Содержание к диссертации
Введение
2. Макроциклополифосфиты и фосфониты. Синтез, структура, химические свойства (литературный обзор) 8
2.1. Макрофосфоциклические системы, содержащие два фосфорных узла 8
2.1.1. Методы синтеза, не затрагивающие атом фосфора 8
2.1.2. Методы синтеза, затрагивающие атом фосфора 11
2.1.2Л. Метод молекулярной сборки 11
2.1.2.2. Метод прямого синтеза 21
2.1.2.3. Особые случаи синтеза, перегруппировки 25
2.2. Макрофосфоциклические системы, содержащие три фосфорных узла 27
2.3. Макрофосфоциклические системы, содержащие четыре и более фосфорных узлов 30
2.3.1. Синтез, не затрагивающий атом фосфора 30
2.3.2. Синтез, затрагивающий атом фосфора 34
2.3.2.1. Метод молекулярной сборки 34
2.3.2.2. Метод прямого синтеза 36
2.4. Химические свойства макроциклополифосфитов и фосфонитов 38
2.4.1. Окислительные реакции 39
2.4.2. Реакции замещения 40
2.4.3. Комплексообразование 42
3. Дизайн и химические особенности нафтофосфациклофанов (обсуждение результатов) 46
3.1.. Методы получения нафтофосфациклофанов 47
3.1Л. Метод молекулярной сборки 47
3.1.1 .1. Бисфосфорилирование нафталиндиолов 48
3.1.1.2. Циклофосфорилирование дигидроксинафталинов бисфос-фитами 51
3.1.1.3. Физико - химические свойства и структура нафтофосфациклофанов 54
ЗЛ.2. Метод прямого синтеза 56
3.1.3. Дисмутация бисамидофосфитов как метод получения циклофосфитов 59
3.1.3.1. Изучение дисмутации диамидоэфиров фосфористой кислоты с применением модельных систем 60
3.1.3.2. Дисмутация бисфосфорилированных бисфенолов 74
3.1.3.3. Дисмутация бисфосфорилированных дигидроксинафталинов.82
3.2. Синтез «неоднородных» фосфациклофа нов на основе дигидроксинафталинов 87
3.3. Особенности фосфорилирования я-диметилолбензола 92
3.4. Изучение возможности создания триядерных циклоамидофосфитов...96
3.4.1. Молекулярная сборка через трисарилоксидитионфосфат 97
3.4.2. Молекулярная сборка через диарилоксиамидотионфосфат 99
3.4.3. Одностадийный синтез через амидодиэфир
фосфористой кислоты 102
3.5. Химические свойства фосфанафтоциклофанов 104
3.5.1. Окислительные реакции 105
3.5.2. Комплексообразование 109
3.5.2.1. Комплексы с Мо(СО)6 109
3.5.2.2. Комплексы с Rh(acac)(CO)2 Ill
3.5.2.3. Комплексы с Pt(CH3CN)2Cl2 113
4. Экспериментальная часть 117
5. Выводы 156
6. Литература
- Методы синтеза, не затрагивающие атом фосфора
- Макрофосфоциклические системы, содержащие четыре и более фосфорных узлов
- Циклофосфорилирование дигидроксинафталинов бисфос-фитами
- Особенности фосфорилирования я-диметилолбензола
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из важных задач современной элементоорганиче-ской химии является развитие дизайна и изучение химических особенностей макроцик-лических соединений. Особое место среди большого разнообразия циклических систем занимают циклофаны. Это обусловлено способностью циклофанов образовывать координационные соединения с металлами и комплексы с нейтральными молекулами, а также возможностью создания на их основе селективных сорбентов и катализаторов.
Модификация молекул циклофанов путем введения в мостики гетероатомов оказывает существенное влияние на их свойства. Анализ литературных данных показал, что в настоящее время синтезировано значительное количество гетероциклофанов, в мостиках которых содержатся атомы серы, азота, кислорода, и гораздо меньше фосфацикло-фанов. Заметим, что в большинстве структур последних фосфор представлен в виде фосфиновых или фосфонитных функций. В связи с этим представляется актуальной задачей синтез и исследование свойств макроциклов типа фосфациклофанов, содержащих остатки фосфористой, фосфорной и тиофосфорной кислот. Этот новый тип полостных систем представляет особый интерес, который определяется перспективой их использования при исследовании фундаментальных вопросов реакционной способности и сте-реозависимости элементоорганических функций, возможностью создания оригинальных супрамолекулярных конструкций и реальностью получения молекулярных контейнеров для решения практических вопросов медицины и техники.
Цель работы. Целью данной работы является дизайн неизвестных ранее нафто-фосфациклофанов на основе дигидроксинафталинов и полных амидов фосфористой кислоты, подробное изучение специфического метода их синтеза - дисмутации бисамидо-фосфитов, исследование структурных и химических особенностей «однородных» и «неоднородных» нафтофосфациклофановых систем, а также установление связи между структурными параметрами и их способностью к комплексообразованию.
Научная новизна. Получены первые представители нового класса макроцикли-ческих систем - нафтиленциклоамидофосфитов, -фосфатов и -тионфосфатов. Определены закономерности дисмутации ариламидофосфитов и установлено, что это явление может использоваться для синтеза нафтиленциклоамидофосфитов. Впервые предложено три метода синтеза трисфосфанафтокраун-эфиров на основе 2,7 - дигидроксинафталина и полных амидов фосфористой кислоты, изучены некоторые особенности их химического поведения.
?0С НАЦИОНАЛЬНА* і
ИМИОТЄКА I
Ctkrepi 09
Практическая ценность. Изучение простейших фосфациклофановых систем открывает перспективы синтеза более сложных структур подобного типа и различных производных на их основе, которые, в свою очередь, могут использоваться для дизайна супрамолекулярных систем, координационных структур, а также представлять интерес для проведения каталитических и биохимических исследований. Показано, что использование амидного метода синтеза фосфациклофановых систем является наиболее удобным и результативным по сравнению с другими методами. Исследованная нами дисму-тация диамидофосфитов ароматических систем дает возможность осуществлять процессы циклизации.
Достоверность результатов. Научные выводы и положения, сформулированные в диссертации, надежно подтверждены экспериментально, а также данными физико-химических методов исследования сложных органических соединений (ЯМР, РСА, MALDI-TOF и т.д.) и являются достоверными, а их интерпретация - убедительной.
Апробация работы. Результаты работы были представлены и обсуждались на научных сессиях МПГУ (2003 г, 2004 г), на III молодежной школе - конференции по органическому синтезу «Органический синтез в новом столетии». С- Петербург, 2002, Международной конференции по химии соединений фосфора «Петербургские встречи -IV», С.-Петербург, 2002, XVII-ом Менделеевском съезде по общей и прикладной химии. Казань. 2003.
Публикации. По материалам диссертации имеется восемь публикаций.
Объём и структура работы. Диссертация изложена на страницахмашино-
писного текста, содержит/* таблиц и -ft рисунка. Список цитируемой литературы включает наименований. Работа состоит из введения, литературного обзора, посвященного макроциклополифосфитам и -фосфонитам, их синтезу, структуре и химическим свойствам, обсуждения результатов собственных исследований, экспериментальной части, выводов, списка литературы и приложения.
Методы синтеза, не затрагивающие атом фосфора
В общем случае молекулярная сборка (постадийное фосфорилирование) представляет собой создание линейных систем с последующим циклофосформированием. В данном случае используются производные трехвалентного фосфора, такие как дихлорангидриды, эфиры и амиды фосфористой и фосфонистых кислот. Среди всех перечисленных средств самими мягкими фосфорилирующими реагентами являются амиды. В отличие от хлорангидридов и эфиров, они не требуют специального удаления или связывания образующихся в результате фосфорилирования вторичных аминов. Существенно и то, что триамиды фосфористой кислоты способны взаимодействовать с фенолами уже при комнатной температуре. Отметим и то, что скорость ухода первой и второй амидогруппы практически равны [27,28]. Все это позволяет отнести фосфатриамиды к наиболее перспективным реагентам синтеза. В качестве ароматического блока в синтезе фосфамакроциклов использовались простейшие двухосновные фенолы (гидрохинон, резорцин, пирокатехин), диолы с разделенными в пространстве ароматическими ядрами (4,4 - окси фенил сульфид, 2,2 - ди(« - гидроксифенил)пропан (ДИАН), 4,4 - дигидроксибифенил и др.) и ди-гидроксинафталины с удаленными в пространстве гидроксигруппами.
Первая работа по фосфорилированию гидрохинона относится к 1971 г [29]. Однако авторы не упоминают о возможности создание циклической структуры, а лишь изучают химизм элементарного акта фосфорилирования при длительном нагревании смеси гидрохинона и диамидоэфиров фосфористой кислоты.
Создание на основе гидрохинона (VI) циклической системы (VII), относящейся к классу простейших фосфациклофанов описано уже в 2000 г [30]. При синтезе циклоамидофосфитов на основе гидрохинона применялся метод молекулярной сборки. На первой стадии молекулярной сборки (при соотношении реагентов 1:2) наблюдается образование смеси линейных бис (VIII) - и монофосфитов гидрохинона (IX). Вторая же стадия завершается циклизацией, без образования побочных линейных олигомерных продуктов: он
Бисфосфорилированный продукт (VIII) может выделяться перегонкой в глубоком вакууме (10 мм рт. ст.) или использоваться без выделения. Это связано с тем, что наличие монофосфорилированного продукта (IX) не оказывает существенного влияния на выход циклофосфита (VII), так как он сам вступает в циклизацию.
Циклоамидофосфиты на основе гидрохинона являлись твердыми, легкоплавкими, но малорастворимыми соединениями, неустойчивыми при хранении. Очевидно, это связано с самой структурой циклов, в которых ароматические кольца находятся друг против друга и вся система очень напряжена. Отмечено, что при переходе от этильного радикала у атома азота к метильному, растворимость циклоамидофосфитов (VII) резко уменьшается.
Все полученные соединения охарактеризованы методам спектроскопии ЯМР 3Н и 3,Р, и данными элементного анализа. Рассмотрены реакции окисления и ком-плексообразования с Мо(СО)б.
При фосфорилировании резорцина (X) полными амидами фосфористой кислоты при комнатной температуре в ацетонитриле и диоксане, при соотношении реагентов 1:2 происходит образование двух продуктов реакции: бисфосорилированного (XI) и монофосфорилированного (XII) резорцина, которые были выделены и охарак-теризованны в виде их тионпроизводных (XIII, XIV) [31,32].
Бисфосфорилированный продукт (XI) вступает во взаимодействие с добавляемым к реакционной массе резорцином (X), а незначительные количества монофосфорилированного продукта (XIII) вступает в циклизацию. В результате этих параллельных процессов происходит образование циклофосфита (XV):
Макрофосфоциклические системы, содержащие четыре и более фосфорных узлов
Однако, в отличие от синтеза циклотрисфосфита на основе резорцина (XLII1), в данной работе присутствует ряд особенностей. Синтез проводится при 120С, без растворителя, с выходом 95%, что вызывает сомнения, так как известно, что при таких условиях происходит образование полимеров [63]. Целевые продукты охарактеризованы только данными спектроскопии ЯМР Р и масс-спектрометрии (метод электронного удара).
В работах [44] описывается создание макроциклических систем на основе мо-ноэфирдихлорангидридафосфористой кислоты и бисфенолов (XXXVII): Синтез осуществляли в толуоле за 24 ч при комнатной температуре в присутствии триэтил амина. Как уже отмечалось выше, в данном случае образуется смесь димерного и тримерного продуктов. Трисфосфит (XXXIX), выделенный с выходом 31%, содержит цис, цис - и цис, транс-изомеры в соотношении 1:10, разделенные методом колоночной хроматографии. Изомеры соединения (XXXIX) охаракгеризованы методами спектроскопии ЯМР Н, С, элементным анализом и измерением молекулярной массы.
Дальнейшее расширение внутренней полости молекулы приводит как к увеличению потенциальной комплексообразующей способности циклических систем с малыми молекулами, так и к искажению общей конформации макроцикла [64]. Варьируя условия проведения эксперимента и применяя в качестве исходных соединений молекулы с различными заместителями, возможно создание систем с различным числом элементарных звеньев в цикле. Основной метод, применяемый в этом случае 31 это прямой синтез. Так, взаимодействие между диальдегидом трифенилфосфиноксида (XLV) и фосфодигидразинаом (II) в сухом метаноле или метиленхлориде при комнатной температуре образуется макроцикл (XLVI) [65]:
Продукт (XLVI) охарактеризован методами спектроскопии ИК, ЯМР Н, ЬС и элементным анализом. Изучены реакции комплексообразования и присоединения халькогенов к неподеленноЙ электронной паре фосфинового центра.
Взаимодействие между фосфодигидразином (II) и бис(2-формилфенил)фе-нилфосфонатом (XLVII) при комнатной температуре в метаноле или метиленхлориде приводит к макрогетероциклу (XLVIII) [66]:
Как отмечалось ранее [25], использование производных хлортионфосфорной кислоты и проведение реакции при пониженной температуре приводит к циклам, содержащем два фосфорных узла (V). Такие макроциклические системы возможно син 32 тезировать, также применяя метод прямого синтеза, но при этом изменяя окружения атома фосфора (см. главу 2.3.2.2). Для дальнейшего расширения полости цикла используется и-изомер диальдегида (XLVII). Образующиеся соединения также исследованы методами спектроскопии ИК, ЯМР Н, 13С, 3Ри охарактеризованы элементным анализом. Рассмотрены реакции образования квазифосфонивых солей и реакции силилирования [65].
Введение дополнительных реакционноспособных групп в гетероалифатиче-ские мостики циклической системы приводит к расширению функционализации образующихся систем. Так, при взаимодействии фосфотригидразина (XLIX) с бис(4 -формилфенил)фенилфосфонатом (XLVII) при соотношении реагентов 2:3 в ТГФ при комнатной температуре образуются бициклические криптанды (L) [67]: Ph L Соединения (L) получаются с хорошим выходом (около 60%), его строение и индивидуальность доказаны методами ИК, ЯМР !Н и 3С и масс спектроскопии.
В структурном отношении крайне интересными являются объемные макроби-циклические конструкции, совмещающие в себе как свойства криптандов, так и краун - эфиров [68]. В данном случае синтез осуществляется через циклические триазолы или хлортионфосфаты (LI) с последующей конденсацией с тетрафенилдифосфинами (LII):
Реакции протекают при комнатной температуре, при этом изменяя цепочку дифосфина (LII) можно получить серию продуктов (LIII). Например, при R = С\ или N3 и Z = (СНг)б образуются вещества полимерной природы и криптанды (LIIJ) в чистом виде выделить не удается. Однако при использовании R = С6Н5, a Z = (СН2)20(СН2)20(СНз)2 криптанды (LIII) получаются с хорошим выходом. Получен-ные бициклические конструкции содержат три различных типа фосфорных узлов, что в значительной степени расширяет круг их использования. Полученные криптанды (LIII) были охарактеризованы методами ИК, ЯМР Н, 13С и масс-спектроскопии, а также данными элементного анализа.
Циклофосфорилирование дигидроксинафталинов бисфос-фитами
Все бисамидотионфосфаты (11 - 13) выделены методом колоночной хроматографии с выходами 45 - 65%. Их индивидуальность и строение доказаны методами ТСХ, ЯМР 31Р и Н, элементным анализом, а также РСА. В спектрах ЯМР " р производных 2,6-дигидроксинафталина (11) наблюдался один синглетный сигнал в диами-дотионфосфатной области. В спектрах ЯМР Н (11 - 13) содержался один набор сигналов для протонов ароматических ядер и два набора сигналов для протонов алкиль-ных групп, что свидетельствует об их различном расположении относительно плоскости ароматического фрагмента.
У производных несимметричных 1,6-дигидроксинафталина (12) и 1,3-дигид-роксинафталина (13) в спектрах ЯМР 31Р наблюдалось по два сингл етных сигнала с одинаковым соотношением интегральных интенсивностей с разницей химических сдвигов 1 м.д. В спектрах ЯМР ]Н наблюдался один набор сигналов для протонов ароматических ядер (все шесть протонов ароматической группы неэквивалентны) и удвоенные сигналы для протонов алкильных групп, что также связано с их неэквивалентностью. Бис(тетраметилдиамидотионфосфатокси)нафталины 12 а и 13 а являются кристаллическими веществами и, как показал РСА, в молекуле 1,6-бис(тетраметилди-амидотионфосфатокси)нафталина (12 а) ароматические кольца плоские, углы OPN различаются между собой на 3, атомы серы расположены по одну сторону плоскости ароматических колец, тогда как атомы фосфора расположены по-разному - Р над плоскостью, а Р2 на уровне плоскости ароматических колец (рис. 1, 1а). В молекуле 1,3 бис(тетраметилдиамидотионфосфатокси)нафталина (13 а) ароматические кольца плоские, углы OPN различаются между собой на 4.6, атомы серы расположим по разные стороны плоскости ароматических колец, тогда как атомы фосфора расположены по-разному - Р1 на уровне плоскости, а Р2 повернут на 20 относительно плоскости ароматических колец (рис. 2, 2а).
Циклофосфорилирование дигидроксинафталинов бисфосфитами Синтез циклобисамидофосфитов (8 - 10) методом молекулярной сборки завершается реакцией бисамидофосфита (5 - 7) с эквивалентным количеством исходного нафтодиола (стадия Б). Контроль за ходом реакции осуществляется методом ЯМР Р. Стадия циклизации длится от 5 часов для метальных производных до двух суток для морфолильных производных.
Образующиеся циклобисамидофосфиты (8 - 10) отделяются из ацетонитриль-ного раствора в виде вязких масел. Выход циклических продуктов составляет 70 -85%.
Циклобисамидофосфиты (8 - 10) представляют собой аморфные порошки или маслообразные соединения. Их индивидуальность, состав и строение подтверждены данными элементного анализа, ТСХ, спектроскопии ЯМР 31Р, 1Н, 13С, определением молекулярной массы.
В спектрах ЯМР 31Р для циклобисамидофосфитов (8) зарегистрировано по одному синглетному сигналу в области, характерной для моноамидодиэфиров фосфористой кислоты с ароматическими радикалами [74]. Этот факт говорит о полной эквивалентности атомов фосфора. В спектрах ЯМР Н наблюдается один набор сигналов для всех групп протонов. Данные спектроскопии ЯМР, довольно высокие температуры плавления ( 200С) и анализ литературных данных по нафталинофанам [13,75,76] говорят в пользу того, что ароматические кольца находятся друг против друга и практически заслонены. Необходимо отметить, что в ряду радикалов метил - этил — пипе-ридил - морфолил температура плавления падает.
При циклофосфорилировании производных 6, 7 на основе несимметричных 1,6-и 1,3-дигидрокеинафталинов можно ожидать образования двух структурных изомеров: с попарным (ос,а,р,Р) и последовательным (сс,р\а,р) соединением гидро-ксигрупп в цикле [50,72]. Однако наши ожидания не подтвердились. Так, в спектре ЯМР 31Р имелось по одному синглетному сигналу в соответствующей области, а в спектрах ЯМР ]Н и 13С - один набор сигналов для соответствующих групп атомов. При анализе растворов методом ТСХ с применением различных элюентов имелось только одно пятно, что может свидетельствовать об образовании одного продукта.
Особенности фосфорилирования я-диметилолбензола
Изучив процесс дисмутации простейших диамидоэфиров фосфористой кислоты, мы предприняли попытку распространить данный процесс на бисдиамидофосфи-ты двухосновных фенолов, не содержащих конденсированных ароматических колец. В качестве ароматической компоненты в данном случае были выбраны резорцин (28), как моноядерный аналог 1,3—дигидроксинафталина, гидрохинон (29), имеющий гид-роксигруппы в пара-положении, 4,4 -дигидроксибифенил (30), ароматические ядра которого связаны ст - связью, [4-(гидроксиметил)фенил]метанол (31), содержащий два метиленовых звена и фактически не являющийся ароматическим спиртом, и 2,2-ди(я-гидроксифенил)пропан (ДИАН) (32), имеющий мостиковый атом углерода между ароматическими ядрами.
Для получения соответствующих бисфосфитов в качестве фосфорилирующих агентов были выбраны гексаэтилтриамид (4 б), как наиболее удобный в работе и имеющий оптимальное время фосфор ил ирования, и трипиперидид фосфористой кислоты (4 в), для сравнительной характеристики алифатических и гетероциклических заместителей. Процесс бисфосфорилирования вышеуказанных диолов осуществлялся в различных органических растворителях, таких как ацетонитрил, метиленхлорид, 1,4 - диоксан и диэтиловый эфир при соотношении реагентов 1:2.
Образующиеся на первом этапе бисфосфорилированные продукты (33-35) использовали без выделения. Контроль за ходом реакции осуществляли методом ЯМР 31Р. По исчезновении сигнала от полного амида и накоплению сигнала от диамидо-эфира фосфористой кислоты в области 128 -132 м.д. судили о прохождении процесса.
При стоянии реакционной массы в спектре ЯМР jlP наблюдали исчезновение сигналов в области 128 - 132 м.д. и накопление сигналов, характерных для моноами-додиэфиров фосфористой кислоты с химическим сдвигом 135 — 140 м.д., а также сигнала полных амидов фосфористой кислоты в области 115 - 118 м.д. Исходя из результатов предыдущих исследований, процесс можно описать следующей схемой:
В большинстве случаев процесс дисмутации начинался, когда еще бисфосфо-рилирование не доходило до конца. Это может свидетельствовать о том, что процесс образования циклоамидофосфита (36 - 38) может являться более энергетически выгодным, нежели само бисфосфорилирование.
Растворитель, как и в случае простейших диамидоэфиров фосфористой кислоты, оказывает приоритетное влияние на время дисмутации. Наименьшее время перехода (33 - 35) в (36 - 38) наблюдается в метиленхлориде, а наибольшее - в 1,4-диоксане. Исключение составляют производные 4,4 -дигидроксибифенила (35), для которых дисмутация в 1,4—диоксане проходит быстрее всего. Для производных гидрохинона в случае диэтилового эфира и 1,4-диоксана дисмутация проходит только на 30% - 45%, после чего процесс прекращается. Повышение температуры реакциоЕшой массы и увеличение концентрации реагентов в широких пределах не приводит к дальнейшему прохождению реакции. Мы полагаем, что в данных растворителях в ходе реакции происходит образование стабильных межмолекулярных ассоциатов бис-фосфорилированных продуктов (34) с образующимися циклоамидофосфитами (37), что приводит систему к состоянию квазиравновесия. Вероятно, что ключевую роль здесь играет поляризующая и сольватирующая способность растворителя. В метилен-хлориде, 1,4—диоксане и диэтиловом эфире растворимы как исходные вещества (33 -35), так и продукты реакции (36 - 38). В таблице 9 приведено время полной дисмута-ции соединений (33 - 35).
Амидный заместитель у атома фосфора и ароматический радикал, как видно из таблицы, также оказывают влияние на время дисмутации. Так, при наличии N-этильного заместителя у атома фосфора ароматические радикалы по уменьшению времени, затраченного на дисмутации их бисфосфорилированных производных, можно расположить в ряд: бифенил резорцин гидрохинон. В случае же пиперидильно-го радикала ряд имеет вид: резорцин бифенил гидрохинон. Вероятно, это связано с изменением исходной сопряженной системы, которая, как мы полагай, играет важную роль в процессе данной перегруппировки, и природой уходящего фосфорного фрагмента.
Было показано, что по своим физико-химическим характеристикам продукты (36 б - 38 б) полностью соответствовали описанным ранее в литературе [32,60]. Так как соединения (36 в - 38 в) были получены нами впервые, то для полной идентификации полученных циклических структур была проведена сульфуризация реакционной массы: