Краун-етери, що містять біфенільний та дифенілоксидний фрагменти. Синтез, будова, властивості

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-ХІМІЧНИЙ ІНСТИТУТ іМ. О. В. БОГАТСьКОГО

02.00.03 - Органічна хімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук

Краун-етери, що містять біфенільний та дифенілоксидний фрагменти. синтез, будова, властивості

Григораш Руслан Якович

Одеса-2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі каталізу Фізико-хімічного інституту ім. О.В.Богатського НАН України.

Науковий керівник: член-кореспондент НАН України, доктор хімічних наук, професор Камалов Герберт Леонович,

Фізико-хімічний інститут ім. О.В.Богатського НАН України,

завідувач відділу каталізу

Науковий консультант: кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник етер окислення спирт ароматичний

Котляр Сергій Анатолійович,

Фізико-хімічний інститут ім. О.В.Богатського НАН України,

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, старший науковий співробітник Ганін Едуард Вікторович,

Одеський державний екологічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри хімії захисту навколишнього середовища

кандидат хімічних наук Алєксєєва Олена Олександрівна,

Фізико-хімічний інститут ім. О.В. Богатського НАН України, молодший науковий співробітник

Провідна установа: Інститут органічної хімії НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 31 ” січня 2003 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради

Д 41.219.02 в Фізико-хімічному інституті ім. О.В.Богатського НАН України за адресою: 65080, Одеса, Люстдорфська дорога, 86.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Фізико-хімічного інституту ім. О.В.Богатського НАН України за адресою: 65080, Одеса, Люстдорфська дорога, 86.

Автореферат розісланий “ 21 ” грудня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник Л.О. Литвинова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Краун-етери знайшли широке застосування в екстракційних процесах, міжфазному каталізі, органічному синтезі, аналітичній хімії, біології, медицині і на цей час виробляються фірмами: Merck, Fluka, Aldrich, Sigma, Acros та ін.

Необхідність у нових полідентатних лігандах із заданими властивостями, обумовлює конструювання і розробку методів синтезу макрогетероциклів, варіюючи такі параметри молекул, як розмір циклу, природа і кількість донорних атомів, склад і будова єднальних “містків”, екзоциклічні центри координації тощо.

Внаслідок зручного одержання і широких можливостей для синтезу різноманітних похідних, особливе місце в хімії макрогетероциклів посідають краун-етери, що містять ендоциклічні ароматичні фрагменти.

При зіставленні властивостей ізомерних дибензокраун-етерів, дифенілоксидні краун-сполуки являють саме той випадок, коли “місток” між бензольними циклами є мінімальним - атом кисню, а в біфенільних аналогах дибензокраун-етерів бензольні цикли зближені максимально.

Таким чином, розробка й удосконалення методів синтезу біфенільних і дифенілоксидних краун-етерів і виявлення зв'язку між складом, будовою і реакційною здатністю, можуть розширити уявлення стосовно впливу структурно-топологічних факторів на різноманітні властивості макрогетероциклів і, як наслідок, сприяти створенню нових речовин і матеріалів з комплексом корисних властивостей.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до планів відомчої тематики відділу каталізу ФХІ ім. О.В. Богатського НАН України 1997-2002 років (№№ держ. реєстрації 0100V001140, 0101V001085, 0100V00138) і проекту Ф7/463-2001 Державного фонду фундаментальних досліджень (№ держ. реєстрації 0102V000119).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи був синтез рядів дибензокраун-етерів, що містять біфенільні та дифенілоксидні фрагменти, і виявлення особливостей їхніх властивостей, які обумовлені складом та будовою.

Для досягнення цієї мети слід вирішити наступні завдання:

Ш Розробити й удосконалити способи одержання та виділення біфенільних і дифенілоксидних краун-етерів і їхніх похідних, що містять різні за характером замісники в ароматичних фрагментах.

Ш Одержати ациклічні аналоги об'єктів дослідження (у т.ч. поданди), а також відповідні за дентатністю бензо- і дибензокраун-етери (у т.ч. ізомерні) та їхні похідні.

Ш Вивчити особливості структури об'єктів дослідження та їх фрагментації під електронним ударом.

Ш Порівняти каталітичні властивості дибензокраун-етерів (ДБКЕ) у модельних інтерфазних реакціях окислення бензилового спирту хлорохроматом калію, N-алкілуванні азолів та

О-алкілуванні фенолів.

Ш Виявити вплив складу та будови вивчених сполук на їхні екстракційні та протимікробні властивості.

Таким чином, об'єктом дослідження є зв'язок між структурно-топологічними особливостями макрогетероциклів та їхніми властивостями, а предметом дослідження - біфенільні та дифенілоксидні краун-етери, їхні похідні, а також ациклічні і циклічні аналоги (у т.ч. ізомери) та їхні властивості, які обумовлені складом та будовою.

Наукова новизна отриманих результатів. Розроблено загальний спосіб одержання краун-етерів (КЕ), що містять біфенільний (БФ) і дифенілоксидний (ДФО) фрагменти, який не потребує застосування колонкової хроматографії для поділу продуктів реакції.

Проведено рентгеноструктурне дослідження 2,2/-диметокси-5,5/-біс(ді-ізо-пропоксифосфорил)біфенілу, БФ14К4, БФ17К5, БФ20К6, тетрафеніл28К8, 5,5/-біс(ді-ізо-пропоксифосфорил)БФ17К5, [1.4]ДБ15К5, [1.5]ДБ18К6 і [1.6]ДБ21К7. Встановлено, що цис-конформація 2,2/-діоксиБФ фрагменту у вивчених сполуках обумовлена не наявністю макроциклу, а ефектом упакування в кристалі.

Молекулярні іони БФКЕ мають більшу стійкість у порівнянні з ДФОКЕ, що містять оксиетиленовий ланцюжок тієї ж довжини. Для ди-трет-бутильних похідних цих КЕ первинний процес розпаду молекулярних іонів супроводжується елімінуванням метильного радикалу.

У інтерфазному (тверда фаза-рідина) окисленні бензилового спирту хлорохроматом калію (KCrО3Cl) у присутності бензо- і ДБКЕ, найвищу каталітичну активність виявляють БФКЕ і ДФОКЕ, котрі як каталізатори міжфазного переносу (суспензії карбонатів або гідроксидів натрію (калію) у бензолі) у N-алкілуванні азолів бензилбромідами й О-алкілуванні фенолів (нафтолів) естерами б-бромкарбонових кислот є більш активними, у порівнянні з аліфатичними, циклоаліфатичними і дистальними (симетричними) ДБКЕ.

Порівняні екстракційні властивості БФКЕ, ДФОКЕ та їхніх ізомерів при витягу понад 20 металів з азотнокислих розчинів. З трьох структурних ізомерів ДБ18К6, [1.5]ДБ18К6 характеризується максимальними коефіцієнтами розподілу. Екстракційна здатність [1.4]ДБ15К5 у всіх випадках вище (часто на порядок і більше), ніж ізомерного [2.3]ДБ15К5.

Серед БФКЕ і ДФОКЕ виявлені сполуки з високою активністю щодо грампозитивних мікроорганізмів, яка порівняна з такою для відомих синтетичних антибіотиків. Виявлено зв'язок між протимікробними властивостями, ліпофільністю і каталітичною активністю досліджених краун-сполук у інтерфазному окисленні бензилового спирту KCrО3Cl.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені методики синтезу БФКЕ і ДФОКЕ, їхніх похідних, а також ряду несиметричних ДБКЕ дозволяють реалізувати запропоновані способи в промисловості тонкого органічного синтезу, що робить обговорювані сполуки доступними для широкого кола дослідників.

Показана ефективність досліджених КЕ як каталізаторів у системах “тверда фаза-рідина”.

З використанням міжфазного каталізу КЕ, отриманий широкий набір різноманітних подандів,

N-заміщених 1,3-бензімідазолів, карбазолів, індолів і естерів арилоксіоцтових кислот-перспективних синтонів для комбінаторної органічної хімії.

Виявлений “псевдомакроциклічний ефект” подандів (етерів пірокатехіну й олігоетиленгліколів) і високу екстракційну здатність досліджених ДБКЕ можна використовувати при розробці нових процесів витягу і поділу металів з водяних розчинів. Виявлений зв'язок між структурою і протимікробними властивостями краун-сполук дозволяє розширити уявлення про механізм біологічної дії макрогетероциклів.

Особистий внесок здобувача полягає в синтезі всіх вихідних сполук, БФКЕ, ДФОКЕ та несиметричних ДБКЕ, їхніх похідних, ациклічних аналогів, а також бензокраун-азометинів,

N-заміщених азотистих гетероциклів, арилоксіоцтових кислот і їхніх естерів; оптимізації умов одержання більшості досліджених сполук; виявленні впливу складу та будови вивчених КЕ на їхню каталітичну активність у інтерфазних реакціях N- і О-алкілування; інтерпретації даних ПМР, ІЧ та УФ спектроскопії.

У визначенні завдань дослідження, плануванні експериментів і узагальненні результатів брав участь к.х.н. С.А. Котляр.

У співавторстві виконані рентгеноструктурні (д.х.н. О.В.Шишкін і к.х.н. С.В.Шишкіна, НПО “Інститут монокристалів” НАН України, м. Харків) і мас-спектральні (к.х.н. О.В.Мазепа і

інж. І.М.Ракіпов, ФХІ ім. О.В.Богатського НАН України, м. Одеса) дослідження, вивчення протимікробних (І.П.Конуп і Л.О.Конуп, Одеський національний університет ім. І.І.Мечникова), екстракційних (д.х.н. В.В.Якшин, к.х.н. О.М.Вілкова, ВНДІХТ м. Москва) властивостей КЕ і їхньої каталітичної активності в окисленні бензилового спирту KCrО3Cl (інж. Г.М.Чупрін, ФХІ ім. О.В.Богатського НАН України), синтез 5,5/-дифосфорильних похідних 2,2/-диметоксибіфенілу і відповідного КЕ (д.х.н. В.І.Кальченко і к.х.н. Л.І.Атамась, ІОХ НАН України, м. Київ).

Усім вищезгаданим колегам автор висловлює щиру подяку за безцінну допомогу і участь.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися на XVIII і XIX Українських конференціях з органічної хімії (Дніпропетровськ, 1998; Львів, 2001); Международной научной конференции “Органический синтез и комбинаторная химия” (Звенигород, Россия, 1999); XIII аnd XIV Conferences “Physical Methods in Coordination and Supramolecular Chemistry” (Chisinau, Moldova, 1999, 2002); VII Всероссийской конференции ”Органические реагенты в аналитической химии” (Саратов, Россия 1999); XII и XIII Международных конференциях по производству и применению химических реактивов и реагентов “Реактив-99” (Москва, Россия, 1999) и “Реактив-2002” (Уфа, Россия, 2002); Dutch-Ukrainian International Colloquium on Catalysis (Kiev, 2000); I Всероссийской конференции по химии гетероциклов памяти А.Н.Коста (Суздаль, Россия, 2000); III Всеукраїнській конференції студентів і аспірантів “Сучасні проблеми хімії” (Київ, 2002); IV Регіональній конференції молодих вчених і студентів з актуальних питань хімії (Дніпропетровськ, 2002); II International Symposium “Molecular Design and Synthesis of Supramolecular Architectures” (Kazan, Russia, 2002); XXVII International Symposium on Macrocyclic Chemistry (Park City, USA, 2002) та на I, III і V конференціях молодих вчених і студентів-хіміків Південного регіону України (Одеса, 1998, 2000, 2002).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 статей і 39 тез доповідей.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, огляду літератури (розділ 1), обговорення одержаних результатів (розділи 2-5), висновків, списку цитованої літератури (240 найменувань) і додатка. Робота викладена на 204 сторінках, містить 60 схем, 16 рисунків і 38 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Краун-сполуки, що містять біфенільний фрагмент11, 15, 18, 20, 22

За допомогою дитозилатного способу (схема 1) з 2,2/-дигідроксиБФ (1) отримані БФКЕ (2-4).

Рис. 1 Молекулярні структури біфенільних краун-етерів (2-5)

Виявлено, що при синтезі БФКЕ (2) утворює продукт [2+2] циклізації (5), що виділений з виходом 3%.

Порівняння УФ спектрів БФКЕ (2-4), біфенілу,

2,2/-дигідрокси- і 2,2/-диметоксиБФ (1 і 6) та [3.3]ДБ18К6 (7) вказує на їхні значні розходження. Так, якщо спектр біфенілу характеризується наявністю лише однієї смуги (л1, 249 нм), а спектр ДБКЕ (7) - наявністю двох смуг (л1, 223 нм та л2, 275 нм), то в спектрах БФКЕ (2-4), а також біфенілів (1 і 6) присутні обидві ці смуги, перша з яких (л1) зміщена, відповідно, гіпсохромно та батохромно відносно “реперних” біфенілу та [3.3]ДБ18К6. Що стосується смуги (л2), то в біфенілах (1 і 6), а також БФКЕ (2-4) вона трохи зміщена батохромно щодо цієї смуги в ДБКЕ (7). Привертає увагу схожість УФ спектрів БФКЕ (2-4) та 2,2/-дизаміщених біфенілів

(1 і 6), що також являють собою системи з загальмованим внутрішнім обертанням за зв'язком Сsp2-Сsp2 біфенільного фрагменту.

БФ14К4, и = 54.3(2)°° БФ17К5, и = 53.1(2)°° БФ20К6, и = 61.4(3)°°

Тетрафеніл-28-краун-8, и = 57.1(2)°°

Таким чином, можна впевнено припустити, що при переході від 2,2/-дизаміщенних біфенілів до БФКЕ (2-4) торсіоний кут між бензольними циклами мало змінюється, і оксіетиленовий ланцюжок КЕ не викликає значної зміни електронної структури біфенільного фрагменту.

Аналіз молекулярних структур БФКЕ (2-5) (рис. 1) показує, що діедральні кути

С(5)-С(6)-С(7)-С(8) (и) у цьому фрагменті відрізняються незначно, 2,2/-атоми кисню - цисоїдні, а довжини зв'язків С(6)-С(7) - близькі до середнього значення (1.490 Е), що вказує на наявність спряження, незважаючи на помітну апланарність цього фрагменту в цілому.

На прикладі біфенілу (6) (схема 2), відпрацьовані умови синтезу (схема 3)

5,5/-ди-трет-бутил-, 5,5/-динітро-, 5,5/-діаміно- та 5,5/-дибромопохідних БФКЕ (2-4).

Встановлено, що при взаємодії біфенілу (6) із трет-бутанолом у 85%-ній H3PO4, утворюється тільки 5-трет-бутилбіфеніл (8), а ди-трет-бутильне похідне (9) можна одержати лише при використанні поліфосфорної кислоти.

Сполуку (10) отримано дією на (6) конц. HNO3 (d = 1,51) у льодяній СН3СООН. Бромування біфенілу (6) N-бромосукцинімідом (NBS) здійснено тривалим кип'ятінням реагентів у СНCl3.

На відміну від біфенілу (6), при трет-бутилюванні в 85%-ній H3PO4, БФКЕ (2-4) гладко і практично з кількісним виходом утворюють продукти дизаміщення (схема 3), а бромування цих КЕ NBS проходить у 5-30 разів швидше, порівняно з (6), що можна пояснити ефектом макроциклу.

Для однозначного підтвердження регіоселективності заміщення в БФ фрагменті (6) і БФКЕ (2-4), з 5,5/-дибромоБФКЕ (12) і -біфенілу (11) за реакцією Арбузова, з виходами 64% і 92%, отримані відповідні фосфорильні похідні 13 і 14.

Синтез подандів, ароматичних краун-сполук і їхніх похідних1-9

Для порівняння властивостей БФКЕ і дфоКЕ з їх макроциклічними й ациклічними аналогами були розроблені й удосконалені способи одержання останніх.

Так, виявлено, що поданди (21, 22) (схема 6) утворюють стабільні комплексні сполуки 1:1 з “гістьми” типу RNH2, що містять амідну й аміногрупи (R = SO3H, SO2C6H5, SO2C6H4NH2-п,

При алкілуванні подандів (21, 22) в присутності твердого поташу (схема 6) і каталізаторів міжфазного переносу (15К5, 18К6, ДЦГ18К6) вихідні сполуки практично кількісно трансформуються в етери (23).

Встановлено, що проведення реакції в ДМСО і визначений порядок змішання реагентів дозволяють збільшити виходи “несиметричних” КЕ (схема 7), скоротити тривалість процесу і спростити кінцеве очищення продуктів реакції.

Оптимізовані умови відновлення нітропохідних бензо- і ДБКЕ гідразин-гідратом (схема 8) у 1,4-діоксані в присутності 5%-вого паладію на вугіллі, що дозволяє гладко й з виходами, близькими до кількісних, одержувати відповідні аміни.

Зазначимо, що аналогічним чином отримані діамінопохідні БФКЕ (схема 3) і дфоКЕ (схема 5).

На відміну від продуктів конденсації карбонільних похідних бензоКЕ з амінами, відповідні основи Шиффа (ОШ) амінобензоКЕ вивчені значно менше. Тим часом, такі КЕ можуть виявитися перспективними синтонами для одержання, наприклад,

N-арилметиленамінобензоКЕ й інших похідних, а також для іммобілізації КЕ на поверхні різних носіїв.

Ми синтезували раніше неописані ОШ (24-53), взаємодією відповідних КЕ з різноманітними

ароматичними і гетероароматичними альдегідами у водяному етанолі, у присутності оцтової кислоти. Оптимальні умови реакції (35-70 оС) були підібрані експериментально для кожного альдегіду. Максимальні виходи (70-93 %) ОШ (24-53) досягнуті при практично повній конверсії вихідних амінів.

Каталітичні властивості краун-сполук у міжфазних реакціях5, 7, 10, 14, 18-23

a) Окислення бензилового спирту хлорохроматом калію

Каталітична активність досліджених КЕ оцінювалася за ступенем перетворення (конверсії) бензилового спирту (БС) до бензальдегіду (БА). У вивчених умовах БС селективно окислюється суспензією KCrО3Cl лише до БА, і в жодному з випадків бензойна кислота в продуктах реакції виявлена не була.

Серед незаміщених БФКЕ максимальну активність виявляє 17-членний макроцикл:

БФ17К5 > БФ20К6 > БФ14К4; у ряді ДФОКЕ конверсія БС зростає зі зменшенням розміру циклу: [1.4]ДБ15К5 > [1.5]ДБ18К6 > [1.6]ДБ21К7. Як правило, введення двох трет-бутильних груп (ДТБ) у БФКЕ і ДФОКЕ приводить до помітного збільшення їхньої каталітичної активності. Зазначимо, що підвищенну активність виявляють також окта- і декадентатні тетрабензоКЕ (див. вище) - ТФ28К8, ТБ24К8 і ТБ30К10. Проте, однозначно вираженого впливу дентатності досліджених КЕ на їхні каталітичні властивості не виявлено.

При всій умовності ліпофільності, як параметру оцінки каталітичних властивостей КЕ в реакціях міжфазного переносу тверде тіло ? рідина, для більшості вивчених КЕ відмічається явна тенденція (рис. 4) зростання каталітичної активності із збільшенням їх ліпофільності:

у “масиві” сполук, що порівнюються, можна виділити два “сімейства” КЕ, у кожному з яких є помітним досить тісний зв'язок (R ? 0,90) між конверсією БС і ліпофільністю.

Зазначимо, наприклад, що в “сімейство” (2) входять усі 18-членні КЕ (18К6 “наближається” до обох “сімейств”, як їх своєрідний родоначальник), а також Б15К5,

ДТБ-ДБ15К5, [3.4]ДБ21К7, БФ14К4 і його димер ТФ24К8. Таким чином, в межах обговорюваного порівняння (рис. 4) виявити будь яку єдину для кожного з “сімейств” КЕ (1) і (2) структурно-топологічну ознаку (фактор) не вдається.

Рис. 4. Порівняння ліпофільності і каталітичної активності краун-сполук у інтерфаз ній (тверде тіло - рідина) реакції окислення бензилового спирту хлорохроматом калію.

Привертає увагу помітне “випадання” з тенденції, що спостерігається (рис. 4),

ДТБ-БФ20К6, який при досить високій ліпофільності (Clog = 6.56) виявляє мінімальну каталітичну активність.

б) Реакції N- і О-алкілування

Ряди каталітичної активності досліджених КЕ в інтерфазних реакціях

N-алкілування бензімідазолу, індолу і карбазолу бензилбромідом і О-алкілування фенолу естерами a-бромокарбонових кислот у присутності суспензій карбонатів або гідроксидів натрію (калію) у бензолі мають практично однаковий характер: [1.5]ДБ18К6 ” БФ17К5 ” [2.4]ДБ18К6 > [3.4]ДБ21К7 ” ДБ15К5 ” ДЦГ18К6 ” 15К5 ” 18К6 >> [3.3]ДБ18К6.

Слід зазначити, що каталітична активність “несиметричних” [1.5]ДБ18К6 і [2.4]ДБ18К6 помітно вище такого “симетричного” ізомеру [3.3]ДБ18К6.

Викладені результати дозволили нам запропонувати загальний спосіб алкілування заміщених 1,3-бензімідазолів, індолів, карбазолів та 1,3-нафтімідазолу 4(CF3, OCF3)-заміщеними бензилбромідами, використовуючи КЕ як каталізатори міжфазного переносу.

В аналогічних умовах можна гладко алкілувати 1,3-бензімідазоли й естерами a-бромокарбонових кислот.

Зв'язок між будовою і екстракційними властивостями дибензокраун-етерів11-13, 17, 18, 20-22

Здатність вивчених КЕ екстрагувати 23 метали з водяного розчину 3М HNO3 у хлороформ, що містить 0,1М відповідного КЕ, оцінювалася за коефіцієнтами розподілу (DM).

З БФКЕ (2-4) найвищою екстракційною активністю характеризується сполука (2) з найкоротшим оксіетиленовим ланцюжком. Із збільшенням розміру макроциклу, величини DM цих КЕ стосовно більшості металів, за винятком Pb(II) і Ag(I), зменшуються, тобто поліетери (3 і 4) є селективними екстрагентами цих металів. Зазначимо також, що для лужних металів (Na, K, Cs) величини DM не залежать від дентатності БФКЕ і зменшуються зі збільшенням іонного радіуса.

Стосовно 3d металів БФКЕ селективності не виявляють, причому їхня екстракційна здатність зменшується зі збільшенням розміру макроциклу. Так, 20-членний КЕ (4) 3d метали практично не витягає.

При екстракції В(III), Al(III) і Ga(III) величини DM підвищуються зі збільшенням іонного радіусу, а ряд екстракційної здатності КЕ має наступний вигляд: (2) > (3) > (4).

Виявлено, що за екстракційними властивостями ДФОКЕ (15-17) значно відрізняються від БФКЕ (2-4) - якщо DM останніх, при збільшенні дентатності, помітно зменшуються (часто в десятки разів), то DM поліетерів (15-17) не зазнають значних змін, які розрізняються, як правило, у 1,2-2 рази. У випадку всіх досліджених металів, крім Ag(I), максимальні DM відповідають 18-членному ДФОКЕ (16), який є ізомерним [2.4]ДБ18К6 і [3.3]ДБ18К6. Зазначимо, що

ДФОКЕ (15-17) за своїми екстракційними властивостями перевершують [3.3]ДБ18К6, особливо, при витягу Ag(I) і Ga(III) - максимальне значення DM відповідає ДФОКЕ (17). При екстракції

3d металів ДФОКЕ (15-17) спостерігається так зване “плато селективності”, а для елементів основної підгрупи III групи величини DM монотонно зростають із збільшенням іонного радіусу.

При порівнянні величин DM деяких металів (рис. 5) для трьох ізомерних гексадентатних [1.5]ДБ18К6, [2.4]ДБ18К6 і [3.3]ДБ18К6, очевидно, що “несиметричний” [1.5]ДБ18К6 за своєю екстракційною здатністю значно перевершує інші ізомери.

Протимікробні властивості бензо- і дибензокраун-етерів16-18, 20

Усі досліджені сполуки не впливають на ріст грамнегативних мікроорганізмів (Е.coli і Аgrobacterium tumefaciens), у той час як деякі БФКЕ, дфоКЕ, а також “несиметричні” КЕ пригнічують ріст простих періодичних культур таких грампозитивних мікроорганізмів: Micrococcus luteus, Staphylococcus aureus, Bacillus cereus і Streptococcus lactis. Виявлено, що в ряді БФКЕ (2-4), дфоКЕ (15-17) і їхніх похідних мінімальна пригнічуюча концентрація (МПК) КЕ зменшується із збільшенням його дентатності і введенням ДТБ-груп.

При порівнянні протимікробних властивостей (на прикладі Micrococcus luteus) КЕ, що обговорюються, з їхньою каталітичною активністю в інтерфазному окисленні БС (див. рис. 4),

в аналізованому масиві даних можна визначити три “сімейства” (рис. 6,а), в межах яких виявляється тісний зв'язок (R = 0.92 ч 0.97) між величинами МПК і конверсією БС, проте ознаки структурної подоби складових цих “сімейств” КЕ помітні не завжди.

При цьому, для “сімейств” (А - С) (рис. 6,а) характерна симбатність зміни протимікробної і каталітичної активності, а у випадку (D), “родоначальником” якого є вищезгаданий ДТБ-БФ20К6, такий локальний зв'язок носить протилежний характер.

Порівняння протимікробних властивостей тих самих КЕ з їх ліпофільністю приводить до такого вигляду (рис. 6,б), який подібний рис. 4, а саме - весь “масив” КЕ можна роподілити на два “сімейства” (E і F) з тісним симбатним зв'язком (R > 0.94) між МПК і Clog.

Разом з тим, помітно відрізняється від попереднього (рис. 4) “склад” КЕ (рис. 6,б), що утворюють “сімейства” (E) і (F). Так, ДТБ-БФ20К6 і [3.3]ДБ18К6 задовільно “вписуються” у (E), куди входить велика частина КЕ, що обговорюються, із широким спектром протимікробної активності, величини конверсії БС, у присутності яких змінюються від 10 % до 93 %. “Сімейство” (F), своєрідними родоначальниками якого є 15К5 і 18К6 (рис. 6,б), в основному, складають сім “несиметричних” ДБКЕ з дентатністю від 5 до 8, з середньою й високою каталітичною і протимікробною активністю і близькою ліпофільністю (C log P = 2.91 ч 3.81).

У зв'язку з вищеприведеним, можна припустити, що характер (специфіка) взаємодії вивчених КЕ з поверхнею мембрани клітини мікроорганізму або твердого хлорохромата калію, є одним з домінуючих факторів, котрі визначають протимікробні і каталітичні (інтерфазний каталіз) властивості КЕ, що обговорюються.

ВИСНОВКИ

1. У дисертації вирішене важливе для органічної хімії завдання розробки й удосконалення методів синтезу великого масиву дибензокраун-етерів різної будови, їхніх похідних, циклічних і ациклічних аналогів і виявлення особливостей каталітичних (інтерфазні реакції), екстракційних і протимікробних властивостей краун-етерів, що містять біфенільний і дифенілоксидний фрагменти.

2. Оптимізовані умови взаємодії 2,2/-дигідроксибіфенілу і 2,2/-дигідроксидифенілоксиду з дитозілатами олігоетиленгліколів дозволяють уніфікувати і спростити синтез біфенільних і дифенілоксидних краун-етерів. При алкілуванні, нітруванні і бромуванні обговорюваних краун-сполук утворюються тільки 5,5/-дизаміщені похідні.

3. Незалежно від розміру макроциклу, діедральні кути в біфенільному фрагменті відповідних краун-етерів у кристалічному стані розрізняються незначно (54ч61)о, а 2,2/-атоми кисню мають цисоїдну орієнтацію. У випадку дифенілоксидних аналогів, псевдодіедральний кут між бензольними кільцями близький до прямого і змінюється в межах від 83о до 88о.

4. Фрагментація біфенільних і дифенілоксидних краун-етерів під електронним ударом має відмінну від бензо- і дибензокраун-етерів специфіку, обумовлену як розміром циклу, так і характером замісників у 5,5/-положеннях бензольних ядер.

5. Швидкість інтерфазного окислення бензилового спирту хлорохроматом калію зростає із збільшенням ліпофільності біфенільних і дифенілоксидних краун-етерів і є максимальною для окта- і декадентатних макроциклів.

6. У інтерфазних реакціях N-алкілування азолів бензилбромідами й О-алкілування фенолів (нафтолів) естерами a-бромокарбонових кислот, характер зміни каталітичних властивостей бензо- і дибензокраун-етерів однаковий. Для 18-членних ізомерів останніх каталітична активність змінюється в ряді: [1.5]ДБ18К6 > [2.4]ДБ18К6 >> [3.3]ДБ18К6.

7. Екстракційна здатність біфенільних краун-етерів значно (у десятки разів) зменшується зі збільшенням розміру макроциклу. Для дифенілоксидних краун-етерів коефіцієнти розподілу є значно вищими, однак вони порівнянні між собою. Досліджені краун-сполуки за екстракційними властивостями, як правило, перевершують симетричний [3.3]ДБ18К6.

8. Тісний зв'язок між дентатністю, ліпофільністю, комплексоутворюючою здатністю вивчених макроциклів і їх протимікробними властивостями відмічається лише в окремих “сімействах” краун-сполук.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ ВИКЛАДЕНО В ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Городнюк В.П., Григораш Р.Я., Чуприн Г.Н., Котляр С.А. Удобный общий способ получения аминобензокраун-эфиров // ЖОХ. - 1998. - Т. 68, вып. 6. - С. 1051-1052.

2. Котляр С.А., Городнюк В.П., Григораш Р.Я., Чуприн Г.Н. Улучшенный способ получения некоторых дибензокраун-эфиров // ЖОХ. - 1998. - Т. 68, вып. 7.- С. 1189-1192.

3. Котляр С.А., Городнюк В.П., Григораш Р.Я., Якшин В.В. Синтез производных

бис[(2-карбоксиалкилокси)фенокси]алканов (подандов) в условиях межфазного катализа // ЖПХ. - 1998. - Т. 71, вып. 9. - С. 1569-1571.

4. Котляр С.А., Чуприн Г.Н., Григораш Р.Я., Городнюк В.П., Злотский С.С. Синтез комплексных соединений бис(2-гидроксифенокси)-алкиловых эфиров с протодонорными молекулами // Башкирский хим. журн. - 1999. - Т. 6, № 2-3. - С. 63.

5. Котляр С.А., Городнюк В.П., Григораш Р.Я., Чуприн Г.Н., Иванов О.В., Камалов Г.Л. Общий удобный способ получения эфиров арилоксикарбоновых кислот в условиях межфазного катализа // В сб. ”Перспективные процессы и продукты малотоннажной химии”. - 1999.

- Вып. 2. - С. 32-34.

6. Котляр С.А., Григораш Р.Я., Городнюк В.П., Иващенко А.В., Камалов Г.Л. Синтез производных бензокраун-эфиров, содержащих азометиновый фрагмент // Там же. - С. 35-37.

7. Котляр С.А., Григораш Р.Я., Иващенко А.В., Камалов Г.Л. N-алкилирование производных бензимидазола, индола и карбазола в межфазных условиях // Там же. - С. 38-40.

8. Котляр С.А., Городнюк В.П., Григораш Р.Я., Чуприн Г.Н., Якшин В.В., Иванов О.В.,

Камалов Г.Л. Производные несимметричных дибензокраун-эфиров // Там же.- С. 41-45.

9. Котляр С.А., Городнюк В.П., Григораш Р.Я., Чуприн Г.Н., Якшин В.В., Иванов О.В.,

Камалов Г.Л. Модифицированные поданды: синтоны для получения макроциклов // Там же. - С. 46-50.

10. Котляр С.А., Чуприн Г.Н., Григораш Р.Я., Городнюк В.П. Комплексные соединения бензо- и дибензокраун-эфиров с хлорохроматом калия // ЖОХ. - 2000. - Т. 70, вып. 5. - С. 871-872.

11. Якшин В.В., Вилкова О.М., Котляр С.А., Григораш Р.Я. Атропоизомерные краун-эфиры в процессах экстракции ионов металлов // Докл. РАН. - 2001. - Т. 379, № 1. - С. 80-82.

12. Котляр С.А., Городнюк В.П., Григораш Р.Я., Чуприн Г.Н., Якшин В.В., Иванов О.В. Комплексообразующие и экстракционные свойства несимметричных дибензокраун-эфиров.

// VII Всероссийская конференция ”Органические реагенты в аналитической химии”. - Саратов (Россия). - 1999. - С. 48.

13. Yakshin V.V., Kotlyar S.A., Vilkova O.M., Grygorash R.Ya., Chuprin G.N., Gorodnyuk V.P., Kamalov G.L. Host-guest interactions: the integrated scale of reactivity of crown ethers in extraction // Dutch-Ukrainian International Colloquium on Catalysis. - Kiev (Ukraine). - 2000. - P. 65.

14. Kotlyar S.A., Grygorash R.Y., Kamalov G.L. N-alkylation of benzimidazole, indole, carbazole and its derivatives in interphone reactions // Ibid. - P. 68.

15. Котляр С.А., Григораш Р.Я., Ткачук В.В., Шишкин О.В., Шишкiна С.В., Якшин В.В.,

Камалов Г.Л. Молекулярна структура краун-сполук, якi мiстять дифенильнi та дифенiлоксиднi фрагменти // XIX Українська конференцiя з органiчної хiмiї. - Львiв, Україна. - 2001. - C. 51.

16. Конуп I.П., Конуп Л.О., Григораш Р.Я., Котляр С.А., Ткачук В.В., Городнюк В.П.,

Камалов Г.Л. Вивчення протимiкробноi активностi краун-сполук // Там же. - C. 242.

17. Kotlyar S.A., Grygorash R.Ya., Tkachuk V.V., Chuprin G.N., Konup L.A., Konup I.P., Yakshin V.V., Kamalov G.L. Cоncerning the interconnection type “structure-properties” in dibenzocrown ethers' line // The XXVII International Symposium on Macrocyclic Chemistry. - Park City (USA). -2002. - PA34.

18. Grygorash R.Ya., Shishkin O.V., Shishkina S.V., Tkachuk V.V., Atamas L.I., Kalchenko V.I., Kotlyar S.A., Kamalov G.L. Synthesis, properties, molecular and crystalline srtucture of the crown ethers - diphenyl and diphenyl oxide derivatives // Ibid. - PA35.

19. Kotlyar S.A., Chuprin G.N., Kiriyak A.V., Grygorash R.Ya., Levchenko O.A., Zhigalko M.V., Zubatyuk R.I., Shishkin O.V., Chikhichin D.G., Kamalov G.L. The oxidations of some organic compounds by the complexes of halogenchromates and halogendiperoxochromates with crown ethers // Ibid. - PA36.

20. Grygorash R.Ya., Shishkin O.V., Shishkina S.V., Tkachuk V.V., Kalchenko V.I., Atamas L.I., Yakshin V.V., Kotlyar S.A., Kamalov G.L. Crown Ethers - the Derivatives of Diphenyl- and Diphenyl oxide: Synthesis, Structure, Properties. // The II International Symposium “ Molecular Design and Synthesis of Supramolecular Architectures”. - Kazan (Russia). - 2002. - P-97.

21. Grygorash R.Ya., Kotlyar S.A., Shishkin O.V., Shishkina S.V., Tkachuk V.V., Chuprin G.N., Yakshin V.V., Kamalov G.L. Molecular and crystalline structure, extraction and catalytic properties of the diphenyloxide crown ethers // The XIV Conference “Physical Methods in Coordination and Supramolecular Chemistry”. - Chisinau (Moldova). - 2002. - P. 120.

22. Kotlyar S.A., Grygorash R.Ya., Shishkin O.V., Shishkina S.V., Tkachuk V.V., Chuprin G.N., Yakshin V.V., Kamalov G.L. Molecular and crystalline structure, extraction and catalytic properties of the crown ethers containing diphenyl fragment // Ibid. - P. 129.

23. Котляр С.А., Чуприн Г.Н., Кирияк А.В., Григораш Р.Я, Ткачук В.В.

АНОТАЦІЇ

Григораш Р.Я. Краун-етери, що містять біфенільний і дифенілоксидний фрагменти. Синтез, будова, властивості. - Рукопис.

Дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.03 - органічна хімія. Фізико-хімічний інститут ім. О.В.Богатського НАН України, Одеса, 2002.

Дисертація присвячена розробці й удосконаленню методів синтезу рядів краун-етерів (КЕ), що містять біфенільний (БФКЕ) і дифенілоксидний (ДФОКЕ) фрагменти, їхніх похідних, ациклічних аналогів (у т.ч. подандів), а також відповідних за дентатністю бензо- і дибензокраун-етерів (ДБКЕ, у т.ч. ізомерних) і виявленню особливостей властивостей об'єктів дослідження, обумовлених їхнім складом і будовою.

Методом РСА встановлено, що 2,2/-атоми кисню в БФКЕ мають цисоїдну орієнтацію, обумовлену ефектом упакування в кристалі. У випадку ДФОКЕ, псевдодіедральний кут між бензольними кільцями близький до прямого.

Виявлено основні шляхи фрагментації БФКЕ і ДФОКЕ під електронним ударом, обумовлені розміром макроциклу і характером замісників в ароматичному фрагменті.

У інтерфазному (KCrО3Cl-CH2Cl2) окисленні бензилового спирту, N-алкілуванні азолів бензилбромідами й О-алкілуванні фенолів (нафтолів) естерами б-бромокарбонових кислот (суспензії карбонатів або гідроксидів натрію (калію) у бензолі) в присутності різних КЕ, найвищу каталітичну активність виявляють БФКЕ і ДФОКЕ.

Порівняння екстракційної властивості БФКЕ, ДФОКЕ й ізомерних ДБКЕ при витягу понад 20 металів з азотнокислих розчинів. З трьох ізомерів ДБ18К6, [1.5]ДБ18К6 характеризується максимальними коефіцієнтами розподілу, які для [1.4]ДБ15К5 у всіх випадках вище (часто на порядок і більш), ніж в ізомерного [2.3]ДБ15К5.

Серед БФКЕ і ДФОКЕ виявлені сполуки з високою протимікробною активністю, порівнянної з такою для відомих синтетичних антибіотиків.

Ключові слова: макроцикл, бензо- і дибензокраун-етер, біфеніл, дифенілоксид, поданд, ізомер, дентатність, міжфазний каталіз, окислення, алкілування, екстракція, протимікробна активність.

Grygorash R.Ya. Crown ethers containing biphenyl and diphenyloxide fragments. Synthesis, structure, properties. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 02.00.03-organic chemistry. A.V. Bogatsky

Physico-Chemical Institute of National Academy of Sciences of Ukraine, Odessa, Ukraine, 2002.

The thesis is devoted to the development and improvement of synthesis methods of the series of crown ethers (CE) containing biphenyl (BPCE) and diphenyloxide (DPOCE) fragments, their derivatives, acyclic analogues (including podands) and also corresponding on dentaty benzo- and dibenzo crown ethers (DBCE, including isomers) and to reveal the properties and features of the researched objects agreed upon their composition and structure.

It was established by the XRSA that 2,2/-oxygen atoms in BPCE have cis-orientation caused by packing effect in a crystal. In case of DPOCE a pseudo-dihedral angle between benzene rings is close to right.

The basic ways of BPCE and DPOCE fragmentation under the electron impact caused by the size of a macrocycle and character of substituents in an aromatic fragment were revealed.

In interphase (KCrO3Cl-CH2Cl2) benzyl alcohol oxidation, azoles N-alkylation by benzyl bromides and phenols (naphtols) O-alkylation by esters of б-bromoacids (suspensions of sodium (potassium) carbonates or hydroxides in benzene) at the presence of various CE, the maximal catalytic activity was showed by BPCE and DPOCE.

Extraction properties of BPCE, DPOCE and isomeric DBCE were compared with more than 20 metals drawing out from nitric acid water solutions. Among three isomeric DB18C6, [1.5]DB18C6 is characterized by the maximal distribution coefficients which for [1.4]DB15C5 in all cases are higher (frequently the order and more) than for isomeric [2.3]DB15C5.

Among BPCE and DPOCE compounds with high antimicrobial activity (comparable to those for known synthetic antibiotics) were found out.

Key words: macrocycle, benzo- and dibenzocrown ether, biphenyl, diphenyloxide, podand, isomer, dentaty, interphase catalysis, oxidation, alkylation, extraction, antimicrobial activity.

Григораш Р.Я. Краун-эфиры, содержащие бифенильный и дифенилоксидный фрагменты. Синтез, строение, свойства. - Рукопись.

Диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук по специальности 02.00.03 - органическая химия. Физико-химический институт им. А.В. Богатского НАН Украины, Одесса, 2002.

Диссертация посвящена разработке и усовершенствованию методов синтеза рядов краун-эфиров, содержащих бифенильный (БФ) и дифенилоксидный (ДФО) фрагменты, их производных, ациклических аналогов (в т.ч. подандов), а также соответствующих по дентатности бензо- и дибензокраун-эфиров (в т.ч. изомерных) и выявлению особенностей свойств объектов исследования, обусловленных их составом и строением.

Разработан общий способ получения краун-эфиров (КЭ), содержащих БФ и ДФО фрагменты, не требующий применения колоночной хроматографии для разделения продуктов реакции.

Показано, что при алкилировании, нитровании и бромировании БФКЭ и ДФОКЭ образуются исключительно 5,5/-дизамещенные производные. При взаимодействии

2,2/-диметоксиБФ с трет-бутанолом в 85%-ной Н3РО4, с выходом 60%, образуется моно-трет-бутильное производное, в то время, как в случае БФКЭ, в тех же условиях с высокими выходами получены соответствующие продукты дизамещения. Бромирование БФКЭ N-бромсукцинимидом проходит в 5-30 раз быстрее сравнительно с 2,2/-диметоксиБФ. Подобных различий в реакционной способности ДФОКЭ и 2,2/-диметоксиДФО не обнаружено.

Независимо от размера макроцикла, диэдральные углы в БФ фрагменте соответствующих КЭ в кристаллическом состоянии различаются незначительно (54ч61)o, а 2,2/-атомы кислорода имеют цисоидную ориентацию, обусловленную не наличием макроцикла, а эффектом упаковки в кристалле. В случае ДФОКЭ, псевдодиэдральный угол между бензольными кольцами близок к прямому и изменяется в пределах от 83o до 88o.

Фрагментация БФКЭ и ДФОКЭ под электронным ударом имеет отличную от бензо- и дибензоКЭ специфику, обусловленную, как размером цикла, так и характером заместителей в

5,5/-положениях бензольных ядер. Показано, что молекулярные ионы БФКЭ обладают большей устойчивостью по сравнению с ДФОКЭ, содержащими оксиэтиленовую цепочку той же длины. Для ди-трет-бутильных производных этих КЭ первичный процесс распада молекулярных ионов сопровождается элиминированием метильного радикала.

Оптимизированы условия восстановления нитропроизводных бензо- и дибензоКЭ гидразин-гидратом в присутствии 5% Pd/C, что позволяет гладко и с выходами, близкими к количественным, получать соответствующие амины. Взаимодействием 5-аминобензоКЭ с разнообразными ароматическими и гетероароматическими альдегидами получены ранее не описанные основания Шиффа (более 30 соединений), максимальные выходы (70-93%) которых достигнуты при практически полной конверсии исходных аминов.

Показана эффективность исследованных КЭ, как катализаторов в системах “твердая фаза-жидкость”. Так, в интерфазном окислении бензилового спирта взвесью хлорохромата калия в дихлорметане, в присутствии бензо- и дибензоКЭ, скорость реакции растет с увеличением липофильности КЭ. Наибольшую каталитическую активность проявляют БФКЭ и ДФОКЭ, и она максимальна в случае окта- и декадентатных макроциклов.

БФКЭ и ДФОКЭ, как катализаторы межфазного переноса (взвеси карбонатов либо гидроксидов натрия (калия) в бензоле) в N-алкилировании азолов бензилбромидами и

О-алкилировании фенолов (нафтолов) эфирами б-бромкарбоновых кислот, более активны в сравнении с алифатическими, циклоалифатическими и дистальными (симметричными) дибензо-КЭ. С использованием межфазного катализа КЭ получен широкий набор разнообразных подандов, N-замещенных 1,3-бензимидазолов, карбазолов, индолов и эфиров арилоксиуксусных кислот - перспективных синтонов для комбинаторной органической химии.

Сопоставлены экстракционные свойства БФКЭ, ДФОКЭ и их изомеров при извлечении более 20 металлов из азотнокислых растворов. Из трех структурных изомеров гексадентатных дибензо-КЭ, [1.5]ДБ18К6 характеризуется максимальными коэффициентами распределения, которые для [1.4]ДБ15К5 во всех случаях выше (часто на порядок и более), нежели у изомерного ему [2.3]ДБ15К5. Экстракционная способность БФКЭ заметно (в десятки раз) уменьшается с увеличением размера макроцикла, коэффициенты распределения ДФОКЭ значительно выше, однако сопоставимы между собой. Исследованные КЭ по экстракционным свойствам, как правило, превосходят симметричный [3.3]ДБ18К6. В аналогичных условиях обнаружен “псевдомакроциклический эффект” подандов - эфиров пирокатехина и олигоэтиленгликолей.

Все исследованные КЭ не оказывают действие на рост грамотрицательных микроорганизмов (Е.coli и Аgrobacterium tumefaciens), в то время, как некоторые БФКЭ, дфокэ, а также “несимметричные” КЭ заметно подавляют рост простых периодических культур следующих грамположительных микроорганизмов: Micrococcus luteus, Staphylococcus aureus, Bacillus cereus и Streptococcus lactis - минимальная подавляющая концентрация (МПК) составляет (1ч10) мкг/мл. Обнаружено, что в ряду БФКЭ, дфокэ и их производных противомикробная активность КЭ растёт с увеличением его дентатности и введением двух трет-бутильных групп. Тесная связь между дентатностью, липофильностью, комплексообразующей способностью изученных макроциклов и их противомикробными свойствами отмечается лишь в отдельных “семействах” краун-соединений.

Ключевые слова: макроцикл, бензо- и дибензокраун-эфир, бифенил, дифенилоксид, поданд, изомер, дентатность, межфазный катализ, окисление, алкилирование, экстракция, противомикробная активность.

Размещено на Allbest.ru

...