Введение к работе
Актуальность работы. Дизайн и синтез молекулярных систем абиотической природы, способных распознавать различные молекулы или ионы, представляют значительный интерес в современной химии. Детектирование катионов металлов, например, применяется в таких областях, как диагностика и лечение заболеваний, клиническая токсикология, оценка техногенного загрязнения окружающей среды, контроль и утилизация промышленных отходов. Молекулярные сенсоры, основанные на обратимом изменении цвета или спектров флуоресценции в присутствии аналита (объекта детектирования) особенно привлекательны, поскольку они могут быть использованы для экспресс-анализа и в качестве основных компонентов при разработке тест-полосок, портативных оптоволоконных устройств, коммерческих индикаторов. Эти молекулы должны обеспечивать эффективное связывание субстрата, давать интенсивный отклик на это связывание и, по возможности, быть водорастворимыми, так как большинство прикладных случаев использования относится к водным растворам. Поскольку необходимо объединить эти свойства в одну молекулу, разработка оптимальных хемосенсоров — сложная синтетическая задача, которая обычно осуществляется с использованием многостадийных методик.
Структура хемосенсора включает две субъединицы, связанные ковалентно или с помощью спейсера, — рецепторную, отвечающую за селективное взаимодействие с аналитом, и сигнальную, обеспечивающую формирование отклика на это взаимодействие. В качестве ионофоров (рецепторов для катионов металлов) часто используются полидентантные лиганды линейного и циклического строения. Хромофоры и флуорофоры в подавляющем большинстве случаев представляют собой ароматические и гетероароматические фрагменты. Важным условием эффективности некоторых типов хемосенсоров является прямое связывание рецепторной и сигнальной групп, кроме того для спектрофотометрического и флуориметрического детектирования иногда полезно наличие в составе сигнальной субъединицы ароматической аминогруппы.
Палладий-катализируемое аминирование арилгалогенидов позволяет ковалентно связать полиаминовые или полиоксааминовые фрагменты и ароматические хромогенные и флуоресцентные группы, а при использовании дигалогенаренов и а,си-диаминов — создавать макроциклические соединения. При этом возможность варьирования ароматических и гетероароматических фрагментов, размера макроцикла, природы и количества донорных атомов в нем открывает широкие перспективы для целенаправленного синтеза хемосенсоров. В связи с этим настоящая работа посвящена разработке простого и эффективного способа синтеза новых азот- и кислородсодержащих макроциклов с использованием палладий-катализируемого аминирования дигалогенаренов, и исследованию их в детектировании ионов металлов.
Цель работы. Данная диссертационная работа посвящена разработке универсального метода синтеза азот- и кислородсодержащих макроциклических и макробициклических соединений, включающих фрагменты дизамещенных нафталина, бифенила, 2,2'-бипиридила, с использованием палладий-катализируемого аминирования дигалогенаренов линейными ди-и полиаминами, изучению зависимости выходов макроциклов от природы исходных веществ и условий реакций, созданию водорастворимых лигандов на основе аминоантрахинонов, сравнению комплексообразования лигандов, содержащих полиазамакроциклы и линейные полиамины, с катионами тяжелых металлов, с целью выявления селективных комплексообразователей для создания хромогенных хемосенсоров.
Научная новизна и практическая значимость работы. Разработан метод синтеза азот- и кислородсодержащих макроциклов методом палладий-катализируемого аминирования 2,7-дибромнафталина, 3,3'-дибромбифенила, 6,6'-дибром-2,2'-бипиридила с использованием линейных оксадиаминов и полиаминов. Найдены условия получения макроциклов, содержащих по два арильных и полиаминовых фрагмента. Исследовано N,N,N',N'-
тетраарилирование оксадиаминов 2,7-дибромнафталином, на основе полученных тетракис(бромнафтил)производных диаминов синтезированы макробициклические соединения. Разработан метод модификации макроциклов на основе 2,7-дизамещенного нафталина бромбензильными заместителями и осуществлен синтез разнообразных макроби-и макротрициклических соединений реакциями с ди- и полиаминами и диазакраун-эфирами. Исследовано комплексообразование бипиридилсодержащих макроциклов с катионами металлов с использованием спектрофотометрии, флуоресценцентной спектроскопии и спектроскопии ЯМР. Реакциями палладий-катализируемого аминирования галогенпроизводных антрахинона синтезированы линейные и циклические полиаминопроизводные антрахинона, на их основе получены водорастворимые полидентатные лиганды. С использованием спектрофотометрии и спектроскопии ЯМР проведено исследование комплексообразования ряда синтезированных лигандов на основе антрахинона с катионами тяжелых металлов в воде. С помощью спектрофотометрического и потенциометрического титрования определены константы устойчивости комплексов некоторых лигандов с катионами меди, свинца и кадмия, в результате найдены селективные комплексообразователи, способные служить хромогенными хемосенсорами на катионы меди и свинца в водных растворах.
Апробация работы. Материалы данной работы были представлены на российских и международных конференциях: XII Blue Danube Symposium on Heterocyclic Chemistry (Tihany, Hungary, 2007), XVth European Symposium on Organic Chemistry (Dublin, Ireland, 2007). International Conference on Organic Chemistry "Chemistry of Compounds with Multiple Carbon-Carbon Bonds" (С.-Петербург, 2008), Всероссийская конференции по органической химии RCOC, посвященная 75-летию со дня основания ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН (Москва, 2009), Международная конференция «Новые направления в химии гетероциклических соединений» (Кисловодск, 2009), CRC International Symposium "Cross-coupling & organometallics" (Москва, 2009), Всероссийская конференция «Итоги и перспективы химии элементоорганических соединений», посвященная 110-летию со дня рождения академика А.Н. Несмеянова (Москва, 2009), Rencontres Capteurs des Universites de Bourgogne et de Franche-Comte (Dijon, France, 2011), XIX EuCheMS Conference on Organometallic Chemistry (Toulouse, France, 2011), XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011).
Публикации. По данной работе опубликованы 6 научных статей, 2 главы в книгах и 12 тезисов докладов научных конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов, приложения и списка литературы. Работа изложена на 240 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 26 схем и 9 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 210 наименований. Работа выполнена при финансовой поддержке министерства иностранных дел Франции (стипендия PhD Правительства Франции), грантов РФФИ № 06-03-32376, 09-03-00735, программы ARCUS Bourgogne-Russie, интернациональной лаборатории CNRS LIA LAMREM. Во введении обоснована актуальность темы работы и сформулированы основные задачи исследования. В обзоре литературы даны классификация и сравнительный анализ методов оптического детектирования катионов металлов в растворах с помощью органических хемосенсоров.
Благодарности. Автор выражает особую благодарность кандидату химических наук Алле Бессмертных Лёмён и кандидату химических наук Алексею Дмитриевичу Аверину за помощь на всех этапах работы.
