Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 11
1.1. Химия группы витамина В6 11
1.1.1. Общая информация 11
1.1.2. Синтез пиридоксина 12
1.1.3. Химические свойства пиридоксина 14
1.2. Генерация второй гармоники лазерного излучения 20
1.2.1. Органические материалы для ГВГ постановка задачи 34
ГЛАВА 2. Обсуждение результатов 36
2.1. Синтез производных пиридоксина 36
2.1.1. Синтез 2,4-динитрофенильных производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина 36
2.1.2. Синтез органических солей на основе 2,4-динитрофенильных производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина 41
2.1.3. Синтез производных семичленных кеталей пиридоксина - аналогов стильбазолов 43
2.1.4. Синтез 2-нитрофенильных производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина 47
2.1.5. Синтез азопроизводных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина
2.2. Конформационные превращения производных ацеталей и кеталей пиридоксина 51
2.3. Исследование кристаллической структуры некоторых 2,4-динитрофенильных производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина методом РСА 62
2.4. Исследование полиморфных модификаций 2,4-динитрофенильных производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина 70
2.5. Нелинейно-оптические свойства и устойчивость к лазерному излучению производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина 75
2.6. Установление взаимосвязи структуры производных пиридоксина с их способностью к ГВГ 81
ГЛАВА 3. Экспериментальная часть 88
3.1. Исходные реагенты 88
3.2. Физико-химические исследования структуры полученных соединений 88
3.3. Методики синтеза соединений
3.3.1. Общая методика получения семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина прямой конденсацией в абсолютном ДМСО 91
3.3.2. Общая методика получения ацеталей и кеталей пиридоксина путём конденсации в бензоле с азеотропной отгонкой воды 93
3.3.3. Синтез 3,3,8-Триметил-1,5-дигидро-[[1,3]диоксепино[5,6-c]пиридин-9-ол-метансульфоната 95
3.3.4. Общая методика синтеза метансульфонатов семичленных циклических кеталей пиридоксина 95
3.3.5. Общая методика получения семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина из соответствующих метансульфонатов 99
3.3.6. Общая методика синтеза 2,4 - динитрофенильных производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина 101
3.3.7. Общая методика получения солей 2,4-динитрофенильных производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина с винными кислотами 110
3.3.8. Общая методика N-алкилирования 2,4-динитрофенильных производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина 112
3.3.9. Синтез (E)-1,5-дигидро-3,3,8-триметил-6-стирил-[1,3]-диоксепино-[5,6-с]-пиридин-9-ола 113 3.3.10 Синтез (Z)- и (E)-1,5-Дигидро-3,3,8-триметил-6-стирил-9-(2,4 динитрофенилокси)-[1,3]-диоксепино-[5,6-с]-пиридинов 114
3.3.11. Общая методика синтеза 2-нитрофенильных производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина в ДМСО 115
3.3.12. Общая методика синтеза 2-нитрофенильных производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина в ДМФА 117
3.3.13. Общая методика получения азопроизводных ацеталей и кеталей пиридоксина с сульфаниловой кислотой 119
3.3.14. Общая методика получения азопроизводных ацеталей и кеталей
пиридоксина с 4-аминофенил-1,3-дисульфоновой кислотой 121
Основные результаты и выводы 126
Заключение 128
Список литературы
- Химические свойства пиридоксина
- Синтез 2-нитрофенильных производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина
- Общая методика получения ацеталей и кеталей пиридоксина путём конденсации в бензоле с азеотропной отгонкой воды
- Общая методика получения азопроизводных ацеталей и кеталей пиридоксина с сульфаниловой кислотой
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших проблем химических и технических наук является исследование взаимосвязи между строением соединений, в том числе и пространственным, c их реакционной способностью и физическими свойствами. Во многом решение данных проблем определяется уровнем теоретических и экспериментальных достижений, сложившихся в органической химии, стереохимии, физической органической химии и технической химии. Одним из приоритетных направлений современной органической и технической химии является направленный синтез соединений, обладающих способностью к генерации второй гармоники лазерного излучения (ГВГ). Материалы на основе этих соединений получили широкое распространение в таких областях, как медицина, вычислительная техника, лазерная техника, телекоммуникации и др. Поиск органических соединений с генерацией второй гармоники лазерного излучения представляет значительный интерес вследствие их высокой эффективности преобразования. В настоящее время, однако, эти соединения не получили широкого распространения по причине их низкой лучевой и механической прочности.
В продолжение систематических исследований по установлению взаимосвязи структуры и свойств производных пиридоксина, проводимых ранее в отделе прикладной химии Химического института им. А.М. Бутлерова, а в настоящее время в Научно-образовательном центре фармацевтики, в данной диссертационной работе была поставлена задача по установлению взаимосвязи структуры производных пиридоксина с их физическими свойствами, а именно, со способностью к ГВГ.
Целью настоящей работы является синтез широкого ряда производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина с различными заместителями у ацетального атома углерода, обладающих более высокой эффективностью преобразования и устойчивостью к лазерному излучению по сравнению с используемыми в практике неорганическими кристаллами.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:
разработка подходов к синтезу семичленных кеталей пиридоксина;
разработка подходов к синтезу широкого ряда 9-(2,4-динитрофенил)-, 6-алкенил- и 6-азосульфофенилзамещенных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина с различными заместителями у ацетального атома углерода и их солей;
-проведение конформационного анализа 2,4-динитрофенильных производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина с использованием динамического ЯМР 1H и расчетных методов;
изучение структуры полученных соединений методами порошковой рентгеновской дифрактометрии, термогравиметрии, дифференциально-сканирующей калориметрии (ТГА-ДСК), спектроскопии диффузного отражения и РСА;
исследование эффективности преобразования и порогов разрушения полученных соединений;
выявление связи между структурой соединений и их нелинейно-оптическими свойствами.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
-разработаны подходы к синтезу семичленных кеталей пиридоксина в мягких условиях;
- синтезирован широкий ряд 6-замещённых алкенов и азопроизводных с
сульфаниловой и 4-аминофенил-1,3-дисульфокислотами, а также 2-нитрофенильные
производные на основе производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина;
- обнаружено, что в отличие от 9-ацетилзамещенных семичленных ацеталей
пиридоксина 2,4-динитрофенильные производные монозамещённых ацеталей в
растворах существуют в виде форм кресло и твист. Установлена зависимость
конформационного равновесия от объема заместителей у ацетального атома углерода;
- выявлено, что для нецентросимметричных кристаллических структур
соединений, содержащих 2.4-динитрофенильный фрагмент, характерно наличие
коротких межмолекулярных контактов между атомом кислорода нитрогруппы в орто-
положении бензольного кольца с атомом водорода метиленовой группы в пятом
положении пиридоксина, что является основным мотивом образования спиральной
надмолекулярной структуры. В центросимметричных структурах подобной
особенности не выявлено, каждое соединение характеризуется индивидуальными
межмолекулярными контактами;
для некоторых производных пиридоксина, в зависимости от природы растворителя и заместителя у ацетального атома углерода семичленного цикла, при кристаллизации из растворов установлено образование различных полиморфных центросимметричных и нецентросимметричных кристаллических соединений;
получены количественные данные по эффективности преобразования и порогов разрушения для производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина. Установлено, что некоторые из полученных соединений обладают высокой эффективностью и устойчивостью к лазерному излучению;
установлена взаимосвязь между структурой производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина с их способностью к ГВГ. Основными факторами, влияющими на нелинейно-оптические свойства, являются: положение конформационного кресло-твист равновесия, липофильность соединений и природа растворителя.
Практическая значимость работы. Синтезированы новые органические
материалы на основе производных пиридоксина, способные к генерации второй гармоники лазерного излучения и обладающие высокой устойчивостью к лазерному излучению.
Установленные закономерности «структура - нелинейно-оптические свойства» производных пиридоксина открывают широкие возможности для поиска высокоэффективных органических преобразователей лазерного излучения.
На защиту выносятся:
- методика синтеза семичленных кеталей пиридоксина;
- методики синтеза широкого ряда 9-(2,4-динитрофенил)-, 6-алкенил- и 6-
азосульфофенилзамещенных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина с
различными заместителями у ацетального атома углерода и их солей;
- данные по конформационному равновесию форм кресло и твист 2,4-
динитрофенильных производных монозамещённых семичленных ацеталей
пиридоксина и барьерам внутреннего вращения 2,4-динитрофенильного фрагмента на
основе расчётных методов;
- данные по структуре некоторых 2,4-динитрофенильных производных ацеталей
и кеталей пиридоксина, полученные методами порошковой рентгеновской
дифрактометрии, ТГА-ДСК, спектроскопии диффузного отражения и РСА;
- результаты исследования эффективности преобразования и порогов
разрушения полученных соединений;
- установленные закономерности между структурой 2,4-динитрофенильных
производных ацеталей и кеталей пиридоксина и их нелинейно-оптическими
свойствами.
Cтепень достоверности и апробация работы.
Полученные результаты подтверждены рядом современных физико-химических методов: масс-спектрометрии, элементного анализа, спектроскопии ЯМР 1H, 13C и диффузного отражения, ДСК-ТГА, рентгеновской порошковой дифрактометрии и РСА.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на XI научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского (Приволжского) федерального университета "Материалы и технологии XXI века" (Казань, 2012), XIX, XX, XXI Международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов" (Москва, 2011, 2012, 2014), 88-й Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых учёных (г. Казань, КГМУ, 2014), 5-й республиканской конференции молодых учёных "Молодёжь и инновации Татарстана" (г. Казань, 2014), 11-ой Зимней молодежной школе-конференции "Spinus" (Санкт-Петербург, 2014), Международном симпозиуме "Биохимия – основа наук о жизни" (г. Казань, 2014 г.), итоговой научной конференции Казанского (Приволжского) федерального университета (Казань, 2015).
Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке цели и задач исследования, анализе литературных данных, выполнении экспериментальной работы, обсуждении результатов и формулировке выводов, подготовке статей и тезисов докладов. Все соединения, представленные в диссертационной работе, синтезированы соискателем лично.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 8 тезисов докладов и получен 1 патент РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 33 схемы, 9 таблиц, 27 рисунков и состоит из введения, трех основных глав, выводов, заключения, списка цитируемой литературы, насчитывающего 156 источников, и одного приложения.
Химические свойства пиридоксина
Несмотря на то, что неорганические материалы наиболее распространены в промышленности (КН2РО4 (KDP) [57], LiJO3[60], LiNbO3[61], ()-BaB2O4 (BBO) [62], AgGaS2[63]), они обладают рядом недостатков, одним из которых является сложность модификации и дизайна кристаллической структуры, ограничивающей дальнейший прогресс в этой области. В этом плане более перспективными оказываются органические соединения, обладающие практически неограниченными возможностями для молекулярного дизайна. Помимо этого, для органических соединений характерна высокая эффективность преобразования лазерного излучения, что во многом определяется присутствием в их структуре сопряжённых -связей. Эти связи способны достаточно легко поляризоваться под воздействием внешнего источника электрического поля, что определяет возможность значительного изменения дипольного момента молекулы. В свою очередь, чем сильнее это изменение, тем больше величина молекулярной гиперполяризуемости 2-го порядка () [64]. Также, напрямую зависит от длины цепочки сопряженных связей [65]. В тоже время увеличение длины цепочки ведёт за собой ухудшение прозрачности кристаллов и батохромному сдвигу полосы поглощения.
Другим фактором, определяющим высокую гиперполяризуемость второго порядка, является наличие в структуре молекулы подходящих электродонорных и электроакцепторных заместителей. При этом наиболее эффективным является введение в качестве акцептора нитрогруппы [66].
Для установления взаимосвязи между структурой органической молекулы и её гиперполяризуемостью полезным является метод, разработанный Мардером и Горманом в 1993 году, который заключается в оценке средней разницы длин соседних одинарной и двойной связей в сопряжённых системах («bond-length alternation» (BLA)) [67]. Высокая гиперполяризуемость характерна для тех молекул, у которых эта разница является минимальной, то есть электронная плотность максимально делокализована. Замена фенильного фрагмента в стильбеновых производных на такие гетероциклы как тиофен или фуран приводит к значительному повышению гиперполяризуемости молекулы, в особенности, если в структуре присутствуют сильные акцепторы, такие как трицианоэтилен. Также высокую гиперполяризуемость имеют соединения, в резонансной структуре которых в одной из выгодных канонических заряженных форм возникает ароматический фрагмент [68-69].
Значительной проблемой многих перспективных нелинейно-оптических органических материалов (НЛО) является их малая термическая устойчивость ( 300 С), так как в процессе эксплуатации они подвергаются значительным температурным воздействиям [70]. Обычно термической стабильности можно добиться путём замены алифатических заместителей на ароматические [71-72].
Исключительная важность оптимальной ориентации молекулы в кристалле оценена в работе [73], в которой установлено, что лишь при определённой ориентации дипольных моментов молекул относительно оптической оси кристалла вклад молекулярной нелинейности в макроскопическую х(2) может достигать 38%.
Как уже было сказано, необходимым условием для генерации второй гармоники является нецентросимметричность надмолекулярной структуры или неравенство нулю нелинейной восприимчивости второго порядка. В нецентросимметричной решётке гарантированно будут кристаллизоваться хиральные молекулы. Ахиральные же молекулы, в основном, кристаллизуются в центросимметрических классах, но бывают и исключения - мочевина, м-нитроанилин, 3-метил-4-нитропиридин-М-оксид и т.д. К тому же, первыми органическими соединениями, у которых была обнаружена способность к генерации второй гармоники, оказались ахиральные 3,4-бензпирен и 1,2 бензантрацен [74]. Одно из самых известных органических соединений, обладающих способностью к ГВГ - м-нитроанилин [75], также не обладает элементами хиральности. Еще одним примером является 4-нитрофенол, соли которого с различными ахиральными противоионами также оказываются подходящими по симметрии для ГВГ [76-77]. В работе [78] описывается его сокристаллизация с 2-аминопиридином и 2,6-диаминопиридином, которые способствуют образованию спиральной супрамолекулярной структуры за счет водородных связей.
Первыми хиральными молекулами, у которых исследовалась способность к ГВГ, были, в основном, природные соединения: аминокислоты, сахара [79], стероиды и терпеноиды [80]. Однако, для них характерным является низкая эффективность преобразования из-за малой длины цепочки сопряжения и, как следствие, низкой гиперполяризуемости.
Тем не менее, эти соединения послужили основой для дальнейшего синтеза хорошо поляризующихся нецентросимметричных кристаллов, например, метилового эфира 2-(2,4-динитрофениламино)-пропионовой кислоты (МАР) 45 [81].
Другим примером успешного использования хиральности, вызванной асимметрическим атомом, в создании органических нелинейно-оптических материалов является молекула М-(4-нитрофенил)-(8)-пролинола (NPP) 46 [82]. В этой молекуле хиральная часть образована (S)-пролинолом, который получается в результате химической модификации соответствующей аминокислоты ((S)-пролина). Пирролидиновый фрагмент является к тому же сильным электронодонором, лишь слегка отклоняясь от копланарного расположения по отношению к нитрофенильному фрагменту. NPP кристаллизуется в пространственной группе Р2Ь причём угол между дипольным моментом молекулы и оптической осью (58.6) почти совпадает с оптимальным для этой группы (54.74). В итоге данное соединение является на порядок более эффективным по сравнению с МАР. Перспективными материалами для ГВГ являются различные органические соли. Их особенностью является то, что присутствие положительно заряженного центра в хромофорной молекуле способствует понижению энергии переноса заряда [83-84]. Варьированием природы анионов удаётся добиться необходимой ацентричной упаковки. В работе [85] описываются получение и свойства солей на основе производных метилимидазолия и различных анионов. Одно из полученных соединений 47 в 100 раз эффективнее мочевины, имеет макс=350 нм, и из него получаются термически стабильные кристаллы хорошего оптического качества. сн3 Помимо асимметрического центра, для гарантированного получения нецентросимметричных структур, широко используют молекулы с винтовым элементом хиральности, ассоциация которых приводит к образованию супрамолекулярных ансамблей со спиральной ориентацией [86].
Такой вид хиральности реализуется в гелиценах - полициклических ароматических соединениях, в которых из-за взаимного стерического влияния терминальных колец структура получается винтовой. В работе [87] описываются характеристики гелицена 48.
Синтез 2-нитрофенильных производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина
2,4-Динитрофенильный заместитель является одним из классических примеров мета-замещенных бензолов, которые проявляют хорошие нелинейно-оптические свойства [66]. Ранее в нашей группе было показано, что подобные 2,4-динитрофенильные производные пиридоксина обладают способностью к ГВГ [41]. Поэтому в продолжение этих систематических исследований в настоящей работе был получен широкий ряд аналогичных соединений, различающихся природой заместителя у ацетального атома углерода.
На первом этапе работы был проведён синтез семичленных ацеталей пиридоксина. Ацетали 31(а-о) были получены по известным в литературе методикам [40-41, 43] (схема 18).
Данные методики оказываются неэффективными при использовании в качестве карбонильных соединений циклических кетонов. Выход целевых семичленных продуктов 31(п, р), при проведении реакции в бензоле с азеотропной отгонкой воды в присутствии 35% (мол.%) п-толуолсульфокислоты в качестве катализатора, составляет всего лишь 2%. При этом, как и ожидалось, наряду с кинетически контролируемыми продуктами происходит образование термодинамически более устойчивых шестичленных изомеров 32(п, р), выходы которых составляют 60-70% (схема 19). Выделить семичленные ацетали с ациклическими кетонами по этой методике не удалось.
Для получения семичленных кеталей пиридоксина с большими выходами была использована пятистадийная методика синтеза с применением мезилатной защиты ароматической гидроксигруппы для исключения образования шестичленных изомеров (схема 20) [130
Мезилат пиридоксина 58 был получен трехстадийной методике [131]. На следующем метансульфонаты семичленных ацеталей пиридоксина 60(л, п-у) с выходами 28-41%. Реакции проводились в бензоле с азеотропной отгонкой воды с использованием насадки Дина-Старка в присутствии двукратного избытка п-толуолсульфокислоты. На заключительной стадии было проведено снятие метансульфонатной защиты щелочным гидролизом. Выходы на этой стадии составляют 58-77%. Общий выход при пересчёте на исходный пиридоксин составляет 12-18%. Характерный для соединений этого класса спектр ЯМР 1Н представлен на рисунке 2 на примере одного из полученных по данной методике семичленных кеталей (60т).
Следующим этапом синтеза производных пиридоксина, способных к ГВГ, было введение 2,4-динитрофенильного фрагмента взаимодействием натриевых солей ацеталей 31(а-у) с 2,4-динитробромбензолом в ДМФА (схема 21) [41, 132-135]. Схема 21
Схема 22 Все реакции проходят при комнатной температуре, в течение часа. Выходы составляют 80-90%. Типичный спектр 2,4-динитрофенильных производных кеталей пиридоксина представлен на рисунке 3. Следует обратить внимание на вид сигналов атомов водорода одной из метиленовых групп, представленных двумя уширенными синглетами. Такой вид спектра связан с медленным в шкале ЯМР конформационным процессом, о чем более подробно будет сказано ниже в главе 2.2.
Перспективной группой нелинейно-оптических органических соединений являются соли органических соединений. Поэтому, в продолжение исследования нелинейно-оптических свойств новых органических соединений были получены соли 2,4-динитрофенильных производных семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина с L- и D-винными кислотами и метилпиридиниевые соли. Синтез соединений 62(а-в) был проведен в среде ТГФ взаимодействием производных пиридоксина 61(а, б) с винной кислотой в эквимольных соотношениях. Выходы составляют около 70% (схема 23). Характерный спектр ЯМР 1Н этого типа соединений приведён на рисунке 4.
Как известно из литературных данных [75], нелинейно-оптические свойства органических соединений напрямую зависят от длины цепочки сопряжённых -связей. С целью исследования влияния этого фактора на нелинейно-оптические свойства производных пиридоксина было получено соединение 65 (схема 25). но 3LNaOH 2.HC(0)H HO. Аснз( 0 MnO, о-\-СНз f I4! H3cr 31a H2 H3Cчех, н3сг" jl і этанол/вода (1:1) J 1ST —OH нзс33 , / [Ph3PCH2Ph]Cl, LiOH H20/0 \/снз / І-РЮН \ /N % N H 64 Схема 25 На первой стадии было проведено гидроксиметилирование ацеталя 31а в щелочных условиях [44]. Полученное соединение 33 окисляли оксидом Мп (IV) в смеси этанол/вода (1:1) с получением альдегида 64 [136]. Целевой продукт 65 был получен по реакции Виттига на основе методики, описанной в статье [137], с выходом 35%. Оказалось, что при проведении реакции в изопропаноле с использованием в качестве основания гидроксида лития образуется только трансизомер.
Алкенильные производные также были получены на основе 2,4-динитрофенильного производного 67, которы й был синтезирован по методике, описанной в работе [136] (схема 26). О LNaOH НО 2.НС(0)Н но.
При проведении реакции Виттига в изопропаноле с использованием в качестве основания гидрида натрия происходит образование двух продуктов - цис и транс-изомеров. Выход транс-изомера 69 составил 31%, а цис-изомера 68 - 39%. Изомерные продукты удалось выделить в индивидуальном виде при помощи колоночной хромотографии с использованием в качестве элюента системы хлороформ/этилацетат (9:1). Спектры полученных соединений приведены на рисунках 5 и 6.
Соединения 70(г,з,и) были получены в абсолютном ДМФА взаимодействием натриевых солей семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина с 2-нитробромбензолом. Как и ожидалось, при переходе к монозамещенным нитробензолам реакции проходят очень медленно и с низкими выходами (6-11%) даже при перемешивании при 90С в течение 4 суток (схема 27).
Схема 27 Было обнаружено, что проведение подобной реакции в абсолютном ДМСО приводит к образованию двух соединений - продуктов О-арилирования 70а и С-арилирования 71а (схема 28). Реакции также проходят очень медленно с низкими выходами (продукты О-арилирования - 1%, продукты С-арилирования - 5%). На рисунках 7 и 8 показаны спектры ЯМР !Н для каждого из изомеров.
Общая методика получения ацеталей и кеталей пиридоксина путём конденсации в бензоле с азеотропной отгонкой воды
Количественная оценка эффективности преобразования d2 и устойчивости к лазерному излучению полученных соединений была проведена в группе профессора Наумова А.К. (КФУ). Для проведения экспериментов соединения использовались в виде порошков с размером частиц 90-120 мкм. Измерения эффективности преобразования проводились по модифицированной методике Куртца и Перри [132-133, 147-149]. При измерении устойчивости фиксировали значение мощности лазерного излучения, при котором происходит исчезновение нелинейно-оптических свойств.
Для измерений использовался импульсный неодимовый лазер на аллюмо-иттриевом гранате (YAG:Nd3+) с длиной волны 1064 нм. Полученные данные эффективности преобразования и устойчивости приведены в таблицах 6 и 7. Необходимо отметить, что в литературе, в основном, в качестве реперного соединения для относительной оценки нелинейно-оптических свойств и устойчивости используют калийдигидрофосфат (KDP). Помимо этого стандарта нами был использован и второй стандарт - йодат лития (его эффективность принята за 100%), который на порядок является более эффективным и два раза более устойчивым по сравнению с KDP. Таблица 6. Значения эффективности преобразования и устойчивости к лазерному излучению производных ацеталей и кеталей пиридоксина.
Некоторые производные семичленных ацеталей и кеталей пиридоксина (61(а,и,к,л,п,р), 62а) значительно более эффективны по сравнению с KDP, но при этом несколько уступают по этому параметру йодату лития. Однако, ряд соединений при этом более устойчив к лазерному излучению даже на фоне йодата лития. Особо отметим, что при создании НЛО материалов последний параметр является не менее важным, чем эффективность преобразования.
Среди как 2,4-динитрофенильных производных, так и всех остальных производных пиридоксина наиболее устойчивыми являются соединения 61к и 61п, кристаллизующиеся из хлороформа (соотвественно в 4 и 6 раз более устойчивые, чем йодат лития). Необходимо отметить, что в случае 2,4-динитрофенильных производных их способность к ГВГ находится в соотвествии с симметрией их кристаллических структур. Как и ожидалось, те соединения, которые способны к ГВГ, имеют нецентросимметричную структуру (61(а,д,п)), а те, которые способностью к ГВГ не обладают - центросимметричны (61(в,г,е,м, з,р,с)).
Модификация структуры 2,4-динитрофенильного производного семичленного кеталя пиридоксина 61а, путём получения на его основе соли с L-винной кислотой 62а, также способной к ГВГ, привела к увеличению устойчивости к лазерному излучению. В случае солей винных кислот с производными ацеталей 62(б,в) варьирование противоиона не приводит к ГВГ. Способностью к ГВГ обладает также метилпиридиниевая соль 63а.
Исследование нелинейно-оптических свойств алкенилпроизводных, полученных путем модификации шестого положения пиридоксина (соединения 68 и 69) [143,149,150-151], показало, что увеличение цепочки сопряжённых -связей приводит к получению нецентросимметричных структур только в случае транс-изомера.
Алкенилпроизводное пиридоксина 65 не обладает способностью к ГВГ, в отличие от аналогичных азопроизводных. Большинство из них оказываются нецентросимметричными, но при этом с очень малой интенсивностью второй гармоники, поэтому эффективность преобразования удалось измерить лишь для соединения 40а.
Исследование способности к ГВГ производных ацеталей и кеталей пиридоксина с 2-нитрофенильным фрагментом в третьем положении пиридоксинового цикла показало, что замена 2,4-динитрофенильного фрагмента 2-нитрофенильным сопровождается потерей нелинейно-оптических свойств. Этот факт оказался для нас достаточно неожиданным, поскольку по данным РСА, полученным для 2,4-динитрофенильных производных, изначально предполагалось, что отсутствие нитрогруппы в пара-положении, наоборот, может способствовать образованию необходимых межмолекулярных контактов между атомом кислорода орто-нитрогруппы и атомом водорода метиленовой группы. Причина этого заключается, вероятно, в более низкой полярности этих соединений (значение дипольного момента соединения 70а (кеталь) по данным метода РМ3 составляет 5.89 Д, а для 70и (ацеталь) - 5.66 Д), что почти на один дебай ниже по сравнению с соответствующими 2,4-динитрофенильными аналогами ( = 6.44 Д для 61а (кеталь) и = 6.81 Д для 61и (ацеталь)). В отличие от них, изомерное этим соединениям, замещённое по шестому положению пиридоксина 2-нитрофенильное производное кеталя пиридоксина 71а, которое было получено кристаллизацией из метанола, оказывается способным к ГВГ.
В соответствии с поставленной задачей установления взаимосвязи между структурой полученных соединений и их способностью к ГВГ были вычислены соответствующие значения липофильности соединений ClogP c использованием программы СhemBioDrawUltra 11.0.1 и исследовано влияние природы растворителя (по два представителя из аполярных, полярных апротонных и протонных растворителей по классификации Паркера [152]) на образование центро- и нецентросимметричных кристаллических структур. Полученные данные вкупе с данными о положении конформационного кресло-твист равновесия семичленного цикла в растворах и конформации цикла в кристаллах, полученной по данным РСА, представлены в таблице 7.
Общая методика получения азопроизводных ацеталей и кеталей пиридоксина с сульфаниловой кислотой
Пиридоксин гидрохлорид (фирма "DSM Nutritional Products GmbH") сушили в вакууме 2 мбара при температуре 90 0С в течение 2 часов. Абсолютирование растворителей проводили по стандартным методикам [153] и хранили над молекулярными ситами 4 . Очистку альдегидов (фирмы "Sigma Aldrich" и "Acros organics") проводили путём осушки над прокаленным сульфатом натрия и дальнейшей перегонкой. Очистку метансульфонил хлорида (фирма"Acros organics") проводили путём простой перегонки. Пара-толуолсульфокислоты моногидрат (чистота 99.5% (фирма "Acros organics")), 2,4-динитробромбензол (чистота 97% (фирма "Sigma Aldrich")), 2-нитробромбензол (чистота 99% (фирма "Alfa Aesar")), L- и D-винные кислоты (чистота 99% (фирма "Acros organics")), трифенилфосфин (чистота 99% (фирма "Acros organics")), параформ (чистота 96% (фирма "Acros organics")), 3-гидроксипиридин (чистота 98% (фирма "Acros organics")) и сульфаниловую кислоту ("чда") использовали без предварительной очистки.
Спектры ЯМР 1Н и 13С снимали на приборе "Bruker AVANCE-400" на рабочей частоте 400.17 и 100.62 МГц соответственно. Химический сдвиг определяли относительно сигналов остаточных протонов дейтерорастворителей.
Ход реакции и чистоту соединений контролировали при помощи ТСХ с использованием пластин Sorbfil Plates фирмы ImidLtd, которые освещали УФ лампой (254 и 365 нм) и обрабатывали хлоридом железа (III). Для очистки соединений использовали колоночную хроматографию на силикагеле с размером частиц 0.06-0.2 мм (фирма "Acros organics"). Масс-спектры MALDI регистрировали на приборе UltraflexIII компании Bruker, оборудованном твердотельным лазером и времяпролетным анализатором масс. Ускоряющее напряжение 25 кВ. Образцы наносили на мишень AnchorChip. Запись спектров производили в режиме положительных ионов. Результирующий спектр представлял собой сумму 300 спектров, полученных в разных точках образца. В качестве матриц применяли 2,5-дигидроксибензойную кислоту (DHB) (Acros, 99%) и п-нитроанилин (PNA). Для приготовления матриц использовали хлороформ. Нанесение образцов на мишень проводили методом «высушенных капель».
Масс-спектры регистрировали с использованием масс-спектрометра высокого разрешения TripleTOF 5600 (АВ Sciex, USA) при положительной ионизации электроспреем на источнике ионизации DuoSpray (зонд Turbo Ion Spray, напряжение 5500 В, давление газа распылителя 25 psi) из раствора в смеси метанол-вода 1:1. Обзорный масс-спектр записывали в режиме TOF MS (потенциал декластеризации 100 эВ, энергия соударения 10 эВ).
Температуры плавления продуктов определяли с помощью прибора Stanford Research Systems МРА-100 OptiMelt.
Рентгеноструктурные исследования кристаллов проводили на дифрактометре Bruker SMART Apex II (графитовый монохроматор, МоКа 0.71073 А, температура 150 К для образцов 61(а,в,г,е,п,р,с) и 293 К для образцов 61(д,м,з), со-сканирование). Полуэмпирический учет поглощения проводили с помощью программы SADABS. Структуры расшифровывали прямым методом по программе SHELXS. Неводородные атомы уточняли в изотропном, а затем в анизотропном приближении по программе SHELXL-97. Атомы водорода при атомах углерода помещали в вычисленные положения и уточняли по модели «наездник». Все расчеты проводили с помощью программ WinGX и АРЕХ2.
Порошковую дифрактометрию проводили с использованием автоматического рентгеновского дифрактометра Bruker D8 Advance, оборудованного приставкой Vario и линейным координатным детектором Vantec. Использовали СиК излучение ( = 1.5406 А), монохроматизированное германиевым изогнутым монохроматором Йохансона, режим работы рентгеновской трубки 40кВ, 40 мкА. Эксперименты выполнили при комнатной температуре в геометрии Брэгг-Брентано с плоским образцом.
Данные ТГА и ДСК получили на приборе PerkinElmer, STA-6000 с использованием в качестве продувочного газа азота, прогоняемого со скоростью 20мл/мин. Прибор сначала разогревали в течение 2 минут при 30 C, затем нагрев осуществляли с 30C до 280 C со скоростью 20C/мин.
Измерение эффективности преобразования осуществляли с использованием неодимового лазера на аллюмо-иттриевом гранате (YAG:Nd3+ лазер) с длиной волны 1064 нм по модифицированной методике Курца-Перри, описанной в статье [149].
Пороги разрушения определяли при воздействии нескольких десятков тысяч импульсов основной гармоники (1064 нм) по изменению от квадратичного вида зависимости интенсивности второй гармоники от плотности излучения основной гармоники, по количеству импульсов (с одинаковой плотностью энергии в каждом импульсе), необходимых для уменьшения интенсивности второй гармоники. Окончательный контроль деструкции образцов проводили с использованием микроскопа.
Спектры диффузного отражения порошков измеряли на установке состоящей из спектрометра Stellarnet, источника света с галогеновой и дейтериевой лампой и волоконно-оптического зонда отражения/обратного рассеяния ориентированного под 45 градусов по отношению к поверхности исследуемого порошка. В качестве эталона использовали порошок MgO [154].