CC BY
7УДК 547.541.2.
Пашаева З.Н., канд.хим.наук, доцент лаборатории «Функциональные олигомеры» Института Нефтехимических процессов Национальной Академии Наук Азербайджана
(Баку, Азербайджан)
ПРИМЕНЕНИЕ ХИРАЛЬНЫХ ИОННЫХ ЖИДКОСТЕЙ В ОРГАНИЧЕСКОМ СИНТЕЗЕ
Аннотация. В рассмотренной статье представлен обзор научных результатов в области использования хиральных ионных жидкостей в различных химических процессах. Показаны перспективы применения хиральных ионных жидких катализаторов и растворителей в химических реакциях. Отмечается, что за последние десять лет интерес и количество публикаций, связанных с хиральными ионными жидкостями, выросло в геометрической прогрессии.
Ключевые слова, хиральные ионные жидкости, хиральность, пиридиниевые и имидазолиниевые комплексы, зеленая химия, растворители
Ионные жидкости (ИЖ) - это химические соединения, состоящие из ионов с температурой плавления ниже 100°С, обладающие конструктивными особенностями. ИЖ обычно используются в качестве так называемых зеленых растворителей, реагентов или высокоэффективных катализаторов в различных химических процессах. Огромный потенциал применения ИЖ оправдывает растущий интерес к этим соединениям. В последнее десятилетие все большее внимание уделяется разработке новых методов синтеза стабильных хиральных ИЖ и их применению в различных методах разделения. Начало успешного использования ХИЖ для разделения энантиомеров относится к 1990-м годам. Большинство хиральных ИЖ основаны на хиральных катионах или хиральных анионах. Существует также ограниченное количество ХИЖ, содержащих как хиральный катион, так и хиральный анион. Из-за большого молекулярного разнообразия обоих ионов, из которых по крайней мере один имеет хиральный центр, есть возможность разработать большое количество оптически активных структур, тем самым расширяя диапазон применений ХИЖ. Исследования с использованием ХИЖ только недавно стали более популярными. Однако это область, которая все еще имеет большой потенциал для будущего развития. Обзор [1] был направлен на описание разнообразия структур, свойств и примеров применения ХИЖ в качестве новых хиральных твердых материалов и хиральных компонентов анизотропной среды, обеспечивающих хиральное распознавание энантиомерных аналитов, что полезно в жидкостной хроматографии, противоточной хроматографии и др. различных методах экстракции на основе ХИЖ, включая системы водной двухфазной экстракции, двухфазные системы твердое тело - жидкость, системы экстракции жидкость - жидкость с гидрофильными ХИЖ, системы экстракции жидкость - жидкость с гидрофобными ХИЖ,
твердофазная экстракция и методы индуцированного осаждения, разработанных в последние годы. Растущий спрос на чистые энантиомеры в фармацевтической и пищевой промышленности вызывает дальнейшее развитие в области систем экстракции и разделения, модифицированных ХИЖ, что подчеркивает их доступность и экологичность как хиральных селекторов, так и растворителей.
За последние десять лет интерес и количество публикаций, связанных с ИЖ, выросло в геометрической прогрессии. До сих пор они преимущественно использовались в органическом синтезе и разделении. Однако их использование быстро распространяется и на другие области науки и техники. Исследования с использованием ХИЖ были гораздо более ограниченными и только недавно вышли на передний план. В работе [2] авторы рассматривают синтез ХИЖ и их использование.
Авторы работы [3] синтезировали серию структурно новых ХИЖ, которые имеют либо хиральный катион, либо хиральный анион, либо и то, и другое. Катионы представляют собой имидазолиевую группу, а анионы основаны на борат-ионе со спиральной структурой и хиральными заместителями. Обе (или все) стереоизомерные формы каждого соединения в серии могут быть легко синтезированы в оптически чистой форме с помощью простого одностадийного процесса из коммерчески доступных реагентов. Помимо простоты приготовления, большинство ХИЖ этой серии являются жидкими при комнатной температуре с температурой превращения твердого вещества в жидкость до -70°C и обладают относительно высокой термической стабильностью (по крайней мере, до 300°C). Круговой дихроизм и результаты рентгеновской кристаллографии подтверждают, что реакция образования хирального спирального борат-аниона является стереоспецифической, а именно: образовался только один из двух возможных спиральных стереоизомеров. Результаты ЯМР-исследований, включая: 1 H {°N} ЯМР показывают, что эти ХИЖ проявляют как внутримолекулярное, так и межмолекулярное энантиомерное распознавание. Было обнаружено, что внутримолекулярный хиральный анион ИЖ проявляет хиральное распознавание по отношению к катиону. В частности, для хиральной ИЖ, состоящей из хирального аниона и рацемического катиона, энантиомерное распознавание хирального аниона по отношению к обоим энантиомерам катиона приводит к выраженным различиям в полосах ЯМР энантиомеров катиона. Было обнаружено, что хиральное распознавание зависит от диэлектрической проницаемости растворителя, концентрации и структуры ИЖ. Более сильное энантиомерное распознавание было обнаружено в растворителе с относительно более низкими диэлектрическими постоянными (CDCl3 по сравнению с CD3CN) и при более высокой концентрации ИЖ. Кроме того, более сильное хиральное распознавание было обнаружено для анионов с относительно большей группой
117
заместителей (например, хиральный анион с фенилметильной группой демонстрирует более сильное хиральное распознавание по сравнению с таковым с фенильной группой, а анион с изобутильной группой имеет самое слабое хиральное распознавание). Было также обнаружено, что хиральные анионы обнаруживают межмолекулярное хиральное распознавание. Энантиомерная дискриминация была обнаружена для хиральной ИЖ, состоящей из хирального аниона и ахирального катиона, по отношению к другой хиральной молекуле, такой как производное хинина.
Отмечается [4], что до последних пяти лет хиральные ионные растворители практически не исследовались. Эта область, значение которой возрастает, может стать обновлением химии хиральных растворителей. Приведенные до сих пор примеры созданы либо из хирального набора (аминокислоты, гидроксикислоты, амины, аминоспирты, терпены и алкалоиды), либо путем асимметричного синтеза; они могут иметь центральную, осевую или плоскую хиральность. В работе приведен обзор современных приложений в асимметричном синтезе, ферментативной химии, хиральной хроматографии и ЯМР. Также обсуждается их использование в области жидких кристаллов и для стереоселективной полимеризации.
ИЖ обладают особыми свойствами и, следовательно, называются жидкими электролитами, ионными расплавами, ионными стеклами, плавлеными солями, жидкими солями, ионными жидкостями, дизайнерскими растворителями, зелеными и будущими растворителями [5]. Ахиральные и хиральные ИЖ использовались для энантиосепарации различных рацематов в высокоэффективной жидкостной хроматографии и капиллярном электрофорезе. ХИЖ получили хорошую репутацию в высокоэффективной жидкостной хроматографии и капиллярном электрофорезе благодаря своим удивительным свойствам. В этом обзоре [5] обсуждается применение ахиральных и хиральных ИЖ в энантиосепарациях в высокоэффективной жидкостной хроматографии и капиллярном электрофорезе. Кроме того, были также предприняты попытки подчеркнуть токсичность и перспективность этих
Несмотря на возрастающий фундаментальный и практический интересе к электрохимии в ИЖ, исследование ХИЖ ввиду энантиоселективной электрохимии и электроанализа удивительно актуально [6]. В этом исследовании семейство ХИЖ на основе природных хиральных строительных блоков, легко синтезируемых, подробно
ИЖ.
охарактеризовано с точки зрения термических и электрохимических свойств, что позволяет получить ценную информацию о взаимосвязях структура-свойство за счет систематичности доступного семейства. Кроме того, они проходят серию тестов хирального электроанализа. Циклическая вольтамперометрия в объемных ХИЖ показывает небольшие, но статистически значимые различия потенциалов для энантиомеров двух совершенно разных хиральных зондов, что является интересным результатом, поскольку энантиодискриминация с точки зрения разности потенциалов в хиральной вольтамперометрии. Настоящий первый пример энантиоселективной вольтамперометрии в среде ХИЖ со стереоцентрами в качестве источников локализованной хиральности также предлагает важное и до сих пор отсутствующее подтверждение внутреннего превосходящего уровня присущей хиральности.
Приготовлены ХИЖ, исходя из (Б)-пролина, и оценена способность хирального катализатора в реакции Михаэля транс-Р-нитростирола и циклогексанона [7]. Все реакции проводили в гомогенных условиях без какого-либо растворителя, за исключением избытка циклогексанона. Хиральный ионный жидкий катализатор (1а) с делокализованным положительным зарядом и объемным катионом пирролидиния демонстрирует превосходные выходы (до 92%), диастереоселективность (син/анти = 96/4) и энантиоселективность (до 95% е.е.) и может быть повторно использован по крайней мере три раза. без потери каталитической активности. Такие результаты продемонстрировали многообещающий новый подход к экологически чистому и экономичному хиральному синтезу с использованием ХИЖ в качестве хирального катализатора и хиральной среды.
В работе [8] из двух исходных ИЖ путем одновременного ионного обмена получают две другие ИЖ. Гидрофобные ионы объединяются в гидрофобном слое, тогда как гидрофильные ионы собираются в воде. Этот метод рассматривается как вариант процесса, в котором энантиомер рацемической смеси предпочтительно экстрагируется с помощью воды.
(8)-Рго1те
1а
Обзор [9] призван обобщить область исследований ХИЖ за последние два года. Наряду с синтезом новых ХИЖ освещается их применение. Кроме того, кратко описывается синтез ионных жидкостей для конкретных задач, также известных как функционализированные хиральные ионные жидкости, и их применения.
В обзорной работе [10] сообщается, что в последнее десятилетие катализу ионными жидкостями уделяется большое внимание из-за разнообразия каталитических реакций, которые были успешно проведены в таких чистых средах для зеленой химии, особенно в синтетических и каталитических превращениях. Катализ с ИЖ - одна из наиболее многообещающих экологически безопасных реакций в каталитической науке. ИЖ имеют ряд преимуществ, заключающихся в том, что они используются в качестве альтернативных растворителей в ходе каталитических реакций по сравнению с традиционными летучими органическими растворителями. ИЖ обладают одним из наиболее важных преимуществ, заключающимся в более низком давлении пара, что способствует развитию более экологичных каталитических технологий. По этой причине (низкая летучесть) ИЖ называют зелеными растворителями. Разработка хиральных ионных жидкостей и их применение в асимметричном синтезе привлекли большое внимание, поскольку эти реакции нашли широкое применение в синтезе хиральных лекарств и в фармацевтической промышленности. Асимметричная индукция в основном достигается за счет использования хиральных субстратов или реагентов, хиральных катализаторов или ферментов. Есть также ряд структурно модифицированных ИЖ, синтезированных при комнатной температуре. Этот обзор посвящен ионным жидкостям имидазолия, которые обладают хиральностью либо по имидазолию, либо по анионной части.
Эффективный синтез без растворителей нового семейства функционализированных ХИЖ на основе катиона пиридиния был разработан из недорогих хиральных терпеноидных спиртов в работе [11]. Исчерпывающая характеристика была проведена с использованием современных методов, таких как ESI-MS, ЛТЯ БТ-ГО. и ЯМР (1Н,13С, 11В, 31Р, 19Б) спектроскопия. Термические свойства этого нового класса ХИЖ были изучены методами
ТГА и ДСК. Каталитический потенциал синтезированных ХИЖ также оценивали в асимметричном восстановлении прохиральных ацетофенонов.
В работе [12] проведены исследования биотической активности восьми ХИЖ с природным компонентом в виде (-)-ментола с конфигурацией (1R,2S,5R) против базидиомицетов и несовершенных грибов. Оптически активные соли имидазолия были протестированы следующим образом: несколько асимметричных хлоридов 3-алкил-1 -[(1К,28,5Я)-(-)-ментоксиметил]имидазолия с различными алкильными заместителями (от метилового до додецил) и один симметричный 1,3-бис [(1R,2S,5R)-(-)-ментоксиметил] имидазолий хлорид, содержащий два (1R,2S,5R)-(-)-ментольных заместителя. Микологические тесты проводились с грибами бурой и белой гнили, а также с мицелиальными грибами, то есть плесневыми грибами и грибами синей гнили. Новые оптически активные соединения продемонстрировали разнообразную фунгицидную эффективность, которая зависела от химической структуры функциональных групп. Природный (-)-ментоловый компонент, введенный в качестве заместителя в ионные жидкости, оказался оптически активным соединением с активностью в отношении разрушающих древесину грибов. (1R,2S,5R)-(-)-ментол был особенно активен против тестируемых грибов. Фунгицидная ценность имидазолия хлорида с двумя (-)- ментоловыми заместителями в отношении СопгорИогарМвапа составляла от 1,8 до 2,9 кг/ м .
Авторы работы [13] сообщают о синтезе и характеристике ХИЖ на основе эфиров аминокислот, производных хлорида трет-бутилового эфира Ь- и Б-аланина. Синтез осуществлялся посредством анионного метатезиса-реакции между коммерчески доступными хлоридами трет-бутилового эфира Ь- и Б-аланина с использованием различных противоионов, таких как бис(трифторметан)сульфонимид лития, нитрат серебра, лактат серебра и тетрафторборат серебра. Обе энантиомерные формы были получены, что подтверждается полосами противоположного знака в спектрах кругового дихроизма. Бис(трифторметан)сульфонимиды трет-бутилового эфира Ь- и Б-аланина были получены в виде жидкостей при комнатной температуре и, что удивительно, показали наивысшую термическую стабильность. (до 263°С). Кроме того, ИЖ продемонстрировали способность
распознавания энантиомеров, о чем свидетельствует расщепление сигнала рацемической натриевой соли Мошера с использованием жидкого состояния 19F ЯМР и флуоресцентной спектроскопии. Трет-бутиловый эфир L- и D-аланина хлорид привел к твердым солям с нитрат-, лактат- и тетрафторборат-анионами. Это иллюстрирует наблюдаемую ранее возможность настройки синтеза ИЖ, что приводит к получению ионных жидкостей с различными свойствами как функции изменения аниона.
Отмечается [14], что ИЖ обладают рядом уникальных свойств; следовательно, они вызвали большой интерес как экологически чистые среды для синтеза, анализа, катализа, разделения и обеспечения энергии. В последнее время интерес также привлекли ХИЖ, полученные из природных аминокислот, обладающие хиральностью, биоразлагаемостью, пониженной токсичностью и высокой биосовместимостью. В этой работе представлен обзор конструкции, синтеза, свойств и применения этих новых ХИЖ, полученных из природных аминокислот. Это текущая область исследований, которая готова к быстрому развитию и расширению.
Разделение энантиомеров остается серьезной проблемой для фармацевтической промышленности. В работе [15] были синтезированы и охарактеризованы восемь ХИЖ, непосредственно полученных из «хирального реагента», с целью разработки энантиоселективных систем для хирального разделения. Согласно их хиральным катионам, три разные группы ХИЖ, а именно на основе хинина, L-пролина и L-валина, и их способности распознавать энантиомеры оценены экспериментально. Для этой цели диастереомерные взаимодействия между рацемической смесью натриевой соли кислоты Мошера и ХИЖ изучали с помощью спектроскопии ЯМР 19F. Замечательная дисперсия химического сдвига, вызванная некоторыми ХИЖ демонстрируют их потенциальное применение в хиральном разрешении. Также были рассмотрены теплофизические свойства и экотоксичность этих ХИЖ в отношении морских бактерий Aliivibrio fischeri.
Применение ХИЖ в органическом катализе и синтезе также было рассмотрено в работах [16-23].
ЛИТЕРАТУРА
1. Flieger, J. Chiral Ionic Liquids: Structural Diversity, Properties and Applications in Selected Separation Techniques / J. Fleger, M. Tatarczak, J. Feder-Kubis // Inter. Journal of Moleculr Sciences. - 2020.- Vol. 21, N 12. - Pp. 4253-4275.
2. Ding, J. Chiral Ionic Liquids: Synthesis and Applications / J. Ding, D. Armstrong // Chirality. - 2005. - Vol. 17, N 5. - Pp. 281-292.
3. Shaofang, Y. Chiral Ionic Liquids: Synthesis, Properties, and Enantiomeric Recognition / Y. Shaofang, S. Linderman, C. Tran // J. Org. Chem. - 2008. - Vol. 73, N 7. - Pp. 2576-2591.
4. Baudequin, C. Chiral ionic liquids, a renewal for the chemistry of chiral solvents? Design, synthesis and applications for chiral recognition and asymmetric synthesis // C. Baudequin,
D. Bregeon, J. Levillain, F. Guillen // Tetrahedron Asymmetry. - 2005. - Vol. 16, N 24. - Pp. 3921-3945
5. Hussain, A. Future of Ionic Liquids for Chiral Separations in High-Performance Liquid Chromatography and Capillary Electrophoresis / A. Hussain, M. Alajmi, I. Hussain, I. Ali // Critical Review on Analytical Chemistry. - 2019. Vol. 49, N 4. - Pp. 289-305
6. Mariangelal, L. A family of chiral ionic liquids from the natural pool: Relationships between structure and functional properties and electrochemical enantiodiscrimination tests / L. Mariangelal, S. Amaboldi, E. Husanu, S. Greechi // Electrochimica Acta. - 2019. - Vol. 298, N 3. -Pp. 194-209
7. Nobuoka, K. Proline Based Chiral Ionic Liquids for Enantioselective Michael Reaction / K. Nobuoka, S. Kitaoka, T. Kojima, Y. Kawano // International Journal of Organic Chemistry. -2014. - N 2. - Pp. 421-429
8. Zgonnik, V. Synthesis of chiral ionic liquids by ion cross-metathesis: en route to enantioselective water-ionic liquidextraction (EWILE), an eco-friendly variant of the ELLE process / V. Zgonnik, C. Zedde, Y. Genisson, M-R. Mazieres // Chemical Communications. - 2021. - Vol. 48, N 26. -Pp. 4185-4187
9. Winkel, A. Recent Advances in the Synthesis and Application of Chiral Ionic Liquids / A. Winkel, P. Vasu, G. Reddy, R. Wilhelm // Synthesis. - 2008. - N 7. - Pp. 999-1016
10. Payra, S. Chiral Ionic Liquids: Synthesis and Role as Efficient Green Catalyst in Asymmetric Synthesis / S. Payra, A. Saha, S. Banerjee // Current Organocatalysis. - 2017. - Vol. 4, N 1. - Pp. 2174-2186
11. Gondal, H. New alkoxymethyl-functionalized pyridinium-based chiral ionic liquids: synthesis, characterization and properties / H. Gondal, S. Mumtaz, A. Abbaskhan, N. Mumtaz // Chemical Papers. - 2020. - Vol. 74. - Pp. 2951-2963
12. Zabielska, J. Chiral ionic liquids with a (-)-menthol component as wood preservatives / J. Zabielska, J. Feder-Kubis, A, Stangierska, P. Przybylski // De Gruyter. - 2017. - N 5. - Pp. 20162021
13. Bwambok, D. Synthesis and Characterization of Novel Chiral Ionic Liquids and Investigation of their Enantiomeric Recognition Properties / D. Bwambok, H. Marwani, V. Fernand, S. Fakayode // Chirality. - 2008. - Vol. 20, N 2. - Pp. 151-158
14. Chen, X. Advances in chiral ionic liquids derived from natural amino acids / X. Chen, X. Li, A. Hu, F. Wang // Tetrahedron Asymmetry. - 2008. - Vol. 19, N 1. - Pp. 1-14
15. Sintra, T. Synthesis and characterization of chiral ionic liquids based on quinine, L-proline and L-valine for enantiomeric recognition / T. Sintra, M. Gantman, S. Ventura, J. Coutinho // Journal of Molecular Liquids. - 2019. - Vol. 283. - Pp. 410-416
16. Wang, Y. Synthesis and application of novel chiral ionic liquids derived from alpha-pinene // Thesis New Jersey Institute of Technology. - 2003. - USA.- 662 p.
17. Cui, X. Enantioseparation of flurbiprofen enantiomers using chiral ionic liquids by liquid liquid extraction / X. Cui, Q. Ding, R-N.Shan // Chirality. - 2019. - Vol. 31, N 6. - Pp. 457467
18. Singh, A. Chiral Ionic Liquids: Design, Synthesis and Applications in Asymmetric Organo- Catalysis / A. Singh, H. Kumar Chapra // Current Organic Synthesis. - 2017. - N 5. - Pp. 356-362
19. Kaur, N. Synthesis and Application of ( S )-Nicotine-Based Chiral Ionic Liquids in Enantiomeric Recognition by Using Fluorescence Spectroscopy / N. Kaur, J. Rahim, R. Rai, H. Chapra // Chemistry Select. - 2021. - N 4. - Pp. 234-238
20. Zulio, V. Exploiting isohexide scaffolds for the preparation of chiral ionic liquids tweezers / V. Zulio, M. Goreski, L. Guazzelli, A. Mezzetta // Journal of Molecular Liquids. - 2021. - N 3. - Pp. 723-729.
21. Janus, E. Chiral pyrrolidinium salts derived from menthol as precursor - synthesis and properties / E. Janus, M. Gano // Polish Journal of Chemical Technology. - 2017. - Vol. 19, N 3. -Pp. 92-98.
22. Miao, C. Synthesis of Novel Chiral Ionic Liquids Based on (-)-Menthyl Isonicotinate / C. Miao, T. Xiaohua, Z. Xiang. J. Wu // Synthetic Comminications. - 2012. - Vol. 42, N 17. - Pp. 2555-2563.
23. Rizvi, S. Synthesis, Characterization and Application of Novel Chiral Ionic Liquids and their Polymers in Micellar Electrokinetic Chromatography / S. Rizvi, S. Shamsi // Anal. Chem. -2006. - Vol. 78, N 19. - Pp. 7061-7069.
