Поведінка похідних діалкіламінонафталевих кислот в умовах реакції Вільсмайєра—Хаака

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук

02.00.03 - органічна хімія

Поведінка похідних діалкіламінонафталевих кислот в умовах реакції Вільсмайєра--Хаака

Артюхова Євгенія Юхимівна

Харків -- 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті сцинтиляційних матеріалів НТК "Інститут монокристалів" Національної Академії Наук України, м. Харків

Науковий керівник: кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник Паценкер Леонід Давідович, Інститут сцинтиляційних матеріалів НТК "Інститут монокристалів" Національної Академії Наук України, виконуючий обов'язки завідуючого відділом органічних люмінофорів і барвників

Офіційні опоненти:

доктор хімічних наук, старший науковий співробітник Колос Надія Миколаївна, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, професор кафедри органічної хімії

доктор хімічних наук, професор Коваленко Сергій Миколайович, Національний фармацевтичний університет, завідувач кафедри управління якістю

Провідна установа: Одеський національний університет ім. І.І. Мечникова, кафедра органічної хімії, Міністерство освіти і науки України, м. Одеса

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат хімічних наук Панченко В.Г.

Анотація

Артюхова Є.Ю. Поведінка похідних діалкіламінонафталевих кислот в умовах реакції Вільсмайєра--Хаака - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.03 - органічна хімія. - Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Харків, 2004.

Дисертацію присвячено дослідженню реакцій похідних діалкіламіно-нафталевих, диметиламінотіонафталевих кислот та подібних їм сполук з комплексом Вільсмайєра--Хаака (РОСЬ--DMF), а також застосуванню цих реакцій для синтезу органічних барвників і люмінофорів. Встановлено, що реакція Вільсмайєра--Хаака, спрямована в орто-иопожеяяя до діалкіл-аміногрупи, може призводити як до формілювання, так і до утворення 1,2,3,4-тетрагідрохіназолін-З-ієвих солей. Ці солі у лужному середовищі мо-жуть бути гідролізовані з елімінуванням атома вуглецю C(2) і розщеплен-ням гетероциклу. 3 використанням квантово-хімічних розрахунків вивчено механізм циклізації. Показано, що хід реакції у бік формілювання чи гетероциклізації визначається співвідношенням швидкостей процесів від-щеплення HCl від о-комплексу на стадії ароматичного заміщення та пере-носу атома водню при циклізації. Досліджено спектрально-люмінесцентні властивості синтезованих сполук та можливості їх практичного засто-сування.

Ключові слова: похідні нафталевої та тіонафталевих кислот, реакція Вільсмайєра--Хаака, формілювання, циклізація, ефект третинної аміно-групи, хіназолінієві солі, механізм реакції, електронна та ЯМР ¹H спектро-скопія, квантово-хімічні розрахунки.

Аннотация

Артюхова Е.Е. Поведение производных диалкиламинонафталевых кислот в условиях реакции Вильсмайера--Хаака. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.03 - органическая химия. - Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2004.

Диссертация посвящена исследованию реакций производных диалки-ламинонафталевых, диметиламинотионафталевых кислот и родственных соединений с комплексом Вильсмайера--Хаака (РОСЬ--DMF), а также применению зтих реакций для синтеза органических красителей и люминофоров. Установлено, что в зависимости от природы субстрата, а в некоторых случаях и в зависимости от внешних условий (температура и время), реакция Вильсмайера--Хаака, направленная в орто-положение к диалки-ламиногруппе, может приводить к формилированию или к гетероциклизации с образованием 1,2,3,4-тетрагидрохиназолин-З-иевых солей. Циклизация с участием N-зтильной группы протекает быстрее, чем с N-метильной. В щелочной среде хиназолиниевые соли гидролизуются с злиминировани-ем атома углерода C(2) и расщеплением гетероцикла.

С применением квантово-химических расчетов исследован механизм образования 1,2,3,4-тетрагидрохиназолин-З-иевых солей. Реакция начинается с ароматического злектрофильного замещения с образованием классического "открытого" иминиевого интермедиата, гидролиз которого может приводить к альдегиду. Последующая циклизация заключается в переносе атома водорода от ароматической диметиламиногруппы к метиновому атому углерода и злектроциклическом замыкании цикла. Результат реак-ции определяется соотношением скоростей отщепления HCl от о-комплек-са и переноса атома водорода при циклизации.

С применением квантово-химических расчетов изучены спектрально-люминесцентные свойства синтезированных соединений. Установлено, что циклизация в рядах диалкиламинозамещенных производных нафталевой кислоты приводит к коротковолновому сдвигу спектров поглощения и флуоресценции, а также к увеличению квантовых выходов. Раскрытие гетероцикла сопровождается длинноволновым смещением спектров. Спектральные сдвиги связаны с злектроноакцепторньш влиянием четвертичного атома азота, снижающим донорно-акцепторное взаимодействие в молекуле.

Полученные 1,2,3,4-тетрагидрохиназолин-З-иевые соли и продукты их гидролиза представляют собой зффективные люминофоры, которые предложены для окрашивания полиамидов, полиакрилонитрила и поливи-нилхлорида, а также в качестве флуоресцентных метчиков для медико-биологических исследований.

Ключевые слова: производные нафталевой и тионафталевых кислот, реакция Вильсмайера--Хаака, формилирование, циклизация, эффект третичной аминогруппы, хиназолиниевые соли, механизм реакции, злектронная и ЯМР ¹H спектроскопия, квантово-химические расчеты.

Summary

Artyukhova Ye.Ye. Behavior of dialkylaminonaphthalic acid derivatives under conditions of the Vilsmeier--Haack reaction. - Manuscript.

Thesis for a Candidate's degree by specialty 02.00.03 - Organic Chemistry. -V.N. Karazin Kharkov National University, Kharkov, 2004.

This work investigates the reaction of dialkylaminonaphthalic acid, dimethy-laminothionaphthalic acid and related derivatives with the Vilsmeier--Haack complex (POCl3--DMF). A special emphasis is also given towards the utilization of this reaction for the synthesis of organic dyes and luminophores. The Vilsmeier--Haack reaction directed ortho to a dialkylamino group on aromatic compounds leads either to formylation or to 1,2,3,4-tetrahydroquinazolin-3-ium salt formation. The quaternary ammonium salts are subjected to base hydrolysis followed by cleavage of the heterocycle and C(2) atom elimination. The mechanism of the cyclization reaction was studied using quantum-chemical simulations. It was concluded that the final reaction product (formylation or heterocyclization) is controlled by the ratio between the rate of HCl-elimination from the o-complex during the step of aromatic substitution and the rate of hydrogen-transfer at the cyclization step. The spectral and luminescent properties of the synthesized compounds and their practical applications were investigated.

Key words: naphthalic acid and thionaphthalic acid derivatives, Vilsmeier-- Haack reaction, formylation, cyclization, the t-amino effect, quinazolinium salts, reaction mechanism, absorption and fluorescence, 1H-NMR spectroscopy, quantum-chemical calculations.

1. Загальна характеристика роботи

діалкіламінозаміщений нафталевий кислота лужний

Похідні нафталевої і, особливо, 4-діалкіламінонафталевих кислот За номенклатурою ШРАС похідні нафталевої кислоти мають інші, більш складні та менш наглядні назви, які наведено в експериментальній частині дисертаційної роботи. Для зручності обговорення результатів ми використовуємо загальноприйняті тривіальні назви сполук та нумерацію атомів. знаходять різноманітне застосування як органічні барвники, люмінофори і біологічно-активні сполуки. Розробка новітніх технологій та виникнення нових напрямків практичного застосування потребує створення барвників і люмінофорів з покращеними характеристиками та специфічними властивостями. Щоб вирішити це завдання необхідні знання щодо зв'язку спектрально-люмінесцентних властивостей сполук з їх молекулярною будовою, а також розробка зручних синтетичних методів одержання нових речовин і матеріалів.

Актуальність теми. Одним з перспективних способів одержання нових барвників і люмінофорів з заданими властивостями є модифікація будови відомих хромофорних систем шляхом введення та перетворення функціональних груп. У цьому відношенні зручні синтетичні можливості відкриває реакція Вільсмайєра, яка дозволяє вводити формільну групу в молекули деяких відомих барвників і люмінофорів. Так, з метою надання люмінофорам ряда арилімідів 4-диметиламінонафталевої кислоти la-Id нових функцій, ще у 1985--1986 роках Б.М. Красовицьким з співробітниками була зроблена спроба їх формілювання комплексом хлороксиду фосфора (POCl3) з ї\Г,ї\Г-диметилформамідом (DMF). При цьому електрофільне заміщення перебігало в ортоположенні до диметиламіногрупи, але замість очікуваних 3-формільних похідних були одержані водорозчинні сполуки, які пізніше (у 1996 році) були ідентифіковані як хлориди 9,9,11-триметил-4,6-діоксо-5-арил-5,6,8,9,10,11-гексагідро-4Я-ізохіно[4,5^/г]хіназолін-9-ія (2a-2d).

Ця раніше невідома реакція становить не тільки науковий інтерес для теоретичної та синтетичної органічної хімії, але має ще й велику практичну цінність, бо відкриває легкий та зручний шлях синтезу водорозчинних люмінофорів, які мають високі квантові виходи флуоресценції, але є важкодоступними іншими синтетичними методами. В умовах лужного гідролізу четвертинні солі перетворювалися у несольові сполуки, які теж є ефективними люмінофорами. Проте будова цих продуктів встановлена не була, що перешкоджало їх дослідженню та застосуванню.

Таким чином, актуальність теми обумовлена необхідністю систематичного дослідження зазначеної реакції гетероциклізації, як перспективного метода синтезу нових органічних барвників і люмінофорів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є частиною планових досліджень НТК "Інститут монокристалів" НАН України, що виконувалися згідно з темами відомчого заказу НАН України "Одержання органічних люмінофорів для функціональних матеріалів різного призначення із застосуванням реакцій діалкіламінозаміщених ароматичних сполук в умовах формілювання за Вільсмайєром" (1998-2000 pp., № держреєстрації 0198U004256) і "Синтез органічних люмінофорів гетероциклізацією діалкіламінозаміщених ароматичних сполук та їх використання в люмінесцентних матеріалахрізного застосування" (2001-2003 p.p., № держреєстрації 0101U003485). Деякі результати роботи використовувалися під час виконання науково-дослідного контракту № A-186/98 з американською компанією LJL Biosystems (1998-2000 p.p.).

Мета і задачі дослідження. Головною метою роботи є з'ясування напрямку реакцій діалкіламінозаміщених похідних нафталевої кислоти з комплексом Вільсмайєра--Хаака (РОСЬ--DMF), а також застосування цих реакцій для синтезу органічних барвників і люмінофорів. Для досягнення головної мети роботи вирішувалися наступні основні задачі:

синтез об'єктів дослідження -- похідних нафталевої, тіонафталевих кислот і подібних їм сполук, які відрізняються будовою "імідного" фрагменту, а також будовою і положенням діалкіламіногрупи;

дослідження впливу природи "імідного" фрагменту, будови і положення діалкіламіногрупи на результат реакції і реакційну здатність похідних нафталевої кислоти при їх взаємодії з комплексом РОСЬ--DMF;

дослідження механізму і закономірностей перебігання реакції циклізації;

встановлення будови продуктів лужного гідролізу циклічних четвертинних солей;

дослідження зв'язку спектрально-люмінесцентних властивостей одержаних сполук з їх молекулярною будовою;

з'ясування можливостей практичного застосування синтезованих сполук як барвників і люмінофорів.

Об'єкти дослідження: похідні діалкіламінонафталевих, диметиламі-нотіонафталевих кислот та подібні їм сполуки.

Предмет дослідження: реакції, які перебігають в ортоположенні до ароматичної діалкіламіногрупи в умовах формілювання за Вільсмайєром--Хааком, а також спектрально-люмінесцентні властивості та методи практичного застосування синтезованих сполук.

Методи дослідження: органічний синтез, рентгеноструктурний аналіз (РСА), мас-спектрометрія, ЯМР ¹H, 14, електронна абсорбційна та флуо-ресцентна спектроскопія, квантово-хімічні напівемпіричні методи розра-хунків молекулярної будови та спектральних властивостей.

Наукова новизна роботи

Вперше досліджено поведінку систематичних рядів діалкіламінозаміщених похідних нафталевої кислоти, імідів 4-диметиламінотіонафталевих кислот і споріднених модельних сполук в умовах реакції Вільсмайєра--Хаака. Синтезовано нові 1,2,3,4-тетрагідрохіназолін-З-ієві солі і альдегіди.

3 використанням квантово-хімічних розрахунків вперше досліджено механізм утворення тетрагідрохіназолінієвих солей при заміщенні комплексом Вільсмайєра--Хаака орто-поіюжшня до третинної аміногрупи. Виявлено структурні, кінетичні та термодинамічні фактори, які впливають на реакційну здатність і результат реакції.

Вперше встановлено структуру продуктів лужного гідролізу 1,2,3,4-тетрагідрохіназолін-3-ієвих солей.

Вперше досліджено вплив утворення та розщеплення 1,2,3,4-тетрагідро-хіназолін-3-ієвого циклу на спектрально-люмінесцентні властивості похідних діалкіламінонафталевих кислот.

Вперше синтезовано систематичний ряд метил- і фенілімідів монотіо- і дитіонафталевих кислот, досліджено їх взаємодію з комплексом Вільсмайєра--Хаака, із застосуванням квантово-хімічних розрахунків розглянуто спектральні властивості тіонованих похідних, проведено біофізичне дослідження гасіння ними флуоресценції ряда модельних біологічних об'єктів.

Практичне значення одержаних результатів. Синтезовано тетрагідро-хіназолінієві солі, продукти їх гідролізу та деякі інші сполуки, які є барвниками та/або люмінофорами блакитного, зеленого або жовтого кольору світіння з високими квантовими виходами флуоресценції. Деякі з них пройшли випробовування і були запропоновані до практичного використання, зокрема для флуоресцентного фарбування полімерних матеріалів, як мітчики для медико-біологічних досліджень, а також як проміжні продукти органічного синтезу. 3 використанням досліджених реакцій розроблено синтетичні методи одержання цих практично важливих сполук і матеріалів на їх основі. Деякі люмінофори, наприклад, "Tasman Green NHS", знайшли застосування як медико-біологічні флуоресцентні мітчики у компанії LJL Biosystems (США). Результати досліджень використовуються впродовж останніх п'яти років при викладанні навчального курсу "Органічні люмінофори" для студентів Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна.

Особистий внесок здобувача полягає у виконанні всієї синтетичної роботи, одержанні об'єктів дослідження, вивченні їх реакцій та ідентифікації продуктів перетворень. Здобувачем були записані та досліджені електронні спектри поглинання і флуоресценції, проведені біофізичні експерименти.

За участю автора здійснено постановку задач дослідження, обговорення одержаних результатів, формулювання основних висновків, написання наукових робіт і заявок на винаходи, проведено комп'ютерне моделювання реакційної здатності і спектральних властивостей сполук, виконання хроматографічних експериментів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися на 18-ій Українській конференції з органічної хімії (Дніпропетровськ, 1998 p.), 3-ій Міжнародній конференції "Electron Processes in Organic Materials, ICEPOM-3" (Харків, 2000 p.), Міжнародній конференції "Хімія азотовмісних гетероциклів ХАГ-2000" (Харків, 2000 p.), 19-ій Українській конференції з органічної хімії (Львів, 2001 p.), 1-ій Регіональній конференції молодих вчених "Сучасні проблеми матеріалознавства" (Харків, 2002 p.), Міжнародній конференції з люмінесценції і оптичної спектроскопії конденсованої речовини (Угорщина, Будапешт, 2002 p.), Міжнародній конференції "Chemistry of Nitrogen Containing Heterocycles", CNCH--2003 (Харків, 2003 p.), 21-ій Міжнародній науково-практичній конференції "Застосування лазерів в медицині та біології" (Одеса, 2004 p.), 20-ій Українській конференції з органічної хімії (Одеса, 2004 p.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 статей, 11 тез доповідей на конференціях, одержано патент та подано дві заявки на винаходи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків і списку цитованої літератури (150 найменувань). Загальний обсяг дисертації становить 182 сторінки, у том числі 21 таблиця і 39 рисунків, які займають 30 сторінок.

2. Основний зміст роботи

У розділі 1, "Реакції за участю реагенту Вільсмайєра та ефект третинної аміногрупи", надано огляд літератури щодо реакції Вільсмайєра, її звичайної спрямованості, тобто у бік формулювання, та нетрадиційному протіканню з утворенням продуктів іншої будови. Розглядаються також деякі відомі реакції циклізації за участю третинної аміногрупи.

У розділі 2, "Вплив будови "імідного" фрагменту на спрямованість реакції Вільсмайєра--Хаака", описано експериментальне дослідження впливу будови "імідного" фрагменту на результат реакції похідних 4-диметиламінонафталевої кислоти з комплексом Вільсмайєра--Хаака, a також на відносні швидкості електрофільного заміщення та циклізації проведено на прикладі ангідриду 3, метиліміду 4, 6-диметиламіно-2-феніл-2,3-дигідро-1//-1,3-феналендіону (5), іміду 6 та тіонованих похідних 7-12. Встановлено, що ангідрид 3 і метилімід 4, як і досліджений раніше фенілімід 1а, утворюють тетрагідрохіназолінієві солі 13 і 14 з майже кількісними виходами. Будову продуктів 13 і 14 підтверджено даними ЯМР ^!Н. Ангідрид 3 і метилімід 4 реагують приблизно з однаковою швидкістю їх повне перетворення потребує всього Ю хвилин при 100 °C, у той час як реакція з фенілімідом 1а завершується лише через 35 хвилин. Ніякі проміжні продукти перетворень у реакційній суміші не спостерігаються навіть при зниженні температури або зменшенні терміну реакції. Це дозволяє зробити висновок, що процес електрофільного заміщення у положенні 3 нафталевого фрагменту має меншу швидкість, ніж наступна гетероциклізація. Швидкість реакцій визначали за допомогою ЯМР 'Н, спостерігаючи за складом реакційної суміші.

Вирішальна роль у заміщенні другого атому кисню належить диметил-аміногрупі, завдяки якій молекула може реагувати у хіноїдній формі 15а з позитивним зарядом на диметилімінієвій групі. Це підтверджується реакціями сполук 16 і 17, що утворюють тільки моногалогензаміщені 18,19а і 19Ь.

Нагрівання 4-диметиламінонафталіміду (6) з комплексом POCl3--DMF при 100 °C (при менших температурах він не реагує) та наступна обробка реакційної маси водним розчином LiPF6 дозволяє виділити суміш дихлор-похідного 20 і четвертинної солі 2 1 у мольному співвідношенні 1:9. Утворення переважної кількості циклічної солі 2 1, поряд з 20, та більш висока температура, необхідна для проведення реакції, свідчать про більш високий бар'єр активації процеса заміщення гідроксильної групи в єнольній формі іміду 6, ніж в єнольних формах феналендіону 5.

Метил- і феніліміди 4-диметиламінотіонафталевих кислот, поведінку яких в умовах реакції Вільсмайєра--Хаака передбачалося дослідити, раніше відомими не були. Беручи до уваги великий теоретичний і практичний інтерес до тіоновоних похідних (детальніше про це доповідається у розділі 5 дисертації та відповідних публікаціях) ми дослідили реакцію тіонування нафталімідів пентасульфідом фосфору, розробили раціональні методики синтезу та одержали необхідні монотіо- і дитіонафталеві похідні.

Дія комплексом РОСЬ--DMF на диметиламінозаміщені тіоіміди 7-12 призводить до утворення тих же самих циклічних солей 2a і 14, що і у випадку феніліміду la і метиліміду 4. Заміщення атомів сірки атомами кисню, скоріш за все, перебігає через стадію утворення проміжних гемінальних галогенпохідних, які гідролізуються при обробці реакційної маси водою. Нами було доведено, що нафталіміди, на відміну від тіоімідів, не утворюють з РОСЬ--DMF проміжні.

Лужний гідроліз тетрагідрохіназолінієвих солей перебігає з розкриттям гетероциклу і відщепленням метиленової групи. При цьому утворюється молекула формальдегіду, виділення якого підтверджується якісною реакцією з фуксинсірчистою кислотою. Будову продуктів 22a-22c, 23 встановлено методом ЯМР ^!Н, а структуру 22a підтверджено також даними РСА.

У розділі 3, "Дослідження механізму реакцій похідних 4-диметил-амінонафталевої кислоти з комплексом Вільсмайєра--Хаака, для з'ясування механізму дослідженої реакції нами проведено комп'ютерне моделювання можливих шляхів її перебігання з використанням квантово-хімічних напівемпіричних методів CNDO/2, MINDO/3, MNDO, AM1 і PM3. Згідно з відомим механізмом ароматичного електрофільного заміщення, першою стадією процесу є атака комплексом Вільсмайєра (W) opтoположення до диметиламіногрупи та утворення о-комплексу. Після відщеплення HCl утворюється класична "відкрита" імінієва сіль A. її гідроліз може привести до альдегіду. Але замість цього спостерігається перенос атома водню від диметиламіногрупи до метинового атома вуглецю з утворенням ізомерної солі B та наступне електроциклічне замикання циклу. Циклізація солі A перебігає за двохстадійним синхронним механізмом через два послідовних шестицентрових перехідних стана (ПС).

Розраховану методом РМЗ енергетичну діаграму повного шляху реакції 3 -- 13 представлено на рисунку 3. З діаграми видно, що швид-кістьвизначальною стадією є відщеплення HCl від о-ком-плексу, тому що перехідний стан (ПС2) саме цієї стадії має найбільшу енергію у порів-нянні з іншими ПС. Експери-ментально це підтверджується тим, що в реакціях 4-диметил-амінозаміщених похідних на-фталевої кислоти la-lc і 3-12 з комплексом Вільсмайєра--Хаака не вдається зафіксувати утворення "відкритих" імінієвих солей A і B. Сіль A повільно утворюється, але швидко циклізується. Звертає на себе увагу те, що бар'єри активацій ПС1 і ПС2 ароматичного заміщення не дуже сильно перевищують активаційну енергію ПСЗ процесу циклізації. Це дозволяє припустити, що у деяких випадках швидкості цих процесів зможуть конкурувати між собою, а це надасть змогу виділити проміжну імінієву сіль A або відповідний альдегід.

Розділ 4, "Вплив природи субстрату, положення та будови діалкіл-аміногрупи на спрямованість реакції". Під час виконання дисертаційної роботи нам стало відомо, що Мет-Кон (Meth-Cohn) і Тейлор (Taylor) y 1995 році спостерігали утворення циклічної солі 24 при дії комплексу РОСЬ-- DMF на ІЧ,ІЧ-диметилтолуїдін (25).

Ми припустили, що заміна метильної групи електроноакцепторною нітрильною може змінити бар'єри активації окремих стадій реакції і вплинути на її результат. Нами було встановлено, що 4-диметиламінобензо-нітрил (26), дійсно, утворює звичайне 3-формільне заміщене 27. Як побіч-ний процес спостерігається перетворення нітрильної групи на карбоксиль-ну. Таке перетворення перебігає швидше, ніж ароматичне заміщення, бо зменшення терміну реакції дозволяє виділити 4-диметиламінобензойну кислоту.

Нами досліджено поведінку в умовах реакції Вільсмайєра--Хаака спо-лук з іншими заміщеними аміногрупами та розглянуто вплив будови і поло-ження диметиламіногрупи на швидкість та результат реакцій. Зокрема, було встановлено, що фенілімід 4-діетиламінонафталевої кислоти (28) утворює тетрагідрохіназолінієву сіль 29. Ця реакція перебігає швидше (20 хвилин), ніж у випадку диметиламінозаміщеного 1а (35 хвилин). У лужному середови-щі сіль 29 гідролізується з деалкілюванням і утворенням сполуки 30.

Додаткове підтвердження того, що гетероциклізація за участю N-етильної групи перебігає швидше, ніж з N-метильною, ми одержали, дослідив "змішане" К-етил-ІЧ-метиламінозаміщене 31. В цій сполуці до реакції залучається виключно метиленовий атом водню N-етильної групи і єдиним продуктом є циклічна сіль 32, яка може бути гідролізована до метиламінозаміщеного 23.

Ми також розглянули поведінку в умовах реакції Вільсмайєра--Хаака похідних нафталевої кислоти, що містять вторинну аміногрупу замість третинної. Встановлено, що дія комплексом РОСЬ--DMF на 4-метиламінопохідне 33 не призводить до ароматичного заміщення, а утво-рюється амідинієва сіль 34. Збільшення кількості комплексу, температури та терміну реакції не дозволяє провести заміщення в орто-поіюжекні до метиламіногрупи. Розрахунки методами MNDO, AM1 і PM3 свідчать, що цьому заважає електроноакцепторний вплив амідинієвої групи (на схемі електронні заряди на атомах показані у порівнянні з диметиламінозаміще-ним 4). При нагріванні у лужному середовищі амідинієва сіль 34 гідролізу-ється до вихідного метиламінопохідного 33.

Для з'ясування впливу положення диметиламіногрупи на результат і швидкість реакції ми вперше синтезували та дослідили фенілімід 3-диметил-амінонафталевої кислоти (35).

Встановлено, що електрофільне заміщення спрямовується у положен-ня 4 і перебігає значно швидше, ніж в ізомерному 4-диметиламінопохід-ному 1а. При цьому, на відміну від 1а, може утворюватися суміш альдегіду 36 і четвертинної солі 37. Збільшення температури та/ або терміну реакції сприяє циклізації та зменшує вихід альдегіду 36. 3 використанням методу PM3 показано, що такий результат пов' язано зі зменшенням бар' є-рів активації ПС1 і ПС2 стадії ароматичного заміщення, які стають меншими, ніж бар'єр ПСЗ процесу циклізації.

У розділі 5, "Спектрально-люмінесцентні властивості та деякі практичні застосування синтезованих сполук", нами досліджено спектральні властивості майже всіх синтезованих сполук. Характеристики деяких з них наведено у таблиці 2. Зокрема було встановлено, що гетероциклізація призводить до дуже значного зростання квантового виходу та до короткохвильового зсуву смуг поглинання та флуоресценції. Спектральні характеристики солей у водних розчинах майже не відрізняються від етанольних. Розщеплення гетероциклу супроводжується довгохвильовим зміщенням спектрів, збільшенням коефіцієнту екстинкції (є) та зменшенням квантового виходу (г|). 3 використанням квантово-хімічних розрахунків методами MNDO CI, AM1 CI, PM3 CI, ZINDO/S і РРР CI показано, що короткохвильове зміщення смуг обумовлено електроноакцепторним впливом кватернізованого атома азоту.

Переміщення діалкіламіногрупи у сполуках la і 2a з положення 4 до положення 3 (сполуки 35 і 37) супроводжується значним довгохвильовим зсувом спектрів поглинання і флуоресценції. Квантово-хімічні розрахунки вказаними вище методами показали, що причиною цього є зміна хромо-форного фрагменту і природи переходу SoO S1*, відповідального за довгохвильову смугу поглинання та флуоресценцію. В молекулах la і 2a цей перехід локалізовано на діалкіламінофенілкарбонільному фрагменті "A", у той час як в 3-ізомерних молекулах 35 і 37 він переважно локалі-зований на діалкіламінонафталіновому фрагменті "B" і має нижчу енергію.

Синтезовані з використанням реакції гетероциклізації четвертинні солі є ефективними водорозчинними люмінофорами, флуоресціюючими з високими квантовими виходами у зеленій та жовтій області спектру. Це обумовило можливість їх практичного використання як барвників для поліакрилонітрилу та поліамідних матеріалів. N-Гідроксисукцинімідний естер, синтезований з солі 2d отримав комерційну назву Tasman Green NHS і його застосовано на фірмі LJL Biosystems (США) як флуоресцентний мітчик для медико-біологічних та фармакологічних досліджень. Продукти гідролізу четвертинних солей також є ефективними люмінофорами.

Нами вивчено спектральні властивості похідних тіонафталевих кислот. Зокрема встановлено, що тіонування призводить до значного бато-хромного ефекту (60-140 нм) та до гасіння флуоресценції. 3 використанням квантово-хімічних розрахунків та експериментально показано, що гасіння пов'язано з іш* природою стану S1* i, крім того, з появою ефективного каналу інтеркомбінаційної конверсії у Т_ш* стан. Смуги поглинання іш* типу знаходяться в області 525-580 нм (є 60-80 лмоль ^ксм -¹) для монотіоімідів і 535-560 нм (е 140-390 лмоль¹ см 0, 628-686 нм (є 34-68 л-моль ^ксм -¹) для дитіоімідів. Відсутність флуоресценції дозволила запропонувати ці сполуки як ефективні гасителі флуоресценції біологічних макромолекул у медико-біологічних дослідженнях. Відповідні біофізичні експерименти були проведені нами з використанням таких модельних об'єктів, як альбумін, плазма крові та еритроцити. Ефективність гасіння кількісно оцінювали за рівнян-ням Штерна--Фольмера.

Розділ 6, "Експериментальна частина", містить основні методики синтезу, а також відповідні літературні посилання щодо отримання проміжних продуктів. В ньому надаються фізико-хімічні характеристики, які підтверджують будову сполук та їх чистоту. Наведено методики спектральних, біофізичних вимірювань та проведення квантово-хімічних розрахунків. Достовірність одержаних результатів щодо реакційної здатності та фізико-хімічних характеристик досягалася багаторазовим повторенням експериментів в однакових умовах.

Висновки

У дисертації вирішено наукову задачу щодо з'ясування напрямку реакцій похідних діалкіламінонафталевих кислот та споріднених сполук з комплексом Вільсмайєра--Хаака, що дозволило синтезувати нові органіч-ні барвники і люмінофори.

Похідні 3- і 4-діалкіламінонафталевих кислот в умовах реакції Вільсмайєра--Хаака піддаються електрофільному заміщенню в ортоположенні до діалкіламіногрупи, у той час як 6-диметиламіно-2-феніл-2,3-дигідро-ІЯ-1,3-феналендіон дає 4,6-дихлор-5-феніл-1Я-1-феналенон.

Реакція Вільсмайєра--Хаака, яка спрямована в орто-попожеяяя до діалкіламіногрупи, може призводити до формілювання або до гетероциклі-зації з утворенням 1,2,3,4-тетрагідрохіназолін-З-ієвих солей. Так, похідні 4-діалкіламінонафталевих кислот і І\Г,І\Г-диметилтолуїдин утворюють четвертинні солі, а 4-диметиламінобензонітрил дає 3-формільне заміщене. Фенілімід 3-диметиламінонафталевої кислоти утворює суміш четвертинної солі та альдегіду. При цьому збільшення температури та/або терміну реакції сприяє гетероциклізації та зменшує імовірність утворення альдегіду. Це дозволило розробити раціональні методики синтезу цільових продуктів -- альдегіду та хіназолінієвої солі.

Механізм утворення 1,2,3,4-тетрагідрохіназолін-З-ієвих солей включає електрофільне заміщення в орто-поіюжекні до діалкіламіногрупи з утворенням класичної "відкритої" імінієвої солі, гідроліз якої може призводити до альдегіду. Наступна гетероциклізація полягає у переносі атома водню від диметиламіногрупи до метинового атому вуглецю та електроциклічному замиканні циклу. Результат реакції визначається співвідношенням швидкостей процесів відщеплення HCl від о-комплексу та переносу атома водню при циклізації.

Нетрадиційне протікання реакції Вільсмайєра--Хаака спостерігається не тільки для диметиламінозаміщених похідних нафталевої кислоти але й для сполук з іншими діалкіламіногрупами. Реакція за участю N-етильної групи перебігає швидше, ніж з N-метильною.

Лужний гідроліз 1,2,3,4-тетрагідрохіназолін-З-ієвих солей призводить до розщеплення гетероциклу з елімінуванням атома вуглецю C(2).

Циклізація в рядах діалкіламінозаміщених похідних на фталевої кислоти призводить до короткохвильового зміщення спектрів поглинання і флуоресценції, а також до збільшення квантових виходів. Розкриття гетероциклу супроводжується довгохвильовим зсувом спектрів. Спектральні ефекти пов'язано з електроноакцепторним впливом четвертинного атому азоту, який зменшує донорно-акцепторну взаємодію в молекулі.

Одержані 1,2,3,4-тетрагідрохіназолін-З-ієві солі і продукти їх гідролізу є ефективними люмінофорами, які зокрема запропоновані для фарбування поліаміду, поліакрилонітрилу та полівінілхлориду, а також як флуоресцентні мітчики для медико-біологічних досліджень.

Похідні монотіо- і дитіонафталевих кислот не флуоресціюють, бо їх найнижчим синглетним збудженим станом є стан тт* типу, а також через високу імовірність інтєркомбінаційної конвєрсії у триплєтний стан 7171* типу. Ці сполуки запропоновані як ефективні гасителі флуоресценції.

Основні роботи

1. Паценкер Л.Д., Ага Е.Е. Теоретическое исследование направленности злектрофильного замещения в производных 4-диметиламинонафталевой кислоты // Укр. хим. журн. - 1998. - Т.64, № 10. - С. 122-126.

2. Паценкер Л.Д., Ермоленко И.Г., Артюхова Е.Е., Красовщкий Б.М. Образование и расщепление хиназолиниевого цикла при формилировании по Вильсмайеру--Хааку 4-диалкиламинозамещенных производных нафталевой кислоты // Химия гетероцикл. соед. - 2000. - № 5. - С. 696-697.

3. Patsenker L.D., Yermolenko I.G., Artyukhova Ye. Ye., Baumer V.N., Krasovitskii B. M. Formation and destruction of diazine ring under conditions of the Vilsmeier--Haack formylation of 4-dialkylaminonaphthalic acid derivatives // Tetrahedron. - 2000. - V.56. - P. 7319-7323.

4. Артюхова Е.Е., Паценкер Л.Д., Баумер В.Н., Мусатов В.И. Поведение 2-фенил-2,3-дигидро-1//-1,3-феналендионов в условиях формилирования по Вильсмайеру--Хааку // Журн. орган. хим. - 2002. - Т.38, №8. - С. 1273-1274.

5. Semenova O.N., Artyukhova Ye. Ye., Yermolenko I.G., Patsenker L.D. New data on the 't-Amino effect' in series of 4-R-N,N-dimethylanilines // Functional Materials. - 2003. - V.10, No.4. - P. 730-738.

6. Patsenker L.D., Artyukhova Ye. Ye. Molecular structure and spectral proper ties of thionaphthalimides // J. Mol. Struct. - 2003. - V.655. - P. 311-320.

7. Артюхова Е.Е., Паценкер Л.Д. Тионирование 4-Я-нафталимидов пента-сульфидом фосфора // Укр. хим. журн. - 2004. - Т.70, №1. - С. 42-49.

8. Пат. України № 42307А, МКІ С 07 C 221/00, 223/06, 225/22, 229/18. 4-Ди-метиламіно-3-формілбензойна кислота та спосіб її одержання / Паценкер Л.Д., Артюхова Є.Ю., Єрмоленко І.Г., Боровой І.А. -- № 2001010002; Заявл. 03.01.2001; Опубл. 15.10.2001, Бюл. № 9. -- 4 с.

9. Артюхова Є.Ю., Федюняєва І.А. Спосіб дисперсного фарбування поліамідних матеріалів // Заявка України №20031212125 від 23.12.03.

10. Артюхова Є.Ю., Федюняєва І.А. Спосіб флуоресцентного фарбування та відбілювання поліакрилонітрилу // Заявка України № 2004031679 від 09.03.04.

11. Паценкер Л.Д., Ага Є.Є. Квантовохімічне дослідження електрофільного заміщення в похідних 4-диметиламінонафталевої кислоти // 18 Укр. конф. з орган. хімії. - Дніпропетровськ. - 1998. - С. 303.

12. Єрмоленко І.Г., Ага Є.Є., Паценкер Л.Д., Красовщький Б.М., Кормілова Л.І. Дослідження поведінки деяких похідних 4-діалкіламінонафталевої кислоти в умовах реакції Вільсмайєра--Хаака // 18 Укр. конф. з орган. хімії. - Дніпропетровськ. - 1998. - С. 169.

13. B.M. Krasovitskii, L.D. Patsenker, L.I. Kormilova, I.G. Yermolenko, Ye. Ye. Artyukhova. New water-soluble organic luminophores in series of naphthalic acid derivatives // ICEPOM-3 Conference Abstracts "Electronic Processes in Organic Materials". - Kyiv. - 2000. - P. 182-183.

14. Ермоленко И.Г., Артюхова Е.Е., Паценкер Л.Д., Красовщкий Б.М. Образование и расщепление хиназолиниевого цикла при формилировании по Вильсмайеру--Хааку 4-диалкиламинозамещенных производных нафталевой кислоты // Міжнародна конф. "Хімія азотовмісних гетероциклів". -Харків. - 2000. - С. 142.

15. Артюхова Є.Ю., Ващенко В.В., Паценкер Л.Д. Дослідження тонування 4-Я-нафталімідів пентасульфідів фосфору // 19 Укр. конф. з орган. хімії. - Львів. - 2001. - С. 500.

16. Артюхова Е.Е. Исследование поведения диалкиламинозамещенных ароматических соединений в условиях реакции Вильсмайера // Первая региональная конф. молодых ученых "Современные проблемы материаловедения". - Харьков. - 2002. - С. 23.

17. Artyukhova Ye. Ye., Patsenker L.D. Spectral properties of naphthalic, mono-thio- and dithionaphthalic imides // International Conference on Lumi-nescence and Optical Spectroscopy of Condensed Matter. - Budapest, Hungary. - 2002. - P. 25.

18. Artyukhova Ye. Ye., Patsenker L.D. Heterocyclization of 3-dimethylamino-naphthalic acid N-phenylimide under conditions of the Vilsmeier--Haack Reaction // International Conference Chemistry of Nitrogen contain ing Heterocycles CNCH-2003. - Kharkiv. - 2003. - C. 58.

19. Lyubenko O.N., Artyukhova Ye. Ye., Yermolenko I.G., Patsenker L.D. Heterocyclization in series of 4-R-N,N-dimethylanilines under conditions of the Vilsmeier--Haack reaction // International Conference Chemistry of Nitrogen containing Heterocycles CNCH-2003. - Kharkiv. - 2003. - C. 103.

20. Артюхова Е.Е., Дюбко Т.С., Ромоданова З.А., Кудокоцева Е.Н., Сафранчук О.В., Желтякова И.А., Паценкер Л.Д. Исследование влияния низкоинтенсивного лазерного излучения на состояние мембран клеток крови с помощью нового тушителя флуоресцениции ДТНИ // 21 Международная научно-практическая конф. "Применение лазеров в медицине и биологии". - Одесса. - 2004. - С. 68.

21. Артюхова Е.Е., Паценкер Л.Д. Исследование влияния строения диал-киламиногруппы на направленность реакции Вильсмайера--Хаака // 20 Укр. конф. по орган. химии. - Одесса. - 2004. - С. 100.

Размещено на Allbest.ru