CC BY
10
УДК 547-32
Г. Ш. Гимазетдинова, С. Н. Судакова, Н. Е. Кашапова,
B. Т. Иванов, Э. Л. Гоголашвили, Р. Н. Нагимов,
C. В. Бухаров, С. Н. Подъячев
СИНТЕЗ И РЕЦЕПТОРНЫЕ СВОЙСТВА БИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ
1,3-АЛЬТЕРНА Т ТЕТРАТИАКАЛИКС [4]АРЕНА С ЭФИРНЫМИ И ГИДРАЗИДНЫМИ ГРУППАМИ
Ключевые слова: каликс[4]арен, экстракция, щелочные и переходные металлы, эфиры, карбоновые кислоты, гидразиды,
гидразон.
Получены новые производные 1,3-альтернат тетратиакаликс[4]арена с гидразидными, хлорангидридными и гидразонными фрагментами. Методом конкурентной жидкостной экстракции изучены экстракционные свойства полученных соединений по отношению к ионам щелочных, щелочноземельных и переходных металлов. Было установлено, что дигидразидные и дигидразонные производные тетратиакаликс[4]аренов селективно извлекают ионы Ag+ и Cu2+ в присутствии других ионов металлов.
Keywords: calix[4]arene, extraction, alkaline and transition metals, esters, carboxylic acids, hydrazides,hydrazone.
New 1,3-alternate tetrathiacalix[4]arene derivatives decorated with hydrazide, chloroanhydride and hydrozone groups have been synthesized. The extraction properties of tetrathiacalix[4]arene derivatives towards alkaline, alkaline earth and transition metal ions were studied by the liquid-liquid extraction experiments. The hydrazide and hydrazone derivatives of tetrathiacalix[4]arene selectively recovered Ag+ and Cu2+ions in the presence of the other metal ions.
Введение
Дизайн и синтез искусственных рецепторов для связывания катионов и анионов является одной из важнейших задач современной химии, ввиду чрезвычайной важности этих соединений для координационной и супрамолекулярной химии, а так же для биологических процессов, включающих в себя распознавание катионов, анионов и нейтральных молекул [1-4]. Хорошо известно, что макроциклические соединения с несколькими донорными центрами могут проявлять уникальную селективность. Однако основным сдерживающим фактором при получении таких макроциклических структур является не столько их дизайн, а их последующий синтез. Последнее обстоятельство зачастую является решающим при создании искусственных рецепторов. Поэтому, весьма актуальной задачей является поиск рациональных подходов к синтезу лигандов с требуемыми свойствами.
На наш взгляд, каликсарены как синтетически и коммерчески доступные соединения могли бы с успехом использоваться для дизайна в качестве молекулярных платформ [5,6]. Способность к одновременной координации, по меньшей мере, двух типов субстратов расширяет область применения этих соединений. Кроме того, наличие пространственно-разделенных связывающих и реакционных центров в структуре соединений является прекрасной предпосылкой получения на их основе полимерных или ковалентно закрепленных на твердой подложке сенсорных материалов.
Среди семейства каликс[4]аренов особенно широкими возможностями обладают
тетратиакаликс[4]арены. В отличие от классических каликс[4]аренов, они довольно легко могут быть зафиксированы в конус, частичный конус и 1,3-альтернат изомерных формах. Хотя конус-изомеры, как правило, обладают высокой
связывающей эффективностью по отношению к различным ионам по сравнению с 1,3-альтернат изомерами последние интересны своей избирательностью к связыванию [7,8]. Кроме того, 1,3-альтернат стереоизомеры тетратиакаликс[4] арена могут рассматриваться как очень подходящие тектоны для создания искусственных гетеродитопных рецепторов, которые способны иммитировать аллостерическое связывание, играющее важную роль в биологических процессах [9-12].
Соединения с эфирными и карбоксильными группами часто служат стартовыми реагентами для дальнейшего синтеза широкого спектра органических соединений. Поэтому, каликс[4] ареновые платформы, функционализированные обеими этими группами, являются перспективными строительными блоками для бифункциональных макроциклических производных из-за различной реакционной способности эфирных и карбоксильных групп [13, 14]. В настоящей работе мы использовали эти соединения для синтеза производных 1,3-альтернат тетратиакаликс[4] арена, попарно функционализированных эфирными и гидразидными/гидразонными группами. Рецепторные свойства полученных
бифункциональных соединений были исследованы методами конкурентной и неконкурентной жидкостной экстракции.
Результаты и обсуждение
Синтетический путь, использованный нами для получения бифункциональных соединений, представлен на рисунке 1. Синтез бифункциональных производных 1 и 2 подробно описан в предыдущих статьях [15,16]. Конденсацию дигидразида 2а с 2-пиридинальдегидом проводили при нагревании в смеси ДМФА-ЕЮН при 80°С в
течение 36 ч. После соответствующей обработки целевой дигидразон 3 был получен с 53% выходом.
Диэфир-дигидразид 5 был синтезирован из диэфир-дикарбоновой кислоты 1Ь. На первой стадии соединение 1Ь было трансформировано в дихлорангидрид 4 путем обработки его тионилхло-
КН2-КН2Н20
ТТФ/ЕЮН, 650С
1а R = ^Ви Ь R = Н
soa2
Д, 2 ч.
2а R = иВи Ь R = Н
КН2Ж
ТГФ, 0оС, 1.5 ч.
NH2
Рис. 1 - Синтез и структурные формулы исследуемых соединений
ридом при нагревании с обратным холодильником в течение 2 ч. Последующая конденсация продукта 4, использованного без какой-либо дополнительной очистки, с безводным гидразином,
диспергированным в абсолютном ТГФ при 0оС, приводит к образованию бифункционального производного 5 с выходом 72%. Синтез проводили с особой тщательностью, т.к. в ходе реакции могут образовываться побочные продукты. Следует так же отметить, что попытка синтезировать соединение 5 путем этерификации 2Ь в присутствии ЕЮН и п-толуолсульфоновой кислоты в качестве катализатора приводит к низкому выходу целевого продукта (30%).
Исследование экстракционных свойств тетратиакаликс[4]ареновых производных
Рецепторные свойства тетратиакаликс[4] ареновых производных 1а, 1Ь, 2а, 2Ь и их мономерного аналога по отношению к Э- ^а , Са2+), р-(РЬ2+) и d-(Co2+, М2+, Си2+, Zn2+, Ад+ и Cd2+) ионам металлов были исследованы ранее методом жидкостной экстракции в системе вода-хлороформ при различных значениях рН [17]. Для оценки эффективности и селективности связывания ионов металлов нами были также проведены аналогичные эксперименты с лигандами 3 и 5 (рис. 2). Концентрация лигандов в хлороформе и катионов металла в водной фазе во всех экспериментах были идентичны.
Установлено, что при увеличении рН водной среды до рН ~ 5-6 наблюдается увеличение извлечения катионов металла исследованными соединениями. Очевидно, что это, вызвано, за исключением соединения 5, ионизацией карбоксильных групп при увеличении рН среды. С другой стороны, наличие неподелённой
электронной пары на атомах азота в дигидразидах 2а, 2Ь, 5 и дигидразоне 3 обуславливает их основные свойства. Протонирование гидразидных и гидразонных групп этих соединений в кислой среде на границе раздела фаз препятствует их комплексообразованию с катионами металлов. По-видимому, этот факт является основной причиной рН зависимой экстракции в случае соединения 5, содержащего вместо карбоксильных не способные к депротонизации эфирные группы.
Рис. 2 - Влияние рН на процент экстракции (Е%) различных ионов металлов лигандами 3 и 5.
= 0.2 мМ, [Ион металла] = 0.1 мМ
Как и в случае производных 1а, 1Ь, 2а, 2Ь, тетратиакаликс[4]арены 3 и 5 проявляют слабые экстракционные свойства по отношению к s-элементам (Е<5% для Nа+ и Е<5% для Са2+). Однако для дигидразона 3, по сравнению с 1а и 2а [17], наблюдается повышенная эффективность извлечения ионов Ад+ (71%) и Си2+ (47%). По-видимому, это обусловлено участием как карбоксильного, так и гидразонного связывающих центров в координации этих катионов.
В случае дигидразида 5, в котором отсутствуют карбоксильные группы, также наблюдается заметная экстракция ионов Ад+ (40%) и Си2+ (25%). Ранее методом жидкостной пикратной экстракции нами было показано, что тетрагидразид 1,3-альтернат п-трет-бутил-тетратиакаликс[4] арена также эффективно извлекает эти ионы металлов, а его аналог свободный от трет-бутильных эффективен в ряду Ад+ > М2+ > Си2+ > Cd2+ [18]. В целом, полученные результаты по селективности дигидразида 5 согласуются с ранее полученными результатами.
Следует отметить, что экстракция ионов металлов соединением 5 может происходить только
2
2
3
4
при участии противоиона. В то время как, в случае соединений 1a, 1b, 2a, 2b, 3 извлечение осуществляется, вероятно, за счет ион-обменного механизма. Для проверки этого предположения нами была осуществлена экстракция в присутствии пикрат-аниона (Pic-) в водной фазе при pH= 6 ± 0.1 (рис. 3).
Известно, что пикрат-анион предпочтитель- но входит во вторую сферу комплексов, и способен намного легче, по сравнению с «жесткими анионами», переходить из водной в органическую фазу вследствие его повышенной липофильности [19]. Перенос этого аниона легко контролировать спектрофотометрически. Полученные данные
Рис. 3 - Процентное содержание (Е%) катионов и пикрат-анионов в зависимости от природы лиганда 1-5 при рН= 6 ± 0.1. = 0.2 мМ, [ион металла] = 0.1 мМ, ^ю] = 0.4 мМ
свидетельствуют, что экстракция ионов металлов дигидразидом 5 происходит с участием пикрат-аниона (рис. 3). В случае дигидразона 3 перенос ионов металла сопровождается переносом пикрат-анионов. Для последнего соединения, вероятно, реализуется смешанный механизм эктракции с участием как ион-обменных взаимодействий, так и с переносом соли металла. Суммарная экстракция ионов Ад+ и Си2+ для дигидразона 3 составляет 136%. Эти факты указывают на то, что в ходе экстракции соединение 3 координирует ионы металлов по обеим сторонам тетратиакаликс[4] ареновой платформы.
Экспериментальная часть
Синтез 5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,27-ди[((2-пиридилметилиден)гидразинкарбонил)-метокси]-26,28-ди[(гидроксикарбонил)метокси]-2,8, 14,20-тетратиакаликс[4]-арена (1,3-альтернат 3): к раствору 1,3- альтернат изомера 2а (0.49 г; 0.5 мМ) в смеси ЕЮН (12 мл) и ДМФА (12 мл) при перемешивании добавили избыток 2-пиридинальдегида (0.28 мл, 3 мМ). Реакционную смесь нагревали при 80°С в течение 36 ч. Сформировавшийся твердый остаток отфильтровали
и промыли несколько раз EtOH. Продукт 3 был получен в виде белого порошка. Выход: 0.31 г (53%). Тпл 198oC. Вычислено C60H66N6O10S4 (1159.46): C, 62.15; H, 5.74; S, 11.06; N, 7.25. Найдено: C, 62.25; H, 5.48.; S, 11.37; N, 7.45. Масс-спектр (MALDI-TOF): m/z: = 1159 [M+H]+; 1181 [M+Na]+.
Синтез 25,27-ди[(этоксикарбонил) метокси]-26,28-ди[(хлоркарбонил)метокси]-2,8,14,20-тетратиа -каликс[4]арена (1,3-альтернат 4): к диэфир-дикарбоновой кислоте 2b (1.25 г, 1.2 мМ) при перемешивании добавили свежеперегнанный S0Cl2 (10 мл, 138 мМ). Реакционную смесь кипятили в течение 2ч в атмосфере аргона. Далее отогнали растворитель из реакционной массы. Остаток сушили под вакуумом при 80oC. Целевой продукт 4 был получен в виде светло-желтого порошка. Выход: 1.2 г (96%). Тпл 148-152oC.
Синтез 25,27-ди[(гидразинкарбонил) метокси]-26,28-ди[(этоксикарбонил)метокси]-2,8,14, 20-
тетратиакаликс[4]арена (1,3-альтернат 5): смесь абсолютного ТГФ (40 мл) и NH2-NH2 (0.75 мл, 24 мМ), предварительно перегнанного над KOH, при интенсивном перемешивании охладили до 0 0С. Затем к этой смеси по каплям добавляли дихлорангидрид 4 (0.82 г, 1 мМ), растворенный в 20 мл ТГФ в течение 0.5ч. Далее реакционную смесь энергично перемешивали при 00C в течение 1.5 ч. Растворитель удалили из реакционной массы при 400С перегонкой под вакуумом. Полученный остаток промыли H2O (50 мл) и экстрагировали дихлорметаном (50 мл). Органический слой отделили на делительной воронке, промыли еще 2 раза водой, сушили над MgSO4. После фильтрования, растворитель удалили перегонкой при уменьшенном давлении. Остаток сушили под вакуумом при 80oC. Выход: 0.59 г (72%). Тпл 169-171oC. Вычислено C36H36N4O10S4 (812.95): C, 53.19;
H, 4.46; S, 15.78; N, 6.89. Найдено: C, 53.33; H, 4.27.; S, 15.34; N, 6.77. Масс-спектр (MALDI-TOF): m/z: = 813 [M+H]+; 835 [M+Na]+; 851 [M+K]+.
Эксперименты по жидкостной экстракции: CHCl3 был насыщен водой для исключения изменения объема в ходе экстракции. Водные растворы (10 мл), содержащие соли металлов NaNO3, Zn(NO3b-4H2O, CatNO^^O, AgNO3, Co(NO3)2 6H2O, N¡(N03)2-6^0, Pb(N0^2, Cu2(CH3C00)4 2H2O, и Cd(CH3C00b-2H20, были приготовлены с концентрацией 1-10-4M для каждого иона металла. pH растворов доводили до нужных pH добавлением трис(гидроксиметил) аминометана (TRIS) или HN03. Равные объемы водной смеси солей металлов и раствора экстрагента в CHCl3 (CL3, L5= 2-10-4M) перемешивали с помощью магнитной мешалки в колбе в течение
I.5 ч при 25oC до достижения равновесия. Затем обе фазы выдерживали в течение 1 ч, после чего их отделяли центрифугированием.
pH и концентрацию ионов металлов определяли в водной фазе до и после экстракции. Относительные концентрации катионов в водной фазе определяли с помощью атомно-абсорбционного спектрометра AAS 1N
(CarlZeissJena). Количественный анализ был проведен с использованием стандартного раствора, содержащего смесь солей. Холостые эксперименты, без добавления лиганда, выполнялись в тех же экспериментальных условиях. Определялась степень экстракции, которая рассчитывалась как отношение E% = 100x(C0-C1)/C0, где C0 и C1 начальные и равновесные концентрации иона металла в водном растворе до и после экстракции, соответственно. Погрешность E% составляла менее 2%.
Заключение
Осуществлен синтез новых бифункци-ональных производных 1,3-альтернат тетратиакаликс[4] арена, содержащих гидразидные, хлорангидридные и/или гидразонные группы. Проведенная оценка комплексообразующей способности производных тетратиакаликс[4]арена методом жидкостной конкурентной экстракции показала, что дигидразидные и дигидразонные производные тетратиакаликс[4]аренов селективно извлекают ионы Ag+ и Cu2+ в присутствии других ионов металлов.
Литература
1. H.W. Lin, Angew. Chem., 2007, 119, 911.
2. L. Prodi, F. Bolleta, M. Montaliti, N. Zaccheroni, Coord.Chem. Rev., 2000, 205, 59.
3. V. M. Mirsky, A.K. Yatsimirsky (Eds.), Wiley-VCH, Weinheim, 2010.
4. Sung Ok Kang and Kye Chun Nam, Bull. Korean Chem. Soc. 2002, 23 (4), 640-642.
5. Z. Asfary, V. Bohmer, J. Harrowfield, J. Vicens, Eds., Kluwer Academic Publishers Dordrecht, The Netherlands, 2001.
6. S.N. Podyachev, S.N. Sudakova, V.V. Syakaev, A.K. Galiev, R.R. Shagidullin, A.I. Konovalov, Supromol. Chem., 2008, 20, 479.
7. M.W. Hosseini, Oyst. Eng. Comm., 2004, 6, 318.
8. F. Botha, J. Budka, V. Eigner, O. Hudecek, L. Vrzal, I. Cisarova, P. Lhotak, Tetrahedron, 2014, 70, 477-483.
9. X. - I. Ni, H. Tomlyasu, T. Shimizu, Z. Xi, T.J. Yamato, Incl. Phenom. Macrocycl. Chem., 2010, 68, 99.
10. S. Shinkai, K. Fujimoto, T. Otsuka, H.L. Ammon, J. Org. Chem., 1992, 57, 1516.
11. J.W. Steed, J.L. Atwood Eds., Supramolecular Chemistry, Wiley, Chichester, UK, 2000
12. A. Ikeda, Y. Suzuki, M. Yoshimura, S. Shinkai, Tetrahedron, 1998, 54, 2497.
13. S. Patai Ed., The chemistry of carboxylic acids and esters, London, 1969.
14. V. Theodorou, K. Skobridis, A.G. Tzakos, V. Ragoussis, Tetrahedron Lett., 2007, 48, 8230
15. Г.Ш. Гимазетдинова, С.Н. Подъячев, С.Н. Судакова, В.В. Сякаев, С.В. Бухаров, Вестник технол. ун-та,2015, Т.18, № 5, 13-17.
16. Г.Ш. Гимазетдинова, С.Н. Подъячев, С.Н. Судакова, В.В. Сякаев, С.В. Бухаров, Вестник технол. ун-та, 2015, Т.18, № 9, 26-29.
17. Г.Ш. Гимазетдинова, С.Н. Судакова, В.Т. Иванов, Э.Л. Гоголашвили, Р.Н. Нагимов, С.В. Бухаров, С.Н Подъячев, Вестник технол. ун-та 2016. Т.19, №10, 13-16.
18. Y. Takeda, F. Vogtle, E.Weber Eds., Topics of curr. Chem.; Springer: Berlin, 1984, 121, 1-38
19. Z. Asfari, V. Lamare, J.F. Dozol, J. Vicens, Tetrahedron Lett., 1999, 40, 691.
© Г. Ш. Гимазетдинова, асп. каф. ТООНС КНИТУ, [email protected]; С.Н. Судакова, канд. хим. наук, науч. сотр. ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, [email protected]; Н. Е. Кашапова, канд. хим. наук, доц. каф. ТООНС КНИТУ; В. Т. Иванов, канд. хим. наук, вед. инж. ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, Э. Л. Гоголашвили, канд. хим. наук, доц. ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, Р. Н. Нагимов, студ. каф. ТООНС КНИТУ; С. В. Бухаров, д-р хим. наук, проф., зав. каф. ТООНС КНИТУ; С. Н. Подъячев, канд. хим. наук, ст. науч. сотр. ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН.
© G. Sh. Gimazetdinova, PhD-student, General Organic and Petrochemical Synthesis Technology department, KNRTU, [email protected]; S. N. Sudakova, Ph.D., scientist, A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical chemistry, Kazan Scientific Centre Russian Academy of Sciences, [email protected]; N. E. Kashapova, Ph.D., docent, General Organic and Petrochemical Synthesis Technology department director, KNRTU; V. T. Ivanov, Ph.D., docent, A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical chemistry,Kazan Scientific Centre Russian Academy of Sciences, E. L. Gogolashvili, Ph.D., docent, A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical chemistry,Kazan Scientific Centre Russian Academy of Sciences, R. N. Nagimov, student, General Organic and Petrochemical Synthesis Technology department, KNRTU, S. V. Bukharov, Dr. of Chemical Sciences, professor, General Organic and Petrochemical Synthesis Technology department director, KNRTU, S. N. Podyachev, Ph.D., staff scientist,A.E. Arbuzov Institute of Organic and Physical chemistry, Kazan Scientific Centre Russian Academy of Sciences.
