🗊Презентация Серосодержащие макрогетероциклы (тиакраун-соединения)

СЕРОСОДЕРЖАЩИЕ МАКРОГЕТЕРОЦИКЛЫ (ТИАКРАУН-СОЕДИНЕНИЯ)

Синтетические макрогетероциклы впервые были получены более семи десятилетий назад, но только в последние сорок лет, когда стали известны их уникальные комплексообразующие свойства, они оказались в центре внимания химиков. Началом химии кислородсодержащих макрогетероциклов или краун-эфиов можно считать опубликованную в 1967 г. датским химиком Педерсеном статью по синтезу более чем 60 макроциклических соединений с различным размером кольца и содержащихся в нем гетероатомов. Синтетические макрогетероциклы впервые были получены более семи десятилетий назад, но только в последние сорок лет, когда стали известны их уникальные комплексообразующие свойства, они оказались в центре внимания химиков. Началом химии кислородсодержащих макрогетероциклов или краун-эфиов можно считать опубликованную в 1967 г. датским химиком Педерсеном статью по синтезу более чем 60 макроциклических соединений с различным размером кольца и содержащихся в нем гетероатомов.

В статье также сообщалось об образовании макрогетероциклами комплексов со многими катионами, преимушественно металлов I и II групп Периодической системы. Интенсивные исследования химии этих соединений рядом научных групп привели к тому, что в 1987 г. трем исследователям - Педерсену, Краму и Лену- была присуждена Нобелевская премия по химии за работы в области химии краун-эфиров. В статье также сообщалось об образовании макрогетероциклами комплексов со многими катионами, преимушественно металлов I и II групп Периодической системы. Интенсивные исследования химии этих соединений рядом научных групп привели к тому, что в 1987 г. трем исследователям - Педерсену, Краму и Лену- была присуждена Нобелевская премия по химии за работы в области химии краун-эфиров. Исследования Педерсена дали бурный толчок развитию химии макрогетероциклов, получивших название "краун-эфиры". Впоследствии было обнаружено, что краун-эфиры также способны быть переносчиками катионов через мембраны и катализаторами многих органических реакций.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ТИАКРАУН-СОЕДИНЕНИЙ

Взаимодействие дигалогенидов с сульфидами и гидросульфидами Na и K . Взаимодействие дигалогенидов с сульфидами и гидросульфидами Na и K .

Различные серосодержащие макро-гетероциклы можно получить с помощью реакции Вильямсона, то есть взаимодействием алкилгалогенидов с тиолятами. Различные серосодержащие макро-гетероциклы можно получить с помощью реакции Вильямсона, то есть взаимодействием алкилгалогенидов с тиолятами. Продуктами реакции дигалогеналкана с дитиолами могут быть циклический дитиоэфир, его димер и продукт линейного строения. Выход продукта реакции зависит в этом случае от строения исходных веществ и условий реакции. Выход циклических соединений по этому методу в случае, если кольцо содержит более девяти звеньев, очень низок.

Необходимость подавления побочных процессов потребовала разработки специальных методов синтеза макроциклических соединений. призванных обеспечить наибольшие выходы целевых продуктов. Наиболее часто в синтезе макроциклов используются метод высокого разбавления. Необходимость подавления побочных процессов потребовала разработки специальных методов синтеза макроциклических соединений. призванных обеспечить наибольшие выходы целевых продуктов. Наиболее часто в синтезе макроциклов используются метод высокого разбавления.

Метод высокого разбавления

Методики синтеза макроциклов методом высокого разбавления в большинстве случаев одинаковы: реагенты очень медленно добавляются к большому объему интенсивно перемешиваемого растворителя. Так как скорость прибавления реагентов лимитируется скоростью самой реакции, метод высокого разбавления на практике применим лишь к быстропротекающим процессам. Это приводит к тому, что в синтезе таким методом чаще всего используют высокоактивные реагенты, что порождает определенные трудности в проведении эксперимента и существенно сужает круг используемых исходных веществ. Методики синтеза макроциклов методом высокого разбавления в большинстве случаев одинаковы: реагенты очень медленно добавляются к большому объему интенсивно перемешиваемого растворителя. Так как скорость прибавления реагентов лимитируется скоростью самой реакции, метод высокого разбавления на практике применим лишь к быстропротекающим процессам. Это приводит к тому, что в синтезе таким методом чаще всего используют высокоактивные реагенты, что порождает определенные трудности в проведении эксперимента и существенно сужает круг используемых исходных веществ.

Цезий ускоряет циклизацию промежуточно образующихся линейных монотиолятов цезия. Катион Cs+ обладает большим, чем другие щелочные металлы, ионным радиусом (1,65 А), низкой плотностью поверхностного заряда (0,03 Z/A) и высокой поляризуемостью (2,9 А). Цезий ускоряет циклизацию промежуточно образующихся линейных монотиолятов цезия. Катион Cs+ обладает большим, чем другие щелочные металлы, ионным радиусом (1,65 А), низкой плотностью поверхностного заряда (0,03 Z/A) и высокой поляризуемостью (2,9 А). Катион цезия представляет собой положительно заряженную поверхность, на которой происходит координация отрицательно заряженного нуклеофильного тиолята и уходящего аниона Br-. Объемный катион цезия также слабо сольватируется в ДМФА и поэтому образует контактные ионные пары с нуклеофилом. Меньшие по размеру ионы щелочных металлов образуют менее реакционноспособные сольватно-разделенные ионные пары.

Темплатный синтез

Действие ионов метала, сводящееся к смещению равновесия в сторону устойчивого комплекса, носит название термодинамического темплатного эффекта. Под кинетическим темплатным эффектом подразумевается механизм, в котором ион металла лишь ускоряет некоторые стадии циклизации. В таких случаях макроцикл выделяется в свободном виде. Наиболее эффективным в темплатном синтезе является использование в качестве комплексообразующего средства карбоната цезия Cs2CO3. Действие ионов метала, сводящееся к смещению равновесия в сторону устойчивого комплекса, носит название термодинамического темплатного эффекта. Под кинетическим темплатным эффектом подразумевается механизм, в котором ион металла лишь ускоряет некоторые стадии циклизации. В таких случаях макроцикл выделяется в свободном виде. Наиболее эффективным в темплатном синтезе является использование в качестве комплексообразующего средства карбоната цезия Cs2CO3.

Получение замещенных тиакраун-эфиров

Другие методы получения тиакраун-соединений Другие методы получения тиакраун-соединений

Внутримолекулярная циклизация: реализуется при концентрации исходного диаллилового эфира ( 0.01 моль/л), температурах около 0оС

Интермедиатом в реакциях присоединения ковалентных сульфенгалогенидов к ненасыщенным соединениям является не катионоидный комплекс типа эписульфониевого иона, а ковалентный мостиковый сульфуран: Интермедиатом в реакциях присоединения ковалентных сульфенгалогенидов к ненасыщенным соединениям является не катионоидный комплекс типа эписульфониевого иона, а ковалентный мостиковый сульфуран: Естественно, что структура эписульфониевого иона и сульфурана являются лишь предельными случаями, и легко себе представить реализацию всего спектра промежуточных структур с частичной поляризацией связи S-Hal.

Бимолекулярная циклизация:наиболее благоприятными условиями являются концентрация субстрата 0.5-1.0 моль/л и температура реакции от –30 до –50оС (растворитель хлористый метилен).

Присоединение дихлорида серы к циклоолефинам С5-С8 приводит к ди(хлорциклоалкил)сульфидам, взаимодействием которых с дитиолами различного строения были получены дициклоалканотиакрауны с 12-18-членными циклами: Присоединение дихлорида серы к циклоолефинам С5-С8 приводит к ди(хлорциклоалкил)сульфидам, взаимодействием которых с дитиолами различного строения были получены дициклоалканотиакрауны с 12-18-членными циклами:

Взаимодействие замещенных в циклогексановых кольцах дихлорсульфидов с 1,8-димеркапто-3,6-диоксаоктаном с использованием методики высокого разбавления привело к образованию соответствующего макроцикла в виде смеси четырех стереоизомеров (по данным спектроскопии ЯМР 13С); спектральные данные хорошо соответствуют структуре и совпадают с рассчитанными химическими сдвигами: Взаимодействие замещенных в циклогексановых кольцах дихлорсульфидов с 1,8-димеркапто-3,6-диоксаоктаном с использованием методики высокого разбавления привело к образованию соответствующего макроцикла в виде смеси четырех стереоизомеров (по данным спектроскопии ЯМР 13С); спектральные данные хорошо соответствуют структуре и совпадают с рассчитанными химическими сдвигами:

Ацилирование гетероцепных ,-диаминов с дихлорангидридами дикарбоновых кислот в настоящее время явяляется наиболее доступным методом получения N-содержащих макроциклов с высоким выходом. Серосодержащие открытоцепные диамины стали доступными благодаря развитию метода синтеза, основанного на реакции азиридина и его замещенных с сероводородм и дитиолами (МеОН, 60оС), выходы диаминов достигают 80-90%: Ацилирование гетероцепных ,-диаминов с дихлорангидридами дикарбоновых кислот в настоящее время явяляется наиболее доступным методом получения N-содержащих макроциклов с высоким выходом. Серосодержащие открытоцепные диамины стали доступными благодаря развитию метода синтеза, основанного на реакции азиридина и его замещенных с сероводородм и дитиолами (МеОН, 60оС), выходы диаминов достигают 80-90%:

В общем случае вероятность комплексообразования определяется возможным изменением конформации макроцикла при его взаимодействии с металлом. Макроциклы способны координироваться таким образом, чтобы обеспечивалось наиболее благоприятное размещение гетероатомов вокруг центрального атома металла. В общем случае вероятность комплексообразования определяется возможным изменением конформации макроцикла при его взаимодействии с металлом. Макроциклы способны координироваться таким образом, чтобы обеспечивалось наиболее благоприятное размещение гетероатомов вокруг центрального атома металла.

Макроциклический эффект означает повышенную термодинамическую и кинетическую устойчивость комплексов металлов с макроциклическим соединением по сравнению с его линейным аналогом. Впервые этот эффект был установлен Маргерумом. Макроциклический эффект означает повышенную термодинамическую и кинетическую устойчивость комплексов металлов с макроциклическим соединением по сравнению с его линейным аналогом. Впервые этот эффект был установлен Маргерумом. Существуют два основных подхода к объяснению этого эффекта – термодинамический, характеризующийся изменением свободной энергией Гиббса, и кинетический, обусловленный низкими скоростями диссоциации макроциклических комплексов по сравнению с нециклическими аналогами.

Устойчивость связи между металлом и макроциклом в первую очередь природой металла и активных атомов макроцикла. Для оценки этого фактора, объяснений накопленного материала и предсказаний использован принцип мягких и жестких кислот и оснований. С использованием рентгеноструктурного анализа установлено, что важная роль при комплексообразовании металлов с макроциклами отводится стереохимическим требованиям металла. В комплексах макроцикл обычно принимает такую конформацию, которую требует ион металла. Устойчивость связи между металлом и макроциклом в первую очередь природой металла и активных атомов макроцикла. Для оценки этого фактора, объяснений накопленного материала и предсказаний использован принцип мягких и жестких кислот и оснований. С использованием рентгеноструктурного анализа установлено, что важная роль при комплексообразовании металлов с макроциклами отводится стереохимическим требованиям металла. В комплексах макроцикл обычно принимает такую конформацию, которую требует ион металла.

Важной характеристикой макро-циклического соединения являются размеры его полости, определяемые в первом приближении числом атомов, образующих макрогетероцикл. В зависимости от его размеров ион металла может находиться либо в полости макроцикла, либо над этой полостью. Наиболее прочные комплексы образуются, когда размер полости краун-соединения совпадает с размером катиона металла. Важной характеристикой макро-циклического соединения являются размеры его полости, определяемые в первом приближении числом атомов, образующих макрогетероцикл. В зависимости от его размеров ион металла может находиться либо в полости макроцикла, либо над этой полостью. Наиболее прочные комплексы образуются, когда размер полости краун-соединения совпадает с размером катиона металла.

Сравнение устойчивости комплексов меди(II) с макроциклическими соединениями, имеющими различный размер цикла и содержащими чертыре атома серы, показывает, что в зависимости от числа атомов в цикле – от 12 до 16 – логарифмы констант устойчивости комплексов Cu(II) меняются в следующем порядке: Сравнение устойчивости комплексов меди(II) с макроциклическими соединениями, имеющими различный размер цикла и содержащими чертыре атома серы, показывает, что в зависимости от числа атомов в цикле – от 12 до 16 – логарифмы констант устойчивости комплексов Cu(II) меняются в следующем порядке:

Значения lg K для Cu+2 2.38 3.43 3.48

Исследование спектральных и окислительно-восстановительных свойств комплексов политиакраунов с Cu(II) показало, что они идентичны по свойствам медьсодержащим "синим" белкам. Последние являются важными металлсодержащими ферментами для живых организмов, участвующими в переносе электронов, окислительно-восстановительном катализе дыхательных клеток и обмене веществ. Исследование спектральных и окислительно-восстановительных свойств комплексов политиакраунов с Cu(II) показало, что они идентичны по свойствам медьсодержащим "синим" белкам. Последние являются важными металлсодержащими ферментами для живых организмов, участвующими в переносе электронов, окислительно-восстановительном катализе дыхательных клеток и обмене веществ.

Комплексы ионов меди(II) с политиакраун-соединениями обладают необычными спектральными и окислительно-восстановительными свойствами. Эти же свойства характерны и для медьсодержащих синих белков. Электронные спектры имеют сильную полосу поглощения в области 600 нм и высокий окислительно-восстановительный потенциал CuII/CuI (+0,2- 0,8 B). Комплексы ионов меди(II) с политиакраун-соединениями обладают необычными спектральными и окислительно-восстановительными свойствами. Эти же свойства характерны и для медьсодержащих синих белков. Электронные спектры имеют сильную полосу поглощения в области 600 нм и высокий окислительно-восстановительный потенциал CuII/CuI (+0,2- 0,8 B).

Комплексы Cu(I) c политиа-макроциклами катализируют реакции окисления спиртов кислородом воздуха, при этом этанол окисляется до ацетальдегида и уксусной кислоты, а изопропанол - до ацетона. Комплексы Cu(I) c политиа-макроциклами катализируют реакции окисления спиртов кислородом воздуха, при этом этанол окисляется до ацетальдегида и уксусной кислоты, а изопропанол - до ацетона.

Возможность селективного взаимодействия тиакраун-эфиров с ионами тяжёлых и переходных металлов может быть использована для получения химических сенсоров на их основе. Возможность селективного взаимодействия тиакраун-эфиров с ионами тяжёлых и переходных металлов может быть использована для получения химических сенсоров на их основе. Молекулы сенсора, как правило, состоят из распознающей части – в нашем случае ей может быть фрагмент тиакраун-эфира, и сигнальной части фрагмента, который обладает свойствами, которые легко обнаружить с помощью прибора, и которые изменяются в зависимости от того, произошло ли связывание распознающей части с распознаваемой молекулой или ионом.

Комплексообразование с Hg+2

Переключаемые макрогетероциклы и их комплексы

Переключаемые макрогетероциклы способны изменять конформацию цикла под влиянием внешних воздействий: рН среды, окислительно-восстановительного потенциала, электрохимической энергии, света, температуры и др. Конформационные преобразования макроцикла влияют на реакционную способность краун-соединения, например меняют прочность связывания ионов. Переключаемые макрогетероциклы способны изменять конформацию цикла под влиянием внешних воздействий: рН среды, окислительно-восстановительного потенциала, электрохимической энергии, света, температуры и др. Конформационные преобразования макроцикла влияют на реакционную способность краун-соединения, например меняют прочность связывания ионов. Молекула переключаемого макроцикла должна быть построена таким образом, чтобы одна из функциональных групп могла служить антенной, воспринимающей сигнал извне, а другая - обеспечивать дальнейшее превращение, вызванное принятым сигналом.

Редокс-переключаемые тиамакроциклы Редокс-переключаемые тиамакроциклы могут выполнять функции переключаемой системы благодаря обратимости в мягких условиях реакции окисления-восстановления тиол-дисульфид. Макроцикл А селективен к иону Cs+, поданд Б слабо экстрагирует ионы щелочных металлов.

В данных соединениях атомы макроцикла находятся в сопряжении с тетратиафульва-леновой группой, наблюдается незначительный электрохимический и значительный оптический отклик при комплексообразовании. В данных соединениях атомы макроцикла находятся в сопряжении с тетратиафульва-леновой группой, наблюдается незначительный электрохимический и значительный оптический отклик при комплексообразовании.

Комплексообразование макрогетероциклов возможно с катионами. анионами и нейтральными молекулами, в последнем случае по типу "гость-хозяин" за счет многократных нековалентных взаимодействий. Макроциклический рецептор в зависимости от структуры может образовывать молекулярные комплексы с одним, двумя и более субстратами, такие ассоциаты называются супрамолекулярными. Молекулярные рецепторы можно определить как органические структуры с ковалентными связями, способные к селективному связыванию с ионными и/или молекулярными субстратами посредством различных межмолекулярных взаимодействий с образованием ансамбля из двух или более частиц, супермолекулы. Комплексообразование макрогетероциклов возможно с катионами. анионами и нейтральными молекулами, в последнем случае по типу "гость-хозяин" за счет многократных нековалентных взаимодействий. Макроциклический рецептор в зависимости от структуры может образовывать молекулярные комплексы с одним, двумя и более субстратами, такие ассоциаты называются супрамолекулярными. Молекулярные рецепторы можно определить как органические структуры с ковалентными связями, способные к селективному связыванию с ионными и/или молекулярными субстратами посредством различных межмолекулярных взаимодействий с образованием ансамбля из двух или более частиц, супермолекулы.

Рецепторы на нейтральные молекулы

Так, 16-членный макроцикл, содержащий четыре метоксикарбонилэтильные группы, координируется с четырьмя молекулами мочевины. Комплексообразование протекает за счет водородных связей атомов водорода мочевины с карбонильными кислородами сложноэфирных групп: Так, 16-членный макроцикл, содержащий четыре метоксикарбонилэтильные группы, координируется с четырьмя молекулами мочевины. Комплексообразование протекает за счет водородных связей атомов водорода мочевины с карбонильными кислородами сложноэфирных групп:

Анионсвязывающие рецепторы Макротрициклы, содержащие в своих молекулах положительно заряженные группы или электронодефицитные атомы (Si, B, Sn и др.) могут связывать Hal-, N3- и другие анионы. Молекулы-рецпторы с эндоциклическимим или экзоциклическими карбоксильными группами могут удерживать анионы за счет образования водородных связей.

Гетероциклофан с положительно заряженными группами в водном растворе имеет гидрофобную полость, что способствует проникновению "гидрофобного" гостя и его комплексообразованию с макроциклом. Размер полости этого гетроциклофана составляет 7А и является достаточным для включения фенильной и нафтильной группы ; его комплексообразование было подробно исследовано на примере связывания 1-анилинонафтиламино-8-сульфоната натрия. Для него также был зафиксирван каскадный тип комплексообразования с нитратом меди и азидом натрия. Гетероциклофан с положительно заряженными группами в водном растворе имеет гидрофобную полость, что способствует проникновению "гидрофобного" гостя и его комплексообразованию с макроциклом. Размер полости этого гетроциклофана составляет 7А и является достаточным для включения фенильной и нафтильной группы ; его комплексообразование было подробно исследовано на примере связывания 1-анилинонафтиламино-8-сульфоната натрия. Для него также был зафиксирван каскадный тип комплексообразования с нитратом меди и азидом натрия.

Металлы экстрагируются краун-эфирами обычно в виде ионных ассоциатов, поэтому лучшими растворителями являются умеренно-полярные вещества (4    10), обеспечивающие наряду с эффективной сольватацией аниона высокие значения констант образования ионных пар. Металлы экстрагируются краун-эфирами обычно в виде ионных ассоциатов, поэтому лучшими растворителями являются умеренно-полярные вещества (4    10), обеспечивающие наряду с эффективной сольватацией аниона высокие значения констант образования ионных пар.

Экстракция ионов металлов макроциклическими лигандами – наиболее удобный способ изучения их комплексообразующей способности. Краун-эфиры представляют интерес прежде всего для концентрирования и разделения щелочных и щелочно-земельных металлов, а также свинца, ртути и ряда жестких (по Пирсону) ионов металлов-актинидов и лантанидов. Экстракция ионов металлов макроциклическими лигандами – наиболее удобный способ изучения их комплексообразующей способности. Краун-эфиры представляют интерес прежде всего для концентрирования и разделения щелочных и щелочно-земельных металлов, а также свинца, ртути и ряда жестких (по Пирсону) ионов металлов-актинидов и лантанидов.

В общем случае экстракция ионов металлов уменьшается в ряду противоионов В общем случае экстракция ионов металлов уменьшается в ряду противоионов Pi  ClO4  SCN  J  NO3  Br  PhCOO-  Сl-  CN  HSO4  HCO3  F  OH  SO4-  CO32-  PO43-, что связано с ростом энергии гидратации ионов. Лучшими противоионами для экстракции являются крупные гидрофобные анионы, такие как пикрат, дипикриламинат, динитрофенолят, тетрафенилборат, анионы сульфофталеиновых красителей.

Важным моментом для селективного связывания катиона металла является конформация макроцикла, на которую влияет наличие функциональных групп или алициклических фрагментов различной конформационной подвижности. Важным моментом для селективного связывания катиона металла является конформация макроцикла, на которую влияет наличие функциональных групп или алициклических фрагментов различной конформационной подвижности.