Окислительная фотокаталитическая нуклеофильная С-Н функционализация азинов : диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук : 02.00.03 : 02.00.15

Актуальность и степень разработанности темы исследования.
В последние десятилетия C-H связь в ароматических и гетероароматических
соединениях стала рассматриваться как функционализируемая группировка, способная
образовывать множество связей, открывая тем самым совершенно новые перспективы в
сложном органическом синтезе. Прямые подходы сборки молекул должны привести к
значительному упрощению методов синтеза. В связи с этим окислительная C-H
функционализация становится одной из востребованных и привлекательных
синтетических стратегий.
Нуклеофильные C-H функционализации можно проводить как в каталитическом, так
и в некатализируемом металлами вариантах. Первый метод, несмотря на широкое
распространение, не полностью удовлетворяет требованиям современных
технологических процессов. Это связано с токсичностью и дороговизной переходных
металлов, отсутствием возможности повторного использования катализатора,
необходимостью подбора способов нетривиального разделения целевых продуктов от
побочных металлсодержащих соединений.
В этих условиях новое направление в органической химии определяют прямые
окислительные нуклеофильные С-Н функционализации, одной из разновидностей
которых являются реакции нуклеофильного ароматического замещения водорода (SNH
реакции).
По сравнению с катализируемыми металлами C-H функционализациями и кросс-
сочетаниями галогенпроизводных с металлоорганическими соединениями SNH реакции
обладают рядом весомых преимуществ:
– простота и мягкие условия проведения превращений;
– возможность использования однореакторного режима;
– отсутствие необходимости предварительной функционализации исходных
соединений и, как следствие,
– сокращение количества стадий;
– отсутствие трудоемкой очистки конечных продуктов.
Кроме этого, побочным продуктом в SNH реакциях часто является вода, что в
большей степени приближает их к соответствию принципам зеленой химии.
Обладая высокой атомной эффективностью и экологичностью, окислительные C-H
функционализации в некоторых случаях позволяют менять привычную логику и тактику
построения C-C и C-Гетероатом связей.
Одним из ключевых вопросов в проведении SNH реакций, как и других методов
окислительных C-Н функционализаций, является поиск оптимального окислительного
реагента. Несмотря на довольно широкое распространение данных процессов и разных
способов окисления (химических, электрохимических), окислитель подбирается в каждом
конкретном случае индивидуально, иногда интуитивно. Поэтому поиск новых
окислительных систем для этих превращений обладает повышенной актуальностью.
С другой стороны, катализаторы фотоокисления на основе наноразмерного TiO 2
демонстрируют неоспоримые преимущества, такие как высокая окислительная
способность, фото- и химическая стабильность, возможность многократного
использования, низкая токсичность. Следует отметить, что до представленных
исследований SNH реакции никогда не проводились в условиях фотокатализа, а диоксид
титана не использовался в этих превращениях как фотокатализатор.
Настоящая работа посвящена применению в SNH реакциях гетерофазных
окислительных систем: O2 воздуха/фотокатализатор TiO2/облучение светом.
Целью работы является разработка методов окислительной C-H функционализации
азинов (SNH реакций) в присутствии гетерофазных фотокаталитических систем на основе
TiO2. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
– разработать препаративно приемлемые методы окислительной нуклеофильной C-H
функционализации азинов в фотокаталитических гетерофазных условиях;
– исследовать механизм окислительных фотокатализируемых С-H
функционализаций азинов гетероаренами;
– получить новые гетарилсодержащие флуорофоры на основе BODIPY (4,4-дифтор-
4-бор-3a,4a-диаза-s-индацена);
– изучить фотофизические свойства синтезированных гетероциклов.
Научная новизна и теоретическая значимость работы:
Впервые окислительные нуклеофильные реакции C-H функционализации в азинах
проведены при облучении и с использованием гетерофазного фотокатализатора TiO2, а
также композитного материала CdS/TiO2.
Получены экспериментальные данные о механизме этих превращений в присутствии
фотокатализатора TiO2. Было подтверждено образование супероксидного радикала и N-
центрированных радикалов в процессе реакции.
Проведена прямая окислительная C-H функционализация дипиррилметанов.
Полученные соединения были применены в синтезе новых производных BODIPY,
содержащих в своей структуре азиновые фрагменты.
Практическая значимость результатов. Разработан простой атом-экономный
метод окислительной C-H функционализации азинов ароматическими и
гетероароматическими нуклеофилами в аэробных условиях в присутствии гетерофазного
наноразмерного TiO2 фотокатализатора, а также композитного материала CdS/TiO2. К его
преимуществам можно отнести то, что катализаторы могут быть отделены от
реакционной массы и многократно использованы без снижения своей активности. Такой
подход отвечает требованиям зеленой химии. Синтезирован ряд новых производных
BODIPY с большими стоксовыми сдвигами и высокими молярными коэффициентами
экстинкции.
Методология и методы диссертационного исследования основаны на анализе
литературных данных и направленном органическом синтезе. Установление состава и
структуры соединений осуществлены с использованием данных спектроскопии ЯМР 1H,
13 11 19
С, B, F, двумерных корреляций, масс-спектрометрии, ЭПР-спектроскопии,
элементного анализа, рентгеноструктурного анализа.
Степень достоверности результатов обеспечена применением современных
методов исследования и хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов.
Анализ состава, структуры и чистоты полученных соединений осуществлялся на приборах
в Центре коллективного пользования УрФУ, а также в Центре коллективного пользования
«Спектроскопия и анализ органических соединений» Института органического синтеза
УрО РАН.
На защиту выносятся следующие результаты исследований:
1. Окислительная C-H функционализация азааренов гетероароматическими
нуклеофилами в гетерофазных аэробных условиях в присутствии фотокатализатора –
наноразмерного TiO2, подбор оптимальных условий проведения процесса.
2. Окислительная C-H функционализация азинов гетероароматическими
нуклеофилами в присутствии композитного материала CdS/TiO2 при облучении видимым
светом. Сравнительный анализ активностей наноразмерного TiO2 и CdS/TiO2 в
представленных превращениях.
3. Исследование механизма окислительных фотокаталитических сочетаний π-
дефицитных и π-избыточных гетероаренов на примере реакции акридина с индолом в
присутствии катализатора TiO2, включая метод ЭПР спектроскопии с использованием
спинового зонда TMT-H и радикальной ловушки DMPO.
4. Окислительная C-H функционализация азагетероциклов дипиррилметанами (SNH
реакции) в присутствии гетерофазной окислительной системы О2
воздуха/фотокатализатор TiO2/УФ облучение. Синтез новых флуорофоров ряда BODIPY и
результаты исследования их фотофизических свойств.
Личный вклад автора. Диссертант принимал непосредственное участие во всех
этапах исследования, в описании и интерпретации результатов, в сборе и анализе
литературных данных, написании публикаций по результатам исследований.
Апробация работы
Результаты работы представлены и обсуждены с опубликованием тезисов на
международных и Российских конференциях: Уральский научный форум «Современные
проблемы органической химии» (Екатеринбург, 2014); 2nd International Symposium on C-H
Activation (France, Rennes, 2014); II научно-техническая конференция магистрантов,
аспирантов и молодых ученых «Химия в федеральных университетах» (Екатеринбург,
2014); 2nd Russian conference on medicinal chemistry «MedChem-2015» (Новоcибирск, 2015);
International congress on heterocyclic chemistry «Kost-2015» (Москва, 2015); Зимняя
конференция молодых ученых по органической химии «WSOC-2016» (Красновидово,
2016); Dombay Organic Conference Cluster «DOCC-2016» (Домбай, 2016); XX
Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Екатеринбург, 2016); V
Всероссийская конференция с международным участием по органической химии
(Владикавказ, 2018).
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект
14-13-01177), Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 16-03-00958,
16-33-00554, 18-33-00927).
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 3 статьях в
рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, а также 9 тезисов
докладов на международных и российских конференциях.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа выполнена на [96] страницах, состоит из введения,
литературного обзора (глава 1), обсуждения результатов (глава 2), экспериментальной
части (глава 3), а также списка сокращений и условных обозначений, заключения и списка
литературы. Работа содержит [67] схем, [7] таблиц, [12] рисунков. Библиографический
список цитируемой литературы состоит из [65] наименований.
ГЛАВА 1. ОКИСЛИТЕЛИ В SNH РЕАКЦИЯХ И РОДСТВЕННЫХ
ПРЕВРАЩЕНИЯХ (