Содержание к диссертации
Введение
1. Ковалентная самосборка макроциклов на основе реакций конденсации и родственных реакций (литературный обзор) 9
1.1. Введение 9
1.2. Самосборка симметричных макроциклических оснований Шиффа 11
1.2.1. Алифатические диамины с конформационно жестким пространственным расположением аминогрупп и дикарбонильные соединения . 12
1.2.2. Ароматические диамины и дикарбонильные соединения. 20
1.3. Самосборка несимметричных макроциклических оснований Шиффа 27
1.4. Самосборка макроциклических гидразонов 28
1.5. Самосборка макроциклических оснований Манниха 38
1.6. Другие типы ковалентной самосборки на основе реакций, родственных реакциям конденсации 41
Циклофаны с аминометилфосфиновыми спейсерами и их комплексы с переходными металлами VIII группы (обсуждение результатов) 44
Синтез 28- и 26-членных макроциклических аминометилфосфинов 48
2.1. Циклофаны с линейными Р,М-содержащими спейсерами 48
2.1.1. Синтез 1,5,19,23-тетрааза-3,21-дифосфа[5.1.5.1]- парациклофанов 48
2.1.2. Синтез 1,5,8,12-тетрааза-3,10-дифосфа-6,7,13,14(1,4)- тетрабензенациклотетрадекафанов 58
2.2. Новые хиральные 28-членные циклофаны с гетероциклическими РДчї-содержащими спейсерами 61
2.2.1. Синтез Р,Т^-содержащих циклофанов с хиральными экзоциклическими группами 61
2.2.2. Синтез хиральных Р,1Ч-содержащих циклофанов на основе N- метил-2,6-диамино-9,10-дигидро-9,10-этаноантрацен-11,12- дикарбоксиимида 65
3. Новые типы 36- и 38-членных циклофанов с гетероциклическими Р,]Ч-содержащими спейсерами 74
3.1. Синтез 3,5,9,11-тетраокса-1,7(1,5)-ди(1,5-диаза-3,7-дифосфацикло-октана)-2,'6,8,12(1,4),4,10(1,3)-гексабензенациклододекафанов 76
3.2. Синтез 3,3,5,5,9,9,11,11-октаметил-1,7(1,5)-ди(1,5-диаза-3,7-дифосфа-цикло-октана)-2,4,6,8,10,12(1,4)-гексабензенациклододекафанов 82
4. Комплексы каркасных Р,]Ч-содержащих циклофанов с металлами VIII группы 91
5. Экспериментальная часть 104
Основные результаты и выводы 130
Список литературы
- Алифатические диамины с конформационно жестким пространственным расположением аминогрупп и дикарбонильные соединения
- Самосборка макроциклических оснований Манниха
- Синтез 1,5,19,23-тетрааза-3,21-дифосфа[5.1.5.1]- парациклофанов
- Комплексы каркасных Р,]Ч-содержащих циклофанов с металлами VIII группы
Введение к работе
Актуальность работы. Макроциклы, содержащие атомы трехкоординирован-ного фосфора, в частности макроциклические фосфины, вызывают интерес как новые и интересные структуры, обладающие потенциальной полезностью в различных областях химии. В первую очередь интерес к ним привлекает способность этих полидентатных лигандов, содержащих несколько мягких донорных атомов фосфора, связывать переходные металлы. Контроль над координационной сферой металла, обеспечиваемый относительной конформационной жесткостью макроцикличсского лиганда, способность полости макроцикла взаимодействовать с другими лигандамн и изолировать металлический центр от окружающей среды делают такие.соединения привлекательными объектами для создания каталитических систем, в которых активные центры находятся внутри макроциклической полости или в непосредственной близости от нее [1, 2]. Кроме того, в подобных макроциклах имеются предпосылки для вторичных взаимодействий полости с субстратами и реагентами в ходе каталитических процессов для повышения эффективности и селективности последних. Специфические каталитические свойства реально отмечены как для макроциклов, содержащих фосфиновые центры на периферии полостей, таких как фосфиноциклодекстрины [3, 4], фосфинокаликсарены [5] и циклофаны с экзоцикли-ческими фосфиногруппами (в частности PhanePhos [6]), так и для соединений, содержащих атомы фосфора в основной цепи макроцикла [1,2].
Кроме того, фосфорсодержащие макроциклы представляют интерес и для конструирования супрамолекулярных систем - рецепторов и сенсоров со специфическими свойствами [7], молекулярных реакторов, в которых реакционный цеіпр, находящийся в полости макроцикла, оказался бы частично изолированным от внешней среды. С обеих точек зрения привлекательными объектами являются циклофаны с атомами трехкоординированного фосфора в основной цепи, сконструированные на основе ароматических строительных блоков, в частности м- и п-ариленовых фрагментов, способных формировать глубокие гидрофобные полости.
Однако, несмотря на достаточно большое количество известных фосфорсодержащих макроциклов, к настоящему времени описано сравнительно немного фосфорсодержащих циклофанов такого типа [8, 9, 10], главным образом макро-циклических дифосфитов, дифосфонитов и бис(амидофосфитов) [11, 12, 13, 14].
Таким образом, конструирование новых циклофанов, содержащих в макро-циклическом скелете фосфиновые фрагменты, несомненно, является актуальной задачей химии элементоорганических соединений.
Целью настоящей работы является подробное исследование процесса самосборки каркасных макроциклических аминомстилфосфинов в системе бис(гидроксиметил) органилфосфин - первичный диамин, содержащий спейссры, образованные двумя я-фениленовыми фрагментами, связанными различными одноатомными мостиками, а также получение интермедиатов и их моделей, включая макроциклы с линейными Р,К-содержащими фрагментами; разработка подходов к синтезу новых каркасных циклофанов, содержащих ассиметрические экзоцикличес-кие заместители или хиральные полости; конструирование фосфорсодержащих циклофанов с объемными гидрофобными внутренними полостями, способными инкапсулировать относительно большие органические молекулы или производные переходных металлов, а также синтез полиядерных комплексов макроциклических фосфинов с переходными металлами VIII группы.
Научная новизна. Впервые показано, что взаимодействие бис(гидроксиметил)арилфосфинов с вторичными диаминами, имеющими ди(л-фенилено)метановые спейсеры, приводит к образованию смеси цис- и трапс-изомеров 1,5,19,23-тетрааза-3,21-дифосфа[5.1.5.1]парациклофанов в качестве основных продуктов и является общим методом синтеза данного нового типа макроциклов. Показано, что угловая геометрия исходного диамина не является обязательным условием для ковалентной самосборки РДЧ-содержащих циклофанов с ациклическими Р,К-содержащими спейсерами. Впервые установлено, чго конденсация в трехкомпонентной системе арилфосфин - формальдегид - N,N'-дифенилбензидин приводит к преимущественному образованию нового класса макроциклических аминометилфосфинов - 1,5,8,12-тетрааза-3,10-дифосфа-6,7,13,14(1,4)-тетрабензенациклотетрадекафанов.
Впервые получены хиральные 28-членные каркасные Р,М-содержащие цикло-фаны с экзоциклическими асимметрическими заместителями на основе /-ментил-фосфина и с хиральными фрагментами в основном скелете макроцикла на основе N-метил-2,6-диамино-9,10-дигидро-9,1О-этаноантрацен-г/г/с-11,12-дикарбоксиимида. В случае последних в индивидуальном виде выделен рацемат гомохирального изомера
с хиральной скрученной внутренней полостью. Получен новый класс 36-членных Р,К-содержащих циклофанов - 3,5,9,11-тетраокса-1,7(1,5)-ди(1,5-диаза-3,7-дифосфа-циклооктана)-2,6,8,12(1,4),4,10(1,3)-гексабензенациклододекафанов - на основе кова-лентной самосборки при конденсации в трехкомпонентной системе первичный фосфин-формальдегид-1,3-ди(4-аминофенокси)бензол. Синтезирован новый класс 38-членных Р,№содержащих циклофанов - 3,3,5,5,9,9,11,11-октаметил-1,7( 1,5)-ди(1,5-диаза-3,7-дифосфациклоокгана)-2,4,6,8,10Д2(1,4)-гекса-бензенациклододека-фанов. Данные циклофаны имеют скрученные в виде спирали внутренние полости и способны образовывать комплексы включения с ароматическими соединениями — бензолом и толуолом - как в кристаллической фазе, так и растворах. Впервые показано, что макроциклические 28-, 36- и 38-членные тетрафосфины, содержащие два Р,Р-хелатирующих 1,5-диаза-3,7-дифосфациклооктаыовых фрагмента, реагируют с производными дихлоридов платины (И) и палладия (II) как тетрадентатные лиганды, образуя биядерные комплексы с ионами металла.
Практическая значимость
Разработка эффективных методов конструирования и получение конкретных макроциклических полифосфинов с глубокими внутримолекулярными полостями важно для решения задач синтеза высокоэффективных молекулярных устройств, а Ихменно молекулярных рецепторов, контейнеров и, что особенно важно, реакторов для осуществления селективных каталитических процессов.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на итоговых научных конференциях КазНЦ РАН (2005 и 2006 гг.), III и IV Международных симпозиумах "Molecular design and synthesis of supramolecular architectures" (Казань, 2004 и 2006 гг.), II Международной молодежной конференции-школе «Синтез и строение супрамолекулярных соединений» (Туапсе, 2004), XIV Международной конференции по химии соединений фосфора (Казань, 2005), I Европейском химическом конгрессе (Будапешт, 2006), VII Международной конференции по химии соединений фосфора (Сямынь, 2007).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 2 статьи в центральном отечественном и международном журналах и опубликованы тезисы 8 докладов на различных конференциях и симпозиумах.
Работа выполнена в лаборатории металлоорганического синтеза Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН в рамках темы «Разработка новых регио- и стереоселективных методов фосфорилирования синтетических и природных соединений с целью получения фосфорэлементосодержащих кольчатых и каркасных структур» (№ гос. регистрации 0120.0503490), программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов» по теме «Новые методы получения и стереоселективной трансформации нерацемических органических и фосфорорганических соединений», программы фундаментальных исследований Отделения химии и наук о материалах РАН «Химия и физикохимия супрамолекулярных систем и атомных кластеров» по теме «Дизайн супрамолскулярных структур на основе макроциклических аминометилфосфинов — базы для создания принципиально новых хмолекулярных рецепторов и контейнеров». Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 02-03-33146-а, 06-03-32754-а), Volkswagen Foundation (грант No.I/82 020), Совета по грантам президента РФ (программа государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации, грант НШ-5148.2006.3), индивидуальных грантов: BRHE-REC-007, министерства науки земли Саксонии (SMWK) и немецкой службы академических обменов (DAAD, программа Leonard Euler). Объем и структура работы
Диссертационная работа изложена на 147 страницах текста компьютерной верстки и содержит 4 таблицы, 14 рисунков и 146 библиографических ссылок и состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы. Первая глава (литературный обзор) посвящена процессам ковалептной самосборки макроциклов на основе обратимых органических реакций. Во второй главе (обсуждение результатов) приводится описание исследований по синтезу 28- и 26-членных макроциклических аминометилфосфинов. Третья глава посвящена разработке методов синтеза новых каркасных 36- и 38-членных РДчГ-содержащих циклофанов. Четвертая глава посвящена синтезу и установлению структуры комплексов каркасных макроциклических аминометилфосфинов с переходными металлами VIII группы. Пятая глава (экспериментальная часть) представляет собой
8 описание методик синтеза исследованных соединений, их физических и спекгральных характеристик.
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю д.х.н. А.А. Карасику и зав.лаб. металлоорганического синтеза ИОФХ академику РАН О. Г. Синяшину за чуткое руководство, ценные советы, понимание и поддержку в работе. Выражается благодарность также коллегам, оказавшим благотворное влияние на развитие данного исследования: с. н. с. лаб. металлорганического синтеза ИОФХ к.х.н. С. Н. Игнатьевой - за помощь в осуществлении некоторых синтезов; сотрудникам лаборатории дифракционных методов исследования д.х.н., проф. И.А. Литвинову, д.х.н. А. Т. Губайдуллину, д.х.н. Катаевой О.Н., а также П. Лённикке (Институт неорганической химии Лейпцигского Университета) - за проведение рентгеноструктурных исследований; сотрудникам лаборатории физико-химического анализа д.хлі. Ефремову Ю.Я., к.х.н. Шарафутдиновой Д.Р., к.х.н. Мусину Р.З. - за съемку масс-спектров, сотрудникам лаборатории оптической спектроскопии д.х.н. С.А. Кацюбе, к.х.н. И.И.Вандюковой, к.х.н. Е.Е.Зверевой и Т.П. Грязновой - за ИК-спектроскопические исследования и проведение квантово-химических расчетов, сотруднику лаборатории стереохимии ФОС инженеру Шарапову О.Р. за проведение квантово-химических расчетов; сотрудникам лаборатории радиоспектроскопии д.х.н. Ш.К.Латыпову и А.В.Козлову - за проведение корреляционных ЯМР-экспериментов и неэмпирических расчетов ХС; а также проф. Е. Хей-Хокинс (Институт неорганической химии Лейпцигского Университета) за научное сотрудничество.
Особая благодарность выражается к.х.н. А. С. Балуевой, с. н. с. лаб. МОС ИОФХ, и к.х.н. Р.М.Кузнецову, н.с. лаб. МОС ИОФХ, вклад которых в эту работу трудно переоценить - за непосредственное руководство и ценные советы при проведении исследования.
Алифатические диамины с конформационно жестким пространственным расположением аминогрупп и дикарбонильные соединения
Все упомянутые выше супрамолекулярные системы построены с использованием слабых невалентных связей, и для того, чтобы скомпенсировать энтропийный проигрыш и сделать процесс самосборки успешным, требуется значительное число таких взаимодействий. Это препятствие может быть преодолено при использовании систем, в которых на пути образования целевых макромолекул лежит образование более прочных координационных [17] и ковалентных связей [18]. При этом выигрыш в энтальпии от образования ковалентной связи перекрывает энтропийные потери при самосборке и, следовательно, для получения стабильного ансамбля (макромолекулы) необходимо всего несколько таких связей.
Очевидно, что наиболее эффективно явление ковалентной самоорганизации должно использоваться при конструировании макроциклических систем. Это важно, поскольку получить макроциклы с хорошими выходами достаточно трудно из-за конкурентных реакций образования ациклических олигомеров. Одним из определяющих факторов селективного образования макроциклического продукта с конкретным типом структуры является геометрическая комплиментарность формирующих его строительных блоков. Во многих случаях решающее значение имеет величина разворотного угла соответствующих строительных единиц, способность к предрасположению которых ведет к успешному замыканию макроцикла с ненапряженной и устойчивой структурой.
Условие обратимости образования ковалентных связей ограничивает число органических реакций, пригодных для самоорганизации ковалентных систем. К соединениям с лабильными связями относятся имины (основания Шиффа) и родственные им соединения (например, гидразоны), ацетали всех видов, сложные эфиры и амиды карбоновых кислот, дисульфиды, бораты, олефины (в присутствии катализаторов метатезиса) [18]. Действительно, за последние 5 - 10 лет среди представителей этих классов был обнаружен целый ряд примеров ковалентної! самоорганизации.
Наиболее широко эта синтетическая стратегия была использована для синтеза макроциклических оснований Шиффа (см. разделы 1.2 - 1.3) и разнообразных макроциклических олефииов на основе реакций метатезиса, в том числе и облада 11 ющих необычной, например, катенановой структурой [18, 19, 20]. К процессам ковалентной самосборки относятся и реакции конденсации резорцинола с альдегидами, которые в присутствии кислых катализаторов в конденсированных условиях (а иногда даже без растворителя) селективно приводят к соответствующим калике [п]резорцинаренам, несмотря на множество образующихся интермедиатов и вероятных изомерных продуктов [18, 21, 22, 23]. Настоящий обзор будет посвящен ковалентной самосборке макроциклов на основе реакций конденсации и родственных реакций (переэтерификации, образования амидов, реакций Манниха и др.)
Взаимодействие аминов с альдегидами удовлетворяют ключевому требованию процессов ковалентной самосборки — обратимости. При конденсации с участием би-и трифункциональных соединений достаточно часто наблюдается образование дискретных макроцикличесішх структур из большого количества «строительных блоков», протекающее с высокой селективностью в отсутствие темплатов.
Во многих случаях оно протекает при достаточно высоких концентрациях исходных реагентов, но к процессам ковалентной самосборки, вероятно, следует относить и образование макроциклов из 4-6 и более исходных молекул, реализующееся при так называемом псевдовысоком разбавлении (концентрации порядка 10""М) [18], поскольку данная методология вообще не применима для структур, формирующихся из трех и более молекул. Принципиальная разница заключается в том, что реакции, проводимые в высокоразбавленных растворах, должны быть быстрыми и необратимыми.
Как и все процессы ковалентной самосборки, образование макроциклических оснований Шиффа предъявляет высокие требования к пространственной комплемен-тарности исходных реагентов, поэтому процессы такого рода описаны главным образом для диаминов и диальдегидов с относительно жесткой структурой.
В отличие от большинства алифатических диаминов, диаминоциклогексаны существуют в жестко фиксированных конформациях. В частности, аминогруппы в транс- 1,2-диаминоциклогексанах занимают экваториальные положения, и двугранный угол между двумя связями C-NH2 составляет приблизительно 60. Поэтому, прп реакции с дикарбонильными соединениями, имеющими двугранный угол между группами СНО около 180, транс-1,2-диаминоциклогексаны ведут себя как практически плоские строительные блоки, склонные к формированию [3+3]-макроциклов -гексаиминов.
Самосборка макроциклических оснований Манниха
Как было сказано выше, макроциклы, содержащие атомы трехкоординирован-ного фосфора, в частности макроциклические фосфины обладают потенциальной полезностью в различных областях химии. В первую очередь они являются перспективной основой для создания принципиально новых каталитических систем (молекулярных реакторов), в которых активные центры находятся внутри макроциклической полости или в непосредственной близости от нее, что создает предпосылки для ориентирования субстратов и реагентов за счет их неваленгных взаимодействий с полостями макроциклов в ходе каталитических процессов и повышения эффективности и селективности последних [1, 2]. Кроме того, фосфорсодержащие макроциклы представляют интерес и для конструирования супра-молекулярных систем - рецепторов и сенсоров со специфическими свойствами 7, 109]. Однако, несмотря на достаточно большое количество известных фосфорсодержащих макроциклов, к настоящему времени описано сравнительно немного соединений, имеющих глубокие гидрофобные полости и атомы трех-координированного фосфора в основной цепи, причем в основном они представлены макроциклическими дифосфитами, дифосфонитами и бис(амидофосфитами) [8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, ПО, 111]. Макроциклические фосфины такого типа представлены единичными примерами [10, ПО].
Проблема доступности фосфорсодержащих макроциклов является наиболее важной: основными методами их синтеза являются макроциклизация в условиях высокого разбавления и темплатный синтез. Оба метода имеют значительные ограничения по типам используемых реакций и доступных макроциклов.
Синтез в условиях высокого разбавления является классическим методом получения макроциклов и позволяет конструировать разнообразные структуры. Во многих случаях сильное разбавление реакционной смеси способствует образованию целевых макроциклических соединений, понижая вероятность роста цепи [112, 113]. Следует отметить, что образование двух новых связей при реакции между бифункциональными реагентами, содержащими пространственно разделенные терминальные группировки, должно быть достаточно быстрым, поэтому используются весьма реакционноспособные реагенты (как правило, металлорганические соединения и органилдигалогениды). Поскольку такие реакции необратимы, макро-циклический продукт всегда загрязнен примесями ациклических полимеров, что требует дальнейшей очистки. Недостатком метода высокого разбавления является также большой расход растворителей. Синтез осуществляется исходя из высокопредорганизованных реагентов, поэтому в реакциях чаще участвует одна, максимум две молекулы. Кроме того, сложные субстраты, используемые на стадии циклизации, получают обычно многостадийным синтезом, что значительно снижает как их выходы, так и общие выходы целевых макроциклов.
Другой синтетический подход к конструированию сложных макроцикли-ческих систем - темплатный синтез — заключается в предорганизации субстрата на матрице иона переходного металла, макроциклизации на этом металлическом темплате и последующем деметаллировании [112, 113]. Во многих случаях геометрия темплатного ядра контролирует количество гетероатомов и размер образующегося макроцикла [114]. Координируясь на центральном ионе, реагирующие группировки оказываются сближенными, что предопределяет эффективность циклизации и меньшую вероятность образования побочных продуктов. По сравнению с методом высокого разбавления металлотемплатный синтез отличается более высокой эффективностью, однако, применим лишь для определенных типов макроцикличес-ких соединений. К существенным недостаткам метода следует также отнести трудность, а иногда и невозможность деметаллирования и, соответственно, выделения целевых фосфинов.
Однако в последнее время в органической химии все активнее используется новый эффективный подход к синтезу макроциклов, основанный на явлении ковалентной самосборки, то есть самопроизвольном образовании дискретных макроструктур за счет ковалентных связей. Ключевым требованием этих процессов является обратимость всех стадий образования макроструктуры, ведущая к селективному образованию наиболее термодинамически стабильного продукта [18]. Как видно из литературного обзора, метод может использовать достаточно разнообразные типы реакций, отвечающих критериям самосборки: конденсация типа Мапниха, образование оснований Шиффа, реакции этерификации и переэтерификации, образование дисульфидных связей, амидных связей, метатезис олефинов, реакции с участием эфиров органилборных кислот [18].
Важную роль играет комплементарность единиц, образующих макроцикл. Это накладывает определенные ограничения на возможность использования данного подхода, но в благоприятных случаях обеспечивает синтез сложных макроциклов в одну стадию из большого количества реагентов с высокими выходами.
Сравнительно недавно в нашей лаборатории был разработан эффективный подход к синтезу каркасных циклофанов, содержащих четыре фосфиновых центра -1,5(1,5)-ди(1,5-диаза-3,7-дифосфациклооктана)-2,4,6,8(1,4)-тетрабензенацикло-октафанов. Он основан на конденсации бис(гидроксиметил)органилфосфииоіз с первичными диаминами, содержащими спейсеры, образованные двумя «-фснилено-выми фрагментами, связанными различными одноатомными мостиками [99, 100] Данные реащии приводили при высоких концентрациях реагентов и в отсутствие темплатов к преимущественному образованию макроциклов [100].
Синтез 1,5,19,23-тетрааза-3,21-дифосфа[5.1.5.1]- парациклофанов
В качестве исходных реагентов для синтеза макроциклических тетрафосфинов путем введения хирального элемента в основной скелет макроцикла могут рассматриваться ассиметрические диамины с 9,10-этано-антрацен-2,6-диильньш фрагментом, которые получаются в результате присоединения диенофилов к 2,6-диаминоантрацену по Дильсу-Альдеру [126]. Наиболее доступным из них является аддукт 2,6-диаминоантрацена с N-метилмалеинимидом - г 1-метил-2,6-диамино-9,10-дигидро-9,10-этаноантрацен-г/г/с-11,12-дикарбоксиимид 15. Рацемат диамина 15 был нами получен по литературной методике [123] (схема.7).
Синтез диамина 15 позволило проверить возможность самопроизвольного замыкания макроциклов при конденсации диаминов этаноантраценового ряда с бис(гидроксиметил)арилфосфинами. Основания предполагать такую возможность давало сходство основных геометрических параметров 2,6-диамино-9,10-дигидро-9,10-этаноантраценов и диаминов бис(4-аминофенил)метанового ряда, для которых ранее было показано, что самопроизвольное замыкание макроциклических - 1,5(1,5)-ди( 1,5-диаза-3,7-дифосфациклооктана)-2,4,6,8( 1,4)-тетрабензенацикло-октафанов -протекает как процесс ковалентной самосборки [100]. 9,10-Дигидро-9,10-этаноантраценовый спейсер также имеет жестко заданную угловую, геометрию и обеспечивает поворотный угол [17] около 120, а его бензо-фрагменты жестко зафиксированы в конформации «открытой книги», которая, как ранее было показано [100], благоприятна для сопряжения их тт-систем с НЭП атомов азота в образующихся .макроциклах. Это позволяет [2+2]-макроциклам замыкаться без значительных геометрических искажений и напряжения, что увеличивает их устойчивость.
Однако, в отличие от ранее исследованных диаминов, 2,6-диамино-9,10-дигидро-9,10-этаноантрацены являются хиральными соединениями (рис. 3), и в случае использования рацемического диамина возникает как минимум две возможности стереоселективного замыкания макроцикла: гомохиральная конденсация с образованием макроцикла, включающего два энантиомерно одинаковых этаноантраценовых фрагмента, связанных по типу "fronto-back" и "backo-front", и гетерохиральная, в которой результирующий макроцикл образован противоположными энантиомерами диамина; в этом случае антраценовые фрагмента связаны по типу "fronto-front" и "backo-back". Гомохиральная конденсация должна была привести к образованию хирального макроциклического «димера» (в виде рацемата), а гетерохиральная - к ахиральному макроциклическому «димеру» -meso-макрощтлу [127].
Бис(гидроксиметил)фенилфосфин был получен нагреванием смеси фенил-фосфина и твердого параформальдегида в соотношении 1:2 до гомогенизации и использовался без дальнейшей очистки. Его взаимодействие с диамином 15 в соотношении 2:1 проводилось в ДМФА при ПО С при концентрации исходного фосфина около 0.4 М в течение 3 суток. Ход реакции контролировался по спектрам ЯМР Р, в которых к этому времени наиболее интенсивной была группа из 6 близкорасположенных сигналов с ХС 8Р -55.89, -55.94, -56.09, -56.13, -56.27 и -56.33 м.д. (рис.4). Данная область ХС является типичной для сигналов атомов фосфора, включенных в 1,5-диаза-3,7-дифосфациклооктановые фрагменты (при наличии фенильных заместителей у атомов фосфора) [100]. Большое количество сигналов позволяло предположить, что образуется несколько сходных по строению изомерных продуктов, причем вследствие асимметрии спейсеров атомы фосфора в одном макроцикле могли быть неэквивалентны. Относительное содержание продуктов, соответствующих основной группе сигналов, составляло около 65 %. После охлаждения реакционной смеси в ней наблюдалась самопроизвольная кристалл-лизания. Выделившийся мелкокристаллический белый осадок был устойчив на воздухе, удовлетворительно растворим в ДМФА и ДМСО при нагревании и слаборастворим в горячем бензоле.
В его спектре ЯМР 31Р, снятом в ДМСО-Об, также наблюдалось шесть сигналов с ХС -55.87, -55.91, -55.96, -56.24, -56.29 и -56.33 м.д., свидетельствующих о том, что выделились основные продукты реакции (незначительное смещение объясняется сменой растворителя). Однако в масс-спектре (ESIpos) данных кристаллов наблюдался лишь пик с m/z 1175, соответствующий масс-иону продукта конденсации четырех молекул бис(гидроксиметил)фенилфосфина и двух молекул диамина 15, захватившему один протон. Это указывает, что выделенный продукт представляет собой смесь изомеров ожидаемых «димерных» макроциклов 16, образованных двумя 9,10-дигидро-9,10-этаноантраценовыми спейсерами и двумя 1,5-диаза-3,7-дифосфа-циклооктановыми фрагментами (схема 8). На это указывает и спектр ЯМР 1Ы, в котором наблюдается двойной набор сигналов ароматических протонов этаноаитраценовых спеисеров и достаточно сложная картина для протонов фрагментов P-CH2-N; соотношение интегральных интенсивностей сигналов свидетельствует, что на один этаноантраценовый спейсер приходится один диазадифосфациклооктановый фрагмент. В ИК-спектре отсутствуют полосы колебаний гидроксильных и аминогрупп, что также подтверждает циклический характер полученных соединений, и присутствуют интенсивная полоса при 1696 см"1 и полоса средней интенсивности при 1774 см"1, относящиеся к валентным колебаниям связей С=0 сукцинимидного фрагмента [123].
Комплексы каркасных Р,]Ч-содержащих циклофанов с металлами VIII группы
Молекула гас-макроцикла 16а имеет асимметричную структуру с хиралыюй спиральной полостью. В отличие от полученных ранее сходных макроциклов с бис(/7-фенилено)метановыми спейсерами [100], атомы азота не располагаются в одной плоскости, двугранный угол N1N2N3N4 равен 21.35. Ароматические фрагменты, формирующие стенки полости, почти ортогональны расчетной средней плоскости, построенной для атомов азота, углы их наклона к ней составляют 80-85, так что полость имеет достаточную глубину. Атомы азота имеют шюско-тригональную конфигурацию, суммы валентных углов при них составляют 357.2 - 360, что указывает на сильное сопряжение их НЭП с тг-системами соседних бензо-фрагментов. Следует отметить, что, хотя оба диазадифосфациклооктановых фрагмента имеют конформацию короны с экваториальными заместителями при атомах фосфора, их геометрические параметры несколько отличаются: расстояния РЗ-Р4 и N3-N4 для одного из них равны 3.96 и 3.94 А соответственно, а расстояния Р1-Р2 и N1-N2 для другого - 4.24 и 3.63 А, что, вероятно, вызвано требованиями замыкания цикла. Кроме того, в одном гетероциклическом фрагменте расстояния между атомами фосфора и ближайшими к ним атомами кислорода имидного фрагмента сильно отличаются: расстояния Р1-01 и Р2-02 равны соответственно 7.89 и 6.68 А, а расстояния РЗ-ОЗ и Р4-04 имеют более заметные различия и составляют, соответственно, 8.18 и 6.66 А. По-видимому, такая несимметричная структура и приводит к неэквивалентности атомов фосфора в спектрах ЯМР Р. Диагональные расстояния между наиболее удаленными атомами фосфора Р1-Р4 и Р2-РЗ мало различаются между собой и равны соответственно 9.56 и 9.53 А. Расстояния Р1-РЗ и Р2-Р4 равны 8.68 и 8.75 А. Эти величины близки к соответствующим расстояниям в 1,5( 1,5)-ди(1,5-диаза-3,7-дифосфациклооктана)-2,4,6,8(1,4)-тетрабензенациклоокта-фанах (9.4 и 8.6 А [19]), а расстояния между плоскостями противоположных ароматических колец для 16а несколько меньше (7.3-7.5 А против 8.8 А [100]). Свободный объем полости составляет около 80 А3. Кристалл представляет собой истинный рацемат и содержит молекулы обоих энантиомеров.
В кристалле 16а на одну молекулу макроцикла содержится 10 разупорядоченных сольватных молекул ДМСО, причем метальная группа одной из них проникает в полость макроцикла (рис.6), что подтверждает- возможность образования комплексов включения для данного класса макроциклов. Ее положение указывает на наличие СН-тт взаимодействий: расстояния между протонами и центроидами ароматических колец равны 3.06-3.32 А. Сольват является сравнительно непрочным, и ДМСО может быть полностью удален тщательной промывкой кристаллов ацетонитрилом; при этом крупные кристаллы разрушаются, и соединение 16а превращается в микрокристаллический порошок.
Наличие данных РСА предоставило возможность отнести к соответствующим стереоизомерам сигналы в спектрах ЯМР Н. В ароматической части спектра менее растворимого гас-стереоизомера 16а кроме двух мультиплетов протонов фепильных групп наблюдается характерная картина несимметричного этаноантраценового фрагмента: два дублета с ХС 7.15 (3JHH = 8.3 Гц) и 6.93 м.д.( 3JHH = 8.3 Гц), соответствующие протонам при атомах С4 и С8, два синглета при 6.64 и 6.37 м.д., относящиеся к протонам при атомах С1 и С5, и уширенный дублет с ХС 6.20 м.д. (3Jim = 7.3 Гц), соответствующий накладывающимся сигналам протонов при атомах С3 и С . К сигналам спейсера также относятся уширенный синглет протонов при мостиковых атомах С11 и С12 с ХС 4.34 м.д., два дублета дублетов протонов при находящихся в голове моста атомах С9 и С10 с ХС 2.97 и 3.08 м.д. и синглет метальной группы при 2.32 м.д. Для двух диазадифосфацикло-октановых фрагментов наблюдаются сигналы 8 неэквивалентных протонов фрагментов P-CH2-N: четыре дублета дублетов экваториальных протонов в более высоких полях при 3.89, 3.98, 4.05 и 4.14 м.д., имеющих приблизительно равные КССВ 2JHH и 2JPM (13.2 - 14.7 Гц); два дублета дублетов, соответствующих аксиальным протонам при 4.36 и 4.42 м.д. с КССВ JPH, равными 5.4 Гц; накладывающиеся сигналы двух оставшихся аксиальных протонов, образующих сложный мультиплет при 4.59-4.64 м.д.. Такая картина (значительная разница КССВ JPH для аксиальных и экваториальных протонов) характерна для 1,5-диаза-3,7-дифосфациклооктанов с экваториальной ориентацией заместителей при атомах фосфора [128]; таким образом, НЭП всех атомов фосфора имеют аксиальную ориентацию и направлены внутрь полости макроцикла. Неэквивалентность протонов, вероятно, вызвана присутствием хиральных фрагментов, связанных с атомами азога [122]
ЯМР І-спектр ягеяо-изомера 166 сходен со спектром соединения 16а, хотя в отличие от него дублеты протонов при атомах С3 и С7 разрешены. Протоны гетероциклических фрагментов также взаимно неэквивалентны; сигналы двух аксиальных протонов и трех из четырех экваториальных протонов накладываются, образуя дублет дублетов при 4.39 м.д. и сложный мультиплет в области 3.95-4.13 м.д. Таким образом, конденсация бис(гидроксиметил)фенилфосфина с рацемическим диамином, содержащим хиральный 9,10-дигидро-9,10-этаноантрацен-2,6-диильный спейсер, в условиях относительно высоких концентраций реагентов и в отсутствие темплатов приводит к стереоселективному образованию двух типов «димерных» циклофанов (гомо- и гетерохирального) в качестве основных продуктов. Это указывает на то, что макроциклизация, вероятно, протекает как процесс ковалентной самосборки [18]. Данная реакция позволила получить первый представитель каркасных Р,]Ч-содержащих циклофанов с хиральной внутренней полостью. Пространственная структура диаминов данного типа действительно благоприятна для самопроизвольной макроциклизации, и они являются перспективными реагентами для синтеза N-содержащих макроциклических фосфинов с элементами хиральности. Использование энантиочистых диаминов открывает перспективы получения оптически активных циклофанов с глубокими хиральными полостями, представляющих интерес как лиганды для построения энантио-селективных каталитических систем и рецепторов для молекулярного распознавания.
Похожие диссертации на Синтез и изучение структуры циклофанов с аминометилфосфиновыми мостиками и их комплексом с переходными металлами VIII группы
![Химия катионных фрагментов [ML]+, образованных металлами VIII группы и карбоциклическими или карборановыми лигандами](/i/i/4714/542947.png "Химия катионных фрагментов [ML]+, образованных металлами VIII группы и карбоциклическими или карборановыми лигандами Логинов Дмитрий Александрович")
