Синтез 2,2’-бипиридинов и их аннелированных аналогов : диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук : 02.00.03
Введение ……………………………………………………………………………………………………………………….. 4
Литературный обзор ………………………………………………………………………………………………………. 8
1.1. Получение 1-(2-пиридил)изохинолинов …………………………………………………………………… 8
1.2 Получение 2-(5-арилпиридин-2-ил)хинолинов с использованием «1,2,4-триазиновой»
методологии ………………………………………………………………………………………………………………… 15
1.3 Введение в состав 1,2,4-триазинов алкил- и (гетеро)ароматических фрагментов с
использованием литийорганических интермедиатов …………………………………………………….. 15
1.4 Методы прямого введения остатков ацетилена в (гетеро)циклические системы в
результате С-Н-функционализации ………………………………………………………………………………. 17
1.5 Методы прямого введения остатков стильбенов в гетероциклические системы в
результате прямой С-Н-функционализации ………………………………………………………………….. 21
1.7 Получение 3,6-дизамещенных-5Н-1,2,4-триазинов ………………………………………………….. 27
1.6 Получение моноазатрифениленов …………………………………………………………………………… 29
1.7 Фотолюминесцентное обнаружение нитроароматических соединений …………………….. 37
1.7.1 Полиядерные гетероароматические соединения ……………………………………………………. 37
Выводы на основе анализа литературных данных …………………………………………………………. 41
2. Синтез 2,2’-бипиридинов и их аннелированных аналогов………………………………………….. 43
2.1. Синтез 1-(пиридин-2-ил)изохинолинов ………………………………………………………………….. 43
2.2. Синтез 2-(5-арилпиридин-2-ил)хинолинов ……………………………………………………………… 47
2.3. Фотофизические свойства хинолинов …………………………………………………………………….. 49
2.4. Получение замещенных 2,2’-бипиридинов комбинацией SNH-процессов и реакций аза-
Дильса-Альдера в 6-фенил-3-(2-пиридил)-1,2,4-триазине ……………………………………………… 50
2.5. Получение арилэтинил- и арилвинил-1,2,4-триазинов …………………………………………….. 53
2.6. Прямое получение 2-гетарил-5-фенил-пиридинов ………………………………………………….. 56
2.7. Получение пиридил-замещенных моноазатрифениленов ………………………………………… 62
2.8. Получение пиридил моноазатрифениленов с расширенной системой сопряжения …… 65
2.9. Получение (бензо)хинолиназатрифениленов ………………………………………………………….. 66
2.10. Исследование фотофизических свойств пиридилмоноазатрифениленов ………………… 67
2.11. Визуальное обнаружение нитроароматических соединений с использованием
некоторых из синтезированных соединений …………………………………………………………………. 69
2.12 Координационные свойства лигандов ……………………………………………………………………. 72
3. Экспериментальная часть …………………………………………………………………………………………. 74
Заключение………………………………………………………………………………………………………………… 101
Список сокращений ……………………………………………………………………………………………………. 103
Список литературы …………………………………………………………………………………………………….. 104
Актуальность и степень разработанности темы исследования. Современные
тенденции синтетической органической химии требуют перехода от многоступенчатых
процедур получения целевых молекул к процедурам, протекающим в условиях экономии
атома, реакционной стадии, растворителя и т.д. (так называемые PASE-процессы), а также
от реакций, катализируемых переходными металлами и их комплексами, к
некатализируемым процессам при сохранении общей эффективности применяемых
подходов. Такие подходы имеют неоспоримое преимущество для синтеза сложных
гетероциклических соединений благодаря потенциальным терапевтическим свойствам
последних (большинство из природных и синтетических лекарственных препаратов и
физиологически-активных соединений имеют гетероциклическую природу), их
перспективным координационно-химическим свойствам, в особенности по отношению к
заряженным аналитам, а также уникальным фото-, электролюминесцентных и
электрохимическим свойствам органических материалов, полученных с включением
гетероциклических составляющих. Наиболее известными представителями гетероциклов,
имеющих повсеместное практическое применение, является 2,2’-бипиридины и их
функционализированные производные, включая азааналоги. К настоящему времени
методы получения 2,2’-бипиридинов хорошо изучены. Тем не менее, для получения
производных 2,2’-бипиридинов, например 2-(пиридин-2-ил)хинолинов и 1-(2-
пиридил)изохинолинов, 2-(пиридин-2-ил)пиримидинов и 2-(пиридин-2-ил)пиразинов,
обычно используют многоступенчатые синтезы, основанные на комбинациях реакций
кросс-сочетания, гетероциклизации, реакции Бишлера-Напиральского, Кренке, реакции с
литийорганическими соединениями и многих других. Большинство из описанных выше
процессов являются многостадийными, они требуют применения жестких условий и/или
дорогостоящих реагентов и/или катализаторов. Особый интерес представляют
олигопиридины, несущие в своем составе полиядерные (гетеро)ароматические
заместители и фрагменты, например (аза)пирен, (аза)фенантрен, (аза)трифенилен и т.д.,
благодаря своим уникальным фотофизическим свойствам, широким возможностям для
дальнейшей функционализации, а также широкому спектру применения.
Цель работы заключается в поиске удобных и эффективных синтетических
методов получения новых полиядерных лигандов азинового ряда, а также изучению их
фотофизических и координационно-химических свойств.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить
следующие задачи:
1) синтез новых производных 2,2’-бипиридинов, содержащих в своей
структуре (поли)(гетеро)ароматическиие заместители и фрагменты;
2) синтез азааналогов полиароматических соединений;
3) изучение фотофизических характеристик полученных соединений;
4) изучение координационно-химических свойств полученных соединений в
присутствии электрон-дефицитных нейтральных молекул (таких как нитроароматические
(взрывчатые) вещества), а также катионов металлов.
Научная новизна и теоретическая значимость.
Получены ранее неописанные полиядерные лиганды и флуорофоры 2,2’-
бипиридинового ряда
Установлено, что в результате реакции нуклеофильного замещения водорода с
помощью литиевой соли арилацетиленов можно ввести фрагменты как арилацетиленов,
так и арилвинилов в положение С5 1,2,4-триазинового цикла в зависимости от условий
реакции.
Изучены фотофизические свойства (максимумы поглощения и испускания,
квантовые выходы) полученных соединений. Экспериментально установлена зависимость
между строением соответствующего лиганда, в том числе разной длине системы
сопряжения, и их фотофизическими свойствами.
Практическая ценность работы заключается в разработке простых и
эффективных методов синтеза новых, ранее не описанных лигандов 2,2’-бипиридинового
ряда из легкодоступных реагентов, включая аннелированные аналоги, например
азатрифенилены (дибензо[f,h]хинолины) – перспективные хромофоры и хемосенсоры.
Данные гетероциклы являются перспективными лигандами для хелатирования катионов
различных металлов. Продемонстрировано влияние структуры лиганда на его
координационно-химические свойства. Обнаружено влияние расширенной системы
сопряжения азатрифениленов на их способность обнаруживать высокоэнергетические
нитроароматические соединения (пикриновая кислота, 2,4-ДНТ, ТНТ) в результате
тушения люминесценции. Показана возможность использования
пиридилмоноазатрифенилена использоваться в качестве индикатора на Zn2+.
Личный вклад автора состоит в поиске и изучении литературных источников о
методах синтеза 2,2’-бипиридинов, их производных и аналогов, а также в
непосредственном планировании и осуществлении экспериментов, обработке и анализе
полученных данных. Автор принимал участие в написании научных статей и
представлении полученных результатов на научных конференциях.
Методология и методы диссертационного исследования. Выполнение данной
работы проводилось с помощью анализа литературных источников по теме исследования,
направленного органического синтеза с применением современных синтетических техник
и методов, а также комплекса физико-химических и спектральных методов анализа.
(ЯМР-спектроскопия, масс-спектрометрия, УФ-спектрометрия, РСА и др.).
Степень достоверности полученных результатов обеспечена применением
передовых методов исследования и воспроизводимостью результатов экспериментов.
Анализ состава, структуры и чистоты, изучение фотофизических характеристик
полученных соединений осуществлялись на современных и сертифицированных приборах
в Уральском федеральном университете им. первого Президента России Б.Н.Ельцина и
Институте органического синтеза им. И. Я. Постовского УрО РАН.
Положения, выносимые на защиту
▪ взаимодействие гетерокарбонитрилов и гидразонов изонитрозоацетофенона
как инструмент получения α-незамещенных 2,2’-бипиридинов и его аналогов из
соответствующих 1,2,4-триазинов;
▪ методы синтеза 2-(пиридин-2-ил)хинолинов и 1-(пиридин-2-
ил)изохинолинов;
▪ получение полиядерных производных 1,2,4-триазинов и 2,2-бипиридинов
посредством реакций нуклеофильного замещения водорода в ряду 1,2,4-триазинов;
▪ разработка метода получения моноазатрифениленов (дибензо[f,h]хинолинов)
с расширенной системой сопряжения;
▪ результаты фотофизических измерений для полученных соединений
▪ изучение координационно-химических свойств полученных соединений, в
том числе в качестве хемосенсоров для обнаружения нитроароматических (взрывчатых)
соединений
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 21 публикации, в том
числе в 9 статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах, входящих в
международные базы Scopus и Web of Science и рекомендованных ВАК РФ, а также в 12
тезисах материалов конференций международного и российского уровней.
Апробация результатов была осуществлена на VII всероссийской конференции по
химии полиядерных соединений и кластеров (Новосибирск, 2012), III международной
конференции «Техническая химия. От теории к практике» (Пермь, 2012), IX
всероссийской конференции «Химия и медицина» (Уфа, 2013), кластера конференций по
органической химии «Оргхим-2013» (Санкт-Петербург, 2013), XVI молодежной школы-
конференции по органической химии (Пятигорск, 2013), третьей всероссийской научной
конференции «Успехи синтеза и комплексообразования» (Москва, 2014), уральском
научном форуме «Современные проблемы органической химии» (Екатеринбург, 2014),
XXVI международной Чугаевской конференции по координационной химии (Казань,
2014), I международной школы-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых
«Биомедицина, материалы и технологии XXI века» (Казань, 2015), 1st European Young
Chemists Meeting (Португалия, Гимарайнш, 2016), ХХ Менделеевском съезде по общей и
прикладной химии (Екатеринбург, 2016), RSC-NOST Symposium on Organic &
Biomolecular Chemistry (Лидс, Великобритания, 2017).
Объем и структура работы. Диссертация выполнена на 115 страницах, состоит из
экспериментальная часть (глава 3) и выводов. Диссертация содержит 80 схем, 11 таблиц,
25 рисунков. Библиографический список цитируемой литературы содержит 145
наименований.
Благодарность. Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность к.х.н.
Копчуку Д.С. за помощь в проведении исследований, доценту, к.х.н. Ельцову О.С.
(Уральский федеральный университет, г. Екатеринбург) за проведение спектроскопии
ЯМР, к.х.н. Ковалеву И.С. (Уральский федеральный университет, г. Екатеринбург) за
проведение масс-спектрометрии, к.х.н. Слепухину П.А. (Институт органического синтеза
УрО РАН, г. Екатеринбург) за проведение рентгеноструктурного анализа, Ким Г.А.
(Институт органического синтеза УрО РАН, г. Екатеринбург) и Тания О.С. (Уральский
федеральный университет, г. Екатеринбург) за проведение фотофизических измерений,
всему коллективу кафедры органической и биомолекулярной химии ХТИ УрФУ во главе
с заведующим кафедрой академиком РАН Чарушиным В.Н. и директору ХТИ УрФУ чл.-
корр. Русинову В.Л.
Работа выполнена при поддержке РНФ (грант №15-13-10033).
1. Предложен новый синтетический подход к (3),4-диарил-1-(пиридин-2-
ил)изохинолинам в результате ароматизации соответствующих тетрагидроизохинолинов,
образование которых из (5),6-диарил-3-(пиридин-2-ил)-1,2,4-триазинов было эффективно
осуществлено в результате реакции аза-Дильса-Альдера с обратными электронными
требованиями в условиях отсутствия растворителя.
2. Предложен эффективный подход к синтезу пиридилхинолинов, содержащих
атомы фтора в составе хинолинового фрагмента и/или аннелированный фрагмент
циклопентена и изучены их фотофизические свойства. Аннелированный фрагмент
циклопентена привел к длинноволновому смещению максимумов испускания, а введение
атомов фтора привело к гипсохромному сдвигу.
3. Синтезированы неописанные ранее 6-арил-5-фенил-2,2’-бипиридины,
содержащие остатки полиароматических аренов (пирен, фенантрен, трифенилен), в
результате нуклеофильного замещения водорода в ряду 1,2,4-триазинов и последующей
реакции аза-Дильса-Альдера.
4. Разработан удобный метод введения остатка арил-транс-стильбенов в
положение C5 6-арил-3-(пиридил-2-ил)-1,2,4-триазинов с использованием в качестве
нуклеофила в реакции SNH литиевых солей арилацетиленов. Установлено, что в
присутствии окислителя DDQ в результате нуклеофильного замещения водорода
селективно образуется 6-арил-5-(арилэтинил)-3-(пиридин-2-ил)-1,2,4-триазин. На основе
полученных соединений были синтезированы соответствующие лиганды 2,2’-
бипиридинового ряда.
5. Дополнен и значительно расширен потенциал метода получения 3-гетарил-
6-фенил-1,2,4-триазинов из гидразона изонитрозоацетофенона и иминоэфиров,
полученных in situ из гетарилнитрилов. Метод позволил получить аналоги α-
незамещенных-2,2’-бипиридинов из легкодоступных реагентов.
6. Предложены методы синтеза неописанных ранее 2-(пиридин-2-
ил)азатрифениленов, являющихся аналогами 2,2’-бипиридина и изучены их
фотофизические свойства. Установлено, что увеличение системы сопряжения этих
соединений в результате реакций кросс-сочетания по Сузуки во фрагменте
азатрифенилена, либо путем аннелирования дополнительных ароматических колец к
фрагменту пиридина ожидаемо приводит к значительному длинноволновому смещению
максимумов как поглощения, так и испускания, и в ряде случаев имеет место
значительное увеличение квантового выхода люминесценции. Полученные результаты
могут быть использованы для тонкой настройки фотофизических характеристик
соединений данного ряда.
7. Установлено, что в присутствии нитроароматических соединений
(пикриновая кислота, 2,4-ДНТ и ТНТ) происходит тушение люминесценции
моноазатрифениленов в растворе ацетонитрила. Полученные соединения могут быть
использованы в качестве сенсоров для визуального обнаружения нитроароматических
соединений (ВВ). Кроме того, показано, что подобные соединения могут выступать в
качестве флуоресцентных индикаторов на катионы Zn2+ благодаря эффективному
тушению люминесценции сенсора в растворе ацетонитрила.
Перспективы дальнейшей разработки темы заключается в выявлении из
разработанных соединений или их структурных аналогов таких, способных изменять свои
электро- и фотолюминесцентные свойства в присутствие различных анионов, катионов
металлов или других нейтральных молекул. Перспективным направлением развития темы
исследования является получение сенсоров на другие катионы металлов, в том числе,
лантаноидов и актиноидов, другие виды взрывчатых веществ, а также исследование
синтезированных соединений на потенциальную биологическую активность. Кроме того,
дальнейшая разработка новых методов синтеза гетероциклических структур без
использования дорогостоящих катализаторов и реагентов также представляет интерес как
источник получения неописанных соединений с перспективными как фотофизическими,
так и терапевтическими свойствами.
Список сокращений
1
Н ЯМР ядерный магнитный резонанс на ядрах 1Н
13
С ЯМР ядерный магнитный резонанс на ядрах 13С
РСА рентгеноструктурный анализ
УФ ультрафиолетовый
ВВ взрывчатые вещества
ПК пикриновая кислота
2,4-ДНТ 2,4-динитробензол
ТНТ 1,3,5-тринитротолуол
ДМСО-d6 гексадейтерированный диметилсульфоксид
CDCl3 дейтерированный хлороформ
ТМС тетраметилсилан
ТГФ тетрагидрофуран
ТСХ тонкослойная хроматография
Ar арил
DDQ 2,3-дихлор-5,6-дицианобензохинон
DMAD диметил ацетилендикарбоксилат
PIFA [бис(трифторацетокси)йод]бензол
Ph фенил
Py 2-пиридил
Me метил
MIDA N-метилиминодиацетат
ВЗМО высшая занятая молекулярная орбиталь
НСМО низшая свободная молекулярная орбиталь
Читать «Синтез 2,2’-бипиридинов и их аннелированных аналогов : диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук : 02.00.03»
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (35 отзывов)
4.2 (25 отзывов)
4.7 (46 отзывов)
4.1 (20 отзывов)
5 (22 отзыва)
4.8 (37 отзывов)
4.6 (30 отзывов)
4.7 (82 отзыва)
4.9 (5 отзывов)
