Новое семейство нитроксилов: разработка методов синтеза
и изучение реакционной способности
парамагнитных ацетиленовых производных 3-имидазолинового ряда

С.Ф.Василевский, О.Л.Кривенко (Коровникова)

1. Цель работы и ее актуальность.

Выбор тематики данного цикла работ был стимулирован нашими прежними разработками по синтезу спин-меченых ацетиленил-2-имидазолинов, на примере которых впервые был экспериментально зарегистрировано теоретически предсказанное т.н. явление спинового катализа (совместно с лаб.БПП, Изв. РАН Сер. хим. 2000. 1415). Однако, в силу специфики строения 2-имидазолинов (сквозное сопряжение) этот эффект был мал и соизмерим с временами регистрации спектров люминесценции. Чтобы уменьшить сопряжение было решено разработать методы синтеза спин-меченых ацетиленил-3-имидалолинов, у которых радикальный центр отделен от остальной части молекулы двумя простыми связями.

Т.о., постановка задачи тесно связана с интересами коллег-физиков. В то же время она имеет самостоятельное синтетическое значение, поскольку соединения этого класса радикалов до наших работ не были известны. Разработка принципов синтеза новых моно- и полирадикалов с регулярно меняющейся структурой и выявление зависимости их химических и физико-химических свойств от строения является важной фундаментальной и актуальной проблемой, поскольку парамагнитные лиганды представляют интерес для решения стержневых вопросов строения молекул, реакционной способности и теории связи.

2. Конкретная фундаментальная задача работы и ее значение.

Конкретная задача состояла в разработке надежных, воспроизводимых методов синтеза парамагнитных ацетиленов с большим набором разнохарактерных заместителей, что обеспечивает максимально широкое применение в органической и физической химии. Очевидно, что рациональное использование магнитно-активных соединений зависит в значительной степени от точности и полноты химических, оптических и магнитных параметров спин-меченых соединений, поэтому следующей задачей было исследование типичных и важнейших химических и магнитных свойств нового класса нитроксилов. Последняя часть выполнялась совместно с лабораториями ХФСР и БПП [1,2].

3. Используемые подходы, новизна и оригинальность.

Основным подходом являлась реакция Соногаширы (конденсация галоидаренов с алкинами-1) в различных ее модификациях. Новизна подхода состояла в том, что эта реакция вообще не использовалась в этом ряду, а между тем, ее применимость была отнюдь не очевидна, что связано со спецификой 3-имидазолинов. Прежде всего, это донорный (+М-эффект) N ->O группы, понижающий активность галоидной компоненты. С другой стороны, по сравнению с изомерными 2-имидазолинами, 3-имидазолиннитроксиды обладают большей окислительной способностью, что делает не тривиальным их применение в этой реакции. Понимание тонких механистических аспектов этой реакции для классических исходных (S.F.Vasilevsky et al. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 1999, 3713-3720) позволило преодолеть осложнения, и осуществить намеченные превращения и для парамагнитных производных. Эти результаты являются пионерскими, что отражено в публикациях [1-6]. Новизна и оригинальность результатов состоит в обнаружении необычного и протекающего в мягких условиях окисления (в отсутствие классических внешних окислителей) терминальных ацетиленов в сопряженные 1,3-диины – важные высоко реакционно-способные синтоны [5]. Мы полагаем, что найденная комбинация Pd(II)-3-имидазолиннитроксил можно быть применима для мягкого окислительного сдваивания лабильных алкинов-1. Отметим, что примеры такого окислительного действия для других нитроксилов не наблюдалось, а соли Pd(II) использовались только в сочетании с сильными окислителями (О2, I2 и др.). Предложен возможный механизм этих превращений [5].

4. Полученные результаты и их значимость.

Разработаны три альтернативных надежных метода синтеза алкинил-3-имидазолинов:
1) кросс-сочетание 4-иодарил-3-имидазолинов с ацетиленидами меди (выходы 50-90%),
2) конденсация м- и п-иодарил-3-имидазолинов с терминальными ацетиленами в условиях гомогенного катализа в системе Pd(PPh3)2Cl2-CuI-NEt3, 40°C (выходы 60-90 %),
3) гетерогенный беспалладиевый вариант кросс-сочетания п-бром- или м- и п-иодарил-3-имидазолина с алкинами-1 в системе CuI-K2CO3-PPh3-DMF,110°C (выходы 55-85 %).



Т.о. предложены препаративные, легко воспроизводимые методы синтеза широкого ряда нового семейства спин-меченых ацетиленилалкил-, арил- и гетарил-3-имидазолинов, с регулярно меняющейся структурой) [1-6]. Обсуждены преимущества и недостатки каждого метода. Понимание особенностей этих способов позволило получить более сложные бирадикалы с непрерывной системой сопряжения кратных связей:





Востребованность нитроксильных радикалов с тройными связями очевидна. Действительно, С≡С-фрагмент представляет собой удобный функциональный элемент для конструирования парамагнитных молекул с заранее заданными магнитными, электронными и геометрическими параметрами, т.к., с одной стороны, он способен участвовать в делокализации электронной плотности, с другой, обеспечивает жесткую пространственную структуру молекулы (sp-гибридизация, 180°С), необходимую для исследования магнитных или оптических свойств. Кроме того, частичным гидрированием можно получать сопряженные системы с sp2-атомами углерода (угол 120°С), включая цис- и транс-изомеры. Исчерпывающее же гидрирование тройной связи позволяет получать молекулы с прерванным сопряжением между парамагнитной и остальной частью молекулы (sp3-гибридизация, 109°С), при этом обменное взаимодействие уменьшается за счет новых насыщенных связей. Именно такой подход был реализован в синтезе длинноцепочечного бирадикала для изучения спиновой и молекулярной динамики методом импульсной ЭПР (С.А.Дзюба, Ю.Д.Цветков)[7]. Т.о., возможность такого широкого варьирования геометрических, электронных и магнитных параметров предопределяет значимость этих соединений при исследования реакционной способности и выявлении тонких меж- и внутримолекулярных взаимодействий, природы и механизма распределения электронной плотности. Специальное внимание был уделено получению терминального ацетилена со спиновой меткой [8]. Такие соединения, благодаря их повышенной СН-кислотности, позволяют легко создавать новые С-С-связи или функционализировать молекулу. В этой связи были проведены наиболее важные и типичные реакции для этинилпроизводных: кросс-сочетание Соногаширы, гомо-сочетание по Хею, реакция Кастро, конденсация Манниха, гидрирование. Изучение химических свойств нового семейства нитроксидов позволило расширить наши представления о реакционной способности стабильных высоко ненасыщенных радикалов. В плане физико-химического исследования ацетиленовые производные нитроксильных радикалов 3-имидазолинового ряда являются уникальными. Действительно, наличие жесткой системы тройных связей, парамагнитного центра, возможность регулировать обменное взаимодействие делает их привлекательными для изучения влияния молекулярной и спиновой динамики на спиновую релаксацию, а также явления внутреннего спинового катализа в трехспиновой системе, где слабое обменное взаимодействие - необходимое условие (это связано с временным диапазоном регистрирующей аппаратуры).

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Цикл проведенных работ составляет содержание кандидатской диссертации О.Л Кривенко, которая представила ее на Ученом Совете Института в 2008г. и получила рекомендацию к защите. Мировой уровень наших работ признан внешней экспертизой – публикации в высоко рейтинговых зарубежных журналах, персональное представление Василевским С.Ф. по этой тематике двух Пленарных и трех Приглашенных докладов на четырех Международных и одной Российской Конференциях. Работы этого цикла финансировались Российскими и зарубежными грантами: Grant CRDF (NO-008-X1), РФФИ (четыре проекта, два из них - поддержка участия в Конференциях), Интеграционные Проекты СО РАН (три проекта), Молодежный грант СО РАН. Василевский С.Ф. является членом редколлегии международного хим. журнала ARKIVOC (member of the Editorial Board of Referees, Ed. Prof. A.Katrizky, USA), получил предложение написать обзор по нитроксидам в этот журнал.

6. Персональный вклад авторов.

Данный цикл работ был выполнен в сотрудничестве с коллегами из других лабораторий ИХКГ СО РАН (ХФСР и БПП) и других институтов. Вклад авторского коллектива следующий: С.Ф.Василевский (соавтор всех 8 работ) внёс определяющий вклад в постановку задач работы, обсуждение полученных результатов, координацию с коллегами из других лабораторий, О.Л.Кривенко (Коровникова) (соавтор 7 работ из 8) внесла основной вклад в экспериментальную часть работы, сбор и анализ литературы. В представляемых работах более двух раз упоминаются следующие соавторы: И.А.Григорьев (НИОХ СО РАН) - обеспечивал методиками синтеза исходных нитроксидов, участвовал в обсуждении отдельных частей работы, С.А.Амитина (НИОХ СО РАН) - провела наработку исходных бром- и иодпроизводных нитроксидов.

Список прилагаемых статей.
  1. S.F.Vasilevsky, S.V.Klyatskaya, O.L.Korovnikova, D.V.Stass, S.A.Amitina, I.A. Grigor’ev, J.Elguero.First acetylenic derivatives of stable 3-imidazoline nitroxides Tetr. Lett., 2004, 45, p.7741-7743.
  2. Vasilevsky S.F., Klyatskaya S.V., Korovnikova O.L., Amitina S.A., Stass D.V., Grigor’ev I.A, Elguero J. Stable nitroxyl radicals with triple bonds: 4-acetylenyl-3-imidazoline-3-oxide-1-oxylsTetrahedron. 2006, 62, p.4597-4602.
  3. О.Л. Коровникова, С.Ф. Василевский.1-(О-Этоксиэтил)-2,2,5,5-тетраметил-4-[2-(р-ацетиленилфенил)винил]-3-имидазолин-3-оксиды В книге //Азотсодержащие гетероциклы. Изд. IBS PRESS. Москва, под ред. проф. В.Г.Карцева, 2006, том 2. В главе «Избранные методы синтеза». с.352-353.
  4. С.Ф.Василевский, О.Л.Коровникова, С.В.Кляцкая, С.А.Амитина. 2,2,5,5-Тетраметил-4-[2-(p-арил(гетарил)этинилфенил)-винил]-3-имидазолин-3-оксид-1-оксилыВ книге: //Азотсодержащие гетероциклы. Изд. IBS PRESS. Москва, под ред. проф. В.Г.Карцева, 2006, том 2. В главе «Избранные методы синтеза». с.350-351.
  5. S.F.Vasilevsky, O.L.Krivenko, I.V.Alabugin. Oxidative coupling of alkynes mediated by nitroxyl radicals under Sonogashira conditions and Pd-free catalytic approach to stable radicals of 3-imidazoline family with triple bondsTetr. Lett., 2007, v.48, p.8246-8249.
  6. S.F.Vasilevsky, O.L.Krivenko, V.R.Gorelik, I.V.Alabugin. Synthetic and mechanistic aspects of cross-coupling of nitroxyl radicals of 3-imidazoline series with terminal alkynesTetrahedron. V.64, 2008. p. 8807-8814.
  7. L.V.Kulik, Yu.A.Grishin, S.A.Dzuba, I.A.Grigoryev, S.V.Klyatskaya, S.F.Vasilevsky, Yu.D.Tsvetkov.Electron Dipole–Dipole ESEEM in Field-Step ELDOR of Nitroxide Biradicals J. Magn. Res. 157, 2002, 1-8.
  8. О.Л.Кривенко, С.Ф.Василевский. Синтез и свойства первых представителей терминальных ацетиленов в ряду 3-имидазолин-3-оксид-1-оксилаИзв. РАН. Сер. хим. 2007, № 10, с. 2048-2051.