CC BY
49
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
Том 150, кн. 3
Естественные науки
2008
УДК 547.562.4+547.6+547.542+541.49
СИНТЕЗ И СТРОЕНИЕ ТИАКАЛИКС [4] АРЕНОВ,
СОДЕРЖАЩИХ 0МЕГЛ-МЕРКАПТОАЛКОКСИ ГРУППЫ ПО НИЖНЕМУ ОБОДУ
А.А. Тюфтин, А.А. Муравьев, Ф.М. Полянцев, Ш.К. Латыпов, К.А. Лысенко, С.Е. Соловьева, И.С. Антипин, А.И. Коновалов
Аннотация
Впервые получены замещенные по нижнему ободу омега-меркаптоалкокси группами тиакаликс[4]арены в конформации 1,3-альтернат с различной длиной метилено-вых спейсеров, исследована их структура методами одно- и двумерной ЯМР-, ИК-спектроскопии, масс-спектрометрии, а также рентреноструктурным методом.
Ключевые слова: тиакаликсарены, 1,3-альтернат, бромалкокси, тиоацетаты, ти-ол-замещенные, ЯМР, рентген.
Введение
К числу объектов супрамолекулярной химии относятся каликсарены, представляющие собой метациклофановые трехмерные циклы. Хорошо изучены их строение, химическое поведение, существуют широкие области их применения, в том числе и в нанотехнологии [1]. Химия каликсаренов получила дополнительный импульс к развитию с появлением в 1997 г. п-трет-бутилтиака-ликс[4]арена (ТСА) 1 (схема 1) [2-5], в структуре которого метиленовые мостики, соединяющие ароматические кольца, заменены на атомы серы. Наличие мостиковых атомов серы в макроциклической платформе привело к новым особенностям в химическом поведении и комплексообразующей способности тиакаликс[4]арена. Незамещенный ТСА способен к комплексообразованию с катионами металлов, причем в связывании с катионом металла, в отличие от «классического» аналога 2 (схема 1), возможно участие донорных электронов атомов серы [3, 4, 6-8]. Высокая селективность комплексообразования ТСА с 2п(П), Со(11) и N1(11) по сравнению с линейным тетрамерным аналогом в зависимости от рН среды была продемонстрирована в работах [9, 10].
Представляет научный интерес изучение комплексообразования тяжелых металлов из-за их высокого содержания в антропосфере, которое является серьезным экологическим фактором, нарушающим жизнедеятельность организмов, в ряд наиболее опасных металлов входят Ag, Аи, Сё, Сг, Мп, РЬ, 8Ь, 8п, Те, 2п [11]. Одним из широко используемых методов определения и выведения тяжелых металлов из биологических и абиотических сред является селективная экстракция их катионов. Стоит отметить, что большинство из вышеперечисленных металлов являются тиофильными. В литературе имеются
работы по серосодержащим «классическим» каликсаренам и их экстракционным свойствам по отношению к вышеупомянутым металлам [12-20].
В настоящее время в нанотехнологии широко развивается направление по созданию нанослоев и наночастиц. Хорошо известна способность ковалентно связанных атомов серы эффективно взаимодействовать с поверхностью металлов, таких, как золото, платина, с образованием моно- и поли-нанослоев [15, 21], сенсоров и защитных покрытий [22]. «Классические» серосодержащие каликс-арены на золотой подложке образуют капсулообразные димеры [23], квантовые точки [24], проявляют сенсорные свойства в ион-селективных электродах [2527], а также используются для восстановления трехвалентного золота [28].
Все это подтверждает практический интерес введения тиольных фрагментов в тиакаликс[4]ареновую платформу. Тетразамещенные тиоацето- и меркап-тогруппами п-трет-бутилтиакаликс[4]арены 4, 5 (схема 1) открывают возможности для создания наносенсоров, лигандов, обладающих кооперативным эффектом для распознавания тяжелых металлов, а также строительных блоков для создания молекулярных ансамблей.
В настоящей работе предложен способ синтеза и проведено исследование структуры тетрамеркаптосодержащих ТСА 4, 5 (схема 1) с различной длиной метиленовых спейсеров в конформации 1,3-альтернат. Структура полученных соединений была подтверждена комплексом физических методов: одно- и двумерной ЯМР-, ИК-спектроскопии, МЛЬБ1-ТОР-спектрометрии, а их чистота -методом ТСХ и элементным анализом.
Стратегия синтеза тиолсодержащих тиакаликс[4]аренов основывалась на получении бромпроизводных ТСА 3 в качестве исходных продуктов. Алкили-рованием 1 альфа-омега дибромалканами с различным числом метиленовых звеньев (п = 3-6) в ацетоне в присутствии карбоната калия и каталитического количества иодида калия были получены ТСА 3 с выходами 36-52% (схема 2).
Относительно невысокие выходы продуктов в некоторых случаях связаны с образованием в процессе реакции побочных соединений - частично замещенных тиакаликсаренов и «сшитых» метиленовыми мостиками тиакаликсаренов. Так, например, помимо соединения 3 (п = 6) (М+ = 1373), образовывался продукт «сшивки» 1,6-дибромгексаном двух противолежащих фенольных групп нижнего обода тиакаликсарена За, два других ароматических кольца замещены омега-
Обсуждение результатов
1 Х=8; Я=И
2 Х=СН2; Я=Н
3 Х=8; К=(СИ2)пБг; п=3-6
4 Х=8; К=(СЫ2)п8С(0)СИ3; п=3-5
5 Х=8; К=(СЫ2)п8И; п=3-5
Схема 1
Б
п(Н2С)
О
Бг
В
(СН2)п
ацетон
ОН ОН ОН НО
п=3, 4, 5, 6
Бг
Схема 2
к
п
3
1120 1130 1140 1150 1160 тй
Рис. 1. Спектр МЛЬБ1 ТОБ соединения 3а (п = 6) (матрица (Е)-2-циано-3-(4-гидрокси-фенил)акриловая кислота)
бром-гексилокси заместителями (рис. 1). Пик молекулярного иона соединения 3а обнаруживается в спектрах МЛЬБ1 ТОБ, полученных при разных условиях съемки М+ = 1126, (М+Ка)+ = 1148, (М+К)+ = 1164 (матрицы: (Е)-2-циано-3-(4-гидроксифенил)акриловая кислота и и-нитроанилин).
Следует отметить, что отсутствие мостиковых метиленовых протонов в тиа-каликс[4]арене 1 усложняет задачу установления пространственной структуры его производных методом Н ЯМР-спектроскопии [29], требуется проведение дополнительных одно- и двумерных ЯМР-экспериментов.
Для установления конформации соединения 3 (п = 3) были проведены эксперименты по измерению ядерного эффекта Оверхаузера (ЯЭО) [30]. В спектре Ш КОЕ8У наблюдаются ЯЭО между протонами метиленовых и трет-бутиль-ных групп, между метиленовыми протонами заместителей и ароматическими протонами тиакаликсаренового цикла. Учитывая то, что протонный спектр соответствует структуре с высокой симметрией, можно сделать вывод, что данное соединение реализуется в растворе в конформации 1,3-альтернат.
Очистка с помощью колоночной хроматографии соединения 3 (п = 6) позволила вырастить кристаллы из гексана. Конформация 1,3-альтернат была подтверждена методом РСА (рис. 3)
{СН_>
О-СН. СК-Вг
Т.Е. Т.О 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5
1-Ви
СН?-СН?-СН?
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5
а)
Л
сн„
СН2-Вг О-СН, |_
{1-Ви}
4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5
СН2-Вг СН:,-СН,-СН
{О-СН;} |
/
1-Ви
л_
7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 ррш
СН„„ 1-Ви
СНС1,
О-СН, СН'"Вг СН-СН-СН;, I
] 1 1 лА
7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5
б)
Рис. 2. 1Б БРРвМОБ спектры соединения 3 (п = 3) в СБС13 при Т = 303 К (а), схематически представлены основные ЯЭО (б)
Рис. 3. Кристаллическая структура соединения 3 (п = 6), РСА, атомы водорода не показаны
Соединение 3 (п = 6) кристаллизуется в хиральной пространственной группе Р4ь Молекулы в кристалле расположены в колоннах (рис. 4) и объединяются за счет слабых С-Н.. .Вг-контактов.
Получение меркапто-тиакаликсаренов из исходных омега-бром-алкокси-производных осуществляли двумя путями, представленными на схеме 3, через тиоацетаты (путь а) или соответствующие изотиурониевые соли (путь б).
Для этого соединения 3 (п = 3-5) выдерживали при температуре 90 °С с избытком тиоацетата калия в ДМФА в течение 2.5 ч, затем выделяли тиоацета-ты 4 (п = 3-5) с выходами 83-86% (путь а). Эти способы ранее были использованы при получении производных «классических» каликсаренов [19, 20].
Рис. 4. Фрагмент кристаллической упаковки соединения 3 (п = 6)
8С(МЫ2)2БГ
Схема 3
Для подтверждения конформации 1,3-альтернат были также проведены Ш БРБОКОЕ эксперименты. Однако для корреляции измеренных ЯЭО с пространственной структурой необходимо точное соотнесение всех протонных сигналов. К сожалению, из-за наличия сильных анизотропных ароматических групп химические сдвиги протонов могут изменяться в достаточно широком диапазоне в зависимости от точной геометрии соединения и невозможно однозначно приписать протоны только на основании эмпирических табулированных данных. Поскольку химические сдвиги ядер 13С для этих соединений резонируют в характеристичных областях и сигналы углеродов легко приписываются, соответствующие протоны, связанные с ними через одну связь, также могут быть легко идентифицированы с помощью 2Б HSQC экспериментов. На рис. 5 приведен спектр, на котором видно, что наблюдаются кросс-пики между ядрами С и протонами через одну химическую связь. Таким образом, были однозначно идентифицированы все протоны.
СНС13
С-СЩС-СН, (t-Bu)
ca-s/OH2-s ■
—' —' * у
SC(0)CKj/SC(0)CH3
О-СШО-СН,
Cüram/CHarem
о
Рис. 5. 2D HSQC спектр соединения 4 (n = 3) в CDCl3 при Т = 303 К (а). На фрагменте соединения стрелками также показаны наблюдаемые ЯЭО (б)
Далее, исходя из ряда ЯЭО (рис. 5, б) между установленными протонами 3D, структура макроцикла определяется однозначно.
В ИК-спектре соединения 4 (n = 3) имеется полоса валентных колебаний карбонильной группы (1693 см1). В масс-спектре MALDI TOF присутствуют пики молекулярных ионов (M+/Z) = 1184, (M+Na)+ = 1210 и (M+K)+ = 1228, соответствующие рассчитанным.
Известно, что солянокислый гидролиз тиоацетатов являлся удачным методом синтеза тиолсодержащих «классических» каликс[4]аренов в конформации конус в этаноле [19] и ТГФ [20]. Для получения меркатопроизводного пара-трет-бутил-тиакаликс[4]арена из тиоацетатного производного 4 (n = 3) последнее подвергали щелочному и кислому гидролизу в различных средах. Щелочной гидролиз проводили в присутствии карбоната калия в системе диме-тилформамид - вода, а кислый гидролиз (HCl) - в системах диметилформа-мид - вода, этанол, изопропанол - хлороформ. Во всех случаях при проведении реакций в течение 2 ч гидролиз не происходил, в то время как для классических аналогов в этих условиях наблюдалось образование целевых меркапто-производных [19]. Частичный гидролиз был обнаружен для системы диметил-формамид - вода с соляной кислотой при увеличении времени синтеза до 9 ч. По-видимому, это связано с плохой растворимостью соответствующих тиоацетатов в используемых растворителях. Смена растворителя, а именно реакция в тетрагидрофуране в присутствии соляной кислоты в течение 14 ч приводит к целевому продукту 5 (n = 3) в соотношении 0.7 : 1 к исходному тиоацетату (данные H ЯМР). При увеличении продолжительности гидролиза до 38 ч методом :H ЯМР было обнаружено увеличение соотношения меркаптан : тиоаце-тат до 3 : 1.
20
40
30
1000 1020 1040 1060 1080 1100 1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 1340
Рис. 6. Данные МЛЬБ1 ТОБ масс спектрометрии реакционной смеси синтеза соединения 5 (п = 3)
Однако наилучший результат был достигнут при кипячении соответствующих тиоацетатов в гидразин-моногидрате. Соединения 4 (п = 3-5) кипятили 28 ч в N^N^^0 в атмосфере аргона и выделяли меркаптопроизводные 5 (п = 3-5) с выходом до 97%. Методом МЛЬБ1 ТОБ масс-спектрометрии было показано, что в реакционной смеси для соединения 5 (п = 3) присутствуют продукты, соответствующие продуктам частичного восстановления карбонильной группы гидразин-гидратом с пиками молекулярных ионов 1071 и 1126 (рис. 6), в соответствии с литературными данными по механизму восстановления карбонильных групп гидразин-гидратом [31].
Альтернативный метод (схема 3, путь б) синтеза меркаптана 5 (п = 3) через изотиурониевую соль 4а был осуществлен растворением 3 (п = 3) в диоксане с добавлением 4.5-кратного избытка тиомочевины (выход 100%), соль 4а подвергали гидролизу в присутствии карбоната калия в системе метанол - вода (1 : 1) [32] с образованием меркаптопроизводного 5 с 55%-ным выходом.
В ИК-спектре соли 4а имеются полосы v(NH2+) 3255-3177 см-1, v(NH) 2736 см- . Следует отметить, однако, что получение соединения 5 (п = 3) в чистом виде в этом случае представляет более сложный процесс по сравнению с восстановлением гидразин-гидратом вследствие сложностей, связанных с удалением тиомочевины. В спектре :Н ЯМР (СБС13) соединения 5 (п = 3) присутствует мультиплет СН9СН7СН9 протонов (5 = 1.32 м.д.), синглет протонов трет-бутильной группы (5 = 1.31 м.д.), квартет 2.25 м.д. СН^Н групп (5 = 2.25 м.д.), триплет ЛгОСН? (5 = 3.93 м.д.) и синглет ароматических протонов (5 = 7.34 м.д.). "
Синтез соединений 5 (п = 4, 5) осуществляли, используя соответствующие тиоацетаты 4 (п = 4, 5). Вывод о конформации продуктов 5 (п = 4, 5) - 1,3-аль-тернат - был сделан на основе экспериментов Ш NOESY, проведенных для соединения 4 (п = 3), и рентгеноструктурного анализа соединения 3 (п = 6). В ИК (КБг)-спектре соединения 5 (п = 3) присутствует уширенная полоса 2573 см- , соответствующая валентным колебаниям тиольной группы.
В спектре 1H ЯМР меркаптобутокси-тиакаликс[4]арена 5 в конформации 1,3-альтернат имеется сигнал протонов ароматических колец в виде синглета с S = 7.33 м.д., сигналы протонов трет-бутильных групп проявляются при 1.28 м.д. Сигналы оксиметиленовых и протонов тиольных групп проявляются в виде триплета в области S = 3.84 и квартета в области 2.41 м.д. соответственно. Протоны метиленовых групп алкильной цепи проявляются в виде мультиплета S = 1.22 м.д. и S = 1.47 м.д.
В спектре H ЯМР меркаптопентокси-тиакаликс[4]арена 5 в конформации 1,3-альтернат имеются синглеты ароматических протонов (S = 7.31 м.д.), протонов трет-бутильных групп (1.28 м.д.) Сигналы оксиметиленовых и протонов тиольных групп проявляются в виде триплета в области S = 3.83 и квартета в области 2.48 м.д. соответственно. Протоны алкильных групп проявляются в виде мультиплетов с химическими сдвигами в области 1.25, 1.51 и 1.07 м.д.
Выводы
Таким образом, разработаны методы синтеза и впервые получены омега-бромалкокси производные 3 (n = 4-6), тиоацетаты 4 (n = 3-5) и меркапто-про-изводные тиакаликсаренов 5 (n = 3-5) с выходами до 97%. Показано, что методы синтеза классических меркаптопроизводных каликс[4]аренов не пригодны для тиа-аналогов. Все новые соединения охарактеризованы рядом физических методов. Конформации новых производных ТСА были подтверждены рядом гомо- и гетероядерных корреляционных методов ЯМР, а также методом РСА.
Экспериментальная часть
Растворители и реагенты перед применением очищали по известным методикам [33, 34]. В работе были использованы дибромалканы (n = 3-6) (97-98%) фирмы Acros, гидразинмоногидрат (98%) и тиоацетат калия (98%) - Alfa Aesar. ЯМР-эксперименты проведены на приборе Bruker Avance-600 MHz. Химические сдвиги определяли относительно сигналов остаточных протонов дейтери-рованных растворителей (CDCl3) или сигналов ТМС. ИК-спектры были получены на Фурье-спектрометрах Tensor 27 и Vector 22 (Bruker) при разрешающей способности 4 см-1 с накоплением 64 скана в таблетках KBr в интервале волновых чисел 400-4000 см-1. Рентгенодифракционное исследование проведено на автоматическом 3-кружном дифрактометре Smart 1000 CCD при 120 К (MoKa, omega-сканирование). Обработку экспериментальных данных и расчеты по расшифровке и уточнению кристаллической структуры проводили с использованием программного комплекса SHELXTL PLUS 5.1. [35]. Молекулярные масс-спектры были получены на масс-спектрометре Maldi TOF Dynamo Finni-gan в виде растворов веществ в подходящем растворителе в интервале концентраций 10-3 - 10-5 моль/л. В качестве матриц были использованы (Е)-2-циано-3-(4-гидроксифенил)акриловая кислота, 1,8,9-тригидроксиантрацен или пара-нитроанилин. Чистоту веществ контролировали методом ТСХ на пластинках "Silufol UV 254" и "Fluka 0.060-0.2 мм" при использовании ультрафиолетовой лампы VL-6.LC (6W -254 nm tube), в ряде случаев проявляли парами йода в йодной камере. Состав веществ подтверждали данными элементного анализа
на анализаторе "Euro Vector EA". Температуры плавления веществ определяли на малогабаритном нагревательном столике BOETIUS с визуальным устройством РНМК 05.
Синтез п-трет-бутилтиакаликс[4]арена был осуществлен по методике [2]. Все реакции проводили в атмосфере аргона.
Общая методика синтеза бромалкокси производных 3 (n = 3-6). 2 г
(2.778 ммоль) 5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28 тетрагидрокси-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арена (ТСА), 3.09 г прокаленного карбоната калия (22.39 ммоль), KI (каталитическое количествово) и восьмикратный избыток соответствующего дибромалкана Br(CH2)nBr (n = 3-6) (55.55 ммоль) выдерживали при температуре кипения в ацетоне при постоянном перемешивании в течение 124-162 ч. Контроль вели методом ТСХ, элюент : гексан-хлороформ = 1 : 2. После окончания реакции реакционную смесь отфильтровывали. К полученному осадку добавляли хлороформ (300 мл) и 20 мл 30%-ный HCI до pH 1, затем органический слой промывали водой до pH 7. Органическую фазу сушили MgSO4, отфильтровывали осушитель, из фильтрата удаляли хлороформ.
5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28 тетракис [(3-бромпропокси)]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арена 1,3-альтернат. К образовавшемуся осадку добавили 50 мл метанола и снова отфильтровали. Полученный осадок был высушен в вакуумном эксикаторе. Всего получено 3.12 г. Выход 45%. Тпл = = 327 °C; :H ЯМР 5= 7.37 (s, 8H, ArH), 3.98 (t, 8H, 3Jhh = 6,33 Гц, ArOCH2), 3.07 (t, 8H, 3Jhh = 7.17 Гц, CH2Br), 1.32 (s, 36 H, C(CH3^), 1.55 (m, 8H, CH2CH2CH2); ИК (KBr, 20 °C): Ув,г (m(CH2^) = 1266, 1240, 1211 см-1, v (ArO) = 1442 см-1, vs(t-Bu) = 2868 см-1,vas(t-Bu) = 2961 см-1; MS (MALDI TOF) (матрица - п-нитро-анилин) m/z (%): 1208,43 [M]+, 1232.53 [M+Na]+, 1249.6 [M+K]+. Элементный анализ для C52H68O4S4Br4 (1204.97); C 51.83, H 5.69; найдено: C 52.70, H 5.68 %.
При многократном повторении опыта продукт получался с 45%-ным выходом, а не с 92%-ным, как написано в ссылке [36].
5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28 тетракис (4-бромбутокси)-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен, 1,3-альтернат [соединение 3 (n = 4)]. Полученный осадок промывали гексаном. Продукт сушили в вакуумном эксикаторе над P2O5. Масса вещества 1.26 г. Выход: 36%, Тпл = 321-322 °C; 'H ЯМР (CDCl3, Т = 293 К) 5 = 7.34 (s, 8H, ArH), 3.86 (t, 8H, 3Jhh = 7.86 Гц, ArOCH2), 3.27 (t, 8H, 3Jhh =7.02 Гц, CH2Br), 1.29 (s, 36 H, C(CH3^), 1.27 (m, 8H, CH2CH2-Br), 1.70 (m, 8H, O-CH2CH2); ИК (KBr, 20 °C): Vвеерн., ^.(m (CH2)4 ) = 1264; 1241; 1204; 1165 см-1, v (ArO) = 1442 см-1, vas(tBu) = 2961 см-1; MS (MALDI TOF) m/z (%): 1263.3 [M]+, 1286.6 [M+Na]+, 1303 [M+K]+. Элементный анализ для C56H76O4S4Br4-H2O (1279,09); C 52.58, H 6.15, S 10.03; найдено: C 52.55, H 5.49, S 10.87%.
5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28 тетракис [(5-бромпентаокси)]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арена 1,3-альтернат [соединение 3 (n = 5)].
К полученному осадку добавляли 50 мл метанола, отфильтровывали и высушивали в вакуумном эксикаторе. Масса осадка составила 1.90 г. Выход: 52%, Тпл = = 297 °C; :H ЯМР (CDCl3, Т = 293 К) 5 = 7.31 (s, 8H, ArH), 3.84 (t, 8H, 3Jhh = 8.1
Гц, АГОСН2), 3.35 (г, 8Н, 31ии = 6,81 Гц, СН2ВГ), 1.28 (8, 36 Н, С(СНз)з), 1.32 (т, 8Н, СЯ2СН2-Вг), 1.74 (т, 8Н, О-СН2СЯД 1.07 (т, 8Н, СН2СЯ2СН2); ИК (КВг, 20 °С): vBеерн., круТ.(т(СН2)5) = 1266; 1242; 1201; 1163; 1139 см-1, V (АгО) = 1443 см-1, vs(CH3) = 2867 см-1, vas(CH3) = 2961 см-1; М8 (МАЬБ1 ТОБ) т// (%): 1320.17 [М]+, 1342.42 [М+№]+, 1361.25 [М+К]+, 1126,29 [М-193.88]+. Элементный анализ для С60Н84О484Вг4 (1317,18); С 54.71, Н 6.43, 8 9.74; найдено: С 54.80, Н 6.03, 8 9.77%.
5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28 тетракис [(6-бромгексаокси)]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен 1,3-альтернат [соединение 3 (п = 6)]. Осадок промывали гексаном, затем соединение 3 (п = 6) выделяли при помощи колоночной хроматографии, элюент (гексан : диэтиловый эфир = 1 : 1). Выход: 49%, Я = 0; Тпл = 315-316 °С; :Н ЯМР (СБС13, Т = 293 К) 5 = 7.31 (8, 8Н, АгН), 3.83 (г, 8Н, 31нн = 7.88 Гц, АгОСН2), 3.38 (г, 8Н, ^ = 6.78 Гц, СН2Вг), 1.81 (т, 8Н, ОСН2СЯ2), 1.34 (т, 8Н, СЯ2СН2Вг), 1.28 (8, 36 Н, С(СН3)3), 1.16 (т, 8Н, О-СН2СН2СЯ2), 1.06 (т, 8Н, СЯ2СН2СН2Вг); ИК (КВг, 20 °С): Vвеерн., крут.(т (СН2)6) = = 1265; 1242; 1221; 1201; 1165; 1138 см-1, v(AгO) = 1444 см-1, VaS(tBu)= 2960 см-1; М8 (МАЬБ1 ТОБ) т// (%): 1375 [М]+. Элементный анализ для С64Н92О484Вг4 (1373.29) С: 55.97, Н: 6.75, 8: 9.34%; найдено: С: 55.81, Н: 6.85, 8: 9.94%.
5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28 тетракис [(3-тиоацетопропок-си)]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен 1,3-альтернат [соединение 4 (п = 3)]. 0.8 г (0.664 ммоль) соединения 3 (п = 3) и 0.61 г. (5.3 ммоль) тиоацетата калия выдерживали при 90 °С в течение 2.5 ч в ДМФА (32 мл). Реакционную смесь концентрировали до половины объема, добавляли Н2О (50 мл) до выпадения 0.64 г. белого осадка, который отфильтровывали и высушивали в вакууме масляного насоса. Выход: 83%, Тпл = 247< °С; 'Н ЯМР (СБС13, Т = 293 К) 5 = 7.32 (8, 8Н, АгН), 3.87 (г, 8Н, I = 7.31 Гц, АгОСН2), 2.64 (г, 8Н, I = 7.29 Гц, СН28С(О)), 2.31 (8, 12Н, СН3), 1.27 (8, 36 Н, С(СН3)3), 1.23 (т, 8Н, СН2СЯ2СН2); 13С ЯМР 5 = 194.5 (С=О), 155.7 (Ср, Аг), 145.3 (С/, Аг), 127.3 (Ст, Аг), 126.5 (СНо, Аг), 66.3 (О-СН2), 33.5 (С(СН3)3), 30.6 (С(СН3)3), 29.8 (СО-СН3), 28.0 (СН2СН2СН2), 24.8 (СН2-8); ИК (КВг, 120 °С): v(C=O) = 1693 см-1; М8 (МАЬБ1 ТОБ) т// (%): 1184.8 [М+Н]+, 1210.4 [М+№]+, 1228.2 [М+К]+. Элементный анализ для С60Н80О888 (1185.79); С 60.77, Н 6.80; найдено: С 61.328, Н 6.912%.
5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28 тетракис [(4-тиоацетобутокси)]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен 1,3-альтернат [соединение 4 (п = 4)]. 1.2 г. (0.95 ммоль) соединения 3 (п = 4) и 0.87 г. (7.6 ммоль) тиоацетата калия нагревали в течение 2.5 ч в ДМФА (35 мл) при 90 °С. Далее к реакционной смеси добавляли 100 мл воды, выпавший осадок отфильтровывали и растворяли в 200 мл СНС13, промывая водой до рН 7, органический слой сушили MgSO4, затем хлороформ удаляли. Осадок перекристаллизовали из 60 мл смеси метанол -гексан (1 : 1). Всего собрали 1.02 г. вещества. Выход: 86%, Тпл = 229 С; :Н ЯМР (СБС13, Т = 293 К) 5 = 7.33 (8, 8Н, АгН), 3.85 (г, 8Н, 31нн = 8.10 Гц, АгОСН2), 2.78 (г, 8Н, 31нн = 7.59 Гц, СН28С(О)), 2.32 (8, 12Н, СН3), 1.30 (8, 36 Н, С(СН3)3, 1.21 (т, 8Н, СН2СЯ2СН2-8), 1.44 (т, 8Н, О-СН2СЯ2СН2); 13С ЯМР 5 = 195.3 (С=О), 157.2 (Ср, Аг), 145.6 (С/, Аг), 128.3 (Ст, Аг), 128.2 (СНо, Аг), 68.5 (О-СН2), 34.3 (С(СН3)3), 31.4 (С(СН3)3), 28.9 (СО-СН3), 28.4 (ОСН2СН2СН2), 30.6
(СН2^), 25.9 (ОСН2СН2СН2); ИК (КБг, 20 °С): V (Ши) = 2961 см-1, v(C=O) = = 1693 см-1, V (ЛгО) = 1444 см-1; MS (МЛЬБ1 ТОБ) (%): 1240.8 [М]+, 1263 [М+Щ+, 1279 [М+К]+. Элементный анализ для C64H88O8S8 (1241.90); С 61.90, Н 7.14, найдено: С 61.32, Н 7.16%.
5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28 тетракис [(5-тиоацетопентаок-си)]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен 1,3-альтернат [соединение 4 (п = 5)]. 0.9 г (0.683 ммоль) соединения 3 (п = 5) и 0.62 г (5.43 ммоль) тиоацетата калия выдерживали при 90 °С в течение 2 ч в ДМФА (48 мл). По окончании реакции смесь отфильтровывали. Осадок растворяли в 250 мл СНС13 и промывали водой до рН 7. Сушили над MgSO4. Удаляли хлороформ, выделяли белый порошок (0.76 г). Выход: 85%, Тш = 225 °С; :Н ЯМР (СБС13, Т = 293 К) 5 = 7.29 (8, 8Н, ЛгН), 3.81 (г, 8Н, 31нн = 8.07 Гц, ЛЮСН2), 2.82 (г, 8Н, 31нн = 7,14 Гц, CH2SC(O)), 2.33 (8, 12Н, СН3), 1.26 (8, 36 Н, С(СН3)3), 1.20 (ш, 8Н, С^ОДС^^), 1.45 (ш, 8Н, О-СН2СН2СН2), 1.04 (ш, 8Н, О-СН2СН2СН2СН2); 13С ЯМР 5 = 195.5 (С=О), 157 (Ср, Лг), 147.5 (С/, Лг), 128.1 (Ст, Лг), 127.7 (СНо, Лг), 68.4 (О-СН2), 34.2 (С(СН3)3), 31.4 (С(СН3)3), 29.2 (СО-СН3), 29.5 (ОСН2СН2СН2), 30.6 (СН2^), 25.0 (ОСН2СН2СН2), 28.5 (CH2CH2-S); ИК (КБг, 20 °С): v(C=O) = 1692 см-1; MS (МЛЬБ1 ТОБ) ш/2 (%):1292[М]+, 1313 [M+Na]+, 1337 [М+К]+; Элементный анализ для С68Н96О^8-2Н2О (1334); С 61.22, Н 7.56, S 19.23 найдено: С 61.32, Н 7.46, S 19.43%.
5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28 тетракис [(3 меркаптопропок-си]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен 1,3-альтернат [соединение 5 (п = 3)].
Путь а (схема 3). 0.8 г (0.664 ммоль) соединения 4 (п = 3) выдерживали в гидразин-моногидрате (15 мл) при 120 °С в течение 28 ч в атмосфере аргона. По окончанию реакции к смеси добавили Н2О (50 мл). Осадок отфильтровывали, промывали 2 М НС1 (50 мл) до рН 1, затем снова водой до рН 7, дополнительно промывали метанолом, гексаном и сушили в эксикаторе над Р2О5. Собрали 0.69 г соединения 5. Выход: 79%, Тш = 284-289 °С; :Н ЯМР (СБС13, Т = = 293 К) 5 = 7.34 (8, 8Н, ЛгН), 3.93 (г, 31нн = 6.90 Гц 8Н, О-СН2), 2.25 (д, 8Н, 31нн = = 7.50 Гц, CH2SH), 1.32 (8, 36 Н, С(СН3Ь), 1.30 (ш, 8Н, СШСН2СН2); 13С ЯМР 5 156.6 (Ср, Лг), 146.1 (С/, Лг), 128.1 (Ст, Лг), 127.4 (СНо, Лг), 67.1 (О-СН2), 34.4 (С(СН3)3), 33.0 (СН2СН2СН2), 31.4 (С(СН3)3), 21.4 (^СН); ИК (КБг): v(SH) = = 2574 см-1; MS (МЛЬБ1 ТОБ) ш/е (%): 1018.7 [М+Н]+, 1041.4 [M+Na]+, 1058.6 [М+К]+. Элементный анализ для C52H72O4S8 (1017.65); С 61.37, Н 7.13, найдено: С 61.60, Н 7.17%.
Путь б (схема 3) (синтез через изотиурониевую соль): 0.5 г (0.42 ммоль) соединения 3 (п = 3), 0.14 г (1.89 ммоль) тиомочевины выдерживали в течение 20 ч в кипящем диоксане при 120 °С. После окончания реакции осадок отфильтровывали. Контроль реакции осуществляли методом ТСХ (элюент - метанол). Для удаления исходного бромпроизводного, осадок промывали три раза хлороформом по 50 мл. Далее осадок хроматографировали для удаления тиомочевины (элюент - метанол, затем ацетон). Белый осадок полученной изотиу-рониевой соли [ИК спектр соли (КБг): v(NH2+) = 3177 см-1, v(NH+) = 2736 см-1, va8(tBu) = 2961 см-1, v(AгO) = 1441 см-1]. Соль 0.51 г (0.34 ммоль) растворяли в метаноле (10 мл). К этому раствору добавляли раствор 0.47 г (3.4 ммоль) К2СО3
в воде (10 мл). К полученной смеси приливали ещё 15 мл метанола и выдерживали в течение 8 ч при 70 °C. Затем к реакционной смеси добавляли 2 M HCl до рH 2. Раствор отфильтровывали, осадок промывали метанолом и растворяли в хлороформе (200 мл), затем промывали водой до рH 7. Органическую фазу сушили MgSO4. После удаления хлороформа получали меркаптопроизводное 5 (n = 3) c 56%-ным выходом.
5,11Д7,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28 тетракис [(4-меркаптобутокси)]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен 1,3-альтернат [соединение 5 (n = 4)]. 0.8 г (0.664 ммоль) соединения 4 (n = 4) и 10 мл гидразинмоногидрата выдерживали в течение 2.5 ч в атмосфере аргона при 110 °С. По окончании реакции смесь отфильтровывали, осадок промывали гексаном, метанолом (100 мл). Выделяли 0.67 г белого осадка. Выход: 97%, 7Ш = 320-323< °C; 'H ЯМР (CDCl3, Т = 293 К) 5 = 7.33 (s, 8H, ArH), 3.84 (t, 8H, 3Jhh = 7.77 Гц, ArOCH2), 2.41 (q, 8H, 3Jhh = 7.38 Гц, C^SH), 1.28 (s, 36 H, C(CH3)3), 1.22 (m, 8H, CH2CH2CH2-SH), 1.47 (m, 8H, O-CH2CH2CH2); ИК (KBr): v(SH) = 2550 см4, MS (MALDI TOF) m/z (%): 1072 [M]+, 1094 [M+Na]+, 1111 [M+K]+. Элементный анализ для C56H80O4S8 (1073.75); C 62.64, H 7.51; найдено: C 62.3, H 7.51%.
5,11,17,23-тетра-трет-бутил-25,26,27,28 тетракис [(5-меркаптопентаок-си)]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен 1,3-альтернат [соединение 5 (n = 5)]. 0.25 г (0.19 ммоль) соединения 4 (n = 5)и 5 мл гидразин-моногидрата выдерживали в течение 28 ч в атмосфере аргона при 110 °С. По окончании реакции смесь отфильтровывали, промывали 25 мл 2 М HCI до pH 1, затем 130 мл воды до pH 7, гексаном, метанолом (по 25 мл). Выделили 0.2 г белого осадка. Выход: 92%, Тпл = 263-265 °C; 'H ЯМР (CDCl3, Т = 293 К) 5 = 7.31 (s, 8H, ArH), 3.83 (t, 8H, 3Jhh = 8.07 Гц, ArOCH2), 2.48 (q, 8H, 3Jhh = 7.32 Гц, CH2SH), 1.28 (s, 36 H, C(CH3)3), 1.25 (m, 8H, CH2CH2CH2-SH), 1.51 (m, 8H, O-CH2CH2CH2), 1.07 (m, 8H, O-CH2CH2CH2); ИК (KBr, 20 °C): v(SH) = 2550 см4; MS (MALDI TOF) m/z (%): 1128 [M]+, 1151 [M+Na]+, 1165 [M+K]+. Элементный анализ для C60H88O4S8 (1129.86): C 63.78, H 7.85, S 22.70; найдено C 64.39, H 7.40, S 21.60%.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 07-03-00399).
Summary
A.A. Tyuftin, A.A. Muraviev, F.M. Polayncev, Sh.K. Latipov, K.A. Lissenko, S.E. Solovieva, I.S. Antipin, A.I. Konovalov. Synthesis and Structure of Thiacalix[4]arenes with Omega-mercaptoalkoxy Groups on the Lower Rim.
Omega-mercaptoalkoxy derivatives of thiacalix[4]arenes in 1,3-alternate conformation with different length of methylene spacer were synthesized for the first time. The new compounds' structure was assigned by one- and two-dimensional NMR methods, IR spectroscopy, mass spectrometry and X-ray.
Key words: thiacalixarenes, bromoderivatives, thioacetate, thiol-substitutes, NMR, X-ray.
Литература
1. Vicens J., Harrowfield J. Calixarenes in the nanoworld. - Springer, Netherlands, 2007. -396 p.
2. Kumagai H., Hasegawa M., Miyanari S., Sugawa Y., Sato Y., Hori T., Ueda S., Kami-yama H., Miyano S. Facile synthesis of p-tert-Butylthiacalix[4]arene by the reaction of p-tret-butylphenol with elemental sulphur in the presence of a base. // Tetrahedron Lett. -1997. - V. 38. - P. 3971.
3. Lhotak P. Chemistry of Thiacalixarenes // Eur. J. Org. Chem. - 2004. - No 8. - P. 16751692.
4. Morohashi N., Narumi F., Iki N., Hattori T., Miyano S. Thiacalixarenes // Chem. Rev. -2006. - V. 6. - P. 5291.
5. Akdas H., Bringel, Graf E., Hosseini M.W., Mislin G., Pansanel J., Cian A. D., Fisher J. Thiacalixarenes: Synthesis and Structural analysis of Thiacalix[4]rene and of p-tret-Butylthiacalix[4]arene // Tetrahedron Lett. - 1998. - V. 39. - P. 2311-2314.
6. Iki N., Morohashi N., Narumi F. and Miyano S. High Complexation Ability of Thiacalix-arene with Transition Metal Ions. The Effects of Replacing Methylene Bridges of Tetra(p-t-butyl)calix[4]arenetetrol by Epithio Groups // Bull. Chem. Soc. Japan. - 1998. -V. 71. - P. 1597-1603.
7. Iki N., Miyano S. Can Thiacalixarene Surpass Calixarene? // Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry. - 2001. - V. 41. - P. 99-105.
8. Kon N., Iki N., Yusuke Y., Shin Sh., Miyano S. Facile synthesis of thiacalix[n]arenes (n = 4, 6, and 8) consisting of p-tert-butylphenol and methylene/sulfide alternating linkage and metal-binding property of the n = 4 homologue // Tetrahedron Lett. - 2004. - V. 45. -P. 207-211.
9. Iki N., Chizuko K., Fukushima T., Kumagai H., Takeya H., Miyanari S., Miyash T., Miyano S. Synthesis of p-tert-Butylthiacalix[4]arene and its Inclusion Property // Tetrahedron. - 2000. - V. 56. - P. 1437-1443.
10. Iki N., Morohashi N., Yamane Y., Miyano S. Metal-Ion Extractability of Sulfur Bridged Oligomers of Phenol; Distinct Effect of the Number of Sulfur Bridges Rather Than Cyclic / Acyclic Form // Bull. Chem. Soc. Japan. - 2003. - V. 76, No 9. - P. 1763-1768.
11. Зигель X Ионы металлов в биологических системах. - М.: Мир, 1982. - 168 с.
12. Shin D., Hwa T., Chung G., Kim K. Surface orientation and complex formation of new calixarene derivatives containing sulfur ligands // Colloids and Surfaces A: Physico-chemical and Engineering Aspects. - 2005. - V. 257-258. - P. 461-465.
13. Kumar S., Chawla H.M., Varadarajan R. A convenient single step synthesis of p-thiomethylmethylcalixarenes and metal ion extraction studies // Tetrahedron. - 2003. -V. 59. - P. 7481-7484.
14. Yordanov A.T., Falana O.M., Koch H.F., Roundhill D.M. (Methylthio)methyl and (N,N-dimethylcarbamoyl)methyl upper-rim-substituted calix[4]arenes as potential extractants for Ag(I), Hg(II), Ni(II), Pd(II), Pt(II), and Au(III) // Inorg. Chem. - 1997. - V. 36. -P. 6468-6471.
15. Chen H., Lee M., Choi S., Kim Jae-Ho, Choi Heung-Jin, Kim Sung-Hoon, Lee J., Koh K. Comparative study of protein immobilization properties on calixarene monolayers // Sensors. - 2007. - V. 7. - P. 1091-1107.
16. Xie J., Zheng Q.-Y., Zheng Y.-S., Chen C.-F., Huan Zh.-T. Syntheses and Metal-ion Binding Properties of Calix[4]arene Derivatives Containing Soft Donor Atoms: Highly Selective Extraction Reagents for Ag+ // J. Incl. Phen. and Macrocycl.Chem. - 2001. -V. 40. - P. 125-130.
17. YordanovA.T., Whittlesey B.R., Roundhill D.M. Calixarene Derivatized with Sulfur -Containing Functionalities as Selective Extractans for Heavy and Precious Metal Ions // Inorg. Chem. - 1998. - V. 37. - P. 3526-3531.
18. Danil de Namour A.F., Al R.N., Piro O.E., Castellano E.E., Gil E. New Lower Rim Ca-lix(4)arene Derivatives with Mixed Pendant Arms and Their Complexation Properties for Alkali-Metal Cations. Structural, Electrochemical, and Thermodynamic Characterization // J. Phys. Chem. B. - 2002. - V. 106. - P. 779-787.
19. Yordanov A.T., Mague J.T., Roundhill D.M. Synthesis of Heavy Metal Ion Selective Ca-lix[4]arenes Having Sulfur Containing Lower-Rim Functionalities // Inorg. Chem. -1995. - V. 34. - P. 5084-5087.
20. Knoblauch S., Mattew F.O., Jaewook N., Roundhill D.M., Hennig H., Zeckert K. Calix[4]-arenes with narrow rim 2-mercaptoethoxy substituents as potential precursor molecules for metallacages and sensors // Inorg. Chimica Acta. - 2000. - V. 300-302. - P. 328-332.
21. Piner R.D., Zhu J., Xu F., Hong S., Mirkin C.A. Dip-Pen Nanolithography // Science. -1999. - V. 283. - P. 661-663.
22. Witt D., Klajn R., Barski P., Grzybowski B.A. Applications, Properties and Synthesis of ю-Functionalized n-Alkanethiols and Disulfides - the Building Blocks of Self-Assembled Monolayers // Current Organic Chemistry. - 2004. - V. 8. - P. 1763-1797.
23. Xu S., Podoprygorina G., Bohmer V., Ding Z., Rooney P., Rangan C., Mittler S. Tetrau-rea calix[4]arenes with sulfur functions: synthesis, dimerization to capsules, and self-assembly on gold // Org. Biomol. Chem. - 2007. - V. 5. - P. 558-568.
24. Li H., Zhang Y., WangX.G., Xiong D., Bai Y. Calixarene capped quantum dots as luminescent probes for Hg2+ ions // Materials Lett. - 2007. - V. 61, No 7. - P. 1474-1477.
25. Xianshun Z., Hao S., Langxing C., Xuebing L., Fengbo Xu, Qinshan Li, Xiwen He, Wen-qin Z., Zheng-Zhi Z. Synthesis of a tweezer-like bis(arylthiaalkoxy)calix[4]arene as a cation sensor for ion-selective electrodes: an investigation of the influence of neighboring halogen atoms on cation selectivity // Org. Biomol. Chem. - 2003. - V. 1. - P. 1073-1079.
26. Lu J.-Q., Pang D.-W., Zeng X.-S., He X.-W. A new solid-state silver ion-selective electrode based on a novel tweezer-type calixarene derivative. // J. Electroanal. Chem. -2004. - V. 568. - P. 37-43.
27. Honeychurch K.C., Hart J.P., Cowell D. C. Voltamperometric studies of lead at calixarene modified screen-printed carbon electrodes and its trace determination in water by stripping voltammetry // Sensors and Actuators B. - 2001. - V. 77. - P. 642-652.
28. Kostin G.A., Mashukov V.I., Torgov V.G., Kal'chenko V.I., Drapailo A.B. Reduction kinetics of gold(III) complexes with calix[4]arenes derivatized with thioether groups on the upper rim // Russian J. Inorg. Chem. - 2006. - V. 51, No 3. - P. 488-494.
29. Lang J., Dvorakova H., Bartosova I., Lhotak P., Stibor I., Hrabal R. Conformational flexibility of a novel tetraethylether of thiacalix[4]arene. A comparison with the "classical" methylene-bridged compounds // Tetrahedron Lett. - 1999. - V. 40, No 2. -P. 373-376.
30. Stott K., Stonehouse J., Keeler J., Hwang T.L., Shaka A.J. Excitation Sculpting in HighResolution Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy: Application to Selective NOE Experiments // J. Am. Chem. Soc. - 1995. - V. 117. - P. 4199.
31. Китаев Ю.П., Бузыкин Б. И. Гидразоны. - М.: Наука, 1974. - Гл. 5.
32. Фаттахов CT., Соловьева С.Е., Резник В.С. Синтез и некоторые превращения 1,3-бис-[омега-(формилфенокси)алкил]-6-метилурацилов // Журн. общ. хим. - 2000. -Т. 70, Вып. 3. - С. 495-502.
33. Гордон А. Спутник химика. -М.: Мир, 1976. - 541 с.
34. Органикум «Практикум по органической химии». - М.: Мир, 1979. - 447 с.
35. Sheldrick GM. SHELXTL V. 5.10, Structure Determination Software Suit, Bruker AXS: Madison, Wisconsin, USA.
36. Akdas H., Bringel L., Bulach V., Graf E., Hosseini M.W., De Cian A. Molecular baskets based on tetramercaptotetrathiacalix[4]arene and tetrathiacalix[4]arene // Tetrahedron Lett. - 2002. - V. 43. - P. 8975-8979.
Поступила в редакцию 27.05.08
Тюфтин Андрей Андреевич - аспирант Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН.
E-mail: [email protected]
Муравьев Антон Андреевич - студент Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского государственного университета.
E-mail: [email protected]
Полянцев Федор Михайлович - студент физического факультета Казанского государственного университета.
E-mail: [email protected]
Латыпов Шамиль Камильевич - доктор химических наук, профессор, заведующий лабораторий радиоспектроскопии Института органической и физической химии им. А. Е. Арбузова КазНЦ РАН.
E-mail: [email protected]
Лысенко Константин Александрович - доктор химических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории рентгеноструктурных исследований Института элементо-органических соединений РАН им. А.Н. Несмеянова.
E-mail: [email protected]
Соловьева Светлана Евгеньевна - кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН.
E-mail: [email protected]
Антипин Игорь Сергеевич - доктор химических наук, член-корр. РАН, профессор, заведующий кафедрой органической химии Казанского государственного университета, заведующий лабораторией Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН.
E-mail: [email protected]
Коновалов Александр Иванович - доктор химических наук, академик, профессор кафедры органической химии Казанского государственного университета, заведующий отделом супрамолекулярной химии Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН.
E-mail: [email protected]
