НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-ХІМІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. О.В. БОГАТСЬКОГО

ФЕДЬКО НАДІЯ ФЕДОРІВНА

547.657 : 547.46’054.2 : 547.333.1 : 66.095.253.7

СИНТЕЗ ТА ВЛАСТИВОСТІ ЙОНОАКТИВНИХ ПОХІДНИХ НАФТАЛІМІДУ

02.00.03 - органічна хімія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Одеса – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі органічної хімії Одеського національного університету ім. І.І. Мечникова Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | доктор хімічних наук, професор

Анікін Валерій Фомич,

Одеський національний університет

ім. І.І. Мечникова, професор кафедри

органічної хімії

Офіційні опоненти: | доктор хімічних наук, професор

Орлов Валерій Дмитрович,

Харківський національний університет

ім. В.Н. Каразіна,

завідувач кафедри органічної хімії

кандидат хімічних наук

Степанов Дмитро Євгенович,

Фізико-хімічний інститут

ім. О.В. Богатського НАН України,

науковий співробітник

відділу каталізу

Провідна установа: | Національний технічний університет України (КПІ) МОН України, м. Київ

Захист відбудеться 21 червня 2007 року о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.219.02 в Фізико-хімічному інституті ім. О.В. Богатського НАН України за адресою: 65080, м. Одеса, Люстдорфська дорога, 86.

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Фізико-хімічного інституту ім. О.В.Богатського НАН України.

Автореферат розісланий “18” травня 2007 року

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.х.н. Литвинова Л.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Нафталімід (1Н-бенз[de]ізохінолін-1,3(2Н)-діон) і його N-алкілпохідні знай-шли застосування в різних областях науки і техніки завдяки своїм фотохромним властивостям. Крім того, в кінці 80-х років XX століття була встановлена здатність N-алкілнафталімідів до специфічного зв’язування з деякими біологічними речовинами і тканинами, що дозволило використовувати сполуки даного класу в біології і медицині як флуоресцентні зонди при дослідженнях пухлин різних типів та як субстанції протиракових і антивірусних препаратів. З огляду на це, інтерес до заміщених N-алкілнафталімідів залишається на достатньо високому рівні і в наш час.

Актуальність роботи. Об’єктами досліджень, що проводяться в області хімії похідних нафталіміду, є перш за все його 3- і 4-заміщені. В той же час кількість відомих люмінофорів нафталімідного ряду з замісниками в положеннях 4 і 5 нафталінового ядра, які можуть бути більш ефективними йоноактивними речовинами, дуже мала. Тому актуальним є проведення досліджень, присвячених синтезу та вивченню властивостей нових похідних 4,5-дизаміщених нафталімідів.

Основним методом отримання N-алкілнафталімідів є аміноліз нафталевих ангідридів первинними амінами. Однак особливості протікання цього процесу вивчені недостатньо. Доцільно виділити та ідентифікувати проміжні продукти реакції амінолізу, докладно вивчити їх властивості та можливі напрямки перетворень.

Методи введення нафталімідного ядра в різноманітні молекули в м’яких умовах, які є особливо важливими для біологічних об’єктів, залишаються нерозробленими. Жорсткі умови виникають внаслідок низької розчинності заміщених нафталімідів в більшості органічних розчинників. Доцільним є отримання сполук, які були б ефективними донорами нафталімідного фрагмента в м’яких умовах завдяки високій реакційній здатності та розчинності в малополярних середовищах, а також вивчення можливості використання таких речовин для синтезу різноманітних похідних нафталіміду.

Зв’язок роботи з науковими програмами і темами. Дослідження було частиною наукової тематики кафедри органічної хімії Одеського національного університету і виконувалось в рамках держбюджетної теми “Дослідження напрямків синтезу, хімічних та спектральних властивостей похідних нафталіміду” (2004–2007 рр., номер держреєстрації 0104U010090), а також реалізацією програми наукових досліджень між Одеським та Регенсбургським університетами.

Метою даної роботи є розробка нових методів синтезу і вивчення властивостей йоноактивних похідних нафталіміду. Для досягнення поставленої мети потрібно було вирішити наступні завдання:

1.

2.

3.

Об’єкт дослідження – похідні іміду 1,8-нафталіндикарбонової кислоти.

Предмет дослідження – реакції отримання заміщених N-алкілнафталімідів, властивості синтезованих сполук.

Методи дослідження – органічний синтез, мас-спектрометрія, ЯМР 1Н, ІЧ, електронна абсорбційна та флуоресцентна спектроскопія, термогравіметричний аналіз, квантово-хімічні напівемпіричні методи розрахунків молекулярної будови.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертації вперше:

§ Виділено та ідентифіковано ряд алкіламоній 8-алкілкарбамоїлнафталін-1-карбоксилатів – проміжних продуктів реакції амінолізу нафталевих ангідридів первинними амінами. Встановлено, що при температурах 190 – 200 0С та в водних розчинах лугів отримані солі кількісно перетворюються в відповідні N-алкілнафталіміди, тоді як при температурах 100 – 120 0С в органічних розчинниках та в водних розчинах кислот протікають паралельні процеси утворення нафталевих ангідридів та N-алкілнафталімідів.

§ Проведене квантово-хімічне моделювання можливих шляхів перетворення алкіламоній 8-алкілкарбамоїлнафталін-1-карбоксилатів. Виявлено, що серед можливих продуктів їх перетворення (нафталевих ангідридів, N-алкілна-фталімідів, N-алкілізонафталімідів, N-алкілнафталамових кислот) продуктом термодинамічно контрольованого процесу є N-алкілнафталімід.

§ Обміном аніонів і екстракцією цільової солі в органічну фазу отримано ряд тетраалкіламоній нафталімідів. Показана ефективність при їх використанні як донорів нафталімідного ядра в м’яких умовах, що дозволяє отримувати N-алкілнафталіміди та біс-нафталіміди з високими виходами.

§ Нуклеофільним заміщенням атомів хлору синтезовані нові N-алкілна-фталіміди з N- та О-електронодонорними замісниками в положеннях 4 та 5. Встановлено характер впливу замісників в положеннях 4 та 5 на спектрально-люмінесцентні властивості отриманих сполук в порівнянні з їх 4-моно-заміщеними аналогами.

Практичне значення отриманих результатів. На основі детального вивчення властивостей отриманих 8-алкілнафталін-1-карбоксилатів алкіламонію показано, що вони можуть бути з високими виходами перетворені в N-алкілзаміщені нафталіміди.

Запропонований метод синтезу функціональних похідних моно- і біс-нафталімідів, оснований на реакціях алкілування тетраалкіламоній нафталімідів, має ряд синтетичних переваг в порівнянні з методом ацилювання первинних амінів нафталевими ангідридами і міжфазнокаталітичним алкілуванням нафталімідів. Він є зручним інструментом для введення нафталімідного фрагмента в різноманітні молекули в м’яких умовах.

Отримані N-алкілнафталіміди з донорними замісниками в положеннях 4 та 5 є чутливими до зміни полярності середовища хромо- і флуорофорами і можуть рекомендуватися для використання як люмінофори.

Одержані результати можуть бути використані в вузівських курсах з органічної хімії, а також спецкурсах, присвячених методам фізичної органічної хімії і методам органічного синтезу.

Особистий внесок автора полягає в самостійному проведенні синтетичних експериментів: розробці нових способів синтезу нафталімідних структур і отриманні нових йоноактивних похідних нафталіміду; в визначенні і інтерпретації фізико-хімічних констант, які характеризують синтезовані сполуки. Постановка мети і завдань дослідження, а також аналіз отриманих результатів проводилися спільно з науковим керівником. Вимірювання спектрів люмінесценції і величин квантових виходів з обговоренням результатів виконані спільно з к.х.н. Паценкером Л.Д. (НТК “Інститут монокристалів” НАН України, м. Харків). ІЧ, мас-спектри, спектри ЯМР 1Н вперше отриманих сполук були виконані в Інституті органічної хімії Регенсбурзького університету (Німеччина) при доброзичливому сприянні проф. А. Мерца та в Київському національному університеті ім. Т.Г. Шевченка. Комп’ютерне моделювання процесів проводилось спільно з к.х.н. Ведутою В.В. (ОНУ ім. І.І. Мечникова). Всім вище перерахованим колегам автор висловлює подяку за безцінну допомогу.

Апробація роботи. Основні положення роботи докладалися на IV Всеукраїнській конференції студентів та аспірантів “Сучасні проблеми хімії” (Київ, 2003 р.); Міжнародній конференції студентів та аспірантів “Сучасні напрямки розвитку хімії” (Одеса, 2004 р.); IІ Всеукраїнській конференції молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії (Дніпропетровськ, 2004 р.); XX Українській конференції з органічної хімії (Одеса, 2004 р.); IІІ Всеукраїнській конференції молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії (Харків, 2005 р.); VIII конференції молодих учених та студентів-хіміків Південного регіону України (Одеса, 2005 р.); IV Міжнародній конференції “Сhemistry of nitrogen containing heteroCHNH–2006” (Харків, 2006 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 наукових праць, в тому числі 3 статті і 7 тез доповідей.

Обсяг і структура роботи. Дисертація викладена на 141 сторінках машинописного тексту, містить 21 таблицю, 18 рисунків. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку цитованої літератури, що включає 148 найменувань, і додатку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і завдання роботи, визначена її наукова новизна і практична цінність одержаних результатів.

У першому розділі дисертації приведені літературні дані про методи синтезу заміщених нафталімідів та про відомі йоноактивні похідні нафталіміду.

У другому розділі представлені результати вивчення умов утворення та напрямів перетворення алкіламоній 8-алкілкарбамоїлнафталін-1-карбоксилатів (ІІа_м), які були виділені та ідентифіковані при амінолізі заміщених нафталевих ангідридів первинними амінами в малополярних і диполярних апротонних розчинниках (схема 1).

Схема 1

Y=H: Z=H (Ia), 2-Br (Іб), 3-NO2 (Ів), 4-Cl (Іг), 4-Br (Ід), 4-NO2 (Іе), 4-морфоліноІє); Y=Cl: Z=4-Cl (Iж); R=н-C8H17: Y=H: Z=H (IІa, ІІІа), 2-Br (IІб, ІІІб), 3-NO2 (IІв, ІІІв), 4-Cl (IІг, ІІІг), 4-Br (IІд, ІІІд), 4-NO2 (IІе, ІІІе), 4-морфоліно- (IІє, ІІІє); Y=Cl: Z=4-Cl (IІж, ІІІж); R=н_C4H9: Y=H: Z=H (IІз, ІІІз), 4-Cl (IІи, ІІІи), 4-Br (IІі, ІІІі), 4-NO2 (IІк, ІІІк),Y=Cl: Z=4-Cl (IІл, ІІІл); R=CH3: Y=H: Z=H (IІм, ІІІм).

При нагріванні до 100 0С в хлоробензолі, оцтовій кислоті і диметилформаміді солі (ІІа м) перетворюються за двома напрямами – циклізуючись в вихідні нафталеві ангідриди і кінцеві продукти – N-октилнафталіміди (рис.1). Характер кривих накопичення продуктів свідчить про необоротність реакції циклізації проміжних солей в кінцеві продукти амінолізу (ІІІа-м) і про оборотність процесу їх переходу в вихідні ангідриди (Іа-ж).

В кислому середовищі при кімнатній температурі алкіламонійні солі N-алкілнафталамової кислоти також циклізуються і в вихідні ангідриди, і в N-алкіліміди, тоді як додавання до водних розчинів сполук (ІІа-м) лугів веде до утворення виключно N_алкілнафталімідів (ІІІа-м).

Дані диференціального термічного аналізу сполук (ІІа-м) свідчать про те, що в інтервалі температур 120 – 200 0С для всіх солей спостерігається втрата маси, яка супроводжується ендотермічним піком на диференційній кривій залежності температури від часу (кривій ДТА).

За своєю величиною дана втрата маси відповідає відщепленню молекули води і молекули аміну, тобто перетворенню солей алкіламонію і N-алкіл-нафталамової кислоти в відповідні N-алкілнафталіміди, що доведено методом температурних зупинок.

Для з’ясування механізму реакції циклізації отриманих алкіламонійних солей N-алкілнафталамових кислот (ІІа-м) було проведене комп’ютерне моделювання можливих шляхів протікання реакції з використанням квантово-хімічного напівемпіричного методу РМ3. Дані розрахунків показують, що циклізація метиламонійної солі N-метилнафталамової кислоти (IІм) в імід (ІІІм) ймовірно протікає через стадію внутрішньомолекулярної міграції протону від N-метиламідної групи до карбоксилат-аніона, в результаті якої утворюється карбоксильна група та значно збільшується нуклеофільність амідного азоту. Подальше перетворення інтермедіату (ІV) може легко відбуватися при взаємному зближенні аніона амідної групи і карбоксильної групи. На третій стадії синхронне відщеплення молекул води та метиламіну приводить до утворення N-метилнафталіміду (ІІІм) (схема 2).

Схема 2

Альтернативним напрямком реакції є атака атомом кисню амідної групи атома вуглецю карбоксильної групи в інтермедіаті (ІV) з наступним відщепленням молекул води і метиламіну, що призводить до утворення відповідного ізонафталіміду (VІI).

Конкурентна реакція циклізації солі (ІІм), що в кінцевому рахунку приводить до утворення нафталевого ангідриду (Ia), відбувається в дві стадії. На першій стадії карбоксилатний аніон кисню атакує атом вуглецю амідної групи з утворенням нестійкого інтермедіату (IX). Далі проходить синхронне відщеплення двох молекул аміну і одержується нафталевий ангідрид (Ia).

Міграція протону від метиламонійного катіона солі (ІІм) до кисню карбоксилат-аніона приводить до екзотермічної реакції утворення N-метилнафталамової кислоти (VIII) і метиламіну (схема 2). Однак розрахунки методом РМ3 наступної стадії – атаки азотом амідної групи вуглецю карбоксильної групи не дозволяють локалізувати перехідний стан даного процесу, що ймовірно пов’язано з відносно низькою нуклеофільністю азоту N-метиламідної групи кислоти (VIII) для атаки неактивованої карбоксильної групи.

Згідно проведеним розрахункам, термодинамічний контроль процесу перетворення солі (IІм) повинен приводити до утворення N-метилнафталіміду як найбільш енергетично вигідної системи (рис. 2), що підтверджується експериментальними даними.

В третьому розділі роботи запропонований новий підхід до синтезу заміщених N-алкілнафталімідів, оснований на алкілуванні вперше одержаних тетра-алкіламонійних солей нафталімідів алкілгалогенідами.

Завдяки виключно високій стійкості імідного циклу в лужному середовищі тетраалкіламонійні солі нафталімідів (XIа-у) можуть бути отримані при кімнатній температурі обміном аніонів і екстракцією цільової солі в органічну фазу (схема ).

Схема 3

Y=H: Z=H (Хa), 2-Br (Xб), 3-NO2 (Xв), 4-Cl (Xг), 4-Br (Xд), 4-NO2 (Xе), 4-морфо-ліноXж), 4-піперидино-(Xз); Y=Cl: Z=4-Cl (Хи); Y=Br: Z=4-Br (Хі); R=н-C8H17: Y=H: Z=H (ХІа), 2-Br (ХІб), 3-NO2 (ХІв), 4-Cl (ХІг), 4-Br (ХІд), 4-NO2 (ХІе), 4-морфоліно- (ХІж), 4-піперидино-(XІз), Y=Cl: Z=4-Cl (XІи), Y=Br: Z=4-Br (ХІі); R=н_C6H13: Y=H: Z=H (ХІк), 2-Br (ХІл), 3-NO2 (ХІм), 4-Cl (ХІн), 4-Br (ХІо), 4-NO2 (ХІп), Y=Cl: Z=4-Cl (XІр); R=н_C4H9: Y=H: Z=H (XІс), 4-Cl (XІт), Y=Cl: Z=4-Cl (XІу).

Склад і будова отриманих сполук (XIа-у) встановлені комплексом сучасних методів дослідження. В спектрах протонного магнітного резонансу спостерігається зсув сигналів протонів ароматичного фрагменту в область сильних полів в порівнянні з відповідними нафталімідами, причому найбільше екранування (зсув на 0.15–0.3 м.д.) відбувається для протонів, які знаходяться в орто- і пара- положеннях до імідного угрупування.

Розчинність сполук (XIа-у) збільшується при переході від неполярних апротонних до полярних розчинників та при зростанні довжини вуглеводневих ланцюгів тетраалкіламонійних катіонів. В порівнянні з нафталімідом (Ха) розчинність тетраоктил- (XIа), тетрагексил- (XIк) та тетрабутиламоній (XIс) нафталімідів зростає в 10 – 100 разів.

Результати термогравіметричного дослідження показують, що тетраалкіл-амоній нафталіміди (XIа-у) є термічно стійкими до 135–140 0С. На дериватограмах всіх речовин при 110–130 0С спостерігаються ендотермічні піки, не пов’язані зі втратою маси. Максимуми піків відповідають температурам плавлення синтезованих солей нафталіміду. Перша втрата маси спостерігається при 135–230 0С і супроводжується ендотермічним піком з максимумом при 170–200 0С на кривій ДТА; повна втрата маси спостерігається при 240–300 0С.

Вид дериватограм солей нафталіміду залежить від довжини вуглеводневого радикалу тетраалкіламонійного катіона. Для тетрабутил- і тетрагексиламонійних солей дані термогравіметричного аналізу співпадають з припустимим механізмом їх розщеплення по Гофману, тоді як у випадку тетраоктиламонійних солей спостерігаються значні відхилення, пов’язані з утворенням при розкладі високо киплячого триоктиламіну.

Тетраалкіламонійні солі нафталімідів можуть виступати як зручні сполуки для введення нафталімідного фрагмента в м’яких умовах завдяки їх високій реакційній здатності та розчинності в малополярних середовищах. Так, взаємодія синтезованих сполук з алкілувальними агентами в бензолі при 40 0С проходить за 25–45 хв з виходами N_алкілнафталімідів (XII) та біс-нафталімідів (XIII) 90–98 % (схема 4). Швидкість реакції мало залежить від довжини вуглеводневого радикалу алкілгалогеніду і збільшується при переході від алкілхлоридів до алкілйодидів.

Схема 4

Розроблений метод отримання N-алкілнафталімідів дозволяє одержати цільові продукти з високими виходами, скоротити тривалість реакції та запобігти протіканню реакцій нуклеофільного заміщення атомів галогену чи нітрогрупи в ароматичному ядрі.

Четвертий розділ роботи присвячений синтезу та дослідженню властивостей раніше не описаних в літературі N-алкілнафталімідів з електронодонорними замісниками в положеннях 4 та 5.

N-Бутил-4,5-дибутиламінонафталімід (XIVа), N-гексил-4,5-дигексиламіно-нафталімід (XIVб) та N-октил-4,5-діоктиламінонафталімід (XIVв) були отримані взаємодією 4,5-дихлоронафталевого ангідриду з 20-разовим надлишком відповідних амінів в диглимі (схема 5).

Схема 5

Отримання 4,5-дипіперидино- та 4,5-диморфоліно-N-октилнафталімідів (ХVIIа, б) теоретично може бути проведене двома шляхами. Перший із них полягає в послідовності “4,5-дихлоронафталевий ангідрид (Іж)– 4,5-дипіперидино (або диморфоліно)нафталевий ангідрид (XV) – 4,5-дипіперидино (або диморфоліно)-N-октил-нафталімід (XVII)”; другий – в послідовності “4,5-дихлоронафталевий ангідрид (Iж)– 4,5-дихлоро-N-октилнафталімід (XVIa) – 4,5-дипіперидино (або диморфоліно)-N-октилнафталімід (XVII)” (схема 5). Незважаючи на однакову кількість стадій, більш вигідним є перший маршрут, так як, по-перше, ангідридне угрупування сприяє нуклеофільному заміщенню атомів хлору в більшій мірі, ніж менш електроноакцепторне N-алкілімідне угрупування, а по-друге, при використанні другого маршруту на першій стадії спостерігається утворення побічних продуктів заміщення атомів хлору на октиламіногрупу, що значно знижує вихід цільового 4,5-дихлоро-N-октилнафталіміду. Вплив природи замісників положеннях 4 та 5 на протікання реакції ацилювання первинного аміну відповідним ангідридом незначний.

Синтез ангідридів (XVа,б) та імідів (XVIIа,б) проводили в хлоробензолі, використовуючи 4-разовий надлишок циклічного вторинного аміну та дворазовий – октиламіну.

Нуклеофільним заміщенням атомів хлору в N-октил- та N-бутил-4,5-дихло-ронафталімідах (XVIa,б) були отримані сполуки (XVIIIа-е) (схема 6). Синтез ді-олів (XVIIIa) і (XVIIIe) та діаміну (XVIIIб) проводили в хлоробензолі з використанням 10-разового надлишку моноетаноламіну та етилендіаміну відповідно. 4,5_Ди(2-гідроксіетокси)-N-октилнафталімід (XVIIIв) отримували обробкою відповідного дихлороіміду етиленгліколятом натрію в етиленгліколі. Поданди (XVIIIд) та (XVIIIе) були одержані взаємодією N-октил-4,5-дихлоронафталіміду з 2-(2-метоксіетоксі)-етанолятом натрію та 2-[2-(2-метоксіетоксі)-етоксі]-етано-лятом натрію в монометилових етерах діетиленгліколю та триетиленгліколю, відповідно.

Схема 6

В спектрах поглинання N-алкілнафталімідів з N-замісниками в положеннях 4 і 5 (XIVа-в; XVIIа,б; XVIIIa,б,е) спостерігається смуга поглинання в видимій області спектру з максимумами в діапазоні 438 – 453 нм, що обумовлює жовте чи помаранчеве забарвлення даних сполук. 4,5-Ди(2-гідроксіетокси)-N-октилна-фталімід (XVIIIв) і поданди (XVIIIг, XVIIIд) поглинають в ультрафіолетовій частині спектру з максимумами при 380–384 нм.

Іміди (XIVа-в; XVIIа,б; XVIII a,б,е) є люмінофорами жовто-зеленого свічення, а діол (XVIIIв) і поданди (XVIIIг, XVIIIд) – люмінофорами блакитного свічення з максимумами в спектрах люмінесценції 512–519 нм і 441–444 нм, відповідно.

Дані про спектральні властивості отриманих сполук свідчать, що при переході від 4-заміщених N-алкілнафталімідів до відповідних 4,5-дизаміщених сполук спостерігається батохромний зсув їх спектрів поглинання та люмінесценції на 15–20 нм, а також збільшення приблизно в 2 рази значень молярного показника поглинання.

Нами також синтезовані три діаза-краун сполуки (ХIXa-в) з використанням 4,5-ди(2-гідроксіетиламіно)-N-октилнафталіміду (ХVIIIа) і 4,5-ди(2-гідроксі-етиламіно)-N-бутилнафтал-іміду (ХVIIIе) як вихідних речовин, взаємодія яких з ди- і триетиленглікольдитозилатами призвела до утворення краун-етерів (ХIXa-в) (схема 6). Синтез сполук (ХIXa-в) проводився в умовах високого розведення з використанням як конденсуючих агентів гідроксиду натрію при синтезі краун-етера (ХIXa) і трет-бутоксиду калію в випадку сполук (ХIXб) і (ХIXв).

Схема 6

При збільшенні полярності розчинників (а саме при переході від гексану до етанолу) спостерігається батохромний зсув максимумів поглинання та люмінесценції отриманих сполук, що складає 25–28 нм.

Комплексоутворення азакраун-етерів з йоном натрію в ацетонітрилі приводить до гіпсохромного зсуву максимумів поглинання на 24 нм та 36 нм для речовин (XIXa) і (XIXб), відповідно.

N-октилнафталіміди з N-замісниками в ароматичному ядрі (XIVв; XVIIа; XVIIIа,б; ХIXа,б) в воді люмінують слабко, а в водному розчині альбуміну інтенсивність флуоресценції збільшується в 4.5–18 разів. Причому збільшення інтенсивності люмінесценції отриманих сполук при зв’язуванні з альбуміном зростає при переході від 4-монозаміщених нафталімідів до їх 4,5-дизаміщених аналогів і має найвище значення для краун-етерів з нафталімідним фрагментом (рис. 3).

При додаванні до розчинів 4,5-діалкіламіно-N-алкілнафталі-мідів (XIVа-в) в ДМСО надлишку сильних основ (фториду калію, трет-бутоксиду калію та біс(триметилсіліл)аміду натрію в молярному співвідношенні імідоснова ? 1 : 10 колір розчинів змінюється з жовто-зеленого до фіолетового, а люмінесценція розчину зникає. Така ж зміна кольору спостерігається і при використанні інших апротонних розчинників, наприклад, тетрагідрофурану, 1,4-діок-сану, хлористого метилену

Батохромний зсув максимумів поглинання сполук в присутності високоосновних аніонів може бути пояснений депротонуванням однієї N-алкіламіногрупи під дією високоосновних аніонів, збільшенням внаслідок цього електронної густини на амідному атомі азоту, і, як результат, виникненням більш ефективного внутрішньомолекулярного переносу заряду.

При порівнянні електронних спектрів поглинання N-октил-4,5-діоктил-амінонафталіміду (XІVв) з його 4-монозаміщеним аналогом – N-октил-4-октил-амінонафталімідом при додаванні біс(триметилсіліл)аміду натрію відмічено, що батохромний зсув для монозаміщеного іміду складає 70 нм, тоді як взаємодія 4,5-дизаміщеного іміду з високоосновним аніоном приводить до довгохвильового зміщення максимуму поглинання на 102 нм (рис. 4), тобто введення другої алкіламіногрупи в положення 5 нафталінового ядра збільшує зсув на 32 нм.

Висновки

1. Експериментально встановлено, що процес амінолізу нафталевих ангідридів алкіламінами проходить через стадію утворення алкіламоній 8-алкілкарбамоїл-нафталін-1-карбоксилатів, які завдяки їх низькій розчинності в апротонних розчинниках можуть бути легко виділені.

2. Показано, що алкіламоній 8-алкілкарбамоїлнафталін-1-карбоксилати в залеж-ності від умов (температура, розчинник, дія кислот і лугів) перетворюються в нафталеві ангідриди і N-алкілнафталіміди, причому останні є продуктами термодинамічного контролю процесу. Квантово-хімічне моделювання дозволяє пояснити ці перетворення.

3. Встановлено, що завдяки високій стійкості імідного циклу в нафталіміді і його похідних в водному лужному середовищі тетраалкіламоній нафталіміди (солі тетраалкіламонію) можуть бути отримані шляхом обміну аніонів і екстракції цільової солі в органічну фазу з виходами 93–98В випадку з фталімідом цього зробити не вдається.

4. Методом термогравіметричного аналізу встановлено, що тетраалкіламоній нафталіміди зберігають свою хімічну індивідуальність до 135–140 0С, а при подальшому нагріванні перетворюються в відповідні нафталіміди, третинні аміни і алкени.

5. Експериментально показано, що тетраалкіламоній нафталіміди можуть бути використані як ефективні нуклеофіли – донори нафталімідного фрагмента в малополярних розчинниках, що дозволяє отримувати N-алкілнафталіміди та біс-нафталіміди в м’яких умовах без протікання побічних реакцій.

6. Виявлено, що отримані 4,5-заміщені (діалкіламіно, дициклогетерил, поліоксіетилендіаміно, діалкокси) N-алкілнафталіміди в порівнянні з відповідними 4-заміщеними N-алкілнафталімідами є більш чутливими хромо- і флуорофорами до зміни полярності середовища.

7. Показано, що 4,5-діалкіламінозаміщені N-алкілнафталіміди проявляють сенсор-ну здатність по відношенню до високоосновних аніонів (F-, (CH3)3CO-, [(CH3)3Si]2N-) в диполярних апротонних розчинниках, що спостерігається в значному батохромному зсуві максимумів їх поглинання, який складає 100 _ нм.

Основні результати досліджень викладені в наступних роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

АНОТАЦІЯ

Федько Н.Ф. Синтез та властивості йоноактивних похідних нафталіміду. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.03 – органічна хімія. – Фізико–хімічний інститут ім. О.В. Богатського НАН України, Одеса, 2007.

Робота присвячена розробці нових методів синтезу, отриманню і вивченню властивостей йоноактивних похідних нафталіміду.

Виділено ряд алкіламонійних солей N-алкілнафталамових кислот, які є проміжними продуктами при амінолізі нафталевих ангідридів первинними амінами в неполярних та полярних апротонних розчинниках. Показано, що дані сполуки можуть бути перетворені в відповідні N-алкілнафталіміди при дії водних розчинів лугів а також при високих температурах.

Отримано та ідентифіковано ряд тетраалкіламонійних солей нафталімідів, показана ефективність їх використання для одержання N-алкілнафталімідів та біс-нафталімідів алкілуванням в м’яких умовах з високими виходами.

Синтезовані N-алкілнафталіміди з донорними замісниками в положеннях 4 і 5. Встановлений ряд властивостей, які визначають можливі області використання отриманих сполук як люмінофорів.

Ключові слова: нафталевий ангідрид, нафталімід, алкіламін, аміноліз, алкілування, люмінофор.

АННОТАЦИЯ

Федько Н.Ф. Синтез и свойства ионактивных производных нафталимида – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.03 – органическая химия. – Физико-химический институт им. А.В. Богатского НАН Украины, Одесса, 2007.

Диссертация посвящена синтетическим вопросам химии имидов 1,8-нафта-линдикарбоновой кислоты: оптимизации известных и разработке новых методов синтеза, получению новых ионактивных производных нафталимида и изучению их свойств.

Выделен и идентифицирован ряд 8-алкилкарбамоилнафталин-1-карбокси-латов алкиламмония, образующихся как промежуточные продукты при аминолизе нафталевых ангидридов первичными аминами в неполярных и полярных апротонных растворителях. При нагревании полученных солей при 100 0С в ДМФА, хлоробензоле и уксусной кислоте, а также при действии водных растворов кислот при комнатной температуре, наблюдается их циклизация в исходные нафталевые ангидриды и в продукты реакции аминолиза – N-алкилнафталимиды. При температурах 190–200 0С или в водных растворах щелочей 8-алкилкарбамоилнафталин-1-карбоксилаты алкиламмония превращаются исключительно в соответствующие N-алкилнафталимиды.

Проведено квантово-химическое моделирование возможных путей превращения 8-алкилкарбамоилнафталин-1-карбоксилатов алкиламмония. Выявлено, что среди возможных продуктов их превращения (нафталевых ангидридов, N-алкилнафталимидов, N-алкилизонафталимидов, N-алкилнафталамовых кислот) продуктом термодинамически контролируемого процесса является N-алкилна-фталимид.

Обменом анионов и экстракцией целевой соли в органическую фазу получены тетраалкиламмонийные соли нафталимидов, которые являются удобными соединениями для введения нафталимидного фрагмента в мягких условиях благодаря их высокой реакционной способности и растворимости в малополярных средах. Взаимодействие синтезированных солей с алкилирующими агентами в бензоле при 40 0С проходит за 25–45 мин с почти количественными выходами соответствующих N-алкилнафталимидов и бис-нафталимидов.

Установлено, что для синтезированных N-алкилнафталимидов с электронодонорными заместителями в положениях 4 и 5 по сравнению с 4-замещенными N-алкилнафталимидами наблюдается батохромный сдвиг максимумов поглощения и люминесценции на 15–20 нм и увеличение почти в 2 раза значений молярного показателя поглощения.

Получены азакраун-эфиры, конденсированные с нафталимидным фрагментом, спектрально-люминесцентные свойства которых зависят от степени участия атомов азота алкиламиногрупп в сопряжении с ароматическим ядром и в комплексообразовании.

Показано, что при добавлении к растворам 4,5-диалкиламино-N-алкил-нафталимидов в полярных апротонных растворителях избытка сильных оснований цвет растворов меняется от желтого к фиолетовому, т.е. данные соединения могут быть использованы как колориметрические сенсоры на высокоосновные анионы.

Ключевые слова: нафталимид, нафталевый ангидрид, алкиламин, аминолиз, алкилирование, люминофор.

SUMMARY

Fed’ko N.F. Synthesis and properties of ion active naphthalimide derivatives. – The manuscript.

Thesis for a candidate degree by speciality 02.00.03. – organic chemistry. – A.V. Bogatsky Physico-chemical institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Odessa, 2007.

The thesis is devoted to development of convenient synthetic methods of naphthalimide ion active derivatives and their physico-chemical properties study.

A set of N-alkylnaphthalamic acids alkylammonium salts, being the intermediates of aminolysis of naphthalic anhydrides by primary amines in aprotic organic solvents, was isolated. These compounds convert into corresponding N-alkylnaphthalimides by heating or by alkaline reagent treatment.

A number of tetraalkylammonium salts of naphthalimides were prepared for the first time. They can be transformed with good yields into N-alkylnaphthalimides and N,Nґ-bis-naphthalimides by reacting with alkylating agents at very mild conditions.

N-Alkylnaphthalimides with N- and O-electron donating substituents in the positions 4 and 5 were obtained. Absorption and fluorescence spectra of the prepared compounds have been analysed determining possible fields of their application as fluorophores.

Key words: naphthalimide, naphthalic anhydride, alkylamine, aminolisys, alkylation, fluorophore.