Введение к работе
Актуальность проблемы. Современная органическая химия оперативно реагирует на запросы микроэлектроники, фармацевтической и других отраслей промышленности по конструированию и синтезу новых материалов, обладающих уникальными свойствами. Актуальной является разработка методик получения таких веществ, характеризующихся меньшей стадийностью, безопасностью, повышенной селективностью.
Полициклические ароматические соединения, которые можно рассматривать как производные структуры аценафтена, пери-аннелированные бензольным кольцом, привлекают внимание химиков и материаловедов, поскольку являются мельчайшими структурными единицами, моделирующими орбитальные и физико-химические свойства фуллеренов и углеродные нано-трубки. Вместе с производными пирена такие соединения могут быть использованы в качестве флуоресцентных зондов и светочувствительных элементов в различных биохимических анализах. Однако из-за низкой растворимости в воде и сильной канцерогенности потенциал этих структурных фрагментов для цитологического применения и использования в живых организмах ограничен. Проблема может быть решена за счет частичного замещения углерода атомами азота с получением ароматических полигетероциклических молекулярных структур с улучшенной растворимостью и более низкой метаболической стабильностью.
В последнее десятилетие повышенное внимание многих исследовательских групп направлено на разработку новых -сопряженных органических материалов для применения в таких электронных и оптоэлектронных устройствах, как светоиспускающие диоды (LEDs), полевые транзисторы (FETs) и эффективные и экономически выгодные солнечные батареи. Среди прочих конденсированных полициклических систем тетраазапирены благодаря хорошему сочетанию окислительно-восстановительных и фотохимических свойств имеют серьезную перспективу использования в качестве новых люминесцентных материалов в датчиках, лазерах и полупроводниковых устройствах. В то же время синтетические подходы к этому гетероциклическому ядру ограничены малым количеством надежных методов.
В лаборатории «Новых синтетических методов» кафедры химии СевероКавказского федерального университета накоплен значительный опыт в разработке оригинальных синтетических подходов к различным азотным аналогам пирена, 1H-циклопента[cd]феналена и 1H-бензо[a]флюорена. Настоящая диссертационная работа посвящена синтезу полиядерных азотсодержащих гетероциклических соединений по реакции электрофильно-активированных нитроалканов с ароматическими нуклеофилами в полифосфорной кислоте.
Цель работы: Разработка методов получения полиядерных азотсодержащих гетероциклических соединений путем пери-аннелирования с использованием активированных полифосфорной кислотой нитроалканов.
Для ее достижения предполагалось решить следующие основные задачи:
-
Разработка эффективных методов синтеза 6H-пиролло[2,3,4-gh]перимиди-нов на основе пери-аннелирования одного (пиррольного) цикла.
-
Разработка эффективных методов синтеза 6H-пиролло[2,3,4-gh]перимиди-нов на основе двойного пери-аннелирования.
-
Поиск новых селективных подходов к получению 1,3,6,8-тетраазапиренов.
-
Разработка методов синтеза 6,7-дигидро-1H-циклопента[gh]перимидинов.
-
Установление строения полученных соединений комплексом методов физико-химического анализа.
Научная новизна. Разработаны методы синтеза 6H-пирроло[2,3,4-gh]пе-римидинов, основанные на серии one-pot и каскадных преобразований, реализующихся в результате нетипичного электрофильного поведения активированных полифосфорной кислотой нитроалканов. Эти трансформации включают перегруппировки Шмидта и Бекмана с участием полифосфорной кислоты, реакции прямого электрофильного аминирования азидами и ацетамиди-рования нитроалканами, а также N-Неф реакции. Впервые данные трансформации были оформлены в многостадийные one-pot процессы увеличивающейся сложности. Подтверждена универсальность полифосфорной кислоты как «умной» реакционной среды.
Разработан эффективный и хемоселективный метод синтеза тетраазапире-нов на основе взаимодействия 6,7-диаминоперимидинов или 1,4,5,8-тетра-аминонафталина с нитроалканами. Эта реакция демонстрирует любопытный пример активации с помощью полифосфорной кислоты нитроалкановых функциональных групп по отношению к нуклеофильной атаке. Показано, что электрофильно активированный нитроалкан играет также роль умеренного и эффективного окислителя, обеспечивая ароматизацию и позволяя исключить плохо управляемую аэробную стадию окисления.
Разработан и апробирован новый one-pot подход к 6,7-дигидро-1H-цикло-пента[gh]перимидинам, включающий реакцию электрофильно-активированных нитроалканов с 1,2-дигидроаценафтен-5,6-диамином (N-Неф) и последующую внутримолекулярную циклокондесацию с образованием гетероарома-тического цикла. Показано, что реакция протекает очень эффективно, давая требуемые продукты с высокими выходами. Также показана возможность активации с помощью полифосфорной кислоты нитроалкановых функциональных групп по отношению к нуклеофильной атаке бинуклеофилами.
Практическая значимость работы состоит в разработке новых эффективных методов синтеза нескольких групп полиядерных азотсодержащих гетеро-органических соединений.
Методология и методы. В работе использованы классические и новые подходы к синтезу органических соединений и современные методы физико-химического анализа.
На защиту выносятся:
-
Новые высокоэффективные методы синтеза 6H-пиролло[2,3,4-gh]перими-динов.
-
Новый хемоселективный подход к получению 1,3,6,8-тетраазапиренов.
-
Однореакторный метод получения 6,7-дигидро-1H-циклопен-та[gh]пери-мидинов.
Достоверность полученных результатов. Строение синтезированных соединений установлено с помощью 1H и 13С ЯМР-спектроскопии (в том числе HSQC 1H-13C и HMBC 1H-13C), ИК-спектроскопии, масс-спектрометрии высокого разрешения, данных рентгеноструктурного анализа, что подтверждает достоверность полученных результатов.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на I Всероссийской молодёжной школе-конференции «Успехи синтеза и ком-плексообразования» (Москва, 2016), международной конференции «DOC1C-2016» Dombay organic conference cluster (Домбай, 2016), V международной конференции «Техническая химия. От теории к практике» (г. Пермь), XX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Екатеринбург, 2016), Всероссийской юбилейной конференции с международным участием, посвященной 100-летию Пермского университета «Современные достижения химических наук» (г. Пермь), научной конференции WSOC-2017 «Марковни-ковские чтения. Органическая химия: от Марковникова до наших дней» (Москва, 2017), школе-конференции молодых ученых с международным участием «V Научные чтения, посвященные памяти академика А.Е. Фаворского» (Иркутск, 2017), IV международной научной конференции «Успехи синтеза и комплексообразования» (Москва, 2017).
Публикации.1 Основное содержание работы изложено в 3 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования основных результатов кандидатских и докторских диссертаций, 9 статьях и тезисах докладов международных и всероссийских конференций.
Поддержка. Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (соглашение № 02.-А03.-21.0008, проектная часть
Автор выражает благодарность своему научному консультанту, к.х.н. Аксенову Н.А.
Госзадания, грант № 4.1196.2017), а также Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 16-03-00177а и 16-3300483 мол_а).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 124 страницах, иллюстрирована 62 схемами, 3 таблицами и 12 рисунками.