Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Строение и основные физико-химические свойства фуллерена Сбо (литературный обзор) 7
1.1. Строение фуллерена Сбо 7
1.2. Методы получения фуллерена С6о 10
1.3. Основные химические свойства 14
1.3.1. Реакции окисления 14
1.3.2. Реакции восстановления 16
1.3.3. Реакции галогенирования 21
1.3.4. Реакции присоединения 24
1.3.5. Реакции комплексообразования 36
1.3.6. Реакции полимеризации 38
Глава 2. Синтез производных и изучение свойств фуллерена Сбо 43
2.1. Синтез фуллеренпирролидинов на основе фуллерена Сбо 43
2.2. Синтез и изучение водорастворимых производных фуллерена Сбо 51
2.3. Изучение растворимости и спектров поглощения фуллерена Сбо в различных органических растворителях 56
2.4. Изучение комплексообразования фуллерена Сбо с ароматическими соединениями 69
Глава 3. Область практического использования фуллерена Сбо и его модифицированных производных 75
3.1. Получение полимерных композиций и пленок на основе фуллерена Сбо 76
3.2. Исследование биологической активности производных фуллерена Сбо 88
Глава 4. Экспериментальная часть 106
4.1. Основные физико-химические методы исследования в работе 106
4.2. Изучение растворимости и спектров поглощения фуллерена Сбо в различных органических растворителях 106
4.3. Синтез производных фуллерена Сбо 107
4.3.1. N-метил- 1[4-метоксифенил]фуллерено-Сбо [1, 9 с]-пирролидин 108
4.3.2. N-метил-1[2,4-диметоксифенил]фуллерено-Сбо[1, 9 с]-пирролидин...108
4.3.3. N-метил- 1-(4-нитрофенил)фуллерено-Сбо -[1, 9с]пирролидин 109
4.3.4. N-метил- 1-(4-диметиламинофенил)фуллерено-Сбо -[1, 9с]-пирролидин 109
4.3.5. №метил-фуллерено-Сбо-[1,9с]-2-метил-2-[1-тетраметилентеобромин]-пирролидин 110
4.3.6. N-метил-1 -(2,4-диметоксифенил)фуллерено-С6о-[ 1, 9с]пирролидиния тартрат 111
4.3.7. Получение соли соединения (III) с йодистым этилом Ill
4.3.8. Синтез комплекса ПВП*С6о 111
4.3.9. Синтез дисперсий фуллерена С6о 112
4.4. Получение полимерных композиций модифицированных фуллереном Сбо 112
4.5. Получение пленок на основе фуллерена Сбо 113
4.6. Биохимические исследования 114
4.6.1. Приготовления растворов для биохимических исследований 114
4.6.2. Методы исследования биохимических показателей 115
Выводы 123
Список литературы
- Методы получения фуллерена С6о
- Синтез и изучение водорастворимых производных фуллерена Сбо
- Исследование биологической активности производных фуллерена Сбо
- Изучение растворимости и спектров поглощения фуллерена Сбо в различных органических растворителях
Введение к работе
Актуальность темы. Фуллерен Сбо открыт не так давно и сейчас ведется активный поиск его практического применения. Известно, что фуллерен Сбо обладает низкой токсичностью, физиологической активностью и может быть перспективным материалом для различных областей науки и техники.
Фуллерены являются единственной растворимой формой углерода. Поэтому изучение растворимости фуллерена Сбо в различных растворителях имеет как фундаментальное, так и прикладное значение. Выделение фуллеренов из фуллереновой сажи основано на растворимости в органических растворителях. Кроме этого все основные реакции модификаций фуллерена также протекают в растворе.
Анализ литературных данных показывает, что наибольший интерес представляет синтез производных фуллерена Сбо, содержащие в своем составе «фармакофорные» группы. Интересной «фармакофорной» группой является пирролидиновый цикл. Известно, что соединения, содержащие пирролидиновый цикл, в обычных органических соединениях обладают широким спектром биологической активности и входят в состав многих лекарственных препаратов как природного, так и синтетического происхождения, например пролин, атропин. Однако соединения, содержащие одновременно пирролидиновый цикл и фуллереновую сферу исследованы пока мало. Основной проблемой затрудняющей использование фуллерена Сбо и его производных в качестве физиологически активных соединений является его гидрофобность.
В связи с этим, целью данной работы является изучение свойств фуллерена Сбо, разработка методов получения различных модифицированных его производных и изучение их свойств.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: разработать методы синтеза фуллеренпирролидинов;
получить водорастворимые производные фуллерена Сбо;
исследовать методом спектрофотометрии растворы фуллерена Сбо в органических растворителях;
модифицировать эпоксидные олигомеры и диацетат целлюлозы фуллереном
Сбо;
изучить свойства полученных модифицированных соединений и материалов.
Научная новизна. Изучены реакции фуллерена Сбо с ароматическими альдегидами и N-метилглицином в кипящем толуоле в атмосфере аргона. Установлено, что фуллерен Сбо образует с ароматическими альдегидами и N-метилглицином замещенные фуллеренпирролидины. Предложена вероятная схема образования фуллеренпирролидинов, как 1,3-диполярное присоединение к фуллерену Сбо, через промежуточное образование активных азометинилидов. Получены водорастворимые производные фуллерена Сбо на основе синтезированных фуллеренпирролидинов и реакций комплексообразования фуллерена Сбо с поливинилпирролидоном. Методом спектрофотометрии изучены растворы фуллерена Сбо в различных органических растворителях. Показано, что синтезированные производные фуллерена Сбо обладает широким спектром медико-биологической активности. Фуллерен СбО можно использовать как активную добавку к полимерным композициям.
Практическая ценность работы. Разработаны методы синтеза фуллеренпирролидинов и водорастворимых производных фуллерена Сбо-Получены полимерные композиции на основе эпоксидиановых олигомеров и диацетата целлюлозы модифицированные фуллереном Сбо- Изучена биологическая активность синтезированных фуллеренпирролидинов. Полученные соединения и материалы представляют интерес для химии углеродных кластеров, материаловедения и медицины.
Апробация работы. Результаты работы представлены и обсуждены на XI Всероссийской научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 25-27 апреля 2001 г), на Международной конференции «Перспективные полимерные композиционные
6 материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология «Композит - 2001»» (Саратов, 3-5 июля 2001 г), на III Всероссийской конференции «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Саратов, 3-5 сентября 2001 г), на XV Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-2001» Успехи в химии и химической технологии (Москва, 24-27 декабря 2001 г), на IV Всероссийской конференции «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Саратов, 23-25 июня 2003г), на XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 21-26 сентября 2003 г), на Международной конференции «Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология «Композит - 2004»» (Саратов, 6-8 июля 2004г), на Международном симпозиуме восточно-азиатских стран по полимерным композиционным материалам и передовым технологиям «Композиты XXI века» (Саратов, 20-22 сентября 2005г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ: 5 статьи в центральной печати, 6 статей в сборниках и 5 тезисов докладов на конференциях.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 139 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографии из 158 наименований, включает 26 рисунков, 8 таблиц, приложение.
Работа выполнена в соответствии с планом госбюджетных научных исследований в Саратовском государственном техническом университете по теме: «Синтез и изучение реакционной способности металлорганических соединений и фуллеренов».
Методы получения фуллерена С6о
Электрохимическое восстановление СбоО ведет к образованию электрохимически - активной пленки. Такую пленку можно получить и при восстановлении Сбо до Сбо в присутствии 02, но она будет отличаться от предыдущей [32].
При действии сплава Ni-Al на раствор фуллерена С6о в ТГФ, а затем водного раствора NaOH образуется анион Сбо Аналогично можно получить Сбо , только вместо раствора фуллерена в ТГФ используют раствор фуллерена в ДМСО. Анионы инертны к действию воды, но чувствительны к кислороду. Окислением Сбо можно получить коллоидный водный раствор СбО Сбо — Сбо Сбо 4 С60" + 02 + 2Н20 - 4 С60(раствор) + 4 ОН "
Проведение окисления в водном растворе приводит к образованию коллоидного раствора фуллерена Сбо, в котором содержатся гомогенные некристаллические частицы размером 10 нм.; в безводном органическом растворители С6о осаждается в виде черного порошка.
Спонтанное окисление пентафенилзамещенных фуллеренов CeoPhsCl и СбоРЬбН на воздухе и на свету приводит к образованию сложной смеси продуктов, из которой было выделено соединение состава С60РП4С6Н4О2 (выход продукта составляет 60%).
Фуллеренобензо[Ь]фуран образуется в результате отщепления связанных с каркасом атомов водорода или хлора, opwo-водорода соседней с ними фенильной группы и последующим окислением.
Авторами [38] установлено, что при окислении фуллерена Сбо дымящей HN03 образуется полигидроксиполинитрофуллерен. Образование фуллереновых производных, содержащих одновременно кислород и фтор происходит при взаимодействии с водными растворами HF, F2 и дымящей HN03.
Реакции восстановления фуллеренов широко изучены на примере гидрирования. Гидрирование фуллерена Сбо протекает по двойным связям. Интерес к гидридам фуллеренов обусловлен возможностью их использования в качестве эффективной среды для хранения водорода. По теоретическим предположениям атомы водорода могут располагаться как внутри, так и снаружи сферы фуллерена, причем устойчивый изомер СбоНбо может быть получен только в том случае, если 10 атомов водорода будут связаны в молекуле эндоэдрально [39].
В настоящее время известны гидриды фуллеренов состава: СбоНх (х=2,4,18,32,36,36-50,42-44). Гидриды фуллеренов с малым содержанием водорода выделены в виде индивидуальных соединений, тогда как синтез высших гидридов фуллеренов приводит к смесям гидридов различного состава [32,39-41].
Известны такие способы получения гидрофуллеренов, как восстановление по Берчу, восстановление фуллеренов гидридами, органическими соединениями, водородом, восстановление фуллеренов в системе металл-кислота, каталитическое гидрирование и другие [39,41,42]. Впервые СбоНзб и СбоНів были обнаружены в продуктах реакции восстановления Сбо по Берчу:
Обработка толуольного раствора продукта восстановления фуллерена сильным окислителем- 2,3-дихлоро-5,6-дицианобензохиноном - при кипячении приводит к Сбо- Таким образом, восстановление Сбо является полностью обратимым процессом и в ходе реакции не происходит разрушение скелета Сбо [1,39].
Наиболее удобным способом получения низших гидридов фуллеренов является процесс гидрометаллтрования Сбо с последующим гидролизом. Например, синтез СбоН2 через гидроборирование или гидроцирконирование:
Гидроборирование СбоН2 приводит к образованию смеси изомерных соединений СбоЩ с наибольшим содержанием 1,2,3,4 - СбоН , в котором все четыре атома водорода присоединяются к соседним 6-6-связям [39]. Реакция восстановления диимидом отличается простотой и высоким выходом продуктов. Данный метод позволяет получить ди- и тетрагидриды фуллеренов: С60 + H2N2 - С6оН2 + N2. Основным продуктом восстановления Сбо диимидом является 1,2,3,4-тетрагидрофуллерен С60Н4 [39,42].
Во многих реакциях Сбо выступает в качестве катализатора. Так при исследовании реакции взаимодействия Сбо с мезитиленом, проводимой при кипячении (7М 63С) в инертной атмосфере в течении 24 часов, в реакционной смеси были обнаружены продукты димеризации мезитилена и продукты присоединения мезитилена к Сбо- Выход продуктов димеризации мезитилена в 7 раз превышает начальную концентрацию Сбо Примером каталитического действия Сбо может служить реакция дегидрирования 9,10-дигидрофенантрена и реакция дегидрирования эфира Ганча. В присутствии Сбо отношение фенантрен : дигидрофенантрен составляет 33, а в его отсутствии 1.3. При этом Сбо превращается в восстановленные производные с различным содержанием водорода.
Синтез и изучение водорастворимых производных фуллерена Сбо
Реакции [2+5, 2+6, 2+8] - цикл присоединения фуллеренов хотя и получили значительно меньшее распространение и пока еще плохо изучены, однако несколько примеров осуществления таких процессов можно найти в литературе.
До определенного времени в химии фуллерена преобладали исследования процессов моноциклоприсоединения. В исследованиях последних же лет все большее внимание уделяется более сложной области химии фуллерена -процессам полиприсоединения. Хорошо сконструированные полиаддукты Сбо с определенной трехмерной структурой могут быть потенциальными биологически активными веществами и основой для создания новых современных материалов. Однако особенность Сбо, заключающаяся в том, что при полиприсоединении может быть получено большое число аддуктов даже при использовании одного реагента, так как С6о имеет 30 двойных 6,6 - связей, способных к присоединению. Примеров реакций полиприсоединения достаточно много. Получить фуллереновые бисаддукты можно по реакции Бингеля, реакцией полиприсоединения азидов и другими известными методами функционализации фуллереновой сферы.
Известно также применение реакции Дильса - Альдера для синтеза бисаддуктов фуллерена. Так, при нагревании моноаддукта фуллерена с антраценом в растворе он разлагается на фуллерен и антрацен. В отличие от результатов термолиза в растворе, твердофазное нагревание этого адпукта при 180С ведет к 96% конверсии моноаддукта с образованием смеси 1:1 фуллерена и единственного бисаддукта с анти - расположением аддендов: Это далеко не полный список работ сделанных и основанных на реакциях присоединения. Фуллерен Сбо проявляет в основном акцепторные свойства и его можно рассматривать как -акцептор. Он может образовывать различные нековалентные соединения донорно-акцепторного типа. В отличие от других акцепторных молекул Сбо имеет большие размеры, сферичискую форму, высокую симметрию и поляризуемость, что вносит в донорно-акцепторное взаимодействия фуллерена свои особенности.
На сегодняшний день получено большое число разнообразных донорно-акцепторных соединений фуллеренов, в том числе молекулярных комплексов, комплексов с переносом заряда и ион-радикальных солей с различными степенями окисления или восстановления [86].
Существует несколько способов получения таких соединений фуллерена: медленное выпаривание растворителя, метод диффузии, охлаждение насыщенных растворов, осаждение растворителем и электрохимический метод. Основным способом синтеза молекулярных комплексов фуллеренов является выпаривание растворов, содержащих донор и фуллерен. При выпаривание в реакционной смеси донор-Сбо-растворитель протекают две конкурирующие реакции: где Sol - растворитель, D - донор, m = 1-3, n = 1-6,1 = 0-4, x = 0,4-4. Для того чтобы сдвинуть равновесие реакции в сторону образования комплекса берут большой мольный избыток донора.
Взаимодействие растворителя с С60 осуществляется в основном за счет поляризационных ван-дер-ваальсовых сил. Большинство комплексов с растворителями неустойчивы, но в некоторых случаях сольваты Сбо могут быть выделены в кристаллическом виде при медленном выпаривании растворов. Взаимодействие с молекулами растворителя приводит к упорядочению ориентации молекул по сравнению с кристаллами Сбо В клатратных соединениях молекулы растворителя находятся в пустотах между объемными молекулами фуллерена. Эти соединения получают методом осаждения фуллерена из толуола избытком растворителя: ацетона, диэтиловым эфиром и др. Клатраты имеют состав C6o(Solv)x.
На сегодняшний день были получены комплексы фуллеренов как с неорганическими соединениями (C6o(S8)2, C6oSg(CS2), C76(Ss)6 и др.), так и с органическими донорами [66]. Синтезировано большое число соединений фуллерена с производными тетрахалькогенафульваленов [35].
Исследование биологической активности производных фуллерена Сбо
Об этом растворителе. Такое изменение растворимости фуллерена Сбо в ряду монозамещенных бензола от потенциала ионизации растворителя не случайно и свидетельствует в пользу того, что существуют взаимодействия между кольцевым током шестичленного цикла ароматического растворителя и кольцевыми токами шестичленных циклов фуллереновой сферы. Это взаимодействие тем сильнее, чем выше электронная плотность в ароматическом цикле растворителя, то есть чем меньше потенциал ионизации этого растворителя. В результате такого взаимодействия
увеличивается сольватация, а значит и растворимость фуллерена Сбо-Поэтому растворимость фуллерена Сбо в растворителях, где ароматические циклы отсутствуют, уменьшается на несколько порядков [36]. По-видимому, магнитное поле внутримолекулярного кольцевого тока в шестичленном фуллереновом цикле взаимодействует и ориентирует молекулу растворителя таким образом, что ток внутри этой молекулы оказывается направленным навстречу току фуллеренового шестичленного цикла, что и приводит к увеличению сольватации, а значит и растворимости фуллерена Сбо в данном ароматическом растворителе. Это подтверждается также структурным анализом ароматических жидкостей: бензола, толуола, нафталина [111]. Согласно этой монографии, молекулы ароматических жидкостей ориентированы в пространстве параллельно друг другу» на определенном расстоянии, слабо взаимодействуя между собой кольцевыми токами. Однако в случае дизамещенных или тризамещенных производных бензола, или при увеличении длины или объема бокового радикала в ароматическом цикле ситуация усложняется тем, что возникают дополнительные эффекты, которые трудно учесть и замеченная тенденция по растворимости фуллерена С6о в ароматических растворителях нарушается [36]. По-видимому, для растворения фуллерена Сбо в ароматическом растворителе, в этом случае также важно участие свободных р-электронов боковых заместителей ароматического растворителя. Поэтому такие растворители, как хлорбензол и о-дихлорбензол, значительно растворяют фуллерен Сбо- Хлорсодержащие растворители, даже не имеющие ароматических циклов аномально высоко растворяют фуллерен Сбо [36] по сравнению с другими полярными растворителями. Это указывает на то, что свободные р-электроны хлора относительно хорошо взаимодействуют с кольцевыми токами фуллереновой сферы, способствуя сольватации и увеличению растворимости фуллерена Сбо в этих растворителях.
Следует отметить, что при увеличении длины бокового алкильного радикала в ароматическом цикле в ряду монозамещенных бензола растворимость фуллерена Сбо вначале уменьшается, а затем снова возрастает, например, толуол-2.8, этилбензол-2.6, н-пропилбензол-1.5, изопропилбензол-1.2, н-бутилбензол-1.9 мг-мл"1 [36]. Такое изменение растворимости фуллерена Сбо от длины бокового радикала в ароматическом цикле можно объяснить стерическими затруднениями, создаваемыми этими радикалами. Боковые радикалы мешают взаимодействию шестичленных циклов фуллерена и растворителя, что приводит к уменьшению растворимости Сбо- Однако при дальнейшем увеличении длины радикала растворимость Сбо возрастает, так как возрастает поверхностная активность радикала по отношению к поверхности фуллерена, что частично уменьшает действие стерического фактора и увеличивает растворимость фуллерена Сбо-По этой причине, вероятно, и возрастает растворимость фуллерена Сбо в углеводородах с увеличением углеродной цепи в ряду пентан-гексан-декан-додекан-тетрадекан [36].
Таким образом, относительно высокая растворимость фуллерена Сбо в ароматических растворителях связана также сольватацией, которая обусловлена взаимодействием кольцевых токов ароматических циклов и свободных р-электронов боковых цепей замещенных бензола с кольцевыми токами шестичленных циклов фуллереновой сферы.
В работе изучили спектры поглощения фуллерена Сбо в 10 различных органических растворителях в области 300-620 нм. Некоторые сведения по спектрам поглощения фуллерена С6о опубликованы в работах [112-114]. В табл.2 представлены полученные экспериментальные данные, где приведены длины волн (X, нм) максимумов поглощения и их соответствующие коэффициенты молярного поглощения (є, моль_1-Л СМ-1).
Изучение растворимости и спектров поглощения фуллерена Сбо в различных органических растворителях
Электронные спектры поглощения растворов фуллерена Сбо в органических растворителях регистрировали на спектрофотометре СФ-26. Для регистрации спектров использовали кварцевые кюветы (оптический путь 1 см). В качестве сравнения использовали соответствующие растворители. Все измерения проводили при 20 С.
Фуллерен С60 «Merck» (99,5% - основного вещества) использовали без дополнительной очистки.
Растворители для оптических измерений очищали по стандартным методикам [107] и перед применением перегоняли в аргоне. Высококипящие растворители (о-дихлорбензол, 1-метилнафталин, М, 1-диметиланилин) перегоняли при пониженном давлении в аргоне. Физико-химические константы растворителей соответствовали справочным данным [107,108].
Навеску фуллерена Сбо помещали в ароматический растворитель объемом 10 мл и длительно выдерживали до полного растворения.
Концентрация фуллерена Сбо в растворе изменялась от 2-Ю" моль-л и менее, в зависимости от растворимости в соответствующем растворителе. Затем растворы разбавляли в соответствии с задачами эксперимента. В растворителях, где фуллерен Сбо растворяется плохо, растворы готовили объемом 250 мл и длительно выдерживали до полного растворения фуллерена, либо готовили насыщенные растворы, используя заведомо избыточное количество фуллерена С6о.
Электронные спектры растворов фуллерена Сбо и ароматических доноров регистрировали на спектрофотометре СФ - 26 с использованием кварцевых кювет (1 = 1 см), в кювету сравнения помещали растворитель. Концентрация фуллерена С6о в исследуемых растворах составляла 1,2-10"4 моль/л, концентрация доноров изменялась в интервале 0,05 - 2 моль-л". Все измерения проводились при 20 ± 2С.
1-Метилнафталин, хинолин, 1-метилнафтилкетон и анилины очищали перегонкой при пониженном давлении. Фенантрен перекристаллизовывали из смеси изооктан - толуол, 2-этоксинафталин очищали двойной перекристаллизацией из изооктана. Синтез фуллеренпирролидинов Фуллерен С6о - продукт фирмы «Merck» (99,5%) использовали без дополнительной очистки. УФ спектр (СНСІз), Хщах? нм (є): 258 (86000), 328 (11000), 401 (13000), пл. 490 - 500 пл. ИК спектр, v, см 1: 528, 576, 1180, 1428. Rf=0.9.
Исходные ароматические альдегиды и саркозин перед использованием перекристаллизовывали. Физико-химические характеристики этих соединений соответствовали справочным данным.
М-метил-1-(4-метоксифенил)фуллерено-С6о-[1,9с]пирролидин (1) К раствору 0.072 г фуллерена Сбо в 100 мл толуола был добавлен 0.0267 г саркозина и 0.0272 г 4 - метоксибензальдегида (мольное соотношение реагентов =1:3:2 соответственно). Реакционную смесь кипятили в атмосфере аргона в течении 8 часов, затем промывали несколько раз водой и отогнали в вакууме в атмосфере аргона до объема 4мл. Кубовый остаток помещали в колонку на SiC 2 и элюировали в начале гексаном, а затем смесью гексан : толуол, 1:1. При элюировании гексаном был выделен непрореагировавший фуллерен - Сбо, а затем соединение (1). После отгонки элюента получено 0,0086 г (12%) соединения (1), Rf 0.1. Ж спектр, v, см"1: 528, 600, 615, 650, 670, 720, 770, 850, 890, 920, 930 - 950 пл., 970, 1070, 1030, 1120, 1150, 1180, 1375, 1450, 1460, 1500 - 1600, 1730, 2856, 2924, 2960. УФ спектр (СНС13), К нм (є): 256 (145455), 327 (48182), 425 (3117), 450 - 460 пл, 520 - 530 пл. Элементный анализ: Найдено, %: С 95,24; Н 1,53; N 1,53. C70Hi3NO. Вычислено, %: С 95,12; Н 1,48; N 1,58; 01,81. М-метил-1-(2,4-диметоксифенил)фуллерено-С60-[1, 9с]пирролидин (2)
К раствору 0.072 г фуллерена Сбо в 100 мл толуола добавили 0.0267 г саркозина и 0.0332 г 2,4 - диметоксибензальдегида (мольное соотношение реагентов =1:3:2 соответственно). Реакционную смесь кипятили в атмосфере аргона в течение 8 часов, затем охладили, промыли несколько раз водой и отогнали в вакууме в атмосфере аргона до объема 4мл. Остаток помещали в колонку на Si02 и элюировали в начале гексаном, а затем смесью гексан : толуол (1 : 1).
