CC BY
10Порфирины Porphyrins
|/]21фшгэтероц икл ы
http://macroheterocycles.isuct.ru
Статья Paper
meso-Substituted Tetrabenzoporphyrins on the Basis of Stearolic Acid
Leonid A. Yakubov, Nikolay E. Galanin,@ and Gennady P. Shaposhnikov
Department of Fine Organic Synthesis Technology, Ivanovo State University of Chemistry and Technology,
Ivanovo, 153000, Russia
@Corresponding author E-mail: ttoc@isuct.ru
On the basis of stearolic acid the zinc complex of 5-15-di[7-hexadecynyl]tetrabenzoporphyrin was synthesized and converted to the corresponding free base porphyrin. Spectral properties of the synthesized compounds are investigated.
Keywords: Tetrabenzoporphyrin, Zn complex, stearolic acid derivatives.
мезо-Замещенные тетрабензопорфирины на основе стеароловой кислоты
Л.А. Якубов, Н.Е. Галанин,@ Г.П. Шапошников
Кафедра технологии тонкого органического синтеза, Ивановский государственный химико-технологический университет, Иваново, 153000, Россия @E-mail: ttoc@isuct.ru
На основе стеароловой кислоты синтезирован цинковый комплекс 5,15-ди[7-гексадецинил]-тетрабензопорфирина, деметаллированием которого получено свободное основание порфирина. Исследованы спектральные свойства синтезированных соединений.
Ключевые слова: Тетрабензопорфирин, Zn комплекс, производные стеароловой кислоты.
Введение
мезо-Замещенные тетрабензопорфирины являются важнейшими представителями синтетических аналогов природных порфиринов. Уникальные электронно-оптические свойства этих соединений позволяют использовать их, например, в фотодинамической терапии онкологических заболеваний.[1-5] Кроме того, мезо-замещенные тетрабензопорфирины обладают интересными кислотно-основными[6] и электрохимическими[7] свойствами, что делает перспективным их использование как сенсоров для малых молекул и ионов.
К настоящему времени в большей степени изучены мезо-арилзамещенные тетрабензопорфирины. Информация о мезо-алкилзамещенных производных тетрабен-зопорфирина носит единичный характер.[8,9] Хотя эти соединения могут также представлять значительный интерес, их исследования сдерживаются, на наш взгляд, отсутствием препаративных методов их синтеза. Поэтому, разработка методов получения и исследование свойств новых мезо-алкилзамещенных тетрабензопорфиринов является актуальной задачей.
Экспериментальная часть
Электронные спектры поглощения полученных соединений измерены на спектрофотометре Hitachi UV-2001, ИК спектры - на спектрофотометре Avatar 360 FT-IR в области 400 - 4000 см-1 в тонких пленках, 1Н ЯМР спектры в CDCl3 (внутренний стандарт ТМС) - на приборе Bruker AMD-200, масс-спектры зарегистрированы на хромато-масс-спектрометре Varian Saturn 2000R. Элементный анализ выполнен на приборе FlashEA 1112 CHNS-O Analyzer.
Синтез
8,9-Дибромстеариновая кислота, 1. К раствору олеиновой кислоты (25 г, 0,09 моль) в 100 мл CCl4 при температуре 5 оС в течение 2 ч добавляли раствор Br2 (17,5 г, 0,11 моль) в 150 мл CCl4, после чего реакционную массу перемешивали еще 30 мин. Растворитель отгоняли под вакуумом, остаток растворяли в бензоле и хроматографировали на оксиде алюминия II степени активности (элюент - бензол-ацетон, 10:1). Выход 38,4 г (98%), воскообразное вещество желтого цвета, т.пл. 2830 оС. Найдено, %: C 49,22, H 8,02. C18H34O2Br2. Вычислено, %: C 48,88, H 7,75. ИК v см-1: 2931, 28499, 2674, 1464 (С-Н), 1709 (C=O), 549 (С-Br).
L.A. Yakubov, N.E. Galanin, G.P. Shaposhnikov
Стеароловая кислота, 2. К алкоголяту натрия, полученному из 0,10 моль металлического натрия и 0,10 моль 1-октанола, добавляли раствор кислоты 1 (0,02 моль) в 50 мл безводного ДМФА, нагревали до кипения и выдерживали в течение 7 ч. После охлаждения реакционную массу разбавляли 500 мл воды и экстрагировали двумя порциями по 70 мл СС14. Органический слой промывали водой, растворитель отгоняли. Остаток хроматографировали на силикагеле 60 (элюент - бензол), собирая основную желтую зону. Выход 5,2 г (82%), воскообразное вещество желтого цвета. Найдено, %: С 76,88, Н 11,62. С18Н3202. Вычислено, %: С 77,32, Н 11,50. ИК V см-1: 3303 (С=С), 2922, 2853, 1466 (С-Н), 2225 (С=С), 1738 (С=0), 626 (С=С). 1Н ЯМР 5 м.д.: 10,10 (1Н, с, СООН), 2,29 (4Н, м, СН2-С=С-СН2), 2,02 (2Н, м, СЯ2СООН), 1,96 (4Н, м, СН2-СН2-С=С-СН-СН2), 1,22 (18Н, м, СН2), 0,84 (3Н, м, СЯ3). m/z: 252 [М-СО], 236 [М-С02].
5,15-Ди[7-гексадецинил]тетрабензопорфиринат цинка, 3. Смесь 3-[1-(1-оксо-1Н-изоиндол-3-ил)метилен]-2,3-дигидро-1Н-изоиндол-1-она (5) [10] (2,0 г, 7,3 ммоль), кислоты 2 (2,2 г, 8,0 ммоль) и оксида цинка (0,8 г) нагревали при температуре 300оС в течение 30 мин, затем охлаждали, экстрагировали хлороформом и хроматографировали на оксиде алюминия II степени активности (элюент - хлороформ), собирая основную зеленую фракцию. Выход 0,85 г (22%), порошок темно-зеленого цвета, хорошо растворим в бензоле, хлороформе, ацетоне, СС14. Найдено, %: С 81,04, Н 8,33, N 5,12. С6СН7Д^п. Вычислено, %: С 80,49, Н 7,75, N 5,52. ЭСП (СС14) Хмакс нм (^ е): 403 (4,59), 426 (5,06), 484 (4,32), 578 (4,01), 626 (4^50), 688 (3,63). ИК V см-1: 3303 (С=С), 3601, 2925, 2853, 1466 (С-Н), 2225 (С=С), 1714, 1657, 1601, 1466, 762 (С=С, С=Щ 626 (С=С). 1Н ЯМР 5 м.д.: 11,03 (2Н, с, мезо-Н), 7,75-7,36 (16Н, м, бензо-Н), 2,88 (4Н, м, а-СН2), 2,28 (8Н, м, СН2-С=С-СН2), 1,58-1,19 (40Н, м, СН2),
0,84 (26Н, м, СН3). 2 2 2
5,15-Ди[7-гексадецинил]тетрабензопорфирин, 4. К раствору комплекса 3 (0,3 г, 0,3 ммоль) в 20 мл хлороформа добавляли 50 мл конц. НС1 и выдерживали 24 ч, органический слой отделяли, промывали последовательно раствором аммиака и водой. Растворитель отгоняли, остаток растворяли в бензоле и хроматографировали на оксиде алюминия II степени активности (элюент - бензол). Выход 0,27 г (81%), порошок темно-зеленого цвета, хорошо растворим в бензоле, хлороформе, ацетоне, СС14. Найдено, %: С 84,94, Н 9,51, N 5,21. С^НД,. Вычислено, %: С 85,85, Н 8,26, N 5,89. ЭСП (СС14), ^ нм ^ е): 418 (4,85), 433 (4,90), 478 (4,12), 567 (3,97), 607 (4,39)Г667 (4,55), 714 (3,63). 1Н ЯМР 5 м.д.: 11,12 (2Н, с, мезо-Н), 7,73-7,44 (16Н, м, бензо-Н), 2,78 (4Н, м, а-СН2), 2,25 (8Н, м, СН2-С=С-СН2), 1,60-1,20 (40Н, м, СН2), 0,85 (6Н, м, 2 СН3), -2,48 (2Н, с, МН).
Результаты и обсуждение
Одним из методов синтеза мезо-замещенных тетра-бензопорфиринов является темплатная конденсация фта-лимида с цинковыми солями карбоновых кислот, содержащих свободные метиленовые группы в а-положениях. При использовании карбоновых кислот алифатического ряда (каприновой, стеариновой) образуются мезо-алкилзамещенные тетрабензопорфиринаты цинка, обладающие повышенной растворимостью в органических средах.[9] Очевидно, что еще большей растворимости тетрабензопорфиринов можно достичь путем введения в мезо-положения макроцикла разветвленных алкильных заместителей, способных в большей степени, нежели неразветвленные, уменьшать межмолекулярное взаимодействие. Поэтому, на первом этапе настоящей работы была предпринята попытка синтеза разветвленной
8,9-диоктилоксистеариновой кислоты, которую предполагалось использовать для синтеза высокорастворимых мезо-замещенных тетрабензопорфиринов.
Бромированием олеиновой кислоты молекулярным бромом в тетрахлорметане, была получена 8,9-дибром-стеариновая кислота (1) (Схема 1).
Н3С-(СН2)7-СН=СН-(СН2)7-СООН
Вг2
Вг
Н3С-(СН2)7-СН-СН-(СН2)7-СООН Вг
1
NaOC8Hi7
- 2НВг
Н3С-(СН2)7-С=С-(СН2)7-СООН
Схема 1.
Соединение 1 после хроматографической очистки представляет собой воскообразное светло-желтое вещество, хорошо растворимое в различных органических растворителях. Его строение подтверждали данными элементного анализа и колебательной спектроскопии.
Так, в ИК спектре кислоты 1 наблюдаются полосы валентных и деформационных колебаний связей С-Н (2931, 2849, 2674, 1464 см-1) и карбоксильной группы (1709 см-1). Полоса, характеризующая колебания связей C-Br, находится при 549 см-1 (Рисунок 1, 1).
Предполагалось, что на второй стадии, взаимодействием кислоты 1 с алкоголятом октилового спирта в безводном ДМФА будет получена 8,9-диоктилоксиокси-стеариновая кислота. Оказалось, однако, что это соединение образуется лишь в следовых количествах, о чем свидетельствует наличие в масс-спектре реакционной массы сигналов очень низкой интенсивности с m/z 541 [M]+ и 513 [M-CO]+. Основным же продуктом реакции, как и в случае дегидробромирования соединения 1 в присутствии амида натрия, трет-бутилата калия, KOH или 1,5-диазабицикло[5.4.0]ундец-5-ена (DBU),[11] является стеароловая кислота (2) (Схема 1).
Очистку кислоты 2 проводили также колоночным хроматографированием. Она представляет собой желтое воскообразное соединение, хорошо растворимое в CCl4, хлороформе, гексане, бензоле. Ее строение подтверждали данными элементного анализа, масс-спектрометрии (ЭУ), колебательной и 1Н ЯМР спектроскопии.
ИК спектр соединения 2 (Рисунок 1, 2) отличается от спектра кислоты 1, в основном, отсутствием характерной полосы колебания связей C-Br (550 см-1), а также наличием полос при 3303, 2225 и 626 см-1, характеризующих валентные и деформационные колебания связи С^С.
В 1Н ЯМР спектре кислоты 2 обнаружено пять групп сигналов. Так, в области наиболее слабого поля зарегистрирован уширенный синглет при 10,10 м.д.,
даeso-Substituted Tetrabenzoporphyrins
Рисунок 1. ИК спектры. 1 - кислота 1, 2 - кислота 2, 3 - металлопорфирин 3.
соответствующий резонансу протона карбоксильной группы, в более сильном поле, в области 2,29 м.д., присутствует мультиплет, соответствующий резонансу четырех протонов метиленовых групп, находящихся в положениях 7 и 10 молекулы. Мультиплет в области 2,02 м.д. характеризует резонанс двух протонов а-метиленовых групп, синглет при 1,96 м.д. - резонанс четырех протонов метиленовых групп в 7 и 12 положениях молекулы, синглет при 1,22 м.д. соответствует резонансу 18 протонов остальных метиленовых групп и, наконец, синглет в наиболее сильном поле при 0,84 м.д. характеризует резонанс трех протонов концевой ме-тильной группы. В целом, данные 'Н ЯМР спектроскопии для соединения 2, полученные нами, весьма близки к данным, приведенным в литературе.[12]
Нами была предпринята попытка синтеза 5,15-ди[7-гексадецинил]тетрабензопорфирината цинка взаимодействием смеси фталимида и кислоты 2 в присутствии оксида цинка при 320оС в течение 1 ч в атмосфере ар-
гона. Однако в указанных условиях образования целевых металлокомплексов не наблюдается. Замыканию порфиринового макроцикла препятствуют, очевидно, стерические факторы, поскольку и увеличение времени выдержки, и повышение температуры процесса до 380оС приводит лишь к осмолению реакционной массы. Избежать пространственных затруднений образования мезо-замещенных тетрабензопорфиринов можно при использовании в качестве исходного соединения 3-[1-(1-оксо-1^-изоиндол-3 -ил)метилен] -2,3-дигидро-1^-изоиндол-1-она (5), который легко образуется при взаимодействии фталимида с ацетатом цинка.[10] Взаимодействие соединения 5 с кислотой 2 в присутствии оксида цинка при 300оС приводит к образованию комплекса цинка с мезо-транс- ди[7-гексадецинил]тетрабензопорфирином (3) (Схема 2).
Обработкой раствора комплекса 3 в хлороформе соляной кислотой получено соответствующее основание порфирина (4).
L.A. Yakubov, N.E. Galanin, G.R Shaposhnikov
5
Схема 2.
Порфирины (3, 4) представляют собой порошки темно-зеленого цвета, обладающие высокой растворимостью в широком ряду органических растворителей. Их состав и строение подтверждены элементным анализом, данными электронной, колебательной и 'Н ЯМР спектроскопии.
В Щ ЯМР спектре комплекса цинка 3, помимо сигналов протонов алифатических заместителей, обусловленных введением фрагментов стеароловой кислоты, присутствуют сигналы, характеризующие резонанс двух мезо-протонов макроцикла в виде син-глетов в области 11,03 - 11,05 м.д., а также резонанс 16 протонов бензольных колец изоиндольных фрагментов в области 7,75 - 7,36 м.д. В спектре свободного основания порфирина 4 отмечен также сигнал, соответствующий резонансу протонов внутрициклических иминогрупп в области -2,48 м.д. Этот сигнал находится в той же области, что и в случае транс-диалкилзамещенных тетрабензопорфиринов, содержащих насыщенные алкильные заместители,[13] и незначительно сдвинут в слабое поле по сравнению с его положением в спектре незамещенного тетрабензопорфирина при -2,53 м.д.,[14]
з
что свидетельствует об отсутствии сколько-нибудь значительного искажения планарного строения макроцикла.
Для проверки этого предположения были выполнены квантово-химические расчеты молекулы порфирина 4 полуэмпирическим методом АМ1 (Рисунок 2). Как следует из полученных данных, молекула порфирина 4 действительно имеет весьма незначительное седлообразное искажение макроцикла, причем угол выхода изоин-дольных фрагментов из условной плоскости, задаваемой атомами азота, не превышает 8о.
В ИК спектре комплекса 3 (Рисунок 1, 3), сохраняются характерные полосы при 3303, 2225 и 626 см-1, свидетельствующие о наличии связей С=С. Кроме них, в спектре присутствуют интенсивные полосы при 2925 и 2853 см-1 (V С-Н), а также полосы при 1714, 1657, 1601, 1466, 762 см-1, характеризующие колебания связей С=С и С=N в макроцикле.
Электронные спектры поглощения комплекса 3 и лиганда 4 незначительно отличаются по положению максимумов полос от спектров поглощения тетрабензопорфирина и его комплекса с цинком.[15] Так, в спектре комплекса 3 (Рисунок 3, 1) полоса Соре имеет максимум при
Рисунок 2. Геометрическое строение соединения 4 по данным метода АМ1.
О 1,5
1,0
0,5
0,0
400
500 600
X, ьм
700
Рисунок 3. Электронный спектр поглощения комплекса 3 (1) и лиганда 4 (2) в СС14.
427 нм, а 0-полоса - при 626 нм, т.е. обе полосы находятся в той же области, что и в спектре тетрабензопорфи-рината цинка. Кроме этих полос, в спектре комплекса 3 присутствуют малоинтенсивные полосы с максимумами при 483 и 688 нм, являющиеся полосами переноса заряда с донорных алкильных заместителей на макроцикл.
Что касается электронного спектра поглощения лиганда 4, то в нем наблюдается незначительный (3-5 нм) батохромный сдвиг полос по сравнению со спектром тетрабензопорфирина. Основное отличие от последнего заключается в значительном возрастании интенсивности длинноволновой компоненты ^-полосы. Если в спектре тетрабензопорфирина отношение интенсивностей длинноволновой и коротковолновой компонент ^-полосы составляет 0,79, то в случае соединения 4 (Рисунок 3, 2) оно возрастает до 1,44. Причиной этого, очевидно, является
meso-Substituted Tetrabenzoporphyrins
уменьшение энергии электронного перехода 1A 1g^1B3u, соответствующего Q1-полосе, вследствие снятия его квазизапрета из-за понижения степени симметрии макроцикла. Кроме того, в спектре лиганда 4 максимум коротковолновой полосы переноса заряда сдвигается гипсохромно до 748 нм, а длинноволновой - батохромно до 714 нм.
Выводы
Таким образом, в результате работы впервые синтезированы мезо--замещенные тетрабензопорфирины, содержащие остатки непредельной стеароловой кислоты. Наличие в составе заместителей ацетиленовых тройных связей определяет возможность дальнейшей структурной модификации полученных порфиринов, например, с использованием методов «клик» химии.[16,17]
Благодарность. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 07-03-00427).
Список литературы References
1. Yasuike M., Yamaoka T., Ohno O., Sakuragi M., Ichimura K. Inorg. Chim. Acta 1991, 184, 191-195.
2. Gross E., Ehrenberg B., Johnson F. Photochem. Photobiol. 1993, 57, 808-814.
3. Brunei M., Chaput F., Vinogradov S.A., Campagne B., Canva M., Boilot J.P. Chem. Phys. 1997, 218, 301-307.
4. Lavi A., Johnson F.M., Ehrenberg B. Chem. Phys. Lett. 1994, 231, 144-150.
5. Friedberg J.S., Skema C., Baum E.D., Burdick J., Vinogradov S.A., Wilson D.F., Horan A.D., Nachamkin I.J. Antimicrob. Chemother. 2001, 48, 105-111.
6. Kral V., Furuta H., Shreder K., Lynch V., Sessler J.L. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 1595-1599.
7. Kobayashi N. Bull. Chem. Soc. Jpn. 2001, 75, 1-12.
8. Kopranenkov V.N., Dashkevich S.N., Shevtsov V.K., Luk'ya-nets E.A. Khim. Geterotsikl. Soedin. 1984, 61-68. (Russ.)
9. Yakubov L.A., Galanin N.E., Shaposhnikov G.P., Lebede-va N.Sh., Mal'kova E.A. Zh. Obshch. Khim. 2008, 78, 10281032. (Russ.).
10. Kudrick E.V., Islyakin M.K., Frantseva S.V. Zh. Obshch. Khim. 1997, 67, 1202-1205. (Russ.).
11. Gunstone F.D., Hornby G.M. Chemistry and Physics ofLipids 1969, 3, 91-97.
12. Durcell J.M., Susi H. Analytical Chem. 1968, 40, 571-575.
13. Galanin N.E., Yakubov L.A., Mayzlish V.E., Shaposhnikov G.P. Zh. Org. Khim. 2007, 43, 1407-1411. (Russ.).
14. Solov'yov K. N., Mashenkova V. A., Gradushko A. T., Turkova A. E. Zh. Prikl. Spektr. 1970, 13, 339-345. (Russ.)
15. Berezin D. B., Toldina O. V., Kudrik E. V. Zh. Obshch. Khim. 2003, 73, 1383-1389. (Russ.).
16. Bock V. D., Hiemstra H., van Maarseveen J. H. Eur. J. Org Chem. 2006, 51-68.
17. Orlova A. V., Kondakov N. N., Kimel B. G., Kononov L. O., Kononova E. G., Sivaev I. B., Bregadze V. I. Appl. Organomet. Chem. 2007, 21, 98-100.
Received 11.11.2008 Accepted 26.11.2008 First published on the web 15.04.2009
