Содержание к диссертации
Введение
CLASS 1. Литературный обзор CLASS 6
1.1. Синтез л#зо-фенилпорфиринов 6
1.1.1. Мезо-тетразамещенные порфирины 6
1.1.2. Моно-.мезо-фенил и ди-мезофенилпорфирины 8
1.2. Реакции электрофильного замещения безметальных порфиринов 11
1.2.1. Дейтерирование 11
1.2.2. Галогенирование 13
1.2.2.1. Незамещенный порфин 14
1.2.2.2. /?-Октаалкилзамещенные порфирины 15
1.2.2.3. Ди- и три-тиезо-замещенные /?-незамещенные порфирины 19
1.2.2.4. тиезо-Тетраарилпорфирины 22
1.2.3. Нитрование порфиринов 30
1.2.3.1. Нитрование порфина 30
1.2.3.2. Нитрование /?-октаалкилзамещенных порфиринов 30
1.2.3.3. Нитрование л/езо-тетразамещенных порфиринов 31
1.2.4. Сульфирование 36
1.2.4.1. .мезоТетрафенилзамещенные порфирины 37
1.2.4.2. Порфирины со свободными мезо- и ^-положениями 39
1.2.5. Формилирование и ацилирование 41
2. Обсуждение результатов 42
2.1 .Синтез исходных соединений 43
2.2. Нитрование порфиринов 53
2.3.Квантово-химические расчеты распределения зарядов на протонированных нитропорфиринах 72
2.4. Исследование кинетики реакции комплексообразования нитропорфиринов 75
3. Экспериментально-методическая часть 81
Итоги работы и выводы 102
- Реакции электрофильного замещения безметальных порфиринов
- Нитрование порфина
- Нитрование порфиринов
- Исследование кинетики реакции комплексообразования нитропорфиринов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследования в области химии порфиринов в последнее время не только не утратили актуальности, но и приобрели более высокую ценность, связанную с глобальным расширением путей прикладного применения порфиринов и их металлокомплексов. Широко развивается направление химии синтетических порфиринов с "необычными" физико-химическими свойствами, придаваемыми им за счет особенностей молекулярного дизайна. Среди синтетических порфиринов одним из наиболее доступных остается тетрафенилпорфин (Н2ТРР) и его функциональные замещенные, металлокомплексы которых применяются как основные компоненты перспективных материалов, используемых в катализе, био- и химическом мониторинге, экстракции, качественном и количественном анализе, нелинейной оптике, в различных областях молекулярного дизайна и медицины. Успешное решение вопросов фундаментальных исследований и практического применения напрямую зависит от оптимизации современных методов синтеза порфиринов и возможности их модификации с целью придания необходимых физико-химических свойств.
Реакция нитрования является одним из путей модификации порфиринов, причем интерес к этой реакции вызван тем, что нитрогруппа может быть впоследствии легко превращена в аминогруппу, с возможностью дальнейшего перехода к ацильной и другим группам. Кроме того, нитропроизводные порфиринов обладают достаточной полярностью, которая способствует разделению продуктов реакции методом колоночной хроматографии.
Анализ литературы показал, что реакцию нитрования порфиринов обычно проводят на их металлокомплексах, применяя различные реагенты. В этом случае возможно протекание реакции по различным механизмам. Поэтому представляло интерес изучить реакцию электрофильного нитрования безметальных жезо-фенилпорфиринов и сравнить относительную реакционную способность мезо- и /^-положений порфиринового цикла, а также замещающих фенильных колец. Кроме того, требует проверки имеющаяся в литературе гипотеза о том, что протонирование внутрициклических атомов азота вызывает изменение порядка введения нитрогрупп в порфириновый цикл. Сказанное выше, определило цель работы.
Цель работы заключалась в изучении относительной реакционной способности мезо- и /^-положений порфиринового цикла, а также фенильных колец в нем в реакции электрофильного нитрования.
Для достижения поставленной цели предполагается решить следующие частные задачи:
1. Синтезировать 5,5'-незамещенный 4,4'-диметил-3,3'-диэтилдипирролилметан-2,2',
который является исходным соединением в синтезах порфиринов - объектов
исследования.
Синтезировать, выделить и идентифицировать объекты исследования - порфирины, которые имеют в своем составе свободные /?- и жезо-положения при наличии фенильных колец в других жезо-положениях: 5,15-дифенил-3,7,13,17-тетраметил-2,8,12,18-тетраэтилпорфин; 5-фенил-2,3,7,8,12,18-гексаметил-13,17-диэтилпорфин; 5,15-бис(4'-динитрофенил)-3,7,13,17-тетраметил-2,8,12,18-тетраэтилпорфин; 5-(4'нитрофенил)-2,3,7,8,12,18-гексаметил-13,17-диэтилпорфин, а также 5,10,15,20-тетраэтилпорфин, который имеет только свободные /^-положения.
Выявить пути протекания реакции электрофильного нитрования в зависимости от строения порфиринов - объектов исследования.
4. Кинетическим методом со спектрофотометрическим контролем изучить
координирующую способность нитропроизводных жезо-фенилзамещенных порфиринов в
реакции комплексообразования с ионом меди(П) в органических растворителях различной природы.
5. Квантово-химическими методами провести моделирование введения нитрогрупп в свободные положения 5-фенилоктаалкилзамещенного порфирина.
Научная новизна. Предложен эффективный способ синтеза 5-арилпорфиринов из дипирро лилметанов.
Разработан удобный способ нитрования жезо-фенилзамещенных порфиринов.
Впервые на примере реакции электрофильного нитрования проведен сравнительный анализ относительной реакционной способности мезо-, /?- положений, а также фенильных колец порфириновой молекулы.
Установлены основные закономерности влияния функционального замещения нитропроизводных жезо-фенилпорфиринов на кинетику комплексообразования с ионом меди в органических растворителях различной природы.
С привлечением квантово-химических расчетов проведено моделирование реакции введения нитрогрупп в свободные положения 5-фенилоктаалкилзамещенного порфирина.
Научная и практическая значимость. Работа вносит существенный вклад в развитие представлений о реакциях электрофильного замещения на порфиринах.
Разработанные методы синтеза 5-фенилпорфиринов позволяют получать эти соединения с высокими выходами и в достаточно больших количествах.
Разработанные методы нитрования жезо-фенилпорфиринов позволяют синтезировать недоступные ранее нитрозамещенные порфирины имеющие нитрогруппы как в мезо-положениях, так и в фенильных кольцах.
Личный вклад автора. Экспериментальные исследования и подбор условий проведения эксперимента проведены лично автором. Планирование эксперимента, обработка и обсуждение результатов выполнены под руководством д.х.н., профессора Семейкина А. С.
Апробация работы: Результаты исследования были представлены и обсуждены на XXIII Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Одесса, 2007); VII Школе-конференции молодых ученых стран СНГ по химии порфиринов и родственных соединений (Одесса, 2007); XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 2007); X молодежной конференции по органической химии (Уфа, 2007); Fifth Conference of Porphyrins and Phthalocyanines (Москва, 2008); Международной конференции «Новые направления в химии гетероциклических соединений» (Кисловодск, 2009); XXIV Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Санкт-Петербург, 2009); XII молодежной конференции по органической химии (Суздаль, 2009).
Отдельные части диссертационной работы были выполнены при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 год». (Гос. контракты № 02.740.11.0106 и № П1105), а также аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (проект № 2.1.176367).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 2 статьи и 8 тезисов докладов на конференциях различного уровня.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, экспериментально-методической части, обсуждения результатов, выводов и списка цитируемой литературы. Работа содержит 120 страниц, 12 таблиц, 20 рисунков, список цитируемой литературы, включающий 149 наименований отечественных и зарубежных источников.
Реакции электрофильного замещения безметальных порфиринов
Изучение дейтерообмена в кислых средах может служить удобным приемом при изучении реакционной способности порфиринов и их аналогов в реакциях электрофильного замещения. Скорость дейтерообмена у порфиринов зависит от дейтерирующего агента. Так, при кипячении свободных оснований порфиринов в CF3COOD, дейтерообмена .мезо-протонов практически не происходит /48/, в D2S04-H20 (9:1) при комнатной температуре мезо-протояы у октаэтилпорфина обмениваются за 18 часов /49,50/. Однако в более слабой CH3COOD порфирины дейтерируются лишь благодаря не полному протонированию порфирина по атомам азота, и существовании его в виде смеси свободного основания с мо-но- и дикатионами /51/. Гидрирование одного или двух пиррольных колец в молекуле порфи-на в свою очередь приводит к резкому увеличению скорости дейтерообмена в соседние с гидрированным пиррольным кольцом Л4езоположения, что объясняется их повышенной реакционной способностью по сравнению с другими л/езо-положениями. При сравнении дейтерообмена в ряду октаэтилпорфин (Н2ОЭП) 22, октаэтилхлорин (Н2ОЭХ) 23 и октаэтилизобактериохлорин 24 в CF3COOD скорости обмена распределяются следующим образом: 15(24) /0(24), 20(24) /5(23), 20(23)»5(23), 10(23)»мезо(22) N-алкилирование порфиринов приводит к эффектам, аналогичным в гидрированных порфиринах. Дейтерообмену в основном подвергаются мезо-протоны, соединенные с N-алкилированным пирролом- 5 и 10 мезо-протоны у 25. Скорость дейтерообмена зависит также и от характера заместителей в порфириновом кольце. Так, дейтерообмену у диметилового эфира дейтеро-порфирина IX (Н2ДП IX 26, R = Н, РМе=СН2СН2СООМе) в кипящей CH3COOD, в наибольшей степени подвержены тиезо-протоны, по сравнению с -положениями 2 и 4 /52/. Дейтерообмен в присутствии TsOD (Ts = «-CH3C6H4SO2) при кипячении Н2ДП IX в о-дихлорбензоле за 4 дня проходит на 50% в положение 2 и 4 и на 75% в л азо-положения, причем протоны в 10 и 15 ./иезо-положениях обмениваются быстрее, чем протоны в 5 и 20 лгезо-положениях. В аналогичных условиях у диметилового эфира мезопорфирина IX (Н2МП IX 26, R = Et) все .мезо-протоны дейтерируются примерно одинаково, а у 2,4-диацетил-ДП IX (26, R = Ас) дейтерообмен проходит значительно медленнее и приемущест-венно в 10 и 15 лгезо-положения /53/.
Следовательно, порфирины с электро-ноакцепторными заместителями должны проявлять пониженную способность к реакциям электрофильного замещения по сравнению с полностью ал-килированными порфиринами. Введение электронодонорного заместителя в л ?30-положение порфи-ринового цикла усиливает дейтерообмен других л езо-протонов. Так, у Н2(5-NH2)3n I 27 дейтерообмен в 15 л/езо-положение завершается полностью за 20 минут, а при нагревании до 100С за 1 час обмениваются и все остальные жезопротоны /54/. В некоторых случаях, помимо мезо-протонов, возможно детерирова-ние также и по -заместителям. Так, например, у протопорфирина IX (Н2ПП IX) (26, R = СН=СН2) в зависимости от условий могут подвергаться дейтеро-обмену и протоны винильных групп /52,53/. При кипячении Н2ПП IX в CH3COOD за 2 часа обмен л езо-протонов составляет 95%, а винильных-всего 5% /52/. Кипячение в одихлорбензоле в течение 4 дней в присутствии TsOD приводит к дейтерообмену л/езопротонов на 80%, причем степень обмена соответствует следующему ряду: 15 20 10 5, а СН2 винильных протонов на 90%, СН же протонов на 45% /53/. Дейтерообмен в порфиринах является одной из реакций электро-фильного замещения, и может быть использован как удобный метод прогнозирования реакционной способности изучаемых соединений. Дейтерообмен в порфиринах может протекать как по пиррольным атомам азота, мезо-положениям, у -незамещенным положениям, так и по различным заместителям в порфириновом цикле. Галогенпроизводные порфиринов в настоящее время находят широкое применение как предшественники в реакциях кросс-сочетания, катализируемых комплексами некоторых переходных металлов, таких, например, как реакции Хека, Судзуки и Соногашира. Реакция электрофильного замещения в порфириновом цикле является очень удобной для синтеза галогенопорфиринов. Далее нами будут приведены известные по настоящее время примеры прямого электрофильного гало-генирования свободных оснований порфиринов в зависимости от их замещающих периферических групп. В настоящее время известны примеры только бромирования порфина 28. Наиболее реакционноспособными при бромировании в молекуле порфина 28 являются .мезо-положения, хотя и существуют данные о синтезе /?-монобромированного порфина при кипячении его в хлороформе с бромом или N-бромсукцинимидом (NBS) в ССІ4 /55/, которые, однако, не удалось воспроизвести авторам работы /56/. При более подробном изучении бромирования безметального порфина 28 становится очевидной зависимость выходов бромированных производных и количества замещенных положений от условий проведения реакции. Бромирование порфина с помощью брома или пербромида пиридинийбро-мида приводит к образованию смеси, содержащей 50% 5-бромпорфина 29 и 15% 5,15-дибромпорфина 30, а использование в качестве бромирующего агента NBS позволяет увеличить выход монобромзамещенного порфина 29 до 71%.
При этом 5,10,15-трибромпорфин 31 может быть получен с выходом 90% бромированием 28 NBS в уксусной кислоте /56/. Образование 5,10-дибромпорфина в этой работе не наблюдалось. Авторы объясняют это тем, что образование 5,15-л«езо-дибромпорфина является следствием «направляющего эффекта» бромирования 5-бромпорфина, однако, на наш взгляд, такое объяснение безосновательно, и даже исходя из чисто статистического распределения, соотношение образующихся жезо-дибромпорфинов должно составлять цис- : транс- = 2:1 В результате обработки безметального октаэтилпорфина 37 смесью соляной кислоты и пероксида водорода в горячем водном тетрагидрофуране удалось выделить моно- 38 и дихлорпроизводное 39 с выходами 24% и 20% соответственно, а образование тетрахлорпроизводного 40 в уксусной кислоте происходит с выходом 43%. Авторы подчеркивают, что в отличие от нитрования, при котором образуется смесь лгезодинитропроизводных (цис- и транс-), в случае хлорирования, согласно данным тонкослойной хроматографии, образуется лишь гаракодихлорпроизводное 39. Хлорирующее действие хлорсульфоновой кислоты несколько слабее, чем смеси соляной кислоты и перекиси водорода, и обработка ею 37 приводит к образованию 38 с выходом 20% /55/. При этом, по мнению авторов, действие хлорсульфоновой кислоты не сводится к ее диспропорционирова-нию с образованием серной кислоты и сульфурил хлорида. Кроме того, интересный факт был обнаружен Джонсоном /61/. Так, при обработке свободного основания 32 комплексом Вильсмайера (РОСЬ/ДМФА), был получен моно-хлорпорфирин 34, а не ожидаемое формилпроизводное. Таким образом, использование двух последних реагентов оставляет открытым вопрос о природе хлорирующих агентов. Бромирование порфирина 37 бромом или бромсукцинимидом, по данным авторов работы /62/ приводит к образованию сложной смеси из которых были выделены продукты радикального бромирования периферийных этиль-ных заместителей 41, удаления этильных групп и последующего электро-фильного бромирования / -положения соседнего со свободным мезо- положением 42, что связано, по видимому, со стерическими препятствиями прямой электрофильной атаки мезо-положений 37 катионом брома /67/.
Нитрование порфина
Нитрование порфиринов является наиболее интересной реакцией элек-трофильного замещения в органической химии. Введение нитрогруппы в порфирины, и широкие возможности ее дальнейшей модификации, позволяют получать соединения с заранее заданными физико-химическими свойствами. Например, нитрогруппа может быть легко восстановлена до аминогруппы, которая далее может быть превращена в ацильные производные, продиазотирована, с дальнейшим превращением диазогруппы и т.д. Нитрогруппа может быть введена в макроцикл как на стадии сборки молекулы порфирина, так и с помощью реакций замещения. Причем использование реакций замещения является, на наш взгляд, наиболее удобным методом, особенно при ее введении непосредственно в порфириновый цикл. Результаты нитрования порфина описаны в работе /101/. Так обработкой смесью концентрированной азотной и серной кислот, был выделен 5-нитропорфин, дальнейшее нитрование, которого в тех же условиях, приводит к образованию 5,10-динитропорфина. Нитрование 5-бромпорфина той же нитрующей смесью, описанное в работе /57/, приводит к образованию смеси 10-нитро-5-бромпорфина и 15-нитро-5-бромпорфина в соотношении 1:2,5 с суммарным выходом 73%. Данные по нитрованию /?-октаалкилпорфиринов впервые были приведены в работах Фишера /58,59,102,103-105/. Взаимодействие мезо-незамещенных /?-алкилпорфиринов с концентрированной азотной кислотой в уксусной кислоте приводит к образованию ліезо-замещенньїх нитропорфири-нов, даже при использовании таковых со свободными / -положениями. Позднее работы Фишера были продолжены /106/, и выводы о прохождении реакции исключительно по л 2зо-положениям, были подтверждены. Джонсон, при нитровании Н2ЭП I 98, получил аналогичные результа- ты, в данном случае также образовывалась смесь нитропорфиринов 99-102 /54/. При нитровании порфиринов, обладающих свободными /?-положениями нитрующей смесью, образуются замещенные по мезо-положениям нитропроизводные, причем наиболее стерически доступные.
Так нитрование НгДП IX 103 нитрующей смесью с эквимолярным количеством азотной кислоты, приводит к образованию л езо-мононитропроизводного 104, а при увеличении количества азотной кислоты к динитропроизводному 105 /64/. Впервые результаты нитрования тетрафенилпорфина были представлены в работе /107/, где он подвергался взаимодействию с концентрированной азотной кислотой в среде хлороформа. Таким образом, варьируя соотношение количеств азотной кислоты и порфирина, авторам удалось выделить мо-нонитро-, цис-щтятро- и тринитропроизводные порфиринов, замещенные по «ара-положениям фенильных колец. Попытки получить 5,10,15,20-(4 -нитрофенил)порфин не привели к положительному результату. Замена хлороформа на уксусную кислоту также не позволила выделить желаемое соединение. В ходе исследования также были выявлены особенности влияния электронодонорных заместителей, изначально находящихся в мета-положениях фенильных колец Н2ТФП. Так, нитрование 5,10,15,20-(3-метил)фенилпорфина приводило к замещению в пара-положение фенильного кольца с образованием мононитро- и динитропроизводных соединений, в то время как нитрование метоксифенилзамещенного порфирина, позволило выделить лишь мононитропродукты, замещенные в пара- или о/?то-положения фенильных колец. В работе также замечено, что образование транс- динитропроизводно-го порфирина было обнаружено только с помощью данных НЯМР спектра, однако выделить количественно это соединение им не удалось. Авторы работы /108/ в своем исследовании пытались получить нитро-производные тетраарилпорфиринов с электронодонорными группами в фенильных кольцах, замещенных по двум соседним фенильным фрагментам. Нитрование проводилось дымящей желтой азотной кислотой в хлороформе, при изменении таких параметров, как температура и время реакции. Небольшие примеси мононитросоединений сводились к минимуму увеличением количества нитрующего агента. Влияние электронодонорных заместиелей в мета- или орто- положениях четырех фенильных колец также было рассмотрено в этой работе. При нахождении заместителя в ліета-положении фенильного кольца, нитрогруппа замещалась в пара-положение, при наличии же заместителя в орто-положении, замещение нитрогруппы происходило в противоположное .мета-положение по отношению к макрогетероциклу. Таким образом, во всех случаях положение нитрогруппы определялось влиянием заместителя в фенильном кольце. Причем замещение шло в наиболее стерически доступное положение. Результаты нитрования аналогичного соединения представлены в работе /109/. Там показано, что введение нитрогруппы в фенильное кольцо тет-рафенилпорфина или его производных, является процессом селективным и может регулироваться как временем самого нитрования, так и использованием различного количества нитрующего агента, а также является зависимым от температуры проведения реакции.
Однако, про образование 5,15-бис(3-метокси-4-нитрофенил)-10,20-бис(3-метоксифенил)порфирина и аналогичных продуктов с другими элек-тронодонорными заместителями в работе не упоминается. Подобное исследование, посвященное нитрованию тетрафенилпорфи-на, рассматривается в /110/. Нитрующей системой там служит смесь нитрита натрия в трифторуксусной кислоте. В зависимости от количества нитрита натрия и времени процесса, как сообщают авторы, можно последовательно ввести от одной до трех нитрогрупп в идра-положение фенильных колец. Причем в случае динитрозамещенного продукта образуется смесь 1 : 2 цис- и транс-изометров, которые с легкостью поддаются разделению колоночной хроматографией. Авторы полагают, что в данном случае нитрующей частицей является нитроний катион (N02+) и N2O3. Джакунод и его коллеги полагают, что механизмом реакции является именно электрофильное нитрование. Метод нитрования предварительно синтезированных порфиринов имеет преимущества перед прямым методом получения порфиринов с использованием нитробензальдегидов в том случае, когда необходимо получить несимметричные моно-, ди- или тринитрофенилпорфирины, так как в этом случае удается получить эти порфирины с большим выходом и избежать сложного хроматографиче-ского разделения их статистической смеси. Нитрование НгТФП смесью азотной и серной кислотой приводит с очень низким выходом к 2-нитро-л ез0-тетрафенилпорфину, основным продуктом является дигидроксипорфодиметен 113 /111/, образующийся возможно через шсо-нитрование и последующий гидролиз: Обработка л езо-тетра(2,б-дихлорфенил)порфирина со 100 экв красной дымящей HN03 при комнатной температуре приводит к смеси /?-пента- и /?-гексанитропорфиринов. Реакция жезо-тетра(пента-фторфенил)порфи рина при тех же условиях дает региоизомерную смесь тетранитропорфиринов, каждый изомер которой имеет одну нитрогруппу в пиррольном кольце /112/. Это единственные примеры электрофильного / -замещения свободных оснований порфиринов выполненных в кислых средах. Очевидно, орто-электроноакцепторные группы необходимы для дезактивации мезо-фенильных колец для электрофильного замещения и для блокирования атаки нитрониевым ионом по мезо- положениям, -нитрование вероятно имеет место на непротонированном субстрате, причем дополнительное нитрование дезактивирует макроцикл, но и уменьшает его основность.
Нитрование порфиринов
Предварительные опыты по нитрованию порфиринов 1 и 2 показали, что использование различных нитрующих агентов (азотная кислота в уксусной кислоте, ацетилнитрат в уксусной кислоте, азотная кислота в хлористом метилене, и нитрит натрия или нитрат натрия в трифторуксусной кислоте) дают одни и те же продукты (данные ТСХ и элементного анализа), которые являются нитропорфиринами о чем говорит наличие в ИК спектрах полос деформационных колебаний нитрогруппы (табл. 5), однако, как оказалось, наиболее эффективными нитрующими агентами являются азотная кислота в хлороформе и нитрит натрия в трифторуксусной кислоте, так как в этих случаях реакция идет наиболее быстро и с наиболее высокими выходами. В случае использования азотной кислоты в уксусной кислоте образуется много по- лярных продуктов окисления, ацетилнитрат реагирует очень медленно, а с нитратом натрия в трифторуксусной кислоте нитропорфирины получаются с меньшими выходами (табл. 4). В дальнейших исследованиях нами использовалась нитрующая система нитрит натрия в трифторуксусной кислоте, как наиболее удобная для работы среда. Нитрование дифенилпорфирина 1 двумя эквивалентами нитрита натрия (согласно предложенному механизму) дает единственный нитропорфирин (данные ИК спектра и ТСХ) с выходом 65 %, который неожиданно, по данным элементного анализа и масс-спектрометрии оказался динитрозамещен-ным порфирином (табл. 5). Спектр Н ЯМР продукта показал, что это мезо-динитрозамещенный порфирин 25 (отсутствие в продукте сигнала мезо-протонов и неизменность сигналов фенильных протонов, при их незначительном сдвиге за счет влияния нитрогрупп в порфириновом макрокольце) (табл. 6). Значительный батохромный сдвиг и уширение полос в электронном спектре поглощения (ЭСП) порфирина 25 говорят о сильном искажении пор- фиринового макрокольца. Проанализировав полученные данные, мы предположили, что в реакции (проводимой при доступе воздуха) решающую роль имеет окисление оксида азота(П) кислородом воздуха, чем и объясняется динитрование. Действительно, при эквимолекулярном соотношении порфирина 1 и нитрита натрия образуется л/езомононитропорфирин 24 с выходом 56%. Дальнейшее нитрование 24 приводит к динитропорфирину 25 с выходом 38%.
Полученные динитропорфирины, судя по спектральным данным, идентичны. Таким образом, наши данные показывают, что введение в молекулу порфирина первой нитрогруппы практически не сказывается на скорости введения второй нитрогруппы, что, по-видимому, вызвано искажением пор-фиринового макроцикла /131/. На рис. 3-8 представлены спектры исходного дифенилпорфирина 1 и его динитропроизводного 25. Проведение реакции нитрования 1 при 10-кратном избытке нитрита натрия и увеличении времени нитрования до 4 суток приводит к другому нит-ропорфирину, который по данным элементного анализа и масс-спектрометрии содержит три нитрогруппы (табл. 5). Анализ спектра Н ЯМР показал, что этот продукт является 5-(4 -нитрофенил)-15-фенил-10,20-динитро-3,7,13,17-тетраметил-2,8,12,18-тетра-этилпорфином 28 (появление двух дублетных сигналов в области фенильных протонов, незначительное расщепление сигналов метальных и этильных групп) (табл. 6). Изменения в ЭСП 28 по сравнению с ЭСП 24 незначительны, так как нитрогруппа в фе-нильном кольце порфирина 28 может влиять на порфириновый цикл только своим индуктивным эффектом к тому же ослабленным фенильным кольцом, не затрагивая при этом его геометрическую структуру (табл. 6). Нитрование второго фенильного кольца порфирина 28 не происходит при дальнейшем увеличении времени реакции до 8 суток. Таким образом, нами показано, что протонирование порфиринового цикла по внутрициклическим атомам азота не влияет на порядок введения нитрогруппы, она входит первоначально в незамещенные л езо-положения и лишь при их отсутствии - в фенильное кольцо. Нитрование бис(4-нитрофенил)порфирина 3 проходит с большим трудом чем дифенилпорфирина 1 и требует значительного избытка нитрита натрия, при этом образуется тетранитропорфирин 29 недоступный при прямом нитровании. Более жесткие условия нитрования вызваны, очевидно, индукционным эффектом нитрогрупп, находящихся в фенильных кольцах. Спектральные данные тетранитропорфирина 29 соответствуют предполагаемой структуре (табл. 6). Нитрование порфирина 2 двумя эквивалентами нитрита натрия приводит к смеси динитропорфиринов 32 и 33 с суммарным выходом 59%, которую нам не удалось разделить ни хроматографически, ни перекристаллизацией. Анализ спектра Н ЯМР позволил сделать вывод, что смесь состоит из динитропорфиринов 32 (10,15-изомер) и 33 (10,20-изомер) в соотношении 1 : 1 (наличие двух сигналов л/езо-протонов в соотношении -1:1 при неизменных сигналах протонов фенильного кольца, сильное расщепление сигналов метальных и этильных групп). Реакция нитрования в данном случае не селективна и практически нет различия между л/езо-положениями при метальных и этильных группах.
Дальнейшее нитрование нитропорфирина 31 полуторакратным избытком нитрита натрия приводит к получению динитропорфирина 32, охарактеризованному спектральными методами (табл. 5,6), в то время как нитрование его изомера 30, дает смесь динитропорфиринов 32 и 33, что доказано данными ТСХ. Изучение спектра Н ЯМР динитропорфирина 32 позволило охарактеризовать в спектре смеси динитропорфиринов 32 и 33 резонансные полосы отвечающие спектру продукта 33. Нитрование (4-нитрофенил)порфирина 4 проходит в более жестких условиях, чем порфирина 2 за счет индукционного влияния нитрогруппы в фе-нильном кольце, причем в мезо-попоженш вводится не более двух нитро-групп. Третья нитрогруппа не вводится даже при увеличении длительности реакции нитрования до 8 суток. Полученную смесь тринитропорфиринов 35 и 36 не удалось разделить колоночной хроматографией. Нитрование 5,10,15,20-тетрафенилпорфина (38) имеющего незамещенные фенильные кольца и свободные / -положения в порфириновом цикле проводилось действием азотной кислоты в хлористом метилене при комнатной температуре. Нами были подтверждены данные работы /107/, что при этом нитрогруппа вступает в фенильное кольцо и образуется 5-(4 -нитрофенил)-10,15,20-трифенилпорфин 39 (данные !Н ЯМР спектра), а при увеличении времени реакции с 15 мин до 30 мин бис(4 -нитрофенил)дифенилпорфины в виде смеси 5,10- (40 R = Н, = N02) и 5,15- (R = N02, Ri = Н) изомеров в соотношении 5 : 1 (по данным ТСХ), которые не удалось разделить колоночной хроматографией (табл. 7, 8). Метод же нитрования тетрафенилпорфирина нитритом натрия в трифторуксусной кислоте /ПО/ показался нам наиболее перспективным, потому что в данном случае 5-(4 -нитрофенил)-10,15,20-трифенилпорфин образуется всего лишь за три минуты с выходом более 80%, нитрование до смеси динитропроизвод-ных в соотношении 2:1 по этому методу проходит за 1,5 минуты при действии на тетрафенилпорфин 8,1 эквивалентами нитрита натрия. Тринитропор-фирин и тетранитропорфирин также легко образуются при использовании этой нитрующей смеси.
Исследование кинетики реакции комплексообразования нитропорфиринов
Свойства порфиринов определяются, в основном, двумя факторами. Один из них - электронный обусловлен наличием обширного ароматического контура 71-сопряжения, охватывающего макроцикл, второй - геометрический, представлен плоской тетрапиррольной системой, обладающей жесткостью и относительной устойчивостью к деформации /137/. В настоящее время, однако, существует множество данных, которые показывают, что порфириновый макроцикл является достаточно гибким и способен существовать в неплоских конформациях /138-140/. Эти свойства порфиринов широко изучаются, так как искажение порфиринового цикла может играть значительную роль в биологических, фотосинтетических и окислительно-восстановительных системах /141-143/, а кроме того, конфор-мационные искажения порфиринового хромофора могут служить инструментом тонкой настройки их физико-химических свойств. Искаженные порфирины имеют неплоское, деформированное макрокольцо, благодаря чему значительно изменяются и химические, и физические характеристики таких порфиринов по сравнению с их аналогами, обладающими плоской структурой порфиринового ядра. Деформации молекул порфиринов, понимая под этим нарушение плоскостного строения их тетрапиррольного ядра, можно достичь разными способами: введением большого числа периферических заместителей, включением в состав молекулы коротких мостиковых групп, стягивающих мезо- или Р -положения, протонированием, N-алкилированием или N-арилированием координационного центра. Деформированный макроцикл имеют металло-порфирины, у которых в качестве комплексообразователя выступают катионы большого размера и некоторые высокозарядные катионы /144/. Порфириновые молекулы проявляют свои биологические и каталитические функции только в составе металлокомплексов. Эти функции будут определяться координационными (донорноакцепторными, комплексообра-зующими) свойствами молекулы порфирина и металла.
Координационные свойства порфиринов определяют условия и скорости образования металлопорфиринов, способность их сохраняться в тех или иных условиях среды, не подвергаясь при этом протолитической диссоциации, окислительной или фотоокислительной деструкции. Изучение координационных свойств с участием порфириновых молекул представляет одну из наиболее важных проблем химии порфиринов. Реакция комплексообразования представляет собой медленный процесс со значительной величиной энергии активации и отрицательной энтропией активации. Реакция образования комплексных соединений с крупными ароматическими лигандами, имеющими непрерывное сопряжение по периферии молекул, типа порфиринов обладают рядом особенностей, отличающих их от реакций образования комплексов с простыми лигандами. Особенности этих реакций определяются: 1) малой подвижностью лиганда в растворе, который является мишенью для более подвижного реагента-молекулы (или иона) соли; 2) слабокислотной природой лигандов, которые обычно чрезвычайно трудно ионизируют по схеме НгП -» 2ЕҐ + П2". 3) наличием сплошного яг-облака сопряженной системы макрокольца, которое сильно экранирует реакционный центр порфирина, включающий четыре внутрициклических атома азота; 4) сложностью явлений сольватации порфиринового лиганда, который является носителем многообразных центров сольватации, существенно отличающихся по своей природе. Основной особенностью реакций образования металлопорфиринов является их медленность по сравнению с реакциями других лигандов /145-147/. Она обусловлена указанными выше особенностями порфирина-лиганда. Кинетика реакции комплексообразования нитропроизводных-5,15-дифенил-3,7,13,17-тетраметил-2,8,12,18-тетраэтилпорфина с ацетатом меди в смешанном растворителе уксусная кислота-бензол (7 : 3) и пиридине была исследована спектрофотометрически на приборе HITACHI U-2000 в термостатированных кюветах с пробками на шлифах при температурах 298-338 К. На рис. 15-20 приведены изменения в некоторых экспериментальных спектрах в процессе комплексообразования. Анализ кинетических параметров (табл. 10) реакции комплексообразо-вания порфиринов (I-V) с Си(ОАс)2 в смешанном растворителе уксусная кислота-бензол (7:3) показывает, что в отличие от порфина (I), не имеющего нитрогрупп, введение двух нитрогрупп в «ара-положения бензольных колец (II) приводит к увеличению константы скорости реакции комплексообразо-вания. Это, по-видимому, связано с акцепторными свойствами нитрогрупп и способствует растяжению N-Н-связей порфирина (II), что является наиболее энергоемкой стадией процесса и ведет тем самым к увеличению константы скорости реакции, уменьшению энергии активации, в то время как предэкс-поненциальный множитель существенно не меняется. Введение в .мезоположение одной нитрогруппы (III), приводит к уменьшению скорости реакции по сравнению с порфиринами (I, II) не имеющими нитрогрупп в лшзо-положениях.
Введение двух нитрогрупп по .мезоположениям (IV), приводит к существенному уменьшению скорости реакции по сравнению с (III), увеличению энергии активации и предэкспоненциальный множитель уменьшается. Пор-фирин (IV) является наименее реакционноспособным по сравнению с (I). При увеличении количества нитрогрупп в .мезо-положениях, увеличивается искажение цикла. Известно, что деформация порфиринового фрагмента приводит к понижению его ароматичности и увеличению основности третичных атомов азота /148-149/. Уменьшение скорости реакции в смеси уксусная кислота-бензол можно объяснить увеличением роли специфической сольватации. Уксусная кислота образует прочные водородные связи с третичными атомами азота макроцикла, которые препятствуют атаке сольватированной соли меди(П) на реакционный центр. Введение двух нитрогрупп по ліезо-положениям и двух нитрогрупп в иара-положения фенильных колец (V) приводит к тому, что порфирин (V) является более реакционноспособен в реакции комплексообразования по сравнению с (III), но менее реакционноспособный по сравнению с (II). Это можно объяснить влиянием акцепторных свойств нитрогрупп в пара- положениях фенильных колец на скорости реакции комплексообразования. Из данных табл. 10 следует, что по мере нарастания степени деформации плоскостного строения тетрапиррольного ядра в смешанном растворителе уксусная кислота-бензол (7:3) наблюдается уменьшение скорости реакции комплексообразования из-за протонирования реакционного центра. С другой стороны, электроноакцепторные нитрргруппы в фенильных кольцах увеличивают скорость реакции комплексообразования, однако влияние этого эффекта намного меньше, чем стерического (действие стерического и электро-ноакцепторного эффекта нитрогрупп противоположно). Иная картина наблюдается в пиридине. Константы скорости реакции комплексообразования порфиринов возрастают в ряду: V IV III I II, т.е. по мере нарастания степени деформации тетрапиррольного макроцикла и уменьшения прочности N-Н-связей за счет акцепторных свойств нитрогрупп. Введение двух нитрогрупп в пара-положения фенильных колец (II), по сравнению с (I), приводит к уменьшению скорости реакции и уменьшению энергии активации, что можно объяснить увеличением сольватации, поскольку исходный порфирин (II) в пиридине более сольватирован, чем пор-фирин (I).
![Синтез каликс[4]резорцинов фосфорилированных по верхнему и нижнему ободу молекулы и изучение их комплексообразующей способности в реакциях с соединениями Pt(II),Pd(II),Rh(II),Rh(III)](/i/i/4280/281721.png "Синтез каликс[4]резорцинов фосфорилированных по верхнему и нижнему ободу молекулы и изучение их комплексообразующей способности в реакциях с соединениями Pt(II),Pd(II),Rh(II),Rh(III) Наумова Асия Альбертовна")
