Введение к работе
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, калике [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 калике [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 калике [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 (калике[4]резорцинов, каликс[4]пиридинов, порфиринов), содержащих в составе молекулы устойчивые к гидролизу фосфорорганические фрагменты.
Целью диссертационной работы являлось исследование реакций различных а-фосфонийзамещенных ацеталей и тиофосфорилированных производных орто-, мета- и wapa-гидроксибензальдегидов с резорцином и его производными, гидрохлоридом 2,6-дигидроксипиридина, пирролом, направленное на разработку оригинальных методов синтеза новых фосфорсодержащих макроциклов -калике[4]резорцинов, каликс[4]пиридинов и порфиринов.
Научная новизна. Впервые изучена конденсация резорцина и его производных с новыми а-фосфонийзамещенными ацеталями с ациклическими и циклическими азотсодержащими заместителями у атома фосфора в кислых водно-спиртовых средах,
в результате которой получены фосфониевые соли диарилэтанового строения. На их
основе изучены реакции (9-алкилирования и С-аминоалкилирования, позволившие
разработать методы синтеза различных фосфониевых солей, содержащих в составе
молекулы 2,2-диарилэтильные фрагменты. В результате конденсации бромида [2,2-
бис-(2,4-дигидрокси-3-метилфенил)этил]-трисморфолинофосфония и бромида [2,2-
бис-(2,4-дигидрокси-3-метилфенил)этил]-триспиперидинофосфония с пропаналем
осуществлен синтез первых представителей калике [4]резорпинов нового типа с
чередующимися (этильными и фосфониевыми) заместителями. Разработаны простые
и удобные методы синтеза новых фосфорсодержащих калике [4]резорцинов,
основанные на конденсации тиофосфорилированных производных орто-, мета- и
wapa-гидроксибензальдегидов с резорцином и его производными, позволяющие
получать гесс- и гс#-изомеры в индивидуальном виде. Установлено, что
тиофосфорилированные калике [4]резорцины в конформации конус с гесс-
конфигурацией заместителей способны вступать в реакции Манниха и О-
алкилирования, что позволило синтезировать С-аминоалкилированные и О-
октапропаргилированные по верхнему ободу молекулы производные
калике [4]резорцинов. Показано, что при взаимодействии гидрохлорида 2,6-
дигидроксипиридина с 2-(4-карбальдегидофенокси)-2-тио-5,5-диметил-1,3,2-
диоксафосфоринаном в среде хлороформа в присутствии трифторуксусной кислоты стереоселективно образуется гесоизомер калике[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: калике [4]резорпинов с чередующимися (этильными и фосфониевыми) заместителями, а также калике[4]резорцинов, каликс[4]пиридина и л/езо-порфирина, содержащих в составе молекулы четыре тиофосфорильных фрагмента. Установлено, что калике[4]резорцины, содержащие фосфониевые группы, проявляют выраженные поверхностно-активные свойства (ККМ = 1.5-10" моль/л), сравнимые с характеристиками большинства известных поверхностно-активных веществ (ПАВ). Показано, что никелевые комплексы новых тиофосфорилированных калике[4]резорцинов в конформациях кресло и конус с rctt- и гесоконфигурацией 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 no органической химии (Екатеринбург, 2011), I Всероссийском симпозиуме по поверхностно-активным веществам «От коллоидных систем к нанохимии» (Казань,
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 а-фосфонийзамещенных ацеталей и тиофосфорилированных производных орто-, мета-и wapa-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, 12-03-31002), 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.
