янс-Дифенилди (1-нафтил)тетрабензопорфирин и его цинко- 216 вый комплекс
Исследования в области порфиринов и их аналогов в последнее время развиваются стремительными темпами. В ряду собственно порфиринов ежегодно синтезируются сотни, если не тысячи, все более сложных производных порфирина, появляются многочисленные публикации с результатами исследований их спектральных, электрохимических, каталитических свойств, геометрической и электронной структуры, а также посвященные особенностям физической и координационной химии порфиринов.
Такой интерес исследователей обусловлен целым рядом факторов. Прежде всего, к порфиринам принадлежат важнейшие биологически активные вещества, такие как хлорофилл и гем крови, которые определяют возможность существования и развития животного и растительного мира Земли. Это обусловливает актуальность исследований металлокомплексов синтетических аналогов порфирина в качестве моделей этих и других уникальных соединений, в частности цитохромов, пероксидаз, каталаз и других ферментов, которые смогут найти свое применение в технике, технологии и медицине.
Вторым важнейшим фактором является возможность практически безграничной модификации порфиринового макроцикла.
в молекулу порфирина различных функциональных групп, его способность образовывать прочные комплексы с металлами различной природы обусловливают применимость соединений порфириновой природы в качестве высокоэффективных катализаторов [1−4], полупроводников [5−7], преобразователей световой энергии в электрическую [8−21] и во многих других областях науки и техники.
Обширную группу синтетических производных порфирина составляют его бензоаннелированные аналоги, родоначальником которой является тет-рабензопорфирин. Бензоаннелирование порфиринового макроцикла оказывает сильнейшее влияние на его электронное строение и свойства, поэтому тетрабензопорфирины закономерно относят к отдельной группе тетрапирроль-ных макрогетероциклических соединений.
Исследования тетрабензопорфиринов берут свое начало в 30-х годах прошлого столетия и продолжаются до настоящего времени.
Как и в случае собственно порфирина, строение молекулы тетрабензо-порфирина позволяет осуществлять ее самую широкую модификацию. Эта модификация может заключаться во введении различных по природе металлов в координационную полость макроцикла и функциональных групп в бензольные кольца изоиндольных фрагментов. Не мене важной является возможность введения заместителей в л/езо-положения макроцикла, замены одной или более мостиковых метиновых групп атомами азота, а также сочетания этих структурных изменений. тиезо-Замещенные тетрабензопорфирина интенсивно изучаются уже более тридцати лет. Они обладают интересными электронно-оптическими, колористическими, электрохимическими и другими физико-химическими свойствами, что определяет несомненную актуальность их исследований в самых различных областях науки и техники.
Действительно^ металлокомплексы жезо-арилзамещенных тетрабензопорфирина предложены к использованию в качестве жирорастворимых красителей [22], полупроводников [23], катализаторов [24], препаратов для диагностики и фотодинамической терапии онкологических заболеваний [2526], вакуумных фоторезистов [27], фотохромных фильтров [28]. Нелинейно-оптические свойства этих соединений позволяют использовать их в качестве оптических лимитеров [29].
Проблемы преобразования энергии солнечного света в электрическую, кроме прочего, включают в себя поиск веществ, интенсивно поглощающих не только в желтой, но и в синей области спектра. К таковым относятся, например, металлокомплексы тетрабензодиазапорфирина. Но к началу наших исследований разработанные методы синтеза тетрабензоазапорфиринов касались, большей частью, жезо-незамещенных соединений [30−33]. Все эти методы обладают рядом существенных недостатков, связанных со сложностью синтеза, невысокими выходами целевых продуктов и трудностью разделения смеси соединений с различным числом мезо-атомов азота.
Таким образом, исследования различных лгезо-замещенных тетрабен-зопорфирина и их аза-производных сдерживаются либо ограниченной применимостью, либо синтетической сложностью методов их синтеза и выделения в индивидуальном виде.
Все вышеизложенное дает основание заключить, что, в отличие от собственно порфиринов, порфиразинов и фталоцианинов, л*езо-замещенные тет-рабензопорфирина и их аза-производные изучены лишь в малой степени. Исходя из этого, а также, принимая во внимание несомненную актуальность разноплановых исследований этой группы соединений, и была определена цель данной работы — разработка новых подходов к эффективному синтезу ткезо-замещенных тетрабензопорфиринов и их структурных аналогов и установлении закономерностей структура-свойство в ряду этих соединений. Для достижения этой цели были определены следующие основные задачи исследования:
Разработка новых методов синтеза мезо-арил-, гетерил-, алкил-, ари-локси-, алкоксизамещенных тетрабензопорфиринов и тетрабензоаза-порфиринов, а также их металлокомплексов различной структуры на основе доступных реагентов.
Установление связи между числом и характером заместителей и природой металла-комплексообразователя в составе молекул тетрабензопорфиринов, количеством и положением аза-групп в тетрабензоаза-порфиринах со спектральными, каталитическими, колористическими, мезоморфными и другими свойствами синтезированных соединений.
Научная новизна. Осуществлена модификация метода синтеза л/ез<�э-тетрафенилтетра-бензопорфирината цинка, позволяющая увеличить выход целевого продукта более чем в два раза.
Разработан метод синтеза лгезо-гетерилзамещенных тетрабензопорфирина с различным числом ,/иезо-заместителей с использованием СН-кислот.
Впервые синтезированы тиезо-тетраарилзамещенные тетрабензопорфирина, содержащие в своем составе тиезо-заместители различной природы.
Разработаны селективные методы синтеза продуктов частичного мезо-арильного замещения в тетрабензопорфирине.
Разработаны новые и модифицированы известные методы синтеза симметрично и несимметрично замещенных л/езо-алкилтетрабензопорфи-ринов.
На основе вновь разработанных методов синтезированы мезо-арипи ме-зо-алкилзамещенные тетрабензоазапорфирины.
Впервые синтезированы комплексы лантанидов «сэндвичевого» типа несимметричного строения, содержащие в своем составе фрагменты фтало-цианинов и жезо-замещенных тетрабензопорфиринов.
Исследованы различные физико-химические и спектральные свойства синтезированных соединений. Определены перспективы их практического использования.
Научная и практическая значимость работы.
1 > Новые научные результаты, представленные в работе, вносят существенный вклад в органическую, физическую и координационную химию тетрабензопорфиринов и их аза-аналогов.
Новые методы синтеза л^езо-замещенных тетрабензопорфиринов, их аза-аналогов и металлокомплексов различного строения позволяют осуществлять наработку этих соединений в значительных количествах, что обеспечивает их доступность для различных исследований и составляет научную основу для разработки практических технологий.
Некоторые из синтезированных соединений рекомендованы для использования в качестве органорастворимых красителей для крашения полимерных материалов, в качестве катализаторов электровосстановления молекулярного кислорода, активных материалов пирометров для бесконтактного определения температуры движущихся поверхностей, жидкокристаллических соединений, способных к стеклованию с сохранением мезо-фазы, катализаторов реакции окисления непредельных органических субстратов органическими пероксидами.
Новизна и практическая значимость разработок подтверждены 7 патентами РФ.
Апробация работы: результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, докладывались и обсуждались на научных семинарах в ИГХТУ, в ИХР РАН, на I Международной конференции «Экология человека и природы» (Иваново, 1997), на I Международной конференции «Актуальные проблемы химии и химической технологии» (Иваново, 1997), на XXIII научной сессии Российского семинара по химии порфиринов и их аналогов (Иваново, 2001), на IX Международной конференции по химии порфиринов и их аналогов (Суздаль, 2003), на Всероссийской научной конференции «Природные макроциклические соединения и их синтетические аналоги» (Сыктывкар, 2007), на XXIII Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Одесса, 2007), V International Conference on Porphyrins and Phthalocyanines (Moskow, 2008), VII Международной научной конференции «Лиотропные жидкие кристаллы и наноматериалы» (Иваново, 2009), 10 Международной конференции по физической и координационной химии порфиринов (Иваново, 2009 г).
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.
В результате систематических экспериментальных и теоретических исследований получило развитие новое направление в химии л*езо-замещенных тетрабензопорфиринов и их структурных аналогов, связанное с разработкой эффективных методов их синтеза, исследованием физико-химических свойств и выявлением закономерностей структура-свойства, что в совокупности является существенным вкладом в органическую и-координационную химию тетрапиррольных макроциклов.
1. Разработаны методы синтеза лгезо-тетрафенилтетрабензопорфирината цинка, позволяющие получать металлокомплекс с выходом до 43%, что более чем в 2 раза выше по сравнению с известными. Установлен химизм образования порфирина, проведен его квантово-химический анализполуэмпирическим методом АМ1. Показано, что результаты, расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными.
2. Впервые показана возможность использования СН — кислот (в частности, 21метилхинолина) для темплатного синтеза жезо-гетерилзамещенных тетрабензопорфиринов. С использованием разработанного метода синтезированы ранее* неизвестные л/езо-гетерилзамещенные тетрабензопорфирины симметричного и несимметричного строения.
3. Разработаны методы синтеза жезо-тетразамещенных тетрабензопорфиринов, содержащих в жезо-положениях арильные, гетерильные, алкильные заместители в различных сочетаниях, селективные методы синтеза тетрабензопорфиринов, содержащих от одного до трех лгезо-заместителей различной природы, органорастворимых мезо-арил-, алкил-, алкоксизаме-щенных тетрабензоазапорфиринов, комплексов лантанидов «сэндвичево-го» типа несимметричного строения, содержащих в своем составе фрагменты фталоцианинов и тиезо-замещенных тетрабензопорфиринов. Новые методы синтеза обеспечивают доступность перечисленных соединений для разноплановых исследований и составляют научную основу для разработки практических технологий.
4. Систематически исследованы электронно-оптические свойства синтезированных соединений. Установлено, что в случае л^езо-арилзамещенных тетрабензопорфиринов с ростом числа и объема л/езо-заместителей возрастает степень искажения макроцикла, приводящаяк батохромному сдвигу основных полос поглощения. Для жезо-алкилзамещенных тетрабензопорфиринов изменение числа и длины заместителей оказывает незначительное1 влияние на планарное строение макроцикла и мало сказывается на положении полос в электронных спектрах поглощения., Показано, что основным фактором, влияющим на спектральные свойства тетрабен-зоазапорфиринов, является число и положение аза-групп. В-целом-.полученные данные представляют интерес для разработки подходов: к. синтезу соединений с заданными свойствами.
5. Впервые показана возможность прямого определения1 валентности и спинового — состояния железа в, комплексе с тетрабензопорфириномметодами рентгеновского поглощения (ХАМЕВ) и эмиссии (МХБ). Установлено, что-в ¿-кристаллическом л* езо-тетраметилтетрабензопорфиринате железа металл трехвалентен и находится в. пентакоординированном высокоспиновом состоянии Б 5/2'.
6. Исследована, устойчивость мезо-арили алкилзамещенных тетрабензопорфиринов ю термоокислительной деструкции. Установлено, устойчивость соединений к нагреванию на воздухе зависит от степени искажения-планарного строения, макроцикла и понижается с ее увеличением. Показано, что первым этапом термодеструкции л/езо-замещенных тетрабензопорфиринов является отщепление жезо-заместителей.
7. Исследованы электрохимические и электрокаталитические свойства ме-таллокомплексов мезо-арипи алкилзамещенных тетрабензопорфиринов. Показано, что ряд соединений (комплексы кобальта, железа и меди) обладает высокой активностью в реакции восстановления кислорода и могут быть рекомендованы к использованию в качестве компонентов активных масс катодов химических источников тока.
8. Изучены жидкокристаллические свойства синтезированных соединений. Установлено, что мезо-арил-, арилоксии алкилзамещеные тетрабензо-порфирины не склонны к формированию лиотропных и термотропных ме-зофаз вследствие незначительного к-к — взаимодействия их макроциклов. Замена одного или нескольких л/езо-атомов углерода на атомы азота увеличивает это1 взаимодействие, поэтому некоторые лгезо-алкилзамещенные тетрабензоазапорфирины обладают термотропным мезоморфизмом. Показано, что комплекс эрбия «сэндвичевого» типа, содержащий фрагменты жезо-тетрафеншггетрабензопорфирина и октаалкоксизамещенного фтало-цианина обладает как термотропным, так и лиотропным мезоморфизмом, что является первым примером проявления жидкокристаллических свойств производными л*бзо-тетраарилтетрабензопорфиринов.'.
9. Установлено, что комплексы*, индия и олова с. мезотетрафенилтетра-бензопорфирином обладают высокой фоточувствительностью, в, том-числе-ш в ИК области, и могут быть использованы в качестве’активных элементов пиpoмeтpoвv для бесконтактного определения температуры движущихся «поверхностей.
10.Изучена каталитическаяактивность некоторых комплексов железа с мезо-алкилтетрабензопорфиринами в реакции окисления циклогексена трет-бутилпероксидом. Показано, что эти соединения обладают высокой активностью и селективностью в отношении продуктов аллильного окисленияи- как по составу продуктов реакции, так и по кинетическому поведению, могут рассматриваться как модели природных ферментов — перокси-даз и катал аз.
11.л/езо-Алкилзамещенные тетрабензопорфирины и тетрабензоазапорфирины, содержащие протяженные алкильные заместители и обладающие высокой растворимостью в неполярных органических растворителях, предложены к использованию в качестве красителей зеленого и сине-зеленого цветов для крашения жиров, восков, полиэтилена и полистирола.