Синтез, реакційна здатність та спектральні властивості похідних імінокумарину

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Синтез, реакційна здатність та спектральні властивості похідних імінокумарину

Карасьов Олександр Олексійович

ХАРКІВ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі фізико-органічної хімії Науково-дослідного інституту хімії при Харківському державному університеті.

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК: кандидат хімічних наук, ст. наук. співробітник,

Дорошенко Андрій Олегович,

зав. відділом фізико-органічної хімії НДІ хімії при Харківському державному університеті, м. Харків

ОФИЦІЙНІ ОПОНЕНТИ: доктор хімічних наук, доцент,

Десенко Сергій Михайлович,

доцент кафедри органічної хімії

Харківського державного університету, м. Харків.

кандидат хімічних наук, ст. наук. співробітник,

Яременко Федір Георгійович,

зав. лабораторією, УкрНДІ фармакотерапії ендокринних захворювань МОЗ України, м. Харків

ПРОВІДНА УСТАНОВА: Київський державний університет ім.Тараса Шевченка (кафедра органічної хімії), м. Київ, міністерство освіти України

Захист відбудеться "_22_" квітня 1999 р. о 17 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.14 Харківського державного університету. (Україна, 310077, м. Харків, майд. Свободи, 4, ауд. 7-80)

З дисертацією можна ознайомитися в Центральній науковій бібліотеці Харківського державного університету.

Автореферат розіслано "_22_" березня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат хімічних наук, доцент Логінова Л.П.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми обумовлена важливістю проблеми пошуку органічних сполук з високими квантовими виходами флуоресценції, що застосовуються в різних галузях науки та техніки: в активних середовищах лазерів на органічних барвниках, у якості оптичних відбілювачів та люмінесцентних додатків у різноманітних забарвлюючих композиціях, а також в якості флуоресцентних зондів та міток в біології та медицині. У цьому зв'язку цілеспрямований пошук нових ефективних люмінофорів потребує встановлення взаємозв'язку структури та спектрально-люмінесцентних властивостей, в тому числі на базі вже відомих сполук.

У роботі досліджується клас імінокумаринів та їх спряжених кислот - солей 2-аміно-1-бензопірилію, які раніше систематично не вивчалися, незважаючи на те, що серед імінокумаринів було знайдено сполуки з високими квантовими виходами люмінесценції як в органічних розчинниках, так і у воді.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною планових досліджень, спрямованих на встановлення взаємозв'язку між структурою органічних люмінофорів та їх спектрально-люмінесцентними властивостями, які проводились протягом ряду років в НДІ хімії Харківського держуніверситету в рамках госпдоговірної НДР "Синтез та фізико-хімічні дослідження фотостійких люмінофорів -- похідних кумарину, карбостирилу, ізокарбостирилу та перспектива їх використання в лазерній техніці" та держбюджетних НДР "Інформаційна система за властивостями органічних люмінофорів та лазерних барвників", № держреєстрації 0194U021414 і "Фотоніка та міжмолекулярні взаємодії органолюмінофорів іонної будови", № держреєстрації 0197U002449.

Мета роботи -- синтез похідних імінокумарину та встановлення кількісного взаємозв'язку між їх будовою та фізико-хімічними характеристиками для створення нових лазерних барвників на основі сполук цього класу.

Для досягнення даної мети було необхідним:

- синтезувати систематичні ряди 3-амінокарбоніл- та 3-(2-бензимідазоліл)імінокумаринів, а також продуктів їх взаємодії з кислотами та водою;

- установити кореляції реакційної здатності та спектральних властивостей одержаних сполук із структурними параметрами їх молекул.

Експериментальні методи. Для проведення цього дослідження було залучено методи рентгеноструктурного аналізу, ПМР, ІЧ спектроскопії, електронної абсорбційної та флуоресцентної спектроскопії, лазери на барвниках з накачкою флеш-лампою та ексимерним лазером, квантовохімічні розрахунки в рамках напівемпіричних методів АМ1 та РМ3, а також розрахунки у ?-електронному наближенні Парра-Паризера-Попла.

Наукова новизна роботи.

Синтезовано похідні 3-амінокарбоніл- та 3-(2-бензимідазоліл)імінокумарину і кумарину, а також солі 2-аміно-1-бензопірилію і 2-(3-кумариніл)бензимідазолію - всього 50 сполук, із них 29 - вперше. На підставі дослідження генераційної здатності 4 сполуки запропоновано для використання в якості лазерних барвників у рідинних лазерах.

Запропоновано одностадійний метод синтезу солей 2-аміно-3-(2-бензимідазоліл)-1-бензопірилію, застосування якого призводить до суттєвого збільшення виходів сполук з донорними замісниками.

Виявлено та кількісно охарактеризовано таутомерію 7-гідроксиімінокумаринів у сумішах етанол - вода та ацетонітрил - вода.

Вперше кількісно охарактеризовано спектрально-люмінесцентні, кислотно-основні властивості та реакційну здатність солей 2-аміно-1-бензопірилію. Встановлено кореляції цих властивостей від електронного впливу замісників, проведено аналіз фізичного змісту одержаних залежностей..

На підставі встановлених кореляцій структури, реакційної здатності та спектральних властивостей досліджених сполук визначено ⁺- константу для ij-конденсованого 2,3,4,6,7,8-гексагідрохінолізинілу в пара-положенні, який має найбільшу електронодонорну здатність серед відомих незаряджених замісників.

Практична цінність роботи. Синтезовано 4 нових лазерних барвники для використання у лазерах з ламповою та лазерною (XeCl*) накачкою. Таутомерія 7-гідроксиімінокумаринів у водно-органічних середовищах, яка характеризується змінами як у положенні довгохвильової смуги поглинання ( = 4000 5000 см-¹), так і у квантовому виході флуоресценції ( 0.6), дозволяє рекомендувати ці сполуки для кількісного визначення води в органічних розчинниках, а також у якості флуоресцентних зондів в медико-біологічних дослідженнях. 7-Діетиламіно- та 7-(2,3,4,6,7,8-гексагидрохінолізиніл)імінокумарини можуть бути використані як флуоресцентні індикатори в діапазоні 4.5 - 7.5 од. рН.

Особистий внесок автора полягає в участі в постановці задач дослідження, проведенні синтетичних експериментів, розробці нового методу синтезу солей 2-аміно-3-(2-бензимідазоліл)-1-бензопірилію, вимірюванні та інтерпретації УФ та ІЧ спектрів одержаних сполук, проведенні квантовохімічних розрахунків, математичній обробці та узагальненні одержаних результатів, а також у формулюванні висновків.

Автор висловлює подяку М.І.Рубцову та Л.Л.Лукацькій за проведення вимірів ЕСП і флуоресцентних характеристик, визначення констант рівноваг і скоростей гідролізу, С.М.Ярмоленко за участь у постановці задач та обговоренні первинних результатів роботи,, В.Е.Уманському за надання програми квантовохімічних розрахунків "EASY PIE" та її коректування за проханням автора, В.М.Баумеру за проведення рентгеноструктурного аналізу, О.Б.Согоконю і В.В. Тарковському за вимірювання генераційних характеристик, М.С.Півненко за проведення вимірів ПМР спектрів.

Публікації та апробація роботи. Основні результати роботи опубліковано у 4 статтях та 1 авторському свідоцтві на винахід. За результатами досліджень зроблено доповіді на V Всесоюзній конференції "Органічні люмінофори та їх застосування у народному господарстві" (Харків, 1987 р.), Міжнародній конференції з люмінесценції (Москва, 22-24 листопада 1994 р.), Міжнародному семінарі з міжмолекулярної взаємодії та конформаціям молекул (Харків, 3-8 жовтня 1994 р.), XXVII Української конференції з органічної хімії (Харків, листопад 1995 р.), Української конференції "Хімія азотвмісних гетероциклів" (Харків, 1-3 жовтня 1997 р.).

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 163 найменувань. Обсяг дисертації становить 109 сторінок, включаючи 17 рисунків та 21 таблицю.

ОБ'ЄКТИ ДОСЛІДЖЕННЯ

Вибір об'єктів дослідження було проведено у рамках пошуку сполук, які мають інтенсивну люмінесценцію у розчинах для використання їх в активних середовищах рідинних лазерів та оцінки перспектив застосування для цього похідних імінокумарину. Нами було обрано такі сполуки:

На прикладі сполуки VII показано нумерацію атомів 1-бензопіранового циклу.

Для оцінки впливу акцепторної здатності замісника у положенні 3 та впливу метилювання аміногрупи на стійкість солей 2-аміно-1-бензопірилію до гідролізу, було також синтезовано такі сполуки:

2. Основний зміст роботи

Методи синтезу, структура та реакції похідних імінокумарину

В літогляді приводяться відомі методи синтезу імінокумаринів та солей 2-аміно-1-бензопірилію, їх реакції з електрофілами та нуклеофілами. На підставі наведених даних показано, що для дослідження механізмів реакцій цих сполук є необхідним урахування іх кислотно-основних властивостей.

Синтез та будова імінокумаринів та солей 2-аміно-1-бензопірилію

Синтез перхлоратів 2-аміно-3-амінокарбоніл-1-бензопірилію (Iа-е) здійснено взаємодією похідних саліцилового альдегіду з ціаноацетамідом з утворенням 3-амінокарбонілімінокумаринів (IVа-е) і обробкою останніх 70%-ною HClO4 :

Виходи імінокумаринів, одержаних за цією реакцією, складають 15 - 85%. Для синтезу перхлоратів 2-аміно-3-(2-бензимідазоліл)-1-бензопірилію було запропоновано оригінальну методику -- взаємодію похідних саліцилового альдегіду з перхлоратом (або хлоридом) 2-ціанометилбензимідазолію:

Використання цієї методики призводить до суттєвого збільшення виходу ( 70%) солей 2-аміно-1-бензопірилію.

Солі 2-метиламіно-1-бензопірилію було одержано переамінюванням 3-амінокарбонілімінокумарину та солей 3-(2-бензимідазоліл)-7-R-1-бензопірилію при взаємодії з гідрохлоридом метиламіну.

В ІЧ спектрах імінокумаринів (IV,V), в таблетках KBr, виявлено смугу валентних коливань зв'язку С=N (1644-1686 см-¹). Також, в області 2800-3200 см-¹ спостерігається широка структурована смуга коливань асоційованої групи N-H бензимідазолу. При цьому знайдено лише слабке поглинання, обумовлене валентними коливаннями зв'язків N-H іміногрупи (3100-3400 см-¹). В ІЧ спектрах солей 2-аміно-1-бензопірилію (I,II,VIII-XI) виявлено "імонієву" смугу cередньої інтенсивності при 1663-1686 см-¹ та інтенсивну смугу поглинання перхлорат-іону при 1100 см-¹. В ІЧ спектрах кумаринів (VI,VII) виявлено інтенсивну смугу карбонільної групи (1690-1710 см-¹) та смугу валентних коливань поляризованого подвійного зв'язку (1550-1600 см-¹). У високочастотній області знайдено поширену смугу валентних коливань зв'язку N-H в області 3320-3350 см-¹.

При проведенні синтезу солей 2-аміно-3-(2-бензимідазоліл)-1-бензопірилію нами було встановлено, що сполука IIд в залежності від способу синтезу може бути виділена у вигляді кристалів з відрізняючимися фізичними властивостями, тоді як ПМР, УФ спектри та спектри флуоресценції їх розчинів виявились ідентичними. При перекристалізації речовини IIд-1 із пропанолу-2 було одержано кристали, ідентичні формі IIд-2.

Таблиця 1 Фізичні властивості сполук IIд, синтезованих різними методами.

№	Метод синтезу	Вихід	Т.пл.,С	, см-1 (?)	ІЧ в КВr, , cм-1 (N-H)	ПМР
IIд-1	А	15	257	20000 (62500)	3100-3400	7.2-7.6 (м., аром.), 8.65 (с., H4)
IIд-2	Б	70	279	20000 (62500)	3260	7.2-7.6 (м., аром.), 8.65 (с., H4)

Для з'ясування причин означених відмінностей було проведено рентгеноструктурне дослідження зразків обох видів кристалів. Було встановлено, що молекула імінокумарину в кристалі IIд-2 є протонованою, а кристал IIд-1 являє собою суперпозицію протонованої та непротонованої молекул. Атом N(1) виявляється разупорядженим за двома рівноймовірними позиціями; інші геометричні характеристики молекул в обох структурах є близькими. У структурі IIд-2 аніоном є звичайний перхлорат-іон з відстанями Cl-O від 1.402(6) до 1.438(5) Е та валентними кутами від 108.0(3) до 112.3(3). В структурі IIд-1 аніон має більш складну будову. Він містить два перхлорат-іони, між якими знаходиться протон. Достатньо мала відстань O(2)-O(6) -- 2.875 Е вказує на наявність трьохцентрового водневого зв'язку O(2)···Н···O(6). Таким чином, аніоном у структурі IIд-1 виступає гідродиперхлорат-іон [H(ClO₄)₂]-, утворення якого у кристалах раніш не спостерігалося.

Протонування молекули по іміногрупі призводить до удовження зв'язку C(1)-N(1), що вказує на зміну її кратності, а також на зміну довжини зв'язків у пірановому гетероциклі, на якому локалізовано заряд протонованої молекули: зв'язок C(2)-C(3) стає довшим, а зв'язок O(1)-C(1) -- примітно коротшим, аніж у молекулі 3-(2-бензимідазоліл)-7-діетиламінокумарину. В обох структурах спостерігається внутрішньомолекулярний водневий зв'язок H(1,N1)···N(4), що з'єднує бензимідазольний та бензопірановий фрагменти, та призводить до значного сплощення молекули.

Дослідження реакційної здатності похідних імінокумарину

Солі I-III добре розчиняються у полярних апротонних розчинниках, спиртах та водно-спиртових сумішах. Для вивчення протолітичних рівноваг та реакції гідролізу досліджуваних сполук було вибрано в якості стандартного розчинника суміш вода-етанол, яка містить 42.43% етанолу (50% об. при 20С). Вибір цієї системи обумовлений достатньо доброю розчинністю досліджуваних сполук, а також тим, що в подібних системах визначення рН середовища є можливим з достатнім ступенем достовірності методом потенціометрії із скляним електродом.

імінокумарин реакційний спектральний бензопірилій

Таблиця 2 Значення від'ємних логарифмів констант кислотної диссоціації монокатіонів (I) -- pK₁, монокатіонів (II) -- pK₁, монокатіонів (III) -- pK₃ та дикатіонів (II²⁺) -- pK₂ в 50 об.% етанолі при 20 С.

	рK i
R	I	II	III	II2+
H	(а)	4.930.01	5.310.02	3.200.01	(-0.21)
7-OCH3	(б)	5.290.01	5.760.01	3.600.03	(-0.04)
7-OH	(в)	5.570.01	6.120.02	3.690.01	(0.10)
7-Et2N	(г)	6.840.02	7.150.01	4.320.01	0.500.02
7-Quin.	(д)	7.500.01	7.820.01	4.770.01	0.760.02
6-Br	(е)	4.270.03	4.660.02	3.020.03	(-0.47)

Примітка. У дужках призведені оціночні значення, обчислені на підставі взаємної кореляції між pK₂ та pK_1.

На підставі аналізу величин рК_а (табл. 2.) та змін у спектрах при варіюванні рН може бути запропонована загальна схема протолітичних рівноваг та реакції гідролізу досліджуваних сполук.

Значення рК_а, що характеризують кислотність гідроксипохідних імінокумарину та кумарину (Табл. 3) дозволяють зробити висновок, що гідроксильний протон у кумаринах є більш рухливим, аніж у відповідних імінокумаринах (?рК_а ~ 0.6). Це пов'язано з декілька більш високою електроноакцепторною здатністю карбонільної групи у порівнянні з іміногрупою. Значно менше на кислотність гідроксигрупи як у імінокумаринах, так і у кумаринах впливає зміна амідної групи на менш акцепторний бензимідазольний фрагмент (?рК_а ~ 0.25). Це може бути обумовлено як мен шою різницею в акцепторній здатності цих груп, так і меншою проводимістю електронного впливу замісників по ланцюгу атомів С3 - С7, у порівнянні з ланцюгом атомів С2 - С7.

Таблиця 3 Значення від'ємних логарифмів констант кислотної дисоціації (рК_а) 7-гідроксизаміщених імінокумаринів (IVв, Vв), кумаринів (VIв, VIIв) та солей 2-аміно-1-бензопірилію VIII-XI.

Сполука	рКа	Сполука	рКа
IVв	7.96 0.01	VIII	3.0 0.1
Vв	8.18 0.01	IX	4.95 0.02
VIв	7.58 0.01	X	5.36 0.01
VIIв	7.25 0.01	XI	7.11 0.01

Значення pK_а для катіону 2-аміно-3-ціано-1-бензопірилію VIII є значно нижчими у порівнянні із сполуками Ia та IIa (Табл 3.). На нашу думку, це пов'язано із більшою електроноакцепторною здатністю нітрильної групи порівняно з бензимідазольною та амідною групами, а також і з неможливістю утворення внутрішньомолекулярного водневого зв'язку в сполуці VIII. Співставлення значень pK_а солей IX -- XI з неметильованими аналогами (Iа, IIа та IIг) свідчить, що метилювання аміногрупи в солях 2-аміно-1-бензопірилію не призводить до суттєвих змін N-H кислотності цих сполук.

Для сполук (Iа-г,е) - (IIIа-г,е) установлено добру кореляцію значень lgK_а з ⁺-константами замісників R: (I: 0.99, r 0.973, II: 0.93, r 0.977, III: 0.51, r 0.991). Однією з особливостей, які характеризують надійність цих кореляційніх залежностей, є широкий діапазон змін ⁺-констант (⁺ 2.46). Сполуки з 2,3,4,6,7,8-гексагідрохінолізиновим замісником (д) при розрахуванні параметрів цієї кореляційної залежності не враховувалось, оскільки в літературі до останнього часу дані щодо ⁺-константи цього замісника були відсутніми. Разом з цим, наявність трьох незалежних лінійних кореляцій дозволила нам оцінити величину ⁺ для ij-конденсованої 2,3,4,6,7,8-гексагідрохінолізинової групи (-2.9).

З урахуванням даних щодо механізму та констант протолітичних рівноваг, можна оцінити відносну стійкість до гідролізу кожної із протолітичних форм, які утворюються у розчині. Дослідження реакції гідролізу в ряду сполук (IX) - (XI) показує, що, в залежности від замісника в положенні 3, вплив метилювання аміногрупи на стійкість катіону 2-аміно-1-бензопірилію є різним. Для пари сполук з амідним замісником (Iа та IX) константа гідролізу внаслідок метилювання знижена приблизно на порядок (2.16 10^-4 та 2.3 10^-5), тоді як для пари сполук з бензимідазольним замісником (IIа та X) - приблизно в 5 разів (1.65 10^-4 та 3.47 10^-5), а для відповідних їм дикатіонів - в 16 разів (2.17 10^-3 та 1.35 10^-4).

Кореляція значень lgk_I та lgk_II (Схема 1), яка встановлена саме з ⁺-константами замісників у положеннях 6 та 7 ( = - 1.1, r = 0.994, n = 6 і = - 0.73, r = 0.994, n = 6 відповідно), а також близькі значення -констант, що характеризують процеси кислотно-основної рівноваги та гідролізу солей II, дозволяють припустити, що у стадії, яка визначає швидкість реакції гідролізу, бере участь катіон 2-аміно-1-бензопірилію.

Отже, можна зробити висновок, що стадією, яка визначає швидкість гідролізу, є приєднання молекули води до атому карбону в положенні 2 катіону 2-аміно-1-бензопірилію з утворенням тетраедричного інтермедіату (ТИ):

Таутомерія похідних 7-гідроксиімінокумарину

При проведенні кислотно-основного титрування 7-гідроксипохідних солей бензопірилію (Iв та IIв) у водно-спиртовому розчині було виявлено, що спектри поглинання нейтральних форм суттєво відрізняються як від спектрів відповідних 7-гідроксиімінокумаринів (IVв та Vв) в ацетонітрилі, так і від спектрів 7-метоксиімінокумаринів (IVб та Vб) у водно-спиртовому розчині.

У зв'язку з тим, що у водно-спиртовому середовищі (50% об.) суміш протолітичних форм, які утворюються, титрується як єдина частка, тобто співвідношення між ними не залежить від рН, можна зробити висновок, що цей ефект при зміні концентрації води в органічному розчиннику обумовлено встановленням таутомерної рівноваги між формами (Vв) та (Vт) (Схема 3).

Було також установлено, що таутомер (Vт) не утворюється в безводних апротонних розчинниках (ацетонітрил, діоксан), в безводних спиртах він виявляє себе тільки у спектрах люмінесценції, коли як у воді рівновага практично повністю зміщена у бік його утворення. Таким чином, можна зробити висновок, що для 7-гідроксиімінокумаринів (IVв) та (Vв) в області 11>рН>2 реалізується наступна система рівноваг:

Таутомер Vт характеризується наявністю негативної сольватохромії, що призводить до "розмивання" ізобестичної точки в ЕСП водно-ацетонітрильних розчинів змінного складу сполуки Vв (рис. 3.). Це вказує на зменшення дипольного моменту цієї сполуки при збудженні, а також на відносно високе значення дипольного моменту в основному стані. Розрахунок електронної будови для оптимізованої геометрії таутомерів Vв та Vт методом АМ1 показав, що їх дипольні моменти складають 3.4 D та 6.1 D, а теплоти утворення 55.3 ккал/моль та 63.5 ккал/моль відповідно. Таким чином, одержані розрахункові дані узгоджуються з висновком про високу полярність таутомера т, а також вказують на значно більшу стійкість (Н = 8.2 ккал/моль) форми Vв у відсутності розчинника. Використовуючи метод валентних схем, можна зобразити структурні формули сполук IVт та Vт у вигляді суперпозиції двох гранічних резонансних структур:

На підставі наведених вище даних, можна зробити висновок, що внесок цвіттеріонної ароматичної структури є преважаючим, тому для зображення молекул високополярних таутомерів IVт та Vт доцільним є використання цвіттеріонної структурної формули.

Залежність спектральних властивостей досліджених сполук від ⁺-констант замісників у положенні 7

При співставленні електронних спектрів поглинання досліджуваних сполук було встановлено, що для хвильових чисел максимумів довгохвильових смуг поглинання в усіх серіях сполук спостерігається лінійна кореляція з ⁺-константами донорних замісників в положенні 7. Ураховуючи те, що енергія електронного переходу, яку єкспериментально оцінюють по положенню максимуму довгохвильової смуги поглинання, рівна зміні вільної енергії молекули при переході в збуджений стан, можна ввести умовну константу К_ЕСП, що характеризує процес поглинання світла. З аналізу одержаних залежностей (табл. 4) витікає, що для досліджених сполук величина зміни енергії довгохвильового переходу в перший збуджений Франк-Кондонівський стан є у 4-6 разів більш чутливою до впливу замісника, чим величина зміни енергії молекули при дисоціації катіонів (I)-(III).

Порівняння констант ⁺ у різних серіях показує, що із збільшенням акцепторних властивостей бензопіранового циклу чутливість положення смуги поглинання до впливу замісника зростає.

Таблиця 4 Параметри кореляційних залежностей lgK_ЕСП = ??⁺

r,	I(а-д)	II(а-д)	III(а-д)	IV(а-д)	V(а-д)	VI(а-д)	VII(а-д)
r	0.977	0.974	0.980	0.975	0.960	0.974	0.984
	6.3	5.2	5.9	5.2	4.2	4.7	5.5

При цьому, якщо зміна енергії довгохвильового переходу обумовлена тількі зміною внеску стану з ПЗ, то має спостерігатися лінійна кореляція енергії електронного переходу з величиною ПЗ.

У якості модельних сполук для дослідження переносу заряду при оптичному збудженні було обрано ряд ,-ненасичених кетонів -- похідних дибензотиофену, карбазолу та N-метилкарбазолу, які також містять фенілпропеноновий фрагмент (А) із замісником в п-положенні:

Завдяки приблизно однакової довжині -систем фрагментів А і Б, спостерігається взаємодія між фрагментами, яка призводить до виникнення у ЕСП переходів "загальномолекулярного типу". Однак, також було встановлено, що в ЕСП цих сполук спостерігаються два типи смуг, що по-різному реагують як на введення в бензенове ядро фрагменту Б замісників різної електронної природи (R), так і на зміну електронодонорної здатності гетероатому Х біфеніленового циклу. Аналіз даних квантовохімічних розрахунків, що були проведені методом ППП КВ із використанням чисел міжфрагментного переносу заряду та чисел локалізації збудження на фрагментах, показав, що перехід, який супроводжується переносом заряду із замісника R на карбонільну групу, є одноконфігураційним тільки при R = N(CH₃)₂. Тому формально тільки для сполук з цим замісником довгохвильовий електронний перехід можна вважати класичним переходом із ВПЗ. Незважаючи на це, для хвильових чисел максимумів смуг, що були виділені графічно з експериментальних спектрів, які зазнають довгохвильовий зсув при збільшенні електронодонорної здатності замісника R, спостерігається хороша лінійна кореляція з ⁺-константами замісників R: r = 0.996, = 8.29, n = 4 (X = S); r = 0.999, = 8.08, n = 4 (X = NH); r = 0.993, = 8.81, n = 4 (X = NCH₃). Таким чином, для характеристики впливу замісника на ЕСП не є обов'язковим використання смуги ПЗ. Крім того, смуга поглинання, яка є найбільш чутливою до впливу замісника може і не бути довгохвильовою. При цьому достатньо використувати графічне розділення та надійну ідентифікацію природи даного електронного переходу з використанням квантовохімічних розрахунків.

Незважаючи на відносно високі коефіціенти кореляції (табл. 4), значення хвильових чисел максимумів для сполук із хінолізиновим замісником для усіх серій систематично відхиляються від кореляційної прямої. Вважаючи, що ці відхилення обумовлені властивостями збудженого стану, на підставі одержаних даних з використанням циклу Фьорстеру, нами було оцінено константи дисоціації катіонів (I) - (III) у збудженому Франк-Кондонівському стані з метою дослідження залежності значень логарифмів цих констант від електронного впливу замісників.

У збудженому стані залежність pK_а* від ⁺-констант замісників також можна апроксимувати прямою лінією: (I(а-д): r = 0.959, = 1.8; II(а-д): r = 0.997, = 1.7; III(а-д): r = 0.819, = 1.3), однак, низький коефіціент кореляції для сполук III(а-д) вказує, що таке наближення є незадовільним. Взагалі, ця залежність має криволінійний характер (рис. 4.).

Одержані значення свідчать, що у збудженому стані процес дисоціації катіонів (I)-(III) є приблизно у 2 рази більш чутливим до впливу замісника у порівнянні з дисоціациєю в основному стані. Цей факт віддзеркалює значне збільшення поляризовності досліджуваних сполук при збудженні. Залежності pK_а--⁺ також мають вид кривих, ступінь кривизни яких зростає при збільшенні акцепторних властивостей замісника у положенні 3. Однак, для сполук (IIа)-(IIд) з бензимідазольним замісником, який є слабким акцептором, залежність pK_а--⁺ задовільно описується прямою лінією (r = 0.980, = 0.83).

Таблиця 5 Зміна кислотності катіонів I-III при збудженні (pK_a), та їх кислотність у збудженому Франк-Кондонівському стані (pK_a^*).

		I	II	III
R		pKa	pKa*	pKa	pKa*	pKa	pKa*
H	(a)	1.1	6.0	1.7	7.0	- 0.2	3.0
OCH3	(б)	3.0	8.3	2.7	8.5	1.7	5.3
OH	(в)	2.4	8.0	2.7	8.8	1.6	5.3
Et2N	(г)	3.8	10.6	3.6	10.8	2.8	7.1
Quin	(д)	3.7	11.3	4.2	12.0	2.1	6.9

Оскільки для сполук з прямим полярним спряженням ⁺-константи характеризують зміну величини -електронного заряду під впливом замісника як на реакційному центрі, так і на самому заміснику, нами було проведено розрахунки -електронних характеристик в основному та першому збудженому станах методом Парра-Паризера-Попла. При цих розрахунках було використано наступний ряд замісників у положенні 7: H, OCH3, OH, H2N, Me2N, Et2N, 2,3,4,6,7,8-гексагідрохінолізиніл (Quin.). Аналіз даних розрахунків показує, що спостерігається хороша лінійна кореляція величин -зарядів на атомах замісників в основному стані з ⁺-константами. Використовуючи ці залежності, які були одержані для замісників а-д, методом екстраполяції було оцінено ⁺-константу для 2,3,4,6,7,8-гексагідрохінолізинової групи. Після усереднення по семи серіях було одержано значення ⁺ = -2.82, що є близьким до ⁺ = -2.9, одержаному нами на підставі експериментальних даних.

Дослідження генераційної здатності синтезованих речовин показало, що сполуки IIг та IIд генерують лазерне випромінювання при ламповій накачці (табл. 6.). Ці лазерні барвники характеризуються також значно більш високою фотостійкістю, порівняно з кращими лазерними барвниками цього ж спектрального діапазону -- кумарином 153 та родаміном Ж.

Таблиця 6 Генераційні характеристики солей 2-аміно-1-бензопірилію IIг, IIд.

Сполука	Концентрація, моль/л	ККД, %	Спектральний діапазон генерації	*Фотостійкість, N1/2
IIг	1.610-4	0.65	550 - 560	10
IIд	1.810-4	1.10	568 - 578	8
Кумарин 153	1.910-4	0.43	545 - 573	4
Родамін Ж	1.010-4	1.00	585 - 600	3

*Примітка. N_1/2 -- число імпульсів, після якого енергія генерації знижується удвічи.

При накачці ексимерним лазером (ХеCl*, _нак.= 308 нм) сполуки IIг та IIд також ефективно генерують лазерне випромінювання (Рис. 5.).

Висновки

1. Проведено синтез відносно маловивчених класів гетероциклічних сполук -- імінокумаринів та солей 2-аміно-1-бензопірилію. Встановлено співвідношення, які кількісно описують вплив замісників на реакційну здатність та спектральні властивості імінокумаринів та солей 2-аміно-1-бензопірилію. Серед одержаних солей 2-аміно-1-бензопірилію знайдено ефективні лазерні барвники.

2. Запропоновано одностадійний метод синтезу солей 2-аміно-3-(2-бензимідазоліл)-1-бензопірилію, який основано на взаємодії похідних саліцилового альдегіду з солями 2-ціанометилбензимідазолію. Метод не потребує використання каталізатору та призводить до високих ( 70%) виходів цільових сполук.

3. Одержано ефективні лазерні барвники для лампової та лазерної (XeCl*) накачки, енергія генерації та фотостійкість яких при ламповій накачці у 2.5 рази перевищує аналогічні характеристики кращого з лазерних барвників, використуємих у даній спектральній області -- кумарину 153 (4-трифторметилкумарино-[6,7,8-ij]-2,3,4,6,7,8-гексагідрохінолізину).

4. На підставі встановлених лінійних кореляцій логарифмів констант рівноваг та швидкостей гідролізу з ⁺-константами замісників запропоновано механізми протолітичних взаємодій в ряду 3,7-дизаміщених кумаринів та імінокумаринів, які містять декілька реакційних центрів, а також механізм гідролізу похідних імінокумарину у водно-спиртових середовищах.

5. Виявлено та кількісно охарактеризовано таутомерію 7-гідроксиімінокумаринів у сумішах етанол - вода та ацетонітрил - вода. Запропоновано використовувати ці сполуки для спектрального визначення якості осушки органічних розчинників та ступеня гідратованости клітинних мембран у медико-біологічних дослідженнях.

6. На підставі встановлених лінійних кореляцій логарифмів констант протолітичних рівноваг з ⁺-константами замісників, які використовуються у рівнянні Гаммета, визначено ⁺-константу для ij-конденсованого 2,3,4,6,7,8-гексагідрохінолізинілу в п_положенні (- 2.9), що дозволяє суттєво (на 0.8 од.) поширити існуючу шкалу ⁺- констант для незаряджених замісників.

Основні результати дисертації опубліковано

1. Электронные спектры поглощения непредельных кетонов, производных дибензотиофена и карбазола / С.Н. Коваленко, В.М. Никитченко, А.А. Карасёв, В.Ф. Лаврушин // Украинский химический журнал. - 1986. - Т. 52. - № 8. - З. 866-872.

2. Синтез, протолитические равновесия и устойчивость солей 2-амино-3-(2-бензимидазолил)-1-бензопирилия в водно-спиртовой среде / А.А. Карасёв, Л.Л. Лукацкая, М.И. Рубцов, Е.К. Жикол, С.Н. Ярмоленко, О.А. Пономарёв // Журнал общей химии. - 1995. - Т. 65. - Вип. 9. - З. 1547-1557.

3. Таутомерия и спектрально-люминесцентные свойства производных 2-имино-7-гидроксикумарина / Е.К. Андреева, А.О.Дорошенко, А.А. Карасёв, А.И. Новиков // Информационние технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье: Сб. науч. тр. Харьк. Гос. Политехн. Унив. Вып. 6. - Ч. 3. - Харьков. - 1998. - С. 241-244.

4. Карасёв А.А. Квантово-химический расчёт электронодонорной способности заместителей, находящихся у прямом полярном сопряжении с реакционным центром. // Информационние технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье: Сб. науч. тр. Харьк. Гос. Политехн. Унив. Вып. 6. - Ч. 3. - Харьков. - 1998. - С. 296-298.

5. А. с. СССР № 1533607, H 01 S 3/213, C09 B 57/00. Активная среда для лазера и способ ее получения / С.А. Батище, А.А. Карасёв, В.А. Мостовников, В.М. Никитченко, А.И. Новиков, В.В. Тарковский (СССР). - № 4342188/25; Заявлено

14.12.87; Опубл. 27.03.95, Бюл № 9. - 4 с.

6. Синтез, протолітична дисоціація та стабільність 3,7-заміщених солей 2-(R-аміно)-1-бензопірилію / О.О. Карасьов, Л.Л. Лукацька, М.И. Рубцов, С.М. Ярмоленко, О.О. Пономарьов // Тез. доп. XVII Української конференції з органічної хімії, м. Харків, листопад 1995. Ч.1. С. 130.

7. Карасьов О.О., Лукацька Л.Л., Рубцов М.И. Спектрально-люмінесцентні та кислотно-основні властивості 3-(2-бензимідазоліл)кумаринів. // Тез. доп. Української конференції "Хімія азотвмісних гетероциклів" м. Харків, 1-3 жовтня 1997 р. С. 96.

Анотація

Карасьов О.О. Синтез, реакційна здатність та спектральні властивості похідних імінокумарину. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.03. - органічна хімія. - Харківський державний університет, Харків, 1999.

Синтезовано систематичні ряди 3-амінокарбоніл- та 3-(2-бензимідазоліл)імінокумаринів та -кумаринів, а також їх перхлоратів. Запропоновано одностадійний метод синтезу солей 2-аміно-3-(2-бензимідазоліл)-1-бензопірилію, який призводить до підвищення виходів продуктів. Одержано ефективні лазерні барвники для лампової та лазерної (XeCl*) накачки. Виявлено та кількісно охарактеризовано таутомерію 7-гідроксиімінокумаринів. Визначено константи кислотно-основних рівноваг у водно-спиртовому середовищі в основному та у збудженому стані. За допомогою встановлених лінійних кореляцій lgK_а - ⁺-константи замісників визначена ⁺-константа ij-конденсованого 2,3,4,6,7,8-гексагідрохінолізинілу у пара-положенні (-2.9). Встановлено, що при відносно малих величинах внутрішньомолекулярного переносу заряду (ВПЗ) у збудженому стані залежність pK_а від ⁺-констант добре апроксимується прямою лініею. Зі зростанням величини ВПЗ зростає кривизна цієї залежності.

Ключові слова: імінокумарин, солі 2-аміно-1-бензопірилію, лазерний барвник, таутомерія, ⁺-константа, внутрiшньомолекулярний перенос заряду.

Abstract

Karasyov A.A. Synthesis, reactivity and spectral properties of iminocoumarin derivatives. - Manuscript.

Thesis for a candidate of science in chemistry by speciality 02.00.03 - organic chemistry. - Kharkiv State University, Kharkiv, 1999.

Systematic series of 3-carbamoyl-, 3-(2-benzimidazolyl)iminocoumarins, -coumarins and 2-amino-1-benzopyrylium salts were synthesized. New one-step high yield synthesis of 2-amino-3-(2-benzimidazolyl)-1-benzopyrylium salts with were proposed. New effective laser dyes for flash-lamp and eximer (XeCl*) pumping were found within synthesized compounds. Tautomerizm of 7-hydroxyiminocoumarins were found out and quantitatively charachterized. Acid-base equilibrium constants were obtained for studied compounds in water-alcohol medium for the ground and first excited singlet states. Using linear correlations between lgK_a and ⁺-constants of substituents, ⁺-constant for ij-condenced 2,3,4,6,7,8-hexahydroquinolizine in para-position was obtained (_2.9). It has been noted that correlation of ⁺-constants within lgK_a values for excited state is linear if the amount of charge transfer is small.

Key words: iminocoumarin, 2-amino-1-benzopyrylium salts, laser dye, tautomerizm, ⁺_constant, intramolecular charge transfer.

Аннотация

Карасёв А.А. Синтез, реакционная способность и спектральные свойства производных иминокумарина. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата химических наук по специальности 02.00.03. - органическая химия. - Харьковский государственний университет, Харьков, 1999.

Работа посвящена установлению соотношений, количественно описывающих влияние заместителей на реакционную способность и спектральные свойства иминокумаринов, кумаринов и солей 2-амино-1-бензопирилия.

В качестве объектов исследования были синтезированы 3-карбамоил- и 3-(2-бензимидазолил)иминокумарины, а также продукты их взаимодействия с кислотами и водой (соли 2-амино-1-бензопирилия, 2-(3-кумаринил)бензимидазолия и соответствующие кумарины с заместителями R = 6-Br, H, 7-OCH₃, 7-OH, 7_(C₂H₅)₂N, [6,7,8-ij]-2,3,4,6,7,8-гексагидрохинолизинил). Для синтеза солей 2-амино-3-(2-бензимидазолил)-1-бензопирилия предложен новый одностадийный метод синтеза, основаный на взаимодействии производных салицилового альдегида с перхлоратом 2-цианометилбензимидазолия без применения катализатора и приводящий к существенному увеличению выходов (в 3-4 раза) соединений с донорными заместителями в положении 7. Суммарные выходы соответствующих 3-(2-бензимидазолил)иминокумаринов и -кумаринов, полученных из солей 2-амино-1-бензопирилия, оказываются также выше, чем при использовании общепринятой методики синтеза по Кнёвенагелю. С использованием ИК-спектроскопии и рентгеноструктурного анализа показано, что в исследуемых соединениях бензимидазольный фрагмент лежит в плоскости бензопиранового цикла вследсвие образования внутримолекулярной водороной связи.

При этом установлено, что молекулы перхлората 2-амино-3-(2-бензимидазолил)-1-бензопирано-[6,7,8-ij]-2,3,4,6,7,8-гексагидрохинолизиния могут существовать в виде двух кристаллических модификаций. В одной из них молекула существует в виде суперпозиции катиона и нейтральной формы (иминокумарина), а противоионом является гидродиперхлорат-ион H(ClO₄)₂-, существование которого в кристаллах обнаружено впервые.

На основании анализа измеренных констант протолитических равновесий и скоростей гидролиза предложены механизмы гидролиза иминокумаринов в кислой и щелочной средах. Установлены линейные корреляции логарифмов констант равновесий и скоростей гидролиза с ⁺-константами заместителей. С использованием установленных корреляций логарифмов констант протолитических равновесий трех независимых реакционных серий была определена ⁺-константа для ij-конденсированного 2,3,4,6,7,8-гексагидрохинолизинила в пара-положении. Полученное значение (-2.9) позволяет существенно расширить шкалу ⁺-констант незаряженных заместителей для использования в корреляционном анализе.

Обнаружена и количественно охарактеризована таутомерия 7-гидроксииминокумаринов, возникающая при добавлении воды в органический растворитель (этанол, ацетонитрил) и наблюдаемая по спектрам поглощения вследствие значительного различия в положении длинноволновых полос таутомеров (~ 5000 см-¹) и по увеличению квантового выхода люминесценции (от 0.2 до 0.8). Указанные спектральные изменения позволяют рекомендовать 7-гидроксииминокумарины для разработки на их основе флуоресцентных сенсорных систем определения качества осушки растворителей и использования в медико-биологических исследованиях в качестве спектральных зондов, чувствительных к степени гидратированности клеточных мембран. На основании данных квантовохимических расчётов, проведенных с использованием полуэмпирического метода АМ1, сделан вывод о цвиттерионном электронном строении более полярного таутомера.

Для семи реакционных серий исследуемых соединений установлены линейные корреляции максимумов длинноволновых полос поглощения с ⁺-константами заместителей в положении 7. С использованием метода валентных схем и привлечением модели внутримолекулярного переноса заряда дано обоснование корректности использования ⁺-констант для корреляционного анализа с характеристиками электронных переходов. На примере ЭСП модельных соединений -- производных халкона, основным хромофором которых, как и в кумаринах является замещённый фенилпропеноновый фрагмент, показано, что с привлечением данных квантовохимических расчетов методом ППП возможно достаточно надёжное графическое выделение наиболее чувствительной к влиянию заместителя полосы поглощения в ЭСП, даже если она и не является длинноволновой. Показано, что для рассматриваемых соединений также наблюдается линейная корреляция ⁺-констант заместителей с максимумами полос поглощения, наиболее чувствительных к влиянию заместителя. Предложено определение ⁺-константы заместителя как величины, характеризующей степень переноса заряда с заместителя на остальную часть молекулы при исследуемом процессе.

С использованием цикла Фёрстера определены константы кислотной диссоциации трёх серий исследуемых катионов в возбуждённом состоянии. Показано, что зависимость lgK_a в возбуждённом состоянии от ⁺-констант в общем случае имеет криволинейный характер, однако, для катионов 2-амино-1-бензопирилия с бензимидазольным заместителем, являющимся слабым электроноакцептором, данная зависимость хорошо описывается прямой линией (r = 0.997, n = 6, = - 1.7).

Установлены линейные корреляции -электронных зарядов на атомах заместителей с ⁺-константами этих же заместителей. С использованием этих зависимостей была оценена "теоретическая" ⁺-константа для ij-конденсированного 2,3,4,6,7,8-гексагидрохинолизинила. Полученное значение (- 2.82) оказалось близким к - 2.9, полученному нами на основе экспериментальных данных.

Ключевые слова: иминокумарин, соли 2-амино-1-бензопирилия, лазерный краситель, таутомерия, ⁺-константа, внутримолекулярный перенос заряда.

Размещено на Allbest.ru