CC BY
19
УДК 547.898
Зубенко А.Д., Станкова А.И., Ощепков А.С., Федорова О.А.
СИНТЕЗ БИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ БЕНЗОАЗАКРАУН-СОЕДИНЕНИЙ
Зубенко Анастасия Дмитриевна, инженер-исследователь, аспирант Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова, Россия, Москва, 119334, ул. Вавилова, д.28, e-mail: nastya.mutasova@vandex.ru; Станкова Анастасия Ивановна, обучающаяся кафедры химии и технологии органического синтеза факультета химико-фармацевтических технологий и биомедицинских препаратов Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва, 125480, ул. Героев Панфиловцев, д. 20;
Ощепков Александр Сергеевич, аспирант Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Россия, Москва, 119991, Ленинские горы, д. 1, стр. 3;
Федорова Ольга Анатольевна, д.х.н., профессор Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, заведующий лаборатории фотоактивных супрамолекулярных систем Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова
В настоящей работе были синтезированы бензоазакраун-соединения и их бифункциональные производные, а также определены особенности их строения с помощью рентгеноструктурного анализа. Предложенный метод подходит для получения макроциклов с нитро- и сложноэфирной группами в бензольном кольце. Для увеличения комплексообразующих свойств в состав макроцикла были введены карбоксильные и пиридиновые хелатирующие группы. Результаты рентгеноструктурного анализа показали предорганизованность синтезированных бензоазакраун-эфиров к связыванию катиона металла за счет макроциклического и хелатного эффекта.
Ключевые слова: краун-соединения, бифункциональные комплектны, макроциклы, тяжелые металлы.
SYNTHESIS OF BIFUNCTIONAL DERIVATIVES OF BENZOAZACROWN COMPOUNDS
Zubenko A.D.1, Stankova A.I.2, Oshchepkov A.S.3, Fedorova O.A.1-2
:A.N. Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia 2D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia 3Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia
Benzoazacrown compounds and their bifunctional derivatives were synthesized and features of their structure were determined by X-ray analyses. The proposed method is suitable for obtaining macrocycles with nitro- and ether groups into benzyl ring. To increase complex formation properties carboxyl and pyridine chelating groups were introduced in macrocycles. The results of X-ray analyses show the preorganization of synthesized benzoazacrown compounds for binding metal ion due to macrocyclic and chelating effect.
Keywords: crown-compounds, bifunctional chelators, macrocycles, heavy metals.
Синтез и исследование свойств новых комплексонов, способных эффективно связывать катионы металлов, является крайне актуальной задачей, имеющей как фундаментальное, так и практическое значение. Комплексоны широко применяются во многих областях науки и техники, начиная от аналитической химии и заканчивая лекарственными препаратами. Бифункциональные комплексоны позволяют получать конъюгаты с красителями, наночастицами или биомолекулами, тем самым приводя к созданию более эффективных флуоресцентных хемосенсоров, селективных сорбентов, диагностических и терапевтических средств.
Целью нашей работы является разработка новых бифункциональных комплексонов для катионов тяжелых металлов. Идея нашей работы заключается в создании макроциклических комплексонов, имеющих в своем составе ароматический фрагмент. Его наличие обеспечивает структурную жесткость, вследствие чего молекула имеет раскрытую полость, предорганизованную для связывания с катионом металла, что приводит к увеличению скорости образования комплекса и повышению его
стабильности. В такой структуре можно варьировать размер макроцикла и вводить дополнительные хелатирующие группы. Кроме того, ароматический фрагмент удобен для введения функциональной группы для включения комплексонов в состав более сложных систем.
Ранее [1] нами был проведен синтез серии пиридинсодержащих краун-соединений с различным размером макроцикла и с различными по природе хелатирующими группами. В результате исследований было установлено, что наиболее перспективным является краун-соединение с тремя карбоксильными группами [2], поскольку образует наиболее прочные комплексы с катионами тяжелых металлов и радионуклидов. Константы устойчивости комплексов с медью и висмутом составляют 15.8 и 21.3 соответственно, что достаточно для связывания радионуклидов, при этом комплекс образуется всего за 1 минуту при комнатной температуре.
С целью расширения круга исследуемых комплексонов в рамках данной работы были поставлены следующие задачи: получение новых бензоазакраун-соединений, введение
функциональной группы в бензольное кольцо,
введение хелатирующих групп в структуру макроцикла.
Для синтеза бензоазакраун-соединений использовали ранее разработанный метод [3], включающий стадию получения макроциклического диамида (схема 1). Из коммерчески доступного пирокатехина путем его алкилирования этиловым эфиром бромуксусной кислоты получали диэфир 1, из которого по реакции макроциклизации с диэтилентриамином и триэтилентетраамином получали краун-соединения 2 и 3. Восстановление амидных групп проводилось с помощью комплекса борана с ТГФ, промежуточный продукт присоединение борана разлагали соляной кислотой.
Данный подход был применен и для синтеза краун-соединений, содержащих функциональную группу в бензольном кольце.
Для введения нитрогруппы предварительно защищенный пирокатехин нитровали
концентрированной азотной кислотой и далее после снятия защиты процесс получения нитро-производных 10 - 12 аналогичен синтезу бензоазакраун-соединений 4 и 5 (схема 2).
Краун-соединения со сложноэфирной группой в бензольном кольце получали из 3,4-дигидросибензойной кислоты, которую переводили в метиловый эфир (схема 3). По аналогичным методикам синтеза бензоазакраун-соединений 4 и 5
проводили дальнейшие стадии алкилирования, макроциклизации и восстановления с получением сложноэфирных производных 15 - 17. При этом протекает селективное восстановление амидных групп, не затрагивая сложный эфир, который гидролизуется на последней стадии.
Увеличение комплексообразующих свойств возможно за счет введения дополнительных хелатирующих групп. Чаще всего это карбоксильные группы, поскольку помимо донорно-акцепторных взаимодействий они обеспечивают более прочное связывание катиона за счет кулоновских сил. Гетероциклические атомы азота, такие как в пиридине, более мягкие с точки зрения теории жестких и мягких кислот и оснований Пирсона и хорошо координируют мягкие катионы тяжелых металлов. Поэтому нами были выбраны именно карбоксильные и пиридиновые группы для введения в макроцикл.
Введение хелатирующих групп в структуру макроцикла проводилось по реакции N алкилирования бензоазакраун-соединений
соответствующими галогенидами:
хлорметилпиридином и третбутиловым эфиром бромуксусной кислоты (схема 4). Третбутиловые группы были гидролизованы в нейтральной среде при кипячении в воде.
ГУ
.он
Ч^он К2С03, ДМФА, 80°С
О^СОС® 1, 95%
им
ЕЮН
и
Л
О Н
нк
^-о II
N.
1)ВН3 .ТГФ
2)НС1
г\
О Н
>
т* 0 ^
чу
2,п= 1, 84%
3, п = 2, 83% Схема 1. Синтез бензоазакраун-соединений.
ГУ0Н >ГУУ
ЧЧ^ОН РС1з, С6Н6 44^4
нк
нж>,
о,к
НВг
,н К2С03, ДМФА, вО°С
7. 45%
ЕЮН
0:К
Н / ПВН/ГГФ, 2) НС1
Оь
8, 61%
хх
ни
ЧУ
10,11=1.70% 12,80%
11, п 2, 74%
Схема 2. Синтез нитропроизводных бензоазакраун-соединений.
4, п= 1, 82%
5, п = 2, 76%
.О^^СООЕ!
Г^^СООЕ» 9, 97%
1)50С1,_А
2) МеОН. Д
н-к""^ ьш
1,
ЕЮН
МеООС'^^ОН К2С03, ДМФА, 80°С 13
о
лг
о
л
:> I
3 I
4
В1СН:СООЕТ
.0,
МеООС ^ О 14. 92%
1)ВН,-ТЕФ_
2)11С 1 '
Г\-\
о н у
о н
чу
15,11 1, 56% 17,48%
16.11=2. 73%
Схема 3. Синтез сложноэфирных производных бензоазакраун-соединений.
IY ■
4, п-1, R-H
5, n=2, R-H 17,и 1, R СООН
COOtBu
24, u=l. R=H. 80%
25,п 2, R Н, 76%
26, R=COOH. 37%
СООН
Г
К—СООН N-J^i
27, п=1. 96%
28,п=2. 92%
Схема 4. Синтез бензоазакраун-соединений с хелатирующими группами.
Для полученных комплексонов с различным количеством и типом хелатирующих групп в дальнейшем планируется изучение
комплексообразующей способности с катионами тяжелых металлов в водных растворах.
Производные с карбоксильними группами 22 и 23 были выделены в виде монокристаллов, которые исследовали с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА). Результаты РСА показали, что благодаря наличию структурно жестких фрагментов (бензольного кольца и амидных групп), макроцикл имеет раскрытую полость, предорганизованную для связывания катиона металла. Карбоксильные группы расположены над и под плоскость макроцикла, и таким образом обеспечивается как
макроциклический, так и хелатный эффект, что позволяет получать более прочные комплексы, о
Рисунок 1. Рентгеноструктурный анализ бензоазакраун-соединений 22 (а) и 23 (б).
Таким образом, по результатам работы можно сделать ряд выводов: предложенные в работе методы подходят для получения макроциклов с различными функциональными группами в бензольном кольце; по реакции N-алкилирования в состав макроцикла могут быть введены различные по природе и структуре хелатирующие группы с высокими выходами; результаты
рентгеноструктурного анализа показали
предорганизованность синтезированных
бензоазакраун-эфиров к связыванию катиона металла за счет макроциклического и хелатного эффекта.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 16-33-00617.
Список литературы
1. Fedorov Y., Fedorova O., Peregudov A., Kalmykov S., Egorova B., Arkhipov D., Zubenko A., Oshchepkov M. Complex formation of pyridine-azacrown ether amide macrocycles with proton and heavy metal ions in aqueous solution // J. Phys. Org. Chem. - 2015. - Vol. 29. - P. 244-250.
2. Fedorov Yu. V., Fedorova O.A., Kalmykov S.N., Oshchepkov M.S., Nelubina Yu. V., Arkhipov D.E., Egorova B.V., Zubenko A.D. Potentiometric studies of complex formation of amidopyridine macrocycles bearing pendant arms with proton and heavy metal ions in aqueous solution // Polyhedron. - 2017. - Vol. 124. -P.229-236.
3. Мутасова А. Д., Ощепков М. С., Ощепков А. С., Федорова О. А. Два подхода к синтезу бензотриаза-15-краун-5-эфира. // Успехи в химии и химической технологии. -2014. - № 9. - С. 80-82.
