Содержание к диссертации
Введение
1. Синтез ковалентно-связанных порфиринкаликс[4]ареиов 7
1.1. Мономерные порфирин-каликс[4]арены 8
1.2. Димерные порфирин-каликс[4]арены 17
2. Комплексообразующие свойства металлопорфиринов 24
2.1. Аксиальная координация монодентантных лигандов на порфиринатах цинка 25
2.2. Аксиальная координация бидентантных лигандов на порфиринатах цинка 34
3. Синтез мономерных и димерных порфиринов 45
3.1. Синтез мономерных порфиринов 45
3.2. Синтез димерных порфиринов 59
4. Методика подготовки исходных веществ, проведения и расчета спектрофотометрических измерений в реакциях с участием порфиринов 66
4.1. Подготовка исходных веществ 66
4.2. Методика проведения и расчета спектрофотометрических измерений в реакциях с участием порфиринов 67
5. Синтез мономерных и димерных порфиринов 75
5.1. Синтез мономерных порфиринов 75
5.2. Синтез димерных порфиринов 78
6. Спектральные свойства мономерных и димерных порфиринов 81
6.1. Н ЯМР спектры порфиринов 82
6.1.1. Мономерные порфирины 82
6.1.2. Димерные порфирины 87
6.2. Электронные спектры поглощения порфиринов 94
6.2.1. Мономерные порфирины 94
6.2.2. Димерные порфирины 96
7. Комплексообразующая способность порфиринатов цинка в реакциях связывания азотсодержащих лигандов различной природы 99
7.1.1. Комлексообразование порфиринатов цинка с монофункциональ ными лигандами 99
7.2. Комплексообразование порфиринатов цинка с бифункциональными лигандами 109
7.2.1. Взаимодействие порфиринатов цинка с 1,4-диазабицикло-октаном и пиразином 109
7.2.2. Взаимодействие порфиринатов цинка с метиловыми эфирами аминокислот 122
Выводы по работе 133
- Димерные порфирин-каликс[4]арены
- Синтез димерных порфиринов
- Синтез димерных порфиринов
- Комплексообразование порфиринатов цинка с бифункциональными лигандами
Введение к работе
Актуальность работы: Создание молекулярных рецепторов под определенный тип субстрата является одной из основных задач органической химии. Металлопорфирины являются чрезвычайно полезными для реализации этой цели. Их уникальные свойства обусловлены необычным геометрическим и электронным строением порфиринового лиганда, содержащего развитую ароматическую, сопряженную систему. В последние годы интерес к данному классу соединений резко возрос из-за способности металлопорфиринов участвовать в молекулярном распознавании биологически активных молекул (таких как амины, аминоспирты и аминокислоты). С этой точки зрения несомненный интерес представляет химическая модификация порфиринового макроцикла с целью введения в молекулу фрагментов обладающих способностью образовывать комплексы включения, как с заряженными частицами, так и с неполярными молекулами.
Работа выполнена в соответствии с Программой важнейших фундаментальных исследований РАН "Синтез, строение и свойства димерных, олигомерных и стерически искаженных порфиринов" N 01.2.00.102455. Отдельные разделы диссертации выполнены при поддержке программы РАН "Направленный синтез веществ с заданными свойствами и создание материалов на их основе".
Целью работы является разработка простых и эффективных методов синтеза новых молекулярных рецепторов на основе мономерных и димерных порфиринатов цинка и исследование их спектральных и комплексообразующих свойств по отношению к азотсодержащим лигандам различной природы.
Научная новизна. Разработан новый синтетический путь для получения циклофанового димера содержащего в своем составе металлопорфириновые фрагменты различной природы.
Впервые синтезированы четыре циклофановых димерных порфирина в которых калике [4] ареновый фрагмент
через тройную связь непосредственно связан с мезо-положением порфиринового макроцикла.
Впервые синтезированы 5-этинил-2,8,12,18-тетраметил-3,7,13,17-тетрабутилпорфирин и 5-этинил-2,8,12,18-тетраметил-3,7,13,17-тетрабутилпорфиринат цинка исходя из 5-формил-2,8,12,18-тетраметил-3,7,13,17-тетрабутилпорфирината меди.
Исследованием комплексообразующей способности синтезированных димерных порфиринатов цинка по отношению к 1,4-диазабицикло[2,2,2]октану и пиразину показано, что в зависимости от конформационной подвижности калике [4]-аренового мостика комплексообразование димерных метало-порфиринов с бидентатными лигандами, содержащими два атома азота может протекать по типу 1:1 или 1:2 взаимодействия.
Изучена координация метиловых эфиров глицина, а-аланина и лейцина на восемнадцати арилпорфиринатах цинка различного строения за счет донорно-акцепторного взаимодействия между аминогруппой аминокислоты и атомом цинка реакционного центра металлопорфирина. Установлено, что образование дополнительных водородных связей между гидроксильными группами порфирина и атомом кислорода эфирной группы аминокислоты существенно (максимально в 4 раза) повышает прочность молекулярного комплекса в толуоле.
Практическая значимость работы заключается в создании новых молекулярных рецепторов на основе мономерных и циклофановых димерных порфиринатов цинка для селективного связывания моно и бифункциональных лигандов различной природы. Разработанные методы синтеза порфиринов и полупродуктов являются эффективными и технологичными. Результаты исследования взаимосвязи строения и реакционной способности химически модифицированных порфиринатов цинка в среде неводных растворителей, а также роли электронных и стерических факторов в изменении комплексообразующих свойств этих макроцикли-ческих соединений являются важными как для развития теории химии гетероциклических соединений в целом, так и для создания новых материалов для процессов экстракции и мембранного переноса.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на IX Международном симпозиуме по органической химии "Belgian organic synthesis symposium", Namur, 2002; V Школе молодых ученых стран СНГ по химии порфиринов и родственных соединений, г. Москва, 2002; ГХ Международной конференции по химии порфиринов и их аналогов, г. Суздаль, 2003; ГХ Международной конференции "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах", г. Плес, 2004; XXV Научной сессии Российского семинара по химии порфиринов и их аналогов, г. Иваново, 2004.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 3
статьи и тезисы 5 докладов на Всероссийских и
Международных научных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов и выводов. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста и содержит 26 таблиц, 16 схем, 28 рисунков и список цитируемой литературы, включающий 133 наименований работ.
Димерные порфирин-каликс[4]арены
Особый интерес представляют димерные порфирин - каликс[4]арены, в которых мономерные порфириновые фрагменты удерживаются в определенной b TV ориентации друг относительно друга за счет каликс[4]ареновой платформы. Ковалентная комбинация этих двух структурных фрагментов в одну молекулу предоставляет уникальные возможности для построения связывающих полостей ("ловушек") на ионы и нейтральные частицы. В работе [16], по двух стадийному методу синтеза порфиринов из а, ау незамещенных дипирролилметанов синтезирован (схема 8) первый циклофановый димерный порфирин, в котором порфириновые макроциклы связаны между собой каликс[4]ареновыми фрагментами. При взаимодействии диальдегида (52) с дипирролилметаном в дихлорметане в присутствии трифторуксусной кислоты с последующим окислением реакционной массы дихлордицианбензохиноном получен биспорфирин-каликс[4]арен (53) с выходом 0.4%. Наличие четких дублетов каликс[4]ареиовых СНг-мостиковых протонов при 4.83 и 3.85 м.д. ясно указывает на то, что каликсареновые фрагменты в составе биспорфирин-каликс[4]аренового коньюгата (53) находятся в конформации "корола". В качестве молекулярного спейсера в работе [17] выбраны каликс[4]арен (54) и тиакаликс[4]арен (55), которые относятся к числу относительно доступных соединений. Действием этилбромацетата в присутствии К2СО3 в кипящем ацетоне ключевые соединения (54, 55) превращены в соответствующие диацетаты и тетраацетаты, которые при щелочном гидролизе легко образуют карбоновые кислоты. Взаимодействием дикислот каликс[4]аренов с моноаминопроизводным тетрафенилпорфирина синтезированы диамиды бис-порфирин-каликс[4]аренов (56, 57) с 78 и 72 %-ными выходами, соответственно (схема 9), в то время как татраамиды (58, 59) были приготовлены из тетрахл оран гидридов каликс[4]аренов с 45 и 71 % выходами. Реакцией комплексообразования биспорфирин-каликс[4]ареновых лигандов с ацетатом цинка в безводном дихлорметане получены их цинковые комплексы (60 - 63).
Результаты исследования Ни С ЯМР спектров последних свидетельствуют о том, что каликс[4]ареновые фрагменты находятся в конформации "корона". Так, в спектре 1Н ЯМР бис-2ппорфирин-тиакаликс[4]арена (61) присутствуют две группы сигналов трет.- бутильных протонов (5 = 1.25 и 1.36 м.д.), что соответствует C2v симметрии, характерной для диаметрально замещенных каликс[4]аренов в конформации "корона". Аналогично, расположение сигналов соответствующих протонов в ]Н ЯМР спектрах цинковых комплексов (62, 63) указывает на нахождение каликс[4]аренового фрагмента в конформации "корона" с характерной для тетрапроизводных С „ симметрией. Исследование электронных спектров поглощения биcZnпopфиpин-тиакаликс[4]аренов (61) и (63) показало наличие максимумов поглощения при 550 и 588 нм для Q (1.0) и Q (0.0) полос, что подобно аналогичным характеристикам для цинкового комплекса тетрафенилпорфирина (548, 586 нм) [16]. Однако, в отличие от последнего, полосы Соре димеров существенно уширены и расщеплены, что указывает на наличие сильного экситонного взаимодействия между тс- электронными системами соседних порфириновых фрагментов в составе димерного порфирина. Подобные изменения были также обнаружены в спектрах поглощения порфирин-каликс[4]аренов и ковалентно связанных димерных порфиринов [18]. Расщепление полосы Соре наблюдаемое в спектрах бис2ппорфирин-каликс[4]аренов (61) и (63) указывает на расположение порфириновых фрагментов друг над другом. Аналогичные спектральные особенности присущи и ЭСП бис7ппорфирин-каликс[4]аренов с мети леновым и мостиками в ободе (60) и (62). Зависимость спектральных изменений от природы растворителя обусловлена конформационной подвижностью фрагмента соединяющего порфириновые макроциклы и каликс[4]арен. В целом, более полярные растворители вызывают более сложные экситонные взаимодействия [18]. В работе [19] осуществлен синтез порфирин - калике[4]аренов (64, 65) обладающих способностью селективно связывать анионы различной природы. Исходный аминозамещенный порфирин (66) и каликс[4]арены (67 -70) и (71) находящиеся в конформации "корона" или в конформации " 1,3-алыперната" (схема 10) были приготовлены восстановлением соответствующих нитропро извод ных. Нагреванием (66) с бис-(трихлорметил)карбонатом в дихлоэтане в присутствии триэтиламина синтезирован изоционат (72) который является нестабильным соединением. Взаимодействием последнего с аминокаликс[4]аренами (67 - 70) или (71) получены порфирин-каликс[4]арены (73 - 77) с 33 - 68%-ньши выходами.
В работе [20] осуществлен синтез димерных порфиринов циклофановая структура которых обеспечивается находящимися в различных конформациях каликс[4]ареновыми мостиками (схема 11). Ключевые дийодпроизводные каликс[4]аренов (78, 79) получены в соответствии с [21] селективным галогенированием краун[6]каликс[4]арена и дипропоксикаликс[4]арена. Алкилированием (78» 79) синтезированы производные (80 - 82), в которых каликс[4]ареновые фрагменты находятся либо в конформации "корона", либо в конформации " 1,3-альтерната". Наличие пропокси заместителей препятствует вращению арильных фрагментов т.е. переход одной конформации каликс[4]арена в другую исключен. Реакцией 5,10,15- тримезитил-20-(4-этинилфенил)порфината цинка (83) с (80 - 82) в толуоле в присутствии РсЗ(РРЬз)2СІ2, Cul и триэтиламина синтезированы биспорфирин- каликс[4]ареновые коньюгаты ( 84 - 86) с 35%, 45% и 40% выходами, сответственно. Исследования Н ЯМР спектров последних показали, что по сравнению с порфирином (83) происходит небольшой сильнопольный сдвиг сигналов /7- пиррольных протонов и мезо- фенильных протонов. Вместе с изменениями происходящими в мультиплетности этих сигналов, указанные сдвиги свидетельствуют о ориентации тетрапиррольных макроциклов "лицом к mtify" друг к другу. Небольшой сильнопольный сдвиг сигналов протонов при замене "внутренней" полиэфирной цепи в (84) на пропильные заместители в (86) указывает на уменьшение расстояния между порфириновыми фрагментами. Взаимное экранирование соседних тетрапиррольных макроциклов становится сильнее в случае конформера (85). Максимальный химический сдвиг (0.15 м.д.) наблюдается для близлежащих /?-пиррольных протонов и 2- протонов фенильных фрагментов. Исследования в данной области находятся в самом начале развития, но уже полученные результаты свидетельствуют о чрезвычайной перспективности данного направления, о возможности создания на основе порфирин- каликс[4]ареновых коньюгатов селективных рецепторов и сверхчувствительных сенсоров. В основе способности большей части порфириновых рецепторов к молекулярному распознаванию лежит способность реакционных центров металл опорфириновых фрагментов к аксиальной координации молекул субстрата [22]. Дополнительная координация стабильной плоской частицей комплекса (например, металлопорфирином) лигандов, заполняющих пятое, шестое и т. д. координационные места во внутренней координационной сфере металла и располагающихся над и под плоскостью стабильного исходного комплекса, приводит к образованию экстракомплекса (рис.1).
Синтез димерных порфиринов
Дихлорметановый раствор сушили сульфатом натрия, растворитель отгоняли в вакууме досуха. Остаток хроматографировали на оксиде алюминия, элюируя смесью хлороформ - гексан, 2:1. Растворители отгоняли в вакууме, порфирин перекристаллизовывали из смеси дихлорметан -метанол, 1:1. Выход 58.47 мг (52 %). Rr0.44 (А1203, элюент - смесь дихлорметан - гексан, 2:1). Электронный спектр (толуол), X макс-1 нм (Jg с): 586.3 (3.24), 552.6 (3.68), 430.0 (4.72). Спектр ЯМР Н, д, м.д.: 9. 39 (4 Н, с, ms5y 5 . is, is - Щ 9.37 (2 Н, с, ms20,2о - Н), 8.89 (1 Н, с, ОН), 8.79 (1 Н, с, ОН), 7.49 ( 4 Н, д, м - аром.), 6.28 (2 Н, т, п - аром.), 6.16 (4 Н, с, м - аром.), 4.05 - 3.97 (12 Н, м, OCH2CHi. СН2СН? СН2СН3 ft 1,8, ,8у)) , 4.12 (4 Н, д, АгСН2Аг), 3.79 (8 Н, т, СНгСН2 СН2СН3 (8, „ , 12, ,/)), 3.05 (12 Н, с, СНзо/п. її)), 3.16 (4 Н, АгСН2Аг), 3.13 (12 Н, с, ClW.H. із ) ), 2.10 -2.04 (16 Н, м, СН,СН,СН,СНі (2.18, 8 , 12, 12 , 18,,,/ ), 1.62-1.50 (16 Н, м, СН?СН?СН?СНі (2,2.8,8.12.12, is, is) )» 1.12(18 Н, м, ОСН?СН , СН?СН?СН?СНч nt 2 18.1 Д 1-02 (12 Н, т, CH,CH?CH,CHL,K 8 . 12, 2 )). FAB масс-спектр, m/z (10Т!] %): 1718.4 (92) [М]+. Найдено, % : С 75.38; Н 6.70; N 6.49. CW8H116N8Zn204. Вычислено, % : С 75.42; Н 6.75; N 6.52. Реакционную смесь нагревали при перемешивании 24 ч. Растворители отгоняли в вакууме, и остаток экстрагировали 30 мл дихлорметана, содержащим 5 мл 10%-ной соляной кислоты. Органический слой отделяли и дважды промывали водой. Дихлорметановыи раствор сушили сульфатом натрия, растворитель отгоняли в вакууме досуха. Остаток хроматографировали на оксиде алюминия, элюируя смесью дихлорметан-гексан (1:1). Растворители отгоняли в вакууме, порфирин перекристалл изовывал и из смеси дихлорм етан-метанол (1:1). Выход 24.12 мг (72%). Rf 0.57 (AI2O3, элюент - смесь дихлорметан-гексан, 1:1). Электронный спектр (толуол), X макс., им (Ig с): 584.4 (3.20), 550,6 (3.62), 428.1 (4.69). Спектр ЯМР 1Н, 3, м.д.: 9. 35 (4 Н, с, ms5J, )5,,/- Н), 9.33 (2 Н, с, ms20,20- Н), 7.47 ( 4 Н, д, м - аром.), 6.25 (2 Н, т, п - аром.), 6.14 (4 Н, с, м - аром.), 4.01 - 3.92 (12 Н, м, ОСЩСНз, СН2СН? СН2СН3 (2,1 18. 1В )) , 4.11 (4 Н, д, АгСН2Аг), 3.74 (8 Н, т, СН2СН, СН2СН3 (ц. 112,12х)), 3.71 (4 Н, с, ОСН2СН20), 3.54 (16 Н, м, ОСН2СН2Р\ 3.00 (12 Н, с, СНз о,1 плі)\ 3.16 (4 Н, д, АгСН2Аг), 3.11 (12 Н, с, СНнг7[ 13,13 ),2.08 -2.01 (16 Н, м, СНзОЪСНгСНз (2,1 8,1 12 „ , ]8, ,„ ,), 1.60-1.48 (16 Н, м, СНгСНгСНгСНзаа .ї.в .іг.іг їмв )), 1.10(18 Н,м, OCHzCHj, СНаСНгОШЦе, /, i8, is )), 0.98 (12 Н, т, СН,СН7СН,СН1(К 8 , 12, ,/,). FAB масс-спектр, m/z (1отн,%): 1919.8 (89) [М]+. Найдено, % : С 73.71; Н 6.92; N 5.74. CmHI34N8Zn208.
Вычислено, % : С 73.75; Н 6.98; N 5.80. Смесь перемешивали 5 мин и к содержимому колбы прибавляли 2.38 мг (0.005 ммоль) бис-(трифенилфосфин) палладий(П) хлорида и 0.81 мг (0.005 ммоль) иодида меди (I). Реакционную смесь перемешивали при 50 С 24 ч. Растворители отгоняли в вакууме, остаток растворяли в дихлорметане и органический слой дважды промывали водой. Дихлорметановый раствор сушили сульфатом натрия, растворитель отгоняли в вакууме досуха. Остаток хроматографировали на оксиде алюминия, элюируя смесью хлороформ - гексан, 2:1. Растворители отгоняли в вакууме, порфирин перекристаллизовывали из смеси дихлорметан - метанол, 1:1. Выход 57.41 мг (48 %). Rf 0.61 (А1203, элюент - смесь дихлорметан - гексан, 2:1). Электронный спектр (толуол), X макс, нм (lg є): 587.0 (3.25), 553.1 (3.71), 430.1 (4.79). Спектр ЯМР Н, д, м.д.: 9. 38 (4 Н, с, ms5Jt 15, и - Н), 9.36 (2 Н, с, тз20,2о-Щ 8.90 (1 Н, с, ОН), 8.77 (1 Н, с, ОН), 7.49 (4Н,д,.и- аром.), 6.31 (2 Н, т, п - аром.), 6.17 (4 Н, с, м - аром.), 4.06 - 3.98 (12 Н, м, ОСН2СНя. СН2СН? СН2СН3 (2,2 , w, is )) , 4.12 (4 Н, д, АгСН2Аг), 3.78 (8 Н, т, СНдСН, СН2СН3 (8,112,« ,), 3.06 (12 Н, с, СН3 {3J, п, „ ,), 3.15 (4 Н, д, АгСН2Аг), 3.13 (12 Н, с, СН3 (7. і, із, із )), 2.11 -2.02 (16 Н, м, СНгСНгСНгСНз (2,2 ,8,« .и. п, is, и )) Л -61 -1.49 (16 Н, м, СН2СН2СЩ:Н3 р. I е. в . .2. і/, .8, « ) ), 1.10 (18 Н, м, ОСНгСЩ, СНгСНгОЪСЩ (2/.8.1/)), 1-01 (12 Н, т, СНзСНзСНгСН, ,ъп)). Найденого: С 75.48; Н 6.71; N 6.47. CiogHneNgZnCuO Вычислено, % : С 75.52; Н 6.76; N 6.53. 95.62 мг (0.14 ммоль) 5-этинил-2,8,12,18-тетраметил-3,7ДЗД7-тетрабутилпорфирината цинка (115) и 65.42 мг (0.07 ммоль) дииодкаликс[4]арена (130) растворяли в 5 мл толуола и к полученному раствору, в атмосфере аргона прибавляли 5 мл триэтиламина. Смесь перемешивали 5 мин и к содержимому колбы прибавляли 4.76 мг (0.01 ммоль) бис-(трифенилфосфин) палладий(Н) хлорида и 1.62 мг (0.0Ї ммоль) иодида меди (I). Реакционную смесь перемешивали при 50С 24 ч. Растворители отгоняли в вакууме, остаток растворяли в дихлорметане и органический слой дважды промывали водой. Дихлорметановый раствор сушили сульфатом натрия, растворитель отгоняли в вакууме досуха. Остаток хроматографировали на оксиде алюминия, элюируя смесью хлороформ - гексан, 2:1. Растворители отгоняли в вакууме, порфирин перекристаллизовывали из смеси дихлорметан -метанол, 1:1. Выход 54.65 мг (49 %). R/ 0.57 (А120з, элюент - смесь дихлорметан- гексан, 1:1). Электронный спектр (толуол), Я макСір нм (lg є): 584.4 (3.20), 550.6 (3.62), 429.1 (4.69). Спектр ЯМР Н, S, м.д.: 9. 35 (4 Н, с, ms5t 5[ 15,15 - Н), 9.33 (2 Н, с, ms20,2Q- Н), 7.47 (4Н,д„м- аром.), 6.25 (2 Н, т, п - аром.), 6.14 (4 Н, с, м - аром.), 4.01 - 3.92 (12 Н, м, ОСН,СН3. СН2СН? СН2СН3 {2,2 . ти ) ) » 4.11 (4 Н, д, АгСН2Аг), 3.74 (8 Н, т, СН,СН, СН2СН3 (8,« . 12, п)), 3.71 (4 Н, с, ОСНзСНзО), 3.54 (16 Н, м, ОСН2СН20). 3.00 (12 Н, с, СН3 (3,3 . ш? )), 3.16 (4 Н, д, АгСН2Аг), 3.11 (12 Н, с, СН3 (7, і, із, із ) ),2.08 -2.01 (16 Н, м, СН,СН,СН?.СН, {2, 2Л,112, и. 18, is )), 1-60-1.48 (16 Н, м, СНгСНгШгСНзвАв . .2, и . 18.18 1-Ю (18 Н, м, ОСНзЩз, СНгСНаСНгСНаа/ ї$м% 0.98 (12 Н, т, СН2СН2СН2СНІ.{8.1 п, 12 )). Найдено, % : С 73.71; Н 6.92; N 5.74. C1,8H]34N8Zn208. Вычислено, % : С 73.75; Н 6.98; N5.80. 95.34 мг (0.14 ммоль) 5-этинил-2,8,12,18-тетрам етил-3,7,13,17-тетрабутилпорфирината меди (114) и 47.81 мг (0.07 ммоль) дииодкаликс[4]арена (119) растворяли в 5 мл толуола и к полученному раствору, в атмосфере аргона прибавляли 5 мл триэтиламина. Смесь перемешивали 5 мин и к содержимому колбы прибавляли 4.76 мг (0.01 ммоль) бис-(трифенилфосфин) палладий(П) хлорида и 1.62 мг (0.01 ммоль) иодида меди (I). Реакционную смесь перемешивали при 50С 24 ч.
Растворители отгоняли в вакууме, остаток растворяли в дихлорметане и органический слой дважды промывали водой. Дихлорметановый раствор сушили сульфатом натрия, растворитель отгоняли в вакууме досуха. Остаток хроматографировали на оксиде алюминия, элюируя смесью хлороформ - гексан, 2:1. Растворители отгоняли в вакууме, порфирин перекристаллизовывали из смеси дихлорметан -метанол, 1:1. Выход 58.47 мг (52 %). Rf0.44 (А1203, элюент - смесь дихлорметан - гексан, 2:1). Электронный спектр (толуол), X макс„ нм (lg є): 586.8 (3.26), 552.8 (3.70), 431.9 (4.81). Спектр ЯМР !Н, 5, м.д.: 9. 40 (4 Н, с, ms5Jt ,3. (5 - Н), 9.38 (2 Н, с, ms20 20 - Н), 8.91 (1 Н, с, ОН), 8.77 (1 Н, с, ОН), 7.52 ( 4 Н, д, л - аром.), 6.33 (2 Н, т, п - аром.), 6.19 (4 Н, с, м - аром.), 4.07 - 3.97 (12 Н, м, ОСН2СНз, СНгСНгСНгСНз ог .нив ) ),4.15 (4 Н, д, АгСН2Аг), 3.80 (8 Н, т, СЩСН, СН2СН3 R, I 12, п)), 3.06 (12 Н, с, СН3 (з, I „.IT ) ), 3.18 (4 Н, АгСН2Аг), 3.14 (12 Н, с, СН3 (7,/,13, )), 2.12 -2.02 (16 Н, м, СНгСНгСНаШзсг и.»7. ц, i/, is, и )), 1.60-1.51 (16 Н, м, СН2СН3СН2СНз (2, 2 . 8, /, 12, .2У, is, ю )), 1.14 (18 Н, м, ОСНзСНз, СНгСНзСНзСН (2, /, is, is )), 1.08 (12 Н, т, CH2CH2CH2CHi(g, 8 , ,2, 12 ,). Найдено, %: С 75.59; Н 6.74; N 6.49. C,08Hn6N8Cu2O4. Вычислено, %: С 75.61; Н 6.77; N 6.53. Порфирины (110-117,120,124-129,131) были синтезированы и очищены по методикам, представленным в главе III настоящей работе. Порфирины (87,143-158) были синтезированы по методике [69-73]. Каликс[4]арены (119 и 130) синтезированы по методикам [74,75]. Все использованные в работе растворители очищены по известным методикам [76]. Содержание воды в них контролировали титрованием реактивом Фишера. Физические характеристики и содержание воды в них приведены в таблице 8. Ацетат цинка двукратно перекристалл изовы вали из водной уксусной кислоты и обезвоживали нагреванием при 370 - 390 К. Для изучения состава и устойчивости, как комплексных соединений, -._, так и молекулярных комплексов в растворах широко используется спектрофотометрический метод анализа на аналитических длинах волн. В настоящее время известно несколько разновидностей данного метода: метод молярных отношений, метод отношения углов наклона, метод изомолярных серий и т. д. [68]. Все они предусматривают приготовление смесей, содержащих реагенты в разных соотношениях, измерение их оптических плотностей и сопоставление их с известными концентрациями реагентов.
Синтез димерных порфиринов
Синтетическая органическая химия циклофановых димерных порфиринов относится к числу наиболее интенсивно развивающихся областей химии гетероциклических соединений. В настоящее время синтезированы димерные порфирины самой сложной структуры, в которых соответствующая ориентация мономерных фрагментов может обеспечиваться как гибкими связывающими звеньями (углеводородными или эфирными), так и жесткими ароматическими мостиками (фенильными, нафталиновыми или антраценовыми) [4]. Включение молекулы каликсарена в состав димерного порфирина представляет несомненный интерес, так как каликсарены обладают способностью образовывать л-комплексы с катионами и широко используются в качестве "ловушек" металлов различной природы [8,10,11,15,18,20,93,94]. Однако, особенности строения полученных порфирин - каликсареиовых коньюгатов [15,20] (наличие арильного фрагмента между каликсареном и тетрапиррольным макроциклом порфирина) приводят к тому, что мономерные порфириновые фрагменты значительно удалены друг от друга и их взаимное влияние практически отсутствует. Нами осуществлен синтез циклофановых димерных порфиринов, в кото- vy рых каликсарсновый фрагмент через тройную связь непосредственно соединен сл/езо-положением порфиринового макроцикла. При взаимодействии дийодкаликс[4]арена (119) с 5- этинилоктаалкилпорфиринатом цинка (115) по методу Соногашира [91] синтезирован циклофановый бис-цинковый комплекс каликс[4]арен порфирина (127). Реакцию проводили в тщательно осушенном толуоле в присутствии Cul, Pd(PPh3)2CI2 и триэтиламина. Выход целевого продукта после хроматографиче-ской очистки на окиси алюминия с последующей кристаллизацией из смеси ди-хлорметан - метанол (1:1) составил 52%. Соответствующей химической модификации каликсареновой платформы в комплексе (127) синтезирован краун-эфир замещенный каликс[4]арен-биспорфирин (128). Введение полиэфирного мостика в нижний обод каликсаренового фрагмента достигнуто при взаимодействии соединения (127) с пентаэтиленгликоль ди-(и-толуолсульфонатом) в присутствии карбоната цезия. Выход составил 72% и, как следует из результатов ТСХ, соединение (128) является единственным порфириновым продуктом ре- акции.
Одновременно с этим, нами был синтезирован краун-эфир замещенный каликс[4]арен-биспорфирин (128) реакцией дииод производного каликс[4]арен краун [6] (130) с л езоэтинилоктаалкилпорфиринатом цинка (115) по (схеме 15). Выход порфирина составил 48%, что указывает на отсутствие каких-либо сте-рических ограничений процессу химического взаимодействия (схема 15) со стороны полиэфирной цепи каликс[4]аренового фрагмента. В синтетической химии циклофановых димерных порфиринов особый интерес представляют соединения, в которых молекула содержит два различных металлопорфириновых фрагмента. Разработанный нами подход (схема 16) позволяет успешно решить данную задачу. Взаимодействием эквимолярных количеств соответсвующего каликс[4]арена ил/езо-этинилпорфирината цинка с 52%-ным выходом синтезирован моноиодкаликс[4]арен-порфирин (120). Реакцией последнего с л езо-этинилпорфиринатом меди по методу Соногашира [91] с 48% выходом, синтезирован гетер об иядерный комплекс (129), В аналогичных условиях, реакцией дийодкаликсарена с двумя эквивалентами мезо-этинилпорфирината меди, с 52% выходом, синтезирован биспорфи-рин-каликсарен (131). При исследовании полученных димерных порфирин-каликс[4]аренов обнаружено, что: 1) соединения устойчивы при хранении; 2) их спектральные свойства (ЭСП и ЯМР Н) полностью соответствуют структурам синтезированных соединений. VI. СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА МОНОМЕРНЫХ И ДИМЕРНЫХ ПОРФИРИНОВ Спектральные методы анализа дают богатую информацию о строении синтезированных соединений. В этой главе нами рассмотрена взаимосвязь структуры порфиринов и полупродуктов с их спектрами ЯМР н и ЭСП. УІЛ.ЯМР Н спектры порфиринов Как показали исследования последних десятилетий, спектры ЯМР Н очень информативны и хорошо отражают структурное своеобразие порфиринов [95-109]. Наличие очень протяженной делокализованной к- электронной системы макроцикла порфиринов приводит к возникновению сильного кольцевого тока в их молекулах, помещенных в магнитное поле. Кольцевой ток вызывает анизотропное экранирование протонов, находящихся в поле его действия, и наряду с диамагнитной составляющей спаренных а- электронов приводит к сильному сдвигу их сигнала в спектрах ЯМР Н. Можно утверждать, что кольцевой ток и ароматичность порфиринов изменяются однотипно под влиянием одних и тех же изменений молекулярной структуры и среды. Особенно явно это проявляется при сравнении спектров порфиринов и их предшественников. Химические сдвиги протонов существенным образом зависят от электронной плотности на атоме водорода, от кольцевого тока молекулы, к- электронного заряда на атоме, связанном с рассматриваемым протоном, и от стери-ческих эффектов, обусловленных взаимодействием с заместителями или гетероатомами цикла. Разделение этих влияний, как правило, связано с серьезными трудностями.
Теоретический анализ спектров ЯМР Н свидетельствует [106-109], что положение сигналов протонов порфиринов определяется, главным образом, силой кольцевых ж - электронных токов - макроциклического, охватывающего молекулу в целом и локальных, сосредоточенных в пиррольных ядрах. Следует отметить, что макроциклический ток имеет ( рис. 8) главное "русло", соответствующее основному 18-членному контуру сопряжения, и "рукава", образованные полуизолированными связями между Ср-Ср в пирролениновых ядрах. Наружние fi-CH и ms-CH-протоны по отношению к макроциготическому и локальным пиррольным токам являются экзоциклическими и находятся под дезэкранирующим действием последних. Их сигналы наблюдаются в слабом поле: ms- СН от 9,5 до 10,5 м.д., fi-Cft от 8,5 до 9,5 м.д. (таблица 9). Внутренние NH-протоны оказываются экзоциклическими по отношению к локальным кольцевым токам и внутри циклическими по отношению к макро-циклическому. Экранирующее действие последнего, безусловно, преобладает, и сигналы NH- протонов наблюдаются в очень сильном поле: в области от -1,5 до -4 м.д. /?-Атомы водорода пиррольных и пирролениновых ядер, в принципе, не эквивалентны, однако при комнатной температуре происходят быстрые в масштабе времен ЯМР таутомерные превращения и сигналы /?-СН протонов усредняются. При низких температурах можно наблюдать два разных пика, сооветствую-щих резонансному поглощению энергии протонами пиррольных и пирролениновых /?-СН группировок [3]. При переходе от порфина к хлорину в спектрах ЯМР Н сигналы NH-протонов смещаются в слабое поле, a ms-H - в сильное, т.е. навстречу друг к другу. Это свидетельствует об уменьшении напряженности индуцированного магнитного поля, создаваемого макроцикл ическим кольцевым током [3,105,109]. Такие изменения обусловлены двумя следствиями гидрирования одной из С/г=Сд- связей. Во-первых, в результате гидрирования двойной связи Ср-Ср на два электрона уменьшается число носителей заряда, обеспечивающих макроциклический кольцевой ток, и соответственно уменьшается сила последнего. Во-вторых, исчезает один из "рукавов", по которому протекает этот ток. Уменьшается эффективный диаметр кольцевого проводника и, как результат падает напряженность магнитного поля, индуцированного макроцикл ическим кольцевым током. При протонировании порфина (переход от раствора в дейте-рохлороформе к раствору в трифторуксусной кислоте) в спектрах ЯМР Н происходит (таблица 9) силыюпольное смещение сигналов NH-протонов и слабо-пол ыюе ms-CH и ft-CH. -Алкильное замещение порфина (переход к октаэтилпорфину и этио-порфирину), сопровождается незначительным слабопольным смещением NH-сигналов и сильнопольным ms-CH. Однотипные, но более ярко выраженные изменения наблюдаются при л/езо-замещении.
Комплексообразование порфиринатов цинка с бифункциональными лигандами
Аксиальная координация монофункциональных лигандов порфиринатами металлов является важным фактором, определяющим комплексообразующие свойства порфиринов, но особенно интересной с позиций супрамолекулярной химии является аксиальная координация на порфиринах би- и полидентатных (полифункциональных) лигандов. Присутствие в таких лигандах-основаниях нескольких точек связывания даёт возможность координировать несколько порфириновых фрагментов, расположенных в пространстве определённым образом. В случае бидентатных лигандов, таких как DABCO (1,4-диазабицикло[2,2,2]октан) или пиразин, два порфирината цинка могут размещаться по обе стороны аксиальной координаты напротив друг друга (подробнее см. гл. лит. обз. П.2). При взаимодействии бифункционального лиганда с димерным порфирином особо прочные комплексы образуются в случае, когда бифункциональный лиганд координируется внутренней полостью димера. Энергия образования такого комплекса, в общем случае, не является удвоенной энергией образования in комплекса с мономером. Она может быть значительно выше из-за целого ряда факторов: хелатного эффекта, взаимодействия между реакционными центрами бидентатного лиганда, конформационных изменении, а также новых взаимодействий, которые могут появиться в системе. Так, в димерных каликсарен-порфиринатах возможность образования внутреннего комплекса с бидентатным лигандом зависит от структурных особенностей каликсареновой платформы. В работе [17] было показано что бис-[тетрафенилпорфиринат цинка]-калексарен Zn2P(60) с DABCO образует лишь "внешние" комплексы состава 1:2. "Внутренние" комплексы состава 1:1 с константой связывания (1.0±0.1)х10 л/мольв хлороформе образуются только в случае димера с тиокалекс[4]ареновым фрагментом Zn2P(61). Целью наших исследований было изучение влияния так называемых «размерных эффектов» на комплесообразующие свойства калике [4] арен-порфиринатов цинка (127,128) по отношению к DABCO и пиразину. Методами спектрофотометрического титрования и ]Н ЯМР спектроскопии изучено комплексообразование (127) и (128) с DABCO и пиразином в бинарном растворе толуол-метанол (2:1) . В качестве объекта сравнения были пиразин изучены комплексообразующие свойства мономерного ,- \N тетраметилтетрабутилпорфирината цинка ZnP(143), kX/ который является аналогом порфириновых фрагментов в Zn2P(127)HZn2P(128).
Исследование процесса комплексообразования я сНз спектрофотометрического титрования и Н ЯМР спектроскопии показало, что при небольших сн / "ії Т \__сн концентрациях лиганда (до соотношения молярных концентраций реагентов 1:0.5) образуется комплекс . „ состава 2:1. На соответствующей кривой титрования (рис.16) наблюдается ярко выраженная ступень, которой соответствует свое семейство изобестических точек в ЭСП (рис. 17). Константа связывания комплекса ZnP(143)-DABCO-ZnP(143) рассчитанная по уравнению (206), равна (2,1 ±0,25)х 109[л/моль]2. В спектре Н ЯМР комплекса порфирин - лиганд в области концентраций реагентов, соответствующей точке перегиба на кривой титрования сигнал протонов DABCO проявляется в сильном поле (-5.02 м.д.), что указывает на образование "внутреннего" комплекса, когда бидентатный лиганд находится между порфириновыми фрагментами и испытывает экранирующее действие их л-электронных систем. На "сэндвичевую" структуру образующегося комплекса с ориентацией порфириновых фрагментов "лицом к лицу" друг относительно друга так же указывает сильнопольный сдвиг сигналов ms-протонов (Д 0.45 м.д.) и протонов /?-алкильных заместителей (Д 0.30 м.д.) в спектре ZnP(143)-DABCO-ZnP(143) по сравнению с ZnP(143) . На кривой спектрофотометрического титрования (рис.16) процесса взаимодействия ZnP(143) с DABCO в области более высоких концентраций лиганда (соотношение молярных концентраций реагентов 1:(0.5- -15)) так же имеется ярко выраженная ступень, которой соответствует свое семейство изобестических точек в ЭСП (рис.18). В спектре Н ЯМР комплекса порфирин -лиганд в области концентраций реагентов, соответствующей насыщению системы сигналы протонов DABCO располагаются в слабом поле (2.65 м.д. и -0.21 м.д.) по сравнению с соответствующим сигналом в спектре ZnP(143)-DABCO-ZnP(143). Ослабление экранирующего действия тг-электронной системы порфиринового фрагмента на протоны лиганда указывает на образование комплекса, состоящего из одной молекулы порфирина и одной молекулы DABCO. В пользу этого предположения свидетельствует и соотношение интенсивностей сигналов протонов лиганда и порфирина в спектре комплекса. Вероятно, при большом избытке DABCO комплекс состава 2:1 разрушается и образуется комплекс ZnP(143)-DABCO состава 1:1 (рис. 19). Константа связывания комплекса ZnP(143)-DABCO составляет (4,08+0,25)х103 л/моль. Подтверждением этому служат результаты ]Н ЯМР исследований. Сравнение спектров показывает, что в присутствии DABCO происходит смещение сигналов протонов всех порфириновых заместителей в слабое поле. Максимальный сдвиг наблюдается для метальных протонов бутильных заместителей (-0,36 м.д.) и соответствует соотношению молярных концентраций порфирин-DABCO 1:2 . Сильный слабопольный сдвиг сигналов протонов лиганда в комплексе II (2.66 м.д. и -0.19 м.д.) по сравнению с соответствующим сигналом в комплексе I (-4.82 м.д.) также свидетельствует в пользу образования "внешнего" комплекса DABCO-Zn2P(127)-DABCO, когда молекулы бидентатного лиганда связаны с реакционными центрами металлопорфириновых фрагментов с внешней стороны и в меньшей степени испытывают экранирующее действие их ж-электронных систем. Взаимодействие порфиринатов Zn(II) с пиразином аналогично их взаимодействию с DAB С О, с тем лишь отличием, что комплексы с пиразином менее устойчивы (таблица 20). Меньшая устойчивость комплексов с пиразином, очевидно, связана с его меньшей основностью.
Сдвиг полос Соре при изучении комплексообразования с пиразином спектрофотометрическим методом примерно в 2 раза меньше, чем с DAB СО и пиридином. Образование «сэндвичевых» комплексов при комплексообразовании мономерных порфиринатов с пиразином нам обнаружить не удалось ни спектрофотометрическим методом, ни методом Н ЯМР-спектроскопии. Возможно, что пиразин вообще не образует «сэндвичевых» комплексов из-за своей слабой основности. Можно также предположить, что спектральные изменения, обусловленные донорно-акцепторными взаимодействиями между атомом азота лиганда и атомом цинка реакционного центра металлопорфирина (батохромное смещение) с одной стороны и циклофановым расположением порфиринов (гипсохромное смещение) с другой, полностью компенсируют друг друга. На всём изученном нами участке концентраций пиразина, этот лиганд образует с мономером ZnP(143) комплекс состава 1:1. При образовании комплексов со стереохимией 1:1 полоса Соре сдвигается на 2-=-2,7 нм, а её интенсивность заметно уменьшается (рис.22). Ка ZnP(143) с пиразином практически на порядок меньше чем с DABCO. Процесс координации Zn;P(127) и (128) с пиразином, согласно полученным нами данным (рис.23-24), происходит ступенчато. На первой стадии образуется комплекс порфиринат-пиразин состава 1:1. Оба димерных порфирина Zn2P(127) и (128) с пиразином, также как и с DABCO, образуют «внутренний» комплекс гп2Р-пиразин с константами ассоциации 4,5x103 и 5,4x103 л/моль, соответственно, которые почти на порядок выше, чем константы ассоциации пиразина мономерным порфиринатом (таблица 20). «Внешние» комплексы со стереохимией 1:2 образуются в случае обоих димеров, с тем лишь отличием, что у димера (127) он образуется раньше (при меньших добавках пиразина), чем у Zn2P(128). Таким образом, методами спектрофотометрического титрования и Н ЯМР спектроскопии исследовано образование комплексов "гость-хозяин" между димерными октаэтилпорфиринатами цинка и бидентатными лигандами содержащими два атома азота. Установлено, что в зависимости от строения мостика комплексообразование изученных димерных металлопорфиринов с 1,4-диаза-бицикло[2,2,2]октаном и пиразином может протекать по типу 1:1 или 1:2 взаимодействия.
![Молекулярный дизайн, синтез и комплексообразующие свойства макроциклических рецепторов на основе функционализированных каликс[4]аренов](/i/i/4364/201437.png "Молекулярный дизайн, синтез и комплексообразующие свойства макроциклических рецепторов на основе функционализированных каликс[4]аренов Гафиуллина Лилия Ильдаровна")
![Синтез и свойства анионных и гетеродитопных рецепторов на основе сульфопроизводных каликс[4]арена](/i/i/4389/311865.png "Синтез и свойства анионных и гетеродитопных рецепторов на основе сульфопроизводных каликс[4]арена Гейде Ирина Валерьевна")
