Введение к работе
'
Актуальность темы. В современной теоретической и прждадной химии элементооргэнических соединений _ дициклопенталиеімльшіе комплекси переходных металлов (металлоцены) и их производные заншчю-г сяю из видных мест. С открытия первого такого комплекса - дициклс-пентадиенал-железа (фзрроцена) в 1951 году началась'интенсивное исоледовяшю металло-оргакических соединений переходных металлов, которое продол.-::^ ;ся ;і до настоящего времени, Благодаря относительной доступности,устойчивостии и высокой реакционной способности в реакциях электрофалыюго замэщошм мч-таллоцены металлов VI1IA подгруппы и, особенно ферроцен, помимо .значения для решения фундаментальных научных проблем в мэталлоорганлчоекой химии, находят все более широкое примепеїшв в органическом синтезе и на этой основе успешно внедряются в практику.
Важное значение в химии названных металлоценов приобрели реакции, протекающие с участием а-металлоценилкарбокатионов (МШС), доыимштя устойчивость которых обусловлена присутствием в а-полохании к. катионному центру металлоценилыюго ядра. С помоцью этих реакций, которые мы назвали а-мэтвллоценилалкилированием, можно получать различные функционально замещенные а-металлоценилалкалаты в зависимости от услови* взаимодействия, пріфоди и строения исходных реагентов. До наших исследований, начатых в 1975 году, били известны следующие методы введения ферроценилалкильнш радикалов в" молекулы нуклвофилов: I)|ерроценилметилирование с помощью солей триалкил(фврроценилметил)акмония (С.Н.Наизег, J.K.Lindsay, А.Н.Нес-меяяов, Э.Г.Перевалова, В.А.Устынш, Р.Ь.Раизоп, И.Е.Шаиэ);2)фэрроцэнил-метилирование с помощью хлорметилферроцена и его простейших гомологов (K.Schlogl, А.Н.Несмеянов, Э.Г.Перевалова с сотр., Л.Й.Захаркин с сотр., В.П.Твердохлебов, И.В.Целинский с сотр.); ЗЗа-ферроценилалкилировашю с помощью устойчивых солей а-фзрроценилкарбокатионов ( А.Н.Несмеянов, В.А.Сазонова с сотр., Allenmark S.). Каждый из атих методов имеет принципиальные ограничения в выборе ферроценсодержащей компоненты и нуклеофиль-ного соединения. Кроме того, относительно жесткие условия реакции (нагревание, высокая кислотность среда) способствовали протеканию побочных процессов, что снижало выходы и чистоту продуктов а-$орроцечилалкилирова-ния.Что ке касается возможности использования в аналогичных реакциях со-ответствугацих производных других металлоценов ^ рутеноцена и осмоцена, то таких данных в литературе не было.
Таким образом, исходя из вышеизложенного следует, что тема исследования является актуальной, поскольку в химии металлоценов VTIIA подгруппы отсутствовали общие методологические подходы к синтезу функционально
- г -
замещенных а-мвтвллоценилалкилатов, которые в связи с этим оставались. труднодоступными и малоизученными соединениями.
Цель работы. Целью данной работы явилось систематическое исследование реакцийа-металлоценилалкилирования и разработка общего методологического подхода к введению различных в-ыеталл^ценилалкильных группировок в органические и неорганические системы, содержащие один и белое нуклесфилышх центров, а также изучение влияния структуры реагентов а условий на характер (строение) образуодихся продуктов реакции. Кроме этого б задачу наших исследований входило изыскание путей практического применения синтезированных соединений.
Материалы и методы исследования. Для решения поставленной цели объектами исследований являлись с одной стороны мвталлоценилсодержащие < субстраты - а-гидроксипроиэводнш ферроцена, рутеноцэна, осмоцена, а такие их ' а-алкен- и о-водородсодержащие производные. С другой стороны объектами исследований были нуклоофилыте соединения, содержащие атомы С, N. О, Ъ, Р и Sb в качестве одного или нескольких потенциальных реакционных центров. Для генерирования МЦК были использованы сильные минеральные кислота (НСІОд, НВР4, HI К катионит КУ-2 и соли трифвнилкарОокатиона в
исследуемых условиях реакции. Изучение реакционной способности МЦК прово-.дили электрохимическими и кинетическими методами с использованием ЗПР спектроскопии. Идентификацию и доказательство строения подученных соединений проводили как химическим путем, так и методами ТСХ, ИК. УФ, ПМР спектроскопии, масс-спектрометрии и рентгеноструктурного анализа.
Научная новизна. В результате проведенных исследований разработан общий методологический подход к введению различных а-металлоценилалкиль-ных радикалов в органические и неорганические нуклеофильные соединения, включающий четыре универсальных метода:
I.Генерирование in situ МЦК из о-гидрокси- или а-алкенпроизводных ферроцена, рутеноценв и осмоцена при действии водных растворов, сильных минеральных кислот в присутствии нуклеофилов в двухфазной системе жидкость-жидкость.
2.Генерирование In situ МЦК из названных производных металлоцвнрв в присутствии нуклеофилов в двухфазной системе органический растворитель-кати-снит КУ-2 в Н-форме.
3.Генерирование in situ а-фэрроценилкарбокатионов из а-гидрокси-, «-влке-но- и а-водородсодержавдх ферроцена при действии на них перхлората или тетрафторбората трифенилкарбокатиона в присутствия нуклеофилов в гомо- -генной полярной среде.
4.Генерирование МЦК при действии одноэлектрошшх окислителей ка а-гидрок си- и а-водородсодеркпвие металлоценн с последующим взаимодействием продуктов окисления со смосьв нуклеофила и свободного радикала (тріфшилме-тильного или соли Фреми).
Данные методы позволили впервые получить разнообразные функниэнвльно замененные производные а- и /1-металлоценилалкилатов металлов VIIIA подгруппы практически без ограничений к выбору соответствуидей металлоценил-содержащей компоненты и нуклеофильного реаг.ента.
В ходе разработки общего подхода к синтезу функционально замещенных производных ферроцена, рутеноцена и осмоцена в частности: 1).Выло установлено, что при взаимодействии.эквимолярных количеств солей трифенилкарбокатиона со смесью винилферроцена или азометанами ряда ферро-цена в присутствии' нуклеофильных реагентов образуются продукты замещения у sp - гибридного атома углерода на нуклеофил.
2).Найдены новые метода получения в индивидуальном состояния солей а-фер-роценилкарбоквтконов и изучены их свойства.
3).Выявлены, изучены и проанаяизироваш различные факторы, влияющие на реакционную способность а-гидрокси- и а-Еодородсодержащих производных металлоценов с нуклеофялышми реагентами, в исследуемых условиях реакции.
Таким образом, в результате проведенного исследования созданы основы нового научного направления в синтезе производных металлоценов - химия а-металлоценилкарсокотионов (МЦК) в условиях их мягкой генерации в присутствии нуклеофильных реагентов.
Практическая ценность работа состоит в том, что в- рей разработаны препаративные методы получения 'различных структурных типов а- и ^-функционально замещенных производных ферроцена, рутеноцена и осмоцена, содержащих азот, серу, фосфор, сурьму. Предложены простые и доступные методы получения в индивидуальном состоящей солей МЦК и пирилиевых катионов - активных субстратов в реакциях с нуклеофильными реагентами. Найденные метода а-металлоценилалкилироввния в двухфазных системах являвтся удобными и безопасными, а простое аппаратурное оформление, доступность и широкие граница выбора исходных реагентов позволяют рекомендовать их как наиболее технологичные для дальнейшей разработки. На некоторые из них совместно с сотрудниками ИНЗОС им. А.Н.Несмеянова РАН получены авторские свидетельства.
Исследования протиЕомикробной активности ряда синтезированных производных ферроцена выявили несколько перспективных соединений, обладаниях высоким (1-3 мкг/мл) антимикробным действием при их низкой токсичности. Мзучежз завкстаости этих свойств от строения соединений гоззолило cof.wh-
стно с Новокузнецк!») институтом усовершенствования врачей разработать программу по целенаправленному скринингу противомикробных соединений ряда ферроцена с использованием электронно-вычислительной техники.
Некоторые моно- и диферроценилалкилированные соли уротропина, бєкзо-триазола и 2-метилбензимвдазола проявили устойчивые противосгтухолзкиз ?*-факти для раковых клеток саркомы МХ-ІІ, мастоцитсмы Р815 и Еируса лейхг^ Рзушора, что делает перспективным дальнейший поиск подобных соідинйшіл среди функционально замещенных а-металлоцзнилалкилатов.
Найдены новые направления практического применения ряда синтезированных производных ферроцена в некоторых материалах для науки и техники: в качестве стабилизаторов центров скрытого изобрааония высокоразрешающих фотографических материалов, в качестве цветооОразутих элэктронодонорных компонент в Оессеребряных светочувствительных материалах на основе комплексов с перекосом заряда и в качестве индикаторов в полимерных композициях для определений дозы радиоактивно! о излучения в зонах с высокой температурой. Все эти области применения ферроцена защищены авторскими свидетельствами.
Апробация работы. Отдельные части работы докладывались на Всесоюзной юбилейной конференции по химии фосфорорганических соединений, посвященной 100-летию со Дня ровдения акад. А.Е.Арбузова (Киев, 1977), на XIII и XIV Украинских республиканских конференциях по органической химии (Донецк, 1978; Одесса, 1982), на Всесоюзном совещании "Химия и технология ацеталей и их гетероаналогов" (Уфа, 1981), /на III Всесоюзной конференции по химки карбенов (Москва, 1982), на IV Всесоюзной конференции "Боссереб-ряные и необычные фотографические процессы" (Суздаль, 1984), на VI и VII Всесоюзных совещаниях по проблеме "Комплексы с переносом заряда и ион-радикальные соли" (Черноголовка, 1984, 1988), на IV Всесоюзном симпозиуме го органическому синтезу "Новые методические принципы в органическом синтезе" (Ыосква,1984), на 55-ом Московском коллоквиуме по металлоорганичес -ким комплексам переходных металлов в ИНЭОС АН СССР (1984), на VIII Всесоюзной конференции по химии фосфорорганических соединений (Казань,1985), на IV Всесоюзном симпозиуме "Физика и химия полиметиновых красителей" (Москва, 1985), на VI Европейской конференции по мэталлоорганической химка (Рига, 1985), на VI Международной конференции по органическому синтезу (Ыосква, 1986), на IV Всесоюзной конференции по химии азотсодеряаща гетероциклических соединений (Новосибирск, 1987), на IV -и V Всесоюзны* конференциях по металлоорганической химии (Казань,. 1988; Рига, 1991) и не V Международном симпозиуме (ИШАК) по металлоорганической химии (Италия, 1989).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 тезиса докладов. 37 чаучных статей и получено 2 авторских свидетельства.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, чв-іирох глав с обсуждением результатов (I-IV), экспериментальной части (глава V), заключения, выводов к списка литературы из 339 наименовании. основной текст включает 235 страниц, содержит 60 таблиц и 27 рисунков. '"Зой объем работы - 336 страниц.
В связи с тем, что литература по химии ферроцена и рутеноценв достаточно полно изложена в монографиях ', екегодішх обзорах ' и в справочнике Гмелина, а литературішх дашшх по химии осмоцена недостаточно, в диссертация отсутствует литературный обзор по химии указанных соединений в виде отдельной главы. Однако, в каждой главе (I-IV) приведен анализ литературных данных, непосредственно связанных с обсуждаемыми вопросами в диссертации.