Новый универсальный метод сборки 2-замещенных 1,2,3-триазолов с атомарной точностью. От синтетической химии к новым материалам и биологически активным молекуламНИР

New general method for construction of 2-substituted 1,2,3-triazoles with atomic precision. From synthetic chemistry to materials and biologically active molecules

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 30 октября 2016 г.-31 октября 2017 г. Новый универсальный метод сборки 2-замещенных 1,2,3-триазолов с атомарной точностью. От синтетической химии к новым материалам и биологически активным молекулам
Результаты этапа: 1. Разработан универсальный метод синтеза 4,4-дигалоген-1,2-диаза-бутадиенов-1,3. 2. Показан богатый синтетический потенциал этих соединений. 3. разработан универсальный метод получения 2-замещенных триазолов на основе реакции 4,4-дигалоген-1,2-диаза-бутадиенов-1,3 с азидом натрия.
2 31 октября 2017 г.-31 октября 2018 г. Новый универсальный метод сборки 2-замещенных 1,2,3-триазолов с атомарной точностью. От синтетической химии к новым материалам и биологически активным молекулам
Результаты этапа: За первый год выполнения проекта нами разработан универсальный метод синтеза 4,4-дигалоген-1,2-диаза-бутадиенов-1,3. Показано, что эти соединения являются высокореакционоспособными электрофилами и изучены особенности их реакций с нуклеофилами. Разработан эффективный универсальный метод синтеза 2-замещенных 1,2,3-триазолов, который позволяет конструировать целевые гетероциклы с широким кругом заместителей.
3 31 октября 2018 г.-31 октября 2019 г. Новый универсальный метод сборки 2-замещенных 1,2,3-триазолов с атомарной точностью. От синтетической химии к новым материалам и биологически активным молекулам
Результаты этапа: В рамках выполнения проекта получены следующие результаты. 1. Изучена новая реакция - взаимодействие N-замещенных гидразонов с полигалогеналканами. Гидразоны являются одним из важнейших классов производных карбонильных соединений. Эти "химические хамелеоны» реакционоспособны по отношению к нуклеофилам, электрофилам, радикалам и карбенам. Не так давно мы обнаружили новую каталитическую реакцию олефинирования, медь-катализируемое сочетание N-незамещенных гидразонов с полигалогенпроизводными алканов. Эта реакция стала эффективным методом построения различных функционализированных алкенов. Стремясь расширить применение углерод- углеродной связи, образующей взаимодействия с участием гидразонов, мы изучили реакции монозамещенных гидразонов с тетрахлоруглеродом и другими полигалогенированными соединениями. Реакция гидразона 1а с CCl4 в присутствии каталитических количеств CuCl привела к образованию азадиена 2а с выходом 67%. Структура соединения 2а, обладающего транс-конфигурацией аза-фрагмента однозначно подтверждена рентгеноструктурным анализом. Было установлено, что наиболее эффективно реакция протекает с избытком CCl4 (10 экв.) в ДМСО при комнатной температуре в присутствии 1-2 мольных % CuCl и 2,5 эквивалентов ТМЭДА. После нахождения оптимальных условий реакции, была исследована область ее применения. Во-первых, было изучено влияние природы карбонильной части фенилгидразонов. Для этого был изучен ряд гидразонов, полученных из бензальдегидов, имеющих как стерически так и электронно различающиеся заместители. Реакция прекрасно идет с гидразонами, полученными из электронно- избыточных или электронно-дефицитных бензальдегидов с получением желаемых продуктов с большими выходами (до 97%). Электронные эффекты в бензальдегидной части не влияют на реакцию, так как все гидразоны плавно преобразуются в конечные продукты. Реакция с производным нафталина также хорошо протекает с образованием 2n и выходом 84%. Вероятно, из-за стерических причин, реакция гидразона 2,6-дихлорбензальдегида 2l показала более низкую эффективность (60%). Далее, была исследована возможность применения других производных гидразонов. Реакции с гидразонами алифатических альдегидов, а также некоторых гетероциклических производных (пиридин, хинолин и фуран) протекают также эффективно с выходами до 91%. Затем была изучена природа гидразинного фрагмента. Было установлено, что в отличие от альдегидного фрагмента, который практически не оказывает влияния на реакцию, гидразинная часть существенно влияет на результат реакции. Реакция с субстратами, обладающими электронно-дефицитными арильными группами, протекает более медленно (2z), либо не проходит вообще (2ag-ai). Тем не менее, разнообразие гидразинной части достаточно велико, что позволяет получить широкий набор гетеродиенов. Кроме того, исследовалась возможность проведения реакции one-pot, начиная с легкодоступных бензальдегидов и гидразинов. К нашему удовольствию, синтез гетеродиенов 2 проходит с хорошими выходами, которые были сопоставимы с результатами, полученными при стандартной операции, которую используют для предварительного синтеза гидразонов. Затем дополнительно была изучена возможность реакции N-монозамещенных гидразонов с другими полигалогенированными соединениями, содержащими сложноэфирную, циано- и трифторметильную группы. Было обнаружено, что в неоптимизированных условиях, может быть получен ряд интересных азадиенов 3-7. Эти результаты показывают, что эта реакция имеет широкую область применения, что открывает подход к широкому кругу гетеродиенов, в том числе к трифторметилированным производным 6 и 7, потенциально полезных строительных блоков для медицинской химии, агрохимии и материаловедения. Из-за наличия электроноакцепторной аза-группы, полученные азадиены 2 имеют электрофильную природу. Мы изучили их некоторые реакции с O-, N-, S- и C-нуклеофилами. Эти реакции протекают по разным сценариям, включая замещение атомов Cl нуклеофилами (пути C и F), образование гидразо-производных (B и D) и гетероциклизацию с участием азо-группы (А и Е). Последний путь выглядит особенно привлекательным для получения некоторых гетероциклических систем, таких как пиридазины. Оказалось, что все эти реакции протекают крайне эффективно с образованием соответствующих продуктов 8-13 с выходами от 80 до 96%. Также был исследован возможный механизм этой реакции. Мы предположили два наиболее вероятных пути этой трансформации. Первый путь будет включать в себя участие частиц Cu (I)/ Cu (III) (схема 8), в соответствии с этим механизмом, реакция между соединением 1 и Cu (I)дает N-медный гидразид А, существующий в равновесии с медьорганическим интермедиатом В. Последний, после окислительного присоединения CCl4, образует интермедиат С, который после восстановительного элиминирования с последующим отщеплением HCl, дает продукт реакции.Однако спектры ЭПР в анаэробных условиях показали наличие Cu2+, что противоречит данному механистическому пути. Кроме того, мы попытались обнаружить медный гидразид А в реакции между CuCl и гидразонами 1 в присутствии ТМЭДА. Тем не менее, в соответствии с данными ЯМР, этого не наблюдается. Альтернативный сценарий протекает через каталитический цикл Cu (I) / Cu (II). Перенос одного электрона из CuCl в CCl4 дает Cu(II) и CCl3-радикал. Последний, присоединяясь к C=N связи гидразона 1 с образованием N-центрированного гидразонил-радикала D с дальнейшим окислением Cu (II) и потерей HCl, превращается в диазен Е. Последующее элиминирование второй молекулы HCl из соединения Е в присутствии ТМЭДА дает продукт реакции - 1,2-диаза-1,3-диен 2. Для того, чтобы подтвердить наличие радикальных интермедиатов в данном превращении, был проведен эксперимент «радикальные часы». Было установлено, что реакция α- циклопропилстирола 14 с CCl4 в стандартных условиях дала дегидронафталин 15 с умеренным выходом. Очевидно, что этосоединение образуется за счет окислительной циклизации радикала F, который образуется при присоединении радикала CCl3 к соединению 14. Этот результат дает неопровержимое доказательство участия CCl3 радикала в этой трансформации. Радикальный характер этой реакции также подтверждается экспериментами в присутствии акцепторов радикалов. Было установлено, что добавление 1 эквивалента п-динитробензола существенно замедляет реакцию, в то время как добавление TEMPO практически останавливает реакцию. Таким образом, нами была разработана новая реакция, открывающая возможность создания новой C-C связи – реакция между N-монозамещенными гидразонами и полигалогеналканами, в результате которой образуется 1,2-диазабута-1,3-диены. Продемонстрированы широкие возможности данного метода, а также возможность использования полученных галогенированных азадиенов. По результатам данной части проекта опубликована статья в ACS Catalisys (IF=9.3). 2. Синтез азидотриазолов с атомарной точностью на основе дихлордиазадиенов. Главной задачей данного проекта является разработка нового универсального метода получения 2-замещенных 1,2,3-триазолов на основе реакции – тандемного превращения дихлордиазадиенов в азидотриазолы под действием азида натрия. Разработав на первом этапе проекта универсальный синтез целевых строительных блоков – дихлордиазадиенов, мы приступили к изучению синтеза 2-замещенных 1,2,3-триазолов на их основе. На первом этапе мы исследовали возможности и ограничения данной реакции, для чего серия дихлордиазадиенов на основе фенилгидразина была введена в реакцию с азидом натрия. В рамках данного проекта мы планируем решить проблему универсального подхода для получения 2-замещенных 1,2,3-триазолов, методы синтеза которых до сих пор весьма сложны и число которых весьма невелико, в отличие от 1-замещенных аналогов. Следует отметить, что на основе очень простых и доступных исходных соединений происходит сборка достаточно сложного типа молекул с заданным расположением всех заместителей в целевой структуре. При этом удается сконструировать сразу 5 новых химических связей. Оказалось, что этот метод является весьма универсальным и позволяет широко варьировать природу заместителя в положении 4 триазольного цикла. Строение одного из продуктов было однозначно подверждено данными РСА. Используя данный подход, нам удалось получить триазолы не только с арильными заместителями в положении 4, но соответствующие гетероциклические и алифатические производные. Также была продемонстрирована возможность осуществления всех стадий в одной колбе: синтез гидразонов, дихлордиазадиенов и азидотриазолов. Оказалось, что начиная с бензальдегидов, целевые продукты могут быть получены с выходами до 89% на три стадии. Общность данного подхода была продемонстрирована и на других диазадиенах, что позволило получить не только триазолы с азидной группой в положении 5, но и соединения с CF3, циано и сложноэфирной группами. Наряду с изучением синтетических аспектов этой химии, мы исследовали механизм этой новой реакции с помощью расчетных методов. На основании этих результатом можно сделать вывод о том, что реакция протекает через образование соответствующих бис-азидов, которые циклизуются в азидотриазолы. Образование 4-хлорзамещенных триазолах в минорных количествах было подтверждено нами экспериментально. Для одного из продуктов получены данные РСА. Мы приступили также к изучению синтетического потенциала получены азидотриазолов. Так, уже успешно реализованы некоторые превращения, приведенные на схеме 17. Таким образом, нам удалось разработать весьма универсальный метод получения 2-замещенных триазолов и изучить возможности и ограничения данного подхода. По результатам данной части проекта опубликована статья в OrgLett. 3. Новые триазольные флуорофоры. В настоящее время существует значительный интерес к разработке новых селективных подходов к 2-замещенным 1,2,3-триазолам. Эти соединения особенно привлекательны, так как обладают отличными флуорофорными свойствами. Разработано большое количество флуорофоров, но эффективные молекулы, излучающие ультрафиолетовое излучение / синий свет, все еще редки из-за их относительной высокой энергетической щели, которая может вызывать плохую фотостабильность или низкую квантовую эффективность. Тем не менее, развивающаяся область исследований, такая как исследование OLED-дисплеев, в фотоактивных соединениях вызвала растущие потребности в эффективных молекулах, излучающих ультрафиолетовое излучение / синий свет. N-2-арил-1,2,3-триазолах как о новых УФ / синих светоизлучающих соединениях с перестраиваемым излучением и регулируемым стоксовым сдвигом через плоскую внутримолекулярную систему. передача заряда. Сначала нами были получены фотофизические данные для семейства 2-фенил-5-арил-4-азидо-1,2,3-триазолов. Все эти соединения продемонстрировали сходные спектры поглощения и демонстрировали сильный максимум в области приблизительно 310-325 нм. Спектры эмиссии этих соединений также схожи. Они продемонстрировали спектры флуоресценции со смещением Стокса около 45-55 нм. Однако большие Стоксовы сдвиги (до 108 нм) наблюдались для всех производных пиридина. Причина такого поведения в настоящее время неясна и требует дальнейшего изучения, однако, скорее всего, это связано с наличием в структуре дополнительного азота. К сожалению, для всех этих соединений наблюдались небольшие квантовые выходы флуоресценции (менее 1%). Далее мы решили получить несколько аналогов азидотриазолов, имеющих уплощенную структуру и ограниченное вращение арильного фрагмента в положении 5. Мы ожидали увеличить квантовый выход флуоресценции путем такого структурного преобразования. Орто-пропаргилоксибензальдегиды были использованы в качестве исходных материалов для этой цели. Набор таких альдегидов был получен путем пропаргилирования некоторых солевых альдегидов пропаргилбромидом. Полученные альдегиды были превращены в соответствующие 4,4-дихлор-1,2-диаза-1,3-диены с использованием ранее разработанной методики. Затем мы получили семейство азидотриазолов, которые содержат в положении 5 о- пропаргилоксиарильный фрагмент и показали возможность варьирования заместителей в целевой структуре. Наконец, была изучена внутримолекулярная циклизация с образованием нового триазольного кольца. Полученные соединения имеют в своей структуре как азидную группу, так и ацетиленовый фрагмент. Мы наблюдали их медленную циклизацию даже при комнатной температуре во время хранения. Циклизацию можно проводить при кипячении с обратным холодильником в о-ксилоле в течение 12 часов в атмосфере аргона. В результате было получено семейство производных триазола, имеющих ограниченное вращение заместителя в положении 5. Мы наблюдали атропоизомеризм для некоторых полученных продуктов. Их ЯМР-спектры содержат удвоенный набор сигналов. Затем мы исследовали фотофизические свойства последних соединений с помощью УФ-видимой и флуоресцентной спектроскопии Более плоская структура приводит к увеличению сопряжения арильного фрагмента в положении С (5) и триазольного ядра. Все исследованные соединения имели сходные контуры поглощения и эмиссии (рис. 4,5). Спектры поглощения для соединений показали сильный максимум при приблизительно 250-305 нм. Акцепторные NO2- и CN- группы дают сдвиг в «красную» область спектров поглощения. Далее, из-за стерических препятствующих заместителей в орто-положении в альдегидном фрагменте и электроноакцепторных группах происходят сдвиги в «синей» области спектров UVVis. Спектры излучения растворов измерялись при длине волны возбуждения, соответствующей сильному максимуму в спектрах поглощения. Типичные максимумы излучения, полученные при облучении растворов, находились в синей области. Мы наблюдали изменения Стоксова сдвига от 40 до 108 нм. Спектральные характеристики этих соединений зависят от их электронной структуры, в частности, от сопряжения заместителей при С (5) и триазольном кольце, а также от сопряжения заместителей при N (2) и триазоле. Изменяя заместители в положении C (5), мы можем обнаружить, что электроноакцепторная группа NO2 гасит флуоресценцию. Значительное снижение интенсивности излучения было получено с помощью соединения орто-NO2 (Φf = 0,19). Наибольшее увеличение эмиссии наблюдается в соединении, которое имеет сильное сопряжение из-за присутствия донорной метоксигруппы в положении N (2) триазола. Как результат нам удалось повысить квантовые выходы на порядок. Для этого соединение флуорофорные свойства были изучены в различных растворителях (CCl4, диоксан, бензол, EtOAc, THF, дихлорметан, EtOH, DMF, MeCN) при комнатной температуре. Существенных изменений в спектрах UV-Vis и эмиссии не наблюдалось. В спектрах излучения мы видим небольшой батохромный эффект в более полярном растворителе, таком как ДМФА, EtOH, и небольшой гипсохромный сдвиг в случае неполярного CCl4. Изменение квантовых выходов заслуживает большего внимания. Самые высокие квантовые выходы флуоресценции (до 18.5%) наблюдались в бензоле и диоксане, самые низкие выходы в CCl4 и EtOH. Таким образом данный структурный переход позволил нам достичь квантовых выходов до 18.5%. Однако, мы решили разработать синтез еще более уплощенного класса триазольных структур на основе орто-этинилбензальдегидов. На основе реакции Соногашира нами был осуществлен синтез семейства такого рода альдегидов, которые затем были превращены с выходами до 80% в соответствующие диазадиены. Эти диены были превращены нами в соответствующие триазолы с выходами до 82%. Данный подход позволяет конструировать целевые системы с атомарной точностью, варьируя заместители во всех положениях системы. Наконец, их внутримолекулярная циклизация была осуществлена при кипячении в толуоле Как показывают данные РСА, два триазольных цикла и два бензольных кольца находятся в единой системе сопряжения. В настоящее время мы приступили к изучению фото-физических свойств данного класса флуорофоров, однако уже предварительные данные показали их высокую эффективность в качестве флуоресцентных молекул, имеющих существенно более высокий квантовый выход флюоресценции (более 50%). Таким образом, в рамках данного проекта РФФИ нами разработан синтез широкого семейства триазолсодержащих соединений с атомарной точностью. На их основе разработаны люминесцентные соединения, испускающие свет в голубой области и имеющие высокие квантовые выходы флюоресценции. По результатам работы подготовлено 12 статей и одна монография. Полученные в данном проекте результаты уникальны и не имеют аналогов ни в России, ни за рубежом. Поставленные задачи выполнены полностью.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы

№ Имя Описание Имя файла Размер Добавлен