Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 7
1.1. Реакции [3+2]-циклоприсоединения 1,3-диполярных соединений к [60]фуллерену 7
1.1.1. Синтез фуллеропирролидинов 7
1.1.2. 1,3-Диполярное циклоприсоединение карбонил- и тиокарбонилилидов к Сбо-фуллерену 25
1.2. Присоединение азотистых нуклеофилов к [60]фуллерену 28
ГЛАВА 2. Обсуждение результатов 38
2.1. Каталитическое гидроаминирование Сбо-фуллерена с помощью первичных и вторичных аминов 38
2.2. Синтез фуллеропирролидинов каталитическим [3+2]-циклоприсоединением третичных аминов к СбО 47
2.3. Синтез фуллерофосфоланов [3+2]-циклоприсоединением алкил-, арил- и циклоалкилфосфинов к Сбо под действием металлокомплексных катализаторов 57
2.4. Каталитическое [3+2]-циклоприсоединение сульфидов и сульфоксидов к СбО 61
ГЛАВА 3. Экспериментальная часть 67
Выводы 93
Литература
- Синтез фуллеропирролидинов
- Присоединение азотистых нуклеофилов к [60]фуллерену
- Синтез фуллеропирролидинов каталитическим [3+2]-циклоприсоединением третичных аминов к СбО
- Каталитическое [3+2]-циклоприсоединение сульфидов и сульфоксидов к СбО
Введение к работе
Фундаментальные и прикладные исследования в области химии углеродных кластеров, проводимые в России и за рубежом, направлены на разработку эффективных методов селективной функционализации этих уникальных молекул с целью придания фуллеренам полезных свойств, например, увеличение растворимости в органических и водных средах, повышение адгезионных характеристик и биологической активности, а также электропроводящих свойств. Эти работы нацелены на получение перспективных для практического применения функциональнозамещенных фуллеренов - материалов для медицины, электроники, нелинейной оптики и фотопреобразователей солнечной энергии. В настоящее время, как правило, функционализация углеродных кластеров осуществляется с использованием классических реагентов и методов, широко применяемых в синтетической практике. Однако известные реакции и методы не позволяют проводить эти реакции с высокой селективностью и эффективностью.
До начала наших исследований в мировой литературе практически отсутствовали сведения, касающиеся селективной функционализации углеродных кластеров с использованием металлокомплексных катализаторов. Имеющиеся сведения ограничивались синтезом производных фуллерена реакцией последних с электрофильными и нуклеофильными реагентами. Причем большинство из этих реакций отличаются низкой селективностью.
В связи с этим, разработка новых эффективных методов селективной функционализации углеродных кластеров, путем циклоприсоединения доступных аминов, фосфинов, сульфидов и сульфоксидов к Сбо-фуллерену с применением металлокомплексных катализаторов, является важной и актуальной задачей.
4 Работа выполнена в соответствии с планами НИР Института нефтехимии и катализа РАН по теме «Металлокомплексный катализ в химии металлоорганических соединений непереходных металлов» [01.200.2 04378].
Цель исследования.
Разработка новых общих каталитических методов селективной функционализации углеродных кластеров 1,2-гидроаминированием первичными и вторичными аминами, а также [3+2]-циклоприсоединением к Сбо-фуллерену ациклических и циклических аминов, фосфинов, сульфидов, сульфоксидов с получением гетероатом^, Р, 8)содержащих фуллеренов, с участием комплексных катализаторов на основе переходных металлов (Ті, Zr, Hf).
Научная новизна. Разработаны комплексные катализаторы на основе
соединений и солей Ті, Zr, Hf, Fe, Ni и Pd, способные проводить 1,2-
гидроаминирование Сбо-фуллерена первичными и вторичными аминами, а
также [3+2]-циклоприсоединение третичных аминов, фосфинов, диалкил- и
циклоалкилсульфидов и сульфоксидов с получением соответствующих
аминофуллеренов, фуллеропирролидинов, фуллерофосфоланов,
фуллеротетрагидротиофенов, фуллеротетрагидротиофеноксидов с высокими выходами.
С использованием в качестве комплексных катализаторов металлоцендихлоридные комплексы СргМСЬ (М = Ті, Zr, Hf), а также трехкомпонентные каталитические системы М(асас)„ (М = Fe, Ni, Pd), осуществлен синтез 1-амино-1,2-дигидрофуллеренов путем 1,2-гидроаминирования Сбо-фуллерена первичными и вторичными аминами. Реакция имеет общий характер и с успехом может быть использована для синтеза практически важных моно- и полиаминофуллеренов с высокими выходами.
В развитие этих исследований разработан препаративный метод синтеза 3,4-фуллеро[60]пирролидинов реакцией [3+2]-циклоприсоединения
5 третичных аминов различной структуры, катализируемой комплексами Ті, Zr иШ
Показана возможность распространения реакции [3+2]-циклоприсоединения к Сбо-фуллерену на триалкилфосфины, арилдиалкилфосфины, диалкилсульфиды и сульфоксиды, в том числе циклические.
В результате разработаны общие каталитические методы синтеза 3,4-
фуллеро[60]фосфоланов, 3,4-фуллеро[60]тетрагидротиофенов, 3,4-
фуллеро[60]тетрагидротиофеноксидов [3+2]-циклоприсоединением
соответствующих фосфинов, сульфидов и сульфоксидов к С«гфуллерену с участием в качестве катализаторов комплексов и солей Ті, Zr и Hf.
Предложены вероятные схемы - механизмов реакции 1,2-гидроаминирования и [3+2]-циклоприсоединения гетероатомных соединений к Сбо-фуллерену с участием комплексов переходных металлов.
Постулировано, 1,2-гидроаминирование Сбо-фуллерена первичными и вторичными аминами происходит путем окислительного присоединения амина к центральному атому катализатора с образованием гидридных комплексов, которые гидрометаллируют углеродный кластер с получением фуллеро-металлгидридных интермедиатных комплексов. На заключительной стадии в результате восстановительного элиминирования образуются целевые аминофуллерены, а фуллерогетероциклы формируются путем образования ион-радикальных пар между исходным субстратом и Сбо, инициируемых комплексами переходных металлов.
Практическая ценность работы, Разработаны препаративные методы синтеза практически важных 1-амино-1,2-дигидро[60]-фуллеренов, 3,4-фуллеро[60]пирролидинов, 3,4-фуллеро[60]фосфоланов, 3,4-фуллеро[60]-тетрагидротиофенов и 3,4-фуллеро[60]тетрагидротиофеноксидов с высокими выходами. Фуллерогетероциклы перспективны в качестве материалов для электроники и нелинейной оптики, органических ферромагнетиков,
фотосенсибилизаторов при генерировании синглетного кислорода, а также фотопреобразователей солнечной энергии (солнечные аккумуляторы).
Апробация работы. Основные положения работы были представлены на VII-th Biennial International Workshop "Fullerenes and atomic clusters" IWFAC2005 (2005, StPetersburg), V Всероссийском научном семинаре и Молодежной научной школе «Химия и медицина» (2005, Уфа), Всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной химии в исследованиях молодых ученых» (2006, Астрахань), 5-ой Международной конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология» (2006, Москва), Международной конференции «Химия азотсодержащих гетероциклов» ХАГ-2006 (2006, Харьков, Украина).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 статьи, тезисы 5 докладов, получено 4 патента РФ и 12 положительных решения на выдачу патентов РФ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из
введения, литературного обзора на тему «Некаталитическая
функционализация [60]фуллерена>>, обсуждения результатов,
экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы (135 наименований), изложена на 108 страницах машинописного текста, содержит 4 таблицы, 7 рисунков.
Автор выражает благодарность доктору химических наук, профессору Ибрагимову Асхату Габдрахмановичу за постоянное внимание и помощь при выполнении работы.
Синтез фуллеропирролидинов
Одним из перспективных путей введения в молекулу Сбо пятичленных гетероциклических фрагментов, например, пирролидиновых колец является использование реакции [3+2]-циклоприсоединения разнообразных 1,3-диполярных соединений. Распространенным методом синтеза фуллеропирролидинов, описанным в последние годы, является 1,3-диполярное циклоприсоединение к [60]фуллерену азометинилидов, генерируемых из а-аминокислот и альдегидов (реакция Прато) [13], термическое циклоприсоединение азиридинов к Сбо [14], взаимодействие фуллерена с алифатическими альдегидами в присутствии водного аммиака [15] или с эфирами аминокислот [16]. Подобным образом проходит реакция Сбо-фуллерена с иминами бензальдегида и первичных метиламинов, содержащих электроноакцепторные заместители в алкильном радикале [17], а также фотохимическое циклоприсоединение третичных аминов к фуллерену [ 18-24].
Наиболее эффективный метод генерирования азометинилидов заключается в декарбоксилировании иммониевых солей, получающихся конденсацией а-аминокислот с альдегидами. Простейший пример - реакция между N-метилглицином (саркозином), формальдегидом и Сбо в кипящем толуоле ведет к образованию N-метилпирролидинофуллерена 1 с выходом 82%.
В реакции Прато, как и в других реакциях 1,3-диполярного циклоприсоединения, весьма эффективно применение микроволнового облучения. Например, целый ряд неописанных ранее 2-арилфуллеропирролидинов 2-4 удалось получить только в таких условиях [25]:
Из соответствующих альдегидов получены порфирин-фуллерены со стероидной связкой, например, соединение 5, которое нашло применение для фотодинамической терапии рака [26].
Аналогичная связка использована и в трис(2,2 -бипиридин)-Сбо-рутениевом комплексе 6, синтезированном для изучения электрохимических и фотофизических свойств последнего [27]. Этим способом получены диады хлорин-фуллерен [28] и фитохлорин-фуллерен [29], перспективные в качестве селективно действующих катализаторов для ассиметрического синтеза.
С использованием метода Прато синтезировано фуллереновое производное субфталоцианина 7 - неполярного ароматического макроцикла, построенного из изоиндольных фрагментов, ассоциированных вокруг атома бора [30].
В качестве донорной компоненты в донорно-акцепторных комплексах на основе [60]фуллерена могут быть использованы производного анилина [31], ферроцена, тетратиафульвалена [32-41], флуоресцеина [42], олиготиофена [43,44]. Доступность самых разнообразных альдегидов и в этом случае обеспечила успех реакции Прато в синтезе модельных структур для систематического изучения электрохимических свойств производных фуллерена, содержащих дополнительные электроактивные группы.
Очень часто реакцию Прато используют для получения производных фуллерена с предполагаемой потенциальной биологической активностью. Для этого в саркозиновом методе удобно использовать в качестве исходных реагентов альдегиды различных фармакофорных молекул. Так, в поисках соединений, обладающих антиоксидантными свойствами, синтезированы диады фуллерен-флавон 8 а-с на основе формильных производных природных флавонов [45]:
Широта синтетических возможностей реакции Прато продемонстрирована введением ковалентно связанных со сфероидом через аннелированный N-метилпирролидиновый цикл олигофениленвинильных [47-51] и олигофениленэтинильных [52] фрагментов, смешанных сопряженных олигофрагментов с тиенильными, винильными, этинильными, фениленовыми и нафталиновыми связками [53,54], периферических разветвленных полиариловых эфиров с триэтиленгликолевыми заместителями (фуллеродендримеры) [55], каликсаренов [56], Ru(II)-порфиринового [57], Ru(II) трис(бипиридинового) комплекса 10 [58], нитроксидных производных Сбо 11 [59].
Самостоятельный интерес представляет 1,3-диполярное циклоприсоединение к Сбо хиральных азометинилидов, поскольку оно приводит к дисимметричным соединениям с необычной хиральностью самой я-системы фуллерена. Путь к таким хиральным структурам лежит через использование хиральных альдегидов в саркозиновом методе или хиральных аминокислот с формальдегидом [62]. Так, взаимодействие О-замещенной (28,4К)-4-гидроксипирролидин-2-карбоновой кислоты (L-4 гидроксипролина), формальдегида и Сад в кипящем толуоле приводит к образованию двух диастереомерных моноаддуктов 14 и 15 с выходами 11 и 24% соответственно.
Присоединение азотистых нуклеофилов к [60]фуллерену
Благодаря высокой нуклеофильности первичные и вторичные алифатические амины легко присоединяются к электронодефицитному Сбо-фуллерену [102-105].
Хотя присоединение первичных и вторичных аминов - один из первых описанных процессов модификаций фуллерена, он значительно сложнее, чем присоединение С-нуклеофилов, а продукты реакции зависят от условий ее проведения. Образовавшийся цвиттер-ионный интермедиат и соответствующая депротонированная частица легко подвергаются окислению с образованием радикалов, которые могут либо димеризоваться, либо вступать в дальнейшие реакции радикального присоединения с непрореагировавшими аминами. В результате в большинстве реакций фуллерена Сад с аминами образуется смесь продуктов.
Обработка твердого Сад избытком аминов PrNH2 или Hk CH NKb ведет к образованию зеленых растворов (быстрый процесс), которые постепенно становятся каштаново-коричневыми (медленный процесс) [102]. Исследование этих процессов спектроскопией ЭПР показывает рост интенсивности сигнала радикала Сад и мультиплетного сигнала аммонийного радикала [105]. Через несколько часов интенсивность сигналов начинает падать, так как образующийся коричневый продукт реакции диамагнитен. Зеленая окраска интермедиатов типична для аммонийных комплексов [105,106]. Эти наблюдения свидетельствуют о постадийном механизме присоединения аминов. Сначала происходит одноэлектронный перенос от амина к Сбо- На следующем этапе происходит рекомбинация аммонийного катион-радикала и анион-радикала фуллерена. Этот процесс приводит к интермедиату зеленой окраски. В конце концов происходит перенос атома водорода от азота к атому углерода фуллерена с образованием нейтрального продукта присоединения.
Первый этап реакции может быть «заморожен», если использовать третичный амин, который по стерическим причинам не может присоединяться к Сбо и не способен к переносу протона. Такая ситуация наблюдается при использовании третичного амина тетракис(диметиламино)этилена (TDAE) [107]. После переноса электрона от амина к Сю образуется моноанион-радикальная соль Сбо[ТОАЕ].
Второй этап - образование цвиттериона - можно наблюдать при использовании менее пространственно затрудненного 1,8-диазабицик-ло[5.4.0]ундец-7-ена (DBU), которое сопровождается в бензольных растворах выпадением в осадок зеленого цвиттер-ионного комплекса C DBU [105]. В растворе такие комплексы существуют в равновесии с диссоциированными радикалами Сбо и DBU.
Часто продукты присоединения первичных и вторичных аминов содержат несколько аминогрупп в фуллереновом ядре. Так, до 12 аминогрупп обнаружено при масс-спектрометрическом исследовании продукта присоединения пропиламина к Сбо - C6o(PrNH)n. «Нормальные» монопродукты присоединения вторичного амина к С« можно получить при использовании объемных вторичных аминов - азакраун-эфиров. Как и в случае стерически затрудненных С-нуклеофилов, здесь образуются продукты 1,2-и 1,4-присоединения.
Напротив, при использовании пространственно незатрудненных аминов, например, морфолина, образуется смесь, из которой были выделены продукты окислительного бис- и полиприсоединения, а также димер аминозамещенного фуллерена. Аминоаддукты фуллерена растворимы в жидких аминах, но морфолиновый полиаддукт Сбо(тогрп)б выпадает в осадок. Присоединение аминов к фуллерену можно проводить в бензольных или толуольных растворах[104].
Синтез фуллеропирролидинов каталитическим [3+2]-циклоприсоединением третичных аминов к СбО
Реакция каталитического гидроаминирования Сбо имеет общий характер и может быть распространена не только на первичные, но и вторичные амины различной структуры. Так диэтил-, дициклогексил-, диаллил- и дифениламины вступают в катализируемую СргМСЬ (М= Ті, Zr, Hf) реакцию с Сбо с образованием соответствующих 1-амино-1,2-дигидро[60]фуллеренов 13-17 с выходами 75-90 %.
Показано, что диэтил- и дипропиламины вступают в реакцию с [60]фуллереном (мольное соотношение 1:1) в присутствии 20 мол % СргТіСЬ при комнатной температуре ( 20 С) с селективным образованием аддуктов 13 и 14 за 18 ч с выходами 85 %. При взаимодействии дициклогексиламина и диаллиламина с Сбо подобный выход может быть достигнут при увеличении продолжительности времени реакции до 48 ч. Увеличение температуры до 150 С (автоклав) позволяет сократить время реакции до 3 ч. Для присоединения ароматических вторичных аминов (дифениламин) к фуллерену[60] наиболее оптимальным является проведение эксперимента в присутствии 20 мол % СргШСЬ при 150 С в течение 9 ч, что позволяет получать моноаддукт 17 с выходами 75%.
УФ спектр НН-дипропиламино-ІД-дигидрофуллерена 14 содержит максимум при X 258 нм, в ИК спектре присутствуют сигналы, характерные для С6о (530, 720, 1040, 1470 см 1), при этом отсутствует сигнал NH-группы (3340 см"1). В спектре ЯМР ,3С соединения 14 -гибридизованные атомы С фуллерена резонируют при 56.40 и 74.65 м.д., сигналы в области 132-164 м.д. относятся к 5р2-гибридизованным атомам С фуллереновой сферы. Масс-спектр (MALDI TOF) моноадцукта 14 содержит молекулярный ион при m/z 821 (7%).
Циклические амины (пиперидин, морфолин, сальсолидин) также вступают в катализируемую СргТЛСЬ и СргШСЬ реакцию с эквимольным количеством Сю с образованием 1-амино-1,2-дигидро[60]фуллеренов 18-20 с выходами 75-90%.
Вероятный механизм формирования 1-амино-1,2-дигидрофуллеренов предложен на основании полученных нами экспериментальных и известных в литературе данных [17-20], согласно которым при некаталитическом присоединении первичных и вторичных алифатических аминов к электронодефицитному [60]фуллерену первоначально происходит перенос электрона от нуклеофила к Сбо с образованием радикал-ионной пары, последующий перенос подвижного атома водорода от атома азота к 6,6-углеродному атому фуллерена приводит к продуктам 1,2 гидроаминирования. Каталитическое присоединение первичных и вторичных аминов к фуллерену, можно предположить, реализуется по схеме, предложенной для гидроаминирования 1,3-диенов [130] или олефинов [131] под действием катализаторов на основе переходных металлов.
Таким образом, нами впервые разработан эффективный метод каталитического присоединения первичных и вторичных аминов к Сад, позволяющий получать 1-амино-1,2-дигидрофуллерены с высокими выходами и селективностью, что открывает широкие перспективы применения данного класса соединений в практике.
По аналогии с фотохимическим циклоприсоединением триэтиламина к Сбо-фуллерену, приводящим к фуллеропирролидину мы решили осуществить данную реакцию в условиях металлокомплексного катализа с целью разработки общего препаративного метода синтеза этого класса фуллерогетероциклов на основе третичных аминов различной структуры.
Мы предположили, что комплексы переходных металлов будут инициировать одноэлектронный перенос с молекулы амина на Сбо-фуллерен, тем самым, активируя исходные субстраты, что приведет к получению интермедиатных ион-радикальных пар, последовательные превращения которых и будут способствовать образованию целевых фуллеропирролидинов по следующей схеме:
На примере взаимодействия Et3N с Сбо (растворитель - толуол, 60 С, Зч, [М] ([М]= катализатор), 20 мол %) установлено, что из числа испытанных катализаторов на основе соединений Fe, Со, Си, Mn, Ni, Pd, Ті, Zr, Hf наибольшей каталитической активностью в этой реакции обладают металлоцен(Ті,7г,Нг)дихлоридьг, приводящие с выходами 90-95% к N-этил 2,5-диметил-3,4-фуллеро[60]пирролидину 21. Трехкомпонентные катализаторы на основе фосфиновых комплексов Fe, Pd и Ni менее активны в данной реакции и выходы 21 составляют 38-60 %. В отсутствие катализатора реакция не идет. В ходе поиска оптимальных условий проведения реакции присоединения EtaN к Сбо установлено, что увеличение количества катализатора ( 20 мол %) не приводит к существенному повышению выхода целевого продукта 21. Уменьшение катализатора ( 20 мол %) снижает выход фуллеро[60]пирролидина 21.
Каталитическое [3+2]-циклоприсоединение сульфидов и сульфоксидов к СбО
Для выяснения возможности вовлечения в реакцию каталитического [3+2]-циклоприсоединения непредельных третичных фосфинов, а также получения фуллерофосфоланов с винильными заместителями, перспективных мономеров для последующей функционализации и полимеризации, изучили взаимодействие Сбо с диаллилфенилфосфином. В разработанных условиях (20 мол % СргТіСЬ, 150 С, 6 ч) диаллилфенилфосфин также как и третичные алкилфосфины взаимодействует с Сад с образованием [6,6]-фуллеренового циклоаддукта 42 с выходом 85 %.
В спектре ЯМР liC сигналы 5 -гибридизованных углеродных атомов при двойной связи резонируют при 121.32 и 129.72 м.д., что свидетельствует о сохранении двойных связей в молекуле 42. Отсутствие сигнала при 36.95 м.д., принадлежащего а-метиленовой группе исходного фосфина, указывает на образование фосфоланового фрагмента.
Проведенные эксперименты по циклоприсоединению третичных фосфинов к Сбо-фуллерену показывают, что они ведут себя подобно третичным аминам, поэтому механизм данной реакции предложен по аналогии с циклоприсоединением третичным аминов к фуллерену под действием металлоцендихлоридов.
Таким образом, разработан новый общий метод синтеза 3,4-фуллеро[60]фосфоланов каталитическим [3+2]-циклоприсоединением третичных фосфинов к Сад с высокими выходами и селективностью.
По аналогии с упомянутыми выше реакциями [3+2]-циклоприсоединения третичных аминов и фосфинов к Сбо мы попытались расширить области приложения данного метода на сульфиды и сульфоксиды.
При этом установили, что реакция Сбо с МегБ и Me2S=0 в растворе толуола (20 С, 72 ч) в присутствии 20 мол % (на исходный фуллерен) металлоцендихлорида Ср2МС1г (М = Ті, Zr, Hf) приводит к селективному образованию соответствующих 3,4-тетрагидротиофена 43 и 3,4-тетрагидротиофеноксида 44 с выходами 65 и 70 %. Повышение температуры до 150 С позволяет сократить время реакции до 3 ч. Без катализатора реакция не идет.
При соотношении Сбо-фуллерен - сульфид или сульфоксид, взятых 1:1, удается синтезировать с достаточно высокой селективностью исключительно моноаддукты.
УФ спектр соединений 43 и 44 содержит максимум при X 429 нм, характерный для закрытых [6,6]-моноаддуктов. В спектре ЯМР 13С адцукта 43 sp - гибридизированные атомы углерода фуллереновой сферы резонируют при 74.57 м.д., метиленовые углеродные атомы тиофенового кольца при 65.32 м.д., для соединения же 44 метиленовые углеродные атомы резонируют при 50.47 м.д., сигналы в области 137-157 м.д. относятся к sp2-углеродным атомам фуллереновой сферы. Фуллеротетрагидротиофен 43 устойчив до 300 С
Для получения 2,5-диалкилзамещенных фуллететрагидротиофенов и фуллеротетрагидротиофен-1-онов мы изучили взаимодействие фуллерена с алифатическими и ароматическими сульфидами и сульфоксидами.
В найденных условиях (20 мол % Ср2МСІ2, М= Ті, Zr, Hf, 150 С, 6 ч) реакция Сед с диэтил-, дипропил-, дибутил-, этил-шо-бутил-, метилбензил- и дибензилсульфидами приводит к неописанным в литературе 2,5-дизамещенным 3,4-фуллеро[60]тетрагидротиофенам 45 - 50 с выходами 50 -65 %.
Анализ спектров ЛМР соединений 45 - 50 позволил установить, что в результате взаимодействия Сбо с сульфидами образуются стереоизомерные продукты циклоприсоединения 45 - 47 в соотношении -1:1. Для продуктов реакции 48, 50 нам не удалось обнаружить расщепление сигналов, свидетельствующие об образовании стереоизомерных фуллеротиофанов.
Масс-спектр MALDI TOF соединения 50 содержит пик молекулярного иона 932 m/z (1%) и интенсивный фрагментационный пик при 778 m/z (100 %), что свидетельствует об образовании аддукта предложенной структуры (рис.7). Аналогичные масс-спектры были получены и для других синтезированных замещенных фуллеротиофанов.
