ВВЕДЕНИЕ 3
1. Полифтор(аза)ароматические соединения: методы синтеза путем конструирования новых С-С связей и свойства (Литературный обзор) 9
1.1 Катализируемые переходными металлами С-Н/С-Х сочетания 12
1.2 Катализируемые переходными металлами С-Н/С-Н сочетания 36
1.3 Некатализируемые переходными металлами С-М/С-Х сочетания 51
1.4 Некатализируемые переходными металлами С-М/С-Н сочетания 53
2. Синтез и исследование свойств пентафторфенил-замещенных
азагетероциклических производных (Обсуждение результатов) 58
2.1 Некатализируемые переходными металлами С-ЕЕС-Н сочетания
пентафторфениллития с моно-, ди- и триазинами, а также их Х-оксидами в синтезе новых пентафторфенил-модифицированных азинов 58
2.2 Некатализируемые переходными металлами С-ЕЕС-Н сочетания
пентафторфениллития с 1,2,4-триазинами в синтезе пентафторфенил-модицифицированных азагетероциклов 64
2.2.1 Синтез и фотофизические свойства пентафторфенил-функционализированных
2,2’-бипиридинов 64
2.2.2 Синтез и фотофизические свойства пентафторфенил-функционализированных
10-(1Я- 1,2,3-триазол-1 -ил)пиридо[1,2-а]индолов 84
2.3 Некатализируемые переходными металлами С-ЕЕС-Н сочетания
пентафторфениллития с 2Н-имидазол-1-оксидами в синтезе новых пентафторфенил- модифицированных азолов 91
2.3.1 Синтез и фотофизические свойства пентафторфенил-модифицированных 2Н- имидазолов и их Х-оксидов 91
2.3.2 Синтез, фотофизические и хемосенсорные свойства пентафторфенил-
модифицированных 2Я-имидазолов с протяженной системой сопряженных п-связей 102
3. Экспериментальная часть 121
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 158
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ 160
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Актуальность и степень разработанности темы исследования
Полифторароматические соединения сегодня находят широкое применение в различных областях науки и техники: как перспективные объекты для медицинской химии, средства защиты растений, активные компоненты функциональных материалов для молекулярной электроники. Введение фторсодержащих фрагментов позволяет конструировать перспективные высокостабильные органические соединения и материалы на их основе с заданными свойствами, решая тем самым задачи повышения биодоступности, уменьшения токсичности фармакоактивных молекул, появления практически ценных фотофизических свойств (внутримолекулярного переноса заряда, сольватохромизма и т.д.) функциональных материалов.
Для получения как известных, так и новых фторароматических соединений и их функциональных производных особое внимание уделяется разработке удобных и эффективных синтетических приемов. Ключевым критерием при этом является соответствие предлагаемых подходов базовым принципам зеленой химии в части минимизации техногенной нагрузки на окружающую среду, а также атомной и стадийной экономичности. В настоящее время 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 = И, Вг, I, В-(ОН)2 и т.д.) и С-Н/С-Н сочетания, а также аналогичные С- Н(М)/С-Х = Li, MgBг) процессы, реализуемые в отсутствии переходных металлов.
Согласно литературным данным наиболее перспективными соединениями в плане практически полезных свойств (флуорофоры, хемосенсоры, металлокомплексы и т.д.) являются те молекулы, в которых полифторароматический фрагмент напрямую связан с азагетероциклическим. В то же время примеры использования литийпроизводных полифторароматических соединений для некатализируемой переходными металлами нуклеофильной С(sp2)-H функционализации азагетероциклических субстратов недостаточно распространены. В связи с этим 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 ^№), аза-Дильса- Альдера, сочетания по реакции Сузуки-Мияуры, структурные трансформации под действием аринов.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
- аналитический обзор литературных источников по методам получения полифторароматических соединений посредством построения новых С-С связей и свойствам продуктов сочетания;
- 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:
- литийпроизводное пентафторбензола, выступающее в роли ключевого нуклеофильного реагента;
- гетероароматические Ы-оксиды моно-, ди- и триазинов (хинолин-Ы-оксид, хиноксалин-Ы-оксид, фталазин-Ы-оксид, 1,2,4-триазин-4-оксид), их неокисленные формы (производные 1,2,4-триазинов) и 2#-имидазол-1-оксиды, выступающие в роли субстратов для нуклеофильной С(зр2)-Н функционализации;
- пентафторфенил-замещенные 1,2,4-триазины, 2,2’-бипиридины, пиридо[1,2-а]индолы и 2Я-имидазолы как целевые продукты для изучения свойств.
Научная новизна и теоретическая значимость работы
Впервые было проведено комплексное исследование реакционной способности пентафторфениллития в некатализируемых переходными металлами реакциях С-Ы/С-Н сочетания с азагетероциклическими субстратами, в частности, 1,2,4-триазинами, моно-, ди- и триазин-Ы-оксидами, а также 2#-имидазол-Ы-оксидами, исследованы особенности Бн 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, для синтеза пентафторфенил-модифицированных 2,2’-бипиридинов или арин-инициируемой трансформации, их аннелированных аналогов и производных пиридо[1,2-а]индолов.
Впервые была проведена реакция нуклеофильного замещения водорода (8ын) в субстратах неароматической природы (2#-имидазол-1-оксидах) под действием пентафторфениллития. Показано, что данная реакция может быть проведена как по схеме «присоединение - отщепление» (8хн АЕ) с получением пентафторфенил-модифицированных 2#-имидазолов, так и по схе «присоединение - окисление» (8хн АО) с образованием функционализированных 2#-имидазол-1-оксидов.
Разработана синтетическая стратегия для получения флуорофоров на основе пентафторфенил-замещенных 2#-имидазолов с расширенной системой п-сопряжения, посредством комбинирования реакции Бн и сочетания по Сузуки-Мияура.
Продемонстрирована возможность использования полученных пентафтор- модифицированных лигандных систем в синтезе перспективных металлокомплексов меди, марганца и кобальта различной архитектуры для электрокатализа.
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, 2#-имидазолов. Для производных 2Я-имидазолов были изучены флуорометрические сенсорные свойства для определения pH растворов и многокомпонентных смесей (в частности, в слюне человека), расчетными методами был подтвержден обратимый механизм разгорания/тушения (Шгп-оп/Шгп- о£5) флуоресценции в зависимости от значения pH.
Практическая значимость работы
Разработанные синтические схемы, состоящие из комбинации нескольких методологических подходов, в которых пентафторфенильный фрагмент вводится в азагетероциклический субстрат посредством реакции нуклеофильного замещения водорода (8хн), позволяют проводить направленный синтез перспективных полифторорганических молекул.
Выявленные закономерности между свойствами и структурой соединений позволяют рассматривать синтезированные пентафторфенил-модифицированные азагетероциклические соединения 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: реакция нуклеофильного водорода (8хн) в азагетероциклических субстратах под действием пентафторфениллития, реакция аза-Дильса-Альдера, Сузуки-Мияуры и структурные трансформации под действием аринов.
Для исследования свойств и определния 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-Н-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 2Я-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.
Степень 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 изложено в 7 статьях в журналах, индексируемых библиографическими базами Scopus и Web of Science, определенных ВАК РФ, а также в 7 тезисах международных и всероссийских конференций.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 181 странице, состоит из введения, трех глав: литературный обзор (глава 1), обсуждение результатов (глава 2), экспериментальная часть (глава 3), заключение, список сокращений и условных обозначений. Диссертация содержит 74 схемы, 21 таблицы, 37 рисунков. Библиографический список цитируемой литературы содержит 149 наименований.
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-Ы/С-Н 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 (БН) в их ^оксидных формах. Показано, что в случае 1,2,4-триазин-4-оксидов данные превращения могут быть проведены с сохранением ^-оксидной группы в продукте реакции.
Разработана синтетическая 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 БН в 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 (8ыН) под действием пентафторфениллития. Было показано, что протекание данных реакций может проходить либо по схеме «Присоединение - Отщепление» (БН АЕ) с получением пентафторфенил- модифицированных 2Н-имидазолов, либо по схеме «Присоединение - Окисление» (БН АО) с сохранением оксидной группы в продукте реакции. Кроме этого, была предложен синтетический подход получения флуорофоров на основе пентафторфенил-модифицированных 2Н-имидазолов с удлиненной системой п-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.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
