Карпусь Андрій Олегович. Хіральні калікс[4]арени з фероценільними та фосфоровмісними групами в асиметричному каталізі

brief description

Карпусь Андрій Олегович. Назва дисертаційної роботи: "Хіральні калікс[4]арени з фероценільними та фосфоровмісними групами в асиметричному каталізі"

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ
УКРАЇНИ
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
На правах рукопису
КАРПУСЬ АНДРІЙ ОЛЕГОВИЧ
УДК 547.03+547.562+547.298+547.79
ХІРАЛЬНІ КАЛІКС[4]АРЕНИ З ФЕРОЦЕНІЛЬНИМИ ТА
ФОСФОРОВМІСНИМИ ГРУПАМИ В АСИМЕТРИЧНОМУ
КАТАЛІЗІ
02.00.03 – органічна хімія
Дисертація на здобуття наукового ступеня
кандидата хімічних наук
Наукові керівники:
ВОЙТЕНКО ЗОЯ ВСЕВОЛОДІВНА
доктор хімічних наук, професор
МАНУРІ ЕРІК,
габілітований доктор
(Університет Поля Сабатьє, Тулуза, Франція)
Київ-2016
2
ЗМІСТ
Список умовних скорочень 5
Вступ 6
Розділ 1. Синтез та каталітичні властивості P(III) і P(V)-
функціоналізованих калікс[4]аренів
(літературний огляд)
14
1.1 Синтез P (III) і P (V)-вмісних калікс[4]аренів 14
1.1.1 Фосфіни 14
1.1.2 Фосфініти 24
1.1.3 Фосфоніти 26
1.1.4 Фосфіти 27
1.1.5 Оксифосфадіаміди 35
1.1.6 Іліди фосфору 36
1.1.7 Імінофосфорани 37
1.1.8 Фосфонатні та фосфінатні кислоти 38
1.2 Використання P (III) і P (V)-вмісних калікс[4]аренів в
Каталізі
42
1.2.1 Гідроформілювання олефінів 42
1.2.2 Гідроалкоксикарбонілювання олефінів 57
1.2.3 Гідрування олефінів 57
1.2.4 Реакція Цуджи–Троста 59
1.2.5 Реакції крос-сполучення 61
Розділ 2. Калікс[4]арени функціоналізовані P(III)-групами, синтез
та каталітичні властивості
63
2.1 Синтез нових похідних фероценових лігандів для
привиття
64
2.2 Синтез нових хіральних фероценфосфіно калікс[4]аренів
в енантіомерно чистій формі
68
3
2.3 Каталітичні властивості одержаних фосфінів 74
Розділ 3. Калікс[4]арени функціоналізовані P(V)-групами
(фосфонові кислоти), синтез та каталітичні властивості
79
3.1. Синтез внутрішньохіральних калікс[4]аренів з АВНН
типом заміщення на нижньому вінці
80
3.2. Спектральні властивості внутрішньохіральних
калікс[4]аренів з АВНН типом заміщення на нижньому вінці
88
3.3. Гідроліз циклічного внутрішньохірального фосфонату 91
3.4. Синтез внутрішньохіральних калікс[4]аренів з АAВН
типом заміщення на нижньому вінці
93
3.5. Спектральні властивості внутрішньохіральних
калікс[4]аренів з ААВН типом заміщення на нижньому вінці
99
3.6. Органокаталітичні властивості внутрішньохіральної
калікс[4]арен фосфонової кислоти
102
3.6.1. Реакція альдольної конденсації типу азаМукаями
103
3.6.2. Реакція аза-Дільса-Альдера 106
3.6.3. Реакція асиметричного розкриття епоксидів
дією нуклеофіла
107
Розділ 4. Калікс[4]арени функціоналізовані P(V)-групами
(фосфорні кислоти), синтез та каталітичні властивості
110
4.1. Синтез внутрішньохіральних калікс[4]арен фосфорних
кислот з АВНН типом заміщення на нижньому вінці
110
4.2. Синтез внутрішньохіральних калікс[4]арен фосфорних
кислот з АВСН типом заміщення на нижньому вінці
115
4.3. Органокаталітичні властивості внутрішньохіральних
калікс[4]арен фосфатних кислот
116
4.3.1. Реакція аза-Дільса-Альдера 116
4
4.3.2. Реакція асиметричного розкриття епоксидів
дією нуклеофіла
119
Розділ 5. Експериментальна частина 122
Висновки 166
Список використаних джерел 168
Додаток 184
5
СПИСОК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ
БІНОЛ 1,1'-бі-2-нафтол
д Дублет
ДАБКО 1,4-діазабіцикло[2.2.2]октан
д.д. Дублет дублетів
ДХМ Дихлорометан
ДМФА N,N-Диметилформамід
ДМСО Диметилсульфоксид
ІЧ Інфрачервоний
кв. Квартет
ее Енантіомерний надлишок
м. Мультиплет
м.ч. Мільйонна частка
розш.с. Розширений синглет
РСД Рентгеноструктурне дослідження
с. Синглет
т. Триплет
ТАДДОЛ
α,α,α',α'-тетраарил-2,2-дизаміщений 1,3-діоксолан-4,5-
диметанол
ТГФ Тетрагідрофуран
ТМС Триметилсиліл
т. пл. температура плавлення
ТШХ Тонкошарова хроматографія
TOF частота оборотів каталізатора
ЯМР Ядерний магнітний резонанс
J Константа спін-спінової взаємодії (КССВ)
δ Хімічний зсув, м.ч. (ЯМР-спектроскопія)
6
ВСТУП
Незважаючи на велику кількість каталізаторів, придатних для
широкого застосування в промислових процесах, постійно ведеться пошук
більш ефективних та доступних речовин. Більшість нині існуючих
каталізаторів мають високу селективність лише до вузького кола
субстратів. Таким чином, розвиток каталізу залежить від наукових
досліджень спрямованих на пошук сполук з більшою каталітичною
активністю та селективністю до максимально широкого кола субстратів.
Ряд фероценофосфінів вже добре зарекомендували себе в якості
ефективних лігандів для металокомплесних каталізаторів широкого кола
реакцій гомогенного каталізу (гідрування різних класів ненасичених
сполук, крос-сполучення, карбонілювання, метатезис). Їх привиття до
молекул із потенційними властивостями “хазяїна” являє собою ключовий
аспект досліджень сучасної супрамолекулярної хімії.
Актуальність теми. Пошук нових ефективних каталізаторів
залишається актуальною проблемою сучасної хімічної науки. В свою
чергу, важливим є перехід від шкідливих для середовища
металокомплексних каталізаторів на основі благородних металів до
простих органічних молекул - органокаталізаторів. Не менш важливим
фактором є також стереоселективність каталізатора, що проявляється в
його можливості координації до субстрату. Тому синтез і дослідження
взаємозв’язку структура-активність серед похідних хіральних
калікс[4]арен фосфонових кислот є актуальною проблемою, вирішення
якої потребує систематичної структурної варіації (синтез різноманітних
ключових модельних сполук) і послідовного дослідження рівня їх
каталітичної активності.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційна робота виконана на кафедрі органічної хімії хімічного
факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка
7
в рамках наукової теми кафедри «Нові гетероциклічні сполуки – ефективні
джерела біологічно-активних речовин, флуоресцентних зондів,
модифікаторів супрамолекулярних об'єктів» (бюджетна тема № 11БФ037-
02), в відділі хімії фосфоранів Інституту органічної хімії НАН України і в
лабораторії LCC, UPR 8241 в рамках аспірантури зі спільним керівництвом
на основі діючої угоди про співробітництво та відповідних документів про
спільну аспірантуру.
Мета і завдання дослідження. Дисертаційна робота присвячена
розробці ефективних методів синтезу нових речовин класу хіральних
фосфоровмісних калікс[4]аренів, зокрема фосфінів та фосфорних кислот із
заздалегідь визначеним взаємним розміщенням функціональних груп по
нижньому вінцю макроциклу, із потенційною каталітичною активністю.
Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі
завдання:
 Розширити межі застосування та оптимізувати умови проведення
реакцій регіоселективного алкілування та фосфорилювання
фенольних гідроксилів нижнього вінця макроциклічного остову;
 Розробити оптимальні методи синтезу модельних хіральних
фосфорних кислот;
 Отримати ряд похідних зі значною диверсифікацією замісників;
 Встановити будову отриманих сполук;
 Протестувати одержані нові фосфіни в металокомплексному каталізі
та в органокаталізі.
Об’єкти дослідження – хіральні калікс[4]арени, фероценофосфіни
фосфотропне перегрупування, реакція Арбузова, реакція Сузукі–Міяура,
реакція Цуджи–Троста, органокаталітичні властивості кислот в реакції азаДільса–Альдера.
Предмет дослідження – селективний дизайн та синтез нових
хіральних та внутрішньохіральних фосфоровмісних калікс[4]аренів;
8
перевірка каталітичної активності на п’яти типах реакцій, дослідження
асиметричного каталізу, вивчення взаємозв’язку структура-каталітична
активність та структура-селективність.
Методи дослідження – органічний синтез, спектроскопія 1Н, 13С, 31Р
ЯМР, мас-спектрометрія, високопрепаративна рідинна хроматографія,
суперкритична флюїдна хроматографія, рентгеноструктурні дослідження.
Наукова новизна одержаних результатів.
Синтезовано 3 нових фосфіно-фероценових ліганди на
калікс[4]ареновій платформі та 6 нових внутрішньохіральних фосфорних
кислот для органокаталізу. Розроблено оптимальні шляхи синтезу
фосфоровмісних калікс[4]аренів з використанням можливості
регіоселективного постадійного заміщення фенольних гідроксилів.
Синтезовано аналоги відомих та ефективних каталізаторів із планарною
хіральністю.
Проведено тестування каталітичних властивостей фосфінових
лігандів, що показали найвищу селективність при їх використанні в
асиметричній реакції Цуджи–Троста серед відомих калікс[4]арен фосфінів.
Вперше протестовано нові внутрішньохіральні калікс[4]арен
фосфорні кислоти як органокаталізатори в 3 модельних реакціях: азаДільса–Альдера, аза-Мукайями, Цуджи–Троста.
Структури тринадцяти сполук, представлених у дисертації,
встановлені за допомогою рентгеноструктурних досліджень (РСД), що
мало значення не тільки для підтвердження конформації каліксаренового
остову, а й для визначення просторового розміщення функціональних
груп.
Практичне значення одержаних результатів. Вивчено особливості
поведінки, а саме залежність каталітичної активності та селективності,
супрамолекулярних фосфінових лігандів за присутності каталітичних
домішок катіонів лужних металів.
9
Синтезовано серію хіральних фосфорних кислот на основі
калікс[4]арену з заданим розміщенням функціональних груп для
дослідження зв’язку «структура-активність» (варіація типу і кількості
гідроксильних груп, їх взаємного просторового розміщення, конфігурації
площини асиметрії і сили кислоти).
Одержано ряд нових похідних з фосфорильним фрагментом та
проведено дослідження їх каталітичної активності.
Особистий внесок здобувача. Систематизацію літературних даних,
основний обсяг експериментальної роботи, узагальнення та оформлення
всіх отриманих результатів, аналіз даних спектральних досліджень та
встановлення будови одержаних сполук було проведено здобувачем
особисто. Постановка завдання дослідження та обговорення результатів
проводились з науковими керівниками д.х.н., проф. Войтенко З. В. та
габілітованим доктором Манурі Е. У вирішенні деяких проблем, що
виникали під-час проведення синтезу та ідентифікації певних продуктів
реакцій, брали участь д.х.н., проф.Бойко В. І. (Інститут органічної хімії
НАН України), д.х.н., проф.Кальченко В. І. (Інститут органічної хімії НАН
України) та ст.н.с., к.х.н Єсипенко О. А. Рентгеноструктурні дослідження
здійснено у співпраці з доктором Дараном Ж. -К. (LCC CNRС, Університет
Поля Сабатьє). Спектральні дослідження методом ЯМР виконані у
співробітництві з доктором Коппелем Я. (Servicecommun de RMN, LCC
CNRS). Аналіз стереохімічної будови синтезованих речовин виконано у
співробітництві з доктором Фабан І. (LSPCMIB, Університет Поля
Сабатьє).
Апробація результатів дисертації. Результати дисертації було
представлено на міжнародних конференціях:
VIIth scientific international conference in chemistry “Kyiv-Toulouse”
(Kyiv, Ukraine, 2013), VIIIth scientific international conference in chemistry
“Toulouse-Kyiv”, (Toulouse, France, 2015), Journées de Chimie de
10
Coordination de la SCF, (Toulouse, France, 2016), GECOM-CONCOORD 2016
(Obernai, France, 2016).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 6 статтей у провідних
міжнародних фахових періодичних виданнях, тези 4-х доповідей на
конференціях і 2 патенти України.
1. Andrii O. Karpus, Oleksandr A. Yesypenko, Leonid P. Andronov,
Vyacheslav I. Boyko, Sergei G. Garasevich, Zoia V. Voitenko, Alexander N.
Chernega, Vitaly I. Kalchenko, Stereoselective synthesis of enantiomerically
pure inherently chiral p-tert-butylcalix[4]arene carboxylic acids, Tetrahedron:
Asymmetry, 2012, 23, 1243. (Особистий внесок здобувача: збір літературних
даних, проведення експериментальних досліджень, встановлення будови
отриманих сполук, написання статті).
2. Andrii O. Karpus, Oleksandr A. Yesypenko, Leonid P. Andronov,
Vyacheslav I. Boyko, Zoia V. Voitenko, Alexander N. Chernega, Vitaly I.
Kalchenko, Synthesis and stereochemical configuration of inherently chiral ptert-butylcalix[4]arene carboxylic acids and their derivatives J. Incl. Phenom.
Macrocycl. Chem.,2012, 1-7. (Особистий внесок здобувача: збір
літературних даних, проведення експериментальних досліджень,
встановлення будови отриманих сполук, написання статті).
3. Andrei Karpous, Zoia Voitenko, Jean-Claude Daran and Eric Manoury,
rac-{[2-(Diphenylthiophosphanyl)-ferrocenyl]methyl}trimethylammonium
iodide chloroform monosolvate, Acta Crystallographica Section E, 2012, E68,
m1490–m1491.(Особистий внесок здобувача: збір літературних даних,
проведення експериментальних досліджень, встановлення будови
отриманих сполук, написання статті).
4. Andrii Karpus, Jean-Claude Daran, Zoia Voitenko, Eric Manoury. New
Ferrocene Derivatives for Ligand Grafting. French-Ukrainian Journal of
Chemistry, 2015, 3 (2), 131-139. (Особистий внесок здобувача: збір
11
літературних даних, проведення експериментальних досліджень,
встановлення будови отриманих сполук, написання статті).
5. Andrii Karpus, Oleksandr Yesypenko, Vyacheslav Boiko, Rinaldo Poli,
Jean-Claude Daran, Zoia Voitenko, Vitaly Kalchenko, Eric Manoury. Chiral
Phosphinoferrocenyl-Calixarenes. Eur. J. Org. Chem., 2016, 3386–3394.
(Особистий внесок здобувача: збір літературних даних, проведення
експериментальних досліджень, встановлення будови отриманих сполук,
написання статті).
6. Elena A. Andreyko, Ivan I. Stoikov, Igor S. Antipin, Andrii O. Karpus,
Anton M. Sikorsky, Oleksandr A. Yesypenko, Alexander B. Rozhenko,
Vyacheslav I. Boyko and Vitaly I. Kalchenko, Enantioselective Recognition of
Amino Acids by Enantiomerically Pure Calix[4]arene Carboxylic Acid or Their
Diastereomerically Pure N-(1-Phenyl)ethyl Amides, Макрогетероциклы /
Macroheterocycles, 2013, 6(3), 227-233. (Особистий внесок здобувача:
проведення частини експериментальних досліджень, встановлення будови
отриманих сполук).
7. Пат. 69321 Україна, МПК7 C 07 C 51/06, C 07 C 231/20. (cS)-
5,11,17,23-тетра-трет.-бутил-27-гідроксикарбонілметокси-25,28-
дигідрокси-26-пропоксикалікс[4]арента(сR)-5,11,17,23-тетра-трет.-бутил27-гідроксикарбонілметокси-25,26-дигідрокси-28-пропоксикалікс[4]арен /
Бойко В. І. (Україна), Єсипенко О. А. (Україна), Карпусь А. О. (Україна),
Кальченко В. І. (Україна), Войтенко З. В. (Україна); заявник та
патентовласник Інститут органічної хімії Національної академії наук
України - № u201112076; заявл. 14.10.11 ; опубл. 25.04.12, Бюл. № 8. – 3с.
(Особистий внесок здобувача: збір літературних даних, проведення
експериментальних досліджень, встановлення будови отриманих сполук).
8. Пат. 69322 Україна, МПК7 С 07 С 51/06, С 07 c 231/20. (cS)-
5,11,17,23-тетра-трет.-бутил-25-гідрокси-26-гідроксикарбонілметокси27,28-дипропоксикалікс[4]арен та (сR)-5,11,17,23-тетра-трет.-бутил-25-
12
гідрокси-28-гідроксикарбонілметокси-26,27-дипропоксикалікс-[4]арен /
Бойко В. І. (Україна), Єсипенко О. А. (Україна), Карпусь А. О. (Україна),
Кальченко В. І. (Україна), Войтенко З. В. (Україна); заявник та
патентовласник Інститут органічної хімії Національної академії наук
України - № u201112078; заявл. 14.10.11 ; опубл. 25.04.12, Бюл. № 8. – 4с.
(Особистий внесок здобувача: збір літературних даних, проведення
експериментальних досліджень, встановлення будови отриманих сполук).
9. A. O. Karpus, O. A. Yesypenko, V. I. Boyko, Z. V. Voitenko, V. I.
Kalchenko. Inherently chiral tetra-p-tert-butilcalix[4]arene carbpxylic acids and
their derivatives // Тези доповіді міжнародної конференції "Kyiv-Toulouse" в
м. Київ, Україна, 3 – 7 червня, 2013. – с. 125. (Особистий внесок здобувача:
збір літературних даних, проведення експериментальних досліджень,
встановлення будови отриманих сполук, підготовка доповіді).
10. Andrii Karpus, Oleksandr Yesypenko, Vyacheslav Boiko, Vitaly
Kalchenko, Rinaldo Poli, Jean-Claude Daran, Zoia Voitenko, Eric Manoury.
Calix[4]arènes chiraux phosphorés pour la catalyse asymétrique // «8ème
Conférence Internationale de Chimie Toulouse-Kiev», Тулуза, Франція, 1 – 3
червня 2015. – c. 56. (Особистий внесок здобувача: збір літературних
даних, проведення експериментальних досліджень, встановлення будови
отриманих сполук, підготовка доповіді).
11. Andrii Karpus, Oleksandr Yesypenko, Vyacheslav Boiko, Vitaly
Kalchenko, Rinaldo Poli, Jean-Claude Daran, Zoia Voitenko, Eric Manoury.
Chiral phosphorus containing calix[4]arenes for asymmetric catalysis //
«Journées de Chimie de Coordination de la SCF», Тулуза, Франція, 28 – 29
січня 2016. – c. Р17.(Особистий внесок здобувача: збір літературних
даних, проведення експериментальних досліджень, встановлення
будови отриманих сполук, підготовка доповіді).
12. Andrii Karpus, Oleksandr Yesypenko, Vyacheslav Boiko, Vitaly
Kalchenko, Rinaldo Poli, Jean-Claude Daran, Zoia Voitenko, Eric Manoury.
13
Chiral phosphorus containing calix[4]arenes for asymmetric catalysis //
«GECOM-CONCOORD 2016», Оберней, Франція, 16 – 20 травня 2016. –
c. СО12. (Особистий внесок здобувача: збір літературних даних,
проведення експериментальних досліджень, встановлення будови
отриманих сполук, підготовка доповіді).
Структура та обсяг роботи. Дисертація викладена на 183 сторінках
і складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, переліку використаних
джерел (130 найменувань) та додатків.

bibliography

ВИСНОВКИ
1. Розроблено ефективні способи синтезу нових фосфоровмісних
калікс[4]аренів: фосфонових та фосфатних кислот і фосфінів, в тому
числі фероценовмісних, – та досліджено ступінь їх ефективності в
асиметричному каталізі на прикладі п’яти різних модельних реакцій.
Фосфонові та фосфатні кислоти на основі калікс[4]арену вперше
застосовано в асиметричному органокаталізі.
2. Показано, що синтетична послідовність з використанням реакції
Міцунобу є препаративним методом синтезу нових моно та
дифосфінових супрамолекулярних лігандів на основі калікс[4]арену.
Використовуючи запропонований метод синтезовано три нових
ліганди та доведено їх будову.
3. Досліджено каталітичні властивості нових моно та дифосфінових
супрамолекулярних лігандів в модельних реакціях: Сузукі–Міяура та
Цуджи–Троста (досягнуто високих виходів продуктів (99 %) в обох
модельних реакціях, та високої енантіоселективності (86 %) в реакції
Цуджи–Троста).
4. Використовуючи методи постадійного регіоселективного
алкілування та фосфорилювання фенольних гідроксилів
калікс[4]арену, синтезовано серію з шести нових
внутрішньохіральних калікс[4]арен фосфорних кислот в
енантіомерно чистій формі та протестовано їх органокаталітичні
властивості в трьох модельних реакціях (аза-Дільса-Альдера: вихід
продукту до 95 %, ее до 21 %; аза-Мукайями: вихід продукту до 89
%; реакція асиметричного розкриття епоксидів дією нуклеофіла:
вихід продукту до 92 %, ее до 25 %).
5. Структури всіх синтезованих нових 56 оптично чистих сполук (з них
три нові фосфінові ліганди та 6 нових фосфорних кислоторганокаталізаторів) доведені спектральними методами дослідження
167
(
1Н, 13С, 31Р ЯМР, COSY, HMQC, HMBC), будова 13 сполук
визначена методом РСД.