Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общая характеристика методов функционализации полиэдрических гидридов бора . 5
Глава 2. Функционализация через атом азота (основания Шиффа и бензиламино производные). 30
Глава 3. Функционализация через атом кислорода (алкоксипроизводные). 46
Глава 4. Функционализация через раскрытие циклических оксониевых производных 54
Глава 5. Реакции ароматического C-H борирования. Кислотность Льюиса квази-бориниевых катионов . 93
Глава 6. Другие способы функционализации карборанов. 110
Выводы. 121
Экспериментальная часть. 123
Литература. 226
- Общая характеристика методов функционализации полиэдрических гидридов бора .
- Функционализация через атом кислорода (алкоксипроизводные).
- Реакции ароматического C-H борирования. Кислотность Льюиса квази-бориниевых катионов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Синтез полиэдрических гидридов бора (боранов, карборанов, металлакарборанов) в 60-х годах прошлого века явился одним из ключевых моментов в развитии химии, который во многом послужил сближению неорганической, элементоорганической и органической химии. Изучение этих соединений существенно расширило современные представления о строении молекул и природе химических связей и привело к введению понятия трехмерной ароматичности, которое в настоящее время успешно используется для описания строения полиэдрических гидридов бора, кластеров переходных металлов, фуллеренов и их производных. Помимо большого теоретического интереса, было обнаружено, что ряд производных полиэдрических гидридов бора обладает практически важными свойствами, которые открывают возможность их применения в таких различных областях, как синтез новых лекарственных препаратов, получение термостойких полимеров и покрытий, переработка радиоактивных отходов, создание новых источников тока и материалов для оптоэлектроники, катализ, и др. Это ставит новые задачи перед синтетической химией борных соединений и диктует необходимость разработки новых методов направленного синтеза различных производных полиэдрических боранов, карборанов и металлакарборанов.
Вместе с тем, несмотря на большой прогресс, достигнутый за 50 лет в химии полиэдрических гидридов бора, подавляющее большинство публикаций в этой области связано с икосаэдрическими карборанами C2B10H12, наличие в остове которых двух CH групп, обладающих кислым характером, позволяет использовать для работы с ними богатый синтетический арсенал органической химии. Что же касается анионных полиэдрических гидридов бора, синтетическая работа с которыми часто осложняется сложностью выделения и очистки полученных продуктов, то в литературе в настоящее время описаны, главным образом, первичные реакции замещения в этих системах, тогда как дальнейшая функционализация полученных производных изучена, за некоторыми исключениями, крайне недостаточно.
Целью данной работы являлась разработка новых эффективных методов синтеза функциональных производных полиэдрических гидридов бора, которые могут быть использованы для получения борсодержащих биологически активных молекул и новых материалов.
Объектами исследования в данной работе являются 1,2-дикарба-клозо-додекаборан (орто-карборан) 1,2-C2B10H12, 7,8-дикарба-нидо-ундекаборатный анион (нидо-карборан) [7,8-C2B9H12]-, клозо-додекаборатный анион [B12H12]2-, клозо-декаборатный анион [B10H10]2- и 1,1’,2,2’-тетракарба-3-кобальта-коммо-бис-(додекаборат) анион (бис(дикарболлид) кобальта) [3,3’-Co(1,2-C2B9H11)2]- (Рис.1).
Рис. 1. Полиэдрические гидриды бора, являвшиеся объектом исследования.
Научная новизна. Разработан ряд новых эффективных методов синтеза функциональных производных полиэдрических гидридов бора, базирующихся на модификации первичного заместителя в борановом (карборановом) остове. Эти методы включают 1.) раскрытие циклических оксониевых производных анионных гидридов бора различными нуклеофилами – синтетическими эквивалентами функциональных групп, приводящее к получению производных, в которых функциональная группа отделена от борного остова гибким мостиком из 5-6 атомов, гидрофильность/липофильность которого зависит от типа исходного циклического эфира; 2.) синтез функциональных производных клозо-додека-боратного и клозо-декаборатного анионов через образование оснований Шиффа с последующим их восстановлением до монобензиламинопроизводных; 3.) синтез новых функциональных производных карборанов алкилированием 1-меркапто-орто-карборана с последующей трансформацией клозо-карборана в нидо-карборан; 4.) синтез новых функциональных производных заряд-компенсированных нидо-карборанов путем алкилирования экзо-полиэдрических заместителей, связанных с атомом бора.
С использованием разработанных методов получен ряд новых производных полиэдрических гидридов бора с различными концевыми функциональными группами (-COOH, -NH2, -CH(NH2)COOH, -N3, -CCH), которые могут быть использованы для присоединения к биомолекулам и для создания новых материалов.
Разработаны препаративные методы синтеза циклических оксониевых производных клозо-додекаборатного аниона, 7,8-дикарба-нидо-ундекаборатного аниона и бис(дикарболлид) кобальта, являющиеся исходными соединениями для получения ряда их функциональных производных.
Обнаружена новая реакция C-H борирования аренов с участием квази-бориниевого катиона, образующегося при раскрытии мостика в иодониевым производном бис(дикарболлид) кобальта [-8,8’-I-3,3’-Co(1,2-C2B9H11)2], которая приводит к образованию соответствующих арилпроизводных, и установлены основные закономерности ее протекания.
На примере кобальт бис(дикарболлидного) аниона по методу Гутманна-Бекетта определена Льюисовская кислотность реакционного интермедиата, образующегося при отрыве гидридного атома водорода в реакциях, протекающих по механизму электрофильно-инициируемого нуклеофильного замещения (EINS).
На основе анализа спектральных данных соединений, как полученных в данной работе, так и описанных в литературе, был определен относительный донорный эффект наиболее устойчивых анионных гидридов бора, который уменьшается в ряду 2-[B10H10]2- > [B12H12]2- ~ 12-[CB11H12]- ~ 10-[7,8-C2B9H12]- > 8-[3,3’-Co(1,2-C2B9H11)2]- > 1-[B10H10]2-.
Практическая значимость. Результаты, полученные в ходе выполнения данной работы, нашли широкое практическое применение. Как предложенный нами подход к функционализации полиэдрических гидридов через раскрытие их циклических оксониевых производных, так и разработанные нами препаративные методы их синтеза активно используются различными исследовательскими группами для получения борсодержащих дендримеров, сахаров, нуклеозидов, порфиринов и фталоцианинов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на ведущих международных конференциях по проблематике работы, включая Международные конференции по химии бора IMEBORON (Дарэм, 1999; Москва, 2002; Плайя-де-Аро, 2008; Ниагара-Фолс, 2011), Европейские конференции по химии бора EUROBORON (Динард, 2001; Прухонице-около-Праги, 2004; Бремен, 2007; Эдинбург, 2010; Радзиевице, 2013), Международные конгрессы по нейтронозахватной терапии IСNCT (Лос-Анжелес, 1998; Эссен, 2002; Флоренция, 2008; Буэнос-Айрес, 2010; Цукуба, 2012), Международные конференции по металлоорганической химии ICOMC (Корфу, 2002; Лиссабон, 2012), Европейские конференции по металлоорганической химии EUCOMC (Тулуза, 2011; Сент-Андрус, 2013), Международные Чугаевские конференции по координационной химии (Ростов-на-Дону, 2001; Киев, 2003; Кишинев, 2005; Суздаль, 2011) и ряд других.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 32 статьях и 8 обзорах, опубликованных в ведущих зарубежных и отечественных рецензируемых научных журналах, 7 статьях в сборниках докладов и 28 сборниках тезисов международных и российских конференций и 3 главах в книгах Organometallic Chemistry Research Perspectives (Nova Publishers, 2007) и Boron Science: New Technologies and Applications, (CRC Press, 2011). Многие публикации имеют высокие индексы цитирования.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач и целей исследования, обсуждении и обобщении всех полученных результатов, при этом формулировка научных положений и выводов, которые выносятся на защиту, принадлежат лично автору настоящей работы. Все выводы работы базируются на данных, полученных автором лично или при его непосредственном участии (в том числе студентами и аспирантами под его руководством) и в сотрудничестве с коллегами по Лаборатории алюминий- и борорганических соединений ИНЭОС РАН. Ряд работ, касающихся синтеза и исследования борсодержащих биомолекул, был выполнен совместно с Л. О. Кононовым и Л. М. Лихошерстовым (ИОХ РАН), А. Ф. Мироновым и М. А. Грином (МИТХТ), А. В. Феофановым (ИБХ РАН), С. Шёбергом и В. Толмачевым (Университет г. Уппсала, Швеция) и их сотрудниками. Основные статьи по теме работы подготовлены автором лично (40 из 50) или при его непосредственном участии. По тематике представленной работы под руководством автора были подготовлены и защищены 2 диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 257 страницах и состоит из введения, шести глав, экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы (319 наименований). Номера глав и шифры соединений в автореферате соответствуют тексту диссертации.
Общая характеристика методов функционализации полиэдрических гидридов бора.
Практическое использование производных полиэдрических гидридов бора, помимо их специфических свойств, связано с доступностью и устойчивостью исходных борных кластеров. В то время как доступность во многом определяется потребностью в конкретных соединениях, что приводит к увеличению масштабов синтеза и, при необходимости, к разработке новых методов их получения, низкая устойчивость ряда борных полиэдров обычно является критическим фактором, ограничивающим их применение. На Рис. 1 приведены основные типы наиболее устойчивых и доступных полиэдрических гидридов бора.
Методы функционализации полиэдрических гидридов бора, несмотря на ряд общих черт, во многом зависят от свойств конкретной бороводородной системы. Целью данной главы является анализ основных подходов к синтезу функциональных производных полиэдрических гидридов бора представленных на Рис. 1, за исключением новых подходов, являющихся предметом настоящей работы, которые будут рассмотрены в следующих главах орто-Карборан. Самым известным и наиболее изученным из полиэдрических гидридов бора является 1,2-дикарба-клозо-додекаборан (орто-карборан), представляющий собой почти правильный икосаэдр с двенадцатью вершинами, десять из которых заняты атомами бора и две атомами углерода [22]. Молекула орто-карборана обладает двумя плоскостями симметрии, одна из которых проходит через связь углерод-углерод, а вторая перпендикулярна этой связи. Устойчивость икосаэдрического остова является следствием делокализации 26 электронов с образованием трехмерной ароматической структуры [2,3]. Электронная плотность в молекуле орто-карборана распределена неравномерно, что приводит к различным электронным эффектам карборанильной группы как заместителя в зависимости от положения замещения в карборановом остове. Так, 1-орто-карборанильная группа обладает сильным электроноакцепторным эффектом (i = 0.38), тогда как 9-орто-карборанильная группа, замещенная по атому бора противолежащему атому углерода, обладает сильным электроно-донорным эффектом (i = -0.23) [23,24]. Электронные эффекты карборанильной группы необходимо учитывать при использовании производных с функциональными группами, связанными с карборановым остовом как непосредственно, так и через короткий (метиленовый) или ароматический спейсер.
Принципиально иным подходом к получению функциональных производных орто-карборана является взаимодействие комплексов декаборана 6,9-B10H12L2 (L = MeCN, R3N, R2S) с монозамещенными ацетиленами. При этом реакции часто проводят без выделения промежуточного комплекса. Выходы реакций варьируются в широких пределах (10-70 %) в зависимости от природы ацетилена (Схема 6). Следует отметить, что данный метод неприменим для ацетиленов, содержащих гидроксильные, карбоксильные и другие кислые группы, которые могут реагировать с декаборановым остовом, а также для ацетиленов, содержащих заместители, которые могут восстанавливаться при взаимодействии с декабораном (нитро группы, формильные группы, азометиновые фрагменты). Для того чтобы избежать протекания побочных реакций, приводящих к снижению выхода целевого продукта, обычно используют различные защитные группы - для спиртов и кислот обычно применяют сложноэфирную и триметилсилильную защиту, для аминов – амидную, для альдегидов – диацетальную и т. д. [22]. В ряде случаев хорошие результаты дает использование в качестве растворителя ионных жидкостей [32].
Классическим методом модификации карборанов по атомам бора является Pd-катализируемое кросс-сочетание иодпроизводных карборанов с реактивами Гриньяра и цинкорганическими реагентами [22,33-40]. Использование цинкорганических реагентов, в отличие от магнийорганических, не приводит к металлированию СН-групп карборана и позволяет вводить в молекулу заместители с функциональными группами. 9-иодпроизводное карборана может быть получено электрофильным иодированием ор/770-карборана, которое приводит к замещению при наиболее удаленных от атомов углерода атомах бора [41-43] (Схема 7).
Необычным примером функционализации орто-карборана является синтез его 3-амино-производного при восстановлении исходного карборана металлическим натрием в жидком аммиаке с последующим окислением образующегося дианиона перманганатом калия [53-56] (Схема 14). 1. Na, NH3 1
Химические свойства 3-амино-орто-карборана аналогичны свойствам анилинов [53-57] - он легко алкилируется и ацилируется, вступает в реакции конденсации с ароматическими изоцианатами и альдегидами с образованием соответствующих мочевин и оснований Шиффа. При обработке фосгеном 3-амино-орто-карборан легко трансформируется в соответствующий изоцианат. Взаимодействие формильного производного 3-амино-орто-карборана с дегидратирующими агентами (оксихлоридом фосфора или реактивом Бургесса) приводит к соответствующему изонитрилу, который при 200-220 oC перегруппировывается в 3-нитрил-орто-карборан. Диазотирование 3-амино-орто-карборана с последующим пиролизом диазопроизводного дает 3-гидрокси-орто-карборан. Аналогичный подход был использован для получения 3-галоген-орто-карборанов (Схема 15).
Другим, более общим, подходом к введению заместителей в положение 3 орто-карборана является внедрение борного фрагмента в открытую пентагональную грань нидо-карборана. Этот подход наиболее часто используется для синтеза 3-галоген-орто-карборанов [58-61] и дальнейшей их модификации [52,60,62] (Схема 16).
Функционализация через атом кислорода (алкоксипроизводные).
В данной главе будут рассмотрены методы функционализации гидрокси-производных клозо-додекаборатного и клозо-декаборатного анионов. клозо-Додекаборат-анион. В литературе описан ряд способов получения гидроксипроизводного клозо-додекаборатного аниона [B12H11OH]2- взаимодействием материнского аниона с различными кислородсодержащими соединениями в кислой среде [82,83]. Однако, в качестве препаративных методов синтеза в настоящее время могут рассматриваться только три из них. Эти методы включают реакцию Cs2[B12H12] с концентрированной серной кислотой при 90 C [176], взаимодействие (Bu4N)2[B12H12] c уксусной кислотой при 100 C с последующим щелочным гидролизом образующегося ацетоксипроизводного [178], а также реакцию (Et3NH)2[B12H12] с гидрохлоридом N-метилпирролидона при 140-150 C с последующим щелочным гидролизом образующегося 1-метил-1-пирролинио-2-илокси производного [179] (Схема 48).
Реакции ацилирования аниона [B12H11OH]2- различными ацилгалогенидами изучены достаточно хорошо [179-181], однако, как и в случае аминопроизводного клозо-додекаборатного аниона, они не нашли широкого применения для получения его функциональных производных и были использованы, главным образом, для получения борсодержащих порфиринов [97,98] (Схема 49).Нашей задачей был подбор более мягких условий для реакции алкилирования гидроксипроизводного клозо-додекаборатного аниона [B12H11OH]2-, которые могут быть использованы для синтеза его функциональных производных. Было обнаружено, что реакция (Bu4N)2[B12H11OH] с эквимольным количеством алкил иодидов или бромидов в присутствии карбоната калия в ацетоне при 40-45 oC приводит к образованию соответствующих алкоксипроизводных. Этот метод был использован для синтеза как простых алкоксипроизводных, так и для введения заместителей содержащих различные функциональные группы. Были синтезированы производные с алильной, п-цианобензильной, п-нитробензильной, п-нитрофенэтильной, и N-(2-этил)фталимидной группами были получены. Выходы полученных соединений составляют 40-70 % [182] (Схема 51).Обработка фталимида 40 гидразин гидратом в кипящем этаноле приводит к соответствующему 2-аминоэтоксипроизводному [B12H11OCH2CH2NH2]2- (41) [182] (Схема 52). клозо-Декаборат-анион. Способы получения 2-гидроксипроизводного клозо-декаборатного аниона [2-B10H9OH]2- в целом аналогичны методам синтеза аниона [B12H11OH]2- с поправкой на меньшую окислительную устойчивость клозо-декаборатного остова [123], что исключает возможность использования с этой целью концентрирован-ной серной кислоты. Так, реакция (Bu4N)2[B10H10] с уксусной кислотой при 80 oC в присутствии небольшого количества трифтор-уксусной кислоты c последующим щелочным гидролизом образующегося ацетоксипроизводного приводит к 2-гидрокси-производному [2-B10H9OH]2- [183]. Однако, в отличие от клозо-додекаборатного аниона, где моногидрокси производное легко отделяется от примеси дигидроксипроизводных благодаря различной растворимости их тетрабутиламмониевых солей в воде, чистота целевого продукта, полученного этим способом, очень чувствительна к соблюдению температурного режима реакции. Другой подход заключается во взаимодействии клозо-декаборатного аниона с гидрохлоридом N-метил-пирролидона при 60-80 C с последующим щелочным гидролизом образующегося 1-метил-1-пирролинио-2-илокси производного [184,185]. Этот способ был впервые предложен 50 лет назад и нуждался в оптимизации. Для этого раствор тетрабутиламмониевой соли 2-(1-метил-1-пирролинио-2-илокси)-нонагидро-клозо-декабората в 1 M растворе KOH в этаноле нагревали до 60 oC в течение 12 часов. После охлаждения наблюдалось выпадение нерастворимой в спирте калиевой соли 2-гидрокси-производного клозо-декаборатного аниона. Полученная таким способом 2-гидроксипроизводное K2[2-B10H9OH] не содержит примесей продуктов с более высокой степенью замещения, а калиевая соль легко растворяется в воде [186] (Схема 53).
Схема 53 Для синтеза 1-гидроксипроизводного /слозо-декаборатного аниона [1-ВюНдОН]2" был разработан метод, основанный на нуклеофильном замещении заместителя в диазониевом производном [I-B10H9N2]". Для этого водный раствор (Et3NH)[1-BioHgN2] и фторида натрия кипятили в течение 72 часов. Последующее осаждение хлоридом трифенилбензилфосфония дало (РпзРСНЬРп П-ВюНдОН] с выходом 82 % [187] (Схема 54).
Реакции ароматического C-H борирования. Кислотность Льюиса квази-бориниевых катионов
Механизм электрофильно-индуцируемого нуклеофильного замещения является одним из основных механизмов замещения в полиэдрических гидридах бора. В частности, с его участием протекают описанные выше реакции получения оксониевых и нитрилиевых производных. В общем случае образующийся электрофильный центр может подвергаться атаке практически любых нуклеофилов, имеющихся в реакционной смеси, что обычно приводит к смеси продуктов, соотношение которых зависит от концентрации и нуклеофильности атакующих частиц. При этом подавляющее большинство выделенных продуктов представляют собой так называемые «заряд-компенсированные» (ониевые) соединения, выделение и очистка которых облегчается вследствие понижения или полной компенсации заряда бороводородного аниона. Поэтому изучение реакций, протекающих по механизму электрофильно-индуцируемого нуклеофиль-ного замещения, требует уменьшения числа нуклеофилов, присутствующих в реакционной смеси и приводящих к образованию побочных продуктов. В частности, при использовании кислотного катализа для генерации электрофиль-ного центра, это достигается выбором кислот с «ненуклеофильными» анионами (CF3COOH, H2SO4, HBF4 и др.), однако даже в этом случае обычно наблюдается образование побочных продуктов. Поэтому идеальным вариантом является генерация электрофильного центра без участия электрофилов и кислот Льюиса, которые могут быть источником дополнительных нуклеофилов.
В качестве примера такой «идеальной системы», которая может генерировать квази-бориниевый катион B+ (электрофильный центр) без участия дополнительных электрофилов и кислот Льюиса нами был выбрано мостиковое иодониевое производное бис(дикарболлид) кобальта [8,8 --I-3,3 -Co(1,2-C2B9H10)2] [282]. В литературе описаны его реакции с рядом оснований Льюиса (L = NH3, NEt3, Py, NCR (R = Me, Ph, CH=CH2), SMe2, O(CH2CH2)2O) с образованием соответствующих заряд-компенсированных производных [282-284]. Мы предположили, что в данном случае генерация квази-бориниевого катиона происходит при обратимом раскрытии иодониевого мостика (Схема 106).
Нами были исследованы реакции иодониевого производного [8,8 --I-3,3 -Co(1,2-C2B9H10)2] с различными основаниями Льюиса в ароматических растворителях. Первоначальный выбор растворителя диктовался двумя факторами: 1) невозможностью использовать эфирные и нитрильные растворители, с которыми иодониевое производное реагирует с образованием оксониевых и нитрилиевых производных, соответственно, и 2) известной растворимостью и устойчивостью его в бензоле, что следует из условий его получения при реакции моноиодпроизводного бис(дикарболлид) кобальта с AlCl3 бензоле [282]. В данном случае AlCl3 отрывает гидрид от атома бора с образованием электрофильного центра, а затем происходит внутримолекулярная атома иода с замыканием мостика и «консервацией» электрофильного центра (Схема 107).
Взаимодействие иодониевого производного с «классическими» основаниями Льюиса (пиридином, морфолином) в бензоле приводит к образованию соответствующих заряд-компенсированных производных [285] (Схема 109).Иначе протекает взаимодействие с пространственно-затрудненными основаниями Льюиса. Известно, что взаимодействие пространственно-затрудненных кислот и оснований Льюиса, в которых образование классического комплекса кислота-основание невозможно из-за стерических препятствий, способно приводить к активации различных малых молекул (H2, CO2, алкены, диены, алкины и др.) [286,287]. Мы обнаружили, что [8,8 --I-3,3 -Co(1,2-C2B9H10)2] при комнатной температуре не реагирует с такими пространственно-затрудненными основаниями как 2,2,6,6-тетраметилпиперидин, 2,6-ди(трет-бутил)-4-метилпиридин и трифенилфосфин, однако при небольшом нагревании происходит активация молекулы бензола с образованием соответствующего фенилпроизводного [8-Ph-8 -I-3,3 -Co(1,2-C2B9H10)2]- [285] (Схема 110).Cтруктура триметиламмониевой соли (Me3NH)[8-Ph-8 -I-3,3 -Co(1,2-C2B9H10)2] была определена методом рентгеноструктурного анализа (Рис. 14) [285]. Дикарболлидные лиганды развернуты относительно друг друга на 178.7, что соответствует трансоидной конформации. Длина связи B-C (1.570(4) ) практически не отличается от длины соответствующей связи в [8-Ph-3,3 -Co(1,2-C2B9H10)(1,2-C2B9H11)]- (1.577 ) [202].
