ПРЯМАЯ НУКЛЕОФИЛЬНАЯ С-Н ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ АЗИНОВ. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ВЕРСИЯ
|
Список сокращений и условных обозначений 3
Введение 5
Глава 1. Прямая нуклеофильная функционализация C(sp2)-H связей в аренах и гетероаренах электрохимическими методами (Литературный обзор) 10
1.1. Образование С-С связи 11
1.2. Образование C-N связи 37
1.3. Образование С-O связи 49
1.4. Образование С-P, C-S связи 49
1.5. Образование С-Галоген связи 53
Глава 2. Результаты и обсуждения 55
2.1. Синтез, свойства и ароматизация аддуктов с ароматическими С-нуклеофилами 55
2.2. PASE метод гетарилирования и арилирования азинов 61
2.3. Синтез, свойства и ароматизация аддуктов с ^^,Р,О-нуклеофилами 65
2.4. PASE метод аминирования катиона акридиния 67
2.5. Термодинамические и квантово-химические исследования процесса ароматизации бн-аддуктов 68
2.6. Биологические испытания производных акридина 76
Глава 3. Экспериментальная часть 80
Выводы 102
Список литературы 104
Введение 5
Глава 1. Прямая нуклеофильная функционализация C(sp2)-H связей в аренах и гетероаренах электрохимическими методами (Литературный обзор) 10
1.1. Образование С-С связи 11
1.2. Образование C-N связи 37
1.3. Образование С-O связи 49
1.4. Образование С-P, C-S связи 49
1.5. Образование С-Галоген связи 53
Глава 2. Результаты и обсуждения 55
2.1. Синтез, свойства и ароматизация аддуктов с ароматическими С-нуклеофилами 55
2.2. PASE метод гетарилирования и арилирования азинов 61
2.3. Синтез, свойства и ароматизация аддуктов с ^^,Р,О-нуклеофилами 65
2.4. PASE метод аминирования катиона акридиния 67
2.5. Термодинамические и квантово-химические исследования процесса ароматизации бн-аддуктов 68
2.6. Биологические испытания производных акридина 76
Глава 3. Экспериментальная часть 80
Выводы 102
Список литературы 104
Актуальность и степень разработанности темы исследования. Современные требования атомной экономии [1-3] и устойчивого развития [4-7] оказали большое влияние на химическую отрасль. Научные и технические разработки в области ресурсосбережения приобрели острую актуальность. Химики вынуждены уходить от бывших в XX веке основными методологий функционализации ароматического ядра, таких как электрофильное замещение водорода (SEHA)и нуклеофильное замещение легко уходящих групп (SN^Ar), поскольку они связаны с применением агрессивных реагентов (галогены, азотная, серная кислоты и т.д.), жестких условий и необходимости предварительной модификации аренов. Реакции кросс-сочетания, получившие в последние десятилетия широчайшее распространение, также не лишены недостатков и требуют присутствия галогена, переходных металлов, дополнительных лигандов [8-10]. В связи с этим все большее внимание привлекает развитие прямых кросс-сочетаний в построении связей С-С и С-Х (Х-гетероатом) через прямую функционализацию С-Н связи. В этих методах, которые заметно меняют химическую логику, связь С-Н рассматривается как группа, позволяющая сама по себе осуществлять функционализацию молекулы, минуя предварительное введение уходящих групп, таких как галоген, алкокси, сульфогруппа и т.д., тем самым обеспечивая наиболее эффективный и малоотходный путь трансформации молекул [11]. Прямая функционализация С-Н связей базируется на двух основных подходах - с использованием катализа переходными металлами или безметальной методологии. С точки зрения экологичности процессов, безусловно, более интересны свободные от металлов методы, одним из их видов таких превращений являются реакции нуклеофильного ароматического замещения водорода - SNH Ar реакции [12-23].
В соответствии с принятым сегодня механизмом SNH Ar реакций эти процессы протекают по двухстадийной схеме. Первая стадия - обратимое присоединение нуклеофила к субстрату с образованием так называемого бн-аддукта. Вторая стадия - ароматизация бн-аддукта, как пра-вило, протекает в окислительных условиях, а выбор окислителя является одной из наиболее важных проблем такого типа превращений, т.к. необходимо учитывать способность всех реакционных партнеров к окислению. При этом многие из вводимых в реакцию окислителей усложняют выделение продукта, увеличивают количество отходов, и могут снижать селективность и экономичность процесса. Таким образом, выбор подходящего окислителя является критическим фактором в осуществлении SNHпревращений.
В этом отношении привлекательно выглядит использование электрохимических методов [24]. Они позволяют реализовать однореакторный, одностадийный, атом-экономный вариант окислительного сочетания, отвечающий принципу PASE (Pot-Atom-Step-Economic), а также дают возможность получить больше информации о механизме реакции и более рационально подходить к выбору химического окислителя. Между тем такой подход пока слабо распространен, вероятно, потому, что экспериментальная установка кажется слишком сложной на первый взгляд, а электрохимические методы принято считать последним вариантом, когда все другие традиционные химические пути потерпели неудачу. Интересным и важным примером является серия работ, посвященная электрохимическому варианту реакций Бн на примере функционализации нитроаренов нуклеофилами различной природы (С, К, Р) [25]. Примеры прямой препаративной электрохимической С-Н функционализации гетероциклов пока носят единичный характер и такие подходы явно недостаточно развиты [26-28].
Настоящая работа направлена на развитие электрохимических методов прямой функционализации С(зр2)-Н связи в азинах, исследованию границ применимости и выявлению закономерностей протекания процесса в зависимости от вольт-амперных характеристик, условий ведения анодного процесса, а также природы нуклеофила.
Цель работы. Разработка метода прямой функционализации С(зр2)-Н связи в азинах в условиях электрохимического окисления. Структурные, квантово-химические, термические, электрохимические и другие физико-химические исследования дигидроазинов, несущих различные по своей природе нуклеофильные фрагменты, с целью установления факторов влияющих на их электрохимическую ароматизацию.
В ходе работы также предусматривалось биотестирование полученных соединений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
- разработать эффективные методы прямой функционализации С-Н связи в катионе К- метилакридиния, как наиболее удобной модели, которые позволили бы получить широкий ряд бн-аддуктов, содержащих С, К, 8, Р, О-нуклеофильные фрагменты;
- исследовать закономерности анодной дегидроароматизации ряда разнообразных 9,10- дигидроакридинов и проследить влияние заместителей на вольтамперные характеристики этих соединений;
- разработать электрохимический метод окисления исследуемых бн-аддуктов;
- предложить прямой метод кросс-сочетания катиона акридиния и некоторых других азинов с нуклеофильными фрагментами в условиях электрохимического окисления;
- установить ключевые факторы, в том числе прогностические, влияющие на «направление» электрохимической ароматизации;
- провести биотестирование синтезированных соединений.
Научная новизна работы и теоретическая значимость:
- Исследовано влияние электронодонорных и электроноакцепторных заместителей на вольтамперные характеристики 9,10-дигидроакридинов;
- предложен электрохимический метод дегидроароматизации 10-метил-9-(гетеро)арил- 9,10-дигидроакридинов до соответствующих производных 9-арилакридинов;
- разработан PASE метод арилирования и гетарилирования азинов в условиях электро-химического окисления;
- впервые реализовано электрохимическое SNHаминирование катиона акридиния первичными аминами;
- показано важное влияние природы нуклеофила на характер электрохимической окис-лительной ароматизации гетероциклических бн-аддуктов;
- получены новые экспериментальные и теоретические данные о механизме SNHреакций, которые могут быть использованы в планировании синтеза новых соединений.
- установлена ингибирующая активность синтезированных производных акридина в от-ношении ацетилхолинэстеразы (АХЭ), бутирилхолинэстеразы (ВХЭ) и карбоксилестезазы (КЭ), а также радикал-связывающая активность этих соединений.
Практическая значимость работы. Предложен простой, атом - и стадие - экономный прямой метод электрохимического арилирования и гетарилирования азинов. Получен ряд со-единений обладающих свойствами эффективных ингибиторов холинэстераз и проявляющих высокую радикал-связывающую активность, что делает перспективным их использование для создания многофункциональных препаратов терапии нейродегенеративных заболеваний.
Положения, выносимые на защиту:
- результаты исследования влияния электронодонорных и электроноакцепторных заместителей на вольтамперные характеристики 9,10-дигидроакридинов;
- метод получения 9-арилакридинов путем электрохимического окисления соответствующих дигидроакридинов;
- электрохимическое PASE аминирование катиона акридиния;
- электрохимическая Бн методология арилирования и гетарилирования азинов;
- результаты исследования влияния природы нуклеофила на характер электрохимической окислительной ароматизации гетероциклических бн-аддуктов;
- результаты исследования радикал-связывающей активности, а также ингибирующей активности синтезированных производных акридина в отношении ацетилхолинэстеразы, бути- рилхолинэстеразы и карбоксилестезазы.
Личный вклад соискателя состоит в сборе и систематизации литературных данных по электрохимическим методам прямой функционализации С-Н связи в аренах и гетаренах, постановке задач исследования, планировании и проведении химических экспериментов, анализе и интерпретации полученных данных, в подготовке публикаций по результатам исследований.
Методология и методы диссертационного исследования основаны на анализе литературных данных, квантово-химическом моделировании, термодинамическом анализе, направленном органическом синтезе. Строение соединений подтверждено использованием комплекса методов физико-химического анализа (элементный анализ, ИК и ЯМР 1Н, 13С, 19Б спектроскопия, ГХ-МС, РСА, термогравиметрия), выполненных в ЦКП "Спектроскопия и анализ органических соединений" (ЦКП СОАС) при ИОС УрО РАН.
Степень достоверности результатов обеспечена применением современных методов исследования и хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов. Анализ состава, структуры и чистоты полученных соединений осуществлялся на сертифицированных и поверенных приборах ЦКП СОАС.
Апробация результатов диссертационной работы. Основные результаты диссертации доложены на XVI Молодежной школе-конференции по органической химии (Пятигорск, 2013), Уральском научном форуме «Современные проблемы органической химии» (Екатеринбург, 2014), Кластере конференций по органической химии «ОргХим-2016» (Санкт-Петербург, 2016), XX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Екатеринбург, 2016), V Всероссийской конференции с международным участием «Енамины в органическом синтезе» (Пермь, 2017).
Работа выполнена при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации (программа государственной поддержки ведущих научных школ, грант НШ 5505.2012.3, НШ 8922.2016.3), Российского научного фонда (проект 14-13-01177), проектов РФФИ (13-03-96049-р_урал_а, 13-03-90606-Арм_а, 13-03-01271, 16-03-00958).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 2 патента РФ и тезисы 5 докладов.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа общим объёмом 121 страница состоит из трех основных глав: литературного обзора, обсуждения результатов и экспериментальной части, а также оглавления, введения, заключения, списка литературы и условных сокращений. Обзор литературы, посвященный прямой нуклеофильной функционализации С(зр2)-Н связей в аренах и гетероаренах электрохимическими методами, был опубликован [29], поэтому в диссертации полностью не приводится. Рассмотрению подверглись публикации, не вошедшие в обзор, а также наиболее интересные и значимые работы, которые, по нашему мнению, особенно ярко демонстрируют возможности электрохимического подхода к Бн методологии. Работа содержит 169 ссылок на литературные источники, 31 таблицу, 42 схемы и 7 рисунков.
В соответствии с принятым сегодня механизмом SNH Ar реакций эти процессы протекают по двухстадийной схеме. Первая стадия - обратимое присоединение нуклеофила к субстрату с образованием так называемого бн-аддукта. Вторая стадия - ароматизация бн-аддукта, как пра-вило, протекает в окислительных условиях, а выбор окислителя является одной из наиболее важных проблем такого типа превращений, т.к. необходимо учитывать способность всех реакционных партнеров к окислению. При этом многие из вводимых в реакцию окислителей усложняют выделение продукта, увеличивают количество отходов, и могут снижать селективность и экономичность процесса. Таким образом, выбор подходящего окислителя является критическим фактором в осуществлении SNHпревращений.
В этом отношении привлекательно выглядит использование электрохимических методов [24]. Они позволяют реализовать однореакторный, одностадийный, атом-экономный вариант окислительного сочетания, отвечающий принципу PASE (Pot-Atom-Step-Economic), а также дают возможность получить больше информации о механизме реакции и более рационально подходить к выбору химического окислителя. Между тем такой подход пока слабо распространен, вероятно, потому, что экспериментальная установка кажется слишком сложной на первый взгляд, а электрохимические методы принято считать последним вариантом, когда все другие традиционные химические пути потерпели неудачу. Интересным и важным примером является серия работ, посвященная электрохимическому варианту реакций Бн на примере функционализации нитроаренов нуклеофилами различной природы (С, К, Р) [25]. Примеры прямой препаративной электрохимической С-Н функционализации гетероциклов пока носят единичный характер и такие подходы явно недостаточно развиты [26-28].
Настоящая работа направлена на развитие электрохимических методов прямой функционализации С(зр2)-Н связи в азинах, исследованию границ применимости и выявлению закономерностей протекания процесса в зависимости от вольт-амперных характеристик, условий ведения анодного процесса, а также природы нуклеофила.
Цель работы. Разработка метода прямой функционализации С(зр2)-Н связи в азинах в условиях электрохимического окисления. Структурные, квантово-химические, термические, электрохимические и другие физико-химические исследования дигидроазинов, несущих различные по своей природе нуклеофильные фрагменты, с целью установления факторов влияющих на их электрохимическую ароматизацию.
В ходе работы также предусматривалось биотестирование полученных соединений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
- разработать эффективные методы прямой функционализации С-Н связи в катионе К- метилакридиния, как наиболее удобной модели, которые позволили бы получить широкий ряд бн-аддуктов, содержащих С, К, 8, Р, О-нуклеофильные фрагменты;
- исследовать закономерности анодной дегидроароматизации ряда разнообразных 9,10- дигидроакридинов и проследить влияние заместителей на вольтамперные характеристики этих соединений;
- разработать электрохимический метод окисления исследуемых бн-аддуктов;
- предложить прямой метод кросс-сочетания катиона акридиния и некоторых других азинов с нуклеофильными фрагментами в условиях электрохимического окисления;
- установить ключевые факторы, в том числе прогностические, влияющие на «направление» электрохимической ароматизации;
- провести биотестирование синтезированных соединений.
Научная новизна работы и теоретическая значимость:
- Исследовано влияние электронодонорных и электроноакцепторных заместителей на вольтамперные характеристики 9,10-дигидроакридинов;
- предложен электрохимический метод дегидроароматизации 10-метил-9-(гетеро)арил- 9,10-дигидроакридинов до соответствующих производных 9-арилакридинов;
- разработан PASE метод арилирования и гетарилирования азинов в условиях электро-химического окисления;
- впервые реализовано электрохимическое SNHаминирование катиона акридиния первичными аминами;
- показано важное влияние природы нуклеофила на характер электрохимической окис-лительной ароматизации гетероциклических бн-аддуктов;
- получены новые экспериментальные и теоретические данные о механизме SNHреакций, которые могут быть использованы в планировании синтеза новых соединений.
- установлена ингибирующая активность синтезированных производных акридина в от-ношении ацетилхолинэстеразы (АХЭ), бутирилхолинэстеразы (ВХЭ) и карбоксилестезазы (КЭ), а также радикал-связывающая активность этих соединений.
Практическая значимость работы. Предложен простой, атом - и стадие - экономный прямой метод электрохимического арилирования и гетарилирования азинов. Получен ряд со-единений обладающих свойствами эффективных ингибиторов холинэстераз и проявляющих высокую радикал-связывающую активность, что делает перспективным их использование для создания многофункциональных препаратов терапии нейродегенеративных заболеваний.
Положения, выносимые на защиту:
- результаты исследования влияния электронодонорных и электроноакцепторных заместителей на вольтамперные характеристики 9,10-дигидроакридинов;
- метод получения 9-арилакридинов путем электрохимического окисления соответствующих дигидроакридинов;
- электрохимическое PASE аминирование катиона акридиния;
- электрохимическая Бн методология арилирования и гетарилирования азинов;
- результаты исследования влияния природы нуклеофила на характер электрохимической окислительной ароматизации гетероциклических бн-аддуктов;
- результаты исследования радикал-связывающей активности, а также ингибирующей активности синтезированных производных акридина в отношении ацетилхолинэстеразы, бути- рилхолинэстеразы и карбоксилестезазы.
Личный вклад соискателя состоит в сборе и систематизации литературных данных по электрохимическим методам прямой функционализации С-Н связи в аренах и гетаренах, постановке задач исследования, планировании и проведении химических экспериментов, анализе и интерпретации полученных данных, в подготовке публикаций по результатам исследований.
Методология и методы диссертационного исследования основаны на анализе литературных данных, квантово-химическом моделировании, термодинамическом анализе, направленном органическом синтезе. Строение соединений подтверждено использованием комплекса методов физико-химического анализа (элементный анализ, ИК и ЯМР 1Н, 13С, 19Б спектроскопия, ГХ-МС, РСА, термогравиметрия), выполненных в ЦКП "Спектроскопия и анализ органических соединений" (ЦКП СОАС) при ИОС УрО РАН.
Степень достоверности результатов обеспечена применением современных методов исследования и хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов. Анализ состава, структуры и чистоты полученных соединений осуществлялся на сертифицированных и поверенных приборах ЦКП СОАС.
Апробация результатов диссертационной работы. Основные результаты диссертации доложены на XVI Молодежной школе-конференции по органической химии (Пятигорск, 2013), Уральском научном форуме «Современные проблемы органической химии» (Екатеринбург, 2014), Кластере конференций по органической химии «ОргХим-2016» (Санкт-Петербург, 2016), XX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Екатеринбург, 2016), V Всероссийской конференции с международным участием «Енамины в органическом синтезе» (Пермь, 2017).
Работа выполнена при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации (программа государственной поддержки ведущих научных школ, грант НШ 5505.2012.3, НШ 8922.2016.3), Российского научного фонда (проект 14-13-01177), проектов РФФИ (13-03-96049-р_урал_а, 13-03-90606-Арм_а, 13-03-01271, 16-03-00958).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 2 патента РФ и тезисы 5 докладов.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа общим объёмом 121 страница состоит из трех основных глав: литературного обзора, обсуждения результатов и экспериментальной части, а также оглавления, введения, заключения, списка литературы и условных сокращений. Обзор литературы, посвященный прямой нуклеофильной функционализации С(зр2)-Н связей в аренах и гетероаренах электрохимическими методами, был опубликован [29], поэтому в диссертации полностью не приводится. Рассмотрению подверглись публикации, не вошедшие в обзор, а также наиболее интересные и значимые работы, которые, по нашему мнению, особенно ярко демонстрируют возможности электрохимического подхода к Бн методологии. Работа содержит 169 ссылок на литературные источники, 31 таблицу, 42 схемы и 7 рисунков.
1. Синтезирован широкий ряд 9,10-дигидроакридинов, содержащих С, N, S, P, O- нуклеофильные фрагменты.
2. Получены сведения об анодной дегидроароматизации разнообразных 9,10- дигидроакридинов, которые содержат остатки арилов и гетарилов, в том числе, несущих электронодонорные и электроноакцепторные заместители. Установлено, что введение электронодо-норных заместителей существенно влияет на потенциал окисления, в то время как электроноакцеторные влияют минимально. Квантово -химическими расчетами установлены причины таких различий.
3. Разработан удобный, простой и эффективный электрохимический метод получения 9 - арилакридинов путем окисления соответствующих дигидроакридинов.
4. Предложен PASE метод селективного арилирования и гетарилирования азинов в усло-виях электрохимического окисления. Метод обладает признаками «зеленого» процесса.
5. Впервые показана возможность электрохимического аминирования катиона акридиния.
6. Установлено, что в электрохимической окислительной ароматизации бн-аддуктов определяющим фактором является природа нуклеофила. В случае интермедиатов с С- нуклеофильным фрагментом, а также в реакциях с первичными алкиламинами (RNH2) окисление сопровождается разрывом связи С-Н и, таким образом, происходит замещение водорода на остаток нуклеофильного заместителя. Анодная ароматизация бн-аддуктов с гетероатомными нуклеофилами протекает деструктивно по пути разрыва связи С-Nu и с восстановлением исходного субстрата. Проведенные термодинамические исследования объясняют различие в механизме окисления бн-аддуктов с позиций стандартных потенциалов и значений энергий диссоциации связи.
7. В ряду исследованных производных акридина найдены соединения, обладающие свойствами эффективных ингибиторов холинэстераз и проявляющие высокую радикал- связывающую активность, что делает перспективным использование этих результатов для со-здания полифункциональных препаратов терапии нейродегнеративных заболеваний.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования. Полученные научные ре-зультаты и разработанные электрохимические методы арилирования, гетероарилирования и аминирования могут быть использованы для разработки методов электрохимической С-Н функционализации других гетероциклов. Особый интерес представляют синтез новых производных акридина и их исследования на предмет ингибирующей активности в отношении холинэстераз с целью создания препаратов для лечения нейродегнеративных заболеваний.
2. Получены сведения об анодной дегидроароматизации разнообразных 9,10- дигидроакридинов, которые содержат остатки арилов и гетарилов, в том числе, несущих электронодонорные и электроноакцепторные заместители. Установлено, что введение электронодо-норных заместителей существенно влияет на потенциал окисления, в то время как электроноакцеторные влияют минимально. Квантово -химическими расчетами установлены причины таких различий.
3. Разработан удобный, простой и эффективный электрохимический метод получения 9 - арилакридинов путем окисления соответствующих дигидроакридинов.
4. Предложен PASE метод селективного арилирования и гетарилирования азинов в усло-виях электрохимического окисления. Метод обладает признаками «зеленого» процесса.
5. Впервые показана возможность электрохимического аминирования катиона акридиния.
6. Установлено, что в электрохимической окислительной ароматизации бн-аддуктов определяющим фактором является природа нуклеофила. В случае интермедиатов с С- нуклеофильным фрагментом, а также в реакциях с первичными алкиламинами (RNH2) окисление сопровождается разрывом связи С-Н и, таким образом, происходит замещение водорода на остаток нуклеофильного заместителя. Анодная ароматизация бн-аддуктов с гетероатомными нуклеофилами протекает деструктивно по пути разрыва связи С-Nu и с восстановлением исходного субстрата. Проведенные термодинамические исследования объясняют различие в механизме окисления бн-аддуктов с позиций стандартных потенциалов и значений энергий диссоциации связи.
7. В ряду исследованных производных акридина найдены соединения, обладающие свойствами эффективных ингибиторов холинэстераз и проявляющие высокую радикал- связывающую активность, что делает перспективным использование этих результатов для со-здания полифункциональных препаратов терапии нейродегнеративных заболеваний.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования. Полученные научные ре-зультаты и разработанные электрохимические методы арилирования, гетероарилирования и аминирования могут быть использованы для разработки методов электрохимической С-Н функционализации других гетероциклов. Особый интерес представляют синтез новых производных акридина и их исследования на предмет ингибирующей активности в отношении холинэстераз с целью создания препаратов для лечения нейродегнеративных заболеваний.



