Содержание к диссертации
Введение
1. Введение 8
1.1. Актуальность темы исследования 8
1.2. Степень разработанности темы исследования 8
1.3. Цели и задачи 9
1.4. Научная новизна 9
1.5. Теоретическая и практическая значимость 10
1.6. Методология и методы исследования 11
1.7. Положения, выносимые на защиту 12
1.8. Степень достоверности и апробация результатов 13
1.9. Публикации 13
1.10. Объём и структура диссертации 17
2. Обзор литературы 18
2.1. Строение фуллеренов 18
2.2 Основные принципы реакционной способности фуллеренов 19
2.3. Реакции галогенирования фуллеренов С60 и С70 22
2.3.1. Фторирование фуллерена С60 23
2.3.2. Фторирование фуллерена C70 33
2.3.3. Хлорирование фуллеренов 34
2.3.4. Бромирование фуллеренов 41
2.3.5. Галогениды трифторметилфуллеренов 43
2.3.6. Йодпроизводные фуллерена С60 45
2.3.7. Галогениды фуллеренов, строение молекул которых не подчиняется правилу изолированных пентагонов. 46
2.4. Галогенфуллерены как прекурсоры для синтеза производных С60 и С70 49
2.4.1. Химические свойства хлорфуллерена С60Cl6 51
2.4.2. Химические свойства хлоридов фуллерена С70 – С70Cl10 и С70Cl8 60
2.4.3. Химические свойства фторфуллерена C60F18 63
2.4.4. Химические свойства фторфуллеренов С60F36 и С60F48 71
2.5. Заключение. Обоснование цели и задач данной работы 72
3. Обсуждение результатов 73
3.1. Синтез траннуленов и исследование их химических свойств. 73
3.1.1. Получение водорастворимых траннуленов 73
3.1.2. Исследование химических свойств траннуленов С60F15R3 86
3.2. Химические превращения хлорфуллеренов C60Cl6 и С70Cl10. 97
3.2.1. Синтез цианофуллерена [C60(CN)5]-[NEt4]+ 97
3.2.2. Взаимодействие хлорфуллерена C60Cl6 со спиртами в присутствии четвертичных аммонийных солей и третичных аминов 101
3.2.3. Взаимодействие хлорфуллеренов C60Cl6 и С70Cl10 с тиолами 109
3.2.4. Взаимодействие хлорфуллеренов C60Cl6 и С70Cl10 с фосфитами 118
3.3. Исследование пути протекания реакций хлорфуллеренов C60Cl6 и С70Cl10 со спиртами, тиолами и фосфитами. 131
3.3.1. Исследование пути протекания реакции хлорфуллерена C60Cl6 со спиртами в присутствии четвертичных аммонийных солей и третичных аминов. 132
3.3.2. Исследование пути протекания реакций хлорфуллеренов С60Cl6 и С70Cl10 с тиолами и фосфитами. 141
3.4. Перспективы практического применения производных фуллерена С60, полученных в рамках данной диссертационной работы 153
3.4.1. Фосфоновая кислота С60[P(O)(OH)2]5H (79) как перспективный проводник протонов для водородных топливных элементов. 153
3.4.2. Водорастворимые серо- и фосфорсодержащие производные С60 как перспективные материалы для биомедицинских приложений. 156
4. Экспериментальная часть 167
4.1. Исходные вещества 167
4.2. Приборы и оборудование 168
4.3. Методики синтеза соединений
5. Выводы 202
6. Список литературы 203
- Степень разработанности темы исследования
- Реакции галогенирования фуллеренов С60 и С70
- Исследование химических свойств траннуленов С60F15R3
- Перспективы практического применения производных фуллерена С60, полученных в рамках данной диссертационной работы
Введение к работе
Актуальность темы исследования. К настоящему времени среди производных фуллеренов
обнаружен широкий круг соединений с ценными свойствами, которые могут найти
практическое применение. Так, фуллерены и их производные уже используются в качестве
присадок в моторные масла и компонентов антивозрастных косметических средств.
Известны водорастворимые производные фуллеренов, зарекомендовавшие себя в качестве
перспективных противовирусных, антибактериальных, нейрозащитных препаратов,
эффективных средств для фотодинамической терапии рака. Кроме того,
фуллеренсодержащие соединения являются компонентами устройств органической электроники.
Для направленной модификации физических свойств производных фуллерена, например,
для придания им высокой растворимости в водных средах, необходимо одновременное
присоединение к фуллереновому каркасу нескольких органических аддендов, содержащих
различные функциональные группы. Классические методы функционализации фуллеренов,
основанные на реакциях циклоприсоединения по кратным связям фуллеренового каркаса,
позволяют селективно получать лишь продукты присоединения одного адденда
[V.N. Charushin et al. Mendeleev Commun. 2005. V.15. P.45], тогда как присоединение двух и
более циклов дает многокомпонентные сложно разделяющиеся смеси регио- и
стереоизомерных продуктов [D.K. Susarova et al. Sol. Energ. Mat. Sol. Cells 2014. V.120. P.30].
В противоположность реакциям циклоприсоединения, многие реакции галогенирования
фуллеренов протекают со 100% селективностью и количественными выходами [S.I. Troyanov
et al. Curr. Org. Chem. 2012. V.16. P.1060]. Подвижность атомов галогена, присоединенных к
фуллереновому каркасу, открывает большие возможности для химической
функционализации. Наиболее удобными предшественниками для синтеза
полифункциональных производных фуллеренов являются галогениды C60F18, C60Cl6 и C70Cl10, что связано с их структурными особенностями, растворимостью в органических растворителях и доступностью в граммовых количествах.
Ранее было показано, что реакция фторфуллерена С60F18 с некоторыми нуклеофилами приводит к образованию соединений, называемых траннуленами, в структуре которых наблюдается необычный тип «плоскостной» ароматичности [X.-W. Wei et al. Angew.Chem. Int. Ed. 2001. V.40. P.2989]. Благодаря своему уникальному строению траннулены являются интересным объектом фундаментальных и прикладных исследований. Так, траннулены поглощают свет в красной области спектра (т.е. свет, проникающий глубоко в живые ткани), что, в совокупности со способностью фуллеренов генерировать синглетный кислород с высоким квантовым выходом [J.W. Aborgast et al. J. Am. Chem. Soc. 1991. V.113. P.8886], делает их перспективными препаратами для фотодинамической терапии рака. Ранее траннулены были доступны лишь в миллиграммовых количествах, в результате чего их химические и биологические свойства не были исследованы.
На сегодняшний день изучены только некоторые реакции хлоридов C60Cl6 и C70Cl10 с С-, N- и О-нуклеофилами. В качестве эффективных методов синтеза полифункциональных производных фуллеренов можно рассматривать лишь арилирование С60Cl6 и С70Cl10
ароматическими углеводородами [О.А. Troshina et al. Org. Biomol. Chem. 2007. V.5. P.2783; PR. Birkett et al. J. Chem. Soc, Perkin Trans. 2. 1997. №6. P.1121; A.B. Kornev et al. Chem. Commun. 2011. V.47. P.8298], взаимодействие С60С16 с аминами [О.А. Troshina et al. Tetrahedron 2006. V.62. P.10147] и эфирами аминокислот [A.B. Kornev et al. Chem. Commun. 2012. V.48. P.5461]. Для решения актуальных задач в области медицинской химии и органического материаловедения необходима разработка новых подходов к химической функционализации углеродного каркаса, позволяющих синтезировать различные полифункциональные производные фуллеренов в граммовых количествах. Цели и задачи работы. Целью диссертационной работы являлась разработка новых методов химической трансформации галогенидов СeoFig, С60С16 и СтоСІю в функциональные производные фуллеренов Сео и Сто. В рамках поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
-
исследование химической трансформации фторфуллерена СeoFig в траннулены и изучение их реакционной способности;
-
исследование реакционной способности хлорфуллеренов С6оС16 и СтоСІю по отношению к органическим цианидам, фосфитам, тиолам и спиртам.
Научная новизна. Получены первые водорастворимые траннулены. Обнаружена уникальная реакция термической изомеризации траннуленов в триумфены. Впервые исследована реакция хлорфуллерена СбоСІб с органическими цианидами. Получена соль с фуллеренсодержащим анионом [С6o(CN)5]", стабильным по отношению к кислороду, влаге и другим электрофилам. Обнаружены и исследованы реакции хлорфуллеренов С60С16 и СтоСІю со спиртами, тиолами и фосфитами и на их основе разработаны высокоэффективные методы синтеза функциональных производных фуллеренов, в том числе водорастворимых соединений. Получена совокупность экспериментальных данных, свидетельствующих о радикальном механизме исследованных реакций. Показано, что синтезированные водорастворимые производные фуллерена Сео обладают низкой токсичностью и высокой ингибирующей активностью по отношению к ряду вирусов: гриппа А (H3N2), ВИЧ-1, ВИЧ-2, простого герпеса, вакцинии, респираторному синцитиальному вирусу. Теоретическая значимость работы. Обнаружена реакция термической изомеризации траннуленов С6oFi5R3 в триумфены, включающая три формальных 5-сдвига трёх органических аддендов R в молекуле траннулена, которые могут происходить внутримолекулярно или через образование тесной радикальной или ионной пары. Термическая изомеризация траннуленов открывает большие перспективы для синтеза новых триумфенов с алифатическими заместителями.
Показано, что реакция С6оС16 с органическими цианидами приводит к образованию солей, содержащих анион [C6o(CN)5]", стабильный не только во внешней среде, но и при воздействии органических и неорганических кислот и электрофилов. Известно, что соли с анионами Сбо11" (п=1-3) демонстрируют ценные свойства: металлическую проводимость, сверхпроводимость, ферромагнитное упорядочение спинов. Однако применению этих материалов на практике препятствует их высокая реакционная способность по отношению к кислороду и влаге воздуха. Эта проблема может быть решена посредством замены анионов Сео" на [C6o(CN)5]", стабильные по отношению к воздействию влаги и кислорода.
В работе установлено, что хлорфуллерен С60Cl6 гладко реагирует со спиртами в присутствии четвертичных аммонийных солей и третичных аминов. Показана возможность получения пяти типов продуктов (С60[OR]5H, C60[OR]5Cl, C60[OR]5Br, C60[OR]4O, С60[OR]2) при варьировании условий проведения реакции.
Обнаружены и исследованы реакции хлорфуллеренов C60Cl6 и C70Cl10 с тиолами и фосфитами. Получена совокупность экспериментальных данных, свидетельствующих об участии радикалов в реакциях с тиолами и фосфитами.
Практическая значимость работы. На основе реакций хлорфуллерена C60Cl6 с тиолами и фосфитами разработаны высокоэффективные методы, позволяющие получать разнообразные функциональные производные фуллерена С60, включая водорастворимые соединения, в граммовых количествах и часто без использования трудоёмкой хроматографической очистки.
Установлено, что кислота C60[P(O)(OH)2]5H является перспективным материалом для протонпроводящих мембран, на основе которых в дальнейшем могут быть созданы водородные топливные элементы, способные эффективно функционировать при повышенных температурах (65-100оС).
Показано, что синтезированные в рамках данной работы водорастворимые производные фуллерена С60 обладают низкой токсичностью в совокупности с высокой ингибирующей активностью по отношению к ряду вирусов, что открывает новые возможности для разработки перспективных лекарственных препаратов на их основе.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в постановке задач исследования; в проведении анализа литературных данных; в планировании и проведении экспериментов по исследованию реакций галогенидов фуллеренов с нуклеофилами и синтезу производных фуллеренов; в анализе, обсуждении и оформлении результатов исследований физико-химических и биологических свойств полученных соединений, подготовке статей к публикации и апробации работы. Спектры ЯМР были зарегистрированы д.х.н. А.С. Перегудовым (ИНЭОС РАН) и к.х.н. А.В. Черняком (АЦКП ИПХФ РАН). РСА кристаллов некоторых соединений был проведён д.х.н. С.И. Трояновым (МГУ им. М. В. Ломоносова). Характеризация соединений с помощью масс-спектрометрии осуществлена при содействии к.х.н. В.М. Мартыненко (ИПХФ РАН) и к.х.н. И.В. Сулименкова (ФИнЭПХФ РАН). Спектры ЭПР были зарегистрированы д.ф.-м.н. А.В. Куликовым (ИПХФ РАН) и к.х.н. Н.П. Пивень (ФИнЭПХФ). Острая токсичность водорастворимых соединений была изучена к.б.н. Д. В. Мищенко и сотрудниками группы экспериментальной химиотерапии опухолей ИПХФ РАН. Исследования противовирусной активности и цитотоксичности полученных соединений были проведены сотрудниками НИИ вирусологии им. Д.И. Ивановского: д.б.н. А.А. Кущ, к.б.н. Р.Р. Климовой, к.б.н. Н.Е. Фёдоровой, к.б.н. Е.В. Чичевым, а также профессором Яном Бальзарини и сотрудниками его лаборатории (Институт медицинских исследований, Католический университет г. Лёвена, Бельгия).
Апробация работы. Результаты работы были представлены и обсуждены на конкурсе научных работ им. С. М. Батурина (г. Черноголовка, 2015 г.) и следующих конференцияхV Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине», Троицк, 2012 г.; 3-ий Международный симпозиум «Молекулярная фотоника», Санкт-Петербург, Россия,
2012 г.; ІIІ конференция с элементами научной школы для молодежи «Органические и гибридные материалы», оздоровительный лагерь ИвГУ «Рубское озеро», 2013 г.; XII Международная конференция по наноструктурированным материалам (NANO 2014), Москва, Россия, 2014 г.; Международная конференция по исследованию материалов (EMRS-2015), Лилль, Франция, 2015 г.
Публикации. По материалам работы подготовлено 13 публикаций в рецензируемых научных журналах и получено 4 патента.
Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 214 страницах, включает введение, обзор литературы, обсуждение результатов, экспериментальную часть, выводы и список использованной литературы (205 библиографических записей). Текст содержит 101 рисунок, 14 таблиц и 73 схемы. Во введении обоснована актуальность темы исследования и дана оценка степени ее разработанности; сформулированы цели и задачи работы; раскрыта ее теоретическая и практическая значимость, а также методология и методы исследований; представлены положения, выносимые на защиту; дана оценка научной новизны полученных результатов; приведены сведения об апробации работы и список публикаций по теме работы. В Обзоре литературы дано краткое описание основных принципов построения и реакционной способности производных фуллеренов. Представлена подробная информация о реакциях галогенирования фуллеренов С60 и С70, кратко изложены методы синтеза галогенидов трифторметилфуллеренов и соединений фуллеренов, строение молекул которых не подчиняется правилу изолированных пентагонов. Детально рассмотрены химические свойства галогенидов фуллеренов и проанализированы перспективы их использования в качестве предшественников для синтеза различных полифункциональных производных фуллеренов. В экспериментальной части указаны использовавшиеся в работе приборы, дано описание экспериментальных методик, приведены физико-химические константы синтезированных веществ. Раздел «Результаты и обсуждение» состоит из четырёх подразделов, в которых изложены основные результаты работы.
Степень разработанности темы исследования
В 1985 году при масс-спектрометрическом анализе продуктов лазерного испарения графита была открыта молекулярная форма углерода, названная фуллереном.20 Молекулы фуллеренов представляют собой трёхмерные замкнутые каркасы, состоящие из 12 пятиугольных фрагментов (пентагонов), изолированных друг от друга посредством различного числа шестиугольных (гексагонов). Пятиугольные фрагменты, отсутствующие в слоистой структуре графита, обеспечивают замкнутость каркасов фуллеренов. Наименьшими и наиболее доступными среди фуллеренов являются Сео и Сто - молекулы, имеющие лишь по одному устойчивому структурному изомеру. Фуллерены С„ (п 76) называются высшими и существуют в виде ряда изомеров.21
Молекула Сео обладает икосаэдрической (h) симметрией, все атомы углерода в ней эквивалентны. В то же время, в молекуле Сбо присутствует всего два типа связей: 1) лежащие на границе двух гексагонов (6-6 связи); 2) лежащие на границе гексагона и пентагона (6-5 связи) (Рисунок 1). Согласно данным ряда экспериментальных и расчетных методов, 6-6 связи в каркасе Сбо значительно короче 6-5 связей, их длины равны 1.35 и 1.47 , соответственно. Поэтому 6-6 связи принято рассматривать как двойные, а 6-5 - как одинарные.22"25
Молекула С70 менее симметрична, чем С60 (D5h); в ней присутствуют 5 групп неэквивалентных атомов углерода и 8 различных типов связей (Рисунок 1). Длины связей в каркасе С70 различаются, но в меньшей степени, чем в случае фуллерена С60 (Таблица 1). Наличие в молекуле С70 большого числа неэквивалентных связей сильно осложняет ее химическую функционализацию. В реакциях фуллерена С70 обычно образуются смеси
Согласно теореме Эйлера, для существования замкнутой структуры из n шестиугольных фрагментов, она должна содержать 12 пятиугольных, за исключением случая n=1. изомерных продуктов, разделение которых представляет собой трудоемкую операцию (требующую, как правило, использования препаративной ВЭЖХ).
Последующими гомологами С60 и С70 являются фуллерены С72, С76, С78, С84 и т.д. Заметим, что для фуллеренов С60, С70 и С76 возможно существование только одного устойчивого изомера, тогда как для С78 их уже 5 (D3h(1), D3h(2), D3, C2v(1), C2v(2)), 24 – для C84 и 46 для С90.27
В отличие от С70 и высших фуллеренов, молекула С60 имеет высокую симметрию, что делает ее весьма привлекательным объектом для химической трансформации. В то же время, фуллерен С60 более доступен, чем С70 и практически не уступает ему по своим физическим характеристикам (сродству к электрону и др.). Поэтому из всех фуллеренов в основном лишь С60 широко используется в качестве «строительного блока» для создания функциональных производных фуллеренов.28,29.
Существует несколько путей химической модификации фуллеренов (Рисунок 2). Во-первых, по аналогии с графитом, фуллерены можно интеркалировать другими атомами и молекулами, размещая их в полостях решётки между объёмными фуллереновыми сферами. В отдельных случаях взаимодействия между фуллереном-хозяином и молекулой-гостем, присутствующим в решётке, очень слабы и не приводят к каким-либо существенным изменениям свойств фуллеренов (аддукты фуллеренов с растворителями, например С60.2С6Н5СН3; С60.3TiCl4 и С70.2TiCl4). Однако, если в качестве гостя выступает сильный органический донор или атом металла, происходит перенос одного или нескольких электронов с образованием солей, в которых роль анионной компоненты выполняет фуллерен в различных зарядовых состояниях (например, K6C60).
Неклассическим подходом может быть замена одного или нескольких атомов углерода в фуллереновом каркасе на атомы других элементов, что дает так называемые гетерофуллерены (например, С59N, существующий в виде димера при обычной температуре и свободного радикала при повышенных). Полость внутри каркаса наименьшего доступного фуллерена С60 уже достаточно велика, чтобы разместить внутри один или даже несколько атомов любого из элементов периодической системы. Получающиеся производные фуллеренов называют эндоэдральными или эндометаллофуллеренами (например, He@C60). Химическая функционализация позволяет искажать высокосимметричные фуллереновые каркасы: создавать в них «дыры» или даже разрушать их на отдельные фрагменты-осколки.
Наиболее часто для функционализации фуллеренов используется ковалентное присоединение каких-либо групп по кратным связям углеродного каркаса, т.е. проводится «экзоэдральная» химическая функционализация.
Основные закономерности реакционной способности С60 могут быть перенесены и на фуллерен С70, в случае которого образуется большее число изомерных продуктов из-за меньшей симметрии молекулы [70]фуллерена. Поэтому ниже будет рассмотрена реакционная способность фуллеренов на примере наиболее симметричного С60.
Как было замечено выше, 6-6 связи в молекуле С60 значительно короче 6-5 связей, и потому рассматриваются как двойные. Таким образом, шестичленные фрагменты каркаса по строению подобны циклогексатриену с локализованными кратными связями. Пятиугольные фрагменты топологически родственны [5]радиалену (Рисунок 3).30 Рисунок 3. Циклогексатриен (а) и [5]радиален (Ь) - структурные фрагменты [60]фуллерена. Молекула [6]парациклофана (с).
Отсутствие ароматичности в шестичленных фрагментах каркаса [60]фуллерена является следствием весьма существенного отклонения геометрии двойных связей от нормальной планарной (пирамидализация). Подобные отклонения хорошо изучены на примере циклофанов, в которых происходит искажение геометрии ароматического кольца (оно становится неплоским, Рисунок 3), что приводит к появлению необычных для аренов свойств.31 Благодаря жесткости фуллеренового каркаса, циклогексатриеновые фрагменты в молекуле Сбо остаются плоскими, несмотря на значительную пирамидализацию кратных связей. Напряжение, возникающее в результате пирамидализации, является причиной относительно высокой реакционной способности фуллеренов по сравнению с другими формами углерода.
Реакции галогенирования фуллеренов С60 и С70
Сразу после того, как было обнаружено, что фуллерен С60 реагирует с бромом,83 появились сообщения о синтезе индивидуальных соединений состава С60Br24, C60Br8 и C60Br6.107,108 Было установлено, что С60Br24 образуется в качестве единственного продукта реакции С60 с жидким бромом. Кроме того, было обнаружено, что обработка низших хлоридов фуллерена С60 жидким бромом приводит к образованию С60Br24.109 Рентгеноструктурный анализ показал, что молекула С60Br24 высокосимметрична (Th) и все атомы брома в ней эквивалентны. Расположение атомов брома в С60Br24 такое же, как и атомов хлора в хлорфуллерене С60Cl24, и соответствует диаграмме Шлегеля, приведенной выше (Рисунок 23).104
Впоследствии было предпринято детальное исследование бромирования фуллерена С60 в среде органических растворителей и в жидком броме.110,111 Показано, что каждый из бромфуллеренов (C60Br6, C60Br8, С60Br24) может быть получен в любом из используемых растворителей; состав продукта определяет концентрация брома в системе. Реакция бромирования равновесна, причем положение равновесия смещено в сторону исходных веществ. Потому для получения бромидов с приемлемым выходом необходимо ввести в реакционную систему большой избыток брома. Оптимальные условия синтеза бромидов C60Br6 и C60Br8 в различных растворителях приведены ниже (Таблица 4).
Приведена растворимость исходного фуллерена в органическом растворителе Строение C60Br8 и C60Br6 было определено с использованием рентгеноструктурного анализа. Оказалось, что молекула C60Br6 построена таким же образом, как и C60Сl6 (Рисунок 15). Мотив расположения аддендов в C60Br8 принципиально отличен от соответствующего мотива в молекуле C60Br6 (Рисунок 25). Впоследствии выяснилось, что хлорфуллерен C60Cl8, как было упомянуто выше, имеет строение, аналогичное строению бромфуллерена C60Br8.94 Интересно, что несмотря на различный размер атомов Cl и Br, молекулы хлоридов и бромидов фуллерена С60 с одинаковым стехиометрическим составом имеют одинаковое строение.
Молекулярная структура (а) и диаграмма Шлегеля (b) бромида С60Br8 Бромирование [70]фуллерена изучено в меньшей степени. Сообщалось о синтезе продукта состава С70Br14, однако каких либо данных, подтверждающих индивидуальность и строение этого соединения, не приводилось.112 Более детальное исследование этой реакции позволило выделить бромфуллерен состава С70Br10 в виде сольвата с одной или несколькими молекулами брома.113 Спектральные характеристики этого соединения соответствовали приведенным ранее для «С70Br14», поэтому последний представляет собой сольват С70Br10.2Br2. Строение С70Br10 было установлено методом рентгеноструктурного анализа; показано, что он изоструктурен С70Cl10 (Рисунок 26). C7oBr10 Рисунок 26. Диаграмма Шлегеля и трёхмерная модель молекулы СтоВпо (по данным РСА) 2.3.5. Галогениды трифторметилфуллеренов
В настоящее время активно исследуются производные фуллеренов, содержащие несколько перфторалкильных групп, присоединённых к фуллереновому каркасу. Синтезирован обширный ряд перфторалкилфуллеренов, проведены систематические исследования их молекулярного строения и фундаментальных физических свойств. Тщательный анализ данных, полученных в результате этих исследований, имел большое значение для формулирования общих принципов строения и реакционной способности молекул производных фуллеренов. Методы синтеза, строение и свойства перфторалкилфуллеренов подробно представлены в специализированном обзоре.114
Здесь стоит отметить, что на сегодняшний день получен ряд индивидуальных производных фуллеренов, содержащих группы –СF3 и атомы галогенов, присоединённые к углеродному каркасу. Например, соединение С60F17(CF3) было выделено в качестве побочного продукта при фторировании фуллерена С60 гексафторплатинатом калия K2PtF6.115 На рисунке 27 изображена трёхмерная модель молекулы С60F17(CF3) по данным РСА. Из рисунка видно, что мотив расположения аддендов в молекуле С60F17(CF3) такой же, как и в молекуле фторфуллерена С60F18 (Рисунок 4).
Как уже было упомянуто выше, попытки синтеза йодидов фуллеренов не увенчались успехом, что, по-видимому, связано с высоким напряжением заслонения, возникающим между объёмными атомами йода, присоединенными к фуллереновому каркасу. Однако удалось синтезировать некоторые производные фуллерена С60, содержащие атом йода, ковалентно связанный с фуллереновым каркасом.
Так, при обработке фуллеренола С60(OH)xOy раствором соли Na125I был получен образец 125I-С60(OH)xOy, представляющий собой сложную смесь региоизомеров.119 Несмотря на то, что наличие йода в этом образце было подтверждено измерением его радиоактивности, характер связи атома йода с фуллереновым каркасом остался невыясненным.
Первое индивидуальное производное С60, содержащее атом I, ковалентно связанный с фуллереновым каркасом, было получено при взаимодействии эпоксида 1 c йодом в присутствии трифенилфосфина (Схема 5).120 Состав соединения 2d был определен с помощью электроспрей масс-спектрометрии, строение подтверждено с помощью одномерной и двумерной спектроскопии ЯМР. Соединение 2d нестабильно, медленно разлагается на воздухе при комнатной температуре с образованием соединения 2е. Окисление соединения 2d метахлорпербензойной кислотой приводит к образованию исходного эпоксида 1.
Исследование химических свойств траннуленов С60F15R3
Стоит отметить, что на сегодняшний день получен широкий ряд галогенидов высших фуллеренов.14,128-131Однако обсуждение этих соединений выходит за рамки данного обзора.
Вследствие наличия лабильных атомов галогенов, присоединённых к углеродному каркасу, галогенфуллерены могут быть использованы в качестве прекурсоров для синтеза различных полифункциональных производных фуллеренов. К настоящему моменту разработаны эффективные методы синтеза, позволяющие получать в макроколичествах широкий ряд галогенидов фуллеренов С60 и С70: C60F18,49 C60F36,52 C60F48,68 C60Cl6,91 C70Cl10,89 C70Cl8,97 C60Br6 и C60Br8111. Большинство указанных выше галогенидов, за исключением C60F36 и C60F48, представляют собой индивидуальные, изомерно-чистые соединения. К сожалению, бромиды фуллеренов обладают крайне низкой растворимостью в органических растворителях, что затрудняет их использование в качестве предшественников в синтезе производных фуллеренов.28 Галогениды C60F18, C60Cl6 и C70Cl10, напротив, растворимы в органических растворителях, что, в совокупности с их доступностью в граммовых количествах, позволяет рассматривать их в качестве перспективных предшественников для функционализации фуллеренового каркаса.
Замещение атомов галогена на различные функциональные группы относится к числу наиболее изученных и часто используемых реакций в органической химии. Подобные трансформации галогенфуллеренов, однако, являются нетривиальной задачей. Это связано с тем, что для реализации замещения по традиционному SN2 механизму необходима атака нуклеофила изнутри углеродного каркаса галогенфуллерена, что невозможно. В случае отдельных галогенфуллеренов, обладающих особым молекулярным строением, возможна реализация механизмов сопряженного бимолекулярного замещения типа SN2 и SN2 .
Замещение атомов галогена в галогенфуллеренах может протекать или по мономолекулярному механизму нуклеофильного замещения SN1 (обычно в присутствии кислот Льюиса), или по радикальному механизму с переносом одного электрона (SET-механизм). Мономолекулярное SN1 замещение осложняется крайней нестабильностью фуллереновых катионов. Поэтому катион, образовавшийся в результате гетеролитической диссоциации связи С-Hal, должен сразу же прореагировать с нуклеофилом, давая продукт замещения. Если катион не успевает встретить нуклеофильную частицу, то он отщепляет Hal+ (в случае Hal = Cl, Br) и дает продукт элиминирования (Схема 7). Элиминирование становится доминирующим направлением реакции, если концентрация нуклеофила в реакционной системе невысока.
Продукт элиминирования может образоваться и на последней стадии радикального SET-механизма, если фуллереновый радикал не успевает прореагировать с радикалом Nu. или если последний дезактивировался за счет реакции с растворителем или другими активными частицами, присутствующими в реакционной среде.
Состав и молекулярная структура исходного галогенида также определяют соотношения между продуктами замещения и элиминирования в его реакциях с нуклеофилами. Например, реакция С60Cl6 c аренами (в присутствии кислоты Льюиса) приводит в основном к продуктам состава С60Ar5Cl с небольшим количеством C60Ar4 и C60Ar2.133 Однако взаимодействие хлорфуллерена С60Cl24 с толуолом дает неразделимую смесь продуктов С60Arn, где n=8-18. Соединения состава С60Ar24 обнаружено не было, что, возможно, связано со стерическими ограничениями (24 толильных группы стерически не могут быть присоединены к одному каркасу С60).134 С точки зрения селективности реакций с нуклеофилами из всего многообразия известных галогенидов фуллеренов необходимо отметить лишь галогениды С60Cl6, C60F18, С70Cl8, С70Cl10. Все остальные галогенфуллерены, как правило, дают трудноразделимую смесь продуктов. Методы синтеза, строение и реакционная способность галогенидов [60]фуллерена подробно рассмотрены в обзоре, опубликованном ранее.135 В рамках данного обзора будут рассмотрены химические свойства галогенидов фуллеренов С60 и С70 на примере их реакций с С, N и O-нуклеофилами.
Хлорфуллерен C60Cl6 взаимодействует с ароматическими углеводородами по механизму реакции электрофильного замещения в ароматическом ядре по Фриделю-Крафтсу. Замещение атомов хлора на арильные или гетероарильные остатки (Ar) протекает непосредственно в среде ароматического углеводорода или в подходящем инертном растворителе (дихлорметан, нитробензол, Схема 8).5,17 В этой реакции преимущественно образуются продукты присоединения фуллерена в пара-положение по отношению к заместителю в ароматическом ядре. Интересно, что обработка соединений С60Ar5Cl смесью PPh3/H2O приводит к замещению Cl на Н с образованием С60Ar5Н.136
Соединения 4f-o, полученные по реакции Фриделя-Крафтса, находят применение в синтезе водорастворимых производных фуллеренов (Схема 8). 5,137 В ходе кислотного гилролиза происходит расщепление сложноэфирных групп соединений 4f-o, что приводит к образованию с количественным выходом соответствующих карбоновых кислот 5f-o, соли которых обладают высокой растворимостью в воде. Ar = Поскольку при взаимодействии С60Cl6 с ароматическими углеводородами мотив расположения аддендов на фуллереновом каркасе не изменяется, было сделано предположение, что замещение атомов хлора протекает по механизму SN1 и сопровождается образованием карбокатиона в качестве интермедиата. Впоследствии с помощью спектроскопии ЯМР на ядрах 1Н и 13С было обнаружено, что С60Ar5Cl реагирует с AlCl3 с образованием в растворе катиона Сs-[C60Ar5]+ (Схема 9).138 При отщеплении хлора от фуллеренового каркаса соединение С60Ar5Cl превращается в нестабильный С5v-симметричный карбокатион, содержащий антиароматичный фрагмент. Стабилизация катиона происходит путём 1,2-миграции одной фенильной группы, что приводит к образованию Сs-[C60Ar5]+ (Схема 9). Возможно, миграция фенильной группы происходит синхронно с отщеплением атома хлора. Локализация положительного заряда в катионе Сs-[C60Ar5]+ была подтверждена с помощью РСА соединения Сs-[C60Ar5]CN, полученного при взаимодействии Сs-[C60Ar5]+ с Me3SiCN.139
Перспективы практического применения производных фуллерена С60, полученных в рамках данной диссертационной работы
Многие производные фуллерена обладают ценными биологическими свойствами и могут потенциально быть использованы в медицине. Они являются хорошими фотосенсибилизаторами, способными переводить кислород в активную синглетную форму с почти 100% квантовым выходом.177 В тоже время, производные фуллерена способны селективно накапливаться в клетках раковых опухолей.178 Совокупность этих свойств способствует применению производных фуллерена в фотодинамической терапии рака.179,180 Фуллерен и его простейшие производные поглощают свет лишь в коротковолновом диапазоне, однако такое излучение не проникает глубоко в живые ткани. Эту проблему можно решить, если в качестве фотосенсибилизаторов использовать траннуленовые производные фуллерена, в спектрах которых присутствуют интенсивные полосы поглощения в красном и инфракрасном диапазонах.
Известно, что некоторые производные фуллеренов способны селективно накапливаться в костной ткани,181 поэтому перспективным может быть также использование траннуленов для доставки лекарственных препаратов в кости, например, при остеопорозе. В частности, водорастворимые фторированные траннуленофуллерены могут рассматриваться в качестве носителей лабильных атомов фтора, связанных с каркасом, которые могут легко отщепляться в костной ткани с образованием фторфосфатов. Таким образом, водорастворимые траннулены могут стать ценными препаратами для биомедицинских приложений. Одной из основных задач этой работы являлось получение водорастворимых траннуленов.
Для придания молекулам траннуленов растворимости в воде и полярных средах необходимо присоединение к гидрофобному фуллереновому каркасу нескольких гидрофильных групп. Исходя из этого, мы осуществили дизайн молекул траннуленов, которые потенциально могли бы обладать хорошей растворимостью в воде, и разработали стратегию их синтеза (Схемы 42, 43). Согласно разработанной стратегии, траннулены, содержащие шесть гидрофильных групп (карбоксильных или аммонийных) могут быть получены в две стадии. Первой стадией является синтез траннуленов, содержащих шесть третбутоксикарбонильных групп, в результате реакции фторфуллерена С60F18 с соответствующими карбанионными нуклеофилами. Расщепление третбутоксикарбонильных групп при обработке продуктов первой стадии синтеза кислотой должно привести к целевым соединениям. Для синтеза траннуленов, молекулы которых содержат 2 или 4 карбоксильные группы, необходимо замещение одного или двух атомов фтора С60F18 на органические адденды –СR(COOtBu)2 с последующей обработкой полученных продуктов сначала избытком СНR (COOMe)2 в присутствии основания для замещения оставшихся переферийных атомов фтора на органические адденды, а затем кислотой для расщепления третбутоксикарбонильных групп. MeOOC
Синтез траннулена С1, содержащего шесть карбоксильных групп, изображён на схеме 44. Прекурсор для синтеза траннулена Т1 ди-третбутил-метил-метантрикарбоксилат 59 был получен в результате обработки метилхлорформатом ди-третбутилмалоната натрия, сгенерированного при воздействии гидрида натрия NaH на соответствующий эфир малоновой кислоты. Взаимодействие фторфуллерена С60F18 c соединением 59 в присутствии 1,8-диазабицикло[5.4.0]ундец-7-ена (DBU) в качестве основания (Схема 44) в соответствии с ранее описанными методами15,163- NOTEREF _Ref324009864 \h 164 привело к образованию траннулена Т1. Кипячение Т1 в трифторуксусной кислоте в течение 2 ч сопровождалось расщеплением третбутильных сложноэфирных групп в аддендах и образованием с количественным выходом целевого траннулена С1 (Схема 44). Интересно, что сложноэфирные группы траннулена Т1 оказались достаточно стабильными по отношению к гидролизу в кислой среде. Попытки провести реакцию в более мягких условиях привели к образованию смесей продуктов частичного гидролиза вместо целевого соединения С1.
Для установления состава и строения траннулена С1 и продуктов промежуточных стадий синтеза (59 и Т1) использовались совеременные физико-химические методы анализа: масс-спектрометрия и спектроскопия ЯМР. На рисунке 41 приведены спектры ЯМР соединения Т1. Анализ спектра ЯМР 19F соединения Т1 позволяет сделать вывод о наличии трех типов симметрически неэквивалентных атомов фтора в молекуле и ее принадлежности к точечной группе симметрии C3v, характерной для траннуленов. В спектре ЯМР 1H соединения Т1 наблюдаются два сигнала с соотношением интенсивностей 6:1, соответствующие протонам трет-бутильных и метильных групп, соответственно. В области сильных полей в спектре ЯМР 13С соединения Т1 наблюдаются 11 сигналов, что полностью соответсвует структуре исследованного соединения (4 из них принадлежат sp3-гибридизованным атомам углерода органических аддендов, 1 – sp3-гибридизованным атомам углерода фуллеренового каркаса, к которым присоединены органические адденды, 6 – атомам углерода групп С-F). В области слабых полей в спектре некоторые сигналы наложились друг на друга, поэтому вместо 16 ожидаемых экспериментально обнаружено лишь 12. Полученные спектральные данные находятся в полном соответствии с молекулярной формулой соединения Т1. B+C
В отличие от спектра ЯМР 1H исходного траннулена Т1, содержащего два синглета с соотношением интенсивностей 6:1 (Рисунок 41), в спектре ЯМР 1H соединения С1 наблюдается только синглет при 3,31 м.д. (OMe), что говорит о полном отщеплении трет-бутильных групп в результате проведенного гидролиза (Рисунок 42). Спектры ЯМР 13C соединений Т1 и С1 оказались очень похожими, что указывает на C3v – симметрию С1 и наличие траннуленового фрагмента. Спектр ЯМР 13C Т1 отличается от соответствующего спектра С1 только наличием сигналов трет-бутильных групп (27,96 и 85,89 м.д.). Спектры ЯМР 19F Т1 и С1 состоят из трёх синглетов с соотношением интенсивностей 1:2:2, что очень типично для траннуленов, имеющих C3v-симметрию. Таким образом, спектры ЯМР подтверждают предложенное строение траннулена С1.