CC BY
12
УДК 547-316
Г. Ш. Гимазетдинова, С. Н. Подъячев, С. Н. Судакова, В. В. Сякаев, С. В. Бухаров
НОВЫЕ ПРЕКУРСОРЫ ДЛЯ СИНТЕЗА БИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ РЕЦЕПТОРОВ
НА ОСНОВЕ 1,3-АЛЬТЕРНАТ ТЕТРАТИАКАЛИКС[4]АРЕНОВ
Ключевые слова: тетратиакаликс[4]арен, тетраэфир, 1,3- альтернат, ЯМР метод.
Новый подход для молекулярного дизайна и создания синтетических рецепторов на основе 1,3-альтернат конформера тиакаликс[4]арена.
Keywords:tetrathiacalix[4]arene, tetraester, 1,3-alternate, NMR method.
Designed to obtain a new synthetic bifunctional ligands based on 1,3-alternate isomer tetratiacalix[4]arene.
Введение
Введение в структуру соединений различных по природе донорных групп, которые образуют пространственно-разделенные центры связывания, расширяет возможности их дальнейшего применения. Гетерометаллические комплексы, полученные на основе подобных соединений, обладают уникальными магнитными [1] и люминесцентными свойствами, а также находят применение в катализе [2,3], создания редокс-переключаемых систем [4]. Возможность одновременной координации двух типов ионов используется для ион-парного распознавания и транспорта этих ионов.существенно расширяет сферу применения таких соединений.
Одной из наиболее удобных макроцикличе-ских платформ для дизайна подобных соединений являются каликсарены - соединения с трехмерной пространственно-предорганизованной структурой. Эти макроциклы были использованы для получения некоторых бифункциональных соединений. Для получения бифункциональных производных могут быть использованы каликс[4]арены как в конус, так и 1,3-альтернат изомерных формах. Хотя конус изомер обычно обладает наиболее высокой эффективностью связывания по отношению к различным ионам металлов по сравнению с 1,3- альтернатом, последний представляет интерес благодаря своей уникальной селективности [5]. Кроме того, 1,3-альтернат стереоизомеры могут рассматриваться как удобные тектоны при конструировании твердофазных структур в инженерии кристаллов [6] и для создания супрамолекулярных аллостерических рецепторов [7]. Однако синтез подобных соединений сопряжен с проблемой получения и выделения соединений в нужной изомерной форме.
Получение гетеродитопных соединений на основе 1,3-альтернатной платформы, обычно протекает в две стадии [8]. На первом этапе осуществляется синтез 1,3- дизамещенных каликс[4]аренов при контролируемых количествах основания и алкилирующего агента. Причем, наряду с целевым продуктом в результате синтеза получаются соединения с различной степенью замещения и побочные продукты реакции [9,10]. Следующий этап включает в себя функционализацию двух оставшихся
гидроксильных групп макроцикла в присутствии Cs2COз.
Следует заметить, что темплатный эффект катиона металла, сдвигающий равновесие в сторону образования 1,3-альтернат изомера, существенно зависит от координирующих свойств заместителей. Так, вместо целевого продукта часто образуется трудно разделимая смесь изомеров. В результате чего, для очистки продуктов реакции становится необходимым использовать колоночную
хроматографию, что осложняет разработку синтеза и делает его малоприменимым в широком масштабе [9,10].
Учитывая эти факторы, нами была предложена альтернативная стратегия синтеза бифункциональных соединений на основе эфирных производных тетратиакаликс[4]арена, которая описана в настоящей работе.
Результаты и обсуждение
Эфирные производные каликс[4]аренов являются важными стартовыми соединениями для дальнейшего получения различных производных. Поэтому, синтез бифункциональных соединений на основе эфиров тетратиакаликс[4]аренов наиболее важен [11].
1Ь (73%)
2Ь (70%)
Рис. 1 - Синтез тетраэфирных производных тет-ратиакаликс[4]аренов 2а и 2Ь
Процедура получения тетраэфирных производных как для трет-бутилтиакаликсарена, так и
для его аналога без трет-бутильных групп хорошо оптимизирована и не требует дополнительной рома-тографической очистки продуктов реакции. Нами на первой стадии (рис. 1) взаимодействием бромуксус-ного эфира с тетратиакаликс[4]аренами 1а,Ь были получены тетраэфирные производные ка-ликс[4]аренов в 1,3- альтернат стереоизомерной форме. Следующей и ключевой стадией предложенного нами синтеза является селективный гидролиз эфирных групп, который приводит к получению каликсаренов 3а,Ь (рис.2) с двумя эфирными и двумя карбоксильными группами, расположенными на противоположных сторонах макроцикла.
2 а Я = ¡-Бы 3 а Я = ¡-Бы
Ь Я = Н Ь Я = Н
Рис. 2 - Синтез диэфирдикарбоксильных производных тетратиакаликс[4]аренов 3а и 3Ь
Данные соединения являются
перспективными прекурсорами для дальнейшего синтеза широкого ряда бифункциональных производных благодаря различной реакционной способности эфирных и карбоксильных функциональных групп. Известно, что гидролиз тетраэфиров каликс[4]арена и тиакаликс[4]арена обычно приводит как к тетра-карбоксильным продуктам, так и продуктам неполного моно-, ди- и три- замещения [12,13]. Однако следует заметить, что ди- и трикарбоксизамещенные эфиры были получены только на основе конус изомера классического каликс[4]арена. Синтез
каликс[4]ареновых производных, подобных соединениям 3, не был описан в литературе.
Частичный гидролиз тетраэфиров каликс[4]арена обычно проводят в присутствии кислоты. Так, обработка конус изомера тетраэтилэфирного производного каликс[4]арена ~ 0.5 и 2 эквивалентами трифторуксусной кислоты в хлороформе приводит к образованию соответственно моно- и дикарбоксильных замещенных эфира [14,15]. Мы попытались осуществить гидролиз тиакаликс[4]аренов 2а(Ь) в подобных реакционных условиях с добавлением двух эквивалентов трифторуксусной кислоты. Однако, даже по истечении семи дней проведения реакции в реакционой смеси присутствуют только исходные тетраэфиры 2а(Ь).
Другой путь синтеза дикарбоксильных производных каликс[п]аренов может быть осуществлен щелочным гидролизом тетраэфиров. Однако, в присутствии большого избытка гидроксида щелочного металла происходит полное превращение эфирных групп в карбоксильные. Уменьшение же количества взятого для реакции
основания обычно приводит к неконтролируемому образованию смеси частично гидролизованных продуктов.
Использование мягких оснований, таких как карбонаты щелочных металлов, также сопровождается образованием полностью гидролизованных производных каликс[4]арена [16]. Однако эти основания действуют более селективно, чем соответствующие гидроксиды. Так, например, гидролиз, проводимый в кипящей смеси MeOH-H2O (5:1) в присутствии избытка K2CO3, не затрагивает амидные группы каликс[4]арена [17]. Природа щелочного металла может также влиять на скорость гидролиза из-за способности ионов щелочных металлов образовывать комплексы с эфирными производными каликс[4]арена. Так, 1,3-альтернат изомер тетратиакаликс[4]арена связывает ионы цезия Cs+ только одной стороной макроцикла. Такая селективность, очевидно, обусловлена аллостерическим эффектом [7].
Принимая эти факты во внимание, мы разработали эффективную методику синтеза дикарбок-сильных производных каликс[4]аренов 3a и 3b.
Так, было установлено, что кипячение соединений 2a [18] и 2b [19] в растворе ТГФ в присутствии 5% воды и 12 эквивалентов Cs2CO3 приводит к образованию осадков. После обработки этих осадков HCl нами были выделены продукты 3a и 3b с выходами 68% и 72% , соответственно.
Фильтраты, отделенные от водного слоя, содержат смесь исходных тетраэфиров 2a(b), и небольшое количество дикарбоновых кислот 3a(b), Полученный, после удаления растворителя из реакционных смеси остаток можно использовать при повторном проведении синтеза. Следует заметить, что получение каликс[4]арена 3a требует более продолжительного времени реакции по сравнению с 3b (7 и 5 дней соответственно), что обусловлено более низкой скоростью гидролиза в случае соединения 3a из-за стерического влияния трет-бутильных групп.
Использование карбоната натрия вместо карбоната цезия приводит к тому, что гидролиза тетраэфира 2a практически не наблюдается. А в случае соединения 2b относительное содержание целевого продукта в реакционной смеси не превышало 20%. Такое существенное уменьшение выходов реакции гидролиза объясняется слабой устойчивостью внешнесферных комплексов образуемых тетраэфирами 2a и 2b с ионом Na+.
1H ЯМР спектры соединений 3a и 3b (рис. 3) в CDCl3 при 303 K показали, что эти соединения имеют симметричное строение. В их спектрах мы наблюдаем только единичные сигналы для каждой группы протонов. Образование 1,3-альтернат изомеров и попарное расположение функциональных групп в молекулах 3a и 3b было доказано экспериментами NOE. Спектры этих соединений содержали кросс пики только между протонами OCH2C(O) и ароматических групп в соединении 3b, или соответственно протонами трет-бутильных групп в соединении 3a,
чтосвидетельствовало о взаимодействии между верхним и нижним ободами макроциклов. Отсутствие кросс пиков между протонами
ОСН2С(0) групп карбоксильных и эфирных фрагментов подтвердило попарное расположение заместителей в макроцикле и структуры, предположенные для этих соединений.
ч"з 1 4"I -. iiHi
Mi \J v W
7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3,5 3.0 15 2.0 1,5 1.0 0.5 ppm
111 k\ Ш tf H H
Рис. 3 - 1Н ЯМР спектры 3а и 3Ь (СБС13)
Наиболее существенные отличия в ИК-спектрах (рис. 4) лигандов 3а и 3Ь проявляются в области поглощения vС=О. Так, в спектре 3Ь регистрируется только две полосы vС=О (1761 см-1 и 1727 см-1), в то время как в спектре 3а на ряду с этими полосами (1767 см-1 и 1738 см-1) также регистрируется полоса с максимумом при 1692 см-1. Высокочастотная полоса при ~ 1760 см-1 относится к валентным колебаниям эфирных групп. Наличие одной для 3Ь и двух полос в соединении 3а поглощения карбоксильных групп свидетельствует о существенном различии в их координации в кристалле. Можно предположить, что в образце 3а, полученном в ходе синтеза и просушенном при температуре 100°С под вакуумом, не содержатся скоординированные внутри полости молекулы воды. В этом случае две карбоксильные группы могут участвовать в образовании внутримолекулярной водородной связи, что будет приводить к их неэквивалентности.
Наличие полярных карбоксильных групп в каликс[4]ареновых молекулах может приводить к их димеризации в растворах СБ03. Чтобы проверить данное предположение и подтвердить димерную структуру 3Ь мы использовали ЯМР метод, который позволяет определить коэффициент самодиффузии (ОЮ [20].
Рис. 4 - #Л-спектры 3a и 3b
Было установлено, что приблизительно 25% молекул 3b находятся в димерной форме. Константа димеризации (KD) составила в нашем случае ~15 М-1. Это значение существенно ниже значения константы, определенной для уксусной кислоты в растворе CDCl3 (KD = 300 + 50) [21].
Механизм гидролиза подобен «классическому» механизму. Необычно селективное омыление 1,3-альтернат изомеров каликс[4]аренов 2a(b) может быть объяснено рецепторными свойствами данных эфиров по отношению к иону Cs+. Внешне-сферный комплекс, образующийся на первой стадии гидролиза, подвергается нуклеофильной атаке гид-роксид иона по карбонильному углероду.
Электростатическая стабилизация
посредством Cs+ катиона благоприятствует образованию тетраэдрального интермедиата и является скорость лимитирующей стадией процесса. Последующая диссоциация этого интермедиата и кислотно-основное взаимодействие между продуктами гидролиза приводит к образованию цезиевых солей 3a(b), которые высаждаются из раствора реакционной смеси. Нуклеофильная атака протекает более эффективно в малополярном растворителе (ТГФ), используемом в данной работе, поскольку он облегчает десольватацию гидроксид ионов. Кроме того, использование малополярных растворителей и небольших количеств воды в реакционной смеси также вносит вклад в стабильность(устойчивость) Cs+ комплекса.
Экспериментальнаячасть
Методика синтеза соединений 3a (3b): 5.0 г (4.7 mM) тетраэфира 2a [5г (6 mM) 2b] и 18.3 г (56 mM) Cs2CO3 [23.4 г (72 mM) 3b] растворили в 200 мл ТГФ и оставили кипятиться в течении1часав атмосфере аргона. Далее прилили 10 мл (5 vol %) H2O и оставили перемешиваться реакционную смесь под аргоном при температуре бани 70-73°С в течение 5-6 суток. Первую порцию 3.86 г (9.1 г) образующегося осадка, [цезиевой соли продукта 3a (3b)] отфильтровывали горячим фильтрованием от реак-
ционной смеси и продолжили реакцию в течение еще 4 дней (2 дней). Вторую порцию осадка 2.46 г (1.7 г) разрабатывали вместе с первой. После обработки концентрированной HCl (50 мл) и H2O (50 мл) получили твердое вещество белого цвета, далее экстрагировали его дихлормета-ном (2x50 мл). Органический слой отделили, промыли водой до нейтрального pH уровня, сушили над MgSO4. После фильтрования высушили осадок на вакуумном насосе, целевой продукт 3.36 г (3.2 г) получили в виде белого порошка с выходом 71% (68%).
5,11,17,23-тетра-третбутил-25,27-ди[этоксикарбонил)метокси]-26,28-ди[(гидроксикарбонил)метокси]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен (3a): Тш.: 277°С. 1HNMR (600.13 МГц, CDCl3) для эфирной группы: ¿1.24 (t, 3J= 7.43 Гц, 6H, CH3), 1.25 (s, 18H,f-Bu), 4.17 (q, 3J= 7.4 Гц, 4H, CH2), 4.59 (s, Н, СН2О), 7.39 (s, 4H, ArH); для карбоксильной группы:81.27 (s, 18H, f-Bu), 4.66 (s, 4Н, СН2О), 7.47 (s, 4H, ArH). 13CNMR (125.86 МГц, CDCl3) для эфирной группы: 814.3 (CH3), 31.1 (CH3, f-Bu), 34.5 (C, f-Bu), 60.8 (CH2), 66.6 (CH2O), 128.2 (C(3)Ar), 130.4 (C(2)Ar), 148.7 (C(1)Ar), 155.7 (C(4)Ar), 167.5 (C=O); для карбоксильной группы: 8 31.1 (CH3, f-Bu), 34.6 (C, f-Bu), 66.6 (CH2O), 127.6 (C(3)Ar),
131.1 (C(2)Ar), 148.7 (C(1)Ar), 154.1 (C(4)Ar), 168.0 (C=O). MALDI-TOF MS: m/z 1031 [M+Na]+. Вычислено (%) C52H64O12S4: C 61.88, H 6.39, S 12.71; найдено (%): C 61.87, H 6.27, S 12.41.
25,27-ди[этоксикарбонил)метокси]-26,28-ди[(гидроксикарбонил)метокси]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен (3b): Тш.: 227 °С. 'H NMR (600 MГц, CDCl3) для эфирной группы: 8 1.25 (t, 3J = 7.3 Гц, 6H, CH3), 4.19 (q, 3J = 7.2 Гц, 4H, CH2), 4.65 (s, 4Н, СН2О), 6.96 (t, 3J = 7.3 Гц, 2H, H(4)Ar), 7.46 (d,3 J = 7.3 Гц, 4H, H(3)Ar); для карбоксильной группы: 4.75 (s, 4Н, СН2О), 6.20 (br s, 2H, OH), 6.95 (t, 3J = 7.3 Гц, 2H, ArH), 7.50 (d, J = 7.3 Гц, 4H, ArH'). 13C NMR (125.9 MHz, CDCl3) для эфирной группы: 8 14.3 (CH3), 61.1 (CH2), 66.4 (CH2 O),
125.2 (C(3)Ar), 129.0 (C(1)Ar), 134.6 (C(2)Ar), 158.8 (C(4)Ar), 168.1 (C=O); для карбоксильной группы: 8 67.7 (CH2O), 125.2 (C(3)Ar), 128.5 (C(1)Ar), 135.0 (C(2)Ar), 157.1 (C(4)Ar), 169.0 (C =O). MALDI-TOF MS: m/z 807 [M+Na]+. Вычислено (%) C36H32O12S4: C 55.09, H 4.11, S 16.34; найдено (%): C 55.44, H 3.72, S 16.18.
Заключение
Предложена простой и эффективный метод селективного гидролиза тетраэфиров
каликс[4]аренов 2a и 2b в 1,3- альтернат изомерной форме. Эта процедура включает в себя использование ТГФ в качестве растворителя, небольших количеств воды и избытка Cs2CO3. Предложен механизм селективного гидролиза тетраэфиров. Полученные 1,3-альтернат тетратиакаликс[4]арены, функционализированные
парой карбоксильных и эфирных групп открывают новые возможности для синтеза широкого ряда дитопных соединений и материалов.
Литература
1. Bencini, C.; Benell, A.; Caneschi, R. L.; Carlin, A. D. Gatteschi, D. J. Am. Chem. Soc. 1985, 107, 8128.
2. Gade, L. H., Chem. Commun. 2000, 173.
3. Tzadka, E.; Goldberg, I.;.Vigalok, A. Chem. Commun. 2009, 2041.
4. Otsuki, J.; Akasaka, T.; Araki, K. Coord. Chem. Rev. 2008, 252, 32.
5. Podyachev, S. N.; Burmakina, N. Е.; Sudakova, S. N.; Syakaev, V. V.; Konovalov, A. I. Supramol. Chem. 2010, 22, 339.
6. Hosseini, M. W. Acc. Chem. Res. 2005, 38, 313.
7. Kovbasyuk, L.; Krämer, R. Chem. Rev. 2004, 104, 3161.
8. Lugtenberg, R. J. W.; Egberink, R. J. M.; Engbersen, J. F. J.; Reinhoudt, D. N. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2 1997, 1353.
9. Nayak, S. K.; Choudhary, M. K. Tetrahedron Lett. 2012, 53, 141.
10. Lazar A.N.; Dupont N.; AldaNavaza; Coleman A.W. Chem. Commun., 2006, 1076.
11. Вестник Казан.технол. ун-та. - 2011. - Т.14, № 16. - С. 39-41, Л.З. Нафикова, С.Н. Судакова, С.Н. Подъячев, С.В. БухаровСинтез и свойства нового макроцикличе-ского рецептора на основе замещенного по верхнему ободу каликс[4]арена
12. Iki, N.; Morohashi, N.; Narumi, F.; Fujimoto, T.; Suzuki, T.; Miyano, S. Tetrahedron Lett. 1999, 40, 7337.
13. Akdas, H.; Jaunky, W.; Graf, E.; Hosseini, M. W.; De Cian, A.; Fischer, J. Tetrahedron Lett. 2000, 41, 3601.
14. Böhmer, V.; Vogt, W.; Harris, S. J.;. Leonard, R. G.; Collins, E. M.; Deasy, M.; McKervey, M. A.; Owens, M. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1. 1990, 431.
15. Arnaud-Neu, F.; Barrett, J. G.; Harris, S. J.; Owens, M.; McKeney, M. A.; Schwing-Weillt, M.-J.; Schwinté, P. Inorg. Chem., 1993, 32, 2644.
16. Yamato, T.; Pérez-Casas, C.; Yoshizawa, A.; Rahman, S.; Elsegood, M. R. J.; Redshaw, C. J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. 2009, 63, 301.
17. Steemers, F. J.; Verboom, W.; Reinhoudt, D. N.; Van der Tol, E. B.; Verhoeven, J. W. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 9408.
18. Iki, N; Narumi, F.; Fujimoto, T.; Morohashi, N.; Miyano, S. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2 1998, 2745.
19. Lhotak, P.; Sykora, J. J. Collect Czech. Chem. Commun. 2000, 65, 757.
20. Price W.S. NMR Studies of Translational Motion; Cambridge University Press, 2009, 393.
21. Fujii Y.; Yamada H.; Mizuta M. J. Phys. Chem. 1988, 92, 6768.
© Г. Ш. Гимазетдинова - студ. каф. ТООНС КНИТУ, goolnaz31@mail.ru; С. Н. Подъячев - канд. хим. наук, ст. науч. сотр. лаб. физикохимии супрамолекулярных систем ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, spodyachev@iopc.ru; С. Н. Судакова -канд. хим. наук, науч. сотр. той же лаборатории, sudakova@iopc.ru; В. В. Сякаев - канд. хим. наук, ст. науч. сотр. лаб. радиоспектроскопии ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, vsyakaev@iopc.ru; С. В. Бухаров - д-р хим. наук, проф. зав. каф. ТООНС КНИТУ, bukharov_@rambler.ru.
© G. Sh. Gimazetdinova, Student, General Organic AND Petrochemical Synthesis Technology department, KNRTU, goolnaz31@mail.ru; S. N. Podyachev, Ph.D., staff scientist,A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical chemistry, Kazan Scientific Centre Russian Academy of Sciences, Laboratory of chemistry and physics of supramolecules, spodyachev@iopc.ru; S. N. Sudakova, Ph.D., scientist, A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical chemistry, Kazan Scientific Centre Russian Academy of Sciences, Laboratory of chemistry and physics of supramolecules, sudakova@iopc.ru; V. V. Syakaev, Ph.D., staff scientist, A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical chemistry, Kazan Scientific Centre Russian Academy of Sciences, Laboratory of radiospectroscopy, vsyakaev@iopc.ru; S. V. Bukharov, Dr. of Chemical Sciences, professor, General Organic and Petrochemical Synthesis Technology department director, KNRTU, bukharov_@rambler.ru.
