных ацеталей и их взаимодействие с резорцином и его производными Взаимодействием триамидофосфитов 1а-г с избытком диэтилацеталя бромацетальдегида 2 при температуре 80 ˚C с выходом 43-64 % нами синтезированы новые α-фосфонийзамещенные ацетали 3а-г с азотсодержащими ациклическими и циклическими заместителями при атоме фосфора. Наличие в составе молекул продуктов 3а-г фосфониевых групп улучшает их растворимость в воде и в органических растворителях, в том числе апротонных (например, в хлороформе). Строение полученных соединений 3а-г доказано с привлечением методов спектроскопии ЯМР (31Р, 1Н), рентгеноструктурного анализа 6 (рис. 1), состав подтвержден методом масс-спектрометрии (ESI-MS) и данными элементного анализа. 3а 3в 3г Рис. 1 Геометрия молекул α-фосфонийзамещенных ацеталей 3а,в,г в кристаллах Последующая конденсация α-фосфонийзамещенных ацеталей 3а-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, 6а-г. Образование димерных структур 4а-г, 5а-г, 6а-г вместо ожидаемых каликс[4]резорцинов, по-видимому, обусловлено тем, что фосфониевый фрагмент имеет электроноакцепторную природу и дезактивирует незамещенное ортоположение резорциновых остатков, поэтому реакция останавливается на этой стадии. Строение полученных соединений 4а-г, 5а-г, 6а-г доказано с привлечением методов спектроскопии ЯМР (31Р, 1Н), состав подтвержден методом масс-спектрометрии (ESIMS) и данными элементного анализа. В типичных протонных спектрах соединений 4а-г, 5а-г, 6а-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-Алкилирование и С-аминоалкилирование фосфониевых солей, содержащих 2,2-диарилэтильные фрагменты Присутствие в фосфониевых солях диарилэтанового строения гидроксильных групп обусловливает интерес к реакциям, протекающим с их участием. В результате 7 взаимодействия бромида 2,2-бис-(2,4-дигидрокси-3-метилфенил)этил-трисморфолинофосфония 5в с бромистым пропаргилом образуется бромид 2,2-бис-(2,4дипропаргилокси-3-метилфенил)этил-трисморфолинофосфония 7в с выходом 97 %. Строение соединения 7в доказано методами спектроскопии ЯМР (31Р, 1Н), ИКспектроскопии, состав подтвержден методом масс-спектрометрии (ESI-MS) и данными элементного анализа. В спектре ЯМР 1Н продукта наблюдаются сигналы, соответствующие метиновой 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 «click»-реакции – (3+2)-циклоприсоединение азидов и алкинов, катализируемое соединениями меди. С целью дальнейшего исследования новых синтетических возможностей полученных полифенолов 4а-г, 5а-г, 6а-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. Строение соединений 5а,в доказано методами спектроскопии ЯМР (31Р, 1Н), состав подтвержден методом масс-спектрометрии (ESI-MS) 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. 8 3 Взаимодействие фосфониевых солей диарилэтанового строения с пропионовым альдегидом Ациклические полифенолы 4а-г, 5а-г, 6а-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: Строение соединений 9в,г доказано методами спектроскопии ЯМР (31Р, 1Н), состав подтвержден методом масс-спектрометрии (MALDI-MS) и данными элементного анализа. Спектры ЯМР 1Н 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, кондуктометрии и pH-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 1.5·10-4 моль/л (рис. 2б), что сопоставимо с величиной ККМ для цетилтриметиламмоний бромида (ЦТАБ), равной 0.85·10-3 моль/л. Вероятно, это 9 , мН/м обусловлено способностью каликсаренов образовывать агрегаты не только за счет гидрофобного эффекта, как в случае типичных ПАВ, но также инклюзивных взаимодействий, предполагающих участие полости. ККМ=0.00015 М 72 70 68 66 64 1E-6 1E-5 1E-4 СКФ, моль/л а б 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 пара-гидроксибензальдегидов Ранее нашей исследовательской группой одностадийной конденсацией О,Одиэтил-О-(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 rctt-изомеров в конформации кресло. Было установлено, что данные макроциклы образуют комплексы с ионами переходных металлов (Ni, Co), 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 каликсрезорцинов, содержащих тиофосфорильные фрагменты. Для реализации этого подхода в качестве объектов исследования нами выбраны новые тиофосфорилированные бензальдегиды 12-15, синтезированные взаимодействием орто-, мета- и пара-гидроксибензальдегидов с циклическими тиохлорфосфатами в присутствии гидрида натрия. 10 Строение полученных соединений 12-15 доказано с привлечением методов спектроскопии ЯМР (31Р, 1Н), ИК-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа (рис. 3), состав подтвержден методом масс-спектрометрии (ESI-MS) и данными элементного анализа. 12 13 15 Рис. 3 Геометрия молекул тиофосфорилированных производных гидроксибензальдегидов 12, 13, 15 в кристаллах 5 Взаимодействие 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-1,3,2диоксафосфолана 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. 11 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 rcttконфигурацией заместителей с высокими выходами. Строение соединений 16-18 подтверждено методами спектроскопии ЯМР (31Р, 1Н, 13С, 2D СOSY HSQC, HMBС и ROESY), ИК-спектроскопии; состав доказан методом масс-спектрометрии (ESI-MS) и данными элементного анализа. В спектрах ЯМР 1Н 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-1,3,2диоксафосфоринана с резорцином и его производными Взаимодействием 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2диоксафосфоринана 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. В результате этого взаимодействия образуется смесь rctt- и rccc-изомеров, причем на их соотношение существенное влияние оказывает природа применяемого полигидроксибензола. При использовании резорцина реакция протекает строго стереоселективно с образованием rccc-изомера 19а (rccc : rctt = 1:0). Реакция с 2метилрезорцином привела к образованию смеси rctt- и rccc-изомеров 20а,б с преимущественным содержанием rccc-изомера 20а (rccc : rctt = 5:1). Тогда как реакция с пирогаллолом тоже дает оба изомера 21а,б, но доминирующим уже является rctt-изомер 21б (rccc : rctt = 1:2). Все rccc- и rctt-изомеры тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов 19а, 20а,б, 21а,б были выделены в индивидуальном виде последовательной перекристаллизацией из ацетона и этанола. 12 Рис. 4 Спектры ЯМР 1Н (600 МГц, ДМСО-d6) соединений 20б и 20а 13 В спектре ЯМР 1Н rctt-изомера тиофосфорилированного каликсарена 20б наблюдается удвоение сигналов, принадлежащих ароматическим остаткам каликсрезорцинового остова, что свидетельствует о различном вертикальном (v) и горизонтальном (h) расположении противолежащих ароматических колец (рис. 4). В спектре ЯМР 1Н rcсс-изомера тиофосфорилированного каликсарена 20а наблюдается по одному сигналу для каждой группы протонов, что соответствует конформации конус (рис. 4). Известно, что в результате реакций бензальдегидов с резорцином и его производными в основном образуются rctt-изомеры или смеси rccc- и rctt-изомеров с преимущественным образованием rctt-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 rctt- и rccc-изомеров 19а, 20а, 21б подтверждена методом РСА (рис. 5). Интересно отметить, что в кристаллах соединения 19а и 20а находятся в конформации лодка с rccc-конфигурацией заместителей. 19а 20а 21б Рис. 5 Геометрия молекул тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов 19а, 20а, 21б в кристаллах Интересным свойством rccc-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 1Н 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 1Н каликс[4]резорцинов, как правило, соответствуют конформации лодка, т.е. наблюдается удвоение сигналов протонов резорциновых фрагментов каликсарена. В нашем случае наблюдалось большое различие спектров ЯМР 1Н rccc-изомера 19а, снятых в двух растворителях: в ДМСО-d6 и ацетоне-d6 (рис. 6). В спектре ЯМР 1 Н соединения 19а, снятого при 30 ˚С в ДМСО-d6, отсутствует сигнал мета-протонов резорциновых остатков каликсаренового остова. С целью выявления причин такого 14 поведения каликсаренов в различных растворителях нами было проведено исследование влияния температуры на характер сигналов в спектрах ЯМР 1Н этого соединения. Обнаружено, что в спектре ЯМР 1Н соединения 19а, снятого при 30 ˚С в ацетоне-d6, для каждой группы протонов наблюдается по одному сигналу, что соответствует конформации конус. В ДМСО-d6 аналогичную картину удалось получить только при 100 ˚С, тогда как при 30 ˚С наблюдается сильное уширение сигнала мета-протонов, приводящее практически к его исчезновению. Барьеры конформационных переходов лодка 1 – лодка 2, рассчитанные по температурам коалесценции, соответствуют ΔG = 59.5 кДж/моль для TК = 30 ˚С (ДМСО-d6) и ΔG = 44.4 кДж/моль для TК = -50 ˚С (ацетон-d6). Это существенное различие (ΔG = 15 кДж/моль) между ДМСО-d6 и ацетоном-d6 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 1Н мы наблюдаем картину, характерную для усредненной конформации конус, а при понижении температуры – конформационные переходы замедляются, поэтому мы можем зафиксировать лодку. Рис. 6 Температурная зависимость сигналов ароматических протонов соединения 19а в спектрах ЯМР 1Н (600 МГц, в ацетоне-d6 (а) и ДМСО-d6 (б)); пик Н4 помечен звездочкой С целью изучения влияния экспериментальных условий на синтетический результат реакции нами была проведена конденсация 2-(4-карбальдегидофенокси)-2тио-5,5-диметил-1,3,2-диоксафосфоринана 13 с резорцином и 2-метилрезорцином в водно-спиртовой среде в присутствии концентрированной соляной кислоты. 15 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 rcttконфигурацией заместителей с выходами до 56 %. Строение полученных соединений 19а,б-21а,б доказано с привлечением методов спектроскопии ЯМР (31Р, 1Н), ИКспектроскопии, состав подтвержден методом масс-спектрометрии (ESI-MS) и данными элементного анализа. 7 Взаимодействие 2-(3-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил1,3,2-диоксафосфоринана с резорцином и его производными При конденсации 2-(3-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2диоксафосфоринана 14 с резорцином и его производными в среде хлороформа в присутствии каталитических количеств трифторуксусной кислоты образуются смеси rctt- и rccc-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. 16 Необходимо отметить, однако, что мета-замещенный альдегид 14 является менее реакционноспособным, нежели его пара-замещенный аналог 13, что обусловлено, по-видимому, стерическим фактором. Так, время проведения реакции резорцина с мета-альдегидом 14 составило 60 ч, выход продукта – 62 %, в аналогичной реакции с пара-альдегидом 13 реакция проходит уже за 35 часов с выходом 96 %. Строение полученных продуктов 22а, 23а,б, 24б (rccc-изомер 24а не удалось выделить в индивидуальном виде) подтверждено с привлечением методов ЯМР (1Н, 31P, 13С), ИК-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа 23б (рис. 7); состав доказан методом масс-спектрометрии (MALDI-MS) и данными элементного анализа. Рис. 7 Геометрия молекул тиофосфорилированного каликс[4]резорцина 23б в кристалле 8 Взаимодействие 2-(2-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил1,3,2-диоксафосфоринана с резорцином и его производными Конденсация стерически затрудненного 2-(2-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5диметил-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 rctt- и rccc-изомеров в соотношении 2:1, которую не удалось разделить. Состав и строение полученных rccc-изомеров 25, 26 доказаны с привлечением различных физических методов: ЯМР (1Н, 31P, 13С), ИК-спектроскопии, масс17 спектрометрии (MALDI-MS), 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 тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов С целью дальнейшего изучения новых синтетических возможностей полученных rccc-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 Саминоалкилированного 30а производных каликс[4]резорцинов, содержащих тиофосфорильные группы. 18 Строение полученных продуктов подтверждено методами ЯМР (1Н, 31P), ИКспектроскопии; состав доказан методом масс-спектрометрии (MALDI-, ESI-MS) и данными элементного анализа. 10 Взаимодействие 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2диоксафосфоринана 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 2,6дигидроксипиридина с 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2диоксафосфоринаном 13 в апротонной среде (хлороформ, трифторуксусная кислота). В результате с выходом 23 % был получен новый тиофосфорилированный каликс[4]пиридин 31а в конформации конус с rccc-конфигурациией заместителей. Строение соединения 31а доказано методами спектроскопии ЯМР (31Р, 1Н), ИКспектроскопии, состав подтвержден методом масс-спектрометрии (MALDI-MS) 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 19 комплексообразователями и прекурсорами для создания новых эффективных каталитических систем. Взаимодействием 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2диоксафосфоринана 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 мезо-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, 1Н), 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 rctt- и rcccизомеров тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов с некоторыми переходными металлами (Ni, Co, Cu). Методом циклической вольтамперометрии найдено, что все никелевые комплексы rcttи 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-1 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 rctt-изомеров тиофосфорилированных каликс[4]резорцинов (Ni2+L16б, 17б) с конформацией лиганда кресло восстанавливаются при менее 20 отрицательных потенциалах (-0.84 – -1.15 В), чем комплексы Ni2+L19а, 20а (-1.15 – -1.20 В) с конформацией лиганда конус. Таблица 1. Значения электрохимических характеристик комплексов Ni2+L (L = 16б, 17б, 20б, 23б) и Ni2+L (L = 19а, 20а, 23а, 26а) Комплекс Конформация лиганда Ni2+L16б Ni2+L17б Ni2+L19а Ni2+L20б Ni2+L20а Ni2+L23б Ni2+L23а Ni2+L26а кресло кресло конус кресло конус кресло конус лодка Потенциал восстановления комплекса -E, V 1.17 0.84 1.15 1.31 1.20 1.34 1.28 1.32 Потенциал каталитической волны -E, V 1.10 0.92 1.00 1.30 1.06 1.37 1.00 1.34 TOF C.E. 109523 70442 92609 33578 74129 97913 51577 12683 0.87 0.79 1.12 0.45 0.92 0.75 1.13 0.31 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ: 1. Выявлено, что конденсация α-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 каликс[4]резорцинов, функционализированных тиофосфорильными фрагментами, на основе кислотно-катализируемой конденсации тиофосфорилированных производных орто-, мета-, парагидроксибензальдегидов 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 rctt- и rccc-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. 21 4. Показано, что взаимодействие гидрохлорида 2,6-дигидроксипиридина с 2-(4карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2-диоксафосфоринаном 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-5,5диметил-1,3,2-диоксафосфоринаном в условиях кислотного катализа приводит к образованию первого представителя мезо-замещенных порфиринов, содержащего в составе молекулы четыре тиофосфорильных фрагмента. 6. Найдено, что никелевые комплексы rctt- и rccc-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. T. 15. № 15. С. 159 – 161. 3. Kibardina, L.K. Synthesis and properties of novel calix[4]resorcinols containing phosphonium substituents [Text] / L.K. Kibardina, I.R. Knyazeva, V.I. Sokolova, G.I. 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, В.В. 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 thiophosphorylated 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. Incl. 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. 22 Тезисы докладов: 1. Князева, И.Р. Новые α-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. С. 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, функционализированного фосфониевыми группами [Текст] / В.И. Соколова, Г.И. Вагапова, 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. Gryaznova, 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 В.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. С. 17 – 21. Соискатель В.И. Соколова 23
