Перейти на главную страницу
Муханов Евгений Леонидович
02.00.03 – Органическая химия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Ростов-на-Дону - 2007
Работа выполнена в НИИ физической и органической химии Южного Федерального университета
Научный руководитель: кандидат химических наук, старший научный сотрудник, Лукьянов Борис Сергеевич
Официальные оппоненты: доктор химических наук,
ведущий научный сотрудник Южного научного центра РАН,
Дубоносов А.Д.
доцент,
(ЮРГТУ (НПИ))
Ведущая организация: Московский государственный университет
им. М.В. Ломоносова, химический факультет
Защита состоится «16» февраля 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.14 при Южном Федеральном университете по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194/2, НИИ физической и органической химии Южного Федерального университета.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Южного Федерального университета (ул. Пушкинская, 148)
диссертационного совета
д.х.н., профессор Садеков И.Д.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Интерес к фотохромным соединениям связан с широкими возможностями их практического применения в качестве обратимых светоуправляемых молекулярных переключателей, бифункциональных фоточувствительных оптоэлектронных переключателей, элементов трехмерной оптической памяти, хемосенсоров на ионы тяжёлых металлов, светофильтров переменной плотности.
Преимущество спиропиранов (СПП) по сравнению с другими классами органических фотохромных материалов – их высокая светочувствительность, максимальные величины коэффициентов двухфотонного поглощения, а также относительная легкость их структурной модификации, обеспечивающая возможность эффективного управления фотохарактеристиками. Одним из наиболее распространенных способов регулирования фотохимических свойств СПП является варьирование заместителей в фотоизомеризуемом [2Н]-хроменовом фрагменте. Другое направление состоит в исследовании роли гетареновой компоненты и влияния её структуры на фотодинамические характеристики СПП.
В работе разработаны методы синтеза спиропиранов ряда бензоксазинона, содержащих аннелированные бензольные циклы во всех трех возможных положениях гетаренового фрагмента и осуществлено исследование их строения и фотохромных характеристик.
Разработан метод синтеза солей нафтоксазинония с использованием СВЧ-излучения, позволяющий существенно повысить выход целевых соединений.
Показано, что при облучении полученного в настоящей работе несимметричного биспиропирана нефильтрованным светом в стационарном режиме возможно раскрытие обоих 2Н-пирановых фрагментов.
В обсуждении результатов рассматривается синтез исходных солей нафтоксазинония, описываются синтез спиропиранов и результаты исследования их строения и свойств, а также данные фотохимических и квантово-химических исследований полученных соединений.
В экспериментальной части приводятся методики синтеза исходных, промежуточных и целевых продуктов, данные их физико-химических свойств и сведения об использованном оборудовании.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Постановка задачи.
При изучении фотохромных свойств СПП в тонких пленках нами показано, что спиропиран ряда бензоксазинона (1b) способен проявлять фотохромные свойства, как в растворе, так и в твердой фазе. Несмотря на то, что реакция фотоизомеризации спиропиранов связана с процессами, локализован- |
![]() a) R1 = CH3, R2 = H b) R1 = CH3, R2 = CHO
|
![]() |
Перхлораты нафтоксазинония (6 а,b,c), используемые в качестве предшественников для синтеза СПП (2-4) были получены из орто-гидроксинафтойных кислот (5 a,b,c) с невысокими выходами.
![]() |
(5) |
![]() |
(6) |
Соединение |
Реакция без использования СВЧ-излучения |
Реакции при использовании СВЧ-излучения | ||
Выход (%) |
Время реакции (ч) |
Выход (%) |
Время реакции (мин) | |
(6a) |
24 |
6 |
54 |
5 |
(6b) |
32 |
8 |
51 |
5 |
(6c) |
19,7 |
12 |
46 |
5 |
Путем реакции перхлората 2,3-диметил-4-оксо-дигидронафто[2,1-e]-1,3-оксазиния (6а) с соответствующими орто-гидроксиароматическими альдегидами в уксусной кислоте были получены перхлораты 2-[-(2- гидроксиарил) винил]–3–метил–4–оксо-дигидронафто [2,1-е]-1,3 оксазиния (7) с выходами 25-45%. Эти соединения представляют собой интенсивно окрашенные оранжево-красные кристаллические вещества, которые в дальнейшем использовались без промежуточной очистки. Перхлораты (7), суспензированные в абсолютном эфире, подвергались обработке триэтиламином, что приводило к отщеплению элементов хлорной кислоты и циклизации с образованием спиропиранов (2).
![]() | |
(6а) (7) | |
![]() |
a) R = 6'-CH3 b) R = 6'-CH3, 8'-CHO c) R = 7'-OH, 8'-CHO d) R = 6'-NO2 e) R = 8'-NO2 f) R = 6'-OCH3 g) R = 6'-Cl |
|
Реакция получения спиропирана (2с) теоретически может проходить по каждой из двух формильных групп исходного 2,4-дигидроксиизофталевого альдегида (8). При помощи данных ЯМР 1Н спектроскопии была доказана спиропирановая структура полученного соединения (2с), однако пространственное расположение OH- и CHO- групп в [2Н]-хроменовой части молекулы установить на основании этих данных оказалось невозможным.
![]() |
![]() |
(2с) (9) (10) |
![]() |
![]() |
Рис. 1. Структура биспиропирана (10) по данным РСА |
С помощью метода РСА было также показано, что при взаимодействии 2,4-дигидроксиизофталевого альдегида (8) с метиленовыми основаниями или их предшественниками в зависимости от строения гетероциклической компоненты, в реакцию образования спироциклического соединения могут вступать различные неэквивалентные формильные группы 2,4-дигидроксиизофталевого альдегида (8).
![]() |
Для выяснения причины такой селективности конденсации 2,4-дигидроксиизофталевого альдегида (8) с различными гетероциклическими метиленовыми основаниями или их предшественниками было проведено рентгеноструктурное исследование монокристаллов этого альдегида. Установлено, что строение молекулы (рис. 2) имеет определенные различия при образовании внутримолекулярных водородных связей.
3-Метил-4-оксо-спиро (2,3-дигидронафто[3, 2-е]-1, 3-оксазин-2, 2'-[2H]-хромены) (3) были получены по приведенной ниже схеме по методике аналогичной получению СПП (2).
![]() | |
(6b) | |
![]() |
a) R = 6'-CH3 b) R = 6'-CH3, 8'-CHO с) R = 8'-NO2 d) R = 6'-OCH3 |
|
По данным ЯМР 1Н спектроскопии, попытка получить спиропиран этого ряда на основе 2,4-дигидроксиизофталевого альдегида (8) привела к образованию смеси изомеров (3e′) и (3e′′) в соотношении примерно 2:1.
![]() |
(3e′) (3e′′) |
3-Метил-4-оксо-спиро (2,3-дигидронафто[1, 2-е]-1, 3-оксазин-2, 2'-[2H]-хромен) (4а) был получен на основе перхлората (6с) и 2,6-диформил-4-метилфенола.
![]() |
![]() |
По данным ЯМР 1Н спектроскопии, попытки получить на основе 2,4-дигидроксиизофталевого альдегида (8) спиропиран (4b), как и в случае соединения (3e), приводят к смеси изомеров (4b′) и (4b′′) в соотношении примерно 2:1.
![]() |
(4b′) (4b′′) |
Спиропираны (2 a, b) и 3 (a, b) не проявляют фотохромных свойств при облучении их спиртовых растворов в стационарном режиме при низких (-70 °С) температурах вне зависимости от длин волн активирующего излучения ( λmax = 313 нм, λmax = 365 нм или нефильтрованным светом). В то же время облучение СПП ряда бензоксазинона (1), содержащих те же заместители в [2Н]-хроменовом фрагменте, в аналогичных экспериментальных условиях, приводит к их обратимому окрашиванию.
Однако, при проведении эксперимента в толуоле при t = 20 °C в стационарном режиме растворы спиропиранов (1b) (рис. 3), (2b) (рис. 4), (3b) (рис. 5) и (4а) (рис. 6), содержащие формильную группу в положении 8′ бензопиранового фрагмента, проявляют фотохромные свойства. Время жизни фотоиндуцированной формы полученного спиропирана (4а) в два раза больше, чем в случае (2b) и в 4 раза больше по сравнению со спиропираном (3b) (таблица 2).
![]() |
![]() | |
Рис. 3. УФ спектр поглощения спиропирана (1b) в толуоле до и после облучения в стационарном режиме светом с λmax = 365нм при t = 20 °C |
Рис. 4. УФ спектр поглощения спиропирана (2b) в толуоле до и после облучения в стационарном режиме светом с λmax = 365нм при t = 20 °C | |
![]() |
![]() |
|
Рис. 5. УФ спектр поглощения спиропирана (3b) в толуоле до и после облучения в стационарном режиме светом с λmax = 365нм при t = 20 °C |
Рис. 6. УФ спектр поглощения спиропирана (4а) в толуоле до и после облучения в стационарном режиме светом с λmax = 365нм при t = 20 °С |
|
Соединение |
![]() |
( ![]() M-1см-1 |
Фотоиндуцированная форма | |||
![]() |
, сек | |||||
№ |
Заместители | |||||
(1а) |
R = 6'-CH3 |
300 317
|
4350 2030
|
не наблюдается в условиях эксперимента | ||
(1b) |
R = 6'-CH3 R = 8'-CHO |
336 346
|
4360 4020
|
564 594
|
3.0 | |
(2а) |
R = 6'-CH3 |
300 |
6190 |
не наблюдается в условиях эксперимента | ||
(2b) |
R = 6'-CH3 R = 8'-CHO |
329 342
|
6710 7940
|
600 |
0,89 | |
(2c) |
R = 7'-OH R = 8'-CHO |
343 |
6690 |
не наблюдается в условиях эксперимента | ||
(2e) |
R = 8'-NO2 |
298 327
|
8000 7740
|
576 пл 615
|
3,1 | |
(2f) |
R = 6'-OCH3 |
327 |
6780 |
не наблюдается в условиях эксперимента | ||
(2g) |
R = 6'-Cl |
300 |
6540 |
не наблюдается в условиях эксперимента | ||
(3a) |
R = 6'-CH3 |
298 |
9390 |
не наблюдается в условиях эксперимента | ||
(3b) |
R = 6'-CH3 R = 8'-CHO |
297 343
|
7430 5340
|
605 |
0,50 | |
(3c) |
R = 8'-NO2 |
298 337
|
10300 4450
|
583 пл 625
|
2,2 | |
(3d) |
R = 6'-OCH3 |
299 |
13830 |
не наблюдается в условиях эксперимента | ||
(4а) |
R = 6'-CH3 R = 8'-CHO |
298 340
|
7760 5560
|
566 604
|
2.0 | |
(10) |
|
327 342
|
7640 7360
|
613 пл 655
507 |
4,6 (~ 28С)
| |
Спиропиран (1b) проявляет фотохромные свойства не только в растворе, но и в твердой фазе – в тонких полидисперсных пленках, полученных в результате вакуумного термического напыления на стеклянные или кварцевые подложки (рис. 7). Однако, спиропираны (2b), (3b) и (4а), содержащие, как и спиропиран (1b), свободную формильную группу в положении 8' не обнаруживают фотохромных свойств в твердой фазе в аналогичных условиях облучения. |
![]() | |||||
Рис. 7. Электронные спектры поглощения пленки спиропирана (1b) в зависимости от времени облучения УФ светом (max = 365 нм) в стационарном режиме: 1,2,3,4,5,6 - 0, 30, 120, 240, 270, 360 секунд облучения соответственно, 7) нагрев до 70 °С приводит к обесцвечиванию
|
При облучении биспиропирана (10) в условиях стационарного облучения нефильтрованным светом наблюдалось возникновение максимума поглощения при 507 нм, а также двух полос меньшей интенсивности = 422 нм и = 613 нм (пл 655 нм) (рис. 8, таблица 2). Темновая реакция термического обесцвечивания фотоиндуцированной формы приводит к исчезновению в спектре двух полос поглощения при = 422 нм и = 613 нм и сохранению главного максимума при 507 нм (рис. 9).
![]() |
![]() |
Рис. 8. УФ спектр поглощения раствора биспиропирана (10) в толуоле при t = 20 °С |
Рис. 9. Обратная темновая реакция биспиропирана (10) (толуол, t = 20 °С) |
Однако при облучении светом с длиной волны max = 436 нм наблюдалось исчезновение в УФ спектре максимума поглощения при 507 нм (рис. 10). Природа наблюдаемых электронных перехо- дов, отвечающих максимумам в спектрах поглощения соединения (10) была установлена при помощи квантово-механических расчетов энергий возбуждения синглет- |
![]() |
Рис. 10. Изменение УФ спектра поглощения биспиропирана (10) при облучении светом с max = 436 нм (толуол, t = 20 °С) |
![]() ![]() ВЗМО-1 ВЗМО ![]() ![]() НСМО НСМО+1 ![]() НСМО+2
|
Рис. 11. Вид молекулярных орбиталей мероцианина (10), активных в электронных переходах при синглет-синглетном возбуждении. |
В связи с тем, что TD DFT теория дает систематически завышенные величины энергий возбуждения для мероцианиновых изомеров, чтобы скоррелировать рассчитанные энергии переходов, была использована линейная зависимость между экспериментально наблюдаемыми и теоретически предсказанными энергиями возбуждения вида: Eтеор = -0.331+ 0.954*Eрасч
(Eрасч - рассчитанная энергия перехода) (таблица 3).
Таблица 3. Теоретически и экспериментально найденные энергии возбуждения (и соответствующие длины волн)
Количество раскрытых пирановых циклов |
max, нм |
Eэксп эВ |
Eтеор эВ |
1 |
655 |
1,89 |
1,89 |
2 |
507 |
2,46 |
2,38 |
Как следует из данных, приведенных в таблице 3, наблюдаемая полоса поглощения в области 507 нм (2,46 эВ) должна соответствовать поглощению полностью раскрытого биспиропирана, в то время как поглощение в районе 655 нм (1.89 эВ) вероятнее всего обусловлено синглет-синглетными переходами в мероцианинах с одним открытым 2Н-хроменовым циклом.
Таким образом, данные квантово-химических расчетов показывают, что облучение биспиропирана (10) нефильтрованным светом приводит к раскрытию обоих пирановых циклов. Этот результат имеет принципиальное значение, так как является первым примером одновременного раскрытия обоих 2Н-пирановых циклов в ряду СПП и свидетельствует о том, что это возможно только в случае несимметричных биспиропиранов, тогда как во всех ранее изученных симметричных соединениях этого типа наблюдалось раскрытие лишь одного 2Н-хроменового цикла.
Следует отметить, что полоса длинноволнового поглощения полностью открытого биспиропирана лежит в области более коротких волн по сравнению с полосой поглощения мероцианинов с одним раскрытым пирановым фрагментом. Это можно объяснить тем, что основной вклад в энергию возбуждения, соответствующую наиболее интенсивной полосе поглощения, для полностью открытого биспиропирана вносят электронные переходы между несоседними молекулярными орбиталями, в то время как для монооткрытых изомеров длинноволновое поглощение обусловлено переходами ВЗМО → НСМО
7. Mukhanov E.L., Lukyanov B.S., Alexeenko Yu.S., Ryaukhin Yu.I., Ryashchin O.N. New spiropyrans of naphtoxazinone series. // Book of Abstracts of the INTERNATIONAL CONFERENCE ON CHEMISTRY OF NITROGEN CONTAINING HETEROCYCLES, Kharkiv, Ukraine, 2006, p. 217.
8. О.Н. Рящин, Е.Л. Муханов, Ю.С.Алексеенко, Ю.И.Рябухин, Б.С.Лукьянов. Изучение строения спиропиранов, полученных на основе 2,3-диметил-2,3-дигидро-нафто[2,3-e]оксазин-4-ония, методом ЯМР 1Н. // Book of Abstracts of the VIII INTERNATIONAL WORKSHOP ON MAGNETIC RESONANCE (SPECTROSCOPY, TOMOGRAPHY AND ECOLOGY), Rostov-on-Don, 2006, p.187.
9. Е.Л. Муханов, Ю.С. Алексеенко, О.Н. Рящин, , В.В. Ткачев, А.Н. Утенышев, Б.С. Лукьянов. Исследование строения спиропиранов на основе 2,3-диметил-2,3-дигидронафто[2,1-е][1,3]оксазин-4-ония методом ЯМР 1Н спектроскопии. // Book of Abstracts of the VIII INTERNATIONAL
WORKSHOP ON MAGNETIC RESONANCE (SPECTROSCOPY,
TOMOGRAPHY AND ECOLOGY), Rostov-on-Don, 2006, p.188.
10. Е.Л. Муханов, О.Н. Рящин, Ю.С. Алексеенко, В.В. Ткачев, Б.С. Лукьянов, А.Н. Утенышев, К.Н. Халанский. Новый несимметричный бисспиропиран. //
Сборник тезисов IV Национальной кристаллохимической конференции,
Черноголовка, 2006, с.125.
11.B.S. Lukyanov, Yu.S. Alekseenko, E.L. Mukhanov, M.B. Lukyanova, A.V. Metelitsa, K.N. Khalanskij, V.V. Tkachev. Spiropyrans containing chelatophormic fragments as photochromic chemosensors. // Book of Abstacts of the Second International Conference Modern Trends in Physics Research [MTPR-06], Cairo/Luxor, Egypt, 2006, p. 80.
12.Е.Л. Муханов. Новые спиропираны серии нафтоксазина. // Вторая
ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр
Южного Научного Центра Российской Академии Наук, Ростов-на-Дону, 2006, стр. 94.
13.B.S. Lukyanov, Yu.S. Alekseenko, E.L. Mukhanov, M.B. Lukyanova, A.V.
Metelitsa, K.N. Khalanskij, V.V.Tkachev. Spiropyrans containing the
reactivity substitutes in 2H-chromene moiety. // Book of Abstacts of the 9th International Conference on Solar Energy and Applied Photochemistry [SOLAR’06], The 6th International Workshop on Enviromental Photochemistry [ENPHO’06], Cairo, Egypt, 2006, p. 42.
14. Yu.S. Alekseenko, B.S. Lukyanov, E.L. Mukhanov, S.O. Besyglyi, K.N. Holanskyi, E.D. Rubanova. New photochromic bispiropyrans based on nitrogen containing heterocycles. // Book of Abstacts of the 8th International Conference on Solar Energy and Applied Photochemistry [SOLAR’05], The 5th International Workshop on Enviromental Photochemistry [ENPHO’05], Luxor, Egypt, 2005, p. 56.
15.E.L. Mukhanov, Yu.S. Alekseenko, B.S. Lukyanov, M. E. Kletzkyi, V.V. Tkachev, O.N. Ryashin. Quantum chemical investigation of photochromic spiropyrans obtaining reaction. // Book of Abstacts of the 8th International Conference in Solar Energy and Applied Photochemistry [SOLAR’05], The 5th International Workshop on Enviromental Photochemistry [ENPHO’05], Luxor, Egypt, 2005, p. 92.
Работа выполнена в нии физической и органической химии Южного Федерального университета
11 10 2014
1 стр.
02 09 2014
1 стр.
18 12 2014
1 стр.
26 09 2014
1 стр.
16 12 2014
1 стр.
08 10 2014
1 стр.
14 10 2014
1 стр.
12 10 2014
3 стр.