Довгохвильові барвники на основі 4,4-дифлуоро-4-бора-3а,4а-діаза-s-індаценів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ

УДК 547.97 + 547.749 + 547.759 + 544.164

02.00.03 -органічна хімія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

ДОВГОХВИЛЬОВІ БАРВНИКИ НА ОСНОВІ 4,4-ДИФЛУОРО-4-БОРА-3а,4а-ДІАЗА-s-ІНДАЦЕНІВ

Якубовський Віктор Петрович

Київ - 2011



Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі кольору та будови органічних сполук Інституту органічної хімії НАН України

Науковий керівник: кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник Ковтун Юрій Петрович, Інститут органічної хімії НАН України, м. Київ, старший науковий співробітник відділу кольору та будови органічних сполук

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, старший науковий співробітник Бойко Вячеслав Іванович, Інститут органічної хімії НАН України, м. Київ, провідний науковий співробітник відділу хімії фосфоранів

доктор хімічних наук, старший науковий співробітник Дубей Ігор Ярославович, Інститут молекулярної біології та генетики НАН України, м. Київ, завідувач відділу синтетичних біорегуляторів

Захист дисертації відбудеться “ ” 2011 року о годиніна засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.217.01 в Інституті органічної хімії НАН України за адресою 02660, м. Київ-94, вул. Мурманська, 5, факс (044) 573-26-43

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Інституту органічної хімії НАН України

Автореферат розісланий 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.217.01доктор хімічних наук, професор Вовк М.В.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. 4,4-Дифлуоро-4-боро-3a,4a-діаза-s-індаценові барвники (BOroDIPYrromethene > BODIPY) мають високу хімічну, термічну та фотостійкість, а також інтенсивні та вузькі смуги поглинання і високі квантові виходи флуоресценції. Крім того, вони характеризуються малою чутливістю до полярності та рН середовища, відсутністю заряду та високою розчинністю. Ці характеристики роблять їх привабливими для практичного використання в багатьох галузях, в першу чергу в біології. Тому хімія бородипірометенових барвників, що вже стали одним з найпопулярніших типів люмінофорів, в останні десятиліття бурхливо розвивається.

Разом з тим, більшість типових BODIPY мають деякі обмеження для ширшого застосування, зокрема в біологічних дослідженнях. Наприклад, більшість з них флуоресціюють в діапазоні до 600 нм. Тому останнім часом в хімії BODIPY проявляється тенденція до створення саме глибокозабарвлених похідних.

Синтез сполук, що поглинають світло у ближній інфрачервоній (ІЧ) області, є одним із найважливіших загальних завдань сучасної хімії барвників. Довгохвильова ділянка спектру дозволяє суттєво розширити можливості практичного використання барвників та знайти для них нові сфери застосування. люмінесцентний поліметиновий барвник вінільний

Таким чином, створення ефективних синтетичних підходів до поглиблення забарвлення базової структури BODIPY є на сьогодні актуальною задачею.

Мета і задачі дослідження. Синтез і дослідження хімічних та спектрально-люмінесцентних властивостей поліметинових барвників на основі бородипірометенів, 4,4-дифлуоро-4-боро-3a,4a-діаза-s-індаценів, що містять вінільні замісники по одному або двох б-положеннях, аза-аналогів 4,4-дифлуоро-4-боро-3a,4a-діаза-s-індаценів.

Об'єкт дослідження - довгохвильові барвники поліметинового та споріднених типів на основі бородипірометенів.

Предмет дослідження - методи синтезу, хімічні та спектрально-люмінесцентні властивості поліметинових та бородипірометенових барвників.

Методи дослідження - органічний синтез, спектральні методи (ЯМР спектроскопія, електронна спектроскопія, флуоресцентна спектроскопія), елементний аналіз, квантово-хімічні розрахунки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках бюджетних наукових тем відділу кольору та будови органічних сполук Інституту органічної хімії НАН України «Поліметинові системи: синтез, електронна та просторова будова в основному та електронно-збудженому станах» (№ держреєстрації 0105U000153, 2005 - 2007рр.); «Синтез, будова та спектрально-люмінесцентні властивості внутрішньоіонних барвників» (№ держреєстрації 0107U012150, 2008 - 2012рр.).

Наукова новизна отриманих результатів. Отримано аза-BODIPY з повністю хелатованим атомом бору. Показано, що більш площинне розташування фенільних ядер сприяє значному поглибленню максимуму поглинання та випромінювання барвників такого типу.

На основі 8-метил-4,4-дифлуоро-3,5-дифеніл-4-бора-3a,4a-діаза-s-індацену та його аналога з карбоциклічними містками синтезовано ряд поліметинзаміщених похідних. Показано, що за природою забарвлення вони є барвниками-мероціанінами, в яких бородипірометен є кінцевим електроноакцепторним ядром.

Отримано моно- та діацетальдегідозаміщені BODIPY, які були використані для синтезу функціоналізованих моно- та дивінілзаміщених BODIPY. На основі як моно- так і діацетальдегідних похідних одержано несиметричні BODIPY з конденсованими гетероциклічними системами.

На прикладі ацетальдегідозаміщених BODIPY показано, що альдегідна група в м'яких умовах взаємодіє з третинними амінами з утворенням єнамінів.

Здійснено модифікацію ядра BODIPY по б-положеннях поліметиновими хромофорами та отримано як моно-, так і дизаміщені поліметинові похідні. Показано, що монопохідні, як і їх аналоги мезо-ряду, є барвниками-мероціанінами. У випадку дизаміщених похідних теж утворюються барвники мероціанінового типу, у яких BODIPY-фрагмент можна розглядати як циклічне угрупування у поліметиновому хромофорі.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновано зручні препаративні підходи до отримання аза-BODIPY з повністю хелатованим атомом бору. Розроблено синтетичні варіанти одержання моно- та діацетальдегідозаміщених BODIPY. На їх основі отримано як симетрично-, так і несиметричнозаміщені вінільні похідні. Виявлено адитивний характер впливу на забарвлення вінільних замісників в ядрі BODIPY, що дозволяє досить точно передбачити спектрально-люмінесцентні властивості кінцевих барвників. Отримано BODIPY з двома поліметиновими хромофорами в б-положеннях, які мають найглибше поглинання серед відомих на сьогоднішній день сполук з дипірометеновим ядром.

Особистий внесок здобувача полягає у детальній розробці поставлених завдань, виконанні аналітичного огляду наукової літератури за темою дисертації, плануванні та здійсненні експериментальних досліджень, інтерпретації спектральних даних, формулюванні основних положень і висновків дисертаційної роботи. Постановка задачі дослідження та обговорення результатів проведені з науковим керівником к.х.н. Ковтуном Ю.П. та к.х.н. Шандурою М.П. Квантово-хімічні розрахунки виконані у співпраці з д.х.н. Качковським О. Д.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на 12-ій науковій конференції “Львівські хімічні читання 2009” (м. Львів, 2009 р.), міжнародній конференції "Хімія азотовмісних гетероциклів" ("ХАГ - 2009", м. Харків, 2009 р.) та XXII Українській конференції з органічної хімії (м.Ужгород, 2010р.).

Публікації за темою дисертації. За темою дисертації опубліковано 5 статей в фахових міжнародних журналах та тези 4 доповідей на конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація викладена на 128 сторінках і складається зі вступу, 5 розділів, висновків, переліку літературних джерел, що містить 143 найменувань. В роботі є 47 схем, 8 таблиць та 27 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, викладено зв'язок вибраного напрямку дослідження з науковою тематикою відділу, визначено мету, об'єкти та предмет дисертаційної роботи, сформульовано наукову новизну та практичну значимість одержаних результатів, визначено особистий внесок здобувача.

В першому розділі узагальнено та систематизовано літературні дані, що стосуються синтезу та спектрально-люмінесцентних властивостей відомих довгохвильових 4,4-дифлуоро-4-боро-3a,4a-діаза-s-індаценових барвників.

У другому розділі описано синтез та досліджено спектрально-люмінесцентні властивості аза-BODIPY з повністю хелатованим атомом бору.

Третій розділ присвячений отриманню поліметинових барвників шляхом модифікації ядра BODIPY по мезо-положенню залишками поліметинових барвників.

У четвертому розділі вивчено вплив введення поліметинових хромофорів по б-положеннях бородипірометенового ядра на спектрально-люмінесцентні властивості отриманих барвників.

П'ятий розділ містить методики синтезу отриманих сполук.

1. Аза-похідні 4,4-дифлуоро-4-бора-3a,4a-діаза-s-індаценів з повністю хелатованим атомом бору

Відомо, що суттєве поглиблення забарвлення BODIPY досягається за рахунок введення електронодонорних груп в ароматичні замісники у 3-му та 5-му положеннях; повного хелатування атома бору (за наявності гідроксигруп в орто-положеннях ароматичних замісників у 3-му та 5-му положеннях); заміни атома карбону в мезо-положенні на атом нітрогену. Можна було припустити, що об'єднання цих підходів в одній структурі мало би привести до утворення глибокозабарвлених похідних.

Конденсацією орто-гідроксиацетофенону з пара-метоксибензальдегідом синтезовано халкон 1.1, приєднанням до якого нітрометану отримано нітробутанон 1.2, який було переведено в дипірометен 1.3 нагріванням з амоній ацетатом в оцтовій кислоті. При дії на дипірометен 1.3 етерату бор трифлуориду та діізопропілетиламіну утворюється BODIPY 1.4 з повністю хелатованим атомом бору. Дипірометен 1.3 характеризується досить широкою смугою поглинання з молекулярним коефіцієнтом екстинкції 54000 та максимумом при 623 нм (в дихлорометані). Перехід до бородипірометену 1.4 супроводжується звуженням смуги поглинання та зростанням молекулярного коефіцієнту екстинкції (лпогл = 726 нм, е = 70000, рис 1.1). Комплекс 1.4 має максимум флуоресценції при 741 нм (стоксів зсув складає 17 нм), а квантовий вихід флуоресценції 38% (у дихлорометані).



Як відомо з літературних даних, введення діалкіламіногруп в пара-положення б-арильних замісників приводить до суттєвого поглиблення забарвлення BODIPY. Тому ми спробували провести відповідну модифікацію сполуки 1.4. Однак виявилося, що при спробі отримати бажаний барвник 1.7 шляхом, аналогічним для сполуки 1.4, ми наштовхнулися на ряд труднощів, головна з яких - це відщеплення молекули нітрометану з нітробутанону 1.6 в присутності основ.

Тому було вирішено використати інший підхід, виходячи з 2-гідрокси-4-флуороацетофенону, маючи на меті на останніх стадіях замінити атоми флуору на діалкіламіногрупи. Як і очікувалося, в цьому випадку не виникло особливих труднощів при отриманні відповідного азадипірометену 1.9.



Отриманий аза-дипірометен при нетривалому кип'ятінні в толуені з надміром етерату бор трифлуориду та діізопропілетиламіном (ДІЕА) перетворюється в очікуваний комплекс 1.10. Натомість, при використанні як основи піролідину в аналогічних умовах одночасно з хелатуванням відбувається і заміна одного з атомів флуору на амін з утворенням комплексу 1.11. Цей же комплекс можна отримати і нетривалим кип'ятінням сполуки 1.9 з піролідином у присутності етерату бор трифлуориду, хоча препаративно привабливіший перший шлях. Багаторазові спроби замістити другий атом флуору, з метою отримати барвник 1.12 виявилися не вдалими, що очевидно пов'язано з тим, що введення піролідинового залишку суттєво зменшує реакційну здатність другого атома флуору.

Таблиця 1.1 - Спектральні дані для барвників 1.9 - 1.11

Сполука	CH2Cl2	ДМФА
	лпогл(нм) ( е10-3, M-1 см-1)	лфл(нм)	ц	лпогл(нм) ( е10-3, M-1 см-1)	лфл(нм)	ц
1.9	621 (41)	-	-	629 (50)	-	-
1.10	725 (67)	742	0.204	727 (67)	743	0.2
1.11	794 (55)	850	0.02	798 (52)	854	0.025



Дифлуорозаміщений барвник 1.10 дуже близький за спектральними властивостями до свого незаміщеного аналога 1.4 (табл. 1.1, рис. 1.2) Введення ж піролідинового залишку привело до значного батохромного зсуву максимуму поглинання (69 нм) при деякому зменшенні інтенсивності та уширенні смуги поглинання.

Флуоресцентні властивості цих сполук наведені в табл. 1.1. Так барвник 1.10 має квантовий вихід флуоресценції 20%, а стоксів зсув складає 17 нм. В той же час, для сполуки 1.11 спостерігається суттєво більший стоксів зсув (56 нм), але квантовий вихід флуоресценції складає лише 2%. Проте, в даному випадку отримано BODIPY з найглибшим, на сьогоднішній день, максимум флуоресценції (850 нм).

2. Бородипірометеноціаніни мезо-ряду

Поліметинові барвники - похідні 3,5-дифеніл BODIPY. В літературі практично не описано BODIPY, які б містили у мезо-положенні хромофорний фрагмент (окрім арильних замісників). Тому було синтезовано сполуки, в яких у мезо-положення BODIPY ядра були введені залишки поліметинових барвників. Очікувалося, що така комбінація поліметинового і бородипірометенового хромофорів суттєво змінить спектральні властивості останнього. Для отримання цільових барвників, виходилии із 2-фенілпіролу 2.1, був отриманий мезо-метилзаміщений BODIPY 2.4.

Виходячи з BODIPY 2.4, ми спробували прямою реакцією отримати геміціанін 2.5, що планувався для використання в ролі інтермедіату в ціанінових конденсаціях. Проте ці спроби, як і моноформілювання за Вільсмайєром, завершилися невдачею. В умовах реакції Вільсмайєра утворюється лише дизаміщений флуоресцентний продукт 2.6. Нам все-таки вдалося провести моноформілювання сполуки 2.4 за допомогою диметилацеталю ДМФА і як продукт отримано речовина 2.7, яка дією аніліну була перетворена у бажаний геміціанін 2.5.

Однак, такий геміціанін виявився не надто придатним для синтезу барвників через утворення значної кількості домішок та незначних виходів кінцевих продуктів. Тому бажані барвники було отримано, при взаємодії сполуки 2.4 з анілідовінільними похідними низько- та середньоосновних гетероциклів. Реакції протікають доволі легко і відповідні барвники 2.8 - 2.13 можна отримати із задовільними виходами.

Вихідний бородифторидний комплекс 2.4 є типовим представником BODIPY, тому для нього спостерігається вузька смуга поглинання та високий квантовий вихід флуоресценції (рис. 2.1 табл. 2.1). Як видно з рис. 2.1, отримані поліметинзаміщені барвники 2.8 - 2.13 характеризуються суттєво глибшим та інтенсивнішим поглинанням.

У випадку слабкоелектронодонорного кінцевого піранового ядра (барвник 2.8) в ацетонітрильному розчині спостерігається широка крива, в якій короткохвильове поглинання проявляється лише у вигляді перегину. По мірі збільшення електронодонорності другого кінцевого ядра смуга поглинання стає вужчою та інтенсивнішою.

Така тенденція є характерною для серії мероціанінів, що містять одне з кінцевих ядер з низькою електроноакцепторністю, і пояснюється збільшенням поляризації донорно-акцепторної системи з ростом електронодонорної здатності другого кінцевого ядра.

При подовженні поліметинового ланцюга (барвник 2.10) довгохвильова смуга зазнає батохромного зсуву на 102 нм (в ДМФА), що є типовою величиною при вінілогізації електроносиметричних ціанінових барвників. Поліметинзаміщені BODIPY 2.8 - 2.13 характеризуються слабкою флуоресцентною здатністю.

Таблиця 2.1 - Спектральні дані для сполук 2.4 - 2.11.

Барвник	CH3CN	ДМФА
	лпогл, нм ( е·10-3,М-1· см-1)	д, см-1	лфл, нм (ц)	лпогл, нм ( е·10-3, М-1· см-1)	д, см-1	лфл, нм (ц)
2.4	536 (35)	1732	577 (0.64)	543 (47)	1684	581 (0.62)
2.8	692 (65)	4531	--	712 (69)	4403	--
2.9	671 (111)	1656	720(<0.001)	682 (116)	1634	736(<0.001)
2.10	771 (116)	1915		784 (107)	1777
2.11	683 (116)	1595	727(<0.001)	693 (105)	1558	729(<0.001)
2.12	705 (117)	1403	743(<0.001)	718 (128)	1334	754(<0.001)
2.13	752 (74)	2184	--	762 (78)	2071	--

Бородипірометенціаніни з конформаційно обмеженим ядром BODIPY. Відомо, що закріплення арильних замісників в площині ядра BODIPY як через гетероатоми, так і через карбоциклічні містки, приводить до суттєвого батохромного зсуву смуги поглинання з одночасним зростанням молярних коефіцієнтів екстинкції та квантових виходів флуоресценції. Тому було вирішено дослідити як вплине на забарвлення бородипірометеноціанінів закріплення фенільного замісника в BODIPY ядрі карбоциклічним містком.

Синтез конформаційно обмеженого комплексу 2.16 було здійснено подібно до його аналога 2.4, виходячи із сполуки 2.14.

Виходячи зі сполуки 2.16 було отримано ряд барвників зі зростанням основності кінцевого гетероциклічного ядра (індоленін - бензотіазол - хінальдін - лепідин). Реакції конденсації протікають без особливих ускладнень, даючи бажані барвники 2.17 - 2.20 з виходами 45-65%.

Як і слід було очікувати, комплекс 2.16 виявився більш глибоко забарвленим у порівнянні зі своїм незакріпленим аналогом 2.4. Спостерігається батохромний зсув смуги поглинання на 87 нм, зростання інтенсивності поглинання більш як у два рази



та квантового виходу флуоресценції приблизно у 1,5 рази. Проте, спектральні властивості барвників 2.17 - 2.20 значною мірою нагадують властивості аналогів 2.7, 2.9 - 2.10 (рис. 2.3, табл.2.2). Вони також мають дві смуги поглинання: короткохвильову - дипірометенову та довгохвильову - ціанінову, які, внаслідок глибшого забарвлення дипірометенового фрагмента, є більш зближеними, ніж у барвників 2.7, 2.9 - 2.10.

У розчинах ДМФА мероціаніни 2.17 - 2.20 поглинають лише на 20 - 33 нм глибше, ніж відповідні барвники 2.7, 2.9 - 2.10 при незначному зростанні інтенсивності поглинання (табл. 2.2).

Таблиця 2.2 - Спектральні дані для сполук 2.16 - 2.20

Барвник	CH2Cl2	ДМФА
	лпогл, нм ( е·10-3, М-1· см-1)	д, см-1	лфл, нм (ц)	лпогл, нм ( е·10-3, М-1· cm-1)	д, см-1
2.16	621 (134)	625	631 (0.86)	617 (113)	685
2.17	664 (103)	2334	723 (0.011)	702 (107)	2762
2.18	699 (119)	2569	741 (0.005)	724 (123)	1627
2.19	741 (145)	1170	-	751 (140)	1026
2.20	797 (49)	1163	-	806 (56)	1056

Таким чином, отримані барвники 2.7, 2.9 - 2.10 та 2.17 - 2.20, що формально відносяться до мезо-заміщених BODIPY, насправді є, хоча і специфічними, але поліметиновими барвниками мероціанінового типу, в яких ядро BODIPY виступає кінцевим електроноакцепторним фрагментом барвника.

3. BODIPY, заміщені по б-положеннях поліметиновим хромофором

Синтез функціоналізованих 3-вінілзаміщених BODIPY. Відомо, що метильні групи в 3-му та 5-му положеннях BODIPY ядра достатньо рекційноздатні для проведення по них конденсацій кневенагелівського типу. Зокрема, описані конденсації таких похідних з ароматичними альдегідами, що приводять до утворення відповідних б-моностирил- та б-дистирил заміщених похідних.

Нами ж було розроблено методи синтезу вінільних похідних дещо іншого типу. Для цього як вихідна речовина був використаний BODIPY 3.3, отриманий з відповідного піролу 3.1. Встановлено, що при взаємодії BODIPY 3.3 з диметилацеталем ДМФА з високим виходом утворюється єнамінова похідна 3.4. Ввведення електронодонорного єнамінового фрагменту суттєво дезактивує другу метильну групу, тому, незважаючи на використаня надміру диметилацеталю ДМФА, в реакцію вступає лише одна метильна група. Сполука 3.4 дією водної соляної кислоти була гідролізована до відповідного ацетальдегіду 3.5, для якого характерна альдегідо-єнольна таутомерія, про що свідчать дані ЯМР.

Здатність до єнолізації зумовлює легкість, з якою альдегід 3.5 утворює деякі вінільні похідні. Так, при його взаємодії з хлороксидом фосфору утворюється хлорвінільна похідна 3.6, а при короткотривалому нагріванні в оцтовому ангідриді - єнолацетат 3.7. Атом хлору в сполуці 3.6 є доволі реакційноздатним і при дії п-хлоротіофенолу відбувається його нуклеофільне заміщення з утворенням сульфіду 3.8.

В толуені в присутності етерату бор трифлуориду при кімнатній температурі альдегід 3.5 циклізується в BODIPY 3.9, в якому один з атомів флуору заміщений єнольним фрагментом. Слід відзначити, що сполука 3.9 є першим прикладом BODIPY з асиметрично хелатованим атомом бору. При нагріванні альдегіду 3.5 в оцтовій кислоті в присутності сірчаної кислоти реалізується й інший шлях циклізації - окрім продукту 3.9, з виходом 22% утворюється ще й піранон 3.10.

Альдегід 3.5 легко реагує з ароматичними амінами. Наприклад, з аніліном з виходом 80% отримано аніліновінільна похідна 3.11 ацилювання якої приводить до ацетаніліду 3.12. При взаємодії альдегіду 3.5 з первинними аліфатичними амінами не вдається виділити в чистому вигляді аміновінільні похідні, оскільки одночасно (навіть при кімнатній температурі) відбувається циклізація в піридон 3.13, який був отриманий при нагріванні в толуені з метанольним розчином метиламіну в присутності оцтової кислоти.

При проведенні конденсацій альдегіду 3.5 з різними СН-кислотами в присутності тріетиламіну завжди спостерігалось утворення значної кількості одного й того ж самого барвника. Виявилось, що альдегід 3.5 безпосередньо реагує з тріетиламіном з утворенням діетиламіновінільної похідної 3.14. Ця несподівана і незвична реакція відбувається при короткотривалому нагріванні або при стоянні при кімнатній температурі обох компонент в піридині чи діоксані. Єнамін 3.14 можна також отримати прямою реакцією альдегіду з діетиламіном. Виявилося, що аналогічно реакція протікає і з трибутиламіном з утворенням дибутиламінопохідної 3.15. У випадку аміну з різними замісниками, наприклад етилдіізопропіламіну, результатом реакції є утворення двох продуктів, які важко розділяються хроматографічно. Тому була виділена їх суміш, яка за даними ЯМР 1H складається з приблизно однакової кількості діізопропіламіно- та етилізопропіламіновінільних похідних (3.17 та 3.16 відповідно).

Механізм взаємодії альдегіду 3.5 з тріалкіламінами, на нашу думку, можна зобразити наступним чином. Альдегід в єнольній формі циклізується в оксиран, який алкілує тріалкіламін з утворенням бетаїнової структури. Далі відбувається внутрішньомолекулярне розщеплення четвертинної амонійної солі (за Гофманом) з елімінуванням спочатку алкену, а потім води.

Синтез функціоналізованих 3,5-дивінілзаміщених BODIPY. Як зазначалося вище, введення єнамінового фрагмента по одній з метильних груп сильно дезактивує іншу метильну групу. В той же час, метильна група в енолацетаті 3.7 достатньо реакційноздатна і при дії на нього ацеталю ДМФА утворюється барвник 3.18, який досить легко реагує з вторинними амінами. Так, при взаємодії з диметиламіном було виділено бісдиметиламіновінільну похідну 3.19 гідроліз якої дає діальдегід 3.20.

Для отримання бісальдегіду 3.20 нам вдалося розробити зручніший препаративний підхід. Альдегід 3.5 був переведений в ацетальну форму 3.21. Така модифікація альдегідної групи дозволила провести формілювання диметилацеталем ДМФА. Далі сполука 3.22 була гідролізована до відповідного діальдегіду.



Подібно до моноаналога, діальдегід характеризується досить легким перебігом реакцій по обох альдегідних групах. Так, ацилювання оцтовим ангідридом приводить до утворення диацильної похідної 3.23 при дії на яку аніліну одна з ацильних груп досить легко заміщується з утворенням барвника 3.24. Короткотривале нагрівання діальдегіду з хлороксидом фосфору дає дихлоровінільну похідну 3.25, яка у свою чергу реагує з п-хлоротіофенолом, з утворенням сульфідної похідної 3.26.

Нагрівання діальдегіду в толуолі у присутності етерату бор трифлуориду приводить до циклізації обох альдегідних фрагментів. Причому один з них циклізується по карбоксильній групі, а другий по атому бору з утворенням барвника 3.27. При взаємодії діальдегіду 3.20 з третинними амінами в реакцію вступає лише одна альдегідна група, даючи несиметричнозаміщену похідну 3.28.

Вплив вінільних замісників на максимум поглинання барвників носить адитивний характер, тобто ефект від введення другого замісника такий самий, як і від введення першого. Наприклад, введення одного хлоровінільного фрагмента у вихідний 3,5-диметилзаміщений BODIPY батохромно зсуває максимум поглинання на 29 нм, а двох - на 60.

Таблиця 3.1 - Спектральні ефекти від введення деяких вінільних замісників у BODIPY ядро

R	лпогл, нм	Длпогл, нм	лпогл, нм	Длпогл, нм
СН3	519	-	519	-
	547	29	578	60
	552	34	585	67
	584	66	648	130
	621	103	728	210

Спектральні ж ефекти в несиметрично заміщених похідних є приблизною сумою від введення окремо кожного фрагмента. Так, введення єнолацетатного фрагмента поглиблює забарвлення на 33 нм, а аніліновінільного (сполука 3.11) - на 108 нм, що в сумі дає 142 нм. В той же час, червоний зсув для сполуки 3.18 (у порівнянні з 3.3) складає 136 нм. Всі отримані барвники, крім тих, що містять термінальну аміногрупу, характеризуються інтенсивною флуоресценцією (ц = 0.6 - 1).

Бородипірометеноціаніни б-ряду. Вище нами було показано, що введення в мезо-положення BODIPY ядра залишків поліметинових барвників призводить до глибоко забарвлених похідних. Тому ми вирішили провести подібну модифікацію борадізаіндаценового ядра по його б-положеннях. Для реалізації цієї ідеї ми використали BODIPY 3.3, в якому метильні групи у 3-му і 5-му достатньо реакційноздатні для проведення по них конденсацій кневенагелівського типу.



Так, зокрема, при взаємодії цієї сполуки з п-диметиламінобензальдегідом було отримано моностирильну похідну 3.29, а з відповідними геміціанінами із задовільними виходами було отримано барвники 3.30 - 3.32.

Виявилося, що криві поглинання отриманих барвників 3.29 - 3.32 якісно схожі на відповідні криві мезо-аналогів. В їх спектрах поглинання спостерігається інтенсивна довгохвильова смуга та малоінтенсивне короткохвильове поглинання, що містить декілька смуг. Зі збільшенням основності другого гетероциклічного залишку довгохвильова смуга поглинання стає інтенсивнішою та вужчою (рис. 3.1). Як зазначалося вище, така тенденція є характерною для серії мероціанінових барвників, що містять кінцеве ядро з низькою електроноакцепторністю.

Таблиця 3.2 - Спектральні дані для барвників 3.29 - 3.32

Барвник	СН2Сl2	ДМФА
	лпогл, нм ( е·10-3, М-1· см-1)	д, см-1	лпогл, нм ( е·10-3, М-1· см-1)	д, см-1
3.29	658 (63)	2492	666 (59)	2711
3.30	730 (84)	2114	739 (85)	2291
3.31	745 (92)	2025	758 (107)	2224
3.32	778 (106)	1811	787 (113)	1977

Використання надміру п-диметиламінобензальдегіду або геміціанінів приводить до протікання реакції по обох метильних групах сполуки 3.3 з утворенням біс-барвників 3.33 - 3.36.

Введення по другому б-положенню BODIPY ще одного поліметинового хромофора призвело до червоного зсуву довгохвильової смуги поглинання на 100-180 нм (тим більшого, чим вища основність другого ядра) порівняно з поглинанням монозаміщених похідних та виникнення цілої низки доволі інтенсивних більш короткохвильових смуг (рис. 3.2). На відміну від дивінілзаміщених BODIPY, ефект від введення двох поліметинових хромофорів не носить адитивного характеру. Якщо у випадку монозаміщених похідних бородипірометен є кінцевим електроноакцепторним фрагментом барвника-мероціаніна, то в разі дизаміщених похідних BODIPY фрагмент можна розглядати як циклічне угрупування у поліметиновому ланцюжку. На сьогодні ці барвники є найглибше забарвленими похідними, що містять BODIPY ядро.

Таблиця 3.3 - Спектральні дані для барвників 3.33 - 3.36.

Барвник	СН2Сl2	ДМФА
	лпогл, нм ( е·10-3, М-1· см-1)	д, см-1	лпогл, нм ( е·10-3, М-1· см-1)	д, см-1
3.33	755 (66)	2115	770 (63)	2249
3.34	862 (91)	1452	888 (99)	1607
3.35	895	1652	922	1740
3.36	949 (58)	2940	972 (65)	1701



ВИСНОВКИ

1. Вперше отримано аза-BODIPY барвники з повністю хелатованим атомом бору, в яких за рахунок більш площинного розташування фенільних ядер, досягається значне поглиблення максимуму поглинання та випромінювання. У випадку піролідинзаміщеної похідної отримано BODIPY з найглибшим на сьогоднішній день максимумом флуоресценції.

2. Модифікація бородипірометенового ядра по мезо-положенню поліметиновим хромофором приводить до утворення глибокозабарвлених похідних. Показано, що за природою забарвлення вони є мероціаніновими барвниками, в яких бородипірометен виступає кінцевим електроноакцепторним ядром.

3. Розроблено зручні синтетичні підходи для отримання моно- та діацетальдегідозаміщених BODIPY. На їх основі отримано низку симетрично- та несиметрично заміщених вінільних похідних, а також вперше отримано несиметричні BODIPY з конденсованими гетероциклічними системами.

4. Вперше на прикладі ацетальдегідозаміщених BODIPY знайдено, що альдегідна група в м'яких умовах взаємодіє з третинними амінами з утворенням єнамінів. Запропонований механізм цієї реакції.

5. Проведено модифікацію BODIPY ядра по їх б-положеннях поліметиновими хромофорами. Отримано як моно-, так і дизаміщені похідні. Показано, що монопохідні, як і їх аналоги мезо-ряду, є мероціаніновими барвниками. У випадку дизаміщених похідних теж утворюються барвники мероціанінового типу, у яких BODIPY фрагмент виступає циклічним угрупованням у поліметиновому ланцюжку. На сьогодні ці барвники є найглибше забарвленими похідними, що містять BODIPY ядро.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО В ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Якубовский В. П. Азадипиррометеновый краситель с полностью хелатированным атомом бора / В. П. Якубовский, Ю. П. Ковтун, М. П. Шандура // ХГС - 2008 - C. 1587 - 1590. (Особистий внесок автора: синтез аза-BODIPY з повністю хелатованим атомом бору, дослідження спектральних властивостей отриманих сполук, обговорення отриманих результатів).

2. Yakubovskyi V. P. Boradipyrromethenecyanines / V. P. Yakubovskyi, M. P. Shandura, Yu. P. Kovtun. // Eur. J. Org. Chem. - 2009 - P. 3237 - 3243. (Особистий внесок автора: синтетична частина роботи, спектральні дослідження синтезованих барвників, обговорення отриманих результатів).

3. Yakubovskyi V. P. (4,4-Difluoro-4-bora-3a,4a,-diaza-s-indacen-3-yl)acetaldehyde: Synthesis and Chemical Properties / V. P. Yakubovskyi, M. P. Shandura, Yu. P. Kovtun // J. Heterocycl. Chem. - 2009. - Vol. 46. - P. 1386 - 1391. (Особистий внесок автора: літературний пошук, синтез функціоналізованих вінилзаміщених BODIPY, дослідження спектральних властивостей отриманих сполук, обговорення отриманих результатів).

4. Yakubovskyi V. P. Pyrrolidylsubstitued Azadipyrromethene with Fully Chelated Boron Atom / V. P. Yakubovskyi, M. P. Shandura, Yu. P. Kovtun // Synthetic Comm. - 2010. - Vol. 40. - P. 944 - 950. (Особистий внесок автора: розробка методу введення в аза-BODIPY з повністю хелатованим атомом бору діалкіламіногруп, аналіз спектральних даних та встановлення будови синтезованих сполук).

5. Yakubovskyi V. P. Boradipyrromethenecyanines derived from conformationally restricted nucleus / V. P. Yakubovskyi, M. P. Shandura, Yu. P. Kovtun // Dyes and Pigments - 2010. - Vol. 87. - P. 17 - 21. (Особистий внесок автора: синтез несиметричних мероціанінових барвників, аналіз спектральних даних, обговорення отриманих результатів).

6. Якубовський В. Поліметинові барвники на основі діазаіндаценів / В. Якубовський, Ю. Ковтун, М. Шандура // 12-та наукова конференція “Львівські хімічні читання - 2009”, м. Львів, 2009 р.: тези доп., С. У75.

7. Yakubovskyi V. P. Polimethine dyes based on dipyrromethenes / Yakubovskyi V. P., Shandura M. P., Kovtun Yu. P. // Міжнародна конференція "Хімія азотовмісних гетероциклів" ("ХАГ - 2009"), м. Харків, 2009 р.: тези доп., С. 154.

8. Yakubovskyi V. P. (4,4-Difluoro-4-bora-3a,4a,-diaza-s-indacen-3-yl)acetaldehyde and its chemical behaviour dipyrromethenes / Yakubovskyi V. P., Shandura M. P., Kovtun Yu. P. // Міжнародна конференція "Хімія азотовмісних гетероциклів" ("ХАГ - 2009"), м. Харків, 2009 р.: тези доп., С. 155.

9. Якубовський В. Бородипірометенціаніни б-ряду / В. Якубовський, Ю. Ковтун, М. Шандура // ХХІІ Українська конференція з органічної хімії, м. Ужгород, 2010 р.: тези доп., С. 136.



АНОТАЦІЯ

Якубовський В. П. Довгохвильові барвники на основі 4,4-дифлуоро-4-бора-3а,4а-діаза-s-індаценів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.03 - органічна хімія. Інститут органічної хімії НАН України, Київ, 2011.

Дисертація присвячена синтезу та вивченню спектрально-люмінесцентних властивостей бородипірометенів, а також поліметинових барвників на їх основі.

Розроблено зручний синтетичний підхід до отримання аза-BODIPY з повністю хелатованим атомом бору та досліджено спектральні властивості отриманих сполук.

Отримано бородипірометен з фенільними замісниками в б-положеннях та його аналог, в якому арильні замісники закріплені в площині ядра BODIPY карбоциклічними містками. Модифікацією цих систем по мезо-положенню залишками поліметинових барвників отримано ряд глибокозабарвлених похідних. Досліджено їх спектрально-люмінесцентні властивості та показано, що ці похідні за природою забарвлення є барвниками-мероціанінами, в яких бородипірометенове ядро є кінцевим електроноакцепторним фрагментом барвника.

Розроблено зручні синтетичні підходи для отримання моно- та діацетальдегідозаміщених BODIPY. На їх основі одержано низку симетрично- та несиметрично заміщених вінільних похідних. Синтезовано BODIPY несиметричної будови з конденсованими гетероциклічними системами. Вперше, на прикладі ацетальдегідозаміщених BODIPY знайдено реакцію альдегідної групи з третинними аліфатичними амінами, яка приводить до утворення єнамінів.

Проведено модифікацію бородипірометенового ядра по б-положеннях залишками поліметинових барвників. Внаслідок такої модифікації отримано відповідні моно- та дизаміщені поліметинові похідні. На основі досліджень їх спектрально-люмінесцентних властивостей встановлено, що монозаміщені похідні є мероціаніновими барвниками, в яких бородипірометен виступає кінцевим електроноакцепторним ядром, як це спостерігалося і на прикладі їх відповідних аналогів мезо-ряду. Дизаміщені похідні за своїми спектральними властивостями теж є барвниками-мероціанінами, у яких BODIPY фрагмент можна розглядати як циклічне угрупування у поліметиновому хромофорі.



АННОТАЦИЯ

Якубовский В. П. Длинноволновые красители на основе 4,4-дифторо-4-бора-3а,4а-диаза-s-индаценов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.03 - органическая химия. Институт органической химии НАН Украины, Киев, 2011.

Диссертация посвящена синтезу и изучению спектрально-люминесцентных свойств бородипиррометенов, а также полиметиновых красителей на их основе.

Разработан удобный синтетический путь для получения аза-BODIPY с полностью хелатированным атомом бора. Такая модификация привела к значительному углублению максимумов поглощения и излучения за счет более плоскостного расположения фенильных ядер. Одновременно наблюдается рост квантовых выходов флуоресценции более чем в пять раз по сравнению с соответствующими производными, содержащими в орто-положениях ароматических заместителей метоксигруппы. В случае аза-BODIPY, который содержит пирролидиновый остаток, получен один из самых глубокоокрашенных красителей такого типа, известных на сегодняшний день.

Получен мезо-метилбородипиррометен с фенильными заместителями в б-положениях и его аналог, в котором арильные заместители закреплены в плоскости ядра BODIPY карбоциклическими мостиками. Модификацией этих систем по мезо-положению остатками полиметиновых красителей получен ряд глубокоокрашенных производных. Исследованы их спектрально-люминесцентные свойства и показано, что эти производные по своей природе являются красителями-мероцианинами, в которых бородипиррометеновое ядро выступает концевым електроноакцепторным фрагментом красителя. Также было показано, что введение мостиковых фрагментов в ядро BODIPY уменьшает его електроноакцепторность, что в свою очередь приводит к росту электронной асимметрии красителей на его основе по сравнению с аналогичными красителями на основе бородипиррометенового производного с незакрепленными фенильными ядрами.

Разработаны удобные синтетические подходы для получения моно- и диацетальдегидозамещенных BODIPY. Найдено, что для этого типа соединений характерна альдегидо-енольная таутомерия. Это позволило на их основе получить ряд симметрично- и несимметрично замещенных винильных производных. Все красители этого ряда характеризируются высокими показателями молекулярного коэффициента экстинкции и, в большинстве случаев, имеют высокие квантовые выходы флуоресценции, за исключением соединений, содержащих терминальные диалкиламиногруппы. Показано, что влияние на максимум полосы поглощения красителя при введении двух винильних фрагментов является суммой от введения каждого заместителя отдельно, что позволяет достаточно точно предсказать спектральные свойства конечного красителя. Также впервые получены BODIPY несимметричного строения с конденсированными гетероциклическими системами.

Впервые, на примере ацетальдегидозамещенных BODIPY, обнаружена реакция альдегидной группы с третичными алифатическими аминами которая приводит к образованию енаминов.

Проведено модификацию бородипиррометенового ядра по б-положениям остатками полиметиновых красителей и получены соответствующие моно- и дизамещенные полиметиновые производные. На основе исследований их спектрально-люминесцентных свойств установлено, что монозамещенные производные являются мероцианиновыми красителями, в которых бородипиррометен выступает концевым електроноакцепторным ядром, как это наблюдалось и на примере их аналогов мезо-ряда. Установлено, что при введении полиметиновых хромофоров в б-положение образуются более глубокоокрашеные соединения. Все полученные монопроизводные б-ряда в среднем на 60 нм глубже окрашены, чем соответствующие аналоги мезо-ряда. Дизамещенные производные по своим спектральным свойствам тоже являются красителями-мероцианинамы, в которых BODIPY фрагмент можно рассматривать как циклическую группировку в полиметиновом хромофоре. На сегодняшний день эти красители являются наиболее глубокоокрашенными соединениями, содержащими ядро BODIPY. Показано, что, в отличие от винильных производных, при введении полиметиновых хромофоров в б-положения BODIPY не наблюдается аддитивного влияния на максимум поглощения.



SUMMARY

Yakubovskyi V. P. Long-wavelength dyes derived from 4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacene. - Manuscript.

Thesis for the Degree of Candidate of Chemical Sciences on speciality 02.00.03 - Organic Chemistry. Institute of Organic Chemistry of NAS Ukraine, Kyiv, 2011.

The thesis is devoted to the synthesis and study of the spectral luminescent properties of boron dipyrromethenes (BODIPYs) and the polymethine dyes derived from them.

A facile synthetic route has been developed to prepare aza-BODIPYs with the fully chelated boron atom and the spectral properties of the compounds obtained have been studied.

Among the BODIPYs synthesized is a derivative containing б-phenyl groups as well as its analogue with б-aryl groups rigidly fixed with carbocyclic bridges in the plane of the boron dipyrromethene nucleus. These systems have been modified at the meso position by introducing polymethine dye residues to yield a number of deeply coloured derivatives. The research on their spectral luminescent properties has demonstrated that in terms of the colour nature, they are essentially the merocyanine dyes in which the BODIPY nucleus represents an electron-acceptor end group.

Convenient synthetic accesses to mono- and diacetaldehydo-substituted BODIPYs have been elaborated. The compounds obtained have afforded a number of symmetrically and unsymmetrically substituted vinyl derivatives as well as unsymmetric systems containing condensed heterocyclic moieties. As revealed for the first time and exemplified by acetaldehydo-substituted BODIPYs, the aldehyde group reacts with tertiary amines to give enamines.

Polymethine dye residues have been introduced into the б-positions of the BODIPY nucleus leading to the corresponding mono- and disubstituted polymethine derivatives. The spectral luminescent properties of б-monosubstituted BODIPYs suggest that these systems, like their meso-substituted counterparts, represent merocyanine dyes containing the BODIPY nucleus as an electron-acceptor end group. Likewise, б,б?-disubstituted polymethine derivatives behave spectrally as the merocyanine dyes in which the BODIPY moiety can be regarded as a cyclic bridge in the polymethine chromophore.

Размещено на Allbest.ru

...