Микроволновый синтез первого тиакаликскраун-клатрохелатного конъюгата

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В условиях микроволнового синтеза и при обычном нагревании синтезированы первые представители нового класса соединений - конъюгаты меркаптоалкокситиакаликс[4]крауна в стереоизомерной форме 1,3-альтернат, полученного на основе -бром-, тиоацето тиакаликс[4]аренов, и клатрохелата, представляющие собой наноразмерные молекулы с макроциклическими полостями. Показано, что при проведении реакции в условиях микроволнового облучения реакция протекает намного быстрее и конверсия исходного тиола выше. Структура полученного конъюгата была охарактеризована рядом гомо- и гетерокорреляционных методик ЯМР.

Каликсарены с краунэфирными группами - каликскрауны представляют собой макроциклические соединения, которые нашли широкое применение в дизайне высокоселективных и эффективных комплексообразователей как для щелочных, так и для тяжелых металлов [1-5]. Эти свойства каликскраунов используются в ион-селективных электродах, молекулярных переключателях, а также при переработке ядерных отходов [6-8].

Клатрохелаты [9] являются макроциклическими соединениями с ионами металлов, инкапсулированными в полости макроцикла. Одним из их преимуществ является химическая и термическая устойчивость, а также окислительно-восстановительная способностью.

Тиакаликсарен, на основе которого можно получать производные, содержащие в одной молекуле заместители различной природы, способные выполнять взаимодополняющие функ-ции, является чрезвычайно привлекательной молекулярной платформой для создания нано-размерных молекул. Ранее нами были синтезированы первые представители конъюгатов производных тиакаликс[4]арена и клатрохелата - трис-диоксимата железа(II) 1, связанных полиметиленовыми мостиками, и выполнено ЯМР-исследование их структуры [10]. В настоящей работе осуществлен синтез новых конъюгатов тиакаликс[4]крауна и клатрохелата.

На рис. 1 представлена стратегия синтеза новых тиакаликскраун-клатрохелатных конъюгатов. Объединение каликскраунов и клатрохелатов позволит получить наноразмерные молекулы, в которых в дополнение к полости тиакаликсарена образуются два новых макроциклических фрагмента (показаны стрелками на рис. 1), способных к включению молекул (или ионов) - гостей и, следовательно, к образованию полиядерных гетеротопных комплексов с близким (в нанометровом диапазоне) расположением металлоцентров. Последнее является важным для формирования на основе таких соединений молекулярных устройств. Варьирование природы спейсерного фрагмента позволяет в широких пределах подстраивать создаваемые полости под заданного гостя.

Рис. 1. Стратегия синтеза тиакаликскраун-клатрохелатного конъюгата

Экспериментальная часть

Растворители были очищены по известным методикам [11]. Трифенилфосфин (TPP) (Acros, 99%), диэтилазадикарбоксилат (DEAD) (Lancaster, 97%), были использованы без дальнейшей чистки. Трис-диоксимат железа(II) 1 был синтезирован в соответствии с методикой [12]. Соединения 2 (а-с) синтезировали в соответствии со схемой 1 по ранее описанным методикам, физические константы совпали с опубликованными данными [13]. ИК спектры полученных соединений были сняты на Фурье-спектрометре Bruker Vector-22 в интервале волновых чисел 400-4000 см-1 в таблетке KBr или вазелиновом масле.

Температуры плавления веществ определяли на компактном нагревательном столике BOETIUS. Масс-спектры были сняты на масс-спектрометре MALDI-TOF Ultraflex III из растворов соединений в подходящем растворителе в диапазоне концентраций 10-3-10-5 моль/л (матрицы - п-нитроанилин (p-NA) и дигидроксибензойная кислота (DHB)). ЯМР эксперименты проводили на спектрометрах Bruker Avance-400 и 600 в CDCl3 при 30 єС. ТСХ проводили на пластинках Silufol UV 254.

Для расчетов использовали метод MM+ в составе программы ChemBio3D Ultra 11.0. Все реакции проводили в атмосфере аргона. Колоночную хроматографию проводили с использованием силикагеля в качестве неподвижной фазы (диаметр частиц составил 0.035-0.070 мм, а размер пор - 60 Е). Элементный анализ проводили на анализаторе Perkin Elmer PE 2400 series 2 сжиганием образца. Микроволновый синтез был осуществлен в микроволновом реакторе CEM MARS Xtraction в толстостенных стеклянных реакторах при атмосферном давлении; для измерения температуры использовали оптоволоконный сенсор.

Синтез конъюгатов 3, 4. Обычное нагревание. 0.01 г (0.11 ммоль)тиола 2c, 0.016 г (0.022 ммоль) трис-диоксимата железа(II) 1 перемешивали в ДМФА (5 мл) при температуре глицериновой бани 90 оС в течение 20 ч. Затем ДМФА удаляли, а остаток промывали метанолом, в результате получали смесь тиола 2 и конъюгатов состава 1:1 3 и 1:2 4. (по данным ЯМР, соотношение 3:2c:4 = 7:4:1, суммарный выход - 67%). Микроволновый синтез. 0.1 г (0.11 ммоль)тиола 2c, 0.03 мл (0.22 ммоль) триэтиламина и 0.16 г (0.22 ммоль) трис-диоксимата железа(II) 1 перемешивали в ДМФА (5 мл) с использованием ультразвука (в ультразвуковой бане Сапфир УЗВ-4.0) и выдерживали в микроволновом реакторе в течение 10 мин (400 W, 60% мощности). Затем удаляли ДМФА и триэтиламин в вакууме, к остатку добавляли метанол (40 мл), осадок отфильтровали и очищали колоночной хроматографией (элюент - гексан/EtOAc = 6/1 - 1/1).

Конъюгат 3 (конъюгат 1:1, нумерация атомов углерода приведена на рис. 6). Выход 0.058 г (44%), Т.пл. 3160С, Rf (Hex/EtOAc = 2/1) 0.60. Элементный анализ: вычислено для C80H84B2F2Fe N6O11S6: B 1.34, Fe 3.46; найдено: B 1.49, Fe 3.84. MALDI TOF (DHB) 1613.6 [M]+, 1635.6 [M+Na]+, 1651.6 [M+K]+. 1H ЯМР (CDCl3, 600.13 МГц, 303K) 7.39, 7.37 (м, 8Н, 11); 7.35 (с, 4Н, 3); 7.34, 7.32 (м, 4Н, 13); 7.30, 7.28 (м, 8Н, 12); 7.24 (с, 4Н, 16); 3.96 (т, 4Н, 3JHH = 8.4 Гц, 5); 3.63 (т, 4Н, 3JHH = 7.0 Гц, 18); 3.01 (т, 4Н, 3JHH = 11.1 Гц, 7); 2.71 (т, 4Н, 3JHH = 7.5 Гц, 19); 1.28 (с, 18H, t-Bu); 1.20 (с, 18H, t-Bu). 13C ЯМР (CDCl3, 150.92 МГц, 303K) 157.50 (1i), 156.48 (9i), 155.62 (14i), 150.00 (8i), 146.39 (4i), 145.83 (17i), 130.90 (11), 130.16 (13), 129.04 (10i), 128.68 (3), 128.07 (15i), 127.89 (12), 127.41 (2i), 126.09 (16), 70.67 (19), 69.53 (5), 67.63 (18), 34.35 (4a), 34.20 (17a), 31.82 (7), 31.43 (17b), 31.40 (6), 31.21 (4b). 11B ЯМР (CDCl3, 192.55 МГц, 303K) 3.7. 19F ЯМР (CDCl3, 376.38 МГц, 303K) -168.

Конъюгат 4 (конъюгат 1:2). Выход 0.013 г (5%). Rf (Hex/EtOAc = 2/1) 0.27. MALDI TOF (DHB) 2359.8 [M]+, 2382.7 [M+Na]+, 2397.6 [M+K]+. 1H ЯМР (CDCl3, 400 МГц, 303K) 7.35-7.25 (м, 48Н, Наром); 4.02 (т, 4Н); 3.62 (т, 4Н); 3.21 (т, 4Н); 2.75 (т, 4Н); 1.29 (с, 18H, t-Bu); 1.20 (с, 18H, t-Bu).

Результаты и их обсуждение

Тиол-замещенный тиакаликс[4]монокраун-3 2c был синтезирован по реакции 3-бромпро-покситиакаликс[4]монокрауна-3 2a с тиоацетатом калия и последующим гидразинолизом с высокими выходами на всех стадиях (схема 1) [13].

Схема 1. Схема синтеза тиакаликс[4]монокрауна 2с, содержащего терминальные тиольные группы.

Синтез тиакаликскраун-клатрохелатного конъюгата был проведен как в обычных условиях, так и в условиях микроволнового облучения, которое часто значительно ускоряет проведение реакций [11] различного типа.

При проведении реакции в обычных условиях (90 оC в течение 20 ч) конверсия тиола составляла всего 66% (по данным 1H ЯМР реакционной смеси). Микроволновый синтез тиол-замещенного тиакаликс[4]монокрауна 2c с монореберно-хлорированным трисдиоксиматом железа(II) 1 в присутствии триэтиламина как основания через 10 мин после начала реакции приводит к 80% конверсии тиола. Далее очистка методом колоночной хроматографии привела к образованию двух типов тиакаликскраун-клатрохелатных конъюгатов состава тиакаликс-арен-клатрохелат: 1:1 3 (44%) и 1:2 4 (5%) (схема 2).

Схема 2. Взаимодействие тиакаликс[4]монокрауна 2 и трис-диоксимата железа(II) 1 в условиях микроволнового облучения

Преобладание конъюгата 3 состава 1:1 в реакционной смеси определяется, по-видимому, его более высокой устойчивостью.

Ранее нами было показано методом MM+ [14], что диэдральный угол SCCS в конъюгатах каликсаренов и клатрохелата 5 является мерой устойчивости каликсарен-клатрохелатных конъюгатов и составляет от 6 до 8.5о (рис. 2).

Рис. 2. Структура конъюгатов 5

каликскраун химический термический щелочный

Для сравнения этот угол в нециклическом стерически незатрудненном монореберно функционализированном тиометильными группами клатрохелате 6 по данным расчета состав-ляет 5.8о (3.2о по данным РСА) [12] (рис. 3).

Рис. 3. Диэдральный угол SCCS в монореберно-тиометилированном трис-диоксимате железа(II) 6

Данные по моделированию конъюгатов (рис. 4) показали, что диэдральный угол SCCS конъюгата 3 состава 1:1, составляет 4о; что близко к таковому для тиоэфира трис-диоксимата железа(II) - 5.8о (3.2о по данным РСА) [12, 14], в то время как для конъюгата 4 состава 1:2, содержащего два клатрохелатных фрагмента, он составил порядка 40о.

Вполне естественно предположить, что с ростом стерической загруженности (увеличением диэдрального угла S-C-C-S) в формирующихся конъюгатах их образо-вание будет становиться менее термодинамически выгодным процессом. То есть, образование конъюгата 4, содержащего 2 клатрохелатных фрагмента на коротких (три метиленовых группы) спейсерах будет наименее выгодным процессом.

Рис. 4. MMPlus-минимизированная молекулярная структура гибридных тиакаликс[4]ареноклатрохелатов 3 состава 1:1 (ц(SCCS) = 40) (слева) и 4 состава 1:2 (ц(SCCS) = 400) (справа)

Структура конъюгата 3 была подтверждена комплексом физических методов, включающих данные MALDI TOF масс-спектрометрии, ИК-спектроскопии и элементного анализа.

Окончательно химическая структура 3 была установлена на основании ряда гомо- и гетерокорреляционных ЯМР экспериментов (1H-1H COSY, 1H-13C HSQC и HMBC). Проблему разделения спиновых систем, относящихся к протонам краун-эфирного (3.6 и 2.7 м.д.) и тиоэфирного фрагментов (4.0, 3.0 и 1.8 м.д.), удалось однозначно решить при помощи 1D TOCSY ЯМР экспериментов (рис. 5).

Корреляция атомов углерода с присоединенными атомами водорода была выполнена в рамках HSQC эксперимента.

Установление сигналов протонов клатрохелатного фрагмента и C-ипсо сигналов проводили с использованием HMBC эксперимента.

В ароматической области HMBC спектра (рис. 6, слева) наблюдались кросс-пики C-13/H-11, C-11/H-13 и C-10i/H-12, схематично изображенные черными стрелками (рис. 6, справа).

Рис. 5. 1D TOCSY спектры 3 в CDCl3. Возбуждаемые протоны помечены стрелкой. Номера атомов углерода приведены на рис. 6

Таким образом, благодаря 2D ЯМР экспериментам была расшифрована ароматическая область 1H ЯМР спектра.

Рис. 6. Ароматическая область HMBC спектра (слева) конъюгата 3 и соответствующие 3JCH взаимодействия, схематично изображенные стрелками

Вывод о пространственной структуре этого соединения был сделан на основании анализа ядерных эффектов Оверхаузера. Согласно данным 1D ROESY экспериментов (рис. 7), имеется ряд диполь-дипольных взаимодействий протонов краун-эфирного и тиоэфирного фрагментов с протонами ароматических и трет-бутильных групп, что указывает на конформацию 1,3-альтернат.

Заключение

Таким образом, впервые синтезированы новые тиакаликскраун-клатрохелатные конъю-гаты 3 и 4 состава каликсарен-клатрохелат 1:1 и 1:2, соответственно. Показано, что в условиях микроволнового синтеза конверсия исходных соединений выше, чем в условиях обычного нагревания, а время проведения реакции значительно короче. Компьютерное моделирование структуры синтезированных конъюгатов предсказало более высокую устойчивость конъюгата 3, что находится в хорошем соответствии с полученными экспериментальными данными. Анализ структуры продуктов был выполнен с использованием 1D и 2D ЯМР экспериментов, MALDI TOF масс-спектрометрии и ИК-спектроскопии; а чистота полученных соединений была подтверждена элементным анализом и температурой плавления.

Рис. 7. 1D ROESY спектры конъюгата 3 (справа, возбуждаемые протоны показаны стрелками) и соответствующие ЯЭО, схематично показанные двусторонними стрелками (слева)

Литература

1. K. Salorinne, M. Nissinen. Calixcrowns: synthesis and properties. J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem. 2008. Vol.61. P.11-27.

2. B. Valeur, I. Leray. Ion-responsive supramolecular fluorescent systems based on multichromophoric calixarenes: A review. Inorg. Chim. Acta. 2007. Vol.360. P.765-774.

3. B.S. Creaven, D.F. Donlon, J. McGinley. Coordination chemistry of calix[4]arene derivatives with lower rim functionalisation and their applications. Coord. Chem. Rev. 2009. Vol.253. P.893-962.

4. P. Jose, S. Menon. Lower-Rim Substituted Calixarenes and Their Applications. Bioinorg. Chem. Appl. 2007. Vol.2007. doi:10.1155/2007/65815.

5. L. Mutihac, J.H. Lee, J.S. Kim, J. Vicens. Recognition of amino acids by functionalized calixarenes. Chem. Soc. Rev. 2011. Vol.40. P.2777-2796.

6. Z. Szigeti, A. Malon, T. Vigassy, V. Csokai, A. Grun, K. Wygladacz, N. Ye, C. Xu, V.J. Chebny, I. Bitter, R. Rathore, E. Bakker, E. Pretsch. Novel potentiometric and optical silver ion-selective sensors with subnanomolar detection limits. Anal. Chim. Acta. 2006. Vol.572. P.1-10.

7. van F.W.B. Leeuwen, H. Beijleveld, A.H. Velders, J. Huskens, W. Verboom, D.N. Reinhoudt. Thiacalix[4]arene derivatives as radium ionophores: a study on the requirements for Ra2+ extraction. Org. Biomol. Chem. 2005. Vol.3. P.1993-2001.

8. M. Kumar, A. Dhir, V. Bhalla. On-Off Switchable Binuclear Chemosensor Based on Thiacalix[4]crown Armed with Pyrene Moieties. Eur. J. Org. Chem. 2009. P.4534-4540.

9. Y.Z. Voloshin, N.A. Kostromina, R. Krдmer. Clathrochelates: synthesis, structure and properties. Amsterdam: Elsevier. 2002.

10. S.Е. Solovieva, А.А. Tyuftin, А.А. Muravev, M. Gruner, W. Habicher, S.V. Korobko, Y.Z. Voloshin, I.S. Antipin, A.I. Konovalov, Y.N. Bubnov. Novel type of polytopic coordination compounds: synthesis and NMR investigation of the first hybrid thiacalix[4]areneclathrochelates. Butlerov Commun. 2011. Vol.28. No.20. P.101-108.

11. W.L.F. Armarego, C.L.L. Chai. Purification of Laboratory Chemicals. Elsevier. 2009.

12. Y.Z. Voloshin, V.E. Zavodnik, O.A. Varzatskii, V.K. Belsky, A.V. Palchik, N.G. Strizhakova, I.I. Vorontsov, M.Y. Antipin. Clathrochelate monoribbed-functionalized iron(II) б-dioximates: synthetic pathways and structural and electrochemical features. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 2002. P.1193-1202.

13. S.E. Solov'eva, A.A. Murav'ev, S.K. Latypov, I.S. Antipin, A.I. Konovalov. Thiacalix-Monocrown Ethers with Terminal Functional Groups at the Lower Rim: Synthesis and Structure. Dokl. Chem. 2011. Vol.438. No.2. P.170-174.

14. Тюфтин А.А. Синтез новых замещенных по нижнему ободу серосодержащих производных тиакаликс[4]аренов и их конъюгатов с клатрохелатами: автореферат дис. ... кандидата химических наук : 02.00.03. Казань. 2009.

Размещено на Allbest.ru