Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 7
1.1. Производные пиридина - полупродукты для синтеза полиметиновых красителей семейств ТОТО, ВОВО, YOYO и РОРО 8
1.2. Четвертичные соли бензоксазола и бензотиазола - полупродукты для синтеза полиметиновых красителей 8
1.3. Полиметиновые красители
1.3.1. Несимметричные монометиновые красители 14
1.3.2. Несимметричные триметиновые красители 16
1.3.3. Стириловые красители 17
1.3.4. Симметричные полиметиновые красители семейств ВОВО, ТОТО, YOYO и РОРО 19
1.4. Микроволновая активация 21
2. Обсуждение результатов 24
2.1. Производные пиридина и ДТЧЖ Л тетраметилэтилендиамина (ТМЭДА) продукты для синтеза полиметиновых красителей 24
2.1.1. Алкилирование у-пиколина йодистым метилом, 1,3-дибромпропаном и 1,4-дибромбутаном 24
2.1.2. Алкилирование пиридина и триэтиламина производными у-пиколина 25
2.1.3. Алкилирование 4,4 -бипиридина и ТМЭДА производными у-пиколина 26
2.1.4. Алкилирование 4,4 -бипиридина йодистым метилом 27
2.1.5. Алкилирование 1,10-фенантролина производными у-пиколина 28
2.1.6. Алкилирование 4,4 -бипиридина и ТМЭДА 1,3-дибромпропаном 28
2.1.7. Алкилирование 4,4 -бипиридина 1,3-хлорбромпропаном 32
2.2. Производные бензазолов - продукты для синтеза полиметиновых красителей 33
2.2.1. Бензотиазолы 34
2.2.2. Бензоксазолы 39
2.3. Полиметиновые красители 43
2.3.1. Несимметричные монометиновые красители - предшественники интеркаляторов типа ВОВО - и их аналоги 43
2.3.2. Несимметричные триметиновые красители - предшественники интеркаляторов типа РОРО - и их аналоги 59
2.3.3. Стириловые красители 63
2.3.4. Симметричные полиметиновые красители - аналоги ВОВО и РОРО 63
2.3.4.1. Симметричные монометиновые красители - аналоги ВОВО 67
2.3.4.2. Симметричные триметиновые красители - аналоги РОРО 79
2.3.5. Оптические свойства полиметиновых красителей 80
3. Экспериментальная часть 89
3.1. Производные у-пиколина 90
3.2. Производные 4,4 -бипиридина 92
3.3. Производные Л ДЛ Л -тетраметилэтилендиамина (ТМЭДА) 99
3.4. Производные 1,10-фенантролина 100
3.5. Производные бензоксазола 101
3.6. Производные бензотиазола 104
3.7. Полиметиновые красители
3.7.1. Монометиновые красители - предшественники интеркаляторов типа ВОВО и их аналоги 109
3.7.2. Триметиновые красители - предшественники интеркаляторов типа ВОВО и их аналоги 118
3.7.3. Стириловые красители 120
3.7.4. Симметричные монометиновые красители - аналоги интеркаляторов типа ВОВО 121
3.7.5. Симметричные триметиновые красители - аналоги интеркаляторов типа РОРО 131
3.7.6. Флуоресцентная микроскопия 132
Выводы 134
Список литературы
- Четвертичные соли бензоксазола и бензотиазола - полупродукты для синтеза полиметиновых красителей
- Несимметричные триметиновые красители
- Производные бензазолов - продукты для синтеза полиметиновых красителей
- Монометиновые красители - предшественники интеркаляторов типа ВОВО и их аналоги
Введение к работе
Актуальность работы. Флуоресцентные зонды (ФЗ) являются важными химическими инструментами при исследованиях в различных областях молекулярной биологии и биохимии, а также широко используются в практической медицине при проведении диагностических тестов. Круг задач, решаемых с их помощью, непрерывно расширяется. В частности, они могут служить молекулярным инструментом для конструирования новых лекарственных препаратов. Поэтому получение и изучение свойств новых ФЗ остается предметом постоянного внимания исследователей.
Важное место среди ФЗ нуклеиновых кислот занимают симметричные моно- и триметиновые красители бензотиазольного и бензоксазольного рядов (так называемые ФЗ типа BОBО и PОPО), широко используемые в генетических исследованиях и в современных диагностических методах, таких, как например, полимеразная цепная реакция (ПЦР). ПЦР применяется для диагностики рака на ранних стадиях заболевания, инфекционных заболеваний, в том числе СПИДа, при идентификации образцов ДНК в криминалистике и др.
ФЗ указанных типов в РФ не производятся, поэтому медицинские учреждения страны обеспечиваются ими по импорту. Поскольку биомедицинские технологии, в которых используются ФЗ типа BОBО и PОPО, направлены на сохранение здоровья нации, то остро стоит проблема импортозамещения путем организации их отечественного производства.
Синтетическими прекурсорами (полупродуктами) этих ФЗ являются дифункциональные молекулы, «надстраивание» которых приводит как к целевым симметричным продуктам (бис-замещения), так и к побочным несимметричным (моно-замещения). В ключевых реакциях получения ФЗ указанного типа для генерирования промежуточных карбанионов используют основные агенты, что приводит к протеканию ряда нежелательных (побочных) реакций. Вопросы, связанные с увеличением выходов и повышением чистоты целевых ФЗ, в специальной литературе не отражены или отражены крайне скупо. Помимо синтетических, существуют и аналитические проблемы установления квалификации (чистоты и индивидуальности) синтезированных ФЗ и полупродуктов их синтеза, связанные с особенностями спектральных характеристик этих соединений, практически не освещенными в специальной литературе. Без решения обозначенных проблем невозможно наладить рентабельный синтез ФЗ должной квалификации как в лабораторных, так и в опытно-промышленных условиях.
Представлялось весьма актуальным: (а) изучить существующие методы получения ФЗ типа ВОВО и РОРО в расчете овладеть технологиями их синтеза; (б) разработать новые, более рациональные методы получения ФЗ указанного типа; (в) попутно синтезировать оригинальные красители в качестве потенциальных зондов.
Основной целью данной работы является разработка научных основ лабораторного синтеза моно- и триметиновых красителей – ФЗ типа ВОВО и РОРО.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие основные задачи:
1. Апробировать традиционные методы синтеза ФЗ типа ВОВО и РОРО и оценить их возможности и ограничения;
2. Путем ретросинтетического анализа выявить и разработать новый метод синтеза ФЗ указанного типа;
3. Предложить способ интенсификации лабораторных методов синтеза указанных ФЗ;
4. Изучить особенности спектрального поведения указанных ФЗ и полупродуктов их синтеза;
5. Синтезировать новые красители – производные бензоксазола и бензотиазола – и оценить их потенциал в медико-биологических исследованиях.
Методы исследования. Методы синтетической органической химии, ЯМР спектрометрия, ИК спектроскопия, УФ спектроскопия, спектрофлуориметрия, масс-спектрометрия.
Научная новизна работы:
1. Предложен новый способ получения полиметиновых красителей – интеркаляторов семейств ВОВО и РОРО, заключающийся в синтезе промежуточных соединений (полупродуктов) тетракатионного типа путем взаимодействия четвертичных солей пиколина, содержащего N-бромалкильную группу, с третичными диаминами и последующем взаимодействии этих полупродуктов с четвертичными солями бензазолов, содержащих нуклеофугную группу во 2-м положении, в присутствии триэтиламина.
2. Синтезированы новые бензотиазольные монометиновые и бензоксазольные триметиновые красители тетракатионного типа на основе 4,4'-бипиридила и N,N,N',N'-тетраметилэтилендиамина (ТМЭДА), их тетракатионные предшественники, а также новые четвертичные соли 1,10-фенантролина.
3. Установлено, что при записи спектров ЯМР 1Н кондиционных образцов четвертичных солей 2-замещенных бензазолов в ДМСО-d6 под действием остаточной влаги растворителя происходит раскрытие азольного цикла или замещение нуклеофуга во 2-м положении азольного кольца, что затрудняет интерпретацию спектров и приводит к неверным выводам о квалификации образцов.
Практическая значимость работы:
1. У вновь синтезированных полиметиновых красителей выявлены флуоресцентные свойства, что открывает принципиальную возможность разработки на их основе флуоресцентных зондов для использования в различных областях биологии и медицины.
2. Освоена лабораторная технология синтеза интеркаляторов семейства ВОВО традиционным способом, заключающимся в получении промежуточного несимметричного полиметинового красителя с N-бромалкильной группировкой и его последующем взаимодействии с 4,4'-бипиридином или ТМЭДА. Наряду с разработкой нового способа получения указанных соединений это создает предпосылки для организации укрупненного лабораторного (полупромышленного) производства таких интеркаляторов в России.
3. Предложен способ интенсификации реакций получения интеркаляторов семейства ВОВО путем микроволнового облучения. Показано, что микроволновая активация (МВА) позволяет не только ускорить процесс и увеличить выход интеркалятора, но и получить интеркалятор лучшего качества.
4. Выявлены возможности и ограничения ЯМР 1Н спектрометрии в качестве метода установления индивидуальности четвертичных солей бензазолов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Новый метод получения интеркаляторов семейств ВОВО и РОРО.
2. Способ интенсификации синтеза интеркаляторов семейств ВОВО и РОРО путем микроволнового облучения.
3. Нестабильность четвертичных солей бензазолов к действию остаточной влаги растворителя в условиях записи ЯМР спектров в ДМСО-d6.
4. Лабораторная технология получения интеркаляторов семейства ВОВО традиционным способом.
5. Возможность использования вновь синтезированных полиметиновых красителей в качестве флуоресцентных зондов ДНК.
Личный вклад автора. Участие в сборе, анализе и систематизации литературных данных, обсуждении целей и задач исследования, интерпретации полученных результатов и их обобщении, формулировке выводов, написании статей и представлении докладов по теме диссертации; подготовка и проведение синтезов, обработка и интерпретация спектральных данных (ЯМР 1Н спектры, ИКС, УФС, МС), структурные отнесения. ЯМР 1Н спектры получены к. х. н. Захаровым В.И. (НИИ ГПЭЧ ФМБА России), ИК спектры – Артамоновой Т.В. (СПбГТИ (ТУ)), масс-спектры высокого разрешения – Мишаревым А.Д. (СПбГУ) и Новиковым А.В. (ИАП РАН); элементный анализ выполнен Артамоновой Т.В. (СПбГТИ (ТУ)). Изучение синтезированных соединений в качестве потенциальных ФЗ проведено в лаборатории клеточной патологии Института цитологии РАН (зав. лаб. д. б. н. Кудрявцев Б.Н.).
Работа выполнена в рамках задания Министерства образования и науки РФ на проведение научных исследований по тематическому плану НИР вуза, темы 1.2.06 «Исследование реакционной способности полифункциональных гетероциклических соединений», № гос. регистрации 01200700666, и 1.4.04 «Разработка научных основ получения новых веществ фармакологического и сельскохозяйственного назначения в рядах элементоорганических соединений методами тонкого органического синтеза и биотехнологии», № гос. регистрации 01200412872.
Апробация работы: Материалы диссертации были представлены на 6-ти международных и российских конференциях. По материалам конференций опубликованы сборники тезисов докладов или выпущены электронные диски.
Публикации: По теме диссертации опубликована одна статья.
Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, литературного обзора (4 раздела), обсуждения результатов (3 раздела), экспериментальной части (7 разделов), выводов и списка литературы (93 ссылки). Материал диссертации изложен на ____ страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц и 5 рисунков.
В литературном обзоре рассмотрены методы синтеза полиметиновых красителей семейств ТОТО, BOBO, YOYO и POPO, а также полупродуктов, необходимых для их синтеза. Анализ имеющейся журнальной и патентной информации позволил сформулировать и обосновать задачи исследования.
Четвертичные соли бензоксазола и бензотиазола - полупродукты для синтеза полиметиновых красителей
Монометиновые красители получают взаимодействием гетероциклических соединений, содержащих хорошо уходящие группы (сульфо-, метилтио- или хлор-) или активированную к нуклеофильному замещению метильную группу, с азотсодержащими гетероциклическими соединениями, имеющими, соответственно, активированную метильную или хорошо уходящие группы (хлор- или сульфо-) в присутствии оснований [36, с. 105].
В работе [37] рассмотрены методы получения монометиновых красителей путем взаимодействия четвертичных солей 2- и 4-метилзамещенных гетероциклов с 2- и 4-сульфобетаинами, содержащими в гетероцикле атом азота. Реакция проводится либо сплавлением, либо при кипеячении в этилцеллозольве, в обоих случаях в отсутствии основания. Так, конденсацией 3-метил-1,3-бензотиазолий-2-сульфоната (24) с 1,4-диметилпиридиний йодидом (5) при сплавлении получают несимметричный краситель - 1-метил-4-[(3-метил-2,3-дигидро-1,3-бензотиазол-2 илиден)метил]пиридиний йодид (29). Аналогичным образом сплавлением солей (7) и (31) получают краситель 1-метил-4-[(3-метил-2,3-дигидро-1,3-бензоксазол-2-илиден)метил]хинолиний йодид (30) (схема 17).
Схема 17 Синтез несимметричного монометинового красителя (32) с бромпропильной группой (полупродукта для синтеза симметричных монометиновых красителей семейств ТОТО и ВОВО) описан в работах [1, 38, 39]. Краситель (32) предлагают получать либо сплавлением сульфобетаина (24) с соответствующей солью хинолина (1) [1], либо при кипячении в метаноле в присутствии основания (триэтиламина) солей (1) и (21а) [38] или солей (33) и (34) [39] (схема 18).
Аналог красителя (32) - соединение с йодпропильной группой (35) получают при кипячении в этиловом спирте в присутствии триэтиламина четвертичной соли с легкоуходящей метилтиогруппой (21а) с соединением (4), содержащего активированную под действием основания метильную группу [3].
В качестве основного агента вместо триэтиламина можно использовать N-этилдиизопропиламин NEt(iPr)2 [40], гидрокарбонат натрия NaHC03 [41] или безводный ацетат натрия CH3COONa [42].
В работе [43] предложено проводить синтез монометинового красителя (36) на основе индола в микроволновом реакторе в присутствии триэтиламина и без растворителя. При этом время реакции с нескольких часов сокращается до 15-18 минут. Сделан вывод о том, что по сравнению с методом кипячения в растворителе данный метод с использованием микроволнового реактора не только сокращает время проведения реакции, но и дает более высокие выходы целевого продукта (схема 19).
Красители с цепочкой из трех метановых групп между гетероциклами (триметиновые красители) можно получать конденсацией гетероциклических соединений, содержащих активированную метильную группу, с соединениями, содержащими хорошо уходящую фениламино-группу [30] или ее ацетильное производное - ацетилфениламино-группу [3, 38].
В работе [3] триметиновый краситель с йодпропильной группой (37) получают путем взаимодействия эквимолярных количеств соответствующих четвертичных солей (4) и (16) в безводном этаноле в присутствии 1 эквивалента триэтиламина (схема 20) при перемешивании при комнатной температуре в течение 15 минут, с последующим высаживанием эфиром и перекристаллизацией из смеси ацетон-эфир. Избыток основного агента нежелателен, поскольку и в исходном соединении (4), и в красителе (37) есть бромалкильная группа, способная вступать в реакцию с триэтиламином. Выход составляет порядка 60%.
Триметиновый краситель (40) получают нагреванием 2-{2-[(фенил)амино]винил}-3-фенил-1,3-бензтиазолий-3 йодида (38) и этил-4-метилхинолиний йодида (39) в пиридине [38] (схема 21). Данная методика для синтеза красителей типа (37) неприемлема.
Схема 21 Несимметричные триметиновые красители можно получать из соответствующих симметричных красителей. В работе [44] триметиновый несимметричный краситель (43) получен либо из симметричного красителя (41), либо красителя (42) при кипячении в пиридине с соответствующей четвертичной солью (14) или (39). Выход в этих реакциях не выше 25% (схема 22). Схема 22
По схеме 22 краситель (43) можно также получить, используя вместо пиридина либо уксусный ангидрид, либо уксусную кислоту, либо спиртовой пиперидин [44].
В работе [30] в качестве полупродукта для синтеза триметиновых красителей используют соединение с фениламино-группой (44) (схема 23). Триметиновый краситель (46) получают реакцией четвертичных солей (44) и (45) в дихлорметане в присутствии уксусного ангидирида при комнатной температуре с постепенным прибавлением в течение всего времени реакции триэтиламина и последующим высаживанием этилацетатом. «Грязный липкий осадок» кипятят с обратным холодильником в метаноле в течение 30 минут.
В последние годы стириловые красители наряду с моно- и триметиновыми красителями нашли свое применение в качестве новых и эффективных флуоресцентных зондов в многочисленных медико-биологических исследованиях.
Флуоресцентный зонд 2-(п-диметиламиностирил)-бензоксазол (DMASBO) (47) может быть получен по схеме 24 конденсацией 2-метилбензоксазола (6) с трехкратным избытком п-диметиламинобензальдегида под действием основания в среде диметилформамида [45, 46].
Несимметричные триметиновые красители
Несимметричные моно- и триметиновые красители получают главным образом взаимодействием гетероциклических соединений, содержащих хорошо уходящие группы (сульфо-, метилтио-, хлор-, N-ацетанилидная) или активированную к нуклеофильному замещению метильную группу, с азотсодержащими гетероциклическими соединениями, имеющими, соответственно, метильную (путь 1) или хорошо уходящие (путь 2) группы [36, с. 105], как правило, в присутствии оснований; как те, так и другие гетероциклы применяются в виде четвертичных солей [79] (схема 29).
В данной работе синтез несимметричных моно- и триметиновых красителей осуществлялся по первому пути (путь 1 на схеме 29), а именно взаимодействием четвертичных солей бензазолов, содержащих хорошо уходящие группы, с четвертичными солями у-пиколина, в которых метильная группа активирована к нуклеофильному замещению.
Моно- и триметиновые красители, содержащие галогеналкильную группу, являются полупродуктами для синтеза интеркаляторов семейств ВОВО и РОРО (см. п. 2.3.4.1, путь I на схеме 50, п. 2.3.4.2, путь I на схеме 53). В данной работе в синтезе монометиновых интеркаляторов типа ВОВО в качестве полупродукта использовался краситель 1-(3-бромпропил)-4-[(3-метил-2,3-дигидро-1,3-бензотиазол-2 илиден)метил]пиридиний йодид (50). . 1-(3-Бромпропил)-4-[(3-метил-2,3-Дигидро-1,3-бензотиазол-2-илиден)метил]пиридиний йодид (50) 2.3.1.1.1. Синтез из 3-метил-1,3-бензотиазолий-2-сульфоната (39) Монометиновый краситель (50) пытались получить по схеме 30 сплавлением четвертичных солей (39) и (2) [37].
Однако эту реакцию осуществить не удалось, по данным ЯМР ]Н-спектроскопии выделенный из плава осадок представлял собой 3-метилбензотиазол-2(3#)-он (33). 3-Метил-1,3-бензотиазолий-2-сульфонат (39) очень чувствителен к влаге и легко гидролизуется остаточной водой реагентов и/или растворителя, который используется для извлечения продукта реакции из сплава, с образованием метилбензотиазолона (33) (схема 24, п. 2.2.1.4.3). В итоге либо распад исходной соли (39) под действием влаги происходит быстрее, чем образование красителя (50), либо реакция в плаве по какой-то причине не идет, и исходная соль (39) разлагается при обработке плава растворителем. В связи с этим мы сочли нецелесообразным использовать сульфонат (39) для синтеза несимметричных монометиновых красителей.
Синтез из 3-метил-2-(метилсульфанил)-бензтиазол-3-ий йодида (32) Монометиновый краситель (50) может быть получен другим способом, а именно, кипячением 3-метил-2-(метилсульфанил)-бензтиазол-3-ий йодида (32) и 1-(3-бромпропил)-4-метилпиридин-1-ий бромида (2) в спирте в присутствии триэтиламина по методу [38] (схема 31). Вґ
Реакцию (схема 31) проводили в метиловом спирте, изопропиловом спирте и дихлорметане. Четвертичные соли (32) и (2), а также триэтиламин, взятые в эквимолярных количествах, кипятили в растворителе при непрерывном перемешивании в течение 1-2,5 часов.
Получить краситель (50) в среде метилового спирта не удалось: как и при проведении реакции через бетаин (39), выделенный из реакционной смеси осадок по данным ЯМР Н-спектроскопии представлял собой 3-метилбензотиазол-2(3#)-он (33) - продукт гидролиза исходной четвертичной соли (32) (схема 19, п. 2.2.1.1).
Несмотря на то, что 3-метил-2-(метилсульфанил)-бензтиазол-3-ий йодид (32) достаточно устойчив к воде при невысоких температурах [77] (в отличие от сульфоната (39), который может гидролизоваться даже при хранении под действием влаги воздуха), при кипячении соль (32) также способна гидролизоваться под действием остаточной воды, содержащейся в растворителе. По-видимому, использованный в качестве растворителя товарный метанол был увлажнен.
Монометиновый краситель (50) удалось получить при проведении реакции в изопропиловом спирте и выдержке в течение 2,5 часов. Выход технического продукта 60%. 1) Мультиплетный сигнал метиленовых протонов С2Н2 при 2.40 м.д. имеет заниженное значение интегральной интенсивности (интеграла) - 1.7 вместо 2. В ЯМР Н спектре выделенного из реакционной смеси осадка, записанном в DMSO-d6 (рисунок 1), присутствуют сигналы целевого красителя (50). Однако этот спектр имеет ряд особенностей (таблица 1), ставящих под сомнение индивидуальность полученного соединения (50). 2) Триплетный сигнал метиленовых протонов С3Н2 при 3.51 м.д. имеет интеграл 1.4 вместо 2. Второй сигнал этих протонов при 3.22 м.д. прикрыт сигналом воды растворителя (см. ниже). 3) Триплетный сигнал протонов С Н2 при 4.35 м.д. имеет интеграл, равный 1.5 вместо 2, и накладывается на сигнал при 4.29 м.д. с интегралом, равным 0.5. Сумма интегралов этих сигналов равна 2. Метиленовые протоны бромпропильной группы красителя (50) отнесены в соответствии с ЯМР Н-спектром исходного 1-(3-бромпропил)-4-метилпиридин-1-ий бромида (2).
Наблюдаемый вид спектра не согласуется с предположением о син/анти-изомерии молекулы красителя (50). Скорее всего, мы имеем дело со смесью целевого красителя (50) и продуктов его трансформации. Один из продуктов трансформации (назовем его «основной» или «первой» примесью) должен иметь отличную от брома концевую группу, поскольку в наибольшей степени отличаются именно сигналы концевых метиленовых протонов при 3.51 и 3.22 м.д.; первый относится к группе СН2Вг в красителе (50), а второй - к продукту трансформации. Судя по спектру, в образце присутствует по крайней мере еще один продукт трансформации («вторая» примесь) с трансформированным бромпропильным «хвостом», поскольку интеграл метиленовый протонов при С (и, очевидно, С ) всегда меньше сигнала метиленовых протонов при С1, который, в свою очередь, всегда более-менее соответствует структурной формуле соединения (50). Возможно, это один из продуктов элиминирования из замещенной бромпропильной группировки, (А) или (В) (см. ниже на схеме 32). Такой интерпретации наблюдаемого спектра (рисунок 1) не противоречат следующие данные.
Технический краситель (50) с примесью четвертичной триэтиламмониевой соли, полученный в аналогичном опыте, мы попытались очистить переосаждением из метанольного раствора насыщенным водным раствором йодида калия. К горячему метанольному раствору красителя добавили 3-кратный избыток горячего водного раствора йодида калия, выпавший при остывании осадок отфильтровали, промыли водой и высушили в вакуум-эксикаторе. В ЯМР Н спектре полученного продукта в ДМСО-dg (рисунок 2) отсутствуют сигналы четвертичной соли триэтиламина, причем этот спектр соответствует более-менее индивидуальному соединению (51), содержащемуся в качестве основной (первой) примеси в образце красителя (50) (рисунок 1). Как и в спектре на рисунке 1, в спектре на рисунке 2 интеграл сигнала протонов метиленовой группы С2Н2 в районе 2.38 занижен (равен 1.7 вместо 2), в то время как сигнал протонов С Н2 приблизительно равен 2. Это свидетельствует о том, что соединение (51) также загрязнено примесью, названной нами «второй». Возможно, этой примеси соответствует наблюдаемый в спектрах обоих соединений, (50) и (51), минорный сигнал метильной группы при 3.80 м.д. (рисунки 1 и 2).
Производные бензазолов - продукты для синтеза полиметиновых красителей
Действительно, добиться успеха позволило использование в качестве растворителя ДМСО и избытка ТЭА. Предложенным нами способом интеркаляторы (69) и (70) были получены в этом растворителе с достаточно высокими выходами, порядка 60%, и удовлетворительной степенью чистоты. Таким образом, было выявлено значительное влияние растворителя на скорость реакции.
Разработанный нами альтернативный способ получения интеркаляторов имеет ряд преимуществ перед традиционным, а именно: 1. Меньшие затраты времени на синтез, начиная с полупродуктов и заканчивая целевыми интеркаляторами. 2. Образование красителя происходит на заключительной стадии, а полупродукты, используемые в данном способе синтеза, получаются довольно легко, с хорошими выходами, и легко могут быть очищены. Это увеличивает суммарный выход процесса в целом. Нет необходимости, как при получении по традиционному способу, получать сначала несимметричные красители-полупродукты, очистка которых всегда представляет определенную сложность. 3. Конденсация, в ходе которой образуется монометиновая структура, идет только в щелочной среде, определенную щелочность необходимо постоянно поддерживать по ходу конденсации. По литературному способу на первой стадии процесса триэтиламин добавляют только в эквимолярном количестве, поскольку и в исходном соединении (2), и в промежуточном красителе (50) есть бромалкильная группа, способная вступать в реакцию с триэтиламином и с алкоголят-анионом, образующимся под влиянием триэтиламина при проведении процесса в спиртовой среде. Избыток триэтиламина, добавленный с целью поддержания необходимой щелочности, связывает и/или трансформирует часть исходного реагента (2) и промежуточного красителя (50), что понижает выход последнего; при эквимолярном соотношении исходного реагента и триэтиламина конденсация не идет до конца, поскольку триэтиламин расходуется и в основной реакции, и частично в указанных побочных реакциях, поэтому в этом случае для поддержания необходимой щелочности среды в конце реакции желательно добавлять дополнительное количество основного агента. При синтезе по разработанному нами способу на второй стадии процесса можно сразу, в один прием, добавить необходимый для поддержания щелочности избыток триэтиламина.
Получение красителей (68-71) в условиях микроволновой активации Известно, что в большинстве случаев использование микроволнового нагрева приводит к значительному (до тысячи раз) увеличению скорости реакции по сравнению с традиционными способами нагрева, что позволяет уменьшить время процесса от нескольких часов или дней до нескольких минут. Так как при этом чистота продуктов обычно также выше, то за меньшее время достигаются большие выходы. Микроволновая техника проведения синтеза позволяет также уменьшить количество растворителя, а во многих случаях и вовсе отказаться от его использования. Поэтому мы решили оптимизировать оба способа получения интеркаляторов, проводя реакции в микроволновом реакторе.
Синтез интеркалятора (68) через монометиновый краситель с галогеналкильной группой («путь I» на схеме 50) проводили в микроволновом реакторе в среде ДМФА при 70 С (30 Вт) в течение 7 часов. Выход продукта составил порядка 51%. По сравнению с неактивированным микроволновым излучением процессом микроволновая активация позволяет значительно увеличить выход продукта (в 5 раз) и ускорить процесс. При конвекционном нагреве соединение (68) было получено за 11,5 часов с выходом менее 10%. Качество полученного с помощью МВА соединения оказалось также намного выше.
В свою очередь соединение (70) было получено в микроволновом реакторе аналогичным способом в ДМФА при 80 С (35 Вт) в течение 2 часов с выходом 80%. Полученный результат показывает, что увеличение температуры реакции на 10 С при проведении реакции в микроволновом реакторе существенно увеличивает скорость реакции и выход целевого продукта.
С помощью микроволновой активации также был оптимизирован альтернативный метод синтеза («путь II» на схеме 50). Конденсацию проводили в ряде растворителей: изопропиловый спирт, этиловый спирт, ДМФА и ДМСО. Синтез соединения (70) в микроволновом реакторе проводили в среде изопропилового спирта при 80 С (50 Вт) при разном времени выдержки - 40 минут и 5 ч. После 5-часовой выдержки образуется продукт неудовлетворительного качества, требующий дополнительной очистки, при этом выход продукта составил 40%. При 40-минутной выдержке продукт образуется в очень незначительном количестве. Таким образом, в отличие от конвекционного нагрева, микроволновая активация все же позволяет получить целевой продукт в среде изопропанола, но для достижения приемлемых выходов требуется длительное время реакции. Однако увеличение времени процесса нецелесообразно с точки зрения энергетических затрат, тем более что при проведении реакции в среде ДМСО (см. ниже) можно достигнуть гораздо больших выходов за более короткое время.
Аналогичным образом интеркалятор (68) был получен в условиях микроволнового излучения в среде этилового спирта при нагревании при 60 С (30 Вт) в течение 1,5 часов. Выход продукта был незначительным - 18%, однако он оказался кондиционным и не требовал дополнительной очистки. Напомним, что без микроволновой активации в этиловом спирте (условия реакции: 4 часа при 40 С) интеркалятор (68) получить не удалось, возможно, из-за низкой температуры процесса (см. п. 2.3.4.1.1.2). Следует ожидать, что при увеличении температуры (следовательно, и мощности реактора) и/или времени реакции выход также увеличится.
Таким образом, микроволновая активация позволила за счет увеличения скорости процесса и улучшения качества продукта получить интеркаляторы альтернативным способом в спиртовых средах в ощутимых количествах.
Как и в случае конвекционного нагрева, микроволновое излучение также должно интенсифицировать процесс и в диполярных апротонных растворителях -ДМФА и ДМСО.
По рассматриваемому способу ДМФА в качестве растворителя использовали только в синтезе интеркалятора (70), однако он не подошел, поскольку выпадающий из реакционной массы в ходе реакции продукт тут же «осмолялся». Реакцию проводили при 80 С (45 Вт) в течение 1 часа (выход 39%). Возможно, нужно было проводить реакцию при более низкой температуре (мощность МВ-реактора выставляется автоматически в зависимости от температуры).
Как и в случае конвекционного нагрева, наилучшим растворителем для получения соединений (68-71) альтернативным способом в случае микроволновой активации оказался ДМСО. Все 4 интеркалятора (68-71) были синтезированы по отработанной методике в условиях микроволнового нагрева в ДМСО при 80 С (40 Вт) в течение 1 часа. Выход для интеркаляторов (69-71) составил 80%, в то время как соединение (68) было получено в виде технического продукта с гораздо более низким выходом - 60%. Лучшего качества продукт (68) получается при использовании в качестве растворителя этилового спирта (но с небольшим выходом 18%). Это объясняется тем, что при использовании этанола продукт (68) выпадает в ходе реакции из реакционной массы, в то время как при проведении реакции в ДМСО его приходится высаживать ацетоном или этиловым спиртом.
Преимуществом ДМСО перед спиртами является то, что при его использовании реакционная смесь гомофазна: будучи диполярным апротонным растворителем с высокой диэлектрической проницаемостью, ДМСО растворяет исходные четвертичные соли, в том числе и тетракатионные соли (10-13), используемые для синтеза интеркаляторов (68-71) альтернативным способом. Тогда как в изопропиловом спирте соли (10-13) плохо растворимы, в связи с чем реакция получения интеркаляторов (68-71) в этом растворителе является гетерофазной. При проведении реакции в этиловом спирте, в котором соли (10-13) растворимы за счет содержащейся в нем воды, возникают трудности со вторым реагентом рассматриваемой реакции - четвертичной солью бензотиазола (32), которая в водных средах при нагревании гидролизуется с образованием метилбензотиазолона (33) (схема 19, п. 2.2.1.1).
Для интеркаляторов (69-71) были получены масс-спектры высокого разрешения (см. глава 3, «Экспериментальная часть», масс-спектрометрия а). В спектрах всех трех соединений пики четырехзарядных молекулярных ионов не наблюдаются (либо они очень малой интенсивности). В спектрах соединений (70) и (71), содержащих алифатический бисчетвертичный диаминовый фрагмент, максимальным пиком является пик осколочного фрагмента - однозарядного третичного амина А, который наряду с другими осколками, по всей вероятности, образуется по схеме 52.
В масс-спектре соединения (69) максимальным пиком является пик осколочного катион-радикала В, который присутствует в спектрах всех трех соединений, что неудивительно при наличии у них общего терминального структурного фрагмента. Помимо этого общего пика в спектрах соединений (69-71) детектируется еще один общий пик меньшей интенсивности - С (схема 53, таблица 3). rL + ш г н
Схема 53 Для соединения (70) масс-спектр был также записан на другом приборе и при других условиях (см. глава 3, «Экспериментальная часть», масс-спектрометрия б). В этом спектре максимальным пиком также является пик однозарядного третичного амина А, однако, наряду с ним присутствуют пики, принадлещащие одно- и двузарядным комлексам молекулярного иона с бромид- и йодид-анионами [М +Вг"Вг ]2+ и [М4+Вг"Вг"Г]+(см. табл. 3). Оба комплекса включают в себя два (либо одинаковых, либо разных) изотопа брома 79Вг и Вг, вследствие чего в спектре мы наблюдаем три интенсивных пика вместо двух (как для ионов с одним атомом брома).
Монометиновые красители - предшественники интеркаляторов типа ВОВО и их аналоги
В 15 мл изопропанола растворяли при комнатной температуре 1.2 г (0.004 моль) 1-(3-бромпропил)-4-метилпиридин-1-ий бромида (2), к раствору добавляли 1.3 г (0.004 моль) 3-метил-2-(метилсульфанил)-бензтиазол-3-ий йодида (32) и при непрерывном перемешивании нагревали до 50 С (растворения соли (32) не наблюдалось). К суспензии по каплям в течение 10 минут добавляли раствор перегнанного триэтиламина в изопропаноле (0.6 мл (0.43 г, 0.004 моль) триэтиламина в 3.0 мл изопропанола) и доводили до кипения. При добавлении триэтиламина реакционная масса приобретала ярко-желтый цвет, а соль (32) растворялась. Реакционную массу выдерживали при кипячении в течение 2.5 часов. При остывании из раствора выпадал осадок оранжевого цвета, который отфильтровывали горячим, промывали от четвертичной соли триэтиламина на фильтре теплым изопропанолом и высушивали в вакуум-эксикаторе. Выход технического продукта 1.2 г (60%).
Технический краситель (50) с примесью четвертичной соли триэтиламина, полученный в аналогичном опыте (но не промытый горячим спиртом на фильтре), пытались очистить переосаждением из метанольного раствора насыщенным водным раствором йодида калия. К горячему метанольному раствору красителя добавляли 3-кратный избыток горячего водного раствора йодида калия, выпавший при остывании осадок отфильтровывали, промывали водой и высушивали в вакуум-эксикаторе. Записан ЯМР ]Н спектр в DMSO-СІЙ, в котором сигналов четвертичной соли триэтиламина нет. Это спектр индивидуального соединения (51). Спектр ЯМР Н (ДМСО- 16, 5, м.д., У/Гц): 7.22-8.39 (м, 8Н, Аг), 6.25 (с, Ш, СН), 4.29 (т, 2Н, СН2СН2СН2Вг, J = 6.9), 3.74 (с, ЗН, Me), 3.22 (т, 2Н, СН2СН2СНзВг, J= 6.9), 2.38 (м, 2Н, СН2СН2СН2Вг). 2.3) В дихлорметане.
В 10 мл дихлорметана растворяли при комнатной температуре 2.95 г (0.01 моль) 1-(3-бромпропил)-4-метилпиридин-1-ий бромида (2), к раствору добавляли 3.23 г (0.01 моль) 3-метил-2-(метилсульфанил)-бензтиазол-3-ий йодида (32) и при непрерывном перемешивании нагревали до 30 С (растворения соли (32) не наблюдалось). К суспензии по каплям в течение 30 минут добавляли 1.4 мл (1.0 г, 0.01 моль) триэтиламина и доводили до кипения. При добавлении триэтиламина реакционная масса приобретала ярко-желтый цвет, полного растворения не наблюдалось. Реакционную массу выдерживали при кипячении в течение 2.5 часов. Осадок оранжевого цвета отфильтровывали горячим, промывали от четвертичной соли триэтиламина на фильтре теплым дихлорметаном и высушивали в вакуум-эксикаторе. Выход 2.99 г (61%). Т. пл. 171-174 С. УФ спектр (этанол): чпах= 450 нм, lg(s) = 4.95.
При комнатной температуре в 20 мл дихлорметана растворяли 1.91 г (0.0062 моль) 1-(4-бромбутил)-4-метилпиридин-1-ий бромида (3), к раствору добавляли 2.00 г (0.0062 моль) 3-метил-2-(метилсульфанил)-бензтиазол-3-ий йодида (32). К суспензии при небольшом нагревании и постоянном перемешивании приливали 0.9 мл (0.63 г, 0.0062 моль) триэтиламина в течение 20 минут и доводили до кипения. При добавлении первых капель триэтиламина реакционная масса приобретала ярко-желтый цвет, после добавления всего триэтиламина наблюдалось полное растворение. Кипятили в течение 3 часов. На следующий день осадок не выпадал, выпаривали растворитель, отфильтровывали выпавший в малом количестве осадок. Не взвешивали.
Записан ЯМР Н спектр в ДМСО-с16. В спектре присутствуют сигналы целевого красителя (52), исходных солей (3) и (32), а также четвертичной соли триэтиламина, сигналы которой по сравнению с прочими имеют максимальную интенсивность. 2) В изопропаноле.
При комнатной температуре в 20 мл изопропанола растворяли 1.91 г (0.0062 моль) 1-(4-бромбутил)-4-метилпиридин-1-ий бромида (3), к раствору добавляли 2.00 г (0.0062 моль) 3-метил-2-(метилсульфанил)-бензтиазол-3-ий йодида (32). К суспензии при небольшом нагревании и постоянном перемешивании приливали 0.9 мл (0.63 г, 0.0062 моль) триэтиламина в течение 10 минут и доводили до кипения. При добавлении первых капель триэтиламина реакционная масса приобретала ярко-желтый цвет. По ходу реакции полного растворения не наблюдалось. Кипятили в течение 3 часов, отфильтровывали горячим, промывали на фильтре горячим изопропанолом, сушили в вакуум-эксикаторе. Выход 1.8 г.
Записан ЯМР !Н спектр в ДМСО-сІб- По спектральным данным в осадке присутствуют: целевой краситель (52) и исходная четвертичная соль (32) -практически в равных количествах, исходная соль (3) и четвертичная соль триэтиламина - в незначительных количествах. Технический краситель (52), полученный в среде изопропанола, лучшего качества, чем полученный в дихлорметане.
Сигналы целевого продукта (52) (ДМСО-(16, 8, м.д., J/Гц): 7.23-8.42 (м, 8Н, Аг), 6.25 (с, Ш, СН), 4.27 (т, 2Н, СН2СН2 CH2CH2Br, J = 6.9), 3.74 (с, ЗН, Me), 3.54 (т, 2Н, СН2 СН2СН2СН2Вг, /= 6.9), 1.83 и 1.94 (м, 4Н, СН2СШСН2СН2Вг). V І" СН, 3-Метил-2-((1-метилпиридин-4(1//)-илиден)метил)бензотиазол-3-ий йодид (53). 1) Попытка синтеза из 3-метил-1,3-бензотиазолий-2-сульфоната (39). Тигель с термометром закрепляли в кольце и устанавливали на асбестовой сетке. 3-Метил-1,3-бензотиазолий-2-сульфонат (39) 0.4 г (0.0017 моль) и 0.4 г (0.0017 моль) 1,4-диметилпиридиний йодид (1) мелко измельчали в ступке, помещали в тигель и нагревали на газовой горелке при перемешивании вручную стеклянной палочкой в течение 10 минут. Расплав приобретал оранжевый цвет, наблюдалось выделение газа. В охлажденный до 70-80 С расплав добавляли 2.0 мл метанола, отфильтровывали осадок и высушивали в вакуум-эксикаторе. Записан ЯМР Н спектр в ДМСО-ёб- Судя по спектру, монометиновый краситель (53) не образовался. В спектре сигналы 3-метилбензотиазол-2(Зі/)-она (33) и исходной четвертичной соли пиридина (1).
