Содержание к диссертации
Введение
1. Фотохимические свойства ароматических азидов 7
1.1. Применение в науке и технике 7
1.2. Фоторазложение ароматических азидов в реакции нитренов 8
1.2.1. Реакция внедрения в СН-связь 10
1.2.2. Реакции нитренов с ароматическими соединениями 13
1.2.3. Реакция нитренов с кислородом 14
1.2.4. Реакция димеризации 15
1.2.5. Реакция отрыва атома водорода 16
1.3. Длинноволновая светочувствительность азидов 17
1.3.1. Сенсибилизированное разложение азидов 18
1.3.2. Фотодиссоциация азидокрасителей 20
1.3.3. Механизм диссоциации азидогруппы 23
1.3.4. Теоретические исследования фотоактивности ароматических азидов 24
2. Экспериментальная часть 26
2.1. Физико-химические методы анализа, используемые в работе. 26
2.2. Очистка используемых реагентов и растворителей 29
2.3. Синтез ароматических азидов 29
2.3.1. Синтез 4-азидопиридина, 9-азидоакридина и 9-(4'-азидофенил)-акридина 29
2.3.2. Синтез азидостирилхинолинов 31
2.3.2.1. Синтез нитростирилхинолинов. Общая методика проведения реакции 31
2.3.2.2. Синтез аминостирилхинолинов. Общая методика проведения реакции 32
2.3.2.3. Синтез азидостирилхинолинов. Общая методика проведения реакции 32
2.3.2.4. Синтез Ы-метил-4-(4'-азидостирил)хинолиний йодида 34
2.4. Исследование фотохимических свойств ароматических азидов 35
3. Результаты и их обсуждение 37
3.1. Фотохимические свойства 4-азидопиридина 37
3.1.1. Спектры поглощения 37
3.1.2. Реакция фотодиссоциации 39
3.2. Фотохимические свойства 9-азидоакридина 42
3.2.1. Структура 9-азидоакридина 42
3.2.2. Спектры поглощения 45
3.2.3. Реакция фотодиссоциации 46
3.2.4. Продукты фотолиза 49
3.3. Фотохимические свойства 9-(4'-азидофенил)акридина 53
3.3.1. Спектры поглощения 54
3.3.2. Фотодиссоциация азидогруппы. Управление фотоактивностью 56
3.3.3. Реакция фотовосстановления акридинового ядра 61
3.4. Размерный и зарядовый эффекты 63
3.5. Фотохимические свойства азидостирилхинолинов 67
3.5.1. Получение азидостирилхинолинов 68
3.5.2. Спектры поглощения 69
3.5.3. Реакция фотодиссоциации азидогруппы 73
3.5.4. Продукты реакции 80
3.6. Фотохимические свойства М-метил-4-(4'-азидостирил)хинолиний йодида 90
3.6.1. Спектральные свойства 90
3.6.2. Реакция фотодиссоциации азидогруппы 91
3.6.3. Продукты реакции 95
Выводы 99
- Фоторазложение ароматических азидов в реакции нитренов
- Очистка используемых реагентов и растворителей
- Фотохимические свойства 9-азидоакридина
- Продукты реакции
Введение к работе
Ароматические азиды, благодаря своей фотохимической активности, широко применяются в науке и технике: в органическом синтезе для получения гетероциклических соединений; в фотолитографии в качестве фоторезистов; в молекулярной биологии и биохимии в качестве фотоаффинных меток и т. д. В результате интенсивных исследований к настоящему времени установлена последовательность реакций, протекающих после фотодиссоциации азидов, изучена структура первичных продуктов реакции - синглетного и триплетного нитренов, структура продуктов их дальнейших превращений, найдены кинетические и термодинамические параметры реакций этих интермедиатов, изучены их спектральные свойства, в том числе с применением квантово-химических методов.
Исследование самой реакции фотодиссоциации показало, что по фотохимическим свойствам ароматические азиды условно делят на две группы: фотоактивные - имеющие полосы поглощения в ультрафиолетовой (УФ) области спектра и квантовые выходы фотодиссоциации ф >0.1, и фотоинертные - имеющие длинноволновые полосы поглощения в видимой области спектра и квантовые выходы фотодиссоциации при облучении видимым светом ф < 0.01. В то же время остается нерешенным ряд проблем, связанных с ответом на вопрос, какие факторы определяют фотохимическую активность азида. Несмотря на многообразие синтезированных азидов лишь некоторые из них охарактеризованы количественно, и в настоящее время в литературе недостаточно информации о влиянии структуры азида на величину квантового выхода фотодиссоциации, т.е. на фотохимическую активность.
Целью нашей работы является количественное исследование влияния таких структурных факторов, как размер ароматической я-системы азида и ее заряд на фотохимическую активность азида (квантовый выход фотодиссоциации азидогруппы), и исследование возможности получения гетероароматических азидов, способных с большим квантовым выходом разлагаться при действии видимого света.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые систематически на количественном уровне исследованы фотохимические свойства ряда гетероароматических азидов от азидопиридина до 9-(4'-азидофенилакридина). Выявлены и изучены факторы, отвечающие за фотохимическую активность данных веществ - взаимозависимое влияние размера ароматической ти-системы и заряда ядра. Впервые показана возможность управления фотохимической активностью ароматического азида путем изменения кислотности среды. Впервые синтезирован и описан ряд новых азидостирилхинолинов, исследованы их спектральные и фотохимические свойства, на их основе получены азиды, чувствительные к видимому свету с длиной волны до 500 нм.
Практическая значимость. Полученные данные вносят существенный вклад в понимание факторов, определяющих фотохимические свойства ароматических азидов. Найденные закономерности о влиянии на фотоактивность ароматических азидов размера ароматического ядра и его заряда позволяют синтезировать азиды, обладающие заданными свойствами.
Ароматические азиды, чувствительные к видимому свету, обладают преимуществом по сравнению с традиционными УФ-чувствительными соединениями при использования в фотоаффинной модификации биополимеров, т.к. воздействие "жесткого" УФ света на биоматериал может приводить к его фотодеструкции. Применение "мягкого" видимого света позволит избежать данного побочного эффекта.
В качестве предмета исследования, гетероароматические азиды были выбраны нами не случайно, т. к. они позволяют сравнительно легко переходить от нейтральной к катионной форме путем протонирования или кватернизации эндоциклического атома азота и при этом не прибегать к изменению структуры молекулы.
Ароматические азиды с управляемой фотохимической активностью могут быть использованы при разработке средств записи и обработки оптической информации.
Апробация работы. По результатам работы опубликовано 6 статей, 11 тезисов докладов. Результаты проведенных исследований доложены в виде стендовых докладов на конференциях:
"Молодая наука в классическом университете", Иваново, 2003;
15-й симпозиум по современной химической физике, Туапсе, 2003;
22-я Всероссийская школа-симпозиум молодых ученых по химической кинетике, Пансионат "Клязьма", 2004;
Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов - 2004", Москва, МГУ, 2004;
16-й симпозиум по современной химической физике, Туапсе, 2004;
Международная конференция по химии гетероциклических соединений, Москва, МГУ, 2005;
17-й симпозиум по современной химической физике, Туапсе, 2005;
18-й симпозиум по современной химической физике, Туапсе, 2006; Диссертация состоит из введения, литературного обзора, посвященного фотохимическим реакциям гетероароматических азидов и проблеме длинноволновой чувствительности азидов, экспериментальной части, в которой описаны методы синтеза и исследования использованных соединений, шести глав обсуждения результатов, выводов и списка цитируемой литературы.
Фоторазложение ароматических азидов в реакции нитренов
Азиды - класс соединений с общей формулой RN3. Азидогруппа имеет квазилинейную геометрию с валентным углом N-N-N 170, угол R-N-N близок к 120. Атом азота, связанный с заместителем R имеет sp1 -гибридизацию, а центральный атом азота в азидогруппе - sp - гибридизацию. Все три атома принимают участие в сопряжении с ароматической системой, хотя связывание с кольцом слабое. В связи с этим спектры поглощения азидов и незамещенных углеводородов очень схожи между собой [11]. Основные полосы в спектрах поглощения ароматических азидов обусловлены ля - переходами в ароматической системе. Некоторые авторы утверждают, что наблюдаются переходы пя - типа, но, как правило, они выражены в виде плеча на фоне более интенсивной тик - полосы [11]. Ароматические азиды распадаются при фотолизе с выделением молекулы азота и образованием нитрена: [12]. Процесс фотолиза азидов представляет собой особый интерес. Эта реакция полностью необратима. Для исследования первичных процессов фотодиссоциации необходимы методы с высоким временным разрешением. Основным состоянием нитрена является триплетное, но в реакцию может вступать как триплетный, так и синглетный нитрен [13]. Поэтому возможно образование множества различных продуктов. Имеются два возможных пути образования триплетного нитрена: 1) синглетный механизм - когда вначале происходит диссоциация синглетно-возбужденного азида с образованием синглетного нитрена и последующей интеркомбинационной конверсией его в триплетное состояние; 2) триплетный механизм - когда вначале происходит интеркомбинационная конверсия синглетно-возбужденного азида в триплетное состояние, а затем его диссоциация с образованием триплетного нитрена: К настоящему время методом импульсного лазерного фотолиза исследован ряд ароматических азидов: 1-азидопирен [14], шра-диметиламинофенилазид [15], незамещенный фенилазид [16,17], 2,4,6-трибромфенилазид [17], 2-пиримидилазид [18], пара- и оршо-бифенилазид [19]. Во всех случаях показано, что при прямом фотолизе реакция протекает по первому механизму, т.е. фотодиссоциация азидогруппы происходит в синглетно-возбужденном состоянии. Однако при триплетной сенсибилизации возможно протекание реакции фото диссоциации азидогруппы из триплетного состояния [11].
Вследствие недостатка двух электронов на внешней электронной оболочке нитренового атома азота, нитрены являются очень реакционноспособными соединениями и имеют время жизни при комнатной температуре в инертных растворителях в пределах нескольких наносекунд и менее. Поэтому зарегистрировать спектры нитренов в растворах при комнатной температуре можно только методами импульсной спектроскопии или методами ЭПР, РІК, УФ - спектроскопии в инертных матрицах или кристаллах при низкой температуре ( 77 К). В последнее время достигнут значительный прогресс в исследовании спектральных и кинетических характеристик основных интермедиатов реакции - синглетного и триплетного фенилнитрена, дегидроазепина, бензазирина, Измерены параметры реакций с их участием [20- 22]. Нитрены стабилизируются, испытывая следующие превращения: изомеризация, димеризация с образованием азосоединений, отрыв атома водорода, бимолекулярное внедрение в связь С - Н, присоединение к растворителю и ненасыщенным системам [23-25]. Соотношение образующихся при фотолизе продуктов зависит от строения исходных азидов, длины волны возбуждающего света и свойств среды. Рассмотрим кратко основные реакции, протекающие при фотолизе азидов. 1.2.1. Реакция внедрения в СН-связь является одной из немногих реакций, позволяющих вводить функциональную группу при неактивированном углеродном атоме, поэтому она очень важна для синтетической органической химии, особенно при создании гетероциклов. Формально внедрение в СН-связь является реакцией как синглетных, так и триплетных арилнитренов. При этом истинное внедрение характерно только для синглетных нитренов, которые синхронно внедряются в алифатические СН-связи. Внедрение синглетных нитренов в ароматические СН-связи происходит постадийно, путем присоединения и перегруппировки Триплетные арилнитрены внедряются в алкильные СН-связи путем отрыва водорода и последующей рекомбинации алкильного и аминильного радикалов. Поскольку эта реакция приводит к тем же продуктам, что и при классическом внедрении, ее обычно характеризуют как формальное внедрение или псевдовнедрение. Реакция внедрения имеет большое значение при использовании азидов в качестве фотоаффинных меток в биологии. Реагент, способный эффективно внедряться в алкильную СН-связь, стал бы идеальным для использования в качестве фотоаффинной метки.
Тем не менее, для ароматических нитренов в растворе такая реакция является исключительно редкой [26]. Соотношение продуктов взаимодействия нитренов с СН-связью в значительной степени зависит от вязкости среды, в которой протекает реакция. Для ароматических нитренов реакция внедрения в СН-связь в заметных количествах протекает только в жестких средах [27]. Иначе обстоит дело при переходе к полифторированным азидам [7,28]. Из-за более продолжительного времени жизни синглетные полифторзамещенные арилнитрены могут реагировать с добавками, что дает возможность использовать фторзамещенные арилазиды в фотоаффинной модификации биополимеров [29]. Влияние атомов фтора на реакционную способность нитрена заключается в изменении соотношения констант скоростей внедрения (kINS), перегруппировки в азепин с расширением кольца (кЕХР) и интеркомбинационной конверсии в триплетное состояние (kISC) [30]. В исходном фенилнитрене при комнатной температуре kEXp»kISC+kINS, поэтому преимущественно образуется дегидроазепин, который далее полимеризуется и дает смолу. Полифторирование увеличивает скорость внедрения нитрена в СН-связь и уменьшает скорость перегруппировки в азепин, поэтому в случае синглетного пентафторфенилнитрена соотношение kINS EXP более благоприятное для внедрения, чем в случае синглетного фенилнитрена при комнатной температуре. При добавлении небольших количеств этилиодида, способного ускорять интеркомбинационную конверсию синглетного нитрена в триплетный за счет эффекта тяжелого атома, исчезает продукт внедрения пентафторфенилнитрена в толуол и вместо него появляется продукт триплетного нитрена - декафторазобензол (10%), а также увеличивается выход пентафторанилина с 12% до 44%. При импульсном лазерном фотолизе [31] были зарегистрированы спектры поглощения первичных интермедиатов - синглетных арилнитренов и тем самым подтверждена схема протекания реакции: образующийся на первой стадии синглетный нитрен далее изомеризуется в соответствующий азепин или подвергается интерконверсии (k,sc) в основное триплетное состояние. Изомеризация синглетных арилнитренов в азепины представляет собой двухстадийный процесс, причем, лимитирующей является первая стадия (кя).
Очистка используемых реагентов и растворителей
Ш-Диметилформамид абсолютировали перегонкой над ВаО, т. кип, 91 С (30 мм рт.ст.), nD20 1.4770. Литературные данные: [58] т.кип. 153 С, nD201,4305. Ацетонитрил очищали перегонкой над СаН2 в течении 30 минут, т. кип. 77С, nD201.4600. Литературные данные: [58] т. кип. 76,5 С, nD201,4601. Этиловый спирт для синтеза абсолютировали кипячением с Mg стружкой и сублимированным йодом с последующей перегонкой. Для УФ-спектрофотометрии использовали этиловый спирт со степенью частоты "reagent grade". Метиловый спирт выдерживали над молекулярными ситами ЗА, затем кипятили с Mg стружкой и сублимированным иодом и перегоняли. Толуол для спектрометрии марки «ХЧ» дополнительно очищали перегонкой. Ацетон, хлороформ, гексан и петролейный эфир использовали без дополнительной очистки. Продажные ароматические альдегиды, производные хинолина, акридина и пиридина использовали без дополнительной очистки. 2.3. Синтез ароматических азидов Часть исходных соединений синтезирована по известным методикам: 2.3.1 Синтез 4-азидопиридина, 9-азидоакридина и (Ч -азидоФенилЬкридина и их производных 4-азидопиридин (1) и 1-метил-4-азидопиридиний метил сульфат (3) были синтезированы по известным методикам [59]. Масло коричневого цвета. Температура кипения, ИК-спектры, ЯМР-спектры совпадают с литературными данными. 4-азидопиридиний гидрохлорид (2) был получен in situ добавлением концентрированной НС1 к раствору 4-азидопиридина; содержание непротонированных азидов в реакционной смеси составляло 0.1% от общей концентрации азида. К 107 мг (0.0005 моля) 9-хлоракридина в 5 мл ацетона добавили 97 мг NaN3 (0.0015 моля), 50 мг 18-краун-эфира и кипятили при перемешивании 90 мин., завершение реакции определяли по ТСХ. Смесь выливали в воду, продукт отфильтровывали и делили на пластинке с Silperl (элюент - ацетон: петролейный эфир 1:5). Выход 77%, т.пл. 76 С, лит. данные 77 С [60]. 9-азидоакридиний гидрохлорид (5) получали in situ добавлением насыщенного раствора НС1 в соответствующем растворителе к раствору 9-азидоакридина; содержание непротонированных азидов в реакционной смеси составляло 0.1% от общей концентрации азида. Синтезировали по методике [51]. Температура плавления (188 С) и ИК спектр соответствовали приведенным в работе. 9-(4 -Азидофенил)акридиний гидрохлорид (7) получали in situ добавлением насыщенного раствора НС1 в соответствующем растворителе к раствору 9-(4 -азидофенил)акридина. 2.3.2 Синтез азидостирилхинолинов 2.3.2.1 Синтез 4-нитростирилхинолинов. Общая методика проведения реакции.
В кругл одонную колбу на 100 мл помещали раствор 0,01 моля соответствующего метилхинолина в 22 мл. безводного диметилформамида, добавляли 1,45 г (0,01 моль) хлористого бензоила, смесь перемешивали 20 мин. при 20С, затем добавляли 0,01 моля 4-нитробензальдегида. Кипятили 5 часов. Осадок, выпавший после охлаждения реакционной смеси, отфильтровывали, промывали водой (2 раза по 5 мл), затем водным ацетоном (2 раза по 2 мл), перекристаллизовывали из смеси хлороформа и этанола. Спектральные данные и физико-химические константы для 2-(4 -нитро-т/?анс-стирил)хинолина и 4-(4 -нитро-трдяс-стирил)хинолина согласуются с приведенными в литературе. 2-(4 -нитро-транс-стирил)хинолин. Выход 65 %, желтые кристаллы, т. пл. 163-164 С. Лит. данные: [61] т. пл. 166-168 С. 4-(4 -нитро-транс-стирил)хинолин. Выход 62 %, желтые кристаллы, т. пл. 220-222 С. Лит. данные: [62] т. пл. 224 С. 4-(4 -нитро-трднс-стирилУ6-метилхинолин. Выход 65 %, желтые кристаллы, т. пл. 210-212 С. Масс-спектр (ЭУ, 70 эВ), miz (Iom ,%): 290 [М]+ (100). ИК спектр, v, см"1: 1509, 1338 (N02), 970 см " (СН=СН). ЯМР !Н (200 Мгц, CDC13) 5, м.д.: 2.30 (ЗН, с, СН3), 6.50-8.60 (ПН, м, Аг). Найдено, %: С 74.51; Н 4.79. C,8H,4N202. Вычислено, %: С 74.47; Н 4.86. В круглодонную колбу на 50 мл поместили раствор 0.001 моля соответствующего 4-нитростирилхинолина в 20 мл НС1, добавили 0.01 моля SnCl2. Кипятили 2 часа, охлаждали до комнатной температуры, осадок отделяли, сушили на воздухе. Выход соответствующего гидрохлорида 75-85%. Получение свободного основания. Соответствующий гидрохлорид аминостирилхинолина смешивали с NaHC03 в сухом виде, добавляли воду (5 мл), перемешивали и отфильтровывали выпавший осадок. Полученные аминостирилхинолины очищали методом колоночной хроматографии на Silpearl (элюент гексан-ацетон). 2-(4 -амино-/ир 2»с-стирил)хинолин. Выход 75 %, красные кристаллы (после очистки на Silrearl (элюент гексан:ацетон), т. пл. = 156-157С (водный С2Н5ОН). Лит. данные: т. пл. 154 С [63]. 4-(4 -амино-трдкостирил)хинолин. Выход 85 %, красные кристаллы после очистки на Silrearl (элюент гексан:ацетон), т. пл. = 147-149С. Лит. данные: т. пл. 152-154 С [64]. 4-(4 -амино-тр з«г-стирил)-6-метилхинолин. Выход 83 %, красные кристаллы, т. пл. 146-148 С. ИК спектр, v, см"1: 3400 см-1 (NH2). Масс-спектр (ЭУ, 70 эВ), mlz (/отн ,%): 260 [М]+ (100). Спектр ЯМР !Н (200 Мгц, ДМСО-ёб), 5, м.д.: 2.60 (ЗН, с, СН3) 5.50 (2Н, уш.с, NH2), 6.30-6.80 (ЗН, м, Аг), 7.50-7.90 (6Н, м, Аг, СН=СН), 8.30 (1Н, с, Аг), 8.72 (1Н, уш.с, Аг). Найдено, %: С 82.91; Н 6.07. Ci8H,6N2. Вычислено, %: С 83.05; Н 6.19. 2.3.2.3 Синтез азидостирилхинолинов. Общая методика проведения реакции. Раствор 1 ммоля соответствующего аминостирилхинолина в 2 мл 20 % НС1 охлаждали до О С и диазотировали раствором 1 ммоль NaN02 в 2 мл Н20. После этого раствор отфильтровывали, охлаждали до S С и добавляли при перемешивании раствор 1 ммоля NaN3 в 2 мл Н20. Через 1 час реакционную смесь нейтрализовали насыщенным раствором Na2C03 до рН=8.
Осадок отфильтровывали, перекристаллизовывали из петролейного эфира. Продукты представляют собой желтые кристаллические вещества, разлагающиеся на свету. 2-(4 -азидо-транс-стирил)хинолин (8). Выход 80 %, желтые кристаллы, т. пл. 110-112С (петролейний эфир). Масс-спектр (ЭС): Найдено: m/z 273.098 [М+Н]+. Ci7H12N4. Вычислено: М = 272.106. ИК спектр, v, см-1: 2120 (N3), 1290 (N3); 1596, 1578, 1400 (ароматика); 1630, 967 (СН=СН); 831 {р-СЩ. Спектр ЯМР !Н (400 Мгц, CDC13), 8, м.д. (У, Гц): 8.14 (Ш, д, J= 8.5, хинолин), 8.08 (1Н, д, J= 8.5, хинолин), 7.80 (1Н, д, J= 9, хинолин), 7.72 (1Н, т, хинолин), 7.66 м (ЗН, хинолин, ОДО, 7.65 (1Н, д, J= 16.5, -СН=), 7.51 (1Н, тр, хинолин), 7.36 (1Н, д, J= 16.5, =СН-), 7.01 (2Н, д, J= 8.5, СбН,). УФ спектр (EtOH), А, нм (є): 296 (16700), 347 (29140), 359 (27600). 4-(4 -азидо-трд»с-стирил)хинолин (10). Выход 86 %, желтые кристаллы, т. пл. 85-87С (петролейний эфир). Масс-спектр (ЭС): Найдено: m/z 273.102 [М+Н]+. Ci7H12N4. Вычислено: М = 272.106. ИК спектр, v, см"1: 2116, 2087 (N3), 1289 (N3); 1598, 1578, 1508 (ароматика); 1629, 961 (СН=СН); 831 см-1 (р-С6Щ. Спектр ЯМР Н (200 Мгц, CD3)2CO), 5, м.д. (J, Гц): 8.55 (1Н, д, J = 8.5, хинолин), 8.1 (1Н, д, J= 8.5, хинолин), 7.2-7.9 (8Н, м, хинолин, С6Н4, СН=СН), 6.95 (2Н, д, J = 8.5, С6Н4). УФ спектр (EtOH), U, нм (є): 232 (22000), 281 (8830), 349 (24470). 4-(4 -азидо-транс-стирил)-б-метилхинолин (12). Выход 80 %, желтые кристаллы, т. пл. = 132-134С (петролейний эфир). Масс-спектр (ЭС): Найдено: m/z 287.110 [М+Н]+. Ci8Hi4N4. Вычислено: М = 286.122. ИК спектр, V, см"1: 2127, 2091 (N3), 1303 (N3); 1598, 1577, 1572, 1506 (ароматика); 1631, 975, 964 (СН=СН); 1366 (СН3); 840 (р-С6Щ. Спектр ЯМР Н (400 Мгц, CDC13), 5, м.д. (J, Гц): 8.85 (1Н, м, J= 8,5, хинолин), 8.04 (1Н, д, J= 8.5, хинолин), 7.95 (1Н, с, хинолин), 7.77 (Ш, д, J = 16.5, -СН=), 7.64 (2Н, д, J = 8.5, ОД), 7.57 (2Н, м, хинолин), 7.29 (1Н, д, J= 16.5 -СН=), 7.10 (2Н, д, 7= 8.5, СбН4), 3.72 (ЗН, с, СН3). УФ спектр (ЕЮН), Хгш,ш (є): 233 (18300), 283 (8050), 346 (19800). Гидрохлориды перечисленных азидостирилхинолинов (9,11,13) получали in situ добавлением насыщенного раствора НС1 в соответствующем растворителе к раствору соответствующего азидостирилхинолина.
Фотохимические свойства 9-азидоакридина
Следующим объектом наших исследований являлся 9-азидоакридин, имеющий средний размер ароматической я-системы (14 я-электронов). В связи с этим в настоящей работе более подробно исследована структура, спектральные и фотохимические 9-азидоакридина 4 и его гидрохлорида Синтез азида 4 и его солей ранее был описан в литературе [60,78-80]. Квантовый выход фотодиссоциации азида 4 не был измерен, однако известно, что он разлагается на свету и способен выступать в роли фотоаффинной метки, а при фотолизе в метаноле с высоким препаративным выходом дает азоакридин. На основании этих фактов можно сделать качественный вывод о фотоактивности азида 4. Фотохимические свойства гидрохлорида 5 не описаны. 3.2.1 Структура 9- азидоакридина. Было выдвинуто предположение, что из-за стерического взаимодействия азидогруппы с иери-атомом водорода соседнего бензольного кольца в 9-азидоакридине 4 нарушается плоская конформация молекулы, характерная для ароматических азидов. Разные методы предсказывали разный угол выхода азидогруппы из плоскости ароматического кольца в диапазоне от 30 до 90 [81,82]. В рамках данной работы более подробно исследована структура 9-азидоакридина, электронные и стерические эффекты, определяющие конформацию молекулы в основном электронном состоянии. РСА проводился Шиловым Г. В. Нужно заметить, что кристаллы чувствительны к свету, в открытом виде кристалл разрушается в течение 1-2 часов, поэтому образец покрывался тонким слоем парафина, а затем черной тушью. На рис. 5 представлена независимая часть кристаллической структуры, состоящая из двух молекул, которые обозначены буквами А и В. Фрагменты кристаллической структуры 4 показаны на рис. 6. Молекулы образуют стопки вдоль кристаллографической оси а. Расстояние между плоскостями акридиновых ядер молекул в стопках составляет 3.98А (стопка из молекул А), 3.49А (стопка из молекул В). Плоскости акридиновых ядер в молекулах А и В пересекаются под углом 2.3. По-видимому, структурообразующим фактором при формировании стопок являются межмолекулярные контакты между эндоциклическим атомом азота N(7) акридинового ядра и центральным атомом азота N(2) азидогруппы (которая выходит из плоскости молекулы, см. ниже), расстояния между этими атомами в стопках А и В равны 3.29 и 3.25 А, соответственно.
Таким образом, рентгеноструктурные исследования показывают, что молекула 9-азидоакридина 4 является неплоской, азидогруппа отклоняется из плоскости акридинового ядра на 30 в результате стерического взаимодействия с пери-атомом водорода соседнего бензольного кольца. При кристаллизации это создает предпосылки для формирования стопок молекул азида с межмолекулярными контактами между центральным атомом азота азидогруппы и эндоциклическим атомом азота соседнего акридинового ядра в результате кулоновского взаимодействия между этими атомами. В целом спектр 4 совпадает со спектром незамещенного акридина [83], но по сравнению с последним полоса при 362 нм имеет более широкое длинноволновое плечо, которое в этаноле проявляется в виде отдельного максимума 382 нм. При протонировании наблюдается батохромний сдвиг длинноволновой полосы поглощения в видимую область до 430 нм и появление слегка разрешенной колебательной структуры, а полоса в области 360 нм возрастает по интенсивности почти вдвое (рис. 7). Кроме того, в коротковолновом УФ диапазоне в спектрах обоих соединений наблюдаются интенсивные полосы в диапазоне 250-260 нм (рис. 7). Наличие в спектрах акридиновых производных полосы в области 440 нм характерно для соединений, протонированных по кольцевому атому азота [84]. Азидоакридин активно разлагался под действием света и в нейтральной, и в протонированной формах. На рис. 8 приведены спектральные изменения при фотолизе 9-азидоакридина 4 в этаноле светом 365 нм. На рисунке 9 приведен пример кинетической кривой при облучении реакционной смеси светом 365 нм, измеренной на длине волны 365 нм. Здесь же представлена полулогарифмическая анаморфоза данной кинетической кривой. Поскольку фотолиз гидрохлорида 5 в спирте осложнялся быстрым (темновым) разложением азида (в литературе отмечалась легкость гидролиза 5 в акридон [60]), основные исследования были проведены в безводном ацетонитриле. На рис. 10 в качестве примера приведены спектральные изменения при облучении раствора гидрохлорида 9-азидоакридана 5 светом на длине волны 365 нм; аналогичные изменения наблюдались при облучении на других длинах волн (405,436,450,470 нм). Наблюдаемые при фотолизе спектральные изменения, а также проведенные дополнительные эксперименты позволяют сделать заключение о продуктах фотолиза. Как видно на рис. 10, спектр поглощения продукта фотолиза гидрохлорида 5 (спектр 6) имеет характерный вид с ярко выраженной колебательной структурой длинноволновой полосы в области 370 - 430 нм. При нейтрализации реакционной смеси после фотолиза малоинтенсивные полосы поглощения в средней части спектра с максимумами при 312 и 326 нм исчезали, а полоса в области 360 - 430 нм практически не сдвигалась, однако колебательная структура становилась менее выраженной. Такое поведение полос в области 300 - 450 нм, а также наличие интенсивной полосы в коротковолновой области 260 нм характерно для 9-аминоакридина [85]. Последний был нами получен в термической реакции при обработке 9-хлоракридина аммиаком, и его спектр совпал со спектром нейтрализованного продукта фотолиза гидрохлорида 5, что согласуется с высказанным предположением о структуре продукта. Спектральные изменения при фотолизе нейтрального азида существенно отличались от таковых в кислой среде.
При облучении наблюдалось исчезновение полос поглощения азида 4 и появление широких бесструктурных полос в области 240, 380 и 470 нм с соотношением интенсивностей 12:1:0.6. Эти спектральные свойства соответствуют 9-азоакридину [86], что позволяет приписать продукту фотолиза это строение. Такое отнесение согласуется также с известным фактом, что основным продуктом фотолиза 7 в метаноле является азоакридин [60]. На схеме 1 показаны пути фотолиза 9-азидоакридина 4 в зависимости от условий реакции. Первой, собственно фотохимической стадией является фотодиссоциация 4 (или 5) в синглетно-возбужденном состоянии с образованием синглетного нитрена. Среди многообразия дальнейших путей превращения ароматических синглетных нитренов можно выделить две основные реакции [87]: внутримолекулярное внедрение в opmo-положение с образованием азиридина и далее дегидроазепина, и интеркомбинационную конверсию в триплетное состояние, которое является основным для нитрена. В случае 9-акридилнитрена в обоих орто-положениях к нитрену находятся конденсированные бензольные кольца, которые препятствуют реакции внутримолекулярного внедрения и, таким образом, стабилизируют синглетный нитрен, способствуя его конверсии в триплетное состояние. Дополнительный вклад в стабилизацию синглетного нитрена при проведении реакции в спирте или ацетонитриле вносит координация с неподеленной парой атома кислорода или азота, соответственно. Основная реакция триплетного акридилнитрена в нейтральном спирте или ацетонитриле - димеризация в 9-азоакридин. Другой характерной реакцией триплетных нитренов является отрыв атомов водорода, например, от молекул растворителя, с образованием аминильных радикалов, которые рекомбинируют с радикалами растворителя с образованием вторичных аминов или отрывают второй атом водорода, образуя первичные амины [87].
Продукты реакции
Спектры поглощения фотолизатов качественно воспроизводятся спектрами соответствующих амино- и нитростирилхинолинов - продуктов взаимодействия нитрена с растворителем и кислородом. Но, несмотря на качественное соответствие полос поглощения, спектр реакционной смеси при фотолизе нейтрального азидостирилхинолина после подкисления не совпадал со спектром реакционной смеси при фотолизе гидрохлорида азидостирилхинолина. И наоборот, спектр нейтрализованных продуктов фотолиза гидрохлорида азидостирилхинолина не совпадал со спектром продуктов фотолиза нейтрального азидостирилхинолина. Это свидетельствовало о том, что кислота, не оказывая влияния на квантовый выход фотодиссоциации азидов, влияет на состав и\или соотношение образующихся продуктов фотолиза. Известно, что при проведении реакции фотолиза азидов в присутствии галогенводородных кислот состав продуктов может меняться. Например, при фотолизе нейтрального 4-азидохинолина образуется в основном смоло-образный полимер и небольшое количество азосоединения [68], а в среде концентрированной НС1 - 4-аминохинолин и З-амино-4-хлорхинолин [65]. При этом следует учитывать, что в случае препаративного фотолиза концентрация азида в растворе на несколько порядков больше, чем при кинетических исследованиях, а состав продуктов фотолиза ароматических азидов может существенно изменяться при изменении концентрации [52]. Для получения результатов, сопоставимых с данными абсорбционной спектроскопии, необходимо исследовать реакционные смеси при концентрации компонентов 10 5 М. Подходящим в этом случае является метод электроспрейной масс-спектрометрии (ЭСМС). Особенностью метода ЭСМС является то, что ионы экстрагируются из микрокапель раствора исследуемого образца при атмосферном давлении в атмосфере азота. Ионизация соединений достигается за счет протонирования при экстракции ионов из разбавленного раствора электрическим полем, поэтому как правило в масс-спектре регистрируются пики ионов МЕҐ" с m/z = [М+1]. Наличие в азидостирилхинолинах хинолинового ядра с эндоциклическим атомом азота, способным к протонированию, создает предпосылки для применения метода ЭСМС к решению поставленной задачи. Методом ЭСМС нами исследованы реакционные смеси после фотолиза изомерных 2- и 4-(4 -азидостирил)хинолинов 8 и 10, а также их гидрохлоридов 9 и 11, соответственно.
Анализ реакционных смесей методом ЭСМС проведен Козловским В. И. Исследование фотолиза азидостирилхинолинов в разных условиях методом ЭСМС показало, что в результате фотодиссоциации N-N2 связи образуется набор обычных для фотохимии азидов продуктов - соответствующих амино-, нитрозо-, нитро-, азо-, гидразо-, азокси-соединений (три последних в незначительных количествах), причем составы реакционных смесей при фотолизе нейтральных азидов и их гидрохлоридов различаются. Кроме того, зарегистрирован ряд неидентифицированных продуктов, а также незамещенные стирилхинолины, свидетельствующие о фотодиссоциации C-N3 связи, что является необычным процессом в фотохимии ароматических азидов. На рис. 25 в качестве примера показаны электроспрейные масс-спектры реакционных смесей при фотолизе азида 10. Видно, что при фотолизе воздушно-насыщенного раствора основными продуктами являются первичный амин, нитрозо- и нитросоединение, пики ионов МН+ с m/z = 247, 261 и 277, соответственно, а при фотолизе дегазированного раствора образуется, фактически, только первичный амин с небольшой примесью азосоединения (пик 489). В данном случае преобладает второе направление, приводящее к 3(QuSt-N), чему способствуют два фактора: во-первых, известно, что донорные заместители, к которым относится этиленовая группа, в шра-положении фенилнитрена ускоряют интеркомбинационную конверсию синглетного нитрена в основное триплетное состояние, тем самым уменьшая выход дегидроазепина [34, 94], во-вторых, нуклеофильные растворители типа ЕЮН стабилизируют синглетный нитрен, также способствуя процессу конверсии [105]. Триплетный нитрен отрывает атом водорода от молекулы растворителя, образуя радикальную пару "аминильный радикал (QuSt-NH) + радикал СН3СНОН". Геминальная рекомбинация радикалов в триплетной паре запрещена по спину, поэтому основная реакция аминильного радикала - отрыв второго атома водорода с образованием первичного амина (QuSt-NH2). Из табл. 7 видно, что первичный амин является главным продуктом фотолиза во всех случаях - пик иона протонированного амина с m/z = 247 максимален во всех масс-спектрах, за исключением гидрохлорида 9. Присутствующие в масс-спектрах малоинтенсивные пики ионов с m/z = 291 (Табл. 6) соответствуют продукту присоединения молекулы этанола к нитрену. Это может быть продукт перегруппировки синглетного нитрена с расширением цикла - замещенный азепин, или первичный амин с орто-этокси заместителем (см. ниже). Однако более вероятной структурой является вторичный амин, образовавшийся в результате объемной рекомбинации аминильного радикала с радикалом растворителя (формально соответствует внедрению в С-Н связь).
С такой интерпретацией согласуется наличие в спектрах довольно интенсивных пиков ионов с m/z = 337, которые можно отнести к кластерам вторичного амина с этанолом, стабилизированным двумя водородными связями. Метод ионизации типа электроспрей является «мягким», поэтому в широком диапазоне напряжений (параметров) ионного источника характерно присутствие пиков нековалентно-связанных комплексов исследуемого вещества с молекулами растворителя. Амины являются продуктами реакции восстановления нитрена, с которой конкурирует реакция окисления. Из табл. 6 видно, что при фотолизе нейтральных азидов в присутствии кислорода воздуха в сравнимых с амином количествах получаются нитрозо- (61 - 99 %) и нитростирилхинолины (40-51 %), пики ионов МН4" с m/z = 261 и 277, соответственно. Механизм образования нитрозо- и нитросоединений дискутируется в литературе (см. глава 1.2.3). Сначала в результате взаимодействия кислорода с триплетным нитреном (синглетный нитрен не реагирует с кислородом) образуется линейный аддукт (QuSt-NOO, схема 5), который может иметь структуру иминодиокси-бирадикала или биполярного нитрозоксида. Этот аддукт в результате ряда межмолекулярных реакций дает конечные продукты окисления, хотя не исключается и возможность образования нитросоединения при внутримолекулярной изомеризации аддукта [36]. В спектрах реакционных смесей наблюдается также пик иона с m/z = 263, который по массе совпадает с изотопным пиком нитрозостирилхинолина [261+2] (интенсивность пика [М+2] должна составлять 1.9 % от основного), но по интенсивности существенно его превосходит (табл. 6). Ион с m/z = 263 может соответствовать смешанному продукту восстановления-окисления нитрена - гидроксиламиностирилхинолину, Детальный механизм образования гидроксиламина - восстановление аддукта нитрена с кислородом или окисление аминильного радикала - неизвестен. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют, что реакции восстановления и окисления нитрена протекают примерно с равной эффективностью. Имеющиеся в литературе данные позволяют оценить скорости протекания этих двух конкурентных реакций. Процесс отрыва атома водорода - довольно медленная реакция, константа скорости имеет порядок 10 М" с [11]. Константа скорости взаимодействия триплетного нитрена с кислородом на четыре порядка больше, 106 М"1 с"1 [11]. В то же время концентрация кислорода в этаноле ( 10 М) на 4 порядка меньше концентрации самого спирта. Учитывая разницу в константах скоростей и обратную разницу в концентрациях реагентов, получаем, что реакции восстановления и окисления триплетного нитрена протекают приблизительно с одинаковой скоростью.
