Київський національний університет

імені Тараса Шевченка

ЄГОРОВА ТЕТЯНА ВОЛОДИМИРІВНА

УДК 547.759.4

1-метилтетразоло[5,1-a]ізоіндол у реакціях з малеїнімідами та хлорангідридами карбонових кислот

02.00.03 – органічна хімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі органічної хімії хімічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Науковий керівник: кандидат хімічних наук, доцент

Войтенко Зоя Всеволодівна,

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка,

доцент кафедри органічної хімії хімічного факультету

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор

Ільченко Андрій Якович,

Інститут органічної хімії НАН України,

провідний науковий співробітник відділу кольору і будови органічних сполук

кандидат хімічних наук, доцент

Кушко Андрій Олегович,

Національний технічний університет

України “Київський політехнічний інститут”,

доцент кафедри органічної хімії та технології органічних сполук

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”,

м. Львів

Захист відбудеться “ 15 ” березня 2005 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.25 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 64, хімічний факультет, аудиторія 518.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: м. Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий 14 лютого 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 26.001.25, д.х.н. Комаров І. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Виходячи з літературних даних, нами проаналізована інформація про методи синтезу та властивості тетразолоізоіндолів, яка відображена в літературному огляді, надрукованому в журналі “Химия гетероциклических соединений”. З огляду випливає, що, на відміну від методів синтезу, хімічні властивості тетразолоізоіндолів досліджені недостатньо. Розрахункові роботи, виконані співробітниками кафедри, вказують на високу дієнову активність тетразолоізоіндолів, але експериментально реакція циклоприєднання в ряду тетразолоізоіндолу не досліджувалась.

Гетероциклічна система тетразолоізондолу включає в себе два типи цікавих з теоретичної та практичної точки зору гетероциклів: 1) ізоіндол – найбільш яскравий в хімії гетероциклічних сполук феномен парадоксального поєднання ароматичності і реакційної здатності; флуоресцентні властивості і біологічна активність ізоіндолів – невичерпна база для подальшого дослідження їх корисних властивостей; 2) тетразол – гетероорганічна сполука, що має лише один атом Карбону – потенційний носій таутомерних перетворень; відомі також корисні властивості тетразолів. Крім того, вже існуючі дані з практичних властивостей саме конденсованої системи тетразолоізоіндолу вказують на їх високу антидепресивну та антиконвульсивну дію.

Враховуючи викладене, а також той факт, що хімічні властивості тетразолоізоіндолу систематично не вивчалися, тема данної роботи є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась на кафедрі органічної хімії хімічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка згідно з планами наукових робіт кафедри (теми № 01БФ037-03 та № 01ДФ037-06). Ряд фізико-хімічних досліджень отриманих сполук було проведено у рамках договору про співробітництво між Київським національним університетом імені Тараса Шевченка та університетом Поля Сабатьє, Тулуза, Франція.

Мета роботи. Дослідити реакції 1-метилтетразоло[5,1-а]ізоіндолу з малеїнімідами та хлорангідридами карбонових кислот за різних умов. Зіставити отримані практичні результати зі зробленими теоретичними прогнозами на основі проведених раніше на кафедрі розрахунків електронної будови тетразолоізоіндолу.

Задачі дослідження. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі: дослідити хід циклоприєднання на прикладі реакції 1-метилтетразоло[5,1-а]ізоіндолу з малеїнімідами, встановити склад продуктів реакції; розробити препаративні методи синтезу продуктів взаємодії 1-метилтетразоло[5,1-а]ізоіндолу та його перхлорату з хлорангідридами карбонових кислот; синтезувати ці продукти та дослідити їх будову сучасними спектральними методами.

Об'єкти дослідження – 1-метилтетразоло[5,1-а]ізоіндол та його похідні.

Предмет дослідження – хімічні властивості тетразолоізоіндолів.

Методи дослідження – синтетичні перетворення, ЯМР 1Н та 13С, ІЧ та електронна спектроскопія, мас-спектрометрія, зокрема, хромато-мас-спектрометрія та хромато-УФ-спектрометрія, рентгеноструктурний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів. Уперше для азолоізоіндолів досліджено циклоприєднання на прикладі реакції 1-метилтетразоло[5,1-а]ізоіндолу і 1,2-диметил-1,2,4-триазоло[5,1-а]ізоіндолу з малеїнімідами та в умовах термодинамічного контролю знайдено перегрупування, що приводить до утворення перегрупованих адуктів Міхаеля-Дільса-Альдера.

Показано, що в умовах реації ацилювання поряд з очікуваними ацилпохідними утворюються не описані раніше мезо-заміщені монометинціаніни, структура яких встановлена за допомогою рентгеноструктурного дослідження.

Вперше досліджено будову ацилпохідних, амідів, тіоамідів ряду тетразолоізоіндолу спектральними методами. Дослідження ІЧ спектрів ацилпохідних в розчинниках різної полярності показало, що смуги валентних коливань групи С=О, які чуттєві до зміни полярності розчинника, знаходяться в інтервалі 1604 – 1561 см-1 в CDCl3 і зсуваються до 1596 – 1549 см-1 в CD3OD, що свідчить про значну поляризацію карбонільної групи в ацилпохідних 1-метилтетразоло[5,1-а]ізоіндолу, яка приводить до повного зникнення дієнової активності. Висновок про сильну дезактивацію карбонільної групи в досліджуваних ацилпохідних був підтверджений і за допомогою спектроскопії ЯМР 13С.

На основі рентгеноструктурного аналізу найпростішого монометинціаніну ряду тетразолоізоіндолу зроблено висновок про внесок карбокатіонної резонансної структури, подібно до того, як це прийнято в хімії триарилметанових барвників.

Досліджено комплексоутворення ціанінових барвників ряду тетразолоізоіндолу з гексаціаноферратом(ІІІ) та тетраціанонікелатом(ІІ) калію, що виявилось першим випадком виділення в твердому вигляді в індивідуальному стані комплексів будь-яких ціанінових барвників з металами. Склад і будову одержаних комплексів встановлено за допомогою елементного аналізу, спектральних методів, а у випадку однієї сполуки – ще й рентгеноструктурного дослідження.

Практичне значення одержаних результатів. Встановлено, що при проведенні реакції перхлорату 1-метил-5Н-тетразоло[5,1-а]ізоіндолію або іодиду 1,2-диметил-5Н-1,2,4-триазоло[5,1-а]ізоіндолію в присутності триетиламіну з малеїнімідами в піридині відповідні перегруповані адукти – 3-((2-(1-метил-1Н-тетразол-5-іл)феніл)(1-R-2,5-діоксопіролідин-3-іл)метилен)-1-R-2,5-діоксопіролідин-2,5-діони або 3-((2-(4,5-диметил-4Н-1,2,4-триазол-3-іл)феніл)(1-R-2,5-діоксопіролідин-3-іл)метилен)-1-R-2,5-діоксопіролідин-2,5-діони – одержуються з препаративними виходами, таким чином, було розроблено методику синтезу цих сполук.

Запропоновано препаративний метод синтезу заміщених монометинціанінів ряду тетразолоізоіндолу, який дозволяє легко варіювати замісник R біля центрального атому монометинціаніну, що особливо важливо у випадку R=Неt, оскільки за відомими з літератури методами введення в метинову групу монометинціанінів гетарильного замісника супроводжується значними синтетичними ускладненнями або взагалі неможливе. Встановлено, що оптимальним для одержання монометинціанінів є співвідношення перхлорату 1-метил-5Н-тетразоло[5,1-а]ізоіндолію/хлорангідриду/триетиламіну 1/1/2, алкільні та електронодонорні ароматичні замісникі R сприяють збільшенню виходів барвників.

Комплекси ціанінових барвників – це потенційні об’єкти досліджень: у твердому стані – для фізиків в галузі провідників та нелінійної оптики; у розчинах і колоїдних системах – для біологів як маркери біологічних молекул; в обох агрегатних станах – для хіміків-аналітиків та екологів.

Ряд синтезованих сполук використано для модифікації природних полімерів в Інституті хімії високомолекулярних сполук НАН України.

Результати дослідження можуть бути використані при підготовці підручників, лекційних курсів та практикумів для студентів хімічних спеціальностей.

Особистий внесок здобувача. Основна частина експериментальної роботи, обробка і аналіз одержаних результатів зроблені особисто здобувачем. Постановка задачі, обговорення результатів дослідження і формулювання висновків дисертації проводилися спільно з науковим керівником – к. х. н. Войтенко З. В. Розробка теоретичних положень синтезу комплексів ціанінових барвників з металами та остаточний аналіз одержаних результатів виконані за участю к. х. н. Затовського І. В. ІЧ-спектральні дослідження виконані в університеті імені Поля Сабатьє (Франція) у співавторстві з Boisdon M. Th., Favrot J., Wolf J. G. Дослідження електронних спектрів поглинання та мас-спектрометричні дослідження проведені в Університеті імені Поля Сабатьє (Франція) у співавторстві з Wolf J. G. Хромато-УФ-спектроскопічні дослідження виконані в Українському державному центрі стандартизації, метрології та сертифікації разом з Карбовською Р. В. Рентгеноструктурні дослідження виконані у співавторстві з Andrй C., Jaud J. (Університет имені Поля Сабатьє, Франція). Рентгеноструктурні дослідження та квантовохімічні розрахунки проведені у співавторстві з к. х. н. Шишкіною С. В., д. х. н. Шишкіним О. В. та Зубатюком Р. І. (Інститут монокристалів НАН України, м. Харків).

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи були оприлюднені на Міжнародній конференції “Хімія азотовмісних гетероциклів” (ХАГ-2000) (Харків, 2000 р.), Другій всеукраїнській конференції студентів та аспірантів “Сучасні проблеми хімії” (Київ, 2001 р.), XX Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Ростов-на-Дону, Росія, 2001 р.), XV Українській конференції з неорганічної хімії за міжнародною участю (Київ, 2001 р.), ХІХ Українській конференції з органічної хімії (Львів, 2001 р.), Международной научно-практической конференции “Новые технологии получения и применения биологически активных веществ” (Алушта, 2002 р.), SFC Eurochem (Тулуза, Франція, 2002 р.), European Congress on Molecular Spectroscopy EUCMOS XXVI (Лілль, Франція, 2002 р.), V конференції молодих учених та студентів-хіміків південного регіону України (Одеса, 2002 р.), 12eme Journee Chimie Grand Sud-Ouest (Монтпельє, Франція, 2002 р.), III Национальной кристаллохимической конференции (Чорноголовка, Росія, 2003 р.), Дев’ятій науковій конференції “Львівські хімічні читання – 2003” (Львів, 2003 р.), Second International Chemistry Conference Toulouse-Kiev 2003 (Тулуза, Франція, 2003 р.), XXІ Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Київ, 2003 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 6 статей і тези 15 доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку цитованої літератури (159 найменувань) та 16 додатків. Роботу викладено на 128 сторінках машинописного тексту, вона містить 9 таблиць і 15 рисунків. Загальний обсяг дисертації становить 165 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність і наукову новизну роботи, сформульовано її мету, наведено перелік найважливіших результатів даного дослідження.

У першому розділі подано огляд літератури за темою дисертації, в якому підсумовані відомості про методи синтезу та хімічні властивості похідних триазоло- та тетразолоізоіндолів, наведені дані квантовохімічних розрахунків деяких структур, показані можливості практичного використання розглянутих сполук. В цьому розділі обгрунтовується вибір об’єктів дослідження.

У другому розділі розглядається дослідження ходу циклоприєднання на прикладі реакції 1-метилтетразоло[5,1-а]ізоіндолу 1, одержаного за відомою методикою, з малеїнімідами.

Циклоприєднання досліджували за різних умов: варіювали температуру від -10 до 110С; використовували різні розчинники; в реакцію вводили як тетразолоізоіндол, так і його перхлорат у присутності таких основ, як триетиламін, 5%-ний розчин лугу, насичений розчин карбонату калію; як дієнофіли використовували різноманітні малеїніміди; змінювали співвідношення реагентів, – але в усіх випадках реакція відбувалась неоднозначно. Завдання ускладнювалось малою стійкістю та високою дієновою активністю тетразолоізоіндолу.

Показано, що при проведенні реакції перхлорату 1-метил-5Н-тетразоло[5,1-а]ізоіндолію або іодиду 1,2-диметил-5Н-1,2,4-триазоло[5,1-а]ізоіндолію в присутності триетиламіну з малеїнімідами в піридині продуктами реакції є перегруповані адукти циклоприєднання складу 1:2, а саме 3-((2-(1-метил-1Н-тетразол-5-іл)феніл)(1-R-2,5-діоксопіролідин-3-іл)метилен)-1-R-2,5-діоксопіролідин-2,5-діони 4 (схема 1, Х=N), утворення яких є наслідком кількох послідовних реакцій. Спочатку відбувається утворення адукту Міхаеля 2, наявність якого зафіксовано за допомогою хромато-УФ-спектроскопії, наступний етап – утворення адукту Дільса-Альдера складу 1:2 3. Ці процеси контролюються електронною будовою субстрату. Сполука 3 внаслідок скелетного перегруппування як результату виходу з просторових затруднень у трициклічній 7-азабензонорборненовій системі перетворюється на адукт Міхаеля-Дільса-Альдера 4.

Схема 1. Утворення перегрупованих адуктів Міхаеля-Дільса-Альдера.

Ідентифікація перегрупованих адуктів проводилась за критеріями, виробленими на основі аналізу спектральних характеристик інших конденсованих ізоіндольних систем. Для сполук типу 4 характерна атроподіастереомерія, існування в розчині двох енергетично вигідних форм у співвідношенні практично 1:1 приводить до подвоєння сигналів в спектрах ЯМР 1Н. Детальний розгляд ділянки 2,5 – 3,5 м. ч., де містяться сигнали протонів Нa, Нb, Нс та Нd, дозволяє однозначно встановити структуру продуктів рекції 4 (рис. 1). Так, при 2,62 – 2,72 м. ч. спостерігається дублет дублетів із значеннями КССВ 3J (Hc,He)=6,4 Гц та 2J (Hc,Hd)=18,5 Гц, який можна віднести до одного з двох протонів Нс, Нd. Значення КССВ добре збігаються з очікуваними. Дублет дублетів цього протону для другої форми знаходиться при 3,26 – 3,34 м. ч. Далі, при 2,88 – 3,02 м. ч. спостерігаються два дублети із значеннями КССВ 2J (Ha,Hb)=21,5 Гц, які належать протонам Нa, Нb, і характерне значення їх КССВ підтверджує правильність визначення структури одержаного нами адукту як перегрупованого. Два дублети цих протонів для іншої форми знаходяться в межах 3,06 – 3,18 м. ч. – їм відповідають три найвищі піки зазначеної ділянки. При 3,04 – 3,12 м. ч. знаходиться дублет дублетів другого з протонів Нс, Нd, частина одного з менших дублетів якого перекривається з іншими сигналами, що знаходяться на цій ділянці. Значення КССВ 3J (Hd,He)=9,2 Гц та 2J (Hc,Hd)=18,5 Гц також добре збігаються з очікуваними. В межах 3,08 – 3,16 м. ч. знаходиться і дублет дублетів цього протону для іншої форми, але він досить суттєво перекривається з іншими сигналами, розташованими в цій ділянці, з-поміж яких можна вирізнити лише крайні частини цього дублету.

Рис. 1. Ділянка спектру ЯМР 1Н 2,5 – 3,5 м. ч. адукту 1-метилтетразоло[5,1-a]ізоіндолу з N-толілмалеїнімідом (CDCl3), зверху – шкала д, знизу – Гц.

Аналогічні висновки було зроблено і при дослідженні циклоприєднання в ряду триазолоізоіндолів (схема 1, X=CCH3).

В третьому розділі розглядається вплив введення замісників в положення 5 системи тетразолоізоіндолу на збереження локалізованого ізоіндольного фрагменту. На стадії одержання ацилпохідних було зафіксовано утворення неочікуваних сполук, яке потребувало детального дослідження.

Показано, що при ацилюванні перхлорату 1-метилтетразоло[5,1-а]ізоіндолу хлорангідридами карбонових кислот, на відміну від ацилювання ангідридами, несподіванно утворюються нові ціанінові барвники – монометинціаніни 13-22 (схема. 2). Цей метод одержання монометинціанінів не має аналогій у літературі.

Схема 2. Ацилювання перхлорату 1-метил-5Н-тетразоло[5,1-a]ізоіндолію хлорангідридами карбонових кислот.

Було встановлено, що залежно від співвідношення реагентів істотно змінюється співвідношення продуктів реакції. Знайдено, що мольне співвідношення вихідний перхлорат / хлорангідрид / триетиламін 1:1:1 є оптимальним для одержання ацилпохідних, а для одержання барвників оптимальним є співвідношення 1:1:2.

На співвідношення продуктів реакції також впливає характер замісника R. Так, нам не вдалось виділити ацилпохідні з R = (CH2)3Cl та C4H9, у цьому випадку були виділені лише відповідні барвники 15 та 16. Якщо R = Ме, то з малим виходом одержана ацилпохідна 5, при R = t-Bu ацилпохідна 12 домінує, утворення відповідного барвника в невеликій кількості фіксується методом ТСХ. Цей результат можна пояснити впливом стеричних факторів на перебіг утворення монометинціанінів. У випадку ароматичних (гетероароматичних) радикалів R виходи ацилпохідних зростають, чому особливо сприяють електроноакцепторні замісники в ароматичному кільці. Наприклад, з невеликим виходом були виділені барвники 17, 18 та 22. І навпаки, при наявності електронодонорних замісників в ароматичному кільці утворюються ціанінові барвники з високим виходом.

Спектри ЯМР 1Н синтезованих барвників мають однотипний характер: у деяких випадках сигнали подвоюються, що зумовлено існуванням в розчині кількох енергетично вигідних форм; характеристичним є положення сигналів 9,9ґ-Н (8,4 – 8,5 м. ч.) та N-CH3 (4,6 – 4,7 м. ч.). Значення лmax в електронних спектрах поглинання більшості барвників в ацетонітрилі знаходяться в межах 552 – 569 нм, лише для барвника 21 воно становить 582 нм, що підтверджує відсутність істотного спряження R з хромофором барвника. Ті невеликі розбіжності значень лmax, які спостерігаються в електронних спектрах поглинання монометинціанінів, можна пояснити електронним впливом R. Значення інтенсивності поглинаня (lg е) синтезованих барвників 4,2 – 5,4.

Структуру одного з монометинціанінів, 14, доведено за допомогою рентгеноструктурного дослідження (рис. 2). Спостерігається альтернування зв’язків в плоскому метиновому ланцюгу, де C(11)-C(13)=1,3669 Е, C(13)-C(10)=1,4168 Е. Максимальне відхилення площини C(8)-C(10)-C(11)-C(13) від планарної становить 0,009 Е. Арильний замісник примушує метиновий ланцюг адаптуватись під цис-цис конфігурацію. Арильний фрагмент повернутий на 50° по відношенню до метинового ланцюга, кінцеві атоми азоту виходять з планарної площини на 0,916 Е (N4) та -1,080 Е відповідно.

Порівняльний аналіз геометрії двох монометинціанінів тетразолоізоіндолу з замісниками R=Ph 14 та R=H 23 показав суттєву різницю їхньої будови. Дані рентгеноструктурного дослідження незаміщеного монометинціаніну 23 (рис. 3), а саме: 1) вирівнювання довжин зв’язків С(8)-С(9) та С(9)-С(10) (1,379(4) та 1,366(3) Е відповідно), 2) зв’язки С(7)-С(8), С(10)-С(11), N(4)-C(1), N(8)-C(17) за своїми довжинами близькі до одинарних зв’язків у спряженій системі, 3) збільшення валентного кута С(10)-С(9)-С(8) до 132,7(3)°, – дозволяють говорити про внесок резонансної структури С. Результати досліджень методом ЯМР не суперечать висновку про внесок карбокатіонної резонансної структури: з літератури, присвяченій дослідженню карбокатіонів методом ЯМР 13С випливає, що для класичних карбокатіонів значення 1JCH знаходиться в інтервалі 165 – 183 Гц; нами встановлено, що в спектрі монометинціаніну з R=H значення 1JCH становить близько 173 Гц. У спектрі ЯМР 1Н сигнал метинового протона спостерігається при 8,95 м. ч., що також підтверджує цей висновок. Треба зазначити, що аналіз довжин зв’язків та порівняння їх з середніми значеннями не дозволяє однозначно вказати домінуючі резонансні структури. Тому для вирішення питання про внесок різних резонансних структур в загальну будову катіона даного монометинціаніну нами були зроблені неемпіричні квантовохімічні розрахунки в межах теорії функціоналу густини (DFT), які показують, що внесок карбокатіонної структури С є невеликим, однак ним не можна нехтувати.

Імовірний хід утворення монометинціанінів 13-22 при ацилюванні перхлорату 1-метилтетразоло[5,1-а]ізоіндолу хлорангідридами карбонових кислот наведено на схемі 3.

Схема 3. Утворення монометинціанінів, заміщених в мезо-положенні, в умовах реакції ацилювання.

Формальна наявність ізоіндольного фрагменту в одержаних ацилпохідних 5-12 дозволяла очікувати від них дієнової активності, але жодна спроба ввести сполуки 5-12 в реакцію з малеїнімідами не призвела до успіху. Причину повного зникнення дієнової активності вдалось встановити за допомогою спектральних досліджень. На підставі даних ІЧ спектроскопії та порівнянні одержаних результатів з відомими літературними даними зроблено висновок про сильне супряження в ацилпохідних групи С=О з ароматичними фрагментами. Для електронної структури ацилпохідних характерний суттєвий внесок резонансних форм B та С.

Цей висновок підтверджено і даними ЯМР 13С (табл. 1). Результати спектроскопічних досліджень методом ЯМР 13С структурно близьких до ацилпохідних сполук – амідів та тіоамідів – дозволяють казати про суттєві внески полярних резонансних структур у будову ацилпохідних та тіоамідів і відсутність внесків таких структур у будову амідів.

Встановлено принципову здатність ацилпохідних до розкриття тетразольного кільця при пропусканні через силікагель. Так, для ацилпохідної 12 з R=t-Bu після проходження через тверду фазу спостерігалось подвоєння сигналів в спектрі ЯМР 1Н, після чого речовина була проаналізована методом хромато-мас-спектрометрії, який показав наявність двох піків: перший з часом виходу 7,92 та m/z 228 та другий з часом виходу 11,34 та m/z 256. Одержаний результат можна інтерпретувати як розкриття тетразольного кільця з елімінуванням вільного азоту (схема 4).

Схема 4. Розкриття тетразольного кільця ацилпохідної 12 з R=t-Bu з елімінуванням вільного азоту.

У четвертому розділі розглядається комплексоутворення ціанінових барвників з металами. Описано ряд дослідів з солями різних металів. На прикладі взаємодії незаміщенних моно- та триметинціанінів з гексаціанофеаратом(ІІІ) та тетраціанонікелатом(ІІ) калію нам вдалось виділити чотири комплекси в твердому вигляді та проаналізувати їх спектральними методами.

Імовірно, на певному етапі реакція проходить як іонний обмін, а одним з продуктів взаємодії є KClO4, оскільки в складі одержаних комплексів калій не виявлений. Дані ІЧ спектроскопії свідчать про відсутність у досліджуваних сполуках перхлорат-йона та наявність координованих ціанідних груп FeCN та NiCN відповідно. За даними електронних спектрів можна припустити октаедричне оточення феруму і плоскоквадратне нікелю в одержаних комплексах. Дериватографічне дослідження вказує на відсутність сольватів. Склад комплексів не залежить від співвідношення вихідних реагентів. Проведене рентгеноструктурне дослідження монокристалів комплексу триметинціаніну з тетраціанонікелатом(ІІ) калію. Комплекс барвника з тетраціанонікелатом(ІІ) калію– це регулярна супрамолекулярна структура складу L2[Ni(CN)4], де L – катіон триметинціаніну 1-метилтетразоло[5,1-a]ізоіндолу.

Рис. 4. Взаємодія нікелю з p-спряженою системою барвника в комплексі триметинціаніну 1-метилтетразоло[5,1-a]ізоіндолу з тетраціанонікелатом(ІІ) калію.

Геометрія аніону [Ni(CN)4]2- є характерною для плоскоквадратного локального координаційного оточення нікелю, сформованого чотирма групами СN. При цьому аксіальні контакти Ni-C складають відповідно 3,796 та 3,739 ?, що дозволяє говорити про додаткову взаємодію нікелю з p-спряженою системою барвника (рис. 4).

Рис. 5. Принципи формування системи азот-водневих взаємодій в кристалічній системі L2[Ni(CN)4].

В свою чергу, атоми Нітрогену груп CN пов’язані з триметинціаніном неспецифічними водневими зв’язками, відстані N-H знаходяться в межах 2,432 – 2,530 ? (рис. 5). Будь-який аніон [Ni(CN)4]2- має по три N-Н контакта з двома лігандами, які лежать в одній площині і мають аксіальне розташування по відношенню до нікелю. Ще по одному контакту N-Н формується з двома лігандами, які розташовані практично перпендикулярно до площини комплексного аніону [Ni(CN)4]2-.

У п’ятому розділі наведені методики синтезу і результати спектральних досліджень синтезованих сполук методами ЯМР 1Н та 13С, ІЧ та електронної спектроскопії, мас-спектрометрії.

ВИСНОВКИ

Підтверджено гіпотезу про високу дієнову активність 1-метил[5,1-a]тетразолоізоіндолу та 1,2-диметил-1,2,4-триазоло[5,1-a]ізоіндолу за положеннями 5,9b.

Показано, що з типовими дієнофілами – малеїнімідами – відбувається три послідовні процеси: утворення аддукту Міхаеля (складу 1:1); утворення адукту Дільса-Альдера (складу 1:2) та результуюче скелетне перегрупування останнього.

Встановлено, що введення в положення 5 системи тетразолоізоіндолу ацильної групи призводить до повного зникнення дієнової активності.

Показано, що при ацилюванні тетразолоізоіндолів хлорангідридами карбонових кислот поряд з ацилпохідними утворюються невідомі раніше монометинціаніни з замісниками в мезо-положенні.

Встановлено, що оптимальним для одержання монометинціанінів є співвідношення перхлорату 1-метил-5Н-тетразоло[5,1-а]ізоіндолію / хлорангідриду / триетиламіну 1/1/2, алкільні та електронодонорні ароматичні замісникі R сприяють збільшенню виходів барвників.

За результатами рентгеноструктурних досліджень зроблено порівняльний аналіз геометрії двох монометинціанінів тетразолоізоіндолу з замісниками R=Ph та R=H. З врахуванням неемпіричних розрахунків в межах теорії функціоналу густини (DFT) зроблено висновок про доцільність врахування в описі електронної будови монометинціаніну з R=H внеску карбокатіонної резонансної структури.

Показано принципову можливість утворення комплексів як монометинціаніну, так і триметинціаніну 1-метил[5,1-a]тетразолоізоіндолу з гексаціаноферратом(ІІІ) та тетраціанонікелатом(ІІ) калію.

Публікації за темою дисертації

Войтенко З. В., Егорова Т. В., Ковтуненко В. А. Триазоло- и тетразолоизоиндолы // Хим. гетероцикл. соедин. – 2002. – № 9. – С. 1171 – 1193.

Егорова Т. В., Войтенко З. В., Затовский И. В., Вольф Ж. Ж. Комплексообразование цианиновых красителей ряда тетразоло[5,1-а]изоиндола с гексацианоферратом(III) и тетрацианоникелатом(II) калия // Координац. химия. – 2002. – Т. 28, № 8. – С. 557 – 559.

Кисіль А. І., Єгорова Т. В., Войтенко З. В, Вольф Ж. Ж. Тетразолоізоіндоли в умовах реакції ацилювання // Вісник Київського ун-ту. Хімія. – 2003. – Вип. 39-40. – С. 35 – 37.

Єгорова Т. В., Карбовська Р. В., Войтенко З. В, Туров О. В. Реакція 1,2-диметил-1,2,4-триазоло[5,1-a]ізоіндолу та 1-метилтетразоло[5,1-a]ізоіндолу з малеінімідами // Вісник Київського ун-ту. Хімія. – 2003. – Вип. 39-40. – С. 95 – 97.

Voitenko Z. V., Boisdon M. Th., Yegorova T. V., Kysil’ A. I., Favrot J., Wolf J. G. IR spectroscopy study of the reactivity of aromatic 5-acyltetrazoloindoles // J. Mol. Structure. – 2003. – V. 658, № 6. – P. 171 – 177.

Voitenko Z. V., Yegorova T. V., Kysil’ A. I., Andre C., Wolf J. G. New cyanine dyes derived from tetrazolo[5,1-a]isoindoles // Tetrahedron. – 2004. – Vol. 60, № 1. – P. 199 – 206.

Єгорова Т. В., Войтенко З. В. Реакція 1,2-диметил-1,2,4-триазоло[5,1-а]ізоіндолу з р-анізилмалеїнімідом // Тези доповідей Міжнародної конференції “Хімія азотовмісних гетероциклів” (ХАГ-2000). – Харків (Україна), 2000. – С. 89.

Кисіль А. І., Єгорова Т. В., Войтенко З. В. Тетразолоізоіндоли в умовах реакції ацилювання // Тези доповідей Другої всеукраїнської конференції студентів та аспірантів “Сучасні проблеми хімії”. – Київ (Україна), 2001. – С. 67.

Егорова Т. В., Войтенко З. В., Затовский И. В., Вольф Ж. Ж. Комплексообразование цианиновых красителей ряда тетразоло[5,1-а]изоиндола с гексацианоферратом(III) и тетрацианоникелатом(II) калия // Тезисы докладов XX Международной Чугаевской конференции по координационной химии. – Ростов-на-Дону (Россия), 2001. – С. 220.

Єгорова Т. В., Войтенко З. В., Затовський І. В., Вольф Ж. Ж. Синтез та дослідження комплексів ціанінових барвників ряду тетразоло[5,1-а]ізоіндолу з залізом(III) та нікелем(II) // Тези доповідей XV Української конференції з неорганічної хімії за міжнародною участю. – Київ (Україна), 2001. – С. 135.

Єгорова Т. В., Войтенко З. В., Карбовська Р. В., Кищенко В. А., Семенович В. К. Синтез та хроматографічне дослідження продуктів реакції циклоприєднання 1-метилтетразоло[5,1-а]ізоіндолу з малеїнімідами // Тези доповідей ХІХ Української конференції з органічної хімії. – Львів (Україна), 2001. – С. 196.

Кисіль А. І., Єгорова Т. В., Войтенко З. В. Тетразолоізоіндоли в умовах реакції ацилювання // Тези доповідей ХІХ Української конференції з органічної хімії. – Львів (Україна), 2001. – С. 202.

Егорова Т. В., Кисель А. И., Войтенко З. В., Затовский И. В., Олийнык С. А. Синтез биологически активных веществ ряда тетразолоизоиндола // Тезисы докладов Международной научно-практической конференции “Новые технологии получения и применения биологически активных веществ”. – Алушта (Украина), 2002. – С. 23 – 25.

Voitenko Z. V., Boisdon M. Th., Yegorova T. V., Kysil’ A. I., Favrot J., Wolf J. G. Infrared spectroscopy explanation of the lowered reactivity of the aromatic tetrazoloisoindoles // Book of Abstracts. SFC Eurochem. – Toulouse (France), 2002. – P 1-95.

Voitenko Z. V., Boisdon M. Th., Yegorova T. V., Kysil’ A. I., Favrot J., Wolf J. G. IR spectroscopy study of the reactivity of aromatic 5-acyltetrazoloisoindoles // Book of Abstracts. European Congress on Molecular Spectroscopy EUCMOS XXVI. – Lille (France), 2002. – P. 139 (P 2-18)

Єгорова Т. В., Кисіль А. І., Войтенко З. В. Реакції електрофільного заміщення 1-метилтетразоло[5,1-a]ізоіндолу з ізоціанатами та ізотіоціанатами // Тези доповідей V конференції молодих учених та студентів-хіміків південного регіону України. – Одеса (Україна), 2002. – С. 20.

Voitenko Z. V., Yegorova T. V., Zatovsky I. V., Jaud J., Wolf J. G. Complexation de cyanines derivees du tetrazolo[5,1-a]isoindole par des sels de nickel // 12eme Journee Chimie Grand Sud-Ouest. – Montpellier (France), 2002. – P 3-04.

Войтенко З. В., Егорова Т. В., Ковтуненко В. А., Шишкина С. В., Шишкин О. В., Цапко М. Д., Туров А. В. Строение бис-(1-метилтетразоло[5,1-a]изоиндол-5)монометинцианинперхлората // Тезисы докладов III Национальной кристаллохимической конференции. – Черноголовка (Россия), 2003. – С. 62.

Єгорова Т., Войтенко З. Тетразолоізоіндоли: одержання нових ціанінових барвників в умовах реакції ацилювання // Тези доповідей Дев’ятої наукової конференції “Львівські хімічні читання – 2003”. – Львів (Україна), 2003. – П12.

Voitenko Z. V., Yegorova T. V., Zatovsky I. V., Jaud J., Wolf J. G. Crystal structure of bis-(1-methyltetrazolo[5,1-a]isoindole-5)trimethincyanine tetracyanonickelate(II) // Book of Abstracts. Second International Chemistry Conference Toulouse-Kiev 2003. – Toulouse (France), 2003. – P. 58.

Егорова Т. В., Войтенко З. В., Затовский И. В., Жо Ж., Вольф Ж. Ж. Синтез и кристаллическая структура бис-(1-метилтетразоло[5,1-a]изоиндол-5)триметинцианин тетрацианоникелата // Тезисы докладов XX Международной Чугаевской конференции по координационной химии. – Киев (Украина), 2003. – С. 251.

Єгорова Т. В. 1-метилтетразоло[5,1-a]ізоіндол у реакціях з малеїнімідами та хлорангідридами карбонових кислот. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.03 – органічна хімія. – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2004.

Підтверджено гіпотезу про високу дієнову активність 1-метил[5,1-a]тетразолоізоіндолу та 1,2-диметил-1,2,4-триазоло[5,1-a]ізоіндолу за положеннями 5,9b. Показано, що з типовими дієнофілами – малеїнімідами – відбувається три послідовні процеси: утворення адукту Міхаеля (складу 1:1); утворення адукту Дільса-Альдера (складу 1:2) та результуюче скелетне перегрупування останнього. Показано, що в умовах реакції ацилювання утворюються два продукти: ацилпохідні та не описані раніше барвники – монометинціаніни, заміщені біля центрального атому вуглецю. Встановлено закономірності впливу на хід реакції співвідношення вихідних речовин та характеру замісника R в ацилюючому реагенті (R= Alk, Ar, Het). Досліджено комплексоутворення ціанінових барвників ряду тетразолоізоіндолу з металами на прикладі феруму(ІІІ) та нікелю(ІІ). Синтезовані сполуки досліджені методами ІЧ та електронної спектроскопії, мас-спектрометрії, а також ЯМР 1Н та 13С. Проведено рентгеноструктурне дослідження 3 сполук.

Ключові слова: 1-метил[5,1-a]тетразолоізоіндол, малеїніміди, циклоприєднання, ціанінові барвники, ацилпохідні, комплекси.

Егорова Т. В. 1-метилтетразоло[5,1-a]изоиндол в реакциях с малеинимидами и хлорангидридами карбонових кислот. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.03 – органическая химия. – Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2004.

Диссертация посвящена исследованию реакций 1-метилтетразоло[5,1-a]изоиндола с малеинимидами и хлорангидридами карбоновых кислот в различных условиях.

Впервые для азолоизоиндолов исследовано циклоприсоединение на примере 1-метилтетразоло[5,1-а]изоиндола и 1,2-диметил-1,2,4-триазоло[5,1-а]изоиндола c малеинимидами и в условиях термодинамического контроля найдено перегруппировку, которая приводит к образованию перегруппированных аддуктов Михаэля-Дильса-Альдера. Показано, что при этом происходит три последовательных процесса: образование аддукта Михаэля (состава 1:1), наличие которого установлено с помощью хромато-УФ-спектроскопии, образование аддукта Дильса-Альдера (состава 1:2) и результирующая скелетная перегруппировка последнего. Установлено, что при проведении реакции перхлората перхлорату 1-метил-5Н-тетразоло[5,1-а]изоиндолия или иодида 1,2-диметил-5Н-1,2,4-триазоло[5,1-а]изоиндолия в присутствии триэтиламина с малеинимидами в пиридине соответствующие перегруппированные аддукты –3-((2-(1-метил-1Н-тетразол-5-ил)фенил)(1-R-2,5-диоксопирролидин-3-ил)метилен)-1-R-2,5-диоксопирролидин-2,5-дионы или 3-((2-(4,5-диметил-4Н-1,2,4-триазол-3-ил)фенил)(1-R-2,5-диоксопирролидин-3-ил)метилен)-1-R-2,5-диоксопирролидин-2,5-дионы – получаются с препаративными выходами, таким образом, было разработано методику синтеза этих соединений. Строение перегруппированных аддуктов установлено с помощью спектральных критериев, разработанных для других конденсированных изоиндольных систем. Значения КССВ 2J (Ha,Hb)=21,5 Гц, 2J (Hc,Hd)=18,5 Гц, 3J (Hc,He)=6,4 Гц, 3J (Hd,He)=9,2 Гц в спектрах ЯМР 1Н синтезированных соединений являются характеристичными и позволяют однозначно установить структуру. Характерной особенностью перегруппированных аддуктов является атроподиастереомерия.

Подтверждено экспериментально гипотезу про высокую диеновую активность 1-метилтетразоло[5,1-а]изоиндола и 1,2-диметил-1,2,4-триазоло[5,1-а]изоиндола по положениям 5,9b и показано, что введение в положение 5 системы тетразолоизоиндола ацильной группы приводит к полному исчезновению диеновой активности. Найти объяснение этому факту удалось с помощью спектральных исследований: изучение ИК спектров ацилпроизводных в растворителях различной полярности показало, что полосы валентных колебаний группы С=О, которые чувствительны к смене полярности растворителя, находятся в интервале 1604 – 1561 см-1 в CDCl3 и смещаются до 1596 – 1549 см-1 в CD3OD, что свидетельствует о значительной поляризации карбонильной группы в ацилпроизводных 1-метилтетразоло[5,1-а]изоиндола.

Показано, что при ацилировании тетразолоизоиндолов хлорангидридами карбоновых кислот наряду с ацилпроизводными образуются неизвестные ранее монометинцианины с заместителями в мезо-положении, структура которых установлена с помощью рентгеноструктурного исследования. Предложено препаративный метод синтеза замещенных монометинцианинов ряда тетразолоизоиндола, который позволяет легко варьировать заместитель R у центрального атома монометинцианина, что особенно важно в случае R=Het, поскольку введение в метиновую группу монометинцианинов гетарильного заместителя с помощью известных методов сопровождается значительными синтетическими сложностями или вообще невозможно. Установлено, что оптимальным для получения монометинцианинов является соотношение перхлората 1-метил-5Н-тетразоло[5,1-а]изоиндолия/хлорангидрида/триэтиламина 1/1/2, алкильные и электронодонорные арильные заместители R способствуют увеличению выходов красителей.

По результатам рентгеноструктурных исследований сделан сравнительный анализ геометрии двух монометинцианинов тетразолоизоиндола с заместителями R=Ph та R=H. С учетом неэмпирических расчетов методом DFT сделано вывод о целесообразности учета в описании электронного строения монометинцианина с R=H вклада карбокатионной резонансной структуры.

Исследовано комплексообразование цианиновых красителей ряда тетразолоизоиндола с гексацианоферратом(ІІІ) железа и тетрацианоникелатом(ІІ) калия, при этом впервые были выделены в твердом виде в индивидуальном состоянии и охарактеризованы комплексы цианиновых красителей с металлами. Состав и строение полученных комплексов установлено с помощью элементного анализа, спектральных методов, структуру одного из них удалось установить с помощью рентгеноструктурного исследования. В комплексе никель находится в плоскоквадратном окружении. При этом аксиальные контакты Ni-C составляют соответственно 3,796 и 3,739 ?, что позволяет говорить о дополнительном взаимодействии никеля с p-сопряженной системой красителя. В свою очередь, атомы азота CN связаны с триметинцианином неспецифическими водородными связями (расстояния N-H составляют 2,432 – 2,530 ?).

Ключевые слова: 1-метилтетразоло[5,1-а]изоиндол, малеинимиды, циклоприсоединение, цианиновые красители, ацилпроизводные, комплексы.

Yegorova T. V. 1-methyltetrazolo[5,1-a]isoindole in reactions with maleic imides and acid chlorides. – Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by specialty 02.00.03 – Organic chemistry. – Kyiv National Taras Shevchenko University, Kyiv, 2004.

Cycloaddition of 1-methyltetrazolo[5,1-a]isoindole and 1,2-dimethyl-1,2,4-triazolo[5,1-a]isoindole with maleic imides was studied. It was shown that product of such coupling resulted from three consecutive processes: Michael adduct formation (of 1:1 composition); Diels-Alder adduct formation (of 1:2 composition); skeleton rearrangement of tricyclic 7-azabenzonorbornene system. It was shown that in conditions of acylation by acid chlorides two products were formed: acyl-derivatives and dyes, not reported before - monomethincyanines, substituted near central carbon atom. Features of the influence of initial reagents ratio and the nature of substituent R in acylating agent (R = Alk, Ar, Het) on reaction course were established. Complex formation of cyanine dyes of tetrazoloisoindole group with metals was studied on example of ferrum(III) and nickel(II). Synthesized compounds were studied by IR and electronic spectroscopy, mass-spectrometry and NMR 1Н and 13С. X-ray examination of three compounds was performed. On the basis of X-ray examination, quantum-mechanical calculations and 13C NMR studying of the structure of the simplest monomethincyanine of tetrazoloisoindole group hypothesis about its carbocationic character was proposed.

Key words: 1-methyltetrazolo[5,1-a]isoindole, maleic imides, cycloaddition, cyanine dyes, acyl-derivatives, complexes.