Синтез и исследование физико-химических свойств липофилизированных тетра(азаарено)порфиразинов и их металлокомплексов

На правах рукописи

Ефимова Светлана Валентиновна

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЛИПОФИЛИЗИРОВАННЫХ ТЕТРА(АЗААРЕНО)ПОРФИРАЗИНОВ И ИХ МЕТАЛЛОКОМПЛЕКСОВ

02.00.03 –органическая химия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Иваново – 2008

Работа выполнена на кафедре «Химия и технология высокомолекулярных соединений» ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет»

Научный руководитель:	кандидат химических наук, доцент
	Корженевский Андрей Брониславович
Научный консультант:	доктор химических наук, профессор Койфман Оскар Иосифович
Официальные оппоненты:	доктор химических наук, профессор Исляйкин Михаил Константинович кандидат химических наук, старший научный сотрудник Шейнин Владимир Борисович

Ведущая организация: МГУ им. М.В. Ломоносова

Защита состоится «28» апреля 2008 г. в_10_ч. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.01 при ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф.Энгельса, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф.Энгельса, 10.

Автореферат разослан «27 » …марта 2008 г.

Ученый секретарь Хелевина О.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Азааналоги фталоцианина и нафталоцианина привлекают внимание исследователей в качестве моделей в различных фотофизических процессах, материалов для электрохромных дисплеев, сред для оптической записи информации, компонентов супрамолекулярных систем, основы диагностических, фототерапевтических и других медицинских препаратов.

Однако азааналоги нафталоцианина практически нерастворимы в воде и обладают чрезвычайно низкой растворимостью в органических растворителях, что не лучшим образом сказывается как на изучении, так и на применении данного класса соединений. В связи с этим решение проблемы придания растворимости тетра(азаарено)порфиразинам в органических растворителях является актуальным.

Цель работы - разработка методов синтеза трет-бутилзамещенных реакционноспособных синтонов и на их основе органикорастворимых тетра(азаарено)порфиразинов для исследования связи структура – физико-химические свойства.

Научная новизна.

Впервые разработаны методы синтеза и получены 6-трет-бутилхинолин-2,3-дикарбоновая кислота и металлокомплексы тетра(6-трет-бутил-2,3-хинолино)порфиразина с медью, кобальтом, цинком и никелем.

Разработан эффективный метод синтеза 6-трет-бутил-2,3-дицианохиноксалина и впервые на его основе синтезированы тетра(6-трет-бутил-2,3-хиноксалино)порфиразин и его металлокомплексы с медью, кобальтом и цинком.

По известным методикам получены неописанные ранее в литературе комплексы тетра(5-трет-бутилпиразино)порфиразина с цинком, кобальтом и алюминием.

Разработаны новые методы синтеза тетра(азаарено)порфиразинов из соответствующих ароматических или гетероароматических о-динитрилов, которые позволяют увеличить выход целевого продукта до 70-90%.

Показана возможность существенного увеличения растворимости тетра(азаарено)порфиразинов за счет введения объемистых заместителей по периферии молекулы и впервые количественно оценена растворимость тетра(5-трет-бутил-пиразино)порфиразина, тетра(6-трет-бутил-2,3-хино-ксалино)порфиразина и их металлокомплексов в органических растворителях.

Проведены исследования ЭСП полученных тетра-(азаарено)порфиразинов в органических растворителях и серной кислоте.

Изучена устойчивость медных комплексов тетра(5-трет-бутилпиразино)порфиразина, тетра(6-трет-бутил-2,3-хиноксалино)пор-фиразина и тетра(6-трет-бутил-2,3-хинолино)порфиразина к термооксли-тельной деструкции.

Практическая значимость

Разработанные методы синтеза синтонов обеспечивают доступность для получения липофилизированных тетра(азаарено)порфиразинов на их основе.

Разработаны эффективные методы синтеза лигандов тетра(азаарено)порфиразинов, позволяющие с высоким выходом получать целевые соединения. Методы защищены 12 патентами РФ.

В целом, результаты проведенных исследований, связанных с синтезом новых соединений, являются определенным вкладом в химию тетрааренопорфиразинов и представляют собой этап в развитии подходов целенаправленного синтеза соединений с заранее прогнозируемыми свойствами.

Показана возможность использования тетра(6-трет-бутил-2,3-хинолино)порфиразина меди в качестве красящего вещества оптических фильтров. Получен патент РФ.

Настоящая работа выполнена в рамках Международной программы INCO-COPERNICUS-№IC15-CT98-0326 “Blood Sterilization using the Photodynamic Effect with Immobilized Photosensitizes”, а так же при финансовой поддержке Гранта РФФИ № 03-03-96472, программы Министерства образования и науки РФ 2006 г. № 2.1.1.4519 «Молекулярный дизайн наноразмерных систем на основе порфиринов и их аналогов», Гранта INTAS № 03-50-4540 «Оптически активные ансамбли на основе коллоидных квантовых точек и тетрапиррольных соединений: лазерно-индуцированные релаксационные процессы и оптоэлектронные функциональные возможно-сти».

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на XXI научной сессии Российского семинара по химии порфиринов и их аналогов (Иваново, 2000); IX Международной конференции по химии порфиринов и их аналогов (Суздаль, 2003); IX Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования» (Плес, 2004); VIII Молодежной научной школе-конференции по органической химии (Казань, 2005); XXII, XXIII Международных Чугаевских конференциях по координационной химии (Кишинев, 2005; Одесса, 2007); III, IV International Conferences on Porphyrins and Phthalocyanines (ICCP-3,4) (New Orleans, USA, 2004; Rome, Italy, 2006); Международной конференции «Органическая химия от Бутлерова и Бейльштейна до современности» (Санкт-Петербург, 2006); Всероссийской научной конференции «Природные макроциклические соединения и их синтетические аналоги» (Сыктывкар, 2007).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 4 статьях, 12 патентах РФ и тезисах 7 докладов на Международных и Всероссийских научных конференциях.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части и обсуждения результатов, выводов, приложения и списка цитируемой литературы из 220 наименований отечественных и зарубежных источников. Материалы диссертации изложены на 151 странице машинописного текста, включают 14 таблиц, 29 рисунков, 14 схем и 5 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Литературный обзор состоит из четырех разделов. В первом разделе рассмотрено строение фталоцианинов и его структурных аналогов, полученных мофицикацией периферии молекулы путем азазамещения и бензаннелирования. Вопросам состояния тетрааренопорфиразинов в неводных средах посвящен второй раздел литературного обзора. В третьем разделе приводятся данные по исследованию влияния структурной модификации фталоцианинов на электронные спектры поглощения. В четвертом разделе рассмотрены основные принципы синтеза тетрааренопорфиразинов.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

2.1 Синтез металлокомплексов тетра(5-трет-бутилпиразино)-порфиразина

Впервые были синтезированы тетра(5-трет-бутилпиразино)порфи-разин с цинком, кобальтом и алюминием, а также ранее описанные в литературе тетра(5-трет-бутилпиразино)порфиразин ((5-t-Bu)4PzcH2) и его комплекс с медью.

Схема 1

Рис.1. ИК-спектр трет-бутилзамещенного

дицианопиразина

2.2. Синтез металлокомплексов тетра(6-трет-бутил-2,3-хинолино)-порфиразина

Нами впервые синтезированы металлокомплексы тетра(6-трет-бутил-2,3-хинолино)порфиразина ((6-t-Bu)4-2,3-QlcM) с медью, кобальтом, цинком и никелем.

Для получения ключевой для темплатного синтеза липофилизированных металлокомплексов тетра-2,3-хинолинопорфиразинов 6-трет-бутил-2,3-хинолиндикарбоновой кислоты нами был применен модифицированный метод введения формильной группы в N-алкилированный трет-бутиланилин с последующим замыканием гетероцикла и омылением образовавшегося диэфира. Данный способ открывает широкие перспективы в области синтеза замещенных хинолиндикарбоновых кислот, в результате варьирования заместителя в анилине, а замена анилина на другие ароматические амины будет способствовать развитию химии тетра(азаарено)порфиразинов.

Таким образом, синтез металлокомплексов тетра(6-трет-бутил-2,3-хинолино)порфиразина проводился по схеме 2:

Рис.2. Спектр 1H ЯМР диметилового эфира 6-трет-

бутилхинолин-2,3-дикарбоновой кислоты (CDCl3) Схема 2

2.3. Синтез металлокомплексов тетра(6-трет-бутил-2,3-хинокса-лино)порфиразина

Тетра(6-трет-бутил-хиноксалино)порфиразин ((6-t-Bu)4-2,3-QxcH2) и его металлокомплексы ((6-t-Bu)4-2,3-QxcM) с медью, кобальтом и цинком синтезированы нами впервые. Получение соответствующих реакционноспособных синтонов – это основная задача синтеза новых тетра(азаарено)порфиразинов. В качестве такового мы предлагаем использовать динитрил трет-бутилхиноксалин-2,3-дикарбоновой кислоты. Метод конденсации дииминосукцинонитрила с о-фенилендиамином позволил получить искомый динитрил с выходом 48%. Таким образом, синтез металлокомплексов тетра(6-трет-бутил-2,3-хиноксалино)порфира-зина проводили по схеме 3:

Схема 3 Рис.3. ИК-спектр трет-бутилзамещенного

дицианохиноксалина

Все промежуточные соединения, полученые в ходе синтезов тетра(азаарено)порфиразинов охарактеризованы данными элементного анализа и Тпл или Ткип. Содинения, неописанные в литературе идентифицированы по данным элементного анализа и ИК или ЯМР Н1 – спектрам.

Тетра(азаарено)порфиразины, полученные нами, охарактеризованы данными элементного анализа и спектрами электронного поглощения (табл.1). Они представляют собой порошки темно-синего ((5-t-Bu)4PzcМ) или темно-зеленого цвета ((6-t-Bu)4-2,3-QxcM, (6-t-Bu)4-2,3-QlcM) не плавкие до 350 оС, обладающие гораздо более высокой растворимостью по сравнению с незамещенными аналогами в ДМФА и ДМСО и растворимы в хлороформе, бензоле и спирте, что позволило провести их очистку с помощью колоночной хроматографии на силикагеле. Тетра(азаарено)порфиразины получены в гидратированной форме, что связано со специфичной структурой кристаллической решетки макроциклического соединения.

2.4. Синтез безметальных тетрааренопорфиразинов

Синтез не содержащих металла тетрааренопорфиразинов, по сравнению с таковым их металлокомплексов, всегда представляет определенные трудности. К их числу относятся нестабильность лигандов в условиях деметаллизации магниевых комплексов, плохая воспроизводимость и низкие выходы при получении лигандов из литиевых или натриевых солей.

Отмеченные трудности еще более усугубляются при переходе от фталоцианина и его замещенных к гетероаренопорфиразинам и, особенно к их наиболее интересным растворимым в органических растворителях трет-бутилпроизводным, и не уменьшаются даже при применении таких современных синтетических путей, как использование диметиламиноэтанола,

1,8-диазабицикло[5.4.0]-ундецена-7 и 1,5-диазабицикло[4.3.0]-нонена-5.

В результате поиска оптимальных условий проведения реакции нами разработано два новых простых и эффективных метода синтеза тетра(азаарено)порфиразинов из соответствующих ароматических или гетероароматических о-динитрилов, которые позволяют увеличить выход целевого продукта до 70-90% (схема 4).

I. Метод сплавления с сухой щелочью.

II. Метод непосредственного сплавления о-динитрилов.

Cхема 4

Максимально возможный выход по I способу для (5-t-Bu)4PzcH2 - 97% и (6-t-Bu)4-2,3-QxcH2 - 87% нами были достигнуты при следующих условиях: температура выдержки 220оС и 210оС; время выдержки 15 мин и 10 мин соответственно. Для метода непосредственного сплавления - (5-t-Bu)4PzcH2 - 93% и (6-t-Bu)4-2,3-QxcH2 - 83% при температуре выдержки 210оС, время выдержки 30 минут.

Рис. 4. Спектр 1H ЯМР (5-t-Bu)4PzcH2 (1) и (6-t-Bu)4-2,3-QxcH2 (2) (CDCl3).

Тетра(5-трет-бутил-пиразино)порфиразин – темно-синий, а полученный нами впервые тетра(6-трет-бутил-хиноксалино)порфиразин – темно-зеленый с металлическим блеском мелкокристаллические вещества, не плавящиеся до 350 оС, обладающие гораздо более высокой растворимостью по сравнению с незамещенными аналогами в ДМФА и ДМСО и приобретшие растворимость в хлороформе, бензоле и спирте, что позволило провести их очистку с помощью колоночной хроматографии на силикагеле. Соединения идентифицированы по данным элементного анализа, ЯМР 1Н и ЭСП (табл.1)

2.5. Электронные спектры поглощения тетра(5-трет-бутил-пиразино)порфиразинов, тетра(6-трет-бутил-2,3-хинолино)порфирази-нов и тетра(6-трет-бутил-2,3-хиноксалино)порфиразинов

ЭСП синтезированных тетра(азаарено)порфиразинов регистрировались на спектрофотометре Perkin Elmer Lambda 20 в кварцевых прямоугольных кюветах толщиной от 0,1 до 1 см, концентрация растворов 10-4 – 10-6 моль/л.

Введение трет-бутильных групп на периферию макроциклов позволило впервые получить спектральные характеристики этих соединений в хлороформе, бензоле и метаноле. ЭСП (5-t-Bu)4PzcМ, (6-t-Bu)4-2,3-QlcМ и (6-t-Bu)4-2,3-QxcM в органических растворителях представляют собой совокупность Q-полосы, относительно слабых колебательных спутников и полосы Соре. Влияние тетраалкилирования периферии на ЭСП удалось оценить только для растворов синтезируемых нами соединений в ДМФА, так как среди ходовых апротонных растворителей только ДМФА является общим для тетра(азаарено)порфиразинов и их трет-бутилзамещенных аналогов.

Рис. 6. ЭСП (5-t-Bu)4PzcМ в ДМФА Рис.7. ЭСП (6-t-Bu)4-2,3-QxcM в ДМФА

Введение трет-бутильных групп не изменяет аномальности спектров (ДМФА и бензол) (рис.6,7 и табл.1) безметальных соединений для пиразинопорфиразина и хиноксалинопорфиразина, заключающейся в отсутствии типичного для фталоцианина расщепления первой (Q) - полосы, но устраняет таковую ЭСП металлокомплексов, состоящую в отсутствии у них полосы Соре, т.е. приводит к появлению интенсивных полос поглощения для (5-t-Bu)4PzcМ, (6-t-Bu)4-2,3-QxcM и (6-t-Bu)4-2,3-QlcM в области ~350 нм.

Рассматриваемые изометаллические комплексы тетра(азаарено)-порфиразинов, по положению главного максимума поглощения в органических растворителях можно расположить в следующий ряд:

(6-t-Bu)4-2,3-QlcМ > (6-t-Bu)4-2,3-QxcM > (5-t-Bu)4PzcМ

Рис.8. ЭСП (6-t-Bu)4-2,3-QlcМ в ДМФА Рис.9. ЭСП медных комплексов в CHCl3

ЭСП азааналогов нафталоцианина существенным образом зависит от числа дополнительных атомов азота, и от места их введения в молекулу нафталоцианина (рис.9). Так в хлороформе длинноволновая полоса и ее колебательный спутник претерпевает батахромный сдвиг при переходе от октааза - к тетраазазамещенному нафталоцианину.

Таблица 1

Данные элементного анализа и параметры ЭПС синтезированных тетра(азаарено)порфиразинов