СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ЭФИРОВ НОРБОРНЕНОВОГО РЯДА Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 547.541.2.

Гасанова К.Ф., диссертант, науч. сотр. лаборатории «Изучение антимикробных реагентов и биоповреждений» Института нефтехимических процессов им. Ю.Г. Мамедалиева Национальной Академии Наук Азербайджана

(Баку, Азербайджан)

СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ЭФИРОВ НОРБОРНЕНОВОГО РЯДА

Аннотация. Осуществлен анализ научных результатов в области синтеза исследования свойств эфиров норборненового ряда. Показаны области применения синтезированных норборненсодержащих эфиров, а также перспективы их использования в различных областях промышленности. Отмечено, что эфирные производные норборнена являются широко используемыми и эффективными мономерами и сомономерами для синтеза новых разнофункциональных полимеров. Кроме того, представлены результаты собственных исследований автора.

Ключевые слова: эфиры норборненового ряда, биологическая активность, антимикробные препараты, антифунгальные свойства, норборненкарбоновые кислоты, эндо- и экзо-изомеры.

Большой научный и практический интерес к производным норборнена обусловлен их структурной особенностью, и прежде всего наличием в их молекулах конформационно жесткого норборненового фрагмента, придающего молекулам ряд ценных свойств, а также различных функциональных групп, обладающих соответствующими характеристиками. В этом направлении особо следует отметить эфирные производные норборнена, исследования в области синтеза и изучения свойств которых продолжают интенсивно развиваться и количество публикаций в этой области ежегодно возрастает. Среди основных областей применения эфиров норборненового ряда можно выделить их высокую фармакофорную активность, применение в качестве мономеров для синтеза разнофункциональных полимеров, в оптической и электронной технике, в качестве пластификаторов, стабилизаторов и модификаторов и т.д. В этой обзорной работе приведены результаты исследований по синтезу и определению свойств и областей применения эфирных производных норборнена, а также представлены результаты собственных исследований автора, осуществленные в лаборатории Института Нефтехимических процессов НАНА.

Так, в работе [1] реакцию Дильса-Альдера с участием смеси дициклопентадиена и диенофила проводили при нагревании в отсутствии растворителей. Авторы отмечают, что циклопентадиен, образовавшийся in situ, реагировал с диенофилом в термодинамически контролируемой реакции. Помимо отсутствия растворителей, описанная процедура

позволяет практически полностью использовать дициклопентадиен и избегает работы с ядовитым и опасным циклопентадиеном. Показано, что реакция хорошо протекает с такими диенофилами, как малеиновый ангидрид и ненасыщенные сложные эфиры, однако ненасыщенные кислоты не были подходящими диенофилами, образуя аддукты Дильса-Альдера с низким выходом. Так, реакция дициклопентадиена с диметиловым эфиром малеиновой кислоты протекает по нижеприведенной схеме с образованием изомерной смеси диметиловых эфиров норборнендикарбоновой кислоты:

СООСНз +

СООСНз

В работе [2] представлено влияние экзо, экзо-К, К'-гексилен-ди-(5-норборнен-2,3-дикарбоксимида) на степень сшивки и температуру стеклования полимеров, полученных из смеси диметиловых эфиров экзо-, экзо- и эндо, эндо-5-норборнен-2,3-дикарбоновой кислоты. Авторами было обнаружено, что экзо, экзо-К, К'-гексилен-ди- (5-норборнен-2,3-дикарбоксимид) можно использовать в качестве сшивающего агента в метатезисной полимеризации циклоолефинов с раскрытием цикла Добавление сшивающего агента приводит к увеличению степени сшивания полимеров, причем температура стеклования полимеров увеличивается с увеличением концентрации сшивающего агента. Реакцию можно представить в виде следующей схемы:

Предложен и изучен технический путь получения ценных продуктов - производных норборнена и их полимеров из дициклопентадиена [3]. Ангидрид 5-норборнен-2,3-дикарбоновой кислоты, полученный из димера циклопентадиена использовали в качестве исходного материала для синтеза производных норборнена. Показано, что диметиловый эфир 5-норборнен-2,3-дикарбоновой кислоты и дифенилэтиловые эфиры 5-норборнен-2,3-дикарбоновой кислоты, а также их полимеры имеют широкую перспективу применения во многих областях. В качестве процесса полимеризации использовали метатезисную полимеризацию с раскрытием цикла. Подробно исследован процесс полимеризации производных норборнена, на основе чего разработан метод контроля молекулярных масс и температур разложения сополимеров производных норборнена.

В работе [4] исследована радикальная сополимеризации метил-2-норборнен-2-карбоксилата и 2-фенил-2-норборнена. Радикальная сополимеризация этих соединений со стиролом, алкилакрилатом и метилметакрилатом в различных комбинациях мономеров дает сополимеры, основные цепи которых состоят из норборнанового каркаса. Относительные отношения реакционной способности мономеров для их сополимеризации с н- бутилакрилатом определяли методом Файнмана -Росса. Термический анализ с температурной модуляцией для полученных полимеров показал превосходный эффект повышения температуры стеклообразования за счет включения норборнанового каркаса в основную цепь полимера по сравнению с эффектом повторяющегося звена стирола.

X = СООМе; РЬ.

Показано, что сополимеры норборнена и его производных с акрилатами являются перспективными материалами для оптической электротехники [5].

В работе [6] изучена сополимеризация метилакрилата с производными норборнена, в частности, с 5-н-бутил-2-норборненом, 5-метилен-2-норборненом и 5-этокси-2-норборненом.

Методы хромато-масс-спектрометрии и ЯМР-спектроскопия былЬ использоваш для изучения реакции между дициклопентадиеном и винилтриэтоксисиланом [7]. Основными продуктами реакции являются экзо- и эндо-изомеры бицикло [2.2.1] гепт-5-ен-2-

ил(триэтокси)силана. Общий выход изомеров составляет 55% от загружаемых компонентов. Побочные продукты представляют собой алкоксисилильные производные дициклопентадиена. Также авторы статьи уделили внимание изучению влияния времени и температуры реакции, а также соотношений исходных компонентов на химический выход. Реакция протекает по нижеприведенной схеме:

Предложена композиция положительного фоторезистораа, включающая: многокомпонентный сополимер со средней молекулярной от 3000 до 50000 с пониженным содержанием полистирола и молекулярно-массовым распределением от 1,0 до 3,0; низкомолекулярная добавка, генератор кислоты и растворитель [8]. Показана, что мономером для получения целевого сополимера могут служить эфирные производные норборнена:

ОН; СООН, алкил; алкокси (С1-С20); Я3 = Н; алкил; изоалкил; циклоалкил (С1-С20).

В статье [9] рассматривается разработка катализаторов метатезисной полимеризации с раскрытием цикла, синтез полимеров, несущих аминокислоты и пептиды, получение функционализированных норборненов, образование агрегатов и мицелл, а также применение полимеров в медицинских материалах. Авторы также описывают контроль последовательностей мономерных звеньев, то есть живую полимеризацию для синтеза блок-сополимеров и чередующуюся сополимеризацию, которая достигается на основе кислотно-основных взаимодействий. В частности, показаны полимеры и сополимеры на основе эфирных производных норборнена:

А в работе [10] исследована метатезисная полимеризация с раскрытием цикла производных 7-оксабицикло(2.2.1)-гепт-5-ена и показан удобный и быстрый путь к ациклическим полимерным ионофорам.

В обзорной работе [11] широко изучены реакции метатезисной полимеразации

(ROMP) с участием норборнена и его производных. Авторы отмечают, что они обладают

высокой реакционной способностью, легко доступны и относительно дешевы. Помимо

расширения разновидностей мономеров, доступных для ROMP, проводились

исследования для улучшения характеристик полимеров, полученных в результате ROMP,

и потенциала их применения, в основном с точки зрения стерических затруднений,

химической конфигурации, боковых полярностей мономеров на основе норборнена и

сополимеризация других циклических олефинов или мономеров на основе норборнена, а

17

также сочетание с другими методами полимеризации. Отмечается, что ROMP норборнена и его производных также добились определенных успехов в расширении областей применения полученных аддуктов - в качестве огнестойких материалов, ионообменных или протонообменных мембран, наноматериалов, биомедицинских материалов и т. д.

Описан простой, эффективный и стереоселективный синтез 5-норборнен-2-карбоновой кислоты и ее производных и исследованы их свойства [12]. Показано, что для получения экзо-обогащенного изомера с высоким выходом, сначала в качестве исходного материала синтезировали метил-5-норборнен-2-карбоксилат по реакции Дильса-Альдера. Затем изомеризация и экзо-селективный гидролиз полученного карбоксилата были осуществлены в основных условиях для синтеза экзо-обогащенных производных норборнена, в частности был получен. экзо-обогащенный трет-бутил-5-норборнен-2-карбоксилат. Статистические сополимеры, состоящие из экзо - или эндо-обогащенного трет-бутил-5-норборнен-2-карбоксилата были исследованы в качестве резисторного материала. Показано, что подобные материалы могут быть использованы в микролитографии. Авторы отмечают, что соотношение эндо/экзо производных норборнена влияет на реакционную способность, скорость реакции, свойства полимера и мономера и литографические характеристики.

Синтезированы новые эфирные производные норборнена, обладающие приятным запахом [13]. Благодаря своему аромату указанные соединения представляют большой интерес для парфюмерной промышленности, косметических средств и средств ухода. Полученные соединения имеют следующее строение:

-СН—ОН;-СН—ОССЖ1; Я^Н; Ме; Е1, Рг; ьРг; Ви.

СН3 СН3

В статье [14] на основе механизма реакции анализируется выход и стереоселективность хиральных производных сложного эфира норборнена в присутствии/отсутствии катализатора. Обычно хиральные катализаторы, такие как хиральные диолы, дифенолы или оксазолины, координированные с комплексами металлов алюминия, бора, меди, титана или лантаноидов, способствуют возрастанию скорости синтеза, стереоселективности и энантиоселективности хиральных производных норборнена. Кроме того, авторы показывают основные области применения хиральных

производных норборнена - это фотохромные материалы, а также ионообменные мембраны, включая анионные, катионные и композитные ионообменные мембраны. Наконец, предполагается дальнейшее исследование и нахождение новых областей применения хиральных производных норборнена.

Сообщается о винильной полимеризации эфиров 5-норборнен-2,3-дикарбоновой кислоты с различными палладиевыми катализаторами в полимеры с высокой молекулярной массой [15]. Компьютерное моделирование, основанное на подходе силового поля, показывает, что эти полимеры демонстрируют жесткую статистическую цепную конформацию и, таким образом, являются еще одним примером полимеров с сильным ограничением вращения. Полимеры растворимы в различных растворителях, несмотря на их жесткость, они аморфны, обладают температурой стеклования значительно выше 250°С и имеют высокую плотность упаковки. Диполи, расположенные в боковых группах, выполняют вторичный процесс релаксации, аналогичный случаю гибких или жестких стержневидных полимеров, содержащих сложноэфирные группы

В работе [16] получена серия норборнан-бисэфирных дигуанидинов и испытана их антибактериальная активность. Показана их высокий антимикробный эффект в отношении широкого спектра бактерий, включая Pseudomonas aeruginosa (МИК 8 мг/мл), кишечная палочка (МИК 8 мг/мл) и Staphylococcus aureus (МИК 8 мг/мл).

С02Ме

НО

О ОМе

ОМе Ag2Q; MeJ OMF; 20°С; 48 h; 67%

MeO

MeO \ II

О ОМе

ОМе

NR

О NH

NR1

NHR1

В течение нескольких последних лет широкие исследования в области синтеза и изучения свойств эфиров норборненового ряда были проведены в лаборатории Института Нефтехимических процессов НАНА под руководством проф. Гасанова А.Г., проф. Мамедбейли Э.Г. и сотр. В этих исследованиях был осуществлен синтез рацемических и хиральных моноэфиров норборнендикарбоновой кислоты на основе реакции диенового синтеза с участием циклопентадиена и моноэфиров малеиновой кислоты по схеме:

+

-COOR

-COOH

еао.*, t'

о

ö-eü

2 S, 3S (+)

II - VI

COOR

COOH VII - XI

R = н - C3H7 (II; VII); i - C3H7 (III, VIII); н - C4H9 (IV; IX); i - C4H9 (V; X);

(VI; XI)

Реакцию проводили в широком температурном интервале (-400С):(+200С) в присутствии хирального катализатора А1СЬОМеп1;, полученного на основе хлорида алюминия и (-)-ментола, а в качестве растворителя использовали хлороформ. Полученные моноэфиры эндиковой кислоты были испытаны на наличие антимикробных и антифунгальных свойств ряда микроорганизмов (золотистый стафилококк, кишечная палочка, синегнойная палочка, антракоид, грибы рода Кандида). Исследования, проведенные на кафедре «Микробиологии» Азербайджанского Медицинского Университета показали наличие высокой биологической активности полученных соединений в отношении указанных микроорганизмов. причем их антимикробная и противогрибковая активность оказалась выше по сравнению с известными бактерицидными препаратами, часто применяемыми в медицинской практике (риванол, фурациллин, карболовая кислота, этанол). Это создает предпосылки для применения

I

полученных эфиров норборнендикарбоновой кислоты в качестве местных антисептических препаратов.

В аналогичных условиях был осуществлен синтез эфиров норборненкарбоновой кислоты и для этой цели проведена асимметрическая реакция Дильса-Альдера между циклопентадиеном и эфирами акриловой кислоты по схеме:

+

-С02Я

еао.*, 1'

о

б-ёи

2-Я (+)

Х11-Х1У

С02Я ХУ-ХУ11

Я = н - С3Н7 (XII; ХУ); -н - С4Н9 (XIII; XVI);

\ (XIУ; ХУП)

Проведенные исследования также выявили наличие высокой антибактериальной активности синтезированных эфиров норборненкарбоновой кислоты.

Для синтеза норборненилметилоловых эфиров сначала нами был осуществлен синтез норборненилметанола на основе диеновой конденсации циклопентадиена с аллиловым спиртом по схеме:

Полученный норборненилметиловый спирт был использован для синтеза соответствующих эфиров посредством конденсации с некоторыми двухосновными кислотами (янтарная, адипиновая) по схеме:

СН2ОН

ноос-я-соон

Н+, толуол (кипяч.) -НОН 3

сн2-о-с-к-с-он

II II

о о

Я—СН2-СН2-5 -СН2-СН2-СН2-СН2.

Кроме того нами был получен норборненилмалеинат на основе реакции конденсации норборненилметанола с малеиновой кислотой:

асн2он Л + ^^сн2-о-с-сн=сн-с-он

2 + If^o ' толу°л > Г )J о о

о

Исследования биологической активности синтезированных

норборненилметилоловых эфиров показали высокую антимикробную и антифунгальную активность последних в отношении грамм-положительных и грамм-отрицательных микроорганизмов, а актже некоторых грибковых патогенов.

Таким образом, представленный обзор научных исследований в области синтеза и изучения свойств и областей применения эфиров норборненового ряда, а также исследования, проведенные в рамках ИНХП НАНА показывают актуальность проведения дальнейших экспериментов в этой области и создает широкие перспективы для продолжения и развития этих исследований на современном этапе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Huertas D. Solvent-free Diels-Alder reactions of in situ generated cyclopentadiene /D.Huertas, M.Florscher, V.Dragoilovic // Green Chemistry.- 2009.- Vol. 11.- P. 91-95

2. Bozhenkova, G.S. Polymers based on norbornene derivatives / G.S.Bozhenkova, Samochernova A.P., Ashirov R.V. // Procedia Chemistry. - 2015. - Vol.15. - P. 8-13

3. Haoyang Yu. Synthesis of norbornene derivatives and their polymers via ROMP of norbornene derivatives / Yu Haoyang, Lin Shaohui, Sun Daniel // High Performance Polymers. -2020. - Vol.32, N 6. - P. 432-437

4. Ihara E. Radical copolymerization of methyl 2-norbornene-2-carboxylate and 2-phenyl-2-norbornene with styrene, alkyl acrylate, and methyl methacrylate: Facile incorporation of norbornane framework into polymer main chain and its effect on glass transition temperature /E.Ihara, H.Shingo, K.Kobayashi // Polymer. - 2010. - Vol. 51, N 2. - P. 397-402

5. Bykov V.I. Copolymers of norbornene and its derivatives with acrylates—Promising materials for optoelectronics / V.I.Bykov, Makovetskii K.L., Popov M.V. // Doklady Akademii Nauk. - 2011. - Vol. 439, No. 6. - P. 764-766.

6. Sharon Elyashiv-Barad Copolymerization of Methyl Acrylate with Norbornene Derivatives by Atom Transfer Radical Polymerization /E-B. Sharon, N. Greinert, S. Ayusman // Macromolecules. - 2002. - Vol.35, N 19. - P.7521-7526

7. Bondaletov V.G., Troyan, A.A., Kuhlenkova, N.O., Netesova, M.V. Research of the formation of regularities siloxane norbornene derivatives by thermal Diels-Alder reaction // 16-th International Scientific Conference "Chemistry and Chemical Engineering in XXI century" dedicated to Professor L P. Kulyov, CCE. - 2015. - P. 259-262

8. Patent EP 1126320A2, 2001 Chemically amplified resist composition containing low molecular weight additives // Kim Jae Young, Park Joo Hyeon

9. Sutthasupa S. Recent advances in ring-opening metathesis polymerization, and application to synthesis of functional materials / S.Sutthasupa, M.Shiotsuki, F.Sanda // Polymer Journal. - 2010. - Vol. 42. - P. 905-915

10. Novak B.M. The ring opening metathesis polymerization of 7-oxabicyclo[2.2.1]hept-5-ene derivatives: a new acyclic polymeric ionophore /B.M.Novak, R.H.Grubbs // J. Am. Chem. Soc. -1988. - Vol. 110. - P.960-961

11. Qiliang J. A Review of the Ring-opening Metathesis Polymerization Involving Norbornene or Its Derivatives / J.Qiliang, Q.Chen, Cheng C. // Materials Reports. - 2018. - Vol. 32, Issue 7. -P. 1165-1192

12. Kanao M . Stereo-Selective Synthesis of exo-Norbornene Derivatives for Resist Materials /M. Kanao, O. Atsushi, T. Kousuke // Journal of Photopolymer Science and Technology. - 2009. - Vol. 22, N 9. - P. 365-370

13. Patent WO 2003035595, 2003 Novel norbornane and norbornene derivatives, use thereof and perfumed products containing same // Mane J., Chanot J., Leborgne F., Schroeder M.

14. Kun, C. Preparation and Applications of the Chiral Norbornene Derivatives / C. Kun, Y. Bei, L. Xue // Progress in Chemistry. - 2017. - Vol. 29, N 6. - P. 605-616

15. Heinz B. Poly(norbornene carboxylic acid ester)s: Synthesis and properties / B. Heinz, S. Krugel, F. Raubacher // Acta Polymerica. - 1997. - Vol. 48, N 9. - P. 385-391

16 Hickey S. Synthesis of norbornane bisether antibiotics via silver-mediated alkylation / S.Hickey, D.Ashton, J.White // RSC Adv. - 2015. - Vol. 5. - P. 28582-28586