Бис-N-метилазакраунсодержащие диеноны в качестве оптических молекулярных сенсоров для определения катионов щелочных, щелочноземельных металлов, аммония и способ их получения
BIS-N-METHYL AZA-CROWN-CONTAINING DIENONS AS OPTICAL MOLECULAR SENSORS FOR THE DETERMINATION OF CATIONS OF ALKALINE, ALKALINE EARTH METALS, AMMONIUM AND THE METHOD FOR THEIR PREPARATION

Изобретение относится к органической химии и химии материалов, а именно к новому типу соединений - симметричным бис-N-метилазакраунсодержащим диенонам общей формулы I:
где n=1, 2; m=0, 1.
Полученные соединения и композитные материалы на их основе могут быть использованы в составе оптических хемосенсоров для колориметрического и люминесцентного определения катионов щелочных, щелочноземельных металлов и аммония, например, для определения микроколичеств указанных ионов в биологических жидкостях, в промышленных водах и стоках, для мониторинга окружающей среды. Изобретение относится также к способу получения таких соединений.
Указанный тип соединений, их свойства и способ получения в литературе не описаны.
Заявляемый новый тип соединений имеет структуру, не относящуюся ни к одному из известных типов структур. Предложенный тип соединений содержит неизвестное ранее сочетание фрагментов симметричного кросс-сопряженного диенона и двух N-метилазакраун-эфиров, конденсированных таким образом, что атомы азота макрогетероциклов находятся в сопряжении с бензольными циклами в пара-положениях к этиленовым группам, а атомы кислорода макроциклов находятся в сопряжении с бензольными циклами в мета-положениях к двойным связям, что предопределяет их спектральные свойства и позволяет отнести эти соединения к новому типу диенонов.
Известны диеноны [Conney А.Н., Zhang K., Wei X., Zheng X., Du Z.-Y. Патент WO 2012021692 A1, 2012; Dibella E.P., Патент US 3389986 A, 1968; Singh N., Pandey J., Yadav A., Chaturvedi V., Bhatnagar S., Gaikwad A.N., Sinha S.K., Kumar A., Shukla P.K., Tripathi R.P., Eur. J. Med. Chem., 2009, 44, 1705. Yu W., Xiu-Mei C., Li-Ling P., Rui M., Cai-Hui Y., Rui Y., Wei L., Wei Y., Rong-Cheng В., Hui W., Synthetic Commun., 2010, 40, 2320], особенностью строения которых является наличие симметричного кросс-сопряженного диенонового фрагмента. Эти диеноны не способны к комплексообразованию с катионами металлов и аммония, поскольку не имеют макрогетероциклического фрагмента.
В литературе описаны симметричные кросс-сопряженные диеноны, в которых диеноновый фрагмент соединен с атомами кислорода, входящими в состав двух фрагментов краун-эфиров, находящихся в сопряжении с бензольными циклами в пара- и мета-положениях к двойным связям [Нуриев В.Н., Зюзькевич Ф.С., Вацадзе С.З., Ведерников А.И., Громов С.П., Патент № 2568614 РФ, Бюл. 2015, №32; Захарова Г.В., Зюзькевич Ф.С., Гутров В.Н., Гаврилова Г.В., Нуриев В.Н., Вацадзе С.З., Плотников В.Г., Громов С.П., Чибисов А.К., Химия высоких энергий, 2017, 51, 121]. Для них характерны наличие поглощения в видимой области спектра и выраженная способность к комплексообразованию с катионами металлов и аммония. Однако поглощение и флуоресценция таких диенонов сдвинуты в коротковолновую область спектра по сравнению с диенонами на основе азакраун-эфиров, а ионохромный эффект не превышает 20 нм. Это сильно ограничивает применение таких диенонов в качестве оптических молекулярных сенсоров на катионы металлов и аммония.
В литературе описаны симметричные кросс-сопряженные диеноны, в которых диеноновый фрагмент соединен через углерод-азотные связи с двумя остатками азакраун-эфиров, атомы азота которых находятся в сопряжении с бензольными циклами в пара-положениях к двойным связям [Дорошенко А.О., Григорович А.В., Посохов Е.А., Пивоваренко В.Г., Демченко А.П., Шейко А.Д., Изв. АН, Сер. хим., 2001, 386; Жмуд Б.B., Голуб А.А., Пивоваренко В.Г., Неорганические материалы, 2004, 40, 1145; Фомина М.В., Нуриев В.Н., Зюзькевич Ф.С., Наумова А.В., Курчавов Н.А., Вацадзе С.З., Громов С.П., Патент № 2689621 РФ, Бюл. 2019, №16; Fomina М.V., Kurchavov N.А., Freidzon A.Ya, Nuriev V.N., Vedernikov A.V., Strelenko Yu.A., Gromov S.P., J. Photochem. Photobiol. A, 2020, 402, 112801]. Для них характерны наличие поглощения в спектральной области 500-550 нм и способность к связыванию катионов щелочных, щелочноземельных металлов и аммония, характеризующаяся существенными изменениями в спектрах поглощения и испускания. Однако, константы устойчивости таких комплексов с катионами металлов невысоки из-за слабого участия атомов азота макроциклов в координации катионов металла и аммония и из-за конформационной подвижности макроциклов азакраун-эфиров. Это существенно ограничивает применение таких диенонов в качестве оптических молекулярных сенсоров для количественного определения катионов металлов и аммония.
Таким образом, известные оптические молекулярные сенсоры на основе кросс-сопряженных диенонов имеют один из недостатков, а именно:
- или имеют слабый оптический отклик на комплексообразование, поэтому визуальное определение катионов щелочных, щелочноземельных металлов и аммония затруднено;
- или имеют невысокие константы устойчивости комплексов, что затрудняет определение микроколичеств указанных катионов;
Целью настоящего изобретения является новый тип соединений - симметричные кросс-сопряженные бис-N-метилазакраунсодержащие диеноны, в которых атомы азота и кислорода, входящие в состав двух фрагментов азакраун-эфиров, находятся в сопряжении с бензольными циклами в пара- и мета-положениях, соответственно, к этиленовым группам. Задачей изобретения является также разработка способа получения целевых продуктов, доказательство их строения и изучение их комплексообразующих, ионохромных и ионофлуорохромных свойств.
Поставленная цель достигается структурой заявляемого нового типа диенонов общей формулы I и способом их получения, заключающимся в том, что циклоалканоны общей формулы II:
где n имеет указанные выше значения для формулы I;
подвергают взаимодействию с формальными производными N-метилбензоазакраун-эфиров общей формулы III:
где m имеет указанные выше значения для формулы I.
Процесс проводят в смеси органического растворителя с водой или в среде органического растворителя, например, спирта, в присутствии оснований, таких как, например, гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид лития или гидроксид тетрабутиламмония при температурах 0-50°С.
Конденсация указанных циклоалканонов общей формулы II с формильными производными N-метилбензоазакраун-эфиров общей формулы III до настоящего времени не была известна. Согласно предлагаемому способу синтез диенонов общей формулы I осуществляют конденсацией активированных в циклоалканонах II α-метиленовых групп с карбонильными группами двух формильных производных N-метилбензоазакраун-эфиров общей формулы III с образованием двух двойных углерод-углеродных связей.
1
13
Строение полученных соединений общей формулы I доказано с помощью спектроскопии ЯМР Н и С, электронной и ИК-спектроскопии, масс-спектрометрии, а также подтверждено данными элементного анализа (примеры 1-4). Ряд экспериментов проводили при красном свете (примеры 3, 4).
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. (2Е,5Е)-2,5-бис[(13-метил-2,3,5,6,8,9,12,13-октагидро-11Н-1,4,7,10,13-бензотетраоксазациклопентадецин-16-ил)метилен]циклопентанона.
В колбе объемом 3 мл к 28 мг (0.091 ммоля) формил-N-метилбензоаза-15-краун-5-эфира приливают раствор 3.6 мг (0.043 ммоля) циклопентанона в 0.5 мл этанола, затем добавляют по каплям при перемешивании 40 мкл 1 М раствора NaOH в смеси этанол - вода (4:1). Реакционную смесь выдерживают при комнатной температуре 5 ч, упаривают в вакууме, остаток очищают методом колоночной хроматографии на окиси алюминия (Type Т, Basisch, 63-200 мкм, Merck), элюируя бензолом, смесью растворителей бензол - этилацетат (5:1), бензол - этилацетат (1:1), этилацетатом. Получают 22 мг (выход 76%) диенона в виде красно-оранжевого порошка, т. пл. 174-176°С.
1
3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
H
H
Спектр ЯМР Н (500 МГц, в MeCN-d, 27°С): 2.87 (с, 6 Н, 2 MeN); 3.12 (с, 4 Н, 2 СН); 3.25 (т, 4 Н, 2 CHN, J=7.3); 3.64 (с, 8 Н, 4 CHO); 3.67 (м, 8 Н, 4 CHO); 3.89 (м, 4 Н, 2 CCHOAr); 3.91 (т, 4 Н, 2 CCHN, J=7.3); 4.18 (м, 4 Н, 2 CHOAr); 6.45 (д, 2 Н, 2 Н(14), J=8.2); 7.17 (д, 2 Н, 2 Н(17), J=1.4); 7.24 (д.д, 2 Н, 2 Н(15), J=8.2, J=1.4,); 7.39 (с, 2 Н, 2 СН).
13
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
C
C
Спектр ЯМР С (125 МГц, в CDCl, 30°С): 27.16 (2 СН); 40.25 (2 MeN); 55.99 (2 CHN); 68.43 (2 CHOAr); 69.49 (2 HCHN); 69.98 (2 HCHOAr); 70.11, 70.33, 70.45, 71.30 (8 CHO); 114.57 (2 С(17)Н); 117.29 (2 С(14)Н); 125.03 (2 С(15)Н); 129.08 (2 С(16)); 133.61 (2 СН); 135.63 (С(2), С(5)); 144.35 (С(13а)); 150.95 (С(17а)); 195.93 (С=O).
-1
ИК-спектр (KBr): 1678 см (С=O).
-5
-1
УФ-спектр (С=1×10 моль⋅л, ацетонитрил), нм: 277 (ε=18600), 452 (ε=44800).
-5
-1
ех
Флуоресценция (С=1×10 моль⋅л, ацетонитрил): λ 445 нм,  602 нм.
+
+
+
Масс спектр (m/z): 667.36 [М+Н], 689.34 [М+Na], 705.32 [М+K].
Найдено, %: С 66.36; Н 7.63; N 4.04.
37
50
2
9
CHNO
Вычислено, %: С 66.65; Н 7.56; N 4.20.
Пример 2. (2Е,5Е)-2,5-,бис[(16-метил-2,3,5,6,8,9,11,12,15,16-декагидро-14Н-1,4,7,10,13,16-бензопентаоксазациклооктадецин-19-ил)метилен]циклопентанон.
В колбе объемом 3 мл к 34 мг (0.097 ммоля) формил-N-метилбензоаза-18-краун-6-эфира приливают раствор 3.7 мг (0.044 ммоля) циклопентанона в 0.4 мл этанола, затем добавляют по каплям при перемешивании 40 мкл 1.2 М раствора NaOH в смеси этанол - вода (4:1). Реакционную смесь выдерживают при комнатной температуре 5 ч, упаривают в вакууме, остаток очищают методом колоночной хроматографии на окиси алюминия (Type Т, Basisch, 63-200 мкм, Merck), элюируя бензолом, смесью растворителей бензол - этилацетат (5:1), бензол - этилацетат (1:1), этилацетатом. Получают 25 мг (выход 75%) диенона в виде темно-красной твердой массы, т. пл. 79-81°С.
1
3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
H
H
Спектр ЯМР Н (500 МГц, в MeCN-d, 27°С): 2.91 (с, 6 Н, 2 MeN); 3.13 (с, 4 Н, 2 СН); 3.40 (т, 4 Н, 2 CHN, J=5.9); 3.58 (м, 16 Н, 8 CHO); 3.65 (м, 8 Н, 4 CHO); 3.73 (т, 4 Н, 2 CCHN, J=5.9); 3.87 (м, 4 Н, 2 CCHOAr); 4.20 (м, 4 Н, 2 CHOAr); 6.94 (д, 2 Н, 2 Н(17), J=8.4); 7.18 (д, 2 Н, 2 Н(20), J=1.4); 7.24 (д.д, 2 Н, 2 Н(18), J=8.4, J=1.4,); 7.40 (с, 2 Н, 2 СН).
13
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
C
C
Спектр ЯМР С (125 МГц, в CDCl, 30°С): 27.16 (2 СН); 40.80 (2 MeN); 55.08 (2 CHN); 68.05 (2 CHOAr); 70.14 (2 HCHOAr); 70.48 (2 HCHN); 70.76, 70.99, 71.18, 71.25, 71.49, 71.63 (12 CHO); 114.87 (2 C(20)H); 117.55 (2 C(17)H); 125.29 (2 C(18)H); 128.80 (2 C(19)); 133.55 (2 CH); 135.55 (C(2), C(5)); 143.85 (C(17a)); 150.61 (C(20a)); 195.90 (C=O).
-1
ИК-спектр (KBr): 1680 см (C=O).
-5
-1
УФ-спектр (C=1×10 моль⋅л, ацетонитрил), нм: 277 (ε=18500), 451 (ε=46300).
-5
-1
ex
Флуоресценция (C=1×10 моль⋅л, ацетонитрил): λ 445 нм,  608 нм.
+
+
+
Масс спектр (m/z): 755.41 [М+Н], 777.39 [М+Na], 793.37 [М+K].
Найдено, %: С 64.13; Н 7.69; N 3.74.
41
58
2
11
2
CHNO⋅0.5HO
Вычислено, %: С 64.46; Н 7.78; N 3.67.
Пример 3. (2Е,6Е)-2,6-бис[(13-метил-2,3,5,6,8,9,12,13-октагидро-11Н-1,4,7,10,13-бензотетраоксазациклопентадецин-16-ил)метилен]циклогексанона.
В колбе объемом 3 мл к 25 мг (0.081 ммоля) формил-N-метилбензоаза-15-краун-5-эфира приливают раствор 3.6 мг (0.037 ммоля) циклогексанона в 0.4 мл этанола, затем добавляют по каплям при перемешивании 120 мкл 0.8 М раствора KOH в смеси этанол - вода (4:1). Реакционную смесь выдерживают при комнатной температуре 24 ч, упаривают в вакууме, остаток очищают методом колоночной хроматографии на окиси алюминия (Type Т, Basisch, 63-200 мкм, Merck), элюируя бензолом, смесью растворителей бензол - этилацетат (5:1), бензол - этилацетат (1:1), этилацетатом. Получают 16 мг (выход 64%) диенона в виде оранжевого порошка, т. пл. 131-133°С.
1
3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
C
H
Спектр ЯМР H (500 МГц, в MeCN-d, 27°С): 1.81 (м, 2 Н, СН); 2.85 (с, 6 Н, 2 MeN); 3.12 (т, 4 Н, 2 СН, J=5.4); 3.22 (т, 4 Н, 2 CHN, J=7.3); 3.64 (с, 8 Н, 4 CHO); 3.67 (м, 8 Н, 4 CHO); 3.89 (м, 4 Н, 2 HCHOAr); 3.90 (т, 4 Н, 2 CCHN, J=7.3); 4.16 (м, 4 Н, 2 CHOAr); 6.93 (д, 2 Н, 2 Н(14), J=8.3); 7.12 (д, 2 Н, 2 Н(17), J=1.2); 7.24 (д.д, 2 Н, 2 Н(15), J=8.3, J=1.2,); 7.63 (с, 2 Н, 2 СН).
13
2
2
2
2
2
2
2
2
2
C
Спектр ЯМР С (125 МГц, в CDCl, 30°С): 23.65 (СН); 29.24 (2 СН); 40.21 (2 MeN); 56.10 (2 CHN); 68.40 (2 CHOAr); 69.43 (2 HCHN); 69.98, 70.06, 70.31, 70.41, 71.25 (10 CHO); 114.77 (2 С(17)Н); 117.07 (2 С(14)Н); 124.54 (2 С(15)Н); 129.08 (2 С(16)); 134.59 (С(2), С(6)); 136.97 (2 СН); 143.74 (С(13а)); 150.83 (С(17а)); 189.84 (С=O).
-1
ИК-спектр (KBr): 1655 см (С=O).
-5
-1
УФ-спектр (С=1×10 моль⋅л, ацетонитрил), нм: 275 (ε=18600), 423 (ε=32800).
-5
-1
ех
Флуоресценция (С=1×10 моль⋅л, ацетонитрил): λ 410 нм,  600 нм.
+
+
Масс спектр (m/z): 681.38 [М+Н], 703.36 [М+Na].
Найдено, %: С 66.91; Н 7.71; N 3.91.
38
52
2
9
CHNO
Вычислено, %: С 67.04; Н 7.70; N 4.11.
Пример 4. (2Е,6Е)-2,6-бис[(16-метил-2,3,5,6,8,9,11,12,15,16-декагидро-14Н-1,4,7,10,13,16-бензопентаоксазациклооктадецин-19-ил)метилен]циклогексанона.
В колбе объемом 3 мл к 31 мг (0.088 ммоля) формил-N-метилбензоаза-18-краун-6-эфира приливают раствор 4.2 мг (0.043 ммоля) циклогексанона в 0.4 мл этанола, затем добавляют по каплям при перемешивании 100 мкл 1 М раствора KOH в смеси этанол - вода (4:1). Реакционную смесь выдерживают при комнатной температуре 48 ч, упаривают в вакууме, остаток очищают методом колоночной хроматографии на окиси алюминия (Type Т, Basisch, 63-200 мкм, Merck), элюируя бензолом, смесью растворителей бензол - этилацетат (5:1), бензол - этилацетат (1:1), этилацетатом. Получают 11 мг (выход 33%) диенона в виде темно-оранжевого порошка, т. пл. 126-128°С.
1
3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
H
H
Спектр ЯМР H (500 МГц, в MeCN-d, 27°С): 1.81 (м, 2 Н, СН); 2.88 (с, 6 Н, 2 MeN); 2.97 (т, 4 Н, 2 СН, J=5.0); 3.36 (т, 4 Н, 2 CHN, J=6.1); 3.65 (м, 16 Н, 8 CHO); 3.65 (м, 8 Н, 4 CHO); 3.72 (т, 4 Н, 2 CCHN, J=6.1); 3.86 (м, 4 Н, 2 CCHOAr); 4.17 (м, 4 Н, 2 CHOAr); 6.92 (д, 2 Н, 2 Н(17), J=8.3); 7.07 (д, 2 Н, 2 Н(20), J=1.5); 7.13 (д.д, 2 Н, 2 Н(18), J=8.3, J=1.5,); 7.63 (с, 2 Н, 2 СН).
13
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
C
C
Спектр ЯМР С (125 МГц, в CDCl, 30°С): 23.63 (СН); 29.23 (2 СН); 40.87 (2 MeN); 55.15 (2 CHN); 68.09 (2 CHOAr); 70.13 (2 HCHOAr, 2 HCHN); 70.75, 70.96, 71.18, 71.23, 71.45, 71.55 (12 CHO); 115.17 (2 C(20)H); 117.54 (2 C(17)H); 124.77 (2 C(18)H); 129.15 (2 C(19)); 134.59 (C(2), C(6)); 136.94 (2 CH); 143.24 (C(17a)); 150.66 (C(20a)); 189.85 (C=O).
-1
ИК-спектр (KBr): 1653 см (C=O).
-5
-1
УФ-спектр (C=1×10 моль⋅л, ацетонитрил), нм: 275 (ε=20400), 423 (ε=33800).
-5
-1
ех
Флуоресценция (С=1×10 моль⋅л, ацетонитрил): λ 410 нм,  602 нм.
+
+
+
Масс спектр (m/z): 769.43 [М+Н], 791.41 [М+Na], 807.38 [М+K].
Найдено, %: С 64.62; Н 8.01; N 3.36.
42
60
2
11
2
CHNO⋅0.5HO
Вычислено, %: С 64.84; Н 7.90; N 3.60.
Изучены комплексообразующие, ионохромные и ионофлуорохромные свойства полученных диенонов I из примеров 1 и 2 в MeCN.
Результаты исследования полученных диенонов представлены на фигурах:
-5
-1
-4
-1
4
2
Фиг. 1. Спектры поглощения диенона I из примера 1 (С=1×10 моль⋅л, 1) и его комплекса с Са(ClO) (С=1.5×10 моль⋅л, 2) в MeCN.
-5
-1
-4
-1
+
+
-
-4
-1
4
2
3
2
12
3
4
Фиг. 2. Спектры поглощения диенона I из примера 2 (С=1×10 моль⋅л, 1) и его комплексов с Ва(ClO) (С=1.5×10 моль⋅л, 2) и NH(CH)NH2ClO (С=1.5×10 моль⋅л, 3) в MeCN.
-6
-1
+
-
-4
-1
3
4
Фиг. 3. Спектры поглощения диенона I из примера 2 (С=5×10 моль⋅л, 1) и его комплексов состава 1:1 (2) и 1:2 (3) с EtNHClO (С=2.4×10 моль⋅л) в MeCN.
-5
-1
-4
-1
4
2
Фиг. 4. Спектры люминесценции диенона I из примера 1 (С=1×10 моль⋅л, 1) и его комплекса с Са(ClO) (С=1.5×10 моль⋅л, 2) в MeCN.
-5
-1
-4
-1
+
+
-
-4
-1
4
2
3
2
12
3
4
Фиг. 5. Спектры люминесценции диенона I из примера 2 (С=1×10 моль⋅л, 1) и его комплексов с Ва(ClO) (С=1.5×10 моль⋅л, 2) и с NH(CH)NH2ClO (С=1.5×10 моль⋅л, 3) в MeCN.
Полученные данные, представленные на фиг. 1-5 убедительно свидетельствуют о том, что новые симметричные бис-N-метилазакраунсодержащие диеноны способны действовать не только как колориметрические молекулярные сенсоры, но и как флуоресцентные молекулярные сенсоры.
1:1
1:2
-1
Предварительные результаты исследования симметричных бис-N-метилазакраунсодержащих диенонов общей формулы I показали, что в апротонной среде они способны с хорошим оптическим откликом связывать катионы щелочных, щелочноземельных металлов и аммония, то есть проявляют свойства оптических молекулярных сенсоров. Показано, что константы устойчивости комплексов диенона из примера 2 с перхлоратом этиламмония в ацетонитриле (lgK=4.61, lgK=3.77, где K [М] - константа устойчивости комплекса) на 1.5-2 порядка больше, чем для производного с остатками фенилазакраун-эфира [Fomina М.V., Kurchavov N.A., Freidzon A.Ya, Nuriev V.N., Vedernikov A.V., Strelenko Yu.A., Gromov S.P., J. Photochem. Photobiol. A, 2020, 402, 112801], что убедительно показывает преимущество диенонов общей формулы I по сравнению с кросс-сопряженными бисазакраунсодержащими диенонами. Эти свойства позволяют создать на основе полученных диенонов оптические хемосенсорные материалы.
Таким образом, получен новый тип симметричных диенонов - бис-N-метилазакраунсодержащие диеноны, имеющие неизвестное ранее сочетание фрагментов симметричного кросс-сопряженного диенона и двух N-метилазакраун-эфиров, конденсированных таким образом, что атомы азота и кислорода макрогетероциклов находятся в сопряжении с бензольными циклами в пара- и мета-положениях, соответственно, к этиленовым группам, и обнаружена их выраженная способность к связыванию катионов щелочных, щелочно-земельных металлов и аммония, характеризующаяся существенными изменениями в спектрах поглощения и испускания. Эти свойства позволяют использовать заявленные соединения в составе оптических хемосенсоров для колориметрического и флуоресцентного определения катионов щелочных, щелочно-земельных металлов и аммония, например, в составе полимерных пленок и мембран для определения микроколичеств указанных ионов в биологических жидкостях, а также для определения микроколичеств указанных ионов в промышленных водах и стоках, в том числе для мониторинга окружающей среды. Разработан также способ получения заявленных соединений высокой степени чистоты и с хорошими выходами (до 76%).