
Тип работы:	Предмет:	Язык работы:

РЕАКЦИИ ПЕНТАФТОРФЕНИЛЛИТИЯ С АЗАГЕТЕРОЦИКЛАМИ И СОПУТСТВУЮЩИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СИНТЕЗЕ ЛИГАНДОВ И ФОТОАКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Работа №	102742
Тип работы	Авторефераты (РГБ)
Предмет	химия
Объем работы	24
Год сдачи	2022
Стоимость	250 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено	112

Не подходит работа?

Узнай цену на написание

Содержание

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПУБЛИКАЦИИ

Введение

Актуальность и степень разработанности темы исследования
Полифторароматические соединения сегодня находят широкое применение в различных областях науки и техники как перспективные молекулы для медицинской химии, средства защиты растений, активные компоненты функциональных материалов для молекулярной электроники. Введение фторсодержащих фрагментов позволяет конструировать высокостабильные органические вещества и материалы на их основе с заданными свойствами, характеризующиеся повышенной биодоступностью, пониженной токсичностью, а также ценными фотофизическими свойствами.
Для получения как известных, так и новых фторароматических соединений и их функциональных производных особое внимание в настоящее время уделяется разработке удобных и эффективных синтетических методов и подходов. Ключевым критерием при этом является соответствие предлагаемых решений базовым принципам зеленой химии в части минимизации техногенной нагрузки на окружающую среду, а также атомной и стадийной экономичности. Сейчас можно выделить четыре основных синтетических подхода для конструирования функциональных производных полифторароматических соединений посредством построения новых С-С связей. Данные процессы образуют две большие группы реакций: катализируемые переходными металлами С-Н/С-Х (Х = С1, Вг, I, В(ОН)2 и т.д.) и С-Н/С-Н сочетания, а также аналогичные С-Н(М)/С-Х (М = Li, MgBг) процессы, реализуемые в отсутствии переходных металлов.
Согласно литературным данным наиболее перспективными фторорганическими соединениями для практического использования (флуорофоры, хемосенсоры, металлокомплексы и т.д.) являются те молекулы, в которых полифторароматический фрагмент напрямую связан с азагетероциклическим функциональным блоком. В то же время использование литийпроизводных полифторароматических соединений для некатализируемой переходными металлами нуклеофильной С(зр2)-Н функционализации азагетероциклических субстратов является малоизученным синтетическим решением. Таким образом, исследование возможностей применения данной методологии в комбинации с другими синтетическими приёмами для получения ценных пентафторфенил-модифицированных соединений на основе азотсодержащих гетероциклов представляет собой актуальную задачу современного органического синтеза.
Цель работы
Целью настоящего диссертационного исследования является разработка эффективных синтетических приёмов направленного конструирования пентафторфенил-модифицированных азагетероциклических лигадов и фотоактивных соединений посредством комбинации различных синтетических стратегий: реакции нуклеофильного замещения водорода (8ХН), аза-Дильса- Альдера, сочетания по реакции Сузуки-Мияуры, структурных трансформаций с участием ариновых интермедиатов.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
- аналитический обзор литературных источников по методам получения полифторароматических соединений путем построения новых С-С связей и свойствам продуктов сочетания;
- дизайн и синтез новых пентафторфенил-модифицированных органических ансамблей на основе пяти- и шестичленных азагетероциклических субстратов;
- исследование строения, фотофизических, координационных и хемосенсорных свойств полученных пентафторфенил-функционализированных соединений.
Объекты исследования
Объектами исследования являются: пентафторфениллитий, выступающий в работе в роли ключевого нуклеофильного реагента; гетероароматические Х-оксиды моно-, ди- и триазинов (хинолин-Х-оксид, хиноксалин-Х-оксид, фталазин-Х-оксид, 1,2,4-триазин-4-оксид), их неокисленные формы (производные 1,2,4-триазинов) и 2#-имидазол-1-оксиды, выступающие в роли электрофильных субстратов для нуклеофильной С(зр2)-Н функционализации; пентафторфенил-замещенные 1,2,4-триазины, 2,2’-бипиридины, пиридо[1,2-а]индолы и 2Н- имидазолы как целевые продукты для изучения свойств и определения возможностей их практического использования.
Научная новизна и теоретическая значимость работы
Впервые было проведено комплексное исследование реакционной способности пентафторфениллития в некатализируемых переходными металлами реакциях С-Ы/С-Н сочетаний с азагетероциклическими субстратами, в частности 1,2,4-триазинами, ^-оксидами моно-, ди- и триазинов, а также 2Н-имидазол-Ы-оксидами. Исследованы особенности 8нн превращений и оптимизированы условия химических трансформаций.
Предложена синтетическая стратегия, основанная на комбинации реакций нуклеофильного замещения водорода в 1,2,4-триазинах и аза-Дильса-Альдера или арин- инициируемой трансформации, для синтеза пентафторфенил-модифицированных 2,2’- бипиридинов, их аннелированных аналогов и производных пиридо[1,2-а]индолов.
Впервые была проведена реакция нуклеофильного замещения водорода (Ан) в 2Н- имидазол-1-оксидах, представляющих собой азагетероциклические субстраты неароматической природы, под действием пентафторфениллития. Показано, что данная реакция может быть реализована как по схеме «присоединение-отщепление» (Бн АЕ) с получением пентафторфенил-модифицированных 2Н-имидазолов, так и по схеме «присоединение- окисление» (Бн АО) с образованием соответствующих функционализированных 2Н-имидазол- 1-оксидов.
Разработана синтетическая стратегия для получения флуорофоров на основе пентафторфенил-замещенных 2Н-имидазолов с протяженной системой п-сопряжения посредством реакции Бн и кросс-сочетания по Сузуки-Мияура.
Продемонстрирована возможность использования полученных пентафтор- модифицированных лигандных систем в синтезе перспективных металлокомплексов меди, марганца и кобальта.
Впервые детально были исследованы фотофизические свойства (спектры поглощения, эмиссии, квантовые выходы, время жизни люминсценции, подтверждены эффекты внутримолекулярного переноса заряда и сольваторхромизма) пентафторфенил- функционализированных 2,2’-бипиридинов, пиридо[1,2-а]индолов, 2Н-имидазолов. Для производных 2Н-имидазолов были изучены флуорометрические сенсорные свойства для определения рн растворов и многокомпонентных смесей (в частности, в слюне человека), расчетными методами был подтвержден обратимый механизм разгорания/тушения (Шт-оп/Шгп- ой) флуоресценции в зависимости от значения рн среды.
Практическая значимость работы
Разработанные синтетические схемы, иллюстрирующие комбинацию нескольких методологических подходов, в которых пентафторфенильный фрагмент вводится в азагетероциклический субстрат напрямую посредством реакции нуклеофильного замещения водорода (§нн), позволяют проводить направленный синтез перспективных полифторорганических молекул в мягких условиях с хорошими выходами.
Выявленные закономерности между свойствами и структурой соединений позволяют рассматривать синтезированные пентафторфенил-модифицированные азагетероциклические соединения в качестве ценных конструкционных блоков в дизайне перспективных функциональных элементов органических и гибридных материалов с заданными свойствами для различных областей молекулярной электроники и катализа.
Методология и методы диссертационного исследования
В качестве синтетических подходов были применены реакции нуклеофильного водорода (Ан) в азагетероциклических субстратах под действием пентафторфениллития, реакция аза-Дильса-Альдера, кросс-сочетания Сузуки-Мияуры и структурные трансформации с участием ариновых интермедиатов.
Для изучения практически полезных свойств и выявления корреляций «структура- свойства» полученных соединений были использованы фотофизические (определение характеристических максимумов поглощения и эмиссии, квантовых выходов), электрохимические (потенциометрическое определение pH), а также расчетные методы.
Положения, выносимые на защиту:
- Синтез пентафторфенил-модифицированных моно-, ди- и триазинов посредством C-Li/С-Н сочетания пентафторфениллития и азин-Ы-оксидов.
- Синтез пентафторфенил-замещенных 2,2’-бипиридинов посредством C-Li/C-H сочетания пентафторфениллития с 1,2,4-триазинами и последующей реакций аза-Дильса- Альдера.
- Синтез пентафторфенил-модифицированных пиридо[1,2-а]индолов посредством C-Li/C-H сочетания пентафторфениллития с 1,2,4-триазинами и последующей домино- трансформацией под действием аринов.
- Синтез пентафторфенил-замещенных 2^-имидазолов и 2#-имидазол-Ы-оксидов посредством C-Li/C-H сочетаний пентафторфениллития с 2#-имидазол-Ы-оксидами по элиминационным и окислительным схемам.
- Синтез пентафторфенил-модифицированных 2^-имидазолов с расширенной системой п-сопряжения посредством Pd-катализируемого кросс-сочетания Сузуки-Мияуры.
- Синтез металлокомплексов (меди, кобальта и марганца) на основе пентафторфенил- замещенных 1,2,4-триазинов-2-пиридинов и 2,2’-бипиридинов.
- Исследование фотофизических свойств пентафторфенил-модифицированных 2,2’- бипиридинов, пиридо[1,2-а]индолов и 2^-имидазолов.
- Изучение флуорометрических сенсорных свойств пентафторфенил-модифицированных 2^-имидазолов для селективного определения pH многокомпонентных растворов.
Достоверность полученных данных
Новые синтезированные пентафторфенильные производные были охарактеризованы методами ИК-, ЯМР (1Н, 13С, 19F) спектроскопии, включая в некоторых случаях двумерные корреляционные эксперименты (1H-13C HSQC, 1H-13C HMBC, 1H-1H COSY, 1H-1H NOESY), масс- спектрометрии, а также данными элементного анализа. Структура некоторых соединений была также дополнительно подтверждена данными рентгеноструктурного анализа. Измерения физико-химических характеристик соединений были проведены на сертифицированном оборудовании в Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (Лаборатория комплексных исследований и экспертной оценки органических материалов в составе ЦКП УрФУ) и в Институте органического синтеза им. И.Я. Постовского УрО РАН (ЦКП «Спектроскопия и анализ органических соединений»).
Апробация результатов
Основные результаты работы были представлены на конференциях с опубликованием тезисов докладов: II Международная конференция «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов» (г. Екатеринбург, 2018), Научная конференция «Динамические процессы в химии элементоорганических соединений» (г. Казань, 2018), «XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии» (г. Санкт- Петербург, 2019), «4-ая Российская конференция по медицинской химии с международным участием» (г. Екатеринбург, 2019), Конференция «Актуальные вопросы органической химии и биотехнологии» (г. Екатеринбург, 2020), XII Международная конференция молодых ученых «Mendeleev 2021» (г. Санкт-Петербург. 2021).
Публикации
Основное содержание диссертационного исследования опубликовано в 14 научных работах, из них 7 статей в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК РФ и Аттестационным Советом УрФУ и входящих в международные базы Scopus и Web of Science; тезисы 7 докладов международных и всероссийских конференций.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы (149 ссылок). Работа изложена на 181 странице, содержит 37 рисунков, 21 таблицу и 74 схемы.
Личный вклад соискателя
Вклад автора состоял в сборе, систематизации и анализе литературных данных, постановке целей и задач исследования, планировании и проведении синтетических работ, проведении фотофизических исследований. Соискатель принимал участие в обработке и обсуждении полученных результатов, подготовке публикаций.
Благодарность
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю к.х.н., доценту М.В. Вараксину, коллективу кафедры органической и биомолекулярной химии ХТИ УрФУ, в частности академику РАН О.Н. Чупахину, академику РАН В.Н. Чарушину, чл.-корр. РАН В.Л. Русинову и другим сотрудникам за неоценимую помощь в проведении исследований и подготовке работы, д.х.н. Г.В. Зырянову и д.х.н. Д.С. Копчуку за проведение совместных исследований по синтезу и изучению фотофизических свойств полученных 2,2’-бипиридинов и пиридо[1,2-а]индолов, д.х.н., заведующему кафедрой аналитической химии А.Н. Козициной и к.х.н., доценту Т.С. Сваловой за проведение электрохимических и оптических измерений, А.Н. Цмокалюку за проведение квантово-химических расчетов, заведующему Лабораторией комплексных исследований и экспертной оценки органических материалов в составе ЦКП УрФУ к.х.н. О.С. Ельцову и другим сотрудникам за проведение экспериментов ЯМР, а также группе рентгеноструктурного анализа ЦКП ИОС им. И.Я. Постовского УрО РАН «Спектроскопия и анализ органических соединений», в частности к.х.н. П.А. Слепухину за проведение рентгеноструктурного анализа.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь студентам в написании работ!

ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Курсовые Статьи Диплом Рязань

Заключение

В результате исследования были разработаны эффективные синтетические приёмы для синтеза новых пентафторфенил-функционализированных азагетероциклов, а также исследованы свойства полученных полифторароматических соединений, представляющих собой перспективные флуорофоры, лиганды и хемосенсоры.
Впервые проведено систематическое исследование реакционной способности пентафторфениллития как нуклеофильного реагента в С-Li/C-H сочетаниях с различными азагетероциклическими субстратами ароматической и неароматической природы. Предложен атом-экономичный подход для получения пентафторфенил-модифицированных моно-, ди- и триазинов посредством реакции нуклеофильного замещения водорода (SNH)в их N-оксидных формах. Показано, что в случае 1,2,4-триазин-4-оксидов данные превращения могут быть проведены с сохранением N-оксидной группы в продукте реакции.
Разработана синтетическая схема синтеза получения ранее неизвестных пентафторфенил- функционализированных 2,2’-бипиридинов и 10-(1#-1,2,3-триазол-1-ил)пиридо[1,2-а]индолов. Было показано, что получение данных производных возможно при использовании реакции SNHв 1,2,4-триазинах и дальнейшей аза-Дильса-Альдера или арин-инициируемой трансформации. Для флуорофоров были изучены фотофизические характеристики, в частности спектры поглощения и эмиссии, определены квантовые выходы и времена жизни люминсценции. Также была установлена зависимость «структура-свойство» для синтезированного ряда соединений. Была продемонстрирована возможность использования полученных лигандов для синтеза металлокомплексов на основе меди, марганца и кобальта. Структура координационных соединений была подтверждена данными РСА.
Разработана методология получения пентафторфенил-модифицированных 2Н- имидазолов посредством реакции нуклеофильного замещения водорода (SNH)под действием пентафторфениллития. Было показано, что протекание данных реакций может проходить либо по схеме «присоединение - отщепление» (SNH AE) c получением пентафторфенил- модифицированных 2Н-имидазолов, либо по схеме «присоединение - окисление» (SNHАО) с сохранением оксидной группы в продукте реакции. Кроме этого, была предложен синтетический подход получения флуорофоров на основе пентафторфенил-модифицированных 2Н-имидазолов с удлиненной системой n-сопряжения посредством реакции Сузуки-Мияуры. Для полученных соединений было обнаружено и подтверждено расчетными методами явление внутримолекулярного переноса заряда, которое ослабляется при повышении и усиливается при понижении кислотности среды соответственно. Также была продемонстрирована возможность применения одного из полученного соединения в качестве флуорометрического сенсора для определения pH слюны человека.

Литература

1. Varaksin M.V. Direct C-Li/C-H coupling of pentafluorophenyl lithium with azines - An atom- and step-economical strategy for the synthesis of polyfluoroaryl azaaromatics / M.V. Varaksin, T.D. Moseev, V.N. Charushin, O.N. Chupakhin // J. Organomet. Chem. - 2018. - 867. - P. 278-283. (0.875 п.л./0.22 п.л.) (Scopus, Web of Science).
2. Moseev T.D. Direct C-H/C-Li coupling of 1,2,4-triazines with C6F5Li followed by aza-Diels- Alder reaction as a pot, atom, and step economy (PASE) approach towards novel fluorinated 2,2'- bipyridine fluorophores / T. D. Moseev, M. V. Varaksin, D. A. Gorlov, E. A. Nikiforov, D. S. Kopchuk, E. S. Starnovskaya, A. F. Khasanov, G. V. Zyryanov, V. N. Charushin, O. N. Chupakhin // J. Fluor. Chem. - 2019. - 224. - P. 89-99. (1.5 п.л./0.15 п.л.) (Scopus, Web of Science).
3. Moseev T.D. Single-Crystal X-Ray Diffraction Studies in a Series of 5-Pentafluorophenyl- 2,2'-bipyridines and Their Fused Analogs / T. D. Moseev, M. V. Varaksin, E. S. Starnovskaya, D. S. Kopchuk, G. V. Zyryanov, P. A. Slepukhin, V. N. Charushin, O. N. Chupakhin // Russ. J. Gen. Chem. - 2020. - 2. - 90. - P. 235-237. (0.25 п.л./0.03 п.л.) (Scopus, Web of Science).
4. Moseev T.D. Aryne-mediated transformations of 5-perfluorophenyl-substituted 3-(pyridin-2- yl)-1,2,4-triazines in the design of novel 10-(1/-1,2,3-triazol-1-yl)pyrido[1,2-a]indole fluorophores / T. D. Moseev, M. V. Varaksin, I. A. Lavrinchenko, A. P. Krinochkin, D. S. Kopchuk, G. V. Zyryanov, P. A. Slepukhin, O. N. Chupakhin, V. N. Charushin // Tetrahedron. - 2020. - 18. - 76. - P. 131147-131155. (1 п.л./0.11 п.л.) (Scopus, Web of Science).
5. Moseev T.D. Transition-Metal-Free C-H/C-Li Coupling of Nonaromatic 2/-Imidazole 1- Oxides with Pentafluorophenyl Lithium in the Design of Novel Fluorophores with Intramolecular Charge Transfer Effect / T. D. Moseev, M. V. Varaksin, D. A. Gorlov, V. N. Charushin, O. N. Chupakhin // J. Org. Chem. - 2020. - 85. - 17. - P. 11124-11133. (1.5 п.л./0.3 п.л.) (Scopus, Web of Science).
6. Moseev T.D. Recent advances in the functionalization of polyfluoro(aza)aromatics via C-C coupling strategies / T. D. Moseev, M. V. Varaksin, D. A. Gorlov, V. N. Charushin, O. N. Chupakhin // Org. Biomol. Chem. - 2021. - 19. - P. 4429-4459. (2.25 п.л./0.45 п.л.) (Scopus, Web of Science).
7. Moseev T.D. Novel Pentafluorophenyl- and Alkoxyphenyl-Appended 2,2'-Bipyridine Push-Pull Fluorophores: A Convenient Synthesis and Photophysical Studies / T. D. Moseev, E. A. Nikiforov, M. V. Varaksin, E. S. Starnovskaya, M. I. Savchuk, I. L. Nikonov, D. S. Kopchuk, G. V. Zyryanov, V. N. Charushin, O. N. Chupakhin. // Synthesis. - 2021. - 53. - 19. - P. 3597-3607. (1 п.л./0.1 п.л.) (Scopus, Web of Science).
Материалы конференций и прочие публикации
8. Мосеев Т.Д. С-Н/С-Li сочетания азолов и азинов с пентафторфениллитием - эффективный метод синтеза полифторсодержащих азагетероциклов / Т.Д. Мосеев, М.В. Вараксин, Д.А. Горлов, Е.А. Никифоров, И.А. Лавринченко, В.Н. Чарушин, О.Н. Чупахин // Сборник тезисов II Международной конференции «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов». - 2018. - С. ЗД-49 (0.1 п.л./0.014 п.л).
9. Мосеев Т.Д. C-H/C-Li сочетание пентафторфениллития с 1,2,4-триазинами - атом- эффективный подход к синтезу полифторзамещенных азагетероциклов / Т.Д. Мосеев, М.В. Вараксин, Д.А. Горлов, Е.А. Никифоров, В.Н. Чарушин, О.Н. Чупахин // Сборник тезисов конференции «Динамические процессы в химии элементоорганических соединений».
- 2018. - С. 136 (0.1 п.л./0.016 п.л).
10. Мосеев Т.Д. Новые марганцевые и медные комплексы на основе полифторированных 2,2’-бипиридилов и 1,2,4-триазинов / Т.Д. Мосеев, М.В. Вараксин, Е.А. Никифоров, В.Н. Чарушин, О.Н. Чупахин // Сборник тезисов «XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии». - 2019. - 1. - 1. С. 240 (0.1 п.л./0.02 п.л).
11. Мосеев Т.Д. Синтез 5-(4-Алкоксифенил)-6-пентфторфенил-2-2’-бипиридинов / Т.Д. Мосеев, М.В. Вараксин, Д.С. Копчук, Е.С. Старновская, Г.В. Зырянов, В.Н. Чарушин, О.Н. Чупахин // Сборник тезисов «XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии». - 2019. - 1. - 1. С. 141 (0.1 п.л./0.014 п.л).
12. Moseev T.D. Transitional metall-free C-H/C-Li coupling of pentafluorophenyllithium with 1,2,4-triazines - pase method towards polyfluoroazaheterocyclic system / T.D. Moseev, M.V. Varaksin, D.S. Kopchuk, D.A. Gorlov, E.A. Nikiforov, I.A. Lavrinchenko, V.N. Charushin, O.N. Chupakhin // Book of abstract «4th Russian Conference on Medicinal Chemistry with international participants». - 2019. - P. 236 (0.1 п.л./0.012 п.л).
13. Moseev T.D. Photosphysical properties of green-emitting polyfluorinated 10-(1/-1,2,3- triazol-1-yl)pyrido[1,2-a]indole fluorophores / T.D. Moseev, M.V. Varaksin, D.S. Kopchuk, D.A. Gorlov, G.V. Zyryanov, A.P. Krinochkin, V.N. Charushin, O.N. Chupakhin // Book of abstract «Actual problems of organic chemistry and biotechnology». - 2020. - P. 271-272 (0.1 п.л./0.012 п.л).
14. Moseev T.D. Novel push-pull fluorophores based on polyfluoroaryl-modified 2//-imidazoles / T.D. Moseev, M.V. Varaksin, E.A. Virlova, V.N. Charushin, O.N. Chupakhin // Book «Mendeleev 2021». - 2021. - P. 606 (0.1 п.л./0.02 п.л).