Синтезы новых фоточувствительных и катионочувствительных соединений на основе аминохроменов и краун-эфиров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.03, кандидат химических наук Шилова, Екатерина Александровна

• Шилова, Екатерина Александровна
• кандидат химических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат химических наук Шилова, Екатерина Александровна

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. СИНТЕТИЧЕСКИЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ И СЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ КРАУН-ЭФИРОВ.

2.1. Введение.

2.2. Разновидности краун-эфиров.

2.3. Способность краун-эфиров к связыванию катионов.

2.4. Молекулярные переключатели на основе краун-эфиров.

2.4.1 Краунсодержащие азобензолы и фотохимическое переключение (photochemical switching).

2.4.2 Окислительно-восстановительное и электрохимическое переключение.

2.5. Сенсоры на основе краун-эфиров.

2.5.1 Сенсоры на основе фотохромных краун-эфиров в составе супрамолекулярных систем.

2.5.2 Молекулярные ловушки.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

3.1 Введение.

3.2 Способы объединения краун-эфирного и фотохромного фрагментов в одной системе ковалентной связью.

3.3. Способы объединения краун-эфирного и фотохромного фрагментов в одной системе типа «ротаксан».

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

4.1. Синтез исходного краун-эфира.

4.2. Синтез исходного хромена для реакции каталитического аминирования.

4.3. Общая методика получения аминохроменов методом каталического аминирования с использованием ацетата палладия и BINAP.

4.4. Общая методика снятия ацетильной защиты.

4.5. Общая процедура восстановления нитросоединений.

4.6. Общая методика синтеза краунированных хроменов.

4.7. Синтез макроцикла.

4.8. Синтез осей.

4.9. Синтез ротаксана.

5. ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтезы новых фоточувствительных и катионочувствительных соединений на основе аминохроменов и краун-эфиров»

В настоящее время наряду с традициоными направлениями исследований биологически активных веществ, красителей, ПАВ, особое внимание уделяется синтезу фотохромных соединений, реагирующих изменениями структуры на последовательные взаимодействия. Органические вещества, обладающие фотохромными свойствами, систематизированы по типу превращений, приводящих к их обратимым спектральным изменениям. Знание специфики каждого фотохромного процесса и его связи с химическим строением веществ позволяет вести направленный поиск целевых продуктов и подбор оптимальных условий для их получения. Введение краун-эфирного фрагмента в различные фотохромные молекулы оказывает существенное влияние на фотостабильность, фоточувствительность и комплексообразующие свойства систем, что позволяет разрабатывать высокоспецифичные молекулярные переключатели и сенсоры.

В представленной работе осуществлено моделирование структур, которые могут быть использованы для управляемого фотопереключения, а также разработаны методы синтеза новых хроменов и краун-содержащих фотохромных систем. Предполагается, что такие соединения могут найти применение для создания:

• селективных хромоионофоров для катионов металлов и малых органических молекул;

• материалов для фотохромных линз;

• материалов для записи и хранения информации;

• полимерных и пленок Ленгмюра-Блоджетт с фотопереключаемыми свойствами;

• материалов с фотопереключаемыми свойствами для молекулярной электроники.

Заключение диссертации по теме «Органическая химия», Шилова, Екатерина Александровна

5. Выводы.

1. С использованием реакции Бушвальда-Хартвига разработан метод каталитического аминирования бромхроменов, который был впервые применен в химии хроменов и краун-эфиров.

2. Получен ряд ранее недоступных производных на основе [2Н]- и [ЗН]-хроменов, а именно, впервые синтезированы некоторые ариламинобензо- и -нафтопираны с высокими выходами.

3. Получены краунсодержащие нафтопираны различного строения, которые способны реагировать изменением структуры на УФ-облучение.

4. Изучены фотохромные свойства новых соединений. На основе фотохимических исследований и рентгеноструктурного анализа доказано, что Ы-(п-нитрофенил)аминопираны не проявляют фотохромизм, в отличие от их бром- и аминопроизводных. Для открытой формы пиранов при анализе ЭСП установлено существование двух конкурирующих хромофорных систем: полидиеновой и «мероцианиновой». Продемонстрировано влияние комплексообразования на фотоизомеризацию краунсодержащих хроменов.

4. С помощью компьютерного моделирования разработаны моно- и бифотохромный ротаксаны с возможным взаимодействием хромена оси с краун-эфиром макроцикла.

5. Осуществлен синтез осевых нафтопирансодержащих и макроциклических краунсодержащих составляющих ротаксанов.

6. Стратегии самосборки ротаксанов модифицированы для получения моно-и бифотохромного ротаксанов. Методом анионного захвата выполнен синтез бифотохромного ротаксана, включающего краунсодержащий макроцикл и нафтопирансодержащую ось.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Шилова, Екатерина Александровна, 2006 год

1., Gokel, G. W., Eds.; Marcel Dekker: New York, 1990. (b) Gokel, G. W. Crown Ethersand Cryptands; The Royal Society of Chemistry: London, England, 1991.

2. Dietrich, В.; Viout, P.; Lehn, J.-M. Macrocyclic Chemistry:Aspects of Organic and Inorganic Supramolecular Chemistry; VCH: Weinheim, 1993.

3. Pedersen, C. J. U.S. Patent 3361778, 1968, 4 pp.

4. Pedersen, C. J. //J. Am. Chem. Soc. 1967, 89, 2495.

5. Pedersen, C. J. //J. Am. Chem. Soc. 1967, 89, 7017.

6. Krakowiak, К. E.; Bradshaw, J. S.; Zamecka-Krakowiak, D. //J. Chem. Rev. 1989, 89, 929.

7. Aza-Crown Compounds; Bradshaw, J. S.; Krakowiak, К. E.; Izatt, R. M. Wiley: New York, 1993; Vol. 51, 885 pp.

8. Dunitz, J. D.; Seiler, P. //Acta Crystallogr., Sect. В 1974, 2739.

9. Nagano, O. //Acta Crystallogr., Sect. В 1979, 35, 465.

10. Beer, P. D.; Gale, P. A. //Angew. Chem., Int. Ed. 2001, 40, 486.

11. Shinkai, S.; Nakaji, Т.; Nishida, Y.; Ogawa, Т.; Manabe, O. //J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 5860.

12. Shinkai, S.; Ogawa, Т.; Kusano, Y.; Manabe, O.; Kikukawa, K.; Goto, Т.; Matsuda, T. //J. Am. Chem. Soc. 1982, 104, 1960.

13. Shinkai, S.; Yoshida, Т.; Miyazaki, K.; Manabe, O. //Bull. Chem. Soc. Jpn. 1987, 60, 1819.

14. Shinkai, S.; Inuzuka, K.; Miyazaki, O.; Manabe, O. //J. Am. Chem. Soc. 1985, 107, 3950.

15. Kaifer, A.; Echegoyen, L.; Gustowski, D.; Goli, D. M.; Gokel, G. W. //J. Am. Chem. Soc. 1983, 105,7168.

16. Gustowski, D. A.; Echegoyen, L.; Goli, D. M.; Kaifer, A.; Schultz, R. A.; Gokel, G. W. //J. Am. Chem. Soc. 1984, 106, 1633.

17. Echegoyen, L.; Gustowski, D. A.; Gatto, V. J.; Gokel, G. W. //J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1986, 220.

18. Vaidya, В.; Porter, M. D.; Utterback, M. D.; Bartsch, R. A. //Anal. Chem. 1997, 69, 2688.

19. Vaidya, В.; Zak, J.; Bastiaans, G. J.; Porter, M. D.; Hallman, J. L.; Nabulsi, N. A. R.; Utterback, M. D.; Strzelbicka, В.; Bartsch, R. A. //Anal. Chem. 1995, 67, 4101.

20. Skwierawska, A.; Inerowicz, H. D.; Biernat, J. F. //Tetrahedron Lett. 1998, 39, 3057.

21. Shinkai, S.; Takeuchi, M.; Ikeda, A. In Polymer Sensors and Actuators; Osada, Y., De Rossi, D. E., Eds.; Springer-Verlag: Berlin, 2000; pp 183-206.

22. Crano J. C., Guglielmetti R. J. Organic photochromic and thermochromic compounds. -V. 2. Kluwer Academic/Plenum Publishers - New York. - 1999.

23. Kimura K., Yamashita Т., Yokoyama M. Photochemical Switching of Ionic-Conductivity in Composite Films Containing a Crowned Spirobenzopyran. // J. Phys. Chem. 1992. -V. 96. - P. 5614-5617.

24. Kimura K., Tokuhisa H., Kaneshige M., Yamashita Т., Yokoyama M. Design of Photochromic Crown Compounds and Their Applications to Photoswitchable Ion- Conducting Materials. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1994. - V. 246. - P. 173176.

25. Захс E. P., Мартынова В. П., Эфрос JI. С. Синтез и свойства спиропиранов способных к обратимому раскрытию пиранового кольца. // ХГС 1979. - Т. 4 - С. 435-459.

26. Kimura К., Yamashita Т., Yokoyama М. Syntheses, Cation Complexation, Isomerization and Photochemical Cation-Binding Control of Spirobenzopyrans Carrying a Monoazacrown Moiety at the 8-Position. // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2.- 1992. -P. 613-619.

27. Tanaka M., Nakamura M., Salhin M. A. A., Ikeda Т., Kamada K., Ando H., Shibutani Y., Kimura K. Synthesis and Photochromism of Spirobenzopyran Derivatives Bearing an Oxymethylcrown Ether Moiety: Metal Ion-Induced

28. Switching Between Positive and Negative Photochromisms. // J. Org. Chem. -2001.-V. 66.-P. 1533-1537.

29. Sasaki H., Ueno A., Anzai J., Osa T. Benzo-15-Crown-5 Linked Spirobenzopyran .1. Photocontrol of Cation-Binding Ability and Photoinduced Membrane-Potential Changes. // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1986. - V. 59. - P. 19531956.

30. Inouye M. Molecular Design and Synthesis of Signal Transducer Receptors. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1997. - V. 297. - P. 359-364.

31. Inouye M., Noguchi Y., Isagawa K. Sensitive and Selective Coloration of Cryptand-Type Crown Spirobenzopyrans for Alkaline-Earth Metal-Cations. // Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1994. - V. 33. - P. 1163-1166.

32. Inouye M., Ueno M., Kitao T. Transmission of Recognition Information to Other Sites in a Molecule Proximity of 2 Remote Sites in the Spirobenzopyran by Recognition of Alkali-Metal Cations. // J. Org. Chem. - 1992. - V. 57. - P. 1639-1641.

33. Inouye M. Spiropyran Derivatives as Multifunctional Artificial Receptors for Biologically Important Species. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1994. - V. 246. - P. 169-172.

34. Kimura K., Yamashita Т., Yokoyama M. Cation-Specific Isomerization of Crowned Spirobenzopyrans. // J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1991. - P. 147148.

35. Inouye M. Artificial-Signaling Receptors for Biologically Important Chemical Species. // Coord. Chem. Rev. 1996. - V. 148. - P. 265-283.

36. Liu S. H., Wu С. T. Synthesis of Long-Chain Spirobenzopyrans Bearing a Monoazacrown Ether. // Chin. Chem. Lett. 1999. - V. 10. - P. 15-16.

37. Liu S. H., Wu С. T. Negative Photochromic Properties and Alkali-Metal Cation

38. Recognition of Crowned Spirobenzopyrans. // Chem. J. Chinese Univ.- Chinese. -2000. -V. 21.-P. 734-736.

39. Sakamoto H., Yokohata Т., Yamamura Т., Kimura К. Liquid-Liquid Extraction of Alkali Metal Ions With Photochromic Crowned Spirobenzopyrans. // Anal. Chem. 2002. - V. 74. - P. 2522-2528.

40. Kimura K., Kado S., Sakamoto H., Sakai A., Yokoyama M., Tanaka M. Potential Photoresponse of Membranes Containing a Lipophilic Crowned Spirobenzopyran. // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. 1999. - P. 2539-2544.

41. Kimura K., Mizutani R., Suzuki Т., Yokoyama M. Photochemical Ionic-Conductivity Switching Systems of Photochromic Crown Ethers for Information Technology. // J. Inclusion Phenom. 1998. - V. 32. - P. 295-310.

42. Teranishi Т., Yokoyama M., Sakamoto H., Kimura K. High Affinity of Crowned Bis(Spirobenzopyran) for Multi-Valent Metal Ions Based on Doubly Armed Ionic Interaction. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2000. - V. 344. - P. 271-276.

43. Kimura K., Teranishi Т., Yokoyama M. Highly Calcium-Ion-Accelerated Coloration of Bis(Spirobenzopyran) Bridged by Diaza-18-Crown-6 Moiety at the 8-Position. // Supramol. Chem. 1996. - V. 7. - P. 11-13.

44. Nakamura M., Fujioka Т., Sakamoto H., Kimura К. High Stability Constants for Multivalent Metal Ion Complexes of Crown Ether Derivatives Incorporating Two Spirobenzopyran Moieties. //New J. Chem. 2002. - V. 26. - P. 554-559.

45. Kimura K. Photocontrol of Ionic Conduction by Photochromic Crown Ethers. //Coord. Chem. Rev. 1996. - V. 148. - P. 41-61.

46. Inouye M., Akamatsu K., Nakazumi H. New Crown Spirobenzopyrans as Light- and Ion-Responsive Dual- Mode Signal Transducers. // J. Am. Chem. Soc. 1997.-V. 119.-P. 9160-9165.

47. Inouye M. 'purposive' Molecular Design for Multifunctional Artificial Receptors. //J. Inclusion Phenom. 1998. - V. 32. - P. 223-233.

48. Tanaka M., Kamada K., Ando H., Kitagaki Т., Shibutani Y., Yajima S., Sakamoto H., Kimura K. Metal-Ion Stabilization of Photoinduced Open Colored Isomer in Crowned Spirobenzothiapyran. // Chem. Comm. 1999. - P. 1453-1454.

49. Liu, S. H. and Wu, С. T. New spirobenzopyrans bearing poliamine as transition metalcation receptors. // 3-rd International Symposium on Organic Photochromism. -Fukoka. 1. Japan. 1999.-P. 93.

50. Stauffer М.Т., Knowles D.B., Brennan С., Funderburk L., Lin F.-T., Weber S.G. Optical control over Pb2+ binding to a crown ether-containing chromene. // Chem.Commun., 1997, pp. 287-288.

51. A. P. de Silva, H. Q. N. Gunaratne, C. P. McCoy. // Nature 364, 42 (1993).

52. S. Iwata and K. Tanaka. // J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1491 (1995)

53. A. P. de Silva, H. Q. N. Gunaratne, C. P. McCoy. // J. Am. Chem. Soc. 119, 7891 (1997)

54. F. Pina, M. Maestri, V. Balzani. // Chem. Commun. 107 (1999)

55. L. Gobbi, P. Seiler, F. Diederich. // Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 38, 674 (1999)

56. Crozier, A.; Zaerr, J. В.; Morris, R. O. J. // Chromatogr. 1982, 1982, 157.

57. Kyba, E. P.; Helgeson, R. C.; Madan, K.; Gokel, G. W.; Tarnowski, T. L.; Moore, S. S.; Cram, D. J. // J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 2564.

58. Beer, P. D.; Dent, S. W. // Chem. Commun. 1998, 825.

59. Helgeson, R. C.; Timko, J. M.; Cram, D. // J. J. Am. Chem. Soc. 1973, 95, 3023.

60. Dearden, D. V.; Liang, Y.; Nicoll, J. В.; Kellersberger, K. A. // J. Mass Spectrom. 2001, 36, 989.

61. Behr, J. P.; Lehn, J.-M.; Vierling, P. // J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1976, 16, 621.

62. Behr, J. P.; Lehn, M.-P.; Vierling, P. // Helv. Chim. Acta 1982, 65, 1853.

63. Dotsevi, G.; Sogah, Y.; Cram, D. J. // J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 3035.

64. Julian, R. R.; Beauchamp, J. L. // Int. J. Mass Spectrom. 2001, 210/211, 613.

65. Julian, R. R.; Akin, M.; May, J. A.; Stoltz, В. M.; Beauchamp, J. L. // Int. J. Mass Spectrom. 2002, 220, 87.

66. Julian, R. R.; Beauchamp, J. L. // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2002, 13, 493.

67. Julian, R. R.; May, J. A.; Stoltz, В. M.; Beauchamp, J. L. // Angew. Chem., Int. Ed. 2003,42, 1012.

68. Julian, R. R.; May, J. A.; Stoltz, В. M.; Beauchamp, J. L. Int. // J. Mass Spectrom. 2003, 228, 851

69. Lee, S.-W.; Lee, H.-N.; Kim, H. S.; Beauchamp, J. L. // J. Am. Chem. Soc. 1998, 120,5800.

70. Ахмадеева A.K., Платов К. В. //Структура и динамика молекулярных систем»: сб. статей. Вып.VIII. Йошкар-Ола: Издательство. 2001. T.l. С.115

71. John P. Wolfe, Seble Wagaw, and Stephen L. Buchwald An Improved Catalyst System for Aromatic Carbon-Nitrogen Bond Formation: The Possible Involvement of Bis(Phosphine) Palladium Complexes as Key Intermediates. // J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 7215-7216

72. B.C. Калишевич, O.C. Тимофеев, K.C. Захаров, А.И. Грень. Синтез нитропроизводных дибенз-18-краун-6. //Журнал Органической Химии, том. XXIV, вып. 2 (1988).

73. E.Schori, J. Jagur-Grodzinski, М. Shporer. Kinetics of Complexation of Macrocyclic Polyethers with Sodium Ions by Nuclear Mgnetic Resonance Spectroscopy. II. Solvent Effects.//Journal of the Am. Chem.Soc., 95,12,1973.

74. H.G.Geller to PPG Industries Inc. WO 92/01959 1992.

75. Harie G., Samat A., Gugliemetti R. Comparative study of chromenes containing different spiro-carbocyclic moieties. // Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1997, 297, pp. 263-268.

76. Louie, J.; Hartwig, J.F. //Tetrahedron Lett. 1995, 36, 3609-3612.

77. Wolf J.P., Buchwald S.L., //J. Org. Chem. 1996, 61,1133-1135

78. Wolf J.P., Buchwald S.L., //J. Org. Chem. 2000, 65, 1144-1157.

79. Louis S. Hegedus. Transition Metals in the Synthesis of complex organic molecules. Sausalio - California: University Science Books 1999.

80. Becker R.S., Michl J. Photochromism of synthetic and naturally occurring 2H- chromenes and 2H-pyrans. // J. Am. Chem. Soc., 1966, 88, pp. 5931-5933.

81. Becker R.S., Photochemical process, U.S. Patent 3,567,605 (1971), C07D 311/92.

82. Lenoble C., Becker R.S. Photophysics, photochemistry and kinetics of photochromic 2H-pyrans and chromenes. // J. Photochem., 1986, 33, pp. 187-197.

83. Kolc J., Becker R.S. Proof of structure of the colored photoproducts of chromenes and spiropyrans. // J. Phys. Chem., 1967, 71, pp. 4045-4047.

84. Казицина JI.А., Куплетская Н.Б. Применеие УФ-, ИК-, ЯМР- и масс-спектроскопии в органической химии.: Учеб. пособие.- М.: Изд-во Моск. унта. 1979, с.79,80.

85. Травень В.Ф. Органическая Химия. Т.1.: ИКЦ «Академкнига». 2004, с 61.

86. Степанов Б.И. Введение в химию и технологию органических красителей.:Учеб. Для вузов. -М.: Химия, 1984, с.59.

87. Минкин В.И. «Photo-, Thermo-, Solvato-, and Electrochromic Spiroheterocyclic Compounds», //Chem. Rev. 2004, 104, 2751-2776.

88. Electronically Configurable Molecular-Based Logic Gates C. P. Collier, E. W. Wong, M. Belohradsky, F. M. Raymo, J. F. Stoddart, P. J. Kuekes, R. S. Williams, and J. R. Heath //Science 1999, 285, 391-394

89. Lewis, P. A.; Inman, С. E.; Maya, F.; Tour, J. M.; Hutchison, J. E.; Weiss, P. S., "Molecular Engineering of the Polarity and Interactions of Molecular Electronic Switches," // J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 17421-17426.

90. Шилл Г., Катенаны, ротаксаны и узлы, пер. с англ., М., 1973; Костяновский Р. Г., Катенаны и клатраты, М., 1966.

91. Leigh, D. A.; Murphy, A. //Chem. Ind. 1999, 178-184.

92. Reuter, С.; Schmieder, R.; Vogtle, F. //Pure Appl. Chem. 2000, 113, 51315133.

93. Raymo, F.; Stoddart, J. F. //Chem. Rev. 1999, 99, 1643-1663.

94. Bryant, W. S.; Guzei, I. A.; Reingold, A. L.; Gibson, H. W. 483-486. //Org. Lett. 1999, 1,47-50.

95. Jeong, K.-S.; Choi, J. S.; Chang, S. Y.; Chang, H.-Y. //Angew. Chem., Int. Ed. 2000, 39, 1692-1695

96. Hubner, G. M.; Glaser, J.; Seel, C.; Vogtle, F. Angew. //Chem. Int. Ed. Engl. 1999,38,383-386

97. Reuter, C.; Wienand, W.; Hubner, G. M.; Seel, C.; Vogtle, F. //Chem. Eur. J. 1999,5,2692-2697.

98. Seel, C.; Vogtle, F. //Chem. Eur. J. 2000, 6, 21-24.

99. Shukla, R.; Kida, Т.; Smith, B. D. //Org. Lett. 2000, 2, 3039- 3248. Mahoney, J. M.; Beatty, A. M.; Smith, B. D. //J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 5847-5848.

100. Deetz, M. J.; Shang, M.; Smith, B. D. //J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 62016207.

101. Leigh DA, Murph A, Smart JP, Slawin A. //Angew Chem Int Ed Engl 1997,36:728.

102. Dewar M.J.S. et al, //J. Am. Chem. Soc. 1985, 107, 3902-3909.

103. Masiukiewicz, E., Rzeszotarska, В., Szczerbaniewicz, J., Cierniewski, Cz., //Pol. J. Chem. 67, 6, 1993, 1035.

104. Jakobsen C.M., Denmeade S.R., Isaacs J.T., Gady A., Olsen C.E., and Christensen S.B., //J.Med.Chem., 2001, 44, 4696.

105. Bartra M. and Vilarrasa J., //J. Org. Chem. 1991, 56, 5132.

106. Gosia M. Hubner, Jens Glaser, Christian Seel, and Fritz Vogtle High-Yielding Rotaxane Synthesis with an Anion Template. //Angew. Chem. Int. Ed. 1999,38, No. 3