Помощь студентам в учебе
СИНТЕЗ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА СОПРЯЖЕННЫХ ДИТИОЛАН-, ТИАЗОЛ- И ТИЕНИЛИДЕНОВ НА ОСНОВЕ МАЛОНТИОАМИДОВ
|
Актуальность темы исследования. Создание новых органических материалов с определенными физико-химическими, фотофизическими свойствами, используемых в качестве органических светодиодов, триггеров, полупроводников для солнечных батарей является одной из важнейших задач органической химии. Основой для материалов молекулярной электроники, красителей служат сопряженные гетероциклы, гетероциклы с экзоциклической двойной связью, а также гетероциклы, соединенные двойной экзоциклической связью. К таким соединениям относят цианиновые красители, политиофены и другие. Чаще всего синтез сопряженных серосодержащих гетероциклов проводят, используя реакции гетероциклов с изотиоцианатами с последующей циклизацией. Другим подходом является получение сопряженных серосодержащих гетероциклов, исходя из производных тиоацетамида. Малондитиоамиды, благодаря наличию двух тиоамидных групп и активной метиленовой компоненты в одной молекуле, дают возможность для построения нескольких сопряженных гетероциклов. Особый интерес представляет разработка новых методов синтеза гетероциклических ансамблей на основе 1,3-тиазолидинилиденов, соединенных двойными С=С связями, и определение для них значение энергий граничных орбиталей и энергетической щели (Бё), зависящих от жесткости структуры, которая главным образом определяется углеродным каркасом молекулы. В литературе особое внимание уделяется химии тиоамидов из-за их синтетического потенциала. В то же время данные о реакционной способности малондитиоамидов представлены в недостаточной степени. Благодаря наличию двух тиоамидных групп, разделенных метиленовым мостиком, дизамещенные малондитиоамиды могут проявлять свойства, отличные от свойств соединений, содержащих изолированные тиоамидные группы.
Кроме того, малондитиоамиды, а также гетероциклы на их основе, являются по- лидентантными лигандами, образующими хелатные комплексные соединения с металлами. В литературе основное внимание уделяется реакциям малондитиоамидов с бинуклеофильными и главным образом биэлектрофильными реагентами.
Целью работы является разработка методов синтеза сопряженных систем на основе малонтиоамидов: дитиоланилиденов, тиазолилиденов и тиенилиденов с двойной экзоциклической связью, а также исследование строения, возможностей дальнейшей функционализации и аспектов практического применения новых синтезированных соединений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
• синтезировать исходные малодоступные малондитиоамиды;
• разработать методы синтеза серосодержащих гетероциклов на основе малонтиоамидов в условиях реакции их с бифункциональными реагентами;
• оценить возможности двух подходов: во-первых, изучить реакции гетероциклизации малонтиоамидов с участием только одной тиоамидной группы, а во-вторых - двух групп одновременно;
• осуществить поиск удобных методов синтеза ансамблей гетероциклов, соединенных двойной связью;
• исследовать структуру и физико-химические свойства синтезированных соединений;
• определить возможность использования синтезированных гетероциклов в качестве основы для новых материалов молекулярной электроники;
• изучить комплексообразующие свойства синтезированных серосодержащих гетероциклов;
• оценить биологическую активность.
Научная новизна
Предложены подходы к синтезу ансамблей дитиолан-, тиазол-, тиенилиденов, соединенных двойной связью на основе малонтиоамидов.
Определены факторы, способствующие образованию тиенильного кольца. Установлено, что кислотный катализ меняет направление реакции малонтиоамидов с ацетилендикарбоксилатами и приводит к труднодоступным 2-(5-(аминозамещенным)- 3-оксотиен-2(3Я)-илиден)ацетатам.
Обнаружено, что замена нитрильной группы у производных метил (2Z)-[5- (аминозамещенного)-3-оксо-4-цианотиен-2(3Я)-илиден]ацетата на тиоамидную приводит к стабилизации одного из двух таутомеров в растворе. Предложены механизмы стабилизации конфигурации структур (2Т)-[3-оксо-5-К-амино-4-тиокарбамоилтиен- 2(3Я)-илиден] ацетатов и (2Т)-2-[4-оксо-3-арил-1,3-тиазолидин-2,5-илиден]-^- арилэтантиоамидов.
Показано что (2Т)-[5-(аминозамещенные)-4-(карбамотиоил)-3-оксотиен-2(3Я)- илиден] ацетаты образуют комплексные соединения с ионами меди (II).
Практическая значимость работы
Разработаны препаративные методы синтеза производных 2,5-диметилиден- 1,3-тиазолидин-4-она и 2-метилидентиен-3(2Я)-она с экзоциклическими двойными связими, представляющих интерес для молекулярной электроники в качестве хромофоров.
С использованием метода циклической вольтамперометрии, УФ-спектроскопии и квантово-химических методов доказана перспективность использования для материалов фотоэлектроники производных метил (57)-{2-[2,4,5-триоксопирролидин-3- илиден]-4-оксо-1,3-тиазолидин-5-илиден}ацетата. Определены их окислительно-восстановительные потенциалы, показано наличие необратимых окислительно-восстановительных процессов в интервале потенциалов -2,5-2,5 В.
Выявлено, что in vitroсинтезированные производные тиазолидинона и тиенилидена не проявляют цитотоксического действия на клеточные культуры глиомы 2211 и трансформированных фибробластов К-22.
Личный вклад автора состоял в сборе, систематизации и анализе литературных данных по синтезу и свойствам малонтиоамидов и 1,3-тиазолидинов, проведении экспериментальных исследований, квантово-химических расчетов, обработке и обсуждении полученных результатов, подготовке основных публикаций по теме диссертации.
Методология и методы диссертационного исследования основаны на анализе литературных данных, квантово-химическом моделировании структуры новых гетероциклов, направленном органическом синтезе, использовании катализаторов при проведении синтеза органических соединений. Все вновь полученные соединения охарактеризованы необходимым набором физико-химических и спектральных данных (спектры ЯМР, включая двумерные корреляционные спектры, масс-спектры электронного удара, ИК- и УФ-спектры). Для ряда соединений строение доказано методом рентгеноструктурного анализа. Свойства синтезированных молекул исследовались такими методами, как УФ-вид. спектроскопия, вольтамперометрия и квантово-химические расчеты.
На защиту выносятся:
- методы получения серосодержащих гетероциклов, содержащих экзоциклические двойные связи, на основе малондитиоамидов;
- результаты исследования влияния кислот на направление реакции малондитиоамидов с производными ацетилендикарбоновой кислоты;
- методы получения ансамблей гетероциклов, соединенных двойной связью;
- результаты исследования комплексообразующих свойств.
Степень достоверности результатов обеспечена использованием современных и стандартных методов исследования, применением сертифицированного оборудования, хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов. Полученные закономерности подтверждаются отсутствием противоречий с ранее известными сведениями.
Апробация результатов. Основные результаты были представлены на конференциях «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2013, 2015), Всероссийской конференции «Органический синтез: химия и технология» (Екатеринбург, 2012), Международной конференции молодых ученых «Молодежь в науке - 2011» (Минск, 2011), Молодежной школе-конференции по органической химии (Екатеринбург, 2008; Новосибирск 2012), конференции «Химия в федеральных университетах» (Екатеринбург 2014), 23-м международном конгрессе по гетероциклической химии (Glasgow, Great Britain, 2011), на международном симпозиуме «Advanced Science in Organic Chemistry» (Мисхор, Крым, Украина, 2010), междисциплинарном симпозиуме по медицинской, органической и биологической химии (Новый Свет, Крым, Россия, 2014).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 статей в российских и международных научных журналах, 4 из которых входят в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ, 8 тезисов и материалов докладов на международных и российских конференциях.
Объем и структура работы. Диссертация выполнена на 171 странице, состоит из введения, основной части: аналитический обзор (глава 1), обсуждение результатов
(глава 2), экспериментальная часть (глава 3) и выводов. Диссертация содержит 93 схемы, 8 таблиц, 60 рисунков. Библиографический список цитируемой литературы содержит 183 наименования.
Кроме того, малондитиоамиды, а также гетероциклы на их основе, являются по- лидентантными лигандами, образующими хелатные комплексные соединения с металлами. В литературе основное внимание уделяется реакциям малондитиоамидов с бинуклеофильными и главным образом биэлектрофильными реагентами.
Целью работы является разработка методов синтеза сопряженных систем на основе малонтиоамидов: дитиоланилиденов, тиазолилиденов и тиенилиденов с двойной экзоциклической связью, а также исследование строения, возможностей дальнейшей функционализации и аспектов практического применения новых синтезированных соединений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
• синтезировать исходные малодоступные малондитиоамиды;
• разработать методы синтеза серосодержащих гетероциклов на основе малонтиоамидов в условиях реакции их с бифункциональными реагентами;
• оценить возможности двух подходов: во-первых, изучить реакции гетероциклизации малонтиоамидов с участием только одной тиоамидной группы, а во-вторых - двух групп одновременно;
• осуществить поиск удобных методов синтеза ансамблей гетероциклов, соединенных двойной связью;
• исследовать структуру и физико-химические свойства синтезированных соединений;
• определить возможность использования синтезированных гетероциклов в качестве основы для новых материалов молекулярной электроники;
• изучить комплексообразующие свойства синтезированных серосодержащих гетероциклов;
• оценить биологическую активность.
Научная новизна
Предложены подходы к синтезу ансамблей дитиолан-, тиазол-, тиенилиденов, соединенных двойной связью на основе малонтиоамидов.
Определены факторы, способствующие образованию тиенильного кольца. Установлено, что кислотный катализ меняет направление реакции малонтиоамидов с ацетилендикарбоксилатами и приводит к труднодоступным 2-(5-(аминозамещенным)- 3-оксотиен-2(3Я)-илиден)ацетатам.
Обнаружено, что замена нитрильной группы у производных метил (2Z)-[5- (аминозамещенного)-3-оксо-4-цианотиен-2(3Я)-илиден]ацетата на тиоамидную приводит к стабилизации одного из двух таутомеров в растворе. Предложены механизмы стабилизации конфигурации структур (2Т)-[3-оксо-5-К-амино-4-тиокарбамоилтиен- 2(3Я)-илиден] ацетатов и (2Т)-2-[4-оксо-3-арил-1,3-тиазолидин-2,5-илиден]-^- арилэтантиоамидов.
Показано что (2Т)-[5-(аминозамещенные)-4-(карбамотиоил)-3-оксотиен-2(3Я)- илиден] ацетаты образуют комплексные соединения с ионами меди (II).
Практическая значимость работы
Разработаны препаративные методы синтеза производных 2,5-диметилиден- 1,3-тиазолидин-4-она и 2-метилидентиен-3(2Я)-она с экзоциклическими двойными связими, представляющих интерес для молекулярной электроники в качестве хромофоров.
С использованием метода циклической вольтамперометрии, УФ-спектроскопии и квантово-химических методов доказана перспективность использования для материалов фотоэлектроники производных метил (57)-{2-[2,4,5-триоксопирролидин-3- илиден]-4-оксо-1,3-тиазолидин-5-илиден}ацетата. Определены их окислительно-восстановительные потенциалы, показано наличие необратимых окислительно-восстановительных процессов в интервале потенциалов -2,5-2,5 В.
Выявлено, что in vitroсинтезированные производные тиазолидинона и тиенилидена не проявляют цитотоксического действия на клеточные культуры глиомы 2211 и трансформированных фибробластов К-22.
Личный вклад автора состоял в сборе, систематизации и анализе литературных данных по синтезу и свойствам малонтиоамидов и 1,3-тиазолидинов, проведении экспериментальных исследований, квантово-химических расчетов, обработке и обсуждении полученных результатов, подготовке основных публикаций по теме диссертации.
Методология и методы диссертационного исследования основаны на анализе литературных данных, квантово-химическом моделировании структуры новых гетероциклов, направленном органическом синтезе, использовании катализаторов при проведении синтеза органических соединений. Все вновь полученные соединения охарактеризованы необходимым набором физико-химических и спектральных данных (спектры ЯМР, включая двумерные корреляционные спектры, масс-спектры электронного удара, ИК- и УФ-спектры). Для ряда соединений строение доказано методом рентгеноструктурного анализа. Свойства синтезированных молекул исследовались такими методами, как УФ-вид. спектроскопия, вольтамперометрия и квантово-химические расчеты.
На защиту выносятся:
- методы получения серосодержащих гетероциклов, содержащих экзоциклические двойные связи, на основе малондитиоамидов;
- результаты исследования влияния кислот на направление реакции малондитиоамидов с производными ацетилендикарбоновой кислоты;
- методы получения ансамблей гетероциклов, соединенных двойной связью;
- результаты исследования комплексообразующих свойств.
Степень достоверности результатов обеспечена использованием современных и стандартных методов исследования, применением сертифицированного оборудования, хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов. Полученные закономерности подтверждаются отсутствием противоречий с ранее известными сведениями.
Апробация результатов. Основные результаты были представлены на конференциях «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2013, 2015), Всероссийской конференции «Органический синтез: химия и технология» (Екатеринбург, 2012), Международной конференции молодых ученых «Молодежь в науке - 2011» (Минск, 2011), Молодежной школе-конференции по органической химии (Екатеринбург, 2008; Новосибирск 2012), конференции «Химия в федеральных университетах» (Екатеринбург 2014), 23-м международном конгрессе по гетероциклической химии (Glasgow, Great Britain, 2011), на международном симпозиуме «Advanced Science in Organic Chemistry» (Мисхор, Крым, Украина, 2010), междисциплинарном симпозиуме по медицинской, органической и биологической химии (Новый Свет, Крым, Россия, 2014).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 статей в российских и международных научных журналах, 4 из которых входят в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ, 8 тезисов и материалов докладов на международных и российских конференциях.
Объем и структура работы. Диссертация выполнена на 171 странице, состоит из введения, основной части: аналитический обзор (глава 1), обсуждение результатов
(глава 2), экспериментальная часть (глава 3) и выводов. Диссертация содержит 93 схемы, 8 таблиц, 60 рисунков. Библиографический список цитируемой литературы содержит 183 наименования.
1) Предложены подходы к синтезу ансамблей дитиолан-, тиазол- и тиенилилиденов, соединенных двойной связью, на основе малонтиоамидов.
2) Разработаны препаративные методы синтеза производных 2,5-диметилиден- 1,3-тиазолидин-4-она и 2-метилидентиен-3(2Л)-она с экзоциклическими двойными связями, представляющих интерес для молекулярной электроники в качестве хромофоров.
3) Доказана с использованием метода циклической вольтамперометрии, УФ-спектроскопии и квантово-химических расчётов перспективность использования в качестве материалов фотоэлектроники производных метил (57)-{2-[2,4,5-триоксо- пирролидин-3-илиден]-4-оксо-1,3-тиазолидин-5-илиден}ацетата. Определены их окислительно-восстановительные потенциалы, показано наличие необратимых окислительно-восстановительных процессов в интервале потенциалов -2,5-2,5 В.
4) Установлено, что кислотный катализ меняет направление реакции малонтиоамидов с ацетилендикарбоксилатами и приводит к труднодоступным 2-(5-(амино-замещенным)-3-оксотиен-2(3Я)-илиден)ацетатам. Определены факторы, способствующие образованию тиенильного кольца.
5) Предложены механизмы стабилизации конфигурации структур (2Т)-[3-оксо-5- К-амино-4-тиокарбамоилтиен-2(3Я)-илиден]ацетата и (2Т)-2-[4-оксо-3-арил-1,3- тиазолидин-2,5-илиден]-А-арилэтантиоамидов. Обнаружено, что замена нитрильной группы у производных метил (2Т)-[5-(аминозамещенных)-3-оксо-4-цианотиен-2(3Я)- илиден]ацетата на тиоамидную приводит к стабилизации одного из двух таутомеров в растворе.
6) Изучена цитотоксическая активность ряда синтезированных веществ и показано, что они не проявляют цитотоксического эффекта на клеточные культуры глиомы 2211 и трансформированных фибробластов К-22.
7) Данной работой тема «Синтез, строение и свойства сопряженных дитиолан-, тиазол- и тиенилиденов на основе малонтиоамидов" не исчерпывается и имеет перспективы дальнейшего развития в области развития новых эффективных хромофоров для молекулярной электроники.
2) Разработаны препаративные методы синтеза производных 2,5-диметилиден- 1,3-тиазолидин-4-она и 2-метилидентиен-3(2Л)-она с экзоциклическими двойными связями, представляющих интерес для молекулярной электроники в качестве хромофоров.
3) Доказана с использованием метода циклической вольтамперометрии, УФ-спектроскопии и квантово-химических расчётов перспективность использования в качестве материалов фотоэлектроники производных метил (57)-{2-[2,4,5-триоксо- пирролидин-3-илиден]-4-оксо-1,3-тиазолидин-5-илиден}ацетата. Определены их окислительно-восстановительные потенциалы, показано наличие необратимых окислительно-восстановительных процессов в интервале потенциалов -2,5-2,5 В.
4) Установлено, что кислотный катализ меняет направление реакции малонтиоамидов с ацетилендикарбоксилатами и приводит к труднодоступным 2-(5-(амино-замещенным)-3-оксотиен-2(3Я)-илиден)ацетатам. Определены факторы, способствующие образованию тиенильного кольца.
5) Предложены механизмы стабилизации конфигурации структур (2Т)-[3-оксо-5- К-амино-4-тиокарбамоилтиен-2(3Я)-илиден]ацетата и (2Т)-2-[4-оксо-3-арил-1,3- тиазолидин-2,5-илиден]-А-арилэтантиоамидов. Обнаружено, что замена нитрильной группы у производных метил (2Т)-[5-(аминозамещенных)-3-оксо-4-цианотиен-2(3Я)- илиден]ацетата на тиоамидную приводит к стабилизации одного из двух таутомеров в растворе.
6) Изучена цитотоксическая активность ряда синтезированных веществ и показано, что они не проявляют цитотоксического эффекта на клеточные культуры глиомы 2211 и трансформированных фибробластов К-22.
7) Данной работой тема «Синтез, строение и свойства сопряженных дитиолан-, тиазол- и тиенилиденов на основе малонтиоамидов" не исчерпывается и имеет перспективы дальнейшего развития в области развития новых эффективных хромофоров для молекулярной электроники.