eng
Содержание
Содержание
О редакторах ................................................................................................... 14
Предисловие к изданию на русском языке................................................... 16
Предисловие..................................................................................................... 17
Литература ......................................................................................................... 19
Часть I. Органический синтез
Глава 1
Активация ковалентных связей в результате нековалентных
взаимодействий.
Абель М. Магеррамов, Камран T. Махмудов Максимилиан Н. Копылович, M. Фатима C. Гуэдес да Силва и Армандо Дж Л. Помбейро ..... 21
1.1.
Введение ..................................................................................................... 21
1.2.
Примеры активации под действием водородных связей...................................... 23
1.2.1.
Активация C−C-связи ............................................................................ 23
1.2.2.
Активация связи С=C ............................................................................ 25
1.2.3.
Активация C≡C-связи ............................................................................ 27
1.2.4.
Активация связи C−N ............................................................................ 28
1.2.5.
Активация связи C=N ............................................................................ 30
1.2.6.
Активация C≡N-связей ........................................................................... 32
1.2.7.
Активация связи C−O ............................................................................ 34
1.2.8.
Активация С=O-связи ............................................................................ 36
1.2.9.
Активация C−S-связи ............................................................................. 38
1.2.10.
Активация C=S-связи ............................................................................. 38
1.3.
Активация путем образования галогенной связи ............................................... 39
1.4.
Другие виды нековалентных взаимодействий и их перспективы.......................... 41
1.5.
Заключительные комментарии ....................................................................... 43
Литература ......................................................................................................... 44
Глава 2
Связи бор–азот: удобный способ построения молекул.
Дж.П.М. Антонио, Г.Д.В. Фариас1, Ф.M.Ф. Сантос, Р. Oливейра,
П.M.С.Д. Кал и П.M.П. Гойс .................................................................... 46
2.1.
Введение ..................................................................................................... 46
2.2.
В−N-содержащие ароматические гетероциклы ................................................. 47
2.2.1.
Боразол ................................................................................................ 48
2.2.2.
Азаборины и полициклические производные .............................................. 49
2.3.
Неароматические B−N-содержащие гетероциклические соединения ..................... 52
2.3.1.
Защитные группы и лиганды для бороновых кислот ................................... 52
2.3.2.
Биологически активные гетероциклы ........................................................ 54
2.3.3.
Катализ ................................................................................................ 56
2.3.4.
Борсодержащие радикалы ....................................................................... 57
2.3.5.
Люминесценция ..................................................................................... 58
2.3.6.
Хранение водорода ................................................................................. 59
2.4.
B−N-взаимодействие: супрамолекулярные структуры........................................ 60
2.4.1.
Макроциклы и каркасные структуры ........................................................ 61
2.4.2.
Полимерные структуры........................................................................... 62
2.4.3.
Органогели............................................................................................ 64
2.4.4.
Биоконъюгаты ....................................................................................... 64
2.5.
B−N-взаимодействие: хемосенсоры ................................................................. 66
2.5.1.
Флуоресцентные рецепторы ..................................................................... 67
2.5.2.
Колориметрические рецепторы................................................................. 72
2.5.3.
Другие рецепторы .................................................................................. 76
2.6.
Заключительные комментарии ....................................................................... 76
Литература ......................................................................................................... 77
Глава 3
Влияние стерических, электронных и молекулярных эффектов предор-
ганизации на реакционную способность -фенилэтиламинов в реакциях
с неенолизуемыми альдегидами.
Родольфо Квеведо ............................................................................................ 83
3.1.
Введение ..................................................................................................... 83
3.2.
Реакция допамина с неенолизуемыми альдегидами: реакция Пикте–Шпенглера .... 84
3.3.
Реакция производных тирозина с неенолизуемыми альдегидами ......................... 86
3.3.1.
Реакция этилового эфира L-тирозина с альдегидами ................................... 86
3.3.2.
Молекулярная предорганизация посредством нековалентных взаимодействий
и их вклад в синтез азациклофанов из производных тирозина ...................... 88
3.3.3.
Константа димеризации для изопропилового эфира тирозина в растворе........ 89
3.3.4.
Анализ твердого состояния ...................................................................... 90
3.3.5.
Нековалентные взаимодействия тирамина. ................................................. 91
3.4.
Нековалентные взаимодействия L-тирозина и его тетрабутиламмониевой соли ...... 92
3.4.1.
L-Тирозин ............................................................................................. 92
3.4.2.
Тетрабутиламмониевая соль L-тирозина .................................................... 93
3.5.
Реакция тирамина и -фенилэтиламина с формальдегидом. ............................... 95
3.6.
Синтез бензилазациклофанов. ........................................................................ 97
3.7.
Заключительные комментарии ....................................................................... 99
Литература ......................................................................................................... 100
Глава 4
Нековалентные взаимодействия в синтезе макроциклов.
Евгений А. Катаев ......................................................................................... 102
4.1.
Введение ..................................................................................................... 102
4.2.
Анион-темплатный синтез ............................................................................. 103
4.3.
Катион-темплатный синтез ............................................................................ 113
4.4.
Направленный синтез под действием водородных связей.................................... 116
4.5.
Другие виды макроциклизации ...................................................................... 122
4.6.
Заключительные комментарии ....................................................................... 124
Литература ......................................................................................................... 125
Часть II. Неорганический, органический и металлоорганический синтез
Глава 5
Нековалентные взаимодействия воды с комплексами металлов в растворе.
Антонио Ромероса и Франко Скаламбра ..................................................... 129
5.1.
Введение ..................................................................................................... 129
5.2.
Водородная связь и ван-дер-ваальсовы взаимодействия ..................................... 131
5.2.1.
Водородная связь ................................................................................... 131
5.2.2.
Ван-дер-ваальсово (ВДВ) взаимодействие . ................................................. 133
5.3.
Нейтронные и рентгеновские методы исследования структурных особенностей
сольватированных ионов металлов и металлокомплексов и их структуры в растворе 136
5.4.
Вода, ионы и комплексы металлов в растворе................................................... 137
5.4.1.
Взаимодействие молекул воды с ионами металлов....................................... 138
5.4.2.
Взаимодействие молекул воды с ионом металла в составе комплекса ............. 141
5.4.3.
Взаимодействие лигандов комплексов металлов с молекулами воды............... 144
5.5.
Заключительные комментарии ....................................................................... 149
Литература ......................................................................................................... 149
Глава 6
Возможности применения − -взаимодействия в металлокомплексах.
Манас Сутрадхар и Армандо Дж. Л. Помбейро ....................................... 152
6.1.
Введение ..................................................................................................... 152
6.2.
Модель и некоторые правила для − -стэкинга ............................................... 152
6.3.
Катализ ...................................................................................................... 154
6.3.1.
Модифицированные пиреном (и другими − -системами) комплексы рутения
(II) и родия (I) ....................................................................................... 155
6.3.2.
Модифицированный пиреном комплекс золота (I) ....................................... 157
6.3.3.
Модифицированные пиреном комплексы никеля (II) ................................... 157
6.4.
Магнетизм .................................................................................................. 159
6.4.1.
Комплексы меди (II) ............................................................................... 159
6.4.2.
Комплексы Mn(II) и Mn(III) .................................................................... 161
6.4.3.
Комплекс никеля (II) .............................................................................. 162
6.5.
Фотофизические свойства.............................................................................. 163
6 Содержание
6.5.1.
Комплексы иридия ................................................................................. 163
6.5.2.
Комплексы платины ............................................................................... 165
6.6.
Заключение ................................................................................................. 167
Литература ......................................................................................................... 168
Глава 7
Нековалентная стабилизация в координационных комплексах
переходных металлов и металлоорганических соединениях.
Предраг Петрович, Жан-Пьер Джукич, Андреас Хансен, Кристоф
Баннварт, Стефан Гримм ............................................................................ 170
7.1.
Введение ..................................................................................................... 170
7.2.
Теоретические проблемы НКВ и дисперсии в комплексах переходных металлов .... 172
7.3.
Внутримолекулярные НКВ как фактор стабилизации. ....................................... 179
7.4.
Поверхностно-селективная координация металла с ароматическими лигандами..... 180
7.4.1.
Поверхностно-селективное термическое присоединение карбонилов металлов
к полиароматическим соединениям ........................................................... 180
7.4.2.
Поверхностно-селективное связывание Rh и Ir(I) с трикарбонил ( 6-инденил)
хром-анионом ........................................................................................ 184
7.4.3.
Псевдохелатирование . ............................................................................. 187
7.5.
Межмолекулярные НКВ в донорно-акцепторных комплексах металл−металл и
других агрегатах .......................................................................................... 193
7.5.1.
Донорно-акцепторные комплексы, стабилизированные дисперсией ................ 194
7.5.2.
Межмолекулярные НКВ в молекулярных агрегатах .................................... 197
7.5.3.
Агрегация комплексов Rh(I) .................................................................... 198
7.5.4.
Олигомеризация комплексов типа цисплатина ............................................ 200
7.6.
Заключительные комментарии ....................................................................... 203
Литература ......................................................................................................... 204
Глава 8
Галогенное связывание в синтезе и дизайне координационных
и металлоорганических соединений.
Абель M. Магеррамов, Намик К. Шихалиев, Аташ В. Гурбанов,
Камран T. Махмудов, Валентин Г. Ненайденко,
Армандо Дж. Л. Помбейро и Максимилиан Н. Копылович ..................... 211
8.1.
Введение ..................................................................................................... 211
8.2.
Взаимодействие галоген−галоген .................................................................... 215
8.3.
Взаимодействия галоген−азот ........................................................................ 219
8.4.
Взаимодействия галоген−халькоген ................................................................ 223
8.5.
Галогенное связывание в металлоорганических соединениях ............................... 228
8.6.
Заключительные комментарии ....................................................................... 231
Литература ......................................................................................................... 231
Глава 9
Влияние нековалентных взаимодействий на структуру и размерность
гибридных соединений и координационных полимеров.
Фердинандо Константино, Андреа Иенко и Марко Таддеи ...................... 233
9.1.
Введение ..................................................................................................... 233
9.2.
Нековалентные взаимодействия в слоистых и открытых каркасных 3D-аминофос-
фонатах циркония ........................................................................................ 235
9.3.
Роль − -стэкинга в сборке, размерности и стабильности координационных поли-
меров.......................................................................................................... 245
9.4.
Супрамолекулярные взаимодействия, влияющие на координацию металла ........... 252
9.5.
Связь между размерностью сети и размером катиона ........................................ 257
9.6.
Заключительные комментарии ....................................................................... 263
Литература ......................................................................................................... 263
Часть III. Дизайн кристаллов и соединения типа ¾гость–хозяин¿
Глава 10
Дигалогены как доноры галогенной связи.
Матти Хаукка, Пипса Хирва и Кари Риссанен ........................................ 266
10.1.
Типичные доноры галогенных связей .............................................................. 267
10.2.
Типичные акцепторы галогенных связей.......................................................... 268
10.3.
Основные особенности дигалогенов ................................................................. 269
10.4.
Перенос заряда и молекулярные галогены........................................................ 270
10.5.
Примеры из практики................................................................................... 272
10.5.1.
Управление гомоядерными связями X−X с помощью тионов акцепторов
галогенных связей .................................................................................. 272
10.5.2.
Взаимодействие гетероядерных дигалогенов XY с тионами акцепторами
галогенных связей .................................................................................. 275
10.5.3.
I2 в галогенсодержащих комплексах металлов как слабый акцептор галоген-
ных связей ............................................................................................ 275
10.6.
Заключительные комментарии ....................................................................... 280
Литература ......................................................................................................... 280
Глава 11
Построение супрамолекулярных ансамблей на основе взаимодействий
анион- -система.
Антонио Бауза и Антонио Фронтера ......................................................... 283
11.1.
Введение ..................................................................................................... 283
11.2.
Физическая природа ..................................................................................... 285
11.3.
Примеры супрамолекулярных ассоциатов ........................................................ 290
11.4.
Заключительные комментарии ....................................................................... 299
Литература ......................................................................................................... 300
Глава 12
Асимметрические азамакроциклы как хиральные сольватирующие
агенты.
Коиши Танака ................................................................................................. 303
12.1.
Введение ..................................................................................................... 303
12.2.
Хиральные макроциклические амины на основе БИНОЛа.................................. 304
12.3.
Хиральные макроциклические амиды.............................................................. 304
12.4.
Хиральные макроциклические амины.............................................................. 307
12.5.
Хиральные азакраун-макроциклы. .................................................................. 319
12.6.
Заключительные комментарии ....................................................................... 320
Литература ......................................................................................................... 320
Глава 13
Новые стратегии дизайна комплексов включения с кукурбитурилами.
Наиль Салех .................................................................................................... 322
13.1.
Введение ..................................................................................................... 322
13.2.
Главные особенности CBn в химии ¾гость–хозяин¿ ........................................... 323
13.2.1.
Сверхвысокая связывающая способность и селективное сродство к молекулам
"гостя"................................................................................................. 323
13.2.2.
Жесткие, симметричные структуры с различными размерами полости . ......... 323
13.2.3.
Предпочтительное связывание катионов, а не нейтральных частиц................ 323
13.2.4.
Полярная карбонильная группа................................................................ 324
13.3.
"Умные"супрамолекулярные наноструктуры" .................................................. 324
13.3.1.
Супрамолекулярные наночастицы золота для терапии in vitro ...................... 324
13.3.2.
Конкуренция "гостей" для выделения белков из супрамолекулярных сфер .... 324
13.3.3.
Светочувствительные супрамолекулярные гибридные коллоиды ................... 325
13.3.4.
Термоуправляемый супрамолекулярный гидрогель для создания самовосста-
навливающихся материалов ..................................................................... 325
13.3.5.
pH-управляемые супрамолекулярные мицеллы для доставки лекарств in vitro 326
13.3.6.
Супрамолекулярные коллоидосомы с конкурентным связыванием ¾гостей¿.... 327
13.3.7.
Редокс-управляемые наночастицы золота для выделения пептидов................ 327
13.3.8.
Редокс-чувствительный супрамолекулярный полимер.................................. 329
13.3.9.
Светочувствительные мезопористые наночастицы кремния .......................... 331
13.3.10.
Мезопористые наночастицы кремния с двойным контролем (pH и свет) ......... 332
13.4.
Заключительные комментарии ....................................................................... 333
Литература ......................................................................................................... 334
Глава 14
Стэкинг-взаимодействия ароматических молекул при больших
горизонтальных сдвигах.
Душан П. Маленов и Снежана Д. Зарич ................................................... 336
14.1.
Введение ..................................................................................................... 336
14.2.
Параллельные взаимодействия воды с ароматическими соединениями при боль-
ших горизонтальных смещениях ..................................................................... 337
14.2.1.
Параллельные взаимодействия ароматических соединений с некоординиро-
ванной водой ......................................................................................... 337
14.2.2.
Поиск по Кембриджской структурной базе ................................................ 340
14.2.3.
Взаимодействия воды с ароматической системой "параллельно-вверх" и "все
параллельно". ........................................................................................ 340
14.2.4.
Взаимодействия воды с ароматической системой "параллельно-вниз"............ 342
14.2.5.
Неэмпирические и DFT-расчеты............................................................... 342
14.2.6.
Параллельные взаимодействия воды с ароматическим фрагментом при боль-
ших горизонтальных сдвигах в супрамолекулярных системах ....................... 346
14.2.7.
Взаимодействия координированных молекул воды и ароматической системы
при больших горизонтальных сдвигах ....................................................... 347
14.3.
Параллельные взаимодействия между ароматическими кольцами при больших го-
ризонтальных сдвигах ................................................................................... 351
14.3.1.
Параллельные взаимодействия ароматических систем друг с другом при боль-
ших горизонтальных сдвигах ................................................................... 351
14.3.2.
Взаимодействия гетероатом/гетероатом при больших горизонтальных сдвигах 357
14.3.3.
Поиск взаимодействий пиридин–пиридин по Кембриджской структурной базе 357
14.3.4.
DFT-расчеты энергий взаимодействия пиридин–пиридин . ............................ 358
14.3.5.
Взаимодействия пиридин–пиридин при больших горизонтальных сдвигах в
супрамолекулярных структурах ............................................................... 360
14.3.6.
DFT-расчеты параллельных взаимодействий ароматической системы с гете-
роароматической: система бензол/пиридин ................................................ 360
14.4.
Заключение ................................................................................................. 362
Литература ......................................................................................................... 363
Глава 15
Селективное связывание с молекулами и наносупрамолекулярная
сборка п-сульфонатокаликс[n]аренов.
Ю Лью и Йи Хван Ванг ................................................................................ 365
15.1.
Введение ..................................................................................................... 365
15.2.
Селективное связывание молекул ................................................................... 366
15.2.1.
Связывание органических катионов аммония ............................................. 366
15.2.2.
Связывание с ароматическими катионами. ................................................. 368
15.2.3.
Связывание с бифункциональными молекулами ......................................... 371
15.3.
Наносупрамолекулярная сборка ..................................................................... 377
15.3.1.
Супрамолекулярные полимеры................................................................. 377
15.3.2.
Индуцированная каликсаренами агрегация ................................................ 384
15.4.
Заключительные комментарии ....................................................................... 390
Литература ......................................................................................................... 391
Глава 16
Синтез, дизайн, описание и применение металлсодержащих
супрамолекулярных полимеров.
Липенг Хи и Уэйфенг Бу ............................................................................... 394
16.1.
Введение ..................................................................................................... 394
16.2.
Синтез МСП................................................................................................ 395
16.2.1.
Основные стратегии синтеза линейных МСП.............................................. 396
16.2.2.
Линейные МСП на основе полипиридиновых лигандов ................................ 399
16.3.
Дизайн МСП ............................................................................................... 407
16.3.1.
МСП различного строения....................................................................... 407
16.3.2.
МСП, получающиеся при ортогональной самосборке ................................... 413
16.4.
Области применения МСП............................................................................. 421
16.4.1.
Оптоэлектронные материалы ................................................................... 421
16.4.2.
Самовосстанавливающиеся материалы ...................................................... 423
16.4.3.
Биомедицинские материалы..................................................................... 426
16.5.
Выводы ...................................................................................................... 427
Литература ......................................................................................................... 428
Часть IV. Катализ
Глава 17
Каталитическое применение комплексов металлов, иммобилизованных
на поверхности производных графена и других подобных материалов с
помощью нековалентных взаимодействий.
Сара Сабатер и Хосе А. Мата ..................................................................... 433
17.1.
Введение ..................................................................................................... 433
17.2.
Получение химически модифицированного графена .......................................... 435
17.3.
Функционализация при помощи нековалентных взаимодействий . .................... 437
17.4.
Каталитические применения .......................................................................... 439
17.4.1.
Комплексы, иммобилизованные на УНТ.................................................... 439
17.4.2.
Комплексы, иммобилизованые на материалах на основе графена .................. 441
17.5.
Перспективы ............................................................................................... 447
Литература ......................................................................................................... 448
Глава 18
Совместное применение нековалентных взаимодействий и координации
в катализе.
Абель M. Магеррамов, Камран T. Махмудов, Максимилиан Н. Копы-
лович, Рафига A. Алиева и Армандо Дж. Л. Помбейро ........................... 450
18.1.
Введение ..................................................................................................... 450
18.2.
Совместное действие водородных связей и координации .................................... 451
18.3.
Совместное действие галогеного связывания с координацией или водородным свя-
зыванием .................................................................................................... 464
18.4.
Совместное действие координации и других типов нековалентных взаимодействий 468
18.5.
Заключительные комментарии ....................................................................... 470
Литература ......................................................................................................... 470
Глава 19
Мезопористые упорядоченные гибридные материалы как подложки для
постоянной иммобилизации ферментов при помощи нековалентных вза-
имодействий.
Виктория Гарсон, Карлос Маркес Альварес, Изабель Диас, Роза М. ..... 472
19.1.
Введение ..................................................................................................... 472
19.1.1.
Материалы, используемые в качестве носителей/подложек. .......................... 473
19.1.2.
Морфология носителей ........................................................................... 473
19.1.3.
Функционализация носителя.................................................................... 474
19.1.4.
Сравнение ковалентной и нековалентной иммобилизации ферментов ............. 474
19.2.
Нековалентные методы иммобилизации ферментов ........................................... 475
19.3.
Упорядоченные мезопористые материалы . ....................................................... 476
19.3.1.
Упорядоченные мезопористые материалы на основе кремнезема: контроль ме-
зоструктуры и размера пор...................................................................... 476
19.3.2.
Гибридные органокремниевые материалы .................................................. 478
19.3.3.
Характеристика структуры пор упорядоченных мезопористых материалов..... 480
19.4.
Нековалентная иммобилизация ферментов на упорядоченных мезопористых ма-
териалах ..................................................................................................... 483
19.4.1.
Влияние структуры и функционализации носителя на загрузку и активность
фермента .............................................................................................. 483
19.4.2.
Влияние структуры и функционализации материала носителя на вымывание
фермента .............................................................................................. 487
19.4.3.
Удерживание фермента в порах................................................................ 487
19.4.4.
Стабильность: PMO-ферментные катализаторы в органических растворителях 490
19.5.
Заключительные комментарии ....................................................................... 491
Литература ......................................................................................................... 492
Часть V. Биорелевантный синтез
Глава 20
Управление биологически значимыми реакциями при помощи некова-
лентных взаимодействий.
Риккардо Амарати Лука Вальгимигли ....................................................... 496
20.1.
Введение ..................................................................................................... 496
20.2.
Эффекты растворителей в радикальных реакциях ............................................ 497
20.3.
Количественное описание силы водородной связи в растворе: сольватохромные
параметры Авраама...................................................................................... 499
20.4.
Влияние нековалентных взаимодействий на реакции фенольных антиоксидантов
с пероксидными радикалами .......................................................................... 500
20.4.1.
ОН-группа фенола в качестве донора водородной связи ............................... 501
20.4.2.
Дистанционные эффекты водородной связи ............................................... 503
20.4.3.
Взаимодействие с металлами.................................................................... 506
20.4.4.
Одноэлектронные окислительные системы ................................................. 507
20.5.
Влияние нековалентных взаимодействий на реакционную способность феноксиль-
ных радикалов ............................................................................................. 508
20.5.1.
Стабилизация феноксильных радикалов Н-связями..................................... 509
20.5.2.
Биосинтетическое связывание феноксильных радикалов: белки-проводники ... 511
20.5.3.
Синтезы с помощью феноксильных радикалов, стабилизированных водород-
ными связями ........................................................................................ 511
20.5.4.
Эффекты комплексообразования металла .................................................. 513
20.6.
Влияние нековалентных взаимодействий на реакции алкоксильных радикалов с
аминами или амидами................................................................................... 515
20.6.1.
Водородные связи радикал–субстрат ......................................................... 515
20.6.2.
Внутримолекулярные водородные связи в субстрате ................................... 516
20.6.3.
Межмолекулярные нековалентные взаимодействия субстрата с растворителем
или с растворенным солями ..................................................................... 517
20.6.4.
Межмолекулярные нековалентные взаимодействия отщепляющегося радика-
ла с растворителем................................................................................. 518
20.7.
Заключительные комментарии ....................................................................... 519
Литература ......................................................................................................... 519
Глава 21
Современное понимание − -взаимодействий и их применение
в дизайне белков.
Джианмин Гао, Азаде С. Хоссейни ............................................................. 522
21.1.
Введение ..................................................................................................... 522
21.2.
Роль − -взаимодействий в свертывании белка ................................................ 523
21.3.
− -Взаимодействия при сборке белков .......................................................... 527
21.4.
− -Взаимодействия в пептидных лекарствах.................................................. 531
21.5.
Заключительные комментарии ....................................................................... 533
Литература ......................................................................................................... 533
Глава 22
Использование нековалентных взаимодействий в синтезе псевдопептид-
ных искусственных соединений и материалов.
Джорди Сола, Игнасио Альфонсо ................................................................ 535
22.1.
Введение ..................................................................................................... 535
22.2.
Нековалентные взаимодействия в создании циклических псевдопептидов ......... 536
22.2.1.
Псевдопептидные макроциклы ................................................................. 536
22.2.2.
Псевдопептидные каркасы ....................................................................... 540
22.3.
Псевдопептиды в динамической ковалентной химии .......................................... 543
22.4.
Нековалентные взаимодействия в пептидоподобных фолдамерах. .................. 552
22.5.
Самоорганизующиеся псевдопептиды для создания наноструктур ....................... 556
22.6.
Заключительные комментарии ....................................................................... 560
Литература ......................................................................................................... 560
Глава 23
Нековалентная эксфолиация графита для получения графена.
Инджкуй Янг, Дин Ши и Тао Джианг ...................................................... 565
23.1.
Введение ..................................................................................................... 565
23.2.
Твердофазная эксфолиация ........................................................................... 567
23.2.1.
Микромеханическое расщепление ............................................................. 567
23.2.2.
Сухое измельчение в шаровой мельнице..................................................... 568
23.3.
Жидкофазная эксфолиация . .......................................................................... 569
23.3.1.
Эксфолиация в органических растворителях в отсутствие ПАВ .................... 569
23.3.2.
Эксфолиация в ионных жидкостях в отсутствии ПАВ ................................. 572
23.3.3.
Эксфолиация в органических растворителях в присутствии ПАВ.................. 574
23.3.4.
Эксфолиация в воде в присутствии ПАВ ................................................... 576
23.4.
Выводы и перспективы ................................................................................. 580
Литература ......................................................................................................... 581
Глава 24
Электростатические взаимодействия в дизайне полимерных продуктов.
Лоренцо M. Полгар и Франческо Пикчолини .............................................. 586
24.1.
Введение ..................................................................................................... 586
24.2.
Стратегии синтеза ........................................................................................ 587
24.2.1.
Сополимеризация ................................................................................... 587
24.2.2.
Постполимеризационная модификация ...................................................... 587
24.3.
Свойства иономеров...................................................................................... 589
24.3.1.
Растворимость и поглощение воды............................................................ 589
24.3.2.
Тепловые свойства.................................................................................. 590
24.3.3.
Морфология .......................................................................................... 593
24.3.4.
Механические свойства ........................................................................... 594
24.3.5.
Реология ............................................................................................... 597
24.3.6.
Свойства в растворе ............................................................................... 597
24.4.
Перспективы будущих исследований ............................................................... 598
Литература ......................................................................................................... 599
Глава 25
Супрамолекулярные стерические затруднения в объемных
органических/полимерных полупроводниках и устройствах.
Линг Хай Кси и Уэй Хуанг ........................................................................... 602
25.1.
Введение ..................................................................................................... 602
25.2.
Принцип дизайна на основе четырех элементов ................................................ 604
25.3.
SSH в органических полупроводниках ............................................................. 606
25.3.1.
SSH в объемных полупроводниках и OLED ................................................ 606
25.3.2.
Объемные супрамолекулы ....................................................................... 608
25.3.3.
Циновочные мотивы в ансамбле органических нанокристаллов ..................... 609
25.3.4.
Иерархическая химия органических устройств............................................ 610
25.4.
Расширение концепции SSH на полимерные полупроводники . ....................... 613
25.4.1.
SHP...................................................................................................... 613
25.5.
Заключительные комментарии ....................................................................... 616
Литература ......................................................................................................... 617
Предметный указатель ................................................................................... 621
О редакторах
Абель M. Магеррамов окончил Бакинский государственный университет (Азербайджан)
по специальности «химия». В 1976 году защитил кандидатскую, в 1991 году докторскую
диссертацию в Московском государственном университете. С 1991 года профессор Бакинского государственного университета, с 1993 по 1999 гг. декан химического факультета, с 1999 года ректор Бакинского государственного университета. Академик Национальной академии наук Азербайджана (2007 г.), Национальной академии наук Грузии (2013 г.) и Российской академии наук (2016 г.). Автор 71 монографии, соавтор свыше 700 научных публикаций в индексируемых международных научных журналах, имеет 55 патентов, выступал с 45 докладами на международных конференциях. Под его руководством защищено более 60 кандидатских и докторских диссертаций. Научные интересы группы А.М. Магеррамова связаны с органической, координационной и супрамолекулярной химией, особое внимание уделяется исследованию роли нековалентных взаимодействий в синтезе, катализе и дизайне кристаллов. А.М. Магеррамов заслуженный деятель науки Азербайджана. Награжден Орденом
«Шохрат» (2009, Азербайджан), Золотой медалью Организации экономического сотрудничества (2000), орденом «Золотая звезда» Румынии (2004) и удостоен награды ISESCO в области науки и технологий 2012 года. А.М. Магеррамов почетный доктор ведущих университетов Турции, Румынии, Казахстана, Украины, Китая и Албании, а также почетный профессор Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, вице-президент Евразийской ассоциации университетов. В 2005 и 2010 годах избирался членом Парламента Республики Азербайджан.
Камран Т. Махмудов родился в г. Товуз (Азербайджан) и защитил бакалаврскую (2001), магистерскую (2003), кандидатскую (2007) и докторскую (2012) диссертации под руководством академика А.М. Магеррамова и профессора Р.А. Алиевой в Бакинском государственном университете, в котором далее работал в должности ассистента (2006–2008). С 2009 года выполняет научное исследование под руководством A.Дж.Л. Помбейро в Лиссабонском университете.
Имеет более 75 публикаций в индексируемых международных журналах, является автором
двух глав в монографиях и двух обзоров. Область научных интересов К.Т. Махмудова синтез органических и координационных соединений, E/Z изомеризация, гомогенный катализ, активация ковалентных связей посредством нековалентных взаимодействий (в частности, водородных связей) или их совместным действием при координации.
Максимилиан Н. Копылович окончил факультет химической инженерии Белорусского
государственного технологического университета в 1993 году. Защитил кандидатскую диссертацию по специальности «химия» в том же университете. Работал в качестве докторанта (2000–2007), ассистента (2008–2013) и старшего научного сотрудника (с 2014 года по настоящее время) в Центре структурной химии Высшего технического института (IST) Лиссабонского университета. Область научных интересов синтетическая координационная химия и катализ, в частности, им были разработаны новые методы синтеза триазапентадиенатных, полиалкоголятных, арилгидразоновых, иминоиндолиноновых и тетразолатных комплексов металлов практически всех групп Периодической системы. В настоящее время занимается исследованием металл-опосредованного (темплатного) и водород(галоген-активированного синтеза новых
соединений и супрамолекулярных ансамблей.
Армандро Дж. Л. Помбейро профессор Высшего технического института Лиссабонского университета, президент Центра структурной химии, координатор научной тематики синтеза и катализа. Директор Программы по катализу и устойчивости (CATSUS), академик Лиссабонской академии наук, ранее Президент Португальского электрохимического общества. Научная группа Армандро Дж. Л. Помбейро занимается исследованием активации промышленно, экологически и биологически важных малых молекул, включая металлкатализируемый синтез и катализ (в том числе функционализации алканов в мягких условиях), дизайном кристаллов координационных соединений, самоорганизацией полиядерных и супрамолекулярных структур, молекулярной электрохимией и теоретическими исследованиями. Председатель оргкомитета 25-й Международной конференции по металлоорганической химии (ICOMC), член организационных и научных комитетов 40 международных конференций и научных школ. Является автором научной монографии и редактором четырех монографий. Соавтор 600 научно-исследовательских публикаций. Имеет 33 патента, более 100 раз выступал на международных конференциях в качестве приглашенного лектора. Имеет более 14 000 цитирований; h-индекс = 56 (по данным Web of Science). Награжден премией Испанского королевского химического общества и премией Португальского химического и электрохимического общества.
Предисловие к изданию на русском языке
Современная химия, как и вся наука, становится все более и более междисциплинарной. Работа на стыке двух или нескольких областей придает любым исследованиям синергетический эффект и, как правило, все прикладные работы имеют такой междисциплинарный характер. На мой взгляд, монография «Non-covalent interactions in the synthesis and design of new compounds», изданная издательством Wiley в 2016 году, представляет собой образец междисциплинарности. Эта книга, подготовленная под редакцией известных ученых из Азербайджана и Португалии (А.М. Магеррамов, К.Т. Махмудов, М.Н. Копылович, А.Дж.Л. Помбейро), собрала в себе все самые интересные тенденции в области нековалентных взаимодействий и практического применения этих знаний в управлении различными химическими процессами и явлениями. Именно поэтому возникла идея перевода этой книги на русский язык.
Нековалентные взаимодействия это взаимодействия, которые имеют существенно меньшую энергию по сравнению с обычными ковалентными связями. Тем не менее, их значение в любых областях современной химии чрезвычайно велико. Более того, понимание современной химии без этих взаимодействий практически невозможно.
На мой взгляд, у этой книги должна быть очень широкая читательская аудитория. Трудно
перечислить все области химии, которые затрагивает представленный материал это органическая химия и неорганическая химия, химия координационных соединений и кристаллохимия, супрамолекулярная химия и биохимия, структурная химия и материаловедение, катализ и различные методы физико-химического анализа. Эта книга будет полезна как студентам и аспирантам, только начинающим свое познание науки, так и большинству ученых и преподавателей.
Я хотел бы выразить искреннюю благодарность тем людям, без помощи которых издание
этой книги на русском языке было бы невозможно. Загоревшись идеей издать данную книгу на русском языке, первым делом я обсудил возможность ее перевода с одним из редакторов книги А.М. Магеррамовым (ректор Бакинского государственного университета) и сразу получил полную поддержку. Большую помощь в издании нам также оказал Н.Г. Шихалиев (заместитель заведующего кафедрой органической химии БГУ). Я очень благодарен своим коллегам профессорам кафедры органической химии МГУ Е.К. Белоглазкиной и С.З. Вацадзе (за помощь в организации перевода и работу над книгой), а также всем сотрудникам и аспирантам нашей кафедры, которые принимали в этом участие. Наконец, я получил большое удовольствие от профессионализма сотрудников издательства «Техносфера» С. Орлова и О. Кулешовой, с которыми мы в очень сжатые сроки выпустили эту книгу.
Заведующий кафедрой органической химии
МГУ имени М.В. Ломоносова
Профессор В.Г. Ненайденко
Декабрь 2016 года
Предисловие
Важность нековалентных взаимодействий общепризнана с давних пор [1], и они продолжают привлекать внимание ученых, работающих в различных областях химии и технологии. Обычно под нековалентными взаимодействиями подразумевают атомные или молекулярные контакты, при которых не происходит образования общих электронных пар или потери электронов. Как и любое определение, такое упрощение несколько спорно, но оно все же позволяет разграничить слабые (нековалентные) взаимодействия и ковалентные, координационные, металлические или ионные связи. К числу нековалентных относятся, в частности, водородные, галогенные, халькогенные и пниктогенные связи, ван-дер-ваальсовы взаимодействия, − взаимодействия, и т.п. Заметим, что в различных областях химии нековалентными могут считаться разные типы связей. Например, в органической химии координационная связь рассматривается как нековалентное взаимодействие. Тем не менее можно выделить некоторые общие закономерности.
Так, если рассматривается взаимодействие каких-либо атомов, которое проявляется в значительном уменьшении межатомного расстояния по сравнению с суммой ван-дер-ваальсовых радиусов; обладает определенной направленностью в пространстве, и в то же время образует гораздо более низкой энергией, чем типичные «ковалентные» связи (< 100 кДж/моль), то такие взаимодействия можно считать нековалентными.
Слабость и разнообразная природа нековалентных взаимодействий делает их важными
в различных приложениях, например при синтезе органических, неорганических, координационных и металлоорганических соединений и супрамолекулярных ансамблей. С помощью нековалентных взаимодействий реагенты могут быть необходимым образом организованы в пространстве, обеспечивая подходящее геометрическое окружение реагирующих фрагментов, с их помощью может быть изменен энергетический профиль процесса и облегчено его протекание. Так, например, образование множественных галогенных связей между продуктами реакции может быть одной из основных движущих сил процесса (так называемый «спайдерэффект» в синтезе содержащих несколько атомов галогенов органических и координационных соединений).
Хотя в некоторых случаях можно проанализировать и предсказать результат влияния
нековалентного взаимодействия на протекание реакции, в большинстве случаев успех синтеза основывается прежде всего на интуиции и счастливой случайности.
В этой книге проанализированы, по крайней мере частично, результаты и движущие силы
некоторых реакций, управляемых нековалентными взаимодействиями. Роль этих взаимодействий существенна также в смежных областях получения новых материалов и биохимии.
Отметим, что, в отличие от стандартных учебных курсов по основным химическим дисциплинам, в этой книге проблема представлена с точки зрения различных областей химии и различных подходов. Поэтому ее главы написаны учеными разных стран, разных поколений и специальностей, научные интересы и работы которых связаны с этими окружающими нас повсюду слабыми силами.
Хотя не так давно были опубликованы прекрасные книги по разным типам нековалентных
взаимодействий [2–9], постоянно появляются новые факты и концепции. Поэтому некоторые разделы этой книги посвящены последним достижениям в теории нековалентных взаимодействий. С другой стороны, текущий прогресс в структурном и компьютерном анализе привел к развитию статистического подхода к описанию нековалентных взаимодействий в веществах [3–5, 10]. Это позволило обратить внимание на некоторые ранее незамеченные взаимодействия, которые, тем не менее, могут иметь большое практическое значение.
К настоящему времени установлено, что нековалентные контакты играют существенную
роль в синтезе новых соединений и современных материалов. Каталитические химические
превращения, движущей силой которых являются нековалентные взаимодействия или их синергетическое действие при координации (например, в кооперативном катализе), представляют собой одну из наиболее перспективных стратегий в органическом синтезе [2]. Кроме того, нековалентные взаимодействия могут оказаться крайне важными для понимания механизма действия лекарственных средств и функционирования каталитических центров биологических систем [11]. Учитывая это, более глубокое понимание и сознательное использование этих взаимодействий может оказаться важным для биомедицины и смежных с ней областей.
Так, например, нековалентные взаимодействия могут быть использованы при создании транспортных средств для инкапсулирования и адресной доставки терапевтических агентов или биоактивных материалов.
Учитывая сказанное выше, эта книга разделена на несколько частей, в которых представлены органический, неорганический и металлоорганический синтез, катализ, получение кристаллов и биоматериалов, а также биохимия и химия материалов. Хотя такое разделение довольно искусственно, оно дает понятие о современных тенденциях исследований и помогает ориентироваться в книге. Первая часть монографии посвящена роли нековалентных взаимодействий в органическом синтезе. Образование водородных, галогеннных, халькогенных и пниктогенных связей обеспечивает активацию насыщенных и ненасыщенных ковалентных связей, синтез макроциклов; в этом разделе рассмотрена также молекулярная предорганизация.
В следующем разделе обсуждается роль нековалентных взаимодействий в дизайне, синтезе
и применении неорганических, координационных и металлоорганических соединений. Третий раздел посвящен в основном дизайну кристаллов и образованию соединений типа «гость–хозяин». В этой части книге подробно обсуждаются доноры галогенных связей, взаимодействия между ароматическими молекулами и анионные -взаимодействия как движущие силы супрамолекулярной сборки и образования соединений включения (например, из кукурбитурилов или каликсаренов), хиральных азамакроциклов и молекулярных сенсоров.
В четвертом разделе книги дан обзор некоторых возможных каталитических приложений;
эта часть непосредственно связана с тематикой пятого раздела, в котором рассматривается
роль нековалентных сил в биохимических радикальных реакциях и в синтезе пептидомиметиков. Заключительный, шестой раздел посвящен химии материалов, и в частности, получению новых полимерных и гибридных материалов на основе графена.
Таким образом, в рамках общей концепции нековалентных взаимодействий представлены работы из различных областей химии, как теоретической, так и практической, что, как
мы надеемся, позволяет дать подробный обзор их известных и возможных в будущем областей применения. Мы надеемся, что эта книга будет полезна для читателей, интересующихся разработкой и синтезом новых материалов с ценными свойствами, и приведет к дальнейшему развитию исследований в этой области. Мы благодарим авторов каждой главы, которые внесли важнейший вклад в написание этой книги. Особо мы хотим поблагодарить старшего редактора John Wiley&Sons, Anita Lekhwani, и ее коллег за помощь в редактировании рукописи. Кроме этого, мы благодарим за поддержку Бакинский государственный университет, Азербайджан, и Фонд науки и технологии (FCT), Португалия.
Абель M. Магеррамов
Камран T. Махмудов
Максимилиан Н. Копылович
Армандо Дж. Л. Помбейро
Литература
1. J. D. van der Waals, Over de Continuiteit van den Gas — en Vloeistoftoestand [on the continuity of the gas
and liquid state]. Doctoral Dissertation, Universiteit Leiden, Leiden, 1873.
2. P. M. Pihko, Hydrogen Bonding in Organic Synthesis, Wiley — VCH: Weinheim, 2009.
3. P. Gilli, G. Gilli, The Nature of the Hydrogen Bond, Oxford University Press: Oxford, 2009.
4. P. Hobza, K. M¨uller-Dethlefs, Non-covalent Interactions: Theory and Experiment, Royal Society of Chemistry:
Cambridge, 2010.
5. S. Scheiner, Non-covalent Forces (Challenges and Advances in Computational Chemistry and Physics volume
19 ), Springer, Heidelberg, 2015.
6. P. A. Gale, J. W. Steed, Supramolecular Chemistry: From Molecules to Nanomaterials, John Wiley&Sons,
Ltd: Chichester, 2012.
7. A. K. Baev, Specific Intermolecular Interactions of Organic Compounds, Springer: Heidelberg, 2012.
8. A. K. Baev, Specific Intermolecular Interactions of Nitrogenated and Bioorganic Compounds, Springer: Hei-
delberg, 2014.
9. P. Metrangolo, G. Resnati, Halogen Bonding: Fundamentals and Applications (Stucture and Bonding);
Springer: Heidelberg, 2010.
10. S. Scheiner, Acc. Chem. Res. 2013, 46, 280.
11. A. Karshikoff, Non-covalent Interactions in Proteins, Imperial College Press: Singapore, 2006
Часть I Органический синтез
ГЛАВА I
Активация ковалентных связей в результате нековалентных взаимодействий
Абель М. Магеррамов, Камран T. Махмудов,∗
Максимилиан Н. Копылович, M. Фатима C. Гуэдес да Силва
и Армандо Дж Л. Помбейро
1.1. Введение
Большое число фундаментальных химических процессов связано с разрывом и/или трансформацией прочных ковалентных связей, что может потребовать высоких энергетических затрат на термодинамическом и кинетическом профиле реакции. Поиск путей, при которых образуются менее энергозатратные интермедиаты, является общим способом облегчения протекания реакций, и нековалентные взаимодействия могут играть важную роль в формировании и стабилизации промежуточных продуктов. Как правило, энергия нековалентных взаимодействий (водородной и галогенной связи, ван-дер-ваальсовых взаимодействий, эффектов и т. д.) значительно ниже, чем для типичных ковалентных связей [1–6], но, по причине их многочисленности и легкости трансформаций, их общее влияние на ход реакции может оказаться решающим. Таким образом, «слабая сила» нескольких низкоэнергетических взаимодействий может играть существенную роль в активации ковалентных связей, оказывая «жесткое влияние», аналогично хорошо известным методам воздействия, таким как нагревание, электрический ток, свет и т. д. Как результат, взаимное действие этих «сильных» внешних
сил и «слабых» нековалентных взаимодействий способно эффективно активировать ковалентные связи.
Например, если рассматриваются водородные связи, можно предположить, что они влияют
на реакционную способность субстратов несколькими способами (схема 1.1). Когда атом кислорода карбонильной группы или атом серы тиокетона участвует в образовании двух сильных водородных связей, электрофильный характер соответствующего атома углерода в реакциях с нуклеофилами повышается по сравнению с обычной водородной связью (ср. II с I и IV с III). Кроме того, нуклеофильная атака на атом углерода карбонильной группы, как правило, более выгодна, чем в тиокетоне (сравните I с III и II с IV). Следовательно, учитывая эти соображения, можно проводить региоспецифическую активацию конкретного фрагмента.
Аналогичные подходы могут быть использованы для активации атома углерода в ими-
нах (V и IV), алкенах (VII и VIII) и алкинах (IX и X). Другой подход основывается на
создании гибких или циклических систем водородных связей в ближнем окружении целевой ковалентной связи для содействия необходимой нуклеофильной атаке (XI–XVI). Это позволяет электронодефицитным атомам углерода занимать правильное положение в пространстве; что обеспечивает легкость атаки электроноизбыточной нуклеофильной группы. Во многих случаях образование таких вспомогательных нековалентных связей можно обосновать, но зачастую предсказать эффект активации не так просто. Следовательно, необходимо уделить больше усилий изучению и систематизации информации в этой области.
Таким образом, использование нековалентных взаимодействий в синтезе становится активно развивающейся областью исследований с потенциалом применения в процессах разделения, медицине, катализе и биомолекулярных системах. Большинство известных примеров использования в синтезе связаны с широкой распространенностью водородных связей [1, 5, 6]. Тем не менее другие типы взаимодействий, такие как O• • • B, O• • • Si, O• • • S, N• • • B, N• • •N, N • • • P, N• • • S или галогенные связи, также представляют научный интерес как реальные инструменты для осуществления ряда органических и неорганических преобразований и построения супрамолекулярных ансамблей [7, 8]. В этой главе приведены некоторые примеры активации различных типов ковалентных связей (C−C, C=C, C≡C, C−N, C=N, C≡N, C−O, C=O, C−S, и C=S), в том числе посредством нековалентных взаимодействий. Мы надеемся, что это поможет читателю понять некоторые основные принципы, которые могут быть использованы для разработки новых путей синтеза целевых соединений.
1.2. Примеры активации под действием водородных связей
1.2.1. Активация C−C-связи
Разрыв C−C-связи путем внедрения кислорода (окислительное расщепление) или воды (гидролитическое расщепление) является важным шагом многих биохимических процессов, в ходе которых микроорганизмы усваивают ксенобиотики и экологически токсичные соединения [9].
Эти реакции представляют значительный интерес из-за их широкого круга применения, включая производство топлива из биомассы, удаление органических загрязнений или лечение заболеваний. Во многих случаях активация C−C-связи, примыкающей к карбонильной группе, является важным шагом для достижения поставленных целей. Например, гидролитическое расщепление C−C-связей, катализируемое ферментами-гидролазами, имеет важное значение для деструкции бактериями ароматических соединений. Предложенный механизм C−C-расщепления в 2-гидрокси-6-кето-6-фенил-гекса-2,4-диеновой кислоте, катализируемого системой Ser−His−Arg (схема 1.2), начинается с кето-енольной таутомеризации субстрата и получения
кето-интермедиата (I), что было подтверждено кинетически методом остановленной струи, а также путем изучения изотопного обмена дейтерия [10, 11]. Нуклеофильная атака Н2О по карбонильному атому С6 при содействии водородной связи приводит к стереоспецифической C−C-фрагментации (промежуточное соединение II) с получением (E/Z)-2-гидроксипента-2,4- диеновой и бензойной кислот [10, 11 ].
Системы с участием искусственных водородных связей, содействующих активации связи C−C, были разработаны для ß-дикетонов, важных предшественников ряда широко распространенных гетероциклических соединений (пиразолов, триазолов и т. д.). Расщепление C−C-связей в ß-дикетонах, также известное как реакция ретро-Кляйзена, представляет интерес из-за его протекания при процессах метаболизма ароматических углеводородов и терпенов,1. биоочистки и препаративного биокатализа. Ацетилацетон диоксигеназа (Dke1) выполняет окислительное расщепление C−C-связи путем последовательной координации ß-дикетона с ионом железа(II), как комплексообразующим центром, с последующим присоединением молекулярного кислорода и образованием связи C−O, а также нуклеофильной атаки перекисного фрагмента на карбонильную группу (схема 1.3, а) [9]. Известен ряд ретро-Кляйзеновских каталитических превращений с использованием в качестве катализаторов солей и комплексов индия, железа, палладия и меди [9]. Тем не менее новые способы безметалльного расщепления C−C-связей в ß-дикетонах с помощью, например, водородных связей могут значительно улучшить экологический потенциал реакции.
Для того чтобы создать систему с внутримолекулярной водородной связью, которая бы
способствовала специфической нуклеофильной атаке по карбонильным фрагментам, в ß-дикетоны был введен триазиновый фрагмент (схема 1.3, б ) [12]. Протонирование триазиновых производных ß-дикетонов (I) приводит к енольной форме (II). Под влиянием водородной связи нуклеофильная атака МеОН по этой енольной форме приводит к образованию несимметричного кетона III с отщеплением сложного эфира R2COOMe. Хотя электронный донорноакцепторный характер заместителей в ß-дикетоновом фрагменте может быть достаточно близким [константа Гамметта δp имеет значение: −0,13 для С3Н7, −0,17 для CH3, −0,24 для OC2H5, −0,27для ОСН3 и −0,83 для N(CH3)2], во всех изученных случаях C−C-связь разрывается селективно на стороне менее электронодонорного заместителя; региоселективность, возможно, возрастает за счет формирования системы водородных связей.
Аналогичный подход был использован при региоселективной активации C−C-связи в 4,4,4-трифтор-1-(тиофен-2-ил)бутан-1,3-дионе, где для создания внутримолекулярной водородной связи в желаемом положении был введен арилгидразоновый фрагмент [13]. В этом случае, из-за стабильности внутримолекулярной водородной связи, расщепление C−C-связи происходит в более электронообогащенном фрагменте 1,3-диона (схема 1.4). Такое содействие водородных связей приводит к расщеплению C−C-связи с элиминированием ацетильной группы, не требуя какого-либо катализатора, и протекает гладко при нормальных условиях, что контрастирует с другими известными реакциями такого типа.
1.2.2. Активация связи С=C
Алкены вступают в различные реакции, и экономичные способы активации двойной связи
С=С, в частности при содействии «ничего не стоящих» водородных связей, становятся предметом повышенного внимания. Например, межмолекулярные водородные связи в реакциях гидроаминирования алкенов по Коупу (схема 1.5) открывают атом-экономичный путь к различным высоко функционализированным вицинальным диаминам [14, 15]. В этом случае формируются межмолекулярные водородные связи, обеспечивающие накопление положительного заряда на обоих атомах азота интермедиата I. Исключительное образование только вицинальных диаминов II, скорее всего, происходит из-за синергии между эффектом водородных связей и селективностью реакций гидроаминирования по Коупу с образованием продуктов присоединения по правилу Марковникова.
Присоединение нуклеофила по Михаэлю к электронодефицитным олефинам является классическим способом построения связей C−C или C-гетероатом в органическом синтезе. Высоко энантиоселективное присоединение по Михаэлю диэтилмалоната к халконам катализируется бифункциональными третичными аминотиомочевинами на основе хининовых производных [16]. Функционализация катализатора гидроксильной группой приводит к образованию нескольких водородных связей и, таким образом, значительно повышает каталитическую активность и устойчивость предполагаемого переходного состояния, что приводит к высокой энантиоселективности и активности (схема 1.6). Таким образом, карбонильная группа в интермедиате I активируется посредством водородных связей через взаимодействие атома кислорода карбонильной группы с фрагментом тиомечевины и дополнительной гидроксильной группой в А. В то же время диэтилмалонат депротонируется основным атомом азота хининового
фрагмента. Хиральная структура алкалоида и соответствующего аминоспиртового фрагмента дают диэтилмалонату возможность атаковать активированный халкон с нижней стороны плоскости молекулы (Si -face) (интермедиат I) с образованием R-продукта. Если взаимодействие халкона с диэтилмалонатом катализируется соединением В, формируется интермедиат II,что благоприятствует атаке с верхней стороны плоскости молекулы (Re-face), приводя к S-конфигурации продукта (схема 1.6).
Циклопропаны являются особенно удобными субстратами для синтетического применения, а электронные эффекты заместителей благоприятствуют их специфической активации и позволяют получать широкий спектр продуктов с несколькими стереоцентрами [17, 18]. Для получения асимметричных винилциклопропанов разработаны разноообразные синтетические методы [17], в том числе путем активации C≡С связи в метиловом эфире коричной кислоты при содействии водородной связи (схема 1.7) [18].
Исходный илид имеет две конформации: с винильной группой либо в син- (например, в
I и IV, в V и VIII) или анти-положении (например, в II и III, в IV и VII) по отношению
к неподеленной электронной паре серы. Следовательно, теоретически под влиянием водородной связи для каждого илида может образоваться восемь интермедиатов (схема 1.7). Была предложена модель с образованием 10-членного кольца водородных связей, которая объясняет противоположную энантиоселективность экзо- и эндоциклопропанирования илидов серы.
Из-за напряженности кольца и стерических помех, возникающих между фрагментами СН−O и СН−S и норборнильной группой, интермедиаты II, IV, V и VII вынужденно имеют искаженную геометрию. Из-за направленности водородной связи гидроксильная группа играет важную роль в контроле энантиоселективности (98 или 99%) и диастереоселективности (99/1).
Растворитель также играет важную роль в повышении как диастерео-, так и энантиоселективности, вероятно, из-за его участия в нековалентных взаимодействиях с интермедиатами [18].
1.2.3. Активация C≡C-связи
Алкины могут быть использованы в качестве как нуклеофилов, так и электрофилов, что
обеспечивает разнообразие реакций, в которые они могут быть вовлечены. Например, межмолекулярные реакции циклоприсоединения к алкинам могут привести непосредственно к различным карбоциклическим соединениям, но для таких реакций, как правило, необходим катализ металлами [19]. С другой стороны, многие субстраты в реакциях с алкинами могут быть активированы с помощью аминов или солей аммония в сочетании с неорганическими основаниями; нековалентные взаимодействия могут играть в этих случаях важную роль [20]. Так, содействие водородных связей при активации тройной связи C≡C в ацетиленовых ß-дикетонах может привести к энантиоселективной карбоциклизации (еновая реакция Кони, схема 1.8) [21]. Эта реакция представляет собой один из наиболее удобных способов карбоциклизации и особенно привлекательна для получения производных циклопентана. Для катализа в качестве акцептора водородной связи используется 3,5-бис(пентафторсульфанил) фенилбороновая кислота, являющаяся более активной в неполярном растворителе, таком кактолуол и 1,1,1,3,3-пентафторбутан, по сравнению с 3-нитро-фенилбороновой кислотой, что указывает на то, что группа SF5 может быть липофильной и стерически требовательной альтернативой NO2-группы при подборе конструкции катализатора. Возможный механизм этой реакции включает в себя образование водородных связей, содействующих енолизации исходного 2 алкилированного ß-дикетона; последующая согласованная еновая реакция енольной
формы приводит к продукту (схема 1.8).
Водородные связи, содействующие энантиоселективной изомеризации 3-алкиноатов в хи-
ральные алленоаты (схема 1.9) [22, 23] при катализе бензотиадиазин-1,1-диоксидом, имеют особое значение для синтеза многих биологически активных соединений. Катализируемый основанием Бренстеда протонный 1,3-сдвиг также способствует изомеризации алкиноатов в алленоаты с высокой энантиоселективностью [22]. Энантиоселективность реакции можно объяснить облегчением депротонирования под влиянием водородных связей для обоих алкиноатных энантиомеров в промежуточных продуктах А и В; это дает возможность для их взаимопревращения. Тем не менее интермедиат С (E-енол), полученный из А, не изомеризуется в (R)-алленоат D, так как протон аммония не может достигнуть -sp-углерода алкиноата, в то время как изомеризация B в (S)-алленоат F происходит легко, с образованием под дей-
ствием водородных связей Z-енольного интермедиата Е, далее промежуточного продукта F и, наконец, целевого алленоата (схема 1.9).
1.2.4. Активация связи C−N
Для того чтобы активировать C−N-связь в аминах и родственных им соединениях, были
опробованы различные типы катализаторов, и во многих случаях активационные процессы протекают через интермедиаты с образованием водородных связей. Например, механизм с участием водородных связей считается наиболее вероятным для гидролиза полипептидов, катализируемых аспарагин-протеазой (схема 1.10). В соответствии с предлагаемым механизмом [24] один из остатков аспартата в ферменте протонируется, а второй ионизируется. И действительно, существуют экспериментальные доказательства того, что два аспартата разделяют один протон при физиологических значениях рН [24]. Таким образом, первый аспартат активирует молекулу воды за счет отрыва протона, что позволяет воде атаковать карбонильный углерод субстрата, расщепляя связь и образуя тетраэдрический цвиттерионный интермедиат, реорганизация которого приводит к протонированию расщепленного амида. Дополнительная молекула воды связывается между субстратом и основной цепью амидной группы фермента посредством водородных связей и предположительно приводит к нарушению планарности расщепляемой пептидной связи, способствуя тем самым ее разрыву.
Другой пример водородной связи, содействующей активации связи C−N, наблюдается
при гидролизе карбоксамидов до карбоновых кислот. Как правило, одностадийный гидролиз нитрила до карбоновой кислоты происходит через образование амида в качестве промежуточного продукта и требует жестких кислотных или основных условий проведения реакции; тем не менее каталитическая триада Glu-Lys-Cys может быть использована в качестве органокатализатора для гидролиза C≡N-связи в нитриле и последующего расщепления связи C−N (схема 1.11) [25]. Предложенный механизм предполагает нуклеофильную атаку терминальным остатком цистеина катализатора по атому углерода нитрила; образовавшийся тиоимидат далее образует тетраэдрический интермедиат при содействии водородной связи с присутствующими в реакционной смеси молекулами воды (интермедиаты I → II → III). В III глутаматный фрагмент действует как основание, в то время как остаток лизина участвует в стабилизации
тетраэдрического переходного состояния. Добавление молекулы воды приводит к образованию Н-связи в интерведиате IV. Отщепление NH3 из этого промежуточного продукта дает тиоэфир V, чье взаимодействие со второй молекулой воды приводит к карбоновой кислоте.
1.2.5. Активация связи C=N
Активация двойных связей С=N-иминов обеспечивает удобные и универсальные пути к получению многих органических соединений, таких как кукурбитурилы, оксазиридины, оптически активные амины, имеющие стереогенный центр и т. д. [26]. Из числа наиболее изученных реакций функционализации связи С=N в последнее время большое внимание было уделено разработке новых методов стереоселективной генерации хиральных центров, связанных с азотом [27]. Например, энантио- и диастереоселективная реакция Манниха междхиральным глициновым комплексом никеля (II) и _-аминосульфонами, такими как третбутил(фенил(фенилсульфонил)метил)карбамат, протекает с участием водородных связей, способствующих образованию углерод-углеродной связи и двух стереогенных центров в одну стадию (схема 1.12) [28]. Этот метод представляет собой привлекательный путь синтеза α, β-диаминокислот, универсальных хиральных вспомогательных веществ и лигандов для асимметрического синтеза, медицинской химии и химии пептидов и пептидомиметиков [28, 29]. Предлагаемый механизм (схема 1.12) включает в себя три этапа: (i) енолизация (S)−Ni(II) комплекса,
активируемая 1,8-диазабицикло[5.4.0]-ундец-7-еном, образующим водородную связь с субстратом; при этом получается интермедиат А (выигрыш в энергии 9,46 ккал/моль); (ii) реакция Ni(II)-енолята с трет-бутил(фенил(фенилсульфонил)метил)карбаматом с получением син- и анти-диастереоизомеров соединения В; и (iii) образование гидрохлорида α, β-диамино-кислоты и NiCl2 с высвобождением лиганда-прекурсора, активированного внутримолекулярной водородной связью.
Энантиоселективное восстановление иминов водородом используется в качестве одного из наиболее эффективных и удобных методов получения хиральных аминов и их производных.
Таким образом, асимметрическый синтез нерацемических 1,3-диаминов при помощи направленного образования водородной связи в диастереоселективном восстановлении энантиочистых N-трет-бутансульфинилкетиминов (схема 1.13) включает в себя E/Z изомеризацию этих N-трет-бутансульфинилкетиминов, что было обнаружено при использовании различных растворителей [30]. Корреляция фациальной селективности восстановления c E или Z геометрией исходных кетиминов предполагает образование циклического переходного состояния, стабилизированного водородной связью. Орто-заместитель участвует в образовании водородной связи, таким образом, контроль геометрии N-трет-бутансульфинилкетиминов следующий:
восстановление E-иминов приводит к R-конфигурации вновь созданного хирального центра, в то время как Z-изомер дает S-конфигурацию.
Нуклеофильное присоединение нитроалканов к иминам с получением производных β-нит-
роаминов, известное как реакция аза-Генри − еще один известный процесс активации C=N-связи [31]. Различные органокатализаторы применяются для достижения более высокой диастереои энантиоселективности, и их действие во многом обусловлено образованием направленных водородных связей [32]. Так, в асимметрической реакции аза-Генри кетиминов, полученных из изатина, и нитроалканов при использовании хининового алкалоида в качестве органокатализатора (схема 1.14) третичная аминогруппа катализатора депротонирует α-углерод нитроэтана, активируя его для нуклеофильной атаки с верхней стороны плоскости кетимина, который,
в свою очередь, активируется посредством водородной связи с −OH-группой катализатора, обеспечивая получение (R)-энантиомера продукта [33]. Следовательно, высокая диастерео- и энантиоселективность этой реакции является результатом синергической активации кетиминов и нитроалканов при помощи бифункционального алкалоида-органокатализатора.
1.2.6. Активация C≡N-связей
Реакции электрофилов или нуклеофилов с органическими нитрилами являются одними из
наиболее важных в органическом синтезе [34, 35]. Разработано множество методов активации C≡N-связи, связанных с введением в R−C≡N-нитрильные молекулы электронакцепторных групп R, протонирования или алкилирования атома азота нитрила, или координации с металлическим центром [34]. Все эти методы имеют различные недостатки, к числу которых относятся высокая стоимость катализаторов, трудности при разделении продукта и катализатора, необходимость инертной атмосферы при использования чувствительных металлических катализаторов и т. д. Как результат всего выше перечисленного, растет интерес к активации связи C≡N при помощи нековалентных взаимодействий.
Чтобы создать систему водородных связей для региоселективной активации связи C≡N,
в малононитрил был введен арилгидразоновый фрагмент (схема 1.15) [36]. Полученное таким образом соединение имеет в структуре шестичленный цикл с водородной связью (А); продукт присоединения нуклеофила (Nu1) дополнительно стабилизирован другой системой водородных связей (B), что останавливает реакцию на стадии продукта присоединения только одного нуклеофила. Нуклеофильная атака на вторую C≡N-группу возможна только после подкисления: добавление кислоты приводит к протонированию атома азота аминогруппы, способствуяобразованию другой водородной связи, которая дает возможность для присоединения второго нуклеофила (Nu2). Этот продукт стабилизируется образованием двух новых циклов с водородными связями − шести- и пятичленного (С и D). Таким образом установлено, что при региоселективной безметалльной активации связей C≡N можно проводить синтезы различных продуктов.
Другой пример водородной связи, содействующей активации C≡N-связей, относится к об-
ласти синтеза тетразолов, популярных соединений, используемых в качестве катализаторов, ракетного топлива, взрывчатых веществ, лигандов в координационной химии и неклассических изостеров карбоновых кислот в области медицинской химии [37–39]. Такая широкая область их применения побудила приложить значительные усилия к разработке методов получения тетразолов; наиболее очевидным методом является формальное циклоприсоединение при использовании азидов и нитрилов. Взаимодействие азидных солей с нитрилом при определенных условиях дает соответствующие тетразолы с высокими выходами (схема 1.16) [38].
Механистические исследования подтверждают образование довольно стабильной Н-связи при формировании интермедиата [37]. Его стабильность возрастает с увеличением электроноакцепторного потенциала заместителя в нитриле: при R = Me промежуточное соединение на 3,3 ккал/моль менее стабильно, чем индивидуальные исходные вещества, HN3 и MeCN, в то время как при R=CH3S(=O)2 − выигрыш в энергии при образовании интермедиата составляет 11,4 ккал/моль по отношению к индивидуальным реагентам. При образовании переходного состояния нитрил активируется протоном, что облегчает атаку азида по углероду нитрила, а затем за счет 1,5-циклизации происходит образование тетразола [37].
Водородное связывание, содействующее взаимодействию нитрилоксида с алифатическими или электроноизбыточными ароматическими нитрилами, приводит к получению 3 функционализированных 1,2,4-оксадиазолов (схема 1.17); реакция протекает в мягких условиях, даже в отсутствие кислот Льюиса [40]. Среди функционализированных 1,2,4-оксадиазолов, карбамоил-замещенные привлекли большое внимание из-за их биологической активности и возможности использования для лечения сахарного диабета [40]. Кроме того, карбамоильная группа может быть использована в качестве прекурсора для введения других функциональных групп. Механистические исследования свидетельствуют об обращенных электронных требованиях 1,3-диполярного циклоприсоединения и предполагают, что карбамоильная группа нитрилоксида активирует диполярофильный нитрил посредством водородных связей (схема 1.17).
Таким образом, карбамоильная группа нитрилоксида играет важную роль не только в качестве электроноакцепторной группы, но и в качестве донора водородной связи с диполярофильным нитрилом. Для того чтобы исследовать влияние водородной связи, были рассмотрены два интермедиата, отличающиеся только ориентацией карбамильной группы (схема 1.17). Было обнаружено, что промежуточный продукт, в образовании которого участвовали Н-связи, оказался на 4,4 ккал/моль более стабильным, чем тот, в образовании которого водородные связи не были задействованы; тем самым Н-связь с карбамоильной группой нитрилоксида облегчает выполнение обращенных электронных требований для данного циклоприсоединения.
1.2.7. Активация связи C−O
Реакция между рац-(1-нафтил)-(трифторметил)-О-карбокси-ангидридом и (R)-α метилбензил-амином, направляемая водородным связыванием, дает эквимолярную смесь α-гидроксиамидов I и II (схема 1.18) [41]. Из-за сильной внутримолекулярной водородной связи наблюдались высокие значения ∆δRS в спектрах ЯМР 1H полученных соединений, коррелирующие с заметной предпочтительностью для соответствующих _-гидроксиамидов заслоненной конформации. Этот факт можно объяснить максимизацией анизотропного эффекта нафтильной группы. Для сравнения, соответствующие O-метилированные амиды принимают заторможенную конформацию, что показывает критическую роль внутримолекулярных водородных связей в максимизации эффекта анизотропии. Соответственно, данные О-карбокси-ангидриды можно считать перспективными хиральными дериватизирующими агентами, следовательно, можно
ожидать дальнейших исследований как по оптимизации реакционной способности, так и по повышению селективности путем варьирования заместителей.
Другим примером активации C−O-связи за счет водородных связей является гидролиз
сложных эфиров до кислот и спиртов, катализируемый ионной жидкостью _ холингексано-
атом, [(CH3)3NCH2CH2OH]+[C5H11COO]− (схема 1.19) [42]. Механизм реакции включает в
себя два этапа. (i) Гидроксильная группа катиона холина образует водородную связь с атомом кислорода карбонильной группы сложного эфира, способствуя нуклеофильной атаке воды по углероду (интермедиат I). В результате протон молекулы воды перемещается к аниону C5H11COO− (интермедиат II). (ii) Внутримолекулярная передача протона приводит к образованию шестичленной системы с водородной связью, ослабляющей C−O-связь в интермедиате III. В конце образуются продукты: кислота и спирт, а ионная жидкость регенерируется, завершая каталитический цикл.
1.2.8. Активация С=O-связи
Активация двойной связи C=O карбонильных соединений является стратегически важным
методом для синтеза большого количества структурных блоков, таких как β-гидроксикар-
бонильные соединения (альдольная конденсация), β-нитроспирты (реакция Генри, или нитроальдольная конденсация), тиоацетали, полуацетали, полукетали, циангидрины и т. д. [43].
Были разработаны многочисленные методики, в том числе металл-опосредованные подходы, для активации С=O-связей [43, 44]; также доказано влияние нековалентных взаимодействий в альдольной и сходной с ней реакциях [45–48]. В этих случаях нековалентные взаимодействия ослабляют связь C=O карбонильного соединения посредством образования водородной связи с неподеленной парой электронов атома кислорода, что делает карбонильную группу более восприимчивой к нуклеофильной атаке. Неудивительно, что большое число превращений карбонильных соединений может быть осуществлено просто путем добавления каталитического количества сильной протонной кислоты (донора протонов) к смеси карбонильного соединения и нуклеофила. Примером может служить образование β-нитроспиртов из карбонильных соединений и нитроалканов.
Асимметрическая альдольная конденсация включает в себя активацию связи C=O и позволяет получать широкий круг различных необходимых в фармацевтике субстратов, в частности, полиоксигенированные блоки. Так, пролин-катализируемая асимметрическая альдольная конденсация предположительно происходит через стадию образования енамина (схема 1.20) [45]. В этом случае межмолекулярные водородные связи способствуют нуклеофильной атаке аминогруппы по углероду С=O-связи, приводящей к образованию пирролидинкарбоксилата и элиминированию молекулы воды. Следовательно, пролин играет двойную роль, образуя, будучи вторичным амином, ключевой нуклеофильный енаминовый интермедиат (активация ацетона), в то время как карбоксильная группа активирует альдегид к последующей нуклеофильной атаке енамина. Энантиоселективность реакции может быть связана с устойчивостью
водородных связей в интермедиатах, которые приводят к основному продукту [45].
Хотя C−H• • •O/N-взаимодействия слабее типичных водородных связей, они, однако, обеспечивают стабилизацию, достаточную для того, чтобы оказать влияние на селективность [46]. Также было установлено, что взаимодействие C−H• • •O играет важную роль в управлении стереоселективностью в альдольной конденсации по Хайош–Пэрришу и реакции Манниха. Так, было показано, что пролин-катализируемое внутримолекулярное превращение по Хайош–Парришу 2-метил-2-(3 оксобутил)циклопентан-1,3-диона (схема 1.21) обуславливается C−H• • •O-взаимодействием [47].
Наблюдаемая высокая стереоселективность объясняется следующими фактами: (i) большему искажению планарности иминииевого катиона одной H-связью (R,R)-син-енамина по сравнению с двумя водородными связями (S, S)−анти-енамина и (ii) способность пролинового фрагмента C(sp3)-H стабилизировать образующийся отрицательный заряд на карбонильном кислороде. Основной (S, S)-продукт имеет более короткий C−H• • •O контакт и меньшую энергию (на 3,4 ккал/моль), чем минорный продукт (R,R), где это взаимодействие более отдаленное и, предположительно, более слабое.
Моноацетали хинона сочетают в одной структуре как α, β-непредельный карбонильный
фрагмент, так и функциональные возможности аллильных ацеталей, а также интересны из-за их широких возможностей применения во многих химических преобразованиях, для использования в качестве промежуточных продуктов и важных строительных блоков для синтеза натуральных продуктов [48]. Реакциями нуклеофильного присоединения к моноацетальному углероду хинонов являются, например, присоединение по атому углерода карбонильной группы (т. е. 1,2-присоединение), а также сопряженное присоединение по еноновому фрагменту (т. е. 1,4-присоединение) и различные циклизации с участием этих процессов. Что касается хемо- и региоселективности реакций, действие многих используемых органических и неорганических
катализаторов рассчитано на совместное влияние нековалентных взаимодействий, координации и т. д. [48]. В стратегии [3 + 2] присоединения к ацеталям хинона серии нуклеофилов с двойной связью (схема 1.22) используется кислота Бренстеда, активирующая водородные взаимодействия совместно с донорным растворителем, гексафторизопропанолом [49]. Этот полярный растворитель благоприятствует образованию водородных связей, не являясь при этом акцептором водородной связи. Образование интермедиата с водородной связью содействует циклизации карбонильного фрагмента в таутомер кето-типа, которая сопровождается ароматизацией в качестве дополнительной движущей силы реакции с получением продукта формального [3 + 2] присоединения.
1.2.9. Активация C−S-связи
Трансформации тиольной (R−SH) или тиоэфирной (R−S−R′) групп и их производных явля-
ются ключевыми шагами многих ферментативных реакций и обменных процессов. Например, коэнзим А (HSCoA) является сокатализатором при активации ряда субстратов в организмах; в качестве примера можно упомянуть превращение (S)-цитрил-SCоA в цитрат в цикле Кребса (схема 1.23). Реакция протекает за счет образования Н-связи, содействующей нуклеофильной атаке енолятf или тиоэфирf по α-углеродному атому цитрата [50]. Гидролиз сложного тиоэфира (цитрил-SCоA), образующегося при альдольной конденсации, обеспечивает значительное уменьшение свободной энергии (∆G◦′ = −31,5 кДж/моль или −7,5 ккал/моль), что способствует протеканию всего процесса.
1.2.10. Активация C=S-связи
Стереоспецифическая нуклеофильная атака по атому углерода C=S представляет собой простой и универсальный способ построения стереоцентров рядом с гетероатомами с полной инверсией стереохимии [51]. Во многих случаях межмолекулярные и внутримолекулярные водородные связи не только контролируют стереохимию, но и влияют на реакционную способность и другие свойства тиокетонов или тиоальдегидов. Связь C=S в тиокетонах длиннее, чем соответствующая С=O-связь в кетонах, и ее длина также зависит от заместителей. Атом серы является более слабым акцептором водородной связи по сравнению с кислородом, и, соответственно, образование внутримолекулярных водородных связей O−H• • • S предпочтительнее,
чем S−H• • •O, что видно на схеме 1.24 [52]. Этот эффект проявляется в реакционной способности 4-тиоксопентан-2-она: только региоселективное превращение тиокетона обнаружено в его конденсации с фенилгидразином (схема 1.25) [53].
1.3 Активация путем образования галогенной связи
Галогенным связыванием называется нековалентное взаимодействие между концевыми атомами галогенов в соединениях типа R−X (X=Cl, Br, I) и основаниями Льюиса [7, 54]. Более сильные галогенные связи образуются, когда R является сильно электроотрицательным, например в случае полифторированных алкильных или фенильных заместителей. Можно назвать несколько основных различий между галогенной и водородной связью [54]: (i) галогенные связи имеют тенденцию быть более направленными, чем (одиночные) водородные связи; (ii) сила галогенной связи может быть легко настроена, в то время как в случае водородной связи
для этого необходимо внести значительные изменения в участок донорного сайта связывания; (iii) галогенные связи являются гидрофобными, тогда как водородные связи гидрофильны; (iv) размер атома–донора-связи (галогена) значительно больше, чем водорода. Галогенная связь нашла несколько полезных приложений в области дизайна кристаллов и техниках молекулярного распознавания, синтезе, катализе, молекулярных проводниках, жидких кристаллах и биоорганической химии [7, 54]. Роль галогенных связей в органическом синтезе также становится все более заметной.
Так, фторониевый катион F+, полученный из N-фторгетероциклической соли, играет роль
удобного и эффективного катализатора взаимодействия N-замещенных иминов с этилдиазоацетатом, дающего N-замещенные азиридины (схема 1.26) [55]. Высокоэлектрофильная природа F+ позволяет легко активировать имин для последующей нуклеофильной атаки этилдиазоацетата.
Галогенная связь N• • •Х (Х=Br, I) может быть также применена для активации C=N-связей
галогеналканами при электрофильном присоединеним гидридов. В частности, 2-фенилхинолин был восстановлен с использованием эфира Ганча (диэтил-2,6-диметил-1,4-дигидропиридин-3,5-дикарбоксилата) в качестве восстановителя (схема 1.27) [56]. При отсутствии галогеналканов не наблюдалось никакой реакции, однако выходы 98% были достигнуты в присутствии 10 мол.% перфториодооктана CF3(CF2)7I. В спектрах ЯМР 1Н не наблюдалось никаких сдвигов сигналов; это контрастирует с поведением ЯМР 13С, где сигналы хинолина были слегка смещены в сторону слабого поля (на 0,01−0,06 м.д.). Это указывает на наличие слабого взаимодействия между азотом хинолина и иодистого перфторсоединения, которое подтверждается с помощью спектров ЯМР 19F, в котором сигнал группы CF2I проявляется в более слабом магнитном поле (∆ = 0,1 ppm), и все химическое сдвиги сильно зависят от концентрации. Полученные результаты могут быть связаны с тем, что фторированные иодоалканы, такие как CF3(CF2)7I или CF3(CF2)7Br, образуют прочные галогенные связи с атомами азота в sp2-гибридном состоянии [56].
Как правило, электрофильность атомов галогена, участвующих в галогенной связи, достаточно велика, когда они присоединены к сильным электроноакцепторным группам, таким как фторуглеродные цепи, например, CF3(CF2)7I. Эта высокая способность к образованию галогенных связей у перфторалкилированных галогенидов может быть использована в качестве альтернативы ковалентным перфторированным цепям, извлекающим углеводородные реагенты из органической фазы [57]. Так, галогено-связанный аддукт 1,4-диазабицикло [2.2.2]октана (DABCO) и двух молекул перфтороктилиодида (DABCO•(C8F17I)2) вводили в качестве регенерируемого супрамолекулярного фторсодержащего органокатализатора в реакции аромати-
ческих альдегидов с метилакрилатом (реакция Морита–Бейлис–Хиллмана; схема 1.28) [58].
Аддукт DABCO•(C8F17I)2 образовывался в результате галогенного связывания; после каталитической реакции DABCO•(C8F17I)2 легко отделяется путем фильтрации.
Галогенсодержащие катализаторы также активируют C−Br-связь бромида бензгидрила в его реакции с дейтерированным ацетонитрилом (схема 1.29) [59]. Гидролиз полученного нитрильного интермедиата с помощью следов воды дает N-оксид дифенилметилацетамида с хорошим выходом. Без катализатора или в присутствии его водородного аналога выход реакции снижается до менее чем 5%. Следовательно, галогенная связь успешно способствует ускорению этой реакции, и наилучшая активация наблюдается в присутствии BF4-аниона (выход 97%), в то время как реакция в присутствии CF3SO3H дает 25% выхода продукта.
1.4. Другие виды нековалентных взаимодействий и их перспективы
Другие нековалентные взаимодействия, такие как S• • •O, S• • •N, P• • • P, P • • •N, B• • •N и B• • •O, также важны для молекулярного распознавания, биологической активности некоторых соединений [60] и регулирования каталитических функций [61]. Так, S • • •O-взаимодействия предположительно играют ключевую роль в синтезе хиральных сульфоксидов по реакции Пуммерера (схема 1.30) [62]. Предполагается, что при координации ангидрида уксусной кислоты к триметилсилилтрифторацетату в реакции с амидами (или лактамами) образуется интермедиат I.
Параллельно взаимодействие хирального сульфоксида с амидом (или лактамом) приводит к интермедиатам II и III, в которых имеются меж- и внутримолекулярные S• • •O-взаимодействия. Оказалось, что структура II является более стабильной, чем III, из-за стерического отталкивания между арильной и карбонильной групами в III. Последующее ацетилирование сульфонильного атома кислорода в II уксусным ангидридом в присутствии активных частиц I дает хиральный интермедиат IV сульфуранового типа. Последующее отщепление метиленового α-водорода анионом CF3S(=O)2O− из IV приводит к образованию жесткого промежуточного илида V, стабилизированного как меж- так и внутримолекулярными S• • •O-взаимодействиями. Стереоселективность 1,2-переноса ацетокси-группы в V описывается тремя правдоподобными моделями: тесной ионной пары, переноса и циклизации, с получением желаемого хирального Пуммереровского продукта.
Необычные внутримолекулярные S• • •X (где X=O или S) взаимодействия были обнаруже-
ны для большого количества соединений серы, таких как ацетазоламид, тиазолины, природный противоопухолевый антибиотик леинамицин, циклические сульфинилы, или 1,3-дитиолах, и показана важность контроля их структурных свойств и химической активности. Например, была продемонстрирована роль внутримолекулярных взаимодействий S• • •O в региохимическом контроле 4-оксотиазолидин → 1,2-дитиол-3-илидентионовой перегруппировки (схема 1.31) [63, 64]. Взаимодействие с раскрытием цикла/замыканием цикла определенных 4-оксотиазолидин-енаминокетонов в присутствии реагента Лавессона приводит к функционализированным 1,2-дитиол-3-илидентионам. Эта реакция инициируется направленным взаимодействием S• • •O нековалентного 1,5-типа в 4-оксотиазолидинах. Расстояния S• • • S в 1,2-дитиол-3-илидентионах
составляют 2,3374 (5) и 2,3408 (5) ˚A, что меньше суммы ван-дер-ваальсовых радиусов ,но относительно велико по сравнению с ковалентной связью S−S (2,08 ˚A), и они имеют не совсем одинаковую длину, так как два конденсированных кольца отличаются (см. изомеризацию 1,2-дитиол-3-илиден-тионов на схеме 1.31).
Другой тип нековалентного взаимодействия, пниктогенная связь, образуется атомами группы 15 (N, P, или As, т. е. пниктогены) и основаниями элементов Льюиса, и она также заслуживает внимания [8]. Данная связь отличается от водородной связи, но сходна с галогеннойи халькогенной связью. Пниктогенная связь (Х)А(Н)• • •D образуется электронами, переданными основанием Льюиса D-атому пниктогена А, который действует как кислота Льюиса и показывает высокую степень анизотропии. Х представляет собой группу-заместитель (или группы-заместители), а Н представляет собой атом водорода (атомы водорода), связанный с А, но не взаимодействующий непосредственно с D. Например, B• • •N, P• • •N, As• • •N, S• • •N и P• • • P-взаимодействия являются признанными [8], но они до сих пор не нашли приложения в синтезе.
1.5. Заключительные комментарии
Нековалентные взаимодействия имеют богатую историю исследования, и они в значительной степени определяют свойства конденсированных фаз, растворов и кристаллов. Известно множество примеров их использования в качестве инструмента для активации ковалентных связей и, таким образом, в синтезе. Повышенное внимание уделялось водородным связям и в меньшей степени _ галогенным связям из-за их обширного потенциала во многих областях катализа,
молекулярного распознавания, супрамолекулярной химии, химии материалов, а также биохимии. Известны также другие нековалентные взаимодействия, такие как S• • •O, S• • •N, P• • • P, P• • • N, B• • •N, B• • •O, и т. д., но их применение в синтезе еще предстоит разработать (прежде всего это относится к пниктогенным связям с участием элементов 15-й группы). Приведенные примеры использования нековалентных взаимодействий в синтезе показывают, что эти силы определяют результат многих химических превращений и, в частности, актуальной очень перспективной темой является контроль регио- и стереоселективности реакций.
Литература
1. P. M. Pihko (Ed.), Hydrogen Bonding in Organic Synthesis, Wiley — VCH, Weinheim, 2009.
2. P. Gilli, G. Gilli, The Nature of the Hydrogen Bond, Oxford University Press, Oxford, 2009.
3. P. Hobza, K. Muller – Dethlefs, Non-covalent Interactions: Theory and Experiment, Royal Society of Chemistry, Cambridge, UK, 2010.
4. P. A. Gale, J. W. Steed (Eds.), Supramolecular Chemistry: From Molecules to Nanomaterials, John Wi-
ley&Sons, Ltd, Chichester, 2012.
5. A.K. Baev, Specific Intermolecular Interactions of Organic Compounds, Springer, Heidelberg, 2012.
6. A. K. Baev, Specific Intermolecular Interactions of Nitrogenated and Bioorganic Compounds, Springer, Heidelberg, 2014.
7. P. Metrangolo, G. Resnati, Halogen Bonding: Fundamentals and Applications (Structure and Bonding);
Springer, Heidelberg, 2010.
8. S. Scheiner, Acc. Chem. Res. 2013, 46, 280.
9. C. J. Allpress, L. M. Berreau, Coord. Chem. Rev. 2013, 257, 3005.
10. J.-J. Li, T. D. H. Bugg, Chem. Commun. 2005, 5, 130.
11. J.-J. Li, T. D. H. Bugg, Org. Biomol. Chem. 2007, 5, 507.
12. M. N. Kopylovich, K. T. Mahmudov, M. Haukka, A. J. L. Pombeiro, New J. Chem. 2014, 38, 495.
13. R. Solhnejad, F. S. Aliyeva, A. M. Maharramov, R. A. Aliyeva, F. M. Chyragov, A. V. Gurbanov, K. T.
Mahmudov, M. N. Kopylovich, J. Mol. Struct. 2013, 1050, 180.
14. S.-B. Zhao, E. Bilodeau, V. Lemieux, A. M. Beauchemin, Org. Lett. 2012, 14, 5082.
15. N. J. Cooper, D. W. Knight, Tetrahedron 2004, 60, 243.
16. X. Wang, X. Wang, W. He, Org. Biomol. Chem. 2014, 12, 3163.
17. H.-U. Reissig, R. Zimmer, Chem. Rev. 2003, 103, 1151.
18. X.-M. Deng, P. Cai, S. Ye, X.-L. Sun, W.-W. Liao, K. Li, Y. Tang, Y.-D. Wu, L.-X. Dai, J. Am. Chem. Soc.
2006, 128, 9730.
19. R. Chinchilla, C. Najera, Chem. Rev. 2014, 114, 1783.
20. R. Salvio, M. Moliterno, M. Bella, Asian J. Org. Chem. 2014, 3, 340.
21. S. Suzuki, E. Tokunaga, D. S. Reddy, T. Matsumoto, M. Shiro, N. Shibata, Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 4131.
22. T. Inokuma, M. Furukawa, Y. Suzuki, T. Kimachi, Y. Kobayashi, Y. Takemoto, ChemCatChem 2012, 4, 983.
23. T. Inokuma, M. Furukawa, T. Uno, Y. Suzuki, K. Yoshida, Y. Yano, K. Matsuzaki, Y. Takemoto, Chem. Eur.
J. 2011, 17, 10470.
24. A. Brik, C.-H. Wong, Org. Biomol. Chem. 2003, 1, 5.
25. B. C. M. Fernandes, C. Mateo, C. Kiziak, A. Chmura, W. Wacker, F. Rantwijk, A. Stolz, R. A. Sheldon, Adv.
Synth. Catal. 2006, 348, 2597.
26. A. Erkkil¨a, I. Majander, P. M. Pihko, Chem. Rev. 2007, 107, 5416.
27. S. Kobayashi, Y. Mori, J. S. Fossey, M. M. Salter, Chem. Rev. 2011, 111, 2626.
28. J. Wang, T. Shi, G. Deng, H. Jiang, H. Liu, J. Org. Chem. 2008, 73, 8563.
29. A. Viso, R. Fern´andez de la Pradillla, A. Garc´ıa, A. Flores, Chem. Rev. 2005, 105, 3167.
30. M. Martjuga, D. Shabashov, S. Belyakov, E. Liepinsh, E. Suna, J. Org. Chem. 2010, 75, 2357.
31. A. Noble, J. C. Anderson, Chem. Rev. 2013, 113, 2887.
32. T. Cheng, S. Meng, Y. Huang, Org. Lett. 2013, 15, 1958.
33. A. Kumar, J. Kaur, S. S. Chimni, A. K. Jassal, RSC Adv. 2014, 4, 24816.
34. V. Y. Kukushkin, A. J. L. Pombeiro, Chem. Rev. 2002, 102, 1771.
35. K. T. Mahmudov, M. N. Kopylovich, A. J. L. Pombeiro, Arylhydrazones of methylene active nitriles as
promising ligands and starting materials for organic synthesis, in Ligands: Synthesis, Characterization and Role in Biotechnology, P. Gawryszewska, P. Smole´nski (eds.), Nova Science Publishers, New York, 2014, pp. 177–198.
36. M. N. Kopylovich, K. T. Mahmudov, A. Mizar, A. J. L. Pombeiro, Chem. Commun. 2011, 47, 7248.
37. F. Himo, Z. P. Demko, L. Noodleman, K. B. Sharpless, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 12210.
38. D. Cantillo, B. Gutmann, C. O. Kappe, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 4465.
39. P. B. Palde, T. F. Jamison, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 3525.
40. N. Nishiwaki, K. Kobiro, S. Hirao, J. Sawayama, K. Saigo, Y. Ise, Y. Okajima, M. Ariga, Org. Biomol. Chem. 2011, 9, 6750.
41. O. T. du Boullay, A. Alba, F. Oukhatar, B. Martin-Vaca, D. Bourissou, Org. Lett. 2008, 10, 4669.
42. R. Ferreira, H. Garcia, A. F. Sousa, M. Guerreiro, F. J. S. Duarte, C. S. R. Freire, M. J. Calhorda, A. J. D. Silvestre, W. Kunz, L. P. N. Rebelo, C. S. Pereira, RSC Adv. 2014, 4, 2993.
43. A. M. R. Smith, K. K. (Mimi) Hii, Chem. Rev. 2011, 111, 1637.
44. M. Yus, J. C. Gonz´aez-G´omez, F. Foubelo, Chem. Rev. 2013, 113, 5595.
45. S. Bahmanyar, K. N. Houk, H. J. Martin, B. List, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 2475.
46. G. G. R. Desiraju, T. Steiner, The Weak Hydrogen Bond in Structural Chemistry and Biology, Oxford University Press, Oxford, 1999.
47. R. C. Johnston, P. H.-Y. Cheong, Org. Biomol. Chem. 2013, 11, 5057.
48. D. Magdziak, S. J. Meek, T. R. R. Pettus, Chem. Rev. 2004, 104, 1383.
49. T. Dohi, Y. Hu, T. Kamitanaka, N. Washimi, Y. Kita, Org. Lett. 2011, 13, 4814.
50. J. M. Berg, J. L. Tymoczko, L. Stryer, Biochemistry, W. H. Freeman, New York, 2002.
51. M. Esseffar, M. El Messaoudi, S. Azzouzi, R. Jalal, J. A. S´aez, L. R. Domingo, J. Latorre, M. Liu-Gonz´alez, J. Phys. Org. Chem. 2009, 22, 31.
52. G. Buemi, J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1990, 86, 2813.
53. S. V. Kumar, S. K. Yadav, B. Raghava, B. Saraiah, H. Ila, K. S. Rangappa, A. Hazra, J. Org. Chem. 2013, 78, 4960.
54. A. Priimagi, G. Cavallo, P. Metrangolo, G. Resnati, Acc. Chem. Res. 2013, 46, 2686.
55. S. P. Bew, S. A. Fairhurst, D. L. Hughes, L. Legentil, J. Liddle, P. Pesce, S. Nigudkar, M. A. Wilson, Org. Lett. 2009, 11, 4552.
56. A. Bruckmann, M. A. Pena, C. Bolm, Synlett 2008, 6, 900.
57. S. Dordonne, B. Crousse, D. Bonnet-Delpon, J. Legros, Chem. Commun. 2011, 47, 5855.
58. S. M. Walter, F. Kniep, E. Herdtweck, S. M. Huber, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 7187.
59. S. Zhu, C. Xing, W. Xu, Z. Li, Tetrahedron Lett. 2004, 45, 777.
60. M. Iwaoka, S. Takemoto, M. Okada, S. Tomoda, Chem. Lett. 2001, 132.
61. C. Dugave, L. Demange, Chem. Rev. 2003, 103, 2475.
62. Y. Nagao, S. Miyamoto, M. Miyamoto, H. Takeshige, K. Hayashi, S. Sano, M. Shiro, K. Yamaguchi, Y. Sei, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 9722.
63. A. Raˇsovi´c, P. J. Steel, E. Kleinpeter, R. Markovi´c, Tetrahedron 2007, 63, 1937.
64. A. Raˇsovi´c, A. Koch, E. Kleinpeter, R. Markovi´c, Tetrahedron 2013, 69, 10849.
ГЛАВА 2
СВЯЗИ БОР−АЗОТ:
УДОБНЫЙ СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ МОЛЕКУЛ
Дж.П.М. Антонио, Г.Д. В. Фариас,
Ф.M.Ф. Сантос, Р. Oливейра,
П.M.С.Д. Кал и П.M.П. Гойс
2.1. Введение
Бороновые кислоты представляют собой органические соединения, в состав которых входит sp2-гибридный атом бора, соединенный с одним алкильным, винильным или арильным заместителем, двумя гидроксильными группами, а также имеющий вакантную р-орбиталь, поскольку атом бора имеет только шесть валентных электронов (1, схема 2.1). Большинство бороновых кислот имеет плоскую тригональную геометрию; гидроксильные группы находятся в одной плоскости с арильным заместителем, а пустая орбиталь _ в перпендикулярной.
Исключение из этого правила составляют орто-замещенные ароматические производные, для которых ароматическое кольцо располагается перпендикулярно для минимизации пространственного напряжения.
Однако для того, чтобы дополнить электронную оболочку атома бора до октета, бороновые кислоты могут также координировать молекулы оснований и существовать в виде стабильных тетракоординированных аддуктов с тетраэдрической геометрией. Такая координация, вызванная дефицитом электронов у атома бора (недостаточной валентностью атома бора) приводит к появлению отрицательного заряда, который формально изображается на этом атоме (2, схема 2.1). Подобное комплексообразование объясняет уникальные свойства бороновых кислот как мягких органических кислот Льюиса, отличающие их поведение от обычной бренстедовской основности, обусловленной равновесными реакциями гидроксильных групп в воде.
Другими словами, бороновые кислоты способны ионизировать воду с образованием гидроксониевых ионов не путем прямого отрыва протона от их гидроксильных групп, а в результате «непрямой» передачи протона [1]. Подобный характер протонирования важен при связывании с такими основаниями Льюиса ряда 1,2-дигидроксипроизводных, как пирокатехины, углеводы, гидроксамовые кислоты и даже некоторые белки.
Схема 2.1 иллюстрирует присоединение 1,2-диола к бороновой кислоте, приводящее к образованию циклического эфира бороновой кислоты 3 и сопровождающееся ионизацией атома бора для поддержания кислотно-основного равновесия. Эта особенность уменьшает кажущийся рКа бороновой кислоты 1 и способствует ее расходованию в процессе реакции.
Вульфом было описано новое соединение [2], синтезированное с целью улучшения свя-
зывающей способности бороновых кислот при нейтральном рН. Этого удалось достичь за
счет снижения рКа бороновой кислоты при введении соседней аминогруппы, обеспечивающей внутримолекулярное B−N-взаимодействие. Образование этой донорно-акцепторной связи приводит к уменьшению валентных углов O−B−O, что способствует стабилизации эфиров бороновых кислот при нейтральном рН и расширяет возможности их биологического применения. Кроме того, наличие взаимодействия B−N в тетракоординированном производном бора может также оказывать влияние на флуоресценцию соседних флуорофоров [3]. Особый тип таких соединений, содержащих в орто-положениии бензольного кольца молекулы бороновой кислоты диалкиламинометильную группу (например, соединение 4), играют важную
роль в синтезе различных хемосенсоров и называются бороновыми кислотами Вульфа [4, 5]. Данные соединения будут подробно рассмотрены далее в этой главе.
Атом бора на один электрон более электронодефицитен, чем атом углерода, а атом азота на один электрон более электроноизбыточен по сравнению с углеродом. Таким образом, можно предположить, что ковалентная связь B−N будет изоэлектронна связи C−C. Основное отличие заключается в гетерогенном/ионном характере связи B−N, приводящим к разнице в электронных и оптических свойствах по сравнению с соответствующими C−C-соединениями [6]. В результате ковалентная связь B−N в течение многих десятилетий используется в качестве изостера C−C-связи при усовершенствовании свойств соединений.
В этой главе показывается важность донорно-акцепторных и ковалентных связей B−N для
различных приложений. Особое внимание уделено структурной изменчивости B−N-содержащих соединений, от C−C-изостеризма в простых гетероциклах до сложных супрамолекулярных структур и хемосенсоров.
2.2. B−N-содержащие ароматические гетероциклы
С момента своего открытия Фарадеем в 1825 году [7] бензол 5 стал одним из наиболее изученных соединений в химии. Его особенностью является электронное сопряжение, приводящее к высокой стабильности и реакционной способности, что в свое время было удивительно. Ароматические соединения заняли ключевые позиции в науке, найдя различное применение: от биомедицинской промышленности и разработки лекарственных препаратов [8, 9] до производства полимеров и материалов [10], органической электроники [11], сельского хозяйства [12]
и многих других отраслей. Поэтому в связи с вышеупомянутым C−C/B−N-изостеризмом,
B−N-содержащие ароматические молекулы можно рассматривать в качестве перспективных соединений. В данном разделе основное внимание уделяется обсуждению боразола 6, азаборина 7 и их полициклических производных, структурных характеристик, реакционной способности и применения (рис. 2.1).
2.2.1. Боразол
Первое упоминание о B−N-содержащем аналоге бензола было опубликовано Стоком и Похландом [13], которые синтезировали боразол 6 в 1926 году. Боразол обычно называют «неорганическим бензолом» из-за его изоэлектронного и изоструктурного сходства с бензолом (схема 2.2).
Однако несмотря на очевидное сходство с бензолом, ароматичность боразола по-прежнему является предметом обсуждения. В первое время его ароматичность казалась очевидной, так как боразол удовлетворяет классическим критериям ароматичности: 4n+2 π-электронов, плоская структура и одинаковая длина связей. Длина связи в боразоле (1,432 ˚A) [14] промежуточная между длинами связей одинарной и двойной B−N-связей (1,58 и 1,40 ˚A соответственно) [15], также как и в его органическом аналоге, что еще больше свидетельствует в пользу ароматичности.
Тем не менее предполагалось, что из-за разницы в электроотрицательностях между атомами азота и бора ароматичность боразола будет ниже. Это подтверждалось тем, что боразол преимущественно вступал в реакции присоединения, вместо типичного ароматического замещения, характерного для бензола. В самом деле, первая реакция электрофильного ароматического замещения в боразоле была описана только в 1999 г. группой Форнарини [16]. Позже были разработаны новые методы оценки ароматичности, которые были затем применены к боразолу и показали более убедительные доказательства [17]. Эти результаты были проанализированы Мерино с сотр. и позволили сделать интересные выводы [18]. Энергии ароматической стабилизации [19, 20], расчеты порядка связи [21], анализ энергии разложения [22], величины химических сдвигов [23] и другие магнитные эксперименты [24] − все свидетельствовало о низкой ароматичности боразола или ее отсутствии. Из-за большей электроотрицательности атомов азота распределение электронов не является равномерным, предполагая большую локализацию п-электронов вокруг этих атомов. Даже более поздние эксперименты не смогли в полной мере подтвердить ароматический характер боразола [25–31]. Очевидно, что его характеристики сильно отличаются от бензола.
Что касается его применения, боразол предлагалось использовать в качестве потенциального носителя для хранения водорода [32–34]. Боразол также является важным интермедиатом в производстве борнитрильных нанотрубок и керамики. Действительно, соотношение B/N в боразоле идеально для этих целей. Нитрид бора представляет собой бинарное соединение, с одним атомом бора и одним атомом азота в составе, который из-за его сходства с производными углерода может образовывать интересные полимеры, напоминающие графит или алмаз (гексагональный нитрид бора и кубический нитрид бора, соответственно). Жесткость кубической структуры нитрида бора превосходит только сам алмаз, но нитрид бора имеет более высокую термическую и химическую стабильность. Гексагональная структура является более стабильной кристаллической формой и состоит из серии графеноподобных гексагональных слоев, содержащих ковалентно связанные атомы бора и азота (рис. 2.2) [35]. Слои удерживаются с помощью ван-дер-ваальсовых сил притяжения, как и в графите. Нитрид бора интересен своими физико-химическими характеристиками, такими как высокая теплопроводность и стабильность, устойчивость к коррозии и окислению, а также сильному УФ-излучению, сверхвысокая гидрофобность, отсутствие токсичности, экологичность, высокая диэлектрическая проницаемость, высокое удельное сопротивление и многие другие важные свойства [35]. Помимо всего
этого, комплексы нитрида бора позволяют менять все эти свойства просто путем изменения метода их синтеза. Различные методы получения, структуры полимеров, характеристику и подробное описание использования можно найти в обзоре Миеле и Бернарда [35].
Важно отметить, что большинство исходных веществ для синтеза нитрида бора получают
из боразола и его производных, поэтому необходимо иметь представление о его реакционной способности. В-азидо-, В-нитро- и В-нитраминопроизводные также были получены [36] и нашли применение в энергетике в качестве взрывчатых материалов. В частности, боразолы 11 и 12 являются лучшими детонаторами, чем обычно используемый 4,6-диазидо-N-нитро-1,3,5-триазин-2-амин 10 (рис. 2.3) [37]. Льюисовская основность атомов азота дает боразолу возможность образовывать аддукты с алюминием, галием и оловом [38]. Образование таких аддуктов, а также связывание с другими объемными заместителями при атомах B может приводить у потере планарности кольца боразола [39]. С другой стороны, другие заместители, например фтор, способны увеличить стабильность кольца за счет электронной делокализации. Таким образом, важно учитывать влияние заместителей на физико-химические свойства боразола.
2.2.2. Азаборины и полициклические производные
Предполагалось, что гибридные органо-неорганические молекулы, сочетающие в своем составе фрагменты бензола и боразола, будут иметь интересное и перспективное сочетание характеристик. Их можно получить заменой C−C-связи на изостерическую связь B−N. Первое упоминание о синтезе ароматического соединения, содержащего связь B−N вместо связи С−С, можно найти в работе Дьюара с сотр., которые в 1958 г. синтезировали аналог фенантрена 14 (схема 2.3) [40]. В дальнейшем в работах Дьюара были описаны другие ароматические аналоги и синтезирована интересная библиотека моно- [41] и полициклических [42] соединений. Эти работы способствовали дальнейшим исследованиям данных классов соединений [15, 43, 44].
2.2.2.1. Моноциклические производные
Типичным представителем данного класса соединений является 1,2-дигидро-1,2-заборин 7. Были получены и изучены также другие азаборины с атомами бора и азота в различных положениях (8 и 9), однако так как в них нет формальной связи между атомами бора и азота, онине рассматриваются в рамках данной главы, и далее мы обычно будем называть азаборином 1,2-дигидро-1,2-азаборин. Несмотря на большие достижения в химии азаборинов, содержащих заместители при атомах B и N [43], простейшее соединение, 1,2-азаборин, в течение долгого времени так и не было синтезировано. Проблема была решена только в 2009 году Лью и сотр., которые опубликовали методику его синтеза, однако с очень низким выходом. Четырьмя годами позже, в 2013 году, Лью описал методику, пригодную для синтеза больших количеств соединения 7 без защитных групп, что позволило наконец полностью его охарактеризовать [45]. Предварительные исследования показали для азаборина такие классические свойства ароматических соединений, как способность к реакциям электрофильного замещения и делокализованную структуру [46, 47]. Данные рентгеновской и микроволновой спектроскопии показали планарность кольца и длины всех связей (CC, CN, CB и B−N) промежуточные между длинами одинарных и двойных связей [47, 48]. Магнитные свойства [49], резонансные энергии стабилизации (теоретические и экспериментальные) [50, 51], химическое экранирование, описание ароматичности на основе модели гармонического осциллятора, индексы пара-делокализации, индекс ароматической флуктуации [52] − все данные свидетельствуют об ароматичности, более низкой, чем для бензола, но выше, чем у боразола. Любопытно, что 1,3-азаборин более ароматичен, чем 1,2-азаборин. Следует помнить, что стабильность − общее свойство молекулы, тогда как ароматичность является стабилизирующим эффектом, который возникает из-за циклической электронной делокализации [53].
Азаборин, по-видимому, стабилен в воде и устойчив к окислению, но устойчивость зависит от заместителей в кольце, прежде всего _ при боре и атоме С3 [54].
Азаборин является изостером бензола, но с «добавкой» полезных свойств бора: ядерный спин, большое сечение захвата электронов и кислотность Льюиса, что может найти практическое применение [55]. Было показано, что азаборин 15 (рис. 2.4) связывается с гидрофобным карманом T4 лизоцима, что интересно с точки зрения его биологического применения. Другое соединение, диазоборин 16 − широко известный антибиотик, способный ингибировать синтез жирных кислот [56]. Недавние данные показывают противомикробную активность соединения 17, ингибирующего созревание рРНК больших рибосомальных субъединиц (рис. 2.4) [57].
Развитие химии бензодиазаборинов (например, соединения 16 и 17) как структурных аналогов противотуберкулезного препарата изониазида (INH) является классическим примером данного изостеризма [56, 58, 59]. Мишенью данных препаратов и INH является НАДФ-зависимый еноил-ацильный переносчик протеинредуктазы (ENR), который катализирует конечную стадию синтеза жирных кислот [60]. Льюисовская кислотность атома бора в бензодиазоборинах позволяет атаковать ОН-группу рибозного фрагмента НАД-кофактора ENR [58, 59].
Другие микроорганизмы, например, грамотрицательные бактерии (кишечная палочка) [61] иплазмодии [62], также чувствительны к этому классу соединений, так как они имеют схожие с ENR ферменты, необходимые для биосинтеза жирных кислот.
2.2.2.2. Полициклические производные
Первым синтезированным полициклическим соединением, которое уже упоминалось ранее, был фенантрен 14, полученный Дьюаром с сотр. [40]. Его N-производные могут быть синтезированы реакциями нуклеофильного замещения [63]. Помимо фенантренов и азаборинов, Дьюаром были также синтезированы трифенилен 18 [41], пирены 19–21 [64], хризен 22, бензо[а]антрацены 23 и 24 и нафталин 25 (рис. 2.5) [42].
Эта библиотека полициклических соединений оказалась востребована в органической электронике в связи с их интересными оптическими свойствами. При этом были достигнуты значительные успехи в методиках синтеза, которые кратко изложены в работах Пей и соавт. [44].
Применение этих соединений обусловлено их оптическими и электронными свойствами. Соединение 26 показало высокую термическую стабильность (5% потери массы в диапазоне 340–400 ◦C) и устойчивость к кислороду и влаге, что является идеальными характеристиками для электронных устройств. Полевые транзисторы на основе этого соединения были успешно использованы при создании транзисторов [65]. С другой стороны, из-за очень сильного электронного сопряжения в этих системах некоторые из них имеют интересные оптические свойства. Так, соединение 27 обладает темно-синей флуоресценцией [66], и на основе его структуры были созданы органических светодиоды с использованием соединений 28 и 29 (рис. 2.6) [67, 68].
Абель M. Магеррамов окончил Бакинский государственный университет (Азербайджан)
по специальности «химия». В 1976 году защитил кандидатскую, в 1991 году докторскую
диссертацию в Московском государственном университете. С 1991 года профессор Бакинского государственного университета, с 1993 по 1999 гг. декан химического факультета, с 1999 года ректор Бакинского государственного университета. Академик Национальной академии наук Азербайджана (2007 г.), Национальной академии наук Грузии (2013 г.) и Российской академии наук (2016 г.). Автор 71 монографии, соавтор свыше 700 научных публикаций в индексируемых международных научных журналах, имеет 55 патентов, выступал с 45 докладами на международных конференциях. Под его руководством защищено более 60 кандидатских и докторских диссертаций. Научные интересы группы А.М. Магеррамова связаны с органической, координационной и супрамолекулярной химией, особое внимание уделяется исследованию роли нековалентных взаимодействий в синтезе, катализе и дизайне кристаллов. А.М. Магеррамов заслуженный деятель науки Азербайджана. Награжден Орденом
«Шохрат» (2009, Азербайджан), Золотой медалью Организации экономического сотрудничества (2000), орденом «Золотая звезда» Румынии (2004) и удостоен награды ISESCO в области науки и технологий 2012 года. А.М. Магеррамов почетный доктор ведущих университетов Турции, Румынии, Казахстана, Украины, Китая и Албании, а также почетный профессор Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, вице-президент Евразийской ассоциации университетов. В 2005 и 2010 годах избирался членом Парламента Республики Азербайджан.
Камран Т. Махмудов родился в г. Товуз (Азербайджан) и защитил бакалаврскую (2001), магистерскую (2003), кандидатскую (2007) и докторскую (2012) диссертации под руководством академика А.М. Магеррамова и профессора Р.А. Алиевой в Бакинском государственном университете, в котором далее работал в должности ассистента (2006–2008). С 2009 года выполняет научное исследование под руководством A.Дж.Л. Помбейро в Лиссабонском университете.
Имеет более 75 публикаций в индексируемых международных журналах, является автором
двух глав в монографиях и двух обзоров. Область научных интересов К.Т. Махмудова синтез органических и координационных соединений, E/Z изомеризация, гомогенный катализ, активация ковалентных связей посредством нековалентных взаимодействий (в частности, водородных связей) или их совместным действием при координации.
Максимилиан Н. Копылович окончил факультет химической инженерии Белорусского
государственного технологического университета в 1993 году. Защитил кандидатскую диссертацию по специальности «химия» в том же университете. Работал в качестве докторанта (2000–2007), ассистента (2008–2013) и старшего научного сотрудника (с 2014 года по настоящее время) в Центре структурной химии Высшего технического института (IST) Лиссабонского университета. Область научных интересов синтетическая координационная химия и катализ, в частности, им были разработаны новые методы синтеза триазапентадиенатных, полиалкоголятных, арилгидразоновых, иминоиндолиноновых и тетразолатных комплексов металлов практически всех групп Периодической системы. В настоящее время занимается исследованием металл-опосредованного (темплатного) и водород(галоген-активированного синтеза новых
соединений и супрамолекулярных ансамблей.
Армандро Дж. Л. Помбейро профессор Высшего технического института Лиссабонского университета, президент Центра структурной химии, координатор научной тематики синтеза и катализа. Директор Программы по катализу и устойчивости (CATSUS), академик Лиссабонской академии наук, ранее Президент Португальского электрохимического общества. Научная группа Армандро Дж. Л. Помбейро занимается исследованием активации промышленно, экологически и биологически важных малых молекул, включая металлкатализируемый синтез и катализ (в том числе функционализации алканов в мягких условиях), дизайном кристаллов координационных соединений, самоорганизацией полиядерных и супрамолекулярных структур, молекулярной электрохимией и теоретическими исследованиями. Председатель оргкомитета 25-й Международной конференции по металлоорганической химии (ICOMC), член организационных и научных комитетов 40 международных конференций и научных школ. Является автором научной монографии и редактором четырех монографий. Соавтор 600 научно-исследовательских публикаций. Имеет 33 патента, более 100 раз выступал на международных конференциях в качестве приглашенного лектора. Имеет более 14 000 цитирований; h-индекс = 56 (по данным Web of Science). Награжден премией Испанского королевского химического общества и премией Португальского химического и электрохимического общества.
Предисловие к изданию на русском языке
Современная химия, как и вся наука, становится все более и более междисциплинарной. Работа на стыке двух или нескольких областей придает любым исследованиям синергетический эффект и, как правило, все прикладные работы имеют такой междисциплинарный характер. На мой взгляд, монография «Non-covalent interactions in the synthesis and design of new compounds», изданная издательством Wiley в 2016 году, представляет собой образец междисциплинарности. Эта книга, подготовленная под редакцией известных ученых из Азербайджана и Португалии (А.М. Магеррамов, К.Т. Махмудов, М.Н. Копылович, А.Дж.Л. Помбейро), собрала в себе все самые интересные тенденции в области нековалентных взаимодействий и практического применения этих знаний в управлении различными химическими процессами и явлениями. Именно поэтому возникла идея перевода этой книги на русский язык.
Нековалентные взаимодействия это взаимодействия, которые имеют существенно меньшую энергию по сравнению с обычными ковалентными связями. Тем не менее, их значение в любых областях современной химии чрезвычайно велико. Более того, понимание современной химии без этих взаимодействий практически невозможно.
На мой взгляд, у этой книги должна быть очень широкая читательская аудитория. Трудно
перечислить все области химии, которые затрагивает представленный материал это органическая химия и неорганическая химия, химия координационных соединений и кристаллохимия, супрамолекулярная химия и биохимия, структурная химия и материаловедение, катализ и различные методы физико-химического анализа. Эта книга будет полезна как студентам и аспирантам, только начинающим свое познание науки, так и большинству ученых и преподавателей.
Я хотел бы выразить искреннюю благодарность тем людям, без помощи которых издание
этой книги на русском языке было бы невозможно. Загоревшись идеей издать данную книгу на русском языке, первым делом я обсудил возможность ее перевода с одним из редакторов книги А.М. Магеррамовым (ректор Бакинского государственного университета) и сразу получил полную поддержку. Большую помощь в издании нам также оказал Н.Г. Шихалиев (заместитель заведующего кафедрой органической химии БГУ). Я очень благодарен своим коллегам профессорам кафедры органической химии МГУ Е.К. Белоглазкиной и С.З. Вацадзе (за помощь в организации перевода и работу над книгой), а также всем сотрудникам и аспирантам нашей кафедры, которые принимали в этом участие. Наконец, я получил большое удовольствие от профессионализма сотрудников издательства «Техносфера» С. Орлова и О. Кулешовой, с которыми мы в очень сжатые сроки выпустили эту книгу.
Заведующий кафедрой органической химии
МГУ имени М.В. Ломоносова
Профессор В.Г. Ненайденко
Декабрь 2016 года
Предисловие
Важность нековалентных взаимодействий общепризнана с давних пор [1], и они продолжают привлекать внимание ученых, работающих в различных областях химии и технологии. Обычно под нековалентными взаимодействиями подразумевают атомные или молекулярные контакты, при которых не происходит образования общих электронных пар или потери электронов. Как и любое определение, такое упрощение несколько спорно, но оно все же позволяет разграничить слабые (нековалентные) взаимодействия и ковалентные, координационные, металлические или ионные связи. К числу нековалентных относятся, в частности, водородные, галогенные, халькогенные и пниктогенные связи, ван-дер-ваальсовы взаимодействия, − взаимодействия, и т.п. Заметим, что в различных областях химии нековалентными могут считаться разные типы связей. Например, в органической химии координационная связь рассматривается как нековалентное взаимодействие. Тем не менее можно выделить некоторые общие закономерности.
Так, если рассматривается взаимодействие каких-либо атомов, которое проявляется в значительном уменьшении межатомного расстояния по сравнению с суммой ван-дер-ваальсовых радиусов; обладает определенной направленностью в пространстве, и в то же время образует гораздо более низкой энергией, чем типичные «ковалентные» связи (< 100 кДж/моль), то такие взаимодействия можно считать нековалентными.
Слабость и разнообразная природа нековалентных взаимодействий делает их важными
в различных приложениях, например при синтезе органических, неорганических, координационных и металлоорганических соединений и супрамолекулярных ансамблей. С помощью нековалентных взаимодействий реагенты могут быть необходимым образом организованы в пространстве, обеспечивая подходящее геометрическое окружение реагирующих фрагментов, с их помощью может быть изменен энергетический профиль процесса и облегчено его протекание. Так, например, образование множественных галогенных связей между продуктами реакции может быть одной из основных движущих сил процесса (так называемый «спайдерэффект» в синтезе содержащих несколько атомов галогенов органических и координационных соединений).
Хотя в некоторых случаях можно проанализировать и предсказать результат влияния
нековалентного взаимодействия на протекание реакции, в большинстве случаев успех синтеза основывается прежде всего на интуиции и счастливой случайности.
В этой книге проанализированы, по крайней мере частично, результаты и движущие силы
некоторых реакций, управляемых нековалентными взаимодействиями. Роль этих взаимодействий существенна также в смежных областях получения новых материалов и биохимии.
Отметим, что, в отличие от стандартных учебных курсов по основным химическим дисциплинам, в этой книге проблема представлена с точки зрения различных областей химии и различных подходов. Поэтому ее главы написаны учеными разных стран, разных поколений и специальностей, научные интересы и работы которых связаны с этими окружающими нас повсюду слабыми силами.
Хотя не так давно были опубликованы прекрасные книги по разным типам нековалентных
взаимодействий [2–9], постоянно появляются новые факты и концепции. Поэтому некоторые разделы этой книги посвящены последним достижениям в теории нековалентных взаимодействий. С другой стороны, текущий прогресс в структурном и компьютерном анализе привел к развитию статистического подхода к описанию нековалентных взаимодействий в веществах [3–5, 10]. Это позволило обратить внимание на некоторые ранее незамеченные взаимодействия, которые, тем не менее, могут иметь большое практическое значение.
К настоящему времени установлено, что нековалентные контакты играют существенную
роль в синтезе новых соединений и современных материалов. Каталитические химические
превращения, движущей силой которых являются нековалентные взаимодействия или их синергетическое действие при координации (например, в кооперативном катализе), представляют собой одну из наиболее перспективных стратегий в органическом синтезе [2]. Кроме того, нековалентные взаимодействия могут оказаться крайне важными для понимания механизма действия лекарственных средств и функционирования каталитических центров биологических систем [11]. Учитывая это, более глубокое понимание и сознательное использование этих взаимодействий может оказаться важным для биомедицины и смежных с ней областей.
Так, например, нековалентные взаимодействия могут быть использованы при создании транспортных средств для инкапсулирования и адресной доставки терапевтических агентов или биоактивных материалов.
Учитывая сказанное выше, эта книга разделена на несколько частей, в которых представлены органический, неорганический и металлоорганический синтез, катализ, получение кристаллов и биоматериалов, а также биохимия и химия материалов. Хотя такое разделение довольно искусственно, оно дает понятие о современных тенденциях исследований и помогает ориентироваться в книге. Первая часть монографии посвящена роли нековалентных взаимодействий в органическом синтезе. Образование водородных, галогеннных, халькогенных и пниктогенных связей обеспечивает активацию насыщенных и ненасыщенных ковалентных связей, синтез макроциклов; в этом разделе рассмотрена также молекулярная предорганизация.
В следующем разделе обсуждается роль нековалентных взаимодействий в дизайне, синтезе
и применении неорганических, координационных и металлоорганических соединений. Третий раздел посвящен в основном дизайну кристаллов и образованию соединений типа «гость–хозяин». В этой части книге подробно обсуждаются доноры галогенных связей, взаимодействия между ароматическими молекулами и анионные -взаимодействия как движущие силы супрамолекулярной сборки и образования соединений включения (например, из кукурбитурилов или каликсаренов), хиральных азамакроциклов и молекулярных сенсоров.
В четвертом разделе книги дан обзор некоторых возможных каталитических приложений;
эта часть непосредственно связана с тематикой пятого раздела, в котором рассматривается
роль нековалентных сил в биохимических радикальных реакциях и в синтезе пептидомиметиков. Заключительный, шестой раздел посвящен химии материалов, и в частности, получению новых полимерных и гибридных материалов на основе графена.
Таким образом, в рамках общей концепции нековалентных взаимодействий представлены работы из различных областей химии, как теоретической, так и практической, что, как
мы надеемся, позволяет дать подробный обзор их известных и возможных в будущем областей применения. Мы надеемся, что эта книга будет полезна для читателей, интересующихся разработкой и синтезом новых материалов с ценными свойствами, и приведет к дальнейшему развитию исследований в этой области. Мы благодарим авторов каждой главы, которые внесли важнейший вклад в написание этой книги. Особо мы хотим поблагодарить старшего редактора John Wiley&Sons, Anita Lekhwani, и ее коллег за помощь в редактировании рукописи. Кроме этого, мы благодарим за поддержку Бакинский государственный университет, Азербайджан, и Фонд науки и технологии (FCT), Португалия.
Абель M. Магеррамов
Камран T. Махмудов
Максимилиан Н. Копылович
Армандо Дж. Л. Помбейро
Литература
1. J. D. van der Waals, Over de Continuiteit van den Gas — en Vloeistoftoestand [on the continuity of the gas
and liquid state]. Doctoral Dissertation, Universiteit Leiden, Leiden, 1873.
2. P. M. Pihko, Hydrogen Bonding in Organic Synthesis, Wiley — VCH: Weinheim, 2009.
3. P. Gilli, G. Gilli, The Nature of the Hydrogen Bond, Oxford University Press: Oxford, 2009.
4. P. Hobza, K. M¨uller-Dethlefs, Non-covalent Interactions: Theory and Experiment, Royal Society of Chemistry:
Cambridge, 2010.
5. S. Scheiner, Non-covalent Forces (Challenges and Advances in Computational Chemistry and Physics volume
19 ), Springer, Heidelberg, 2015.
6. P. A. Gale, J. W. Steed, Supramolecular Chemistry: From Molecules to Nanomaterials, John Wiley&Sons,
Ltd: Chichester, 2012.
7. A. K. Baev, Specific Intermolecular Interactions of Organic Compounds, Springer: Heidelberg, 2012.
8. A. K. Baev, Specific Intermolecular Interactions of Nitrogenated and Bioorganic Compounds, Springer: Hei-
delberg, 2014.
9. P. Metrangolo, G. Resnati, Halogen Bonding: Fundamentals and Applications (Stucture and Bonding);
Springer: Heidelberg, 2010.
10. S. Scheiner, Acc. Chem. Res. 2013, 46, 280.
11. A. Karshikoff, Non-covalent Interactions in Proteins, Imperial College Press: Singapore, 2006
Часть I Органический синтез
ГЛАВА I
Активация ковалентных связей в результате нековалентных взаимодействий
Абель М. Магеррамов, Камран T. Махмудов,∗
Максимилиан Н. Копылович, M. Фатима C. Гуэдес да Силва
и Армандо Дж Л. Помбейро
1.1. Введение
Большое число фундаментальных химических процессов связано с разрывом и/или трансформацией прочных ковалентных связей, что может потребовать высоких энергетических затрат на термодинамическом и кинетическом профиле реакции. Поиск путей, при которых образуются менее энергозатратные интермедиаты, является общим способом облегчения протекания реакций, и нековалентные взаимодействия могут играть важную роль в формировании и стабилизации промежуточных продуктов. Как правило, энергия нековалентных взаимодействий (водородной и галогенной связи, ван-дер-ваальсовых взаимодействий, эффектов и т. д.) значительно ниже, чем для типичных ковалентных связей [1–6], но, по причине их многочисленности и легкости трансформаций, их общее влияние на ход реакции может оказаться решающим. Таким образом, «слабая сила» нескольких низкоэнергетических взаимодействий может играть существенную роль в активации ковалентных связей, оказывая «жесткое влияние», аналогично хорошо известным методам воздействия, таким как нагревание, электрический ток, свет и т. д. Как результат, взаимное действие этих «сильных» внешних
сил и «слабых» нековалентных взаимодействий способно эффективно активировать ковалентные связи.
Например, если рассматриваются водородные связи, можно предположить, что они влияют
на реакционную способность субстратов несколькими способами (схема 1.1). Когда атом кислорода карбонильной группы или атом серы тиокетона участвует в образовании двух сильных водородных связей, электрофильный характер соответствующего атома углерода в реакциях с нуклеофилами повышается по сравнению с обычной водородной связью (ср. II с I и IV с III). Кроме того, нуклеофильная атака на атом углерода карбонильной группы, как правило, более выгодна, чем в тиокетоне (сравните I с III и II с IV). Следовательно, учитывая эти соображения, можно проводить региоспецифическую активацию конкретного фрагмента.
Аналогичные подходы могут быть использованы для активации атома углерода в ими-
нах (V и IV), алкенах (VII и VIII) и алкинах (IX и X). Другой подход основывается на
создании гибких или циклических систем водородных связей в ближнем окружении целевой ковалентной связи для содействия необходимой нуклеофильной атаке (XI–XVI). Это позволяет электронодефицитным атомам углерода занимать правильное положение в пространстве; что обеспечивает легкость атаки электроноизбыточной нуклеофильной группы. Во многих случаях образование таких вспомогательных нековалентных связей можно обосновать, но зачастую предсказать эффект активации не так просто. Следовательно, необходимо уделить больше усилий изучению и систематизации информации в этой области.
Таким образом, использование нековалентных взаимодействий в синтезе становится активно развивающейся областью исследований с потенциалом применения в процессах разделения, медицине, катализе и биомолекулярных системах. Большинство известных примеров использования в синтезе связаны с широкой распространенностью водородных связей [1, 5, 6]. Тем не менее другие типы взаимодействий, такие как O• • • B, O• • • Si, O• • • S, N• • • B, N• • •N, N • • • P, N• • • S или галогенные связи, также представляют научный интерес как реальные инструменты для осуществления ряда органических и неорганических преобразований и построения супрамолекулярных ансамблей [7, 8]. В этой главе приведены некоторые примеры активации различных типов ковалентных связей (C−C, C=C, C≡C, C−N, C=N, C≡N, C−O, C=O, C−S, и C=S), в том числе посредством нековалентных взаимодействий. Мы надеемся, что это поможет читателю понять некоторые основные принципы, которые могут быть использованы для разработки новых путей синтеза целевых соединений.
1.2. Примеры активации под действием водородных связей
1.2.1. Активация C−C-связи
Разрыв C−C-связи путем внедрения кислорода (окислительное расщепление) или воды (гидролитическое расщепление) является важным шагом многих биохимических процессов, в ходе которых микроорганизмы усваивают ксенобиотики и экологически токсичные соединения [9].
Эти реакции представляют значительный интерес из-за их широкого круга применения, включая производство топлива из биомассы, удаление органических загрязнений или лечение заболеваний. Во многих случаях активация C−C-связи, примыкающей к карбонильной группе, является важным шагом для достижения поставленных целей. Например, гидролитическое расщепление C−C-связей, катализируемое ферментами-гидролазами, имеет важное значение для деструкции бактериями ароматических соединений. Предложенный механизм C−C-расщепления в 2-гидрокси-6-кето-6-фенил-гекса-2,4-диеновой кислоте, катализируемого системой Ser−His−Arg (схема 1.2), начинается с кето-енольной таутомеризации субстрата и получения
кето-интермедиата (I), что было подтверждено кинетически методом остановленной струи, а также путем изучения изотопного обмена дейтерия [10, 11]. Нуклеофильная атака Н2О по карбонильному атому С6 при содействии водородной связи приводит к стереоспецифической C−C-фрагментации (промежуточное соединение II) с получением (E/Z)-2-гидроксипента-2,4- диеновой и бензойной кислот [10, 11 ].
Системы с участием искусственных водородных связей, содействующих активации связи C−C, были разработаны для ß-дикетонов, важных предшественников ряда широко распространенных гетероциклических соединений (пиразолов, триазолов и т. д.). Расщепление C−C-связей в ß-дикетонах, также известное как реакция ретро-Кляйзена, представляет интерес из-за его протекания при процессах метаболизма ароматических углеводородов и терпенов,1. биоочистки и препаративного биокатализа. Ацетилацетон диоксигеназа (Dke1) выполняет окислительное расщепление C−C-связи путем последовательной координации ß-дикетона с ионом железа(II), как комплексообразующим центром, с последующим присоединением молекулярного кислорода и образованием связи C−O, а также нуклеофильной атаки перекисного фрагмента на карбонильную группу (схема 1.3, а) [9]. Известен ряд ретро-Кляйзеновских каталитических превращений с использованием в качестве катализаторов солей и комплексов индия, железа, палладия и меди [9]. Тем не менее новые способы безметалльного расщепления C−C-связей в ß-дикетонах с помощью, например, водородных связей могут значительно улучшить экологический потенциал реакции.
Для того чтобы создать систему с внутримолекулярной водородной связью, которая бы
способствовала специфической нуклеофильной атаке по карбонильным фрагментам, в ß-дикетоны был введен триазиновый фрагмент (схема 1.3, б ) [12]. Протонирование триазиновых производных ß-дикетонов (I) приводит к енольной форме (II). Под влиянием водородной связи нуклеофильная атака МеОН по этой енольной форме приводит к образованию несимметричного кетона III с отщеплением сложного эфира R2COOMe. Хотя электронный донорноакцепторный характер заместителей в ß-дикетоновом фрагменте может быть достаточно близким [константа Гамметта δp имеет значение: −0,13 для С3Н7, −0,17 для CH3, −0,24 для OC2H5, −0,27для ОСН3 и −0,83 для N(CH3)2], во всех изученных случаях C−C-связь разрывается селективно на стороне менее электронодонорного заместителя; региоселективность, возможно, возрастает за счет формирования системы водородных связей.
Аналогичный подход был использован при региоселективной активации C−C-связи в 4,4,4-трифтор-1-(тиофен-2-ил)бутан-1,3-дионе, где для создания внутримолекулярной водородной связи в желаемом положении был введен арилгидразоновый фрагмент [13]. В этом случае, из-за стабильности внутримолекулярной водородной связи, расщепление C−C-связи происходит в более электронообогащенном фрагменте 1,3-диона (схема 1.4). Такое содействие водородных связей приводит к расщеплению C−C-связи с элиминированием ацетильной группы, не требуя какого-либо катализатора, и протекает гладко при нормальных условиях, что контрастирует с другими известными реакциями такого типа.
1.2.2. Активация связи С=C
Алкены вступают в различные реакции, и экономичные способы активации двойной связи
С=С, в частности при содействии «ничего не стоящих» водородных связей, становятся предметом повышенного внимания. Например, межмолекулярные водородные связи в реакциях гидроаминирования алкенов по Коупу (схема 1.5) открывают атом-экономичный путь к различным высоко функционализированным вицинальным диаминам [14, 15]. В этом случае формируются межмолекулярные водородные связи, обеспечивающие накопление положительного заряда на обоих атомах азота интермедиата I. Исключительное образование только вицинальных диаминов II, скорее всего, происходит из-за синергии между эффектом водородных связей и селективностью реакций гидроаминирования по Коупу с образованием продуктов присоединения по правилу Марковникова.
Присоединение нуклеофила по Михаэлю к электронодефицитным олефинам является классическим способом построения связей C−C или C-гетероатом в органическом синтезе. Высоко энантиоселективное присоединение по Михаэлю диэтилмалоната к халконам катализируется бифункциональными третичными аминотиомочевинами на основе хининовых производных [16]. Функционализация катализатора гидроксильной группой приводит к образованию нескольких водородных связей и, таким образом, значительно повышает каталитическую активность и устойчивость предполагаемого переходного состояния, что приводит к высокой энантиоселективности и активности (схема 1.6). Таким образом, карбонильная группа в интермедиате I активируется посредством водородных связей через взаимодействие атома кислорода карбонильной группы с фрагментом тиомечевины и дополнительной гидроксильной группой в А. В то же время диэтилмалонат депротонируется основным атомом азота хининового
фрагмента. Хиральная структура алкалоида и соответствующего аминоспиртового фрагмента дают диэтилмалонату возможность атаковать активированный халкон с нижней стороны плоскости молекулы (Si -face) (интермедиат I) с образованием R-продукта. Если взаимодействие халкона с диэтилмалонатом катализируется соединением В, формируется интермедиат II,что благоприятствует атаке с верхней стороны плоскости молекулы (Re-face), приводя к S-конфигурации продукта (схема 1.6).
Циклопропаны являются особенно удобными субстратами для синтетического применения, а электронные эффекты заместителей благоприятствуют их специфической активации и позволяют получать широкий спектр продуктов с несколькими стереоцентрами [17, 18]. Для получения асимметричных винилциклопропанов разработаны разноообразные синтетические методы [17], в том числе путем активации C≡С связи в метиловом эфире коричной кислоты при содействии водородной связи (схема 1.7) [18].
Исходный илид имеет две конформации: с винильной группой либо в син- (например, в
I и IV, в V и VIII) или анти-положении (например, в II и III, в IV и VII) по отношению
к неподеленной электронной паре серы. Следовательно, теоретически под влиянием водородной связи для каждого илида может образоваться восемь интермедиатов (схема 1.7). Была предложена модель с образованием 10-членного кольца водородных связей, которая объясняет противоположную энантиоселективность экзо- и эндоциклопропанирования илидов серы.
Из-за напряженности кольца и стерических помех, возникающих между фрагментами СН−O и СН−S и норборнильной группой, интермедиаты II, IV, V и VII вынужденно имеют искаженную геометрию. Из-за направленности водородной связи гидроксильная группа играет важную роль в контроле энантиоселективности (98 или 99%) и диастереоселективности (99/1).
Растворитель также играет важную роль в повышении как диастерео-, так и энантиоселективности, вероятно, из-за его участия в нековалентных взаимодействиях с интермедиатами [18].
1.2.3. Активация C≡C-связи
Алкины могут быть использованы в качестве как нуклеофилов, так и электрофилов, что
обеспечивает разнообразие реакций, в которые они могут быть вовлечены. Например, межмолекулярные реакции циклоприсоединения к алкинам могут привести непосредственно к различным карбоциклическим соединениям, но для таких реакций, как правило, необходим катализ металлами [19]. С другой стороны, многие субстраты в реакциях с алкинами могут быть активированы с помощью аминов или солей аммония в сочетании с неорганическими основаниями; нековалентные взаимодействия могут играть в этих случаях важную роль [20]. Так, содействие водородных связей при активации тройной связи C≡C в ацетиленовых ß-дикетонах может привести к энантиоселективной карбоциклизации (еновая реакция Кони, схема 1.8) [21]. Эта реакция представляет собой один из наиболее удобных способов карбоциклизации и особенно привлекательна для получения производных циклопентана. Для катализа в качестве акцептора водородной связи используется 3,5-бис(пентафторсульфанил) фенилбороновая кислота, являющаяся более активной в неполярном растворителе, таком кактолуол и 1,1,1,3,3-пентафторбутан, по сравнению с 3-нитро-фенилбороновой кислотой, что указывает на то, что группа SF5 может быть липофильной и стерически требовательной альтернативой NO2-группы при подборе конструкции катализатора. Возможный механизм этой реакции включает в себя образование водородных связей, содействующих енолизации исходного 2 алкилированного ß-дикетона; последующая согласованная еновая реакция енольной
формы приводит к продукту (схема 1.8).
Водородные связи, содействующие энантиоселективной изомеризации 3-алкиноатов в хи-
ральные алленоаты (схема 1.9) [22, 23] при катализе бензотиадиазин-1,1-диоксидом, имеют особое значение для синтеза многих биологически активных соединений. Катализируемый основанием Бренстеда протонный 1,3-сдвиг также способствует изомеризации алкиноатов в алленоаты с высокой энантиоселективностью [22]. Энантиоселективность реакции можно объяснить облегчением депротонирования под влиянием водородных связей для обоих алкиноатных энантиомеров в промежуточных продуктах А и В; это дает возможность для их взаимопревращения. Тем не менее интермедиат С (E-енол), полученный из А, не изомеризуется в (R)-алленоат D, так как протон аммония не может достигнуть -sp-углерода алкиноата, в то время как изомеризация B в (S)-алленоат F происходит легко, с образованием под дей-
ствием водородных связей Z-енольного интермедиата Е, далее промежуточного продукта F и, наконец, целевого алленоата (схема 1.9).
1.2.4. Активация связи C−N
Для того чтобы активировать C−N-связь в аминах и родственных им соединениях, были
опробованы различные типы катализаторов, и во многих случаях активационные процессы протекают через интермедиаты с образованием водородных связей. Например, механизм с участием водородных связей считается наиболее вероятным для гидролиза полипептидов, катализируемых аспарагин-протеазой (схема 1.10). В соответствии с предлагаемым механизмом [24] один из остатков аспартата в ферменте протонируется, а второй ионизируется. И действительно, существуют экспериментальные доказательства того, что два аспартата разделяют один протон при физиологических значениях рН [24]. Таким образом, первый аспартат активирует молекулу воды за счет отрыва протона, что позволяет воде атаковать карбонильный углерод субстрата, расщепляя связь и образуя тетраэдрический цвиттерионный интермедиат, реорганизация которого приводит к протонированию расщепленного амида. Дополнительная молекула воды связывается между субстратом и основной цепью амидной группы фермента посредством водородных связей и предположительно приводит к нарушению планарности расщепляемой пептидной связи, способствуя тем самым ее разрыву.
Другой пример водородной связи, содействующей активации связи C−N, наблюдается
при гидролизе карбоксамидов до карбоновых кислот. Как правило, одностадийный гидролиз нитрила до карбоновой кислоты происходит через образование амида в качестве промежуточного продукта и требует жестких кислотных или основных условий проведения реакции; тем не менее каталитическая триада Glu-Lys-Cys может быть использована в качестве органокатализатора для гидролиза C≡N-связи в нитриле и последующего расщепления связи C−N (схема 1.11) [25]. Предложенный механизм предполагает нуклеофильную атаку терминальным остатком цистеина катализатора по атому углерода нитрила; образовавшийся тиоимидат далее образует тетраэдрический интермедиат при содействии водородной связи с присутствующими в реакционной смеси молекулами воды (интермедиаты I → II → III). В III глутаматный фрагмент действует как основание, в то время как остаток лизина участвует в стабилизации
тетраэдрического переходного состояния. Добавление молекулы воды приводит к образованию Н-связи в интерведиате IV. Отщепление NH3 из этого промежуточного продукта дает тиоэфир V, чье взаимодействие со второй молекулой воды приводит к карбоновой кислоте.
1.2.5. Активация связи C=N
Активация двойных связей С=N-иминов обеспечивает удобные и универсальные пути к получению многих органических соединений, таких как кукурбитурилы, оксазиридины, оптически активные амины, имеющие стереогенный центр и т. д. [26]. Из числа наиболее изученных реакций функционализации связи С=N в последнее время большое внимание было уделено разработке новых методов стереоселективной генерации хиральных центров, связанных с азотом [27]. Например, энантио- и диастереоселективная реакция Манниха междхиральным глициновым комплексом никеля (II) и _-аминосульфонами, такими как третбутил(фенил(фенилсульфонил)метил)карбамат, протекает с участием водородных связей, способствующих образованию углерод-углеродной связи и двух стереогенных центров в одну стадию (схема 1.12) [28]. Этот метод представляет собой привлекательный путь синтеза α, β-диаминокислот, универсальных хиральных вспомогательных веществ и лигандов для асимметрического синтеза, медицинской химии и химии пептидов и пептидомиметиков [28, 29]. Предлагаемый механизм (схема 1.12) включает в себя три этапа: (i) енолизация (S)−Ni(II) комплекса,
активируемая 1,8-диазабицикло[5.4.0]-ундец-7-еном, образующим водородную связь с субстратом; при этом получается интермедиат А (выигрыш в энергии 9,46 ккал/моль); (ii) реакция Ni(II)-енолята с трет-бутил(фенил(фенилсульфонил)метил)карбаматом с получением син- и анти-диастереоизомеров соединения В; и (iii) образование гидрохлорида α, β-диамино-кислоты и NiCl2 с высвобождением лиганда-прекурсора, активированного внутримолекулярной водородной связью.
Энантиоселективное восстановление иминов водородом используется в качестве одного из наиболее эффективных и удобных методов получения хиральных аминов и их производных.
Таким образом, асимметрическый синтез нерацемических 1,3-диаминов при помощи направленного образования водородной связи в диастереоселективном восстановлении энантиочистых N-трет-бутансульфинилкетиминов (схема 1.13) включает в себя E/Z изомеризацию этих N-трет-бутансульфинилкетиминов, что было обнаружено при использовании различных растворителей [30]. Корреляция фациальной селективности восстановления c E или Z геометрией исходных кетиминов предполагает образование циклического переходного состояния, стабилизированного водородной связью. Орто-заместитель участвует в образовании водородной связи, таким образом, контроль геометрии N-трет-бутансульфинилкетиминов следующий:
восстановление E-иминов приводит к R-конфигурации вновь созданного хирального центра, в то время как Z-изомер дает S-конфигурацию.
Нуклеофильное присоединение нитроалканов к иминам с получением производных β-нит-
роаминов, известное как реакция аза-Генри − еще один известный процесс активации C=N-связи [31]. Различные органокатализаторы применяются для достижения более высокой диастереои энантиоселективности, и их действие во многом обусловлено образованием направленных водородных связей [32]. Так, в асимметрической реакции аза-Генри кетиминов, полученных из изатина, и нитроалканов при использовании хининового алкалоида в качестве органокатализатора (схема 1.14) третичная аминогруппа катализатора депротонирует α-углерод нитроэтана, активируя его для нуклеофильной атаки с верхней стороны плоскости кетимина, который,
в свою очередь, активируется посредством водородной связи с −OH-группой катализатора, обеспечивая получение (R)-энантиомера продукта [33]. Следовательно, высокая диастерео- и энантиоселективность этой реакции является результатом синергической активации кетиминов и нитроалканов при помощи бифункционального алкалоида-органокатализатора.
1.2.6. Активация C≡N-связей
Реакции электрофилов или нуклеофилов с органическими нитрилами являются одними из
наиболее важных в органическом синтезе [34, 35]. Разработано множество методов активации C≡N-связи, связанных с введением в R−C≡N-нитрильные молекулы электронакцепторных групп R, протонирования или алкилирования атома азота нитрила, или координации с металлическим центром [34]. Все эти методы имеют различные недостатки, к числу которых относятся высокая стоимость катализаторов, трудности при разделении продукта и катализатора, необходимость инертной атмосферы при использования чувствительных металлических катализаторов и т. д. Как результат всего выше перечисленного, растет интерес к активации связи C≡N при помощи нековалентных взаимодействий.
Чтобы создать систему водородных связей для региоселективной активации связи C≡N,
в малононитрил был введен арилгидразоновый фрагмент (схема 1.15) [36]. Полученное таким образом соединение имеет в структуре шестичленный цикл с водородной связью (А); продукт присоединения нуклеофила (Nu1) дополнительно стабилизирован другой системой водородных связей (B), что останавливает реакцию на стадии продукта присоединения только одного нуклеофила. Нуклеофильная атака на вторую C≡N-группу возможна только после подкисления: добавление кислоты приводит к протонированию атома азота аминогруппы, способствуяобразованию другой водородной связи, которая дает возможность для присоединения второго нуклеофила (Nu2). Этот продукт стабилизируется образованием двух новых циклов с водородными связями − шести- и пятичленного (С и D). Таким образом установлено, что при региоселективной безметалльной активации связей C≡N можно проводить синтезы различных продуктов.
Другой пример водородной связи, содействующей активации C≡N-связей, относится к об-
ласти синтеза тетразолов, популярных соединений, используемых в качестве катализаторов, ракетного топлива, взрывчатых веществ, лигандов в координационной химии и неклассических изостеров карбоновых кислот в области медицинской химии [37–39]. Такая широкая область их применения побудила приложить значительные усилия к разработке методов получения тетразолов; наиболее очевидным методом является формальное циклоприсоединение при использовании азидов и нитрилов. Взаимодействие азидных солей с нитрилом при определенных условиях дает соответствующие тетразолы с высокими выходами (схема 1.16) [38].
Механистические исследования подтверждают образование довольно стабильной Н-связи при формировании интермедиата [37]. Его стабильность возрастает с увеличением электроноакцепторного потенциала заместителя в нитриле: при R = Me промежуточное соединение на 3,3 ккал/моль менее стабильно, чем индивидуальные исходные вещества, HN3 и MeCN, в то время как при R=CH3S(=O)2 − выигрыш в энергии при образовании интермедиата составляет 11,4 ккал/моль по отношению к индивидуальным реагентам. При образовании переходного состояния нитрил активируется протоном, что облегчает атаку азида по углероду нитрила, а затем за счет 1,5-циклизации происходит образование тетразола [37].
Водородное связывание, содействующее взаимодействию нитрилоксида с алифатическими или электроноизбыточными ароматическими нитрилами, приводит к получению 3 функционализированных 1,2,4-оксадиазолов (схема 1.17); реакция протекает в мягких условиях, даже в отсутствие кислот Льюиса [40]. Среди функционализированных 1,2,4-оксадиазолов, карбамоил-замещенные привлекли большое внимание из-за их биологической активности и возможности использования для лечения сахарного диабета [40]. Кроме того, карбамоильная группа может быть использована в качестве прекурсора для введения других функциональных групп. Механистические исследования свидетельствуют об обращенных электронных требованиях 1,3-диполярного циклоприсоединения и предполагают, что карбамоильная группа нитрилоксида активирует диполярофильный нитрил посредством водородных связей (схема 1.17).
Таким образом, карбамоильная группа нитрилоксида играет важную роль не только в качестве электроноакцепторной группы, но и в качестве донора водородной связи с диполярофильным нитрилом. Для того чтобы исследовать влияние водородной связи, были рассмотрены два интермедиата, отличающиеся только ориентацией карбамильной группы (схема 1.17). Было обнаружено, что промежуточный продукт, в образовании которого участвовали Н-связи, оказался на 4,4 ккал/моль более стабильным, чем тот, в образовании которого водородные связи не были задействованы; тем самым Н-связь с карбамоильной группой нитрилоксида облегчает выполнение обращенных электронных требований для данного циклоприсоединения.
1.2.7. Активация связи C−O
Реакция между рац-(1-нафтил)-(трифторметил)-О-карбокси-ангидридом и (R)-α метилбензил-амином, направляемая водородным связыванием, дает эквимолярную смесь α-гидроксиамидов I и II (схема 1.18) [41]. Из-за сильной внутримолекулярной водородной связи наблюдались высокие значения ∆δRS в спектрах ЯМР 1H полученных соединений, коррелирующие с заметной предпочтительностью для соответствующих _-гидроксиамидов заслоненной конформации. Этот факт можно объяснить максимизацией анизотропного эффекта нафтильной группы. Для сравнения, соответствующие O-метилированные амиды принимают заторможенную конформацию, что показывает критическую роль внутримолекулярных водородных связей в максимизации эффекта анизотропии. Соответственно, данные О-карбокси-ангидриды можно считать перспективными хиральными дериватизирующими агентами, следовательно, можно
ожидать дальнейших исследований как по оптимизации реакционной способности, так и по повышению селективности путем варьирования заместителей.
Другим примером активации C−O-связи за счет водородных связей является гидролиз
сложных эфиров до кислот и спиртов, катализируемый ионной жидкостью _ холингексано-
атом, [(CH3)3NCH2CH2OH]+[C5H11COO]− (схема 1.19) [42]. Механизм реакции включает в
себя два этапа. (i) Гидроксильная группа катиона холина образует водородную связь с атомом кислорода карбонильной группы сложного эфира, способствуя нуклеофильной атаке воды по углероду (интермедиат I). В результате протон молекулы воды перемещается к аниону C5H11COO− (интермедиат II). (ii) Внутримолекулярная передача протона приводит к образованию шестичленной системы с водородной связью, ослабляющей C−O-связь в интермедиате III. В конце образуются продукты: кислота и спирт, а ионная жидкость регенерируется, завершая каталитический цикл.
1.2.8. Активация С=O-связи
Активация двойной связи C=O карбонильных соединений является стратегически важным
методом для синтеза большого количества структурных блоков, таких как β-гидроксикар-
бонильные соединения (альдольная конденсация), β-нитроспирты (реакция Генри, или нитроальдольная конденсация), тиоацетали, полуацетали, полукетали, циангидрины и т. д. [43].
Были разработаны многочисленные методики, в том числе металл-опосредованные подходы, для активации С=O-связей [43, 44]; также доказано влияние нековалентных взаимодействий в альдольной и сходной с ней реакциях [45–48]. В этих случаях нековалентные взаимодействия ослабляют связь C=O карбонильного соединения посредством образования водородной связи с неподеленной парой электронов атома кислорода, что делает карбонильную группу более восприимчивой к нуклеофильной атаке. Неудивительно, что большое число превращений карбонильных соединений может быть осуществлено просто путем добавления каталитического количества сильной протонной кислоты (донора протонов) к смеси карбонильного соединения и нуклеофила. Примером может служить образование β-нитроспиртов из карбонильных соединений и нитроалканов.
Асимметрическая альдольная конденсация включает в себя активацию связи C=O и позволяет получать широкий круг различных необходимых в фармацевтике субстратов, в частности, полиоксигенированные блоки. Так, пролин-катализируемая асимметрическая альдольная конденсация предположительно происходит через стадию образования енамина (схема 1.20) [45]. В этом случае межмолекулярные водородные связи способствуют нуклеофильной атаке аминогруппы по углероду С=O-связи, приводящей к образованию пирролидинкарбоксилата и элиминированию молекулы воды. Следовательно, пролин играет двойную роль, образуя, будучи вторичным амином, ключевой нуклеофильный енаминовый интермедиат (активация ацетона), в то время как карбоксильная группа активирует альдегид к последующей нуклеофильной атаке енамина. Энантиоселективность реакции может быть связана с устойчивостью
водородных связей в интермедиатах, которые приводят к основному продукту [45].
Хотя C−H• • •O/N-взаимодействия слабее типичных водородных связей, они, однако, обеспечивают стабилизацию, достаточную для того, чтобы оказать влияние на селективность [46]. Также было установлено, что взаимодействие C−H• • •O играет важную роль в управлении стереоселективностью в альдольной конденсации по Хайош–Пэрришу и реакции Манниха. Так, было показано, что пролин-катализируемое внутримолекулярное превращение по Хайош–Парришу 2-метил-2-(3 оксобутил)циклопентан-1,3-диона (схема 1.21) обуславливается C−H• • •O-взаимодействием [47].
Наблюдаемая высокая стереоселективность объясняется следующими фактами: (i) большему искажению планарности иминииевого катиона одной H-связью (R,R)-син-енамина по сравнению с двумя водородными связями (S, S)−анти-енамина и (ii) способность пролинового фрагмента C(sp3)-H стабилизировать образующийся отрицательный заряд на карбонильном кислороде. Основной (S, S)-продукт имеет более короткий C−H• • •O контакт и меньшую энергию (на 3,4 ккал/моль), чем минорный продукт (R,R), где это взаимодействие более отдаленное и, предположительно, более слабое.
Моноацетали хинона сочетают в одной структуре как α, β-непредельный карбонильный
фрагмент, так и функциональные возможности аллильных ацеталей, а также интересны из-за их широких возможностей применения во многих химических преобразованиях, для использования в качестве промежуточных продуктов и важных строительных блоков для синтеза натуральных продуктов [48]. Реакциями нуклеофильного присоединения к моноацетальному углероду хинонов являются, например, присоединение по атому углерода карбонильной группы (т. е. 1,2-присоединение), а также сопряженное присоединение по еноновому фрагменту (т. е. 1,4-присоединение) и различные циклизации с участием этих процессов. Что касается хемо- и региоселективности реакций, действие многих используемых органических и неорганических
катализаторов рассчитано на совместное влияние нековалентных взаимодействий, координации и т. д. [48]. В стратегии [3 + 2] присоединения к ацеталям хинона серии нуклеофилов с двойной связью (схема 1.22) используется кислота Бренстеда, активирующая водородные взаимодействия совместно с донорным растворителем, гексафторизопропанолом [49]. Этот полярный растворитель благоприятствует образованию водородных связей, не являясь при этом акцептором водородной связи. Образование интермедиата с водородной связью содействует циклизации карбонильного фрагмента в таутомер кето-типа, которая сопровождается ароматизацией в качестве дополнительной движущей силы реакции с получением продукта формального [3 + 2] присоединения.
1.2.9. Активация C−S-связи
Трансформации тиольной (R−SH) или тиоэфирной (R−S−R′) групп и их производных явля-
ются ключевыми шагами многих ферментативных реакций и обменных процессов. Например, коэнзим А (HSCoA) является сокатализатором при активации ряда субстратов в организмах; в качестве примера можно упомянуть превращение (S)-цитрил-SCоA в цитрат в цикле Кребса (схема 1.23). Реакция протекает за счет образования Н-связи, содействующей нуклеофильной атаке енолятf или тиоэфирf по α-углеродному атому цитрата [50]. Гидролиз сложного тиоэфира (цитрил-SCоA), образующегося при альдольной конденсации, обеспечивает значительное уменьшение свободной энергии (∆G◦′ = −31,5 кДж/моль или −7,5 ккал/моль), что способствует протеканию всего процесса.
1.2.10. Активация C=S-связи
Стереоспецифическая нуклеофильная атака по атому углерода C=S представляет собой простой и универсальный способ построения стереоцентров рядом с гетероатомами с полной инверсией стереохимии [51]. Во многих случаях межмолекулярные и внутримолекулярные водородные связи не только контролируют стереохимию, но и влияют на реакционную способность и другие свойства тиокетонов или тиоальдегидов. Связь C=S в тиокетонах длиннее, чем соответствующая С=O-связь в кетонах, и ее длина также зависит от заместителей. Атом серы является более слабым акцептором водородной связи по сравнению с кислородом, и, соответственно, образование внутримолекулярных водородных связей O−H• • • S предпочтительнее,
чем S−H• • •O, что видно на схеме 1.24 [52]. Этот эффект проявляется в реакционной способности 4-тиоксопентан-2-она: только региоселективное превращение тиокетона обнаружено в его конденсации с фенилгидразином (схема 1.25) [53].
1.3 Активация путем образования галогенной связи
Галогенным связыванием называется нековалентное взаимодействие между концевыми атомами галогенов в соединениях типа R−X (X=Cl, Br, I) и основаниями Льюиса [7, 54]. Более сильные галогенные связи образуются, когда R является сильно электроотрицательным, например в случае полифторированных алкильных или фенильных заместителей. Можно назвать несколько основных различий между галогенной и водородной связью [54]: (i) галогенные связи имеют тенденцию быть более направленными, чем (одиночные) водородные связи; (ii) сила галогенной связи может быть легко настроена, в то время как в случае водородной связи
для этого необходимо внести значительные изменения в участок донорного сайта связывания; (iii) галогенные связи являются гидрофобными, тогда как водородные связи гидрофильны; (iv) размер атома–донора-связи (галогена) значительно больше, чем водорода. Галогенная связь нашла несколько полезных приложений в области дизайна кристаллов и техниках молекулярного распознавания, синтезе, катализе, молекулярных проводниках, жидких кристаллах и биоорганической химии [7, 54]. Роль галогенных связей в органическом синтезе также становится все более заметной.
Так, фторониевый катион F+, полученный из N-фторгетероциклической соли, играет роль
удобного и эффективного катализатора взаимодействия N-замещенных иминов с этилдиазоацетатом, дающего N-замещенные азиридины (схема 1.26) [55]. Высокоэлектрофильная природа F+ позволяет легко активировать имин для последующей нуклеофильной атаки этилдиазоацетата.
Галогенная связь N• • •Х (Х=Br, I) может быть также применена для активации C=N-связей
галогеналканами при электрофильном присоединеним гидридов. В частности, 2-фенилхинолин был восстановлен с использованием эфира Ганча (диэтил-2,6-диметил-1,4-дигидропиридин-3,5-дикарбоксилата) в качестве восстановителя (схема 1.27) [56]. При отсутствии галогеналканов не наблюдалось никакой реакции, однако выходы 98% были достигнуты в присутствии 10 мол.% перфториодооктана CF3(CF2)7I. В спектрах ЯМР 1Н не наблюдалось никаких сдвигов сигналов; это контрастирует с поведением ЯМР 13С, где сигналы хинолина были слегка смещены в сторону слабого поля (на 0,01−0,06 м.д.). Это указывает на наличие слабого взаимодействия между азотом хинолина и иодистого перфторсоединения, которое подтверждается с помощью спектров ЯМР 19F, в котором сигнал группы CF2I проявляется в более слабом магнитном поле (∆ = 0,1 ppm), и все химическое сдвиги сильно зависят от концентрации. Полученные результаты могут быть связаны с тем, что фторированные иодоалканы, такие как CF3(CF2)7I или CF3(CF2)7Br, образуют прочные галогенные связи с атомами азота в sp2-гибридном состоянии [56].
Как правило, электрофильность атомов галогена, участвующих в галогенной связи, достаточно велика, когда они присоединены к сильным электроноакцепторным группам, таким как фторуглеродные цепи, например, CF3(CF2)7I. Эта высокая способность к образованию галогенных связей у перфторалкилированных галогенидов может быть использована в качестве альтернативы ковалентным перфторированным цепям, извлекающим углеводородные реагенты из органической фазы [57]. Так, галогено-связанный аддукт 1,4-диазабицикло [2.2.2]октана (DABCO) и двух молекул перфтороктилиодида (DABCO•(C8F17I)2) вводили в качестве регенерируемого супрамолекулярного фторсодержащего органокатализатора в реакции аромати-
ческих альдегидов с метилакрилатом (реакция Морита–Бейлис–Хиллмана; схема 1.28) [58].
Аддукт DABCO•(C8F17I)2 образовывался в результате галогенного связывания; после каталитической реакции DABCO•(C8F17I)2 легко отделяется путем фильтрации.
Галогенсодержащие катализаторы также активируют C−Br-связь бромида бензгидрила в его реакции с дейтерированным ацетонитрилом (схема 1.29) [59]. Гидролиз полученного нитрильного интермедиата с помощью следов воды дает N-оксид дифенилметилацетамида с хорошим выходом. Без катализатора или в присутствии его водородного аналога выход реакции снижается до менее чем 5%. Следовательно, галогенная связь успешно способствует ускорению этой реакции, и наилучшая активация наблюдается в присутствии BF4-аниона (выход 97%), в то время как реакция в присутствии CF3SO3H дает 25% выхода продукта.
1.4. Другие виды нековалентных взаимодействий и их перспективы
Другие нековалентные взаимодействия, такие как S• • •O, S• • •N, P• • • P, P • • •N, B• • •N и B• • •O, также важны для молекулярного распознавания, биологической активности некоторых соединений [60] и регулирования каталитических функций [61]. Так, S • • •O-взаимодействия предположительно играют ключевую роль в синтезе хиральных сульфоксидов по реакции Пуммерера (схема 1.30) [62]. Предполагается, что при координации ангидрида уксусной кислоты к триметилсилилтрифторацетату в реакции с амидами (или лактамами) образуется интермедиат I.
Параллельно взаимодействие хирального сульфоксида с амидом (или лактамом) приводит к интермедиатам II и III, в которых имеются меж- и внутримолекулярные S• • •O-взаимодействия. Оказалось, что структура II является более стабильной, чем III, из-за стерического отталкивания между арильной и карбонильной групами в III. Последующее ацетилирование сульфонильного атома кислорода в II уксусным ангидридом в присутствии активных частиц I дает хиральный интермедиат IV сульфуранового типа. Последующее отщепление метиленового α-водорода анионом CF3S(=O)2O− из IV приводит к образованию жесткого промежуточного илида V, стабилизированного как меж- так и внутримолекулярными S• • •O-взаимодействиями. Стереоселективность 1,2-переноса ацетокси-группы в V описывается тремя правдоподобными моделями: тесной ионной пары, переноса и циклизации, с получением желаемого хирального Пуммереровского продукта.
Необычные внутримолекулярные S• • •X (где X=O или S) взаимодействия были обнаруже-
ны для большого количества соединений серы, таких как ацетазоламид, тиазолины, природный противоопухолевый антибиотик леинамицин, циклические сульфинилы, или 1,3-дитиолах, и показана важность контроля их структурных свойств и химической активности. Например, была продемонстрирована роль внутримолекулярных взаимодействий S• • •O в региохимическом контроле 4-оксотиазолидин → 1,2-дитиол-3-илидентионовой перегруппировки (схема 1.31) [63, 64]. Взаимодействие с раскрытием цикла/замыканием цикла определенных 4-оксотиазолидин-енаминокетонов в присутствии реагента Лавессона приводит к функционализированным 1,2-дитиол-3-илидентионам. Эта реакция инициируется направленным взаимодействием S• • •O нековалентного 1,5-типа в 4-оксотиазолидинах. Расстояния S• • • S в 1,2-дитиол-3-илидентионах
составляют 2,3374 (5) и 2,3408 (5) ˚A, что меньше суммы ван-дер-ваальсовых радиусов ,но относительно велико по сравнению с ковалентной связью S−S (2,08 ˚A), и они имеют не совсем одинаковую длину, так как два конденсированных кольца отличаются (см. изомеризацию 1,2-дитиол-3-илиден-тионов на схеме 1.31).
Другой тип нековалентного взаимодействия, пниктогенная связь, образуется атомами группы 15 (N, P, или As, т. е. пниктогены) и основаниями элементов Льюиса, и она также заслуживает внимания [8]. Данная связь отличается от водородной связи, но сходна с галогеннойи халькогенной связью. Пниктогенная связь (Х)А(Н)• • •D образуется электронами, переданными основанием Льюиса D-атому пниктогена А, который действует как кислота Льюиса и показывает высокую степень анизотропии. Х представляет собой группу-заместитель (или группы-заместители), а Н представляет собой атом водорода (атомы водорода), связанный с А, но не взаимодействующий непосредственно с D. Например, B• • •N, P• • •N, As• • •N, S• • •N и P• • • P-взаимодействия являются признанными [8], но они до сих пор не нашли приложения в синтезе.
1.5. Заключительные комментарии
Нековалентные взаимодействия имеют богатую историю исследования, и они в значительной степени определяют свойства конденсированных фаз, растворов и кристаллов. Известно множество примеров их использования в качестве инструмента для активации ковалентных связей и, таким образом, в синтезе. Повышенное внимание уделялось водородным связям и в меньшей степени _ галогенным связям из-за их обширного потенциала во многих областях катализа,
молекулярного распознавания, супрамолекулярной химии, химии материалов, а также биохимии. Известны также другие нековалентные взаимодействия, такие как S• • •O, S• • •N, P• • • P, P• • • N, B• • •N, B• • •O, и т. д., но их применение в синтезе еще предстоит разработать (прежде всего это относится к пниктогенным связям с участием элементов 15-й группы). Приведенные примеры использования нековалентных взаимодействий в синтезе показывают, что эти силы определяют результат многих химических превращений и, в частности, актуальной очень перспективной темой является контроль регио- и стереоселективности реакций.
Литература
1. P. M. Pihko (Ed.), Hydrogen Bonding in Organic Synthesis, Wiley — VCH, Weinheim, 2009.
2. P. Gilli, G. Gilli, The Nature of the Hydrogen Bond, Oxford University Press, Oxford, 2009.
3. P. Hobza, K. Muller – Dethlefs, Non-covalent Interactions: Theory and Experiment, Royal Society of Chemistry, Cambridge, UK, 2010.
4. P. A. Gale, J. W. Steed (Eds.), Supramolecular Chemistry: From Molecules to Nanomaterials, John Wi-
ley&Sons, Ltd, Chichester, 2012.
5. A.K. Baev, Specific Intermolecular Interactions of Organic Compounds, Springer, Heidelberg, 2012.
6. A. K. Baev, Specific Intermolecular Interactions of Nitrogenated and Bioorganic Compounds, Springer, Heidelberg, 2014.
7. P. Metrangolo, G. Resnati, Halogen Bonding: Fundamentals and Applications (Structure and Bonding);
Springer, Heidelberg, 2010.
8. S. Scheiner, Acc. Chem. Res. 2013, 46, 280.
9. C. J. Allpress, L. M. Berreau, Coord. Chem. Rev. 2013, 257, 3005.
10. J.-J. Li, T. D. H. Bugg, Chem. Commun. 2005, 5, 130.
11. J.-J. Li, T. D. H. Bugg, Org. Biomol. Chem. 2007, 5, 507.
12. M. N. Kopylovich, K. T. Mahmudov, M. Haukka, A. J. L. Pombeiro, New J. Chem. 2014, 38, 495.
13. R. Solhnejad, F. S. Aliyeva, A. M. Maharramov, R. A. Aliyeva, F. M. Chyragov, A. V. Gurbanov, K. T.
Mahmudov, M. N. Kopylovich, J. Mol. Struct. 2013, 1050, 180.
14. S.-B. Zhao, E. Bilodeau, V. Lemieux, A. M. Beauchemin, Org. Lett. 2012, 14, 5082.
15. N. J. Cooper, D. W. Knight, Tetrahedron 2004, 60, 243.
16. X. Wang, X. Wang, W. He, Org. Biomol. Chem. 2014, 12, 3163.
17. H.-U. Reissig, R. Zimmer, Chem. Rev. 2003, 103, 1151.
18. X.-M. Deng, P. Cai, S. Ye, X.-L. Sun, W.-W. Liao, K. Li, Y. Tang, Y.-D. Wu, L.-X. Dai, J. Am. Chem. Soc.
2006, 128, 9730.
19. R. Chinchilla, C. Najera, Chem. Rev. 2014, 114, 1783.
20. R. Salvio, M. Moliterno, M. Bella, Asian J. Org. Chem. 2014, 3, 340.
21. S. Suzuki, E. Tokunaga, D. S. Reddy, T. Matsumoto, M. Shiro, N. Shibata, Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 4131.
22. T. Inokuma, M. Furukawa, Y. Suzuki, T. Kimachi, Y. Kobayashi, Y. Takemoto, ChemCatChem 2012, 4, 983.
23. T. Inokuma, M. Furukawa, T. Uno, Y. Suzuki, K. Yoshida, Y. Yano, K. Matsuzaki, Y. Takemoto, Chem. Eur.
J. 2011, 17, 10470.
24. A. Brik, C.-H. Wong, Org. Biomol. Chem. 2003, 1, 5.
25. B. C. M. Fernandes, C. Mateo, C. Kiziak, A. Chmura, W. Wacker, F. Rantwijk, A. Stolz, R. A. Sheldon, Adv.
Synth. Catal. 2006, 348, 2597.
26. A. Erkkil¨a, I. Majander, P. M. Pihko, Chem. Rev. 2007, 107, 5416.
27. S. Kobayashi, Y. Mori, J. S. Fossey, M. M. Salter, Chem. Rev. 2011, 111, 2626.
28. J. Wang, T. Shi, G. Deng, H. Jiang, H. Liu, J. Org. Chem. 2008, 73, 8563.
29. A. Viso, R. Fern´andez de la Pradillla, A. Garc´ıa, A. Flores, Chem. Rev. 2005, 105, 3167.
30. M. Martjuga, D. Shabashov, S. Belyakov, E. Liepinsh, E. Suna, J. Org. Chem. 2010, 75, 2357.
31. A. Noble, J. C. Anderson, Chem. Rev. 2013, 113, 2887.
32. T. Cheng, S. Meng, Y. Huang, Org. Lett. 2013, 15, 1958.
33. A. Kumar, J. Kaur, S. S. Chimni, A. K. Jassal, RSC Adv. 2014, 4, 24816.
34. V. Y. Kukushkin, A. J. L. Pombeiro, Chem. Rev. 2002, 102, 1771.
35. K. T. Mahmudov, M. N. Kopylovich, A. J. L. Pombeiro, Arylhydrazones of methylene active nitriles as
promising ligands and starting materials for organic synthesis, in Ligands: Synthesis, Characterization and Role in Biotechnology, P. Gawryszewska, P. Smole´nski (eds.), Nova Science Publishers, New York, 2014, pp. 177–198.
36. M. N. Kopylovich, K. T. Mahmudov, A. Mizar, A. J. L. Pombeiro, Chem. Commun. 2011, 47, 7248.
37. F. Himo, Z. P. Demko, L. Noodleman, K. B. Sharpless, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 12210.
38. D. Cantillo, B. Gutmann, C. O. Kappe, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 4465.
39. P. B. Palde, T. F. Jamison, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 3525.
40. N. Nishiwaki, K. Kobiro, S. Hirao, J. Sawayama, K. Saigo, Y. Ise, Y. Okajima, M. Ariga, Org. Biomol. Chem. 2011, 9, 6750.
41. O. T. du Boullay, A. Alba, F. Oukhatar, B. Martin-Vaca, D. Bourissou, Org. Lett. 2008, 10, 4669.
42. R. Ferreira, H. Garcia, A. F. Sousa, M. Guerreiro, F. J. S. Duarte, C. S. R. Freire, M. J. Calhorda, A. J. D. Silvestre, W. Kunz, L. P. N. Rebelo, C. S. Pereira, RSC Adv. 2014, 4, 2993.
43. A. M. R. Smith, K. K. (Mimi) Hii, Chem. Rev. 2011, 111, 1637.
44. M. Yus, J. C. Gonz´aez-G´omez, F. Foubelo, Chem. Rev. 2013, 113, 5595.
45. S. Bahmanyar, K. N. Houk, H. J. Martin, B. List, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 2475.
46. G. G. R. Desiraju, T. Steiner, The Weak Hydrogen Bond in Structural Chemistry and Biology, Oxford University Press, Oxford, 1999.
47. R. C. Johnston, P. H.-Y. Cheong, Org. Biomol. Chem. 2013, 11, 5057.
48. D. Magdziak, S. J. Meek, T. R. R. Pettus, Chem. Rev. 2004, 104, 1383.
49. T. Dohi, Y. Hu, T. Kamitanaka, N. Washimi, Y. Kita, Org. Lett. 2011, 13, 4814.
50. J. M. Berg, J. L. Tymoczko, L. Stryer, Biochemistry, W. H. Freeman, New York, 2002.
51. M. Esseffar, M. El Messaoudi, S. Azzouzi, R. Jalal, J. A. S´aez, L. R. Domingo, J. Latorre, M. Liu-Gonz´alez, J. Phys. Org. Chem. 2009, 22, 31.
52. G. Buemi, J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1990, 86, 2813.
53. S. V. Kumar, S. K. Yadav, B. Raghava, B. Saraiah, H. Ila, K. S. Rangappa, A. Hazra, J. Org. Chem. 2013, 78, 4960.
54. A. Priimagi, G. Cavallo, P. Metrangolo, G. Resnati, Acc. Chem. Res. 2013, 46, 2686.
55. S. P. Bew, S. A. Fairhurst, D. L. Hughes, L. Legentil, J. Liddle, P. Pesce, S. Nigudkar, M. A. Wilson, Org. Lett. 2009, 11, 4552.
56. A. Bruckmann, M. A. Pena, C. Bolm, Synlett 2008, 6, 900.
57. S. Dordonne, B. Crousse, D. Bonnet-Delpon, J. Legros, Chem. Commun. 2011, 47, 5855.
58. S. M. Walter, F. Kniep, E. Herdtweck, S. M. Huber, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 7187.
59. S. Zhu, C. Xing, W. Xu, Z. Li, Tetrahedron Lett. 2004, 45, 777.
60. M. Iwaoka, S. Takemoto, M. Okada, S. Tomoda, Chem. Lett. 2001, 132.
61. C. Dugave, L. Demange, Chem. Rev. 2003, 103, 2475.
62. Y. Nagao, S. Miyamoto, M. Miyamoto, H. Takeshige, K. Hayashi, S. Sano, M. Shiro, K. Yamaguchi, Y. Sei, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 9722.
63. A. Raˇsovi´c, P. J. Steel, E. Kleinpeter, R. Markovi´c, Tetrahedron 2007, 63, 1937.
64. A. Raˇsovi´c, A. Koch, E. Kleinpeter, R. Markovi´c, Tetrahedron 2013, 69, 10849.
ГЛАВА 2
СВЯЗИ БОР−АЗОТ:
УДОБНЫЙ СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ МОЛЕКУЛ
Дж.П.М. Антонио, Г.Д. В. Фариас,
Ф.M.Ф. Сантос, Р. Oливейра,
П.M.С.Д. Кал и П.M.П. Гойс
2.1. Введение
Бороновые кислоты представляют собой органические соединения, в состав которых входит sp2-гибридный атом бора, соединенный с одним алкильным, винильным или арильным заместителем, двумя гидроксильными группами, а также имеющий вакантную р-орбиталь, поскольку атом бора имеет только шесть валентных электронов (1, схема 2.1). Большинство бороновых кислот имеет плоскую тригональную геометрию; гидроксильные группы находятся в одной плоскости с арильным заместителем, а пустая орбиталь _ в перпендикулярной.
Исключение из этого правила составляют орто-замещенные ароматические производные, для которых ароматическое кольцо располагается перпендикулярно для минимизации пространственного напряжения.
Однако для того, чтобы дополнить электронную оболочку атома бора до октета, бороновые кислоты могут также координировать молекулы оснований и существовать в виде стабильных тетракоординированных аддуктов с тетраэдрической геометрией. Такая координация, вызванная дефицитом электронов у атома бора (недостаточной валентностью атома бора) приводит к появлению отрицательного заряда, который формально изображается на этом атоме (2, схема 2.1). Подобное комплексообразование объясняет уникальные свойства бороновых кислот как мягких органических кислот Льюиса, отличающие их поведение от обычной бренстедовской основности, обусловленной равновесными реакциями гидроксильных групп в воде.
Другими словами, бороновые кислоты способны ионизировать воду с образованием гидроксониевых ионов не путем прямого отрыва протона от их гидроксильных групп, а в результате «непрямой» передачи протона [1]. Подобный характер протонирования важен при связывании с такими основаниями Льюиса ряда 1,2-дигидроксипроизводных, как пирокатехины, углеводы, гидроксамовые кислоты и даже некоторые белки.
Схема 2.1 иллюстрирует присоединение 1,2-диола к бороновой кислоте, приводящее к образованию циклического эфира бороновой кислоты 3 и сопровождающееся ионизацией атома бора для поддержания кислотно-основного равновесия. Эта особенность уменьшает кажущийся рКа бороновой кислоты 1 и способствует ее расходованию в процессе реакции.
Вульфом было описано новое соединение [2], синтезированное с целью улучшения свя-
зывающей способности бороновых кислот при нейтральном рН. Этого удалось достичь за
счет снижения рКа бороновой кислоты при введении соседней аминогруппы, обеспечивающей внутримолекулярное B−N-взаимодействие. Образование этой донорно-акцепторной связи приводит к уменьшению валентных углов O−B−O, что способствует стабилизации эфиров бороновых кислот при нейтральном рН и расширяет возможности их биологического применения. Кроме того, наличие взаимодействия B−N в тетракоординированном производном бора может также оказывать влияние на флуоресценцию соседних флуорофоров [3]. Особый тип таких соединений, содержащих в орто-положениии бензольного кольца молекулы бороновой кислоты диалкиламинометильную группу (например, соединение 4), играют важную
роль в синтезе различных хемосенсоров и называются бороновыми кислотами Вульфа [4, 5]. Данные соединения будут подробно рассмотрены далее в этой главе.
Атом бора на один электрон более электронодефицитен, чем атом углерода, а атом азота на один электрон более электроноизбыточен по сравнению с углеродом. Таким образом, можно предположить, что ковалентная связь B−N будет изоэлектронна связи C−C. Основное отличие заключается в гетерогенном/ионном характере связи B−N, приводящим к разнице в электронных и оптических свойствах по сравнению с соответствующими C−C-соединениями [6]. В результате ковалентная связь B−N в течение многих десятилетий используется в качестве изостера C−C-связи при усовершенствовании свойств соединений.
В этой главе показывается важность донорно-акцепторных и ковалентных связей B−N для
различных приложений. Особое внимание уделено структурной изменчивости B−N-содержащих соединений, от C−C-изостеризма в простых гетероциклах до сложных супрамолекулярных структур и хемосенсоров.
2.2. B−N-содержащие ароматические гетероциклы
С момента своего открытия Фарадеем в 1825 году [7] бензол 5 стал одним из наиболее изученных соединений в химии. Его особенностью является электронное сопряжение, приводящее к высокой стабильности и реакционной способности, что в свое время было удивительно. Ароматические соединения заняли ключевые позиции в науке, найдя различное применение: от биомедицинской промышленности и разработки лекарственных препаратов [8, 9] до производства полимеров и материалов [10], органической электроники [11], сельского хозяйства [12]
и многих других отраслей. Поэтому в связи с вышеупомянутым C−C/B−N-изостеризмом,
B−N-содержащие ароматические молекулы можно рассматривать в качестве перспективных соединений. В данном разделе основное внимание уделяется обсуждению боразола 6, азаборина 7 и их полициклических производных, структурных характеристик, реакционной способности и применения (рис. 2.1).
2.2.1. Боразол
Первое упоминание о B−N-содержащем аналоге бензола было опубликовано Стоком и Похландом [13], которые синтезировали боразол 6 в 1926 году. Боразол обычно называют «неорганическим бензолом» из-за его изоэлектронного и изоструктурного сходства с бензолом (схема 2.2).
Однако несмотря на очевидное сходство с бензолом, ароматичность боразола по-прежнему является предметом обсуждения. В первое время его ароматичность казалась очевидной, так как боразол удовлетворяет классическим критериям ароматичности: 4n+2 π-электронов, плоская структура и одинаковая длина связей. Длина связи в боразоле (1,432 ˚A) [14] промежуточная между длинами связей одинарной и двойной B−N-связей (1,58 и 1,40 ˚A соответственно) [15], также как и в его органическом аналоге, что еще больше свидетельствует в пользу ароматичности.
Тем не менее предполагалось, что из-за разницы в электроотрицательностях между атомами азота и бора ароматичность боразола будет ниже. Это подтверждалось тем, что боразол преимущественно вступал в реакции присоединения, вместо типичного ароматического замещения, характерного для бензола. В самом деле, первая реакция электрофильного ароматического замещения в боразоле была описана только в 1999 г. группой Форнарини [16]. Позже были разработаны новые методы оценки ароматичности, которые были затем применены к боразолу и показали более убедительные доказательства [17]. Эти результаты были проанализированы Мерино с сотр. и позволили сделать интересные выводы [18]. Энергии ароматической стабилизации [19, 20], расчеты порядка связи [21], анализ энергии разложения [22], величины химических сдвигов [23] и другие магнитные эксперименты [24] − все свидетельствовало о низкой ароматичности боразола или ее отсутствии. Из-за большей электроотрицательности атомов азота распределение электронов не является равномерным, предполагая большую локализацию п-электронов вокруг этих атомов. Даже более поздние эксперименты не смогли в полной мере подтвердить ароматический характер боразола [25–31]. Очевидно, что его характеристики сильно отличаются от бензола.
Что касается его применения, боразол предлагалось использовать в качестве потенциального носителя для хранения водорода [32–34]. Боразол также является важным интермедиатом в производстве борнитрильных нанотрубок и керамики. Действительно, соотношение B/N в боразоле идеально для этих целей. Нитрид бора представляет собой бинарное соединение, с одним атомом бора и одним атомом азота в составе, который из-за его сходства с производными углерода может образовывать интересные полимеры, напоминающие графит или алмаз (гексагональный нитрид бора и кубический нитрид бора, соответственно). Жесткость кубической структуры нитрида бора превосходит только сам алмаз, но нитрид бора имеет более высокую термическую и химическую стабильность. Гексагональная структура является более стабильной кристаллической формой и состоит из серии графеноподобных гексагональных слоев, содержащих ковалентно связанные атомы бора и азота (рис. 2.2) [35]. Слои удерживаются с помощью ван-дер-ваальсовых сил притяжения, как и в графите. Нитрид бора интересен своими физико-химическими характеристиками, такими как высокая теплопроводность и стабильность, устойчивость к коррозии и окислению, а также сильному УФ-излучению, сверхвысокая гидрофобность, отсутствие токсичности, экологичность, высокая диэлектрическая проницаемость, высокое удельное сопротивление и многие другие важные свойства [35]. Помимо всего
этого, комплексы нитрида бора позволяют менять все эти свойства просто путем изменения метода их синтеза. Различные методы получения, структуры полимеров, характеристику и подробное описание использования можно найти в обзоре Миеле и Бернарда [35].
Важно отметить, что большинство исходных веществ для синтеза нитрида бора получают
из боразола и его производных, поэтому необходимо иметь представление о его реакционной способности. В-азидо-, В-нитро- и В-нитраминопроизводные также были получены [36] и нашли применение в энергетике в качестве взрывчатых материалов. В частности, боразолы 11 и 12 являются лучшими детонаторами, чем обычно используемый 4,6-диазидо-N-нитро-1,3,5-триазин-2-амин 10 (рис. 2.3) [37]. Льюисовская основность атомов азота дает боразолу возможность образовывать аддукты с алюминием, галием и оловом [38]. Образование таких аддуктов, а также связывание с другими объемными заместителями при атомах B может приводить у потере планарности кольца боразола [39]. С другой стороны, другие заместители, например фтор, способны увеличить стабильность кольца за счет электронной делокализации. Таким образом, важно учитывать влияние заместителей на физико-химические свойства боразола.
2.2.2. Азаборины и полициклические производные
Предполагалось, что гибридные органо-неорганические молекулы, сочетающие в своем составе фрагменты бензола и боразола, будут иметь интересное и перспективное сочетание характеристик. Их можно получить заменой C−C-связи на изостерическую связь B−N. Первое упоминание о синтезе ароматического соединения, содержащего связь B−N вместо связи С−С, можно найти в работе Дьюара с сотр., которые в 1958 г. синтезировали аналог фенантрена 14 (схема 2.3) [40]. В дальнейшем в работах Дьюара были описаны другие ароматические аналоги и синтезирована интересная библиотека моно- [41] и полициклических [42] соединений. Эти работы способствовали дальнейшим исследованиям данных классов соединений [15, 43, 44].
2.2.2.1. Моноциклические производные
Типичным представителем данного класса соединений является 1,2-дигидро-1,2-заборин 7. Были получены и изучены также другие азаборины с атомами бора и азота в различных положениях (8 и 9), однако так как в них нет формальной связи между атомами бора и азота, онине рассматриваются в рамках данной главы, и далее мы обычно будем называть азаборином 1,2-дигидро-1,2-азаборин. Несмотря на большие достижения в химии азаборинов, содержащих заместители при атомах B и N [43], простейшее соединение, 1,2-азаборин, в течение долгого времени так и не было синтезировано. Проблема была решена только в 2009 году Лью и сотр., которые опубликовали методику его синтеза, однако с очень низким выходом. Четырьмя годами позже, в 2013 году, Лью описал методику, пригодную для синтеза больших количеств соединения 7 без защитных групп, что позволило наконец полностью его охарактеризовать [45]. Предварительные исследования показали для азаборина такие классические свойства ароматических соединений, как способность к реакциям электрофильного замещения и делокализованную структуру [46, 47]. Данные рентгеновской и микроволновой спектроскопии показали планарность кольца и длины всех связей (CC, CN, CB и B−N) промежуточные между длинами одинарных и двойных связей [47, 48]. Магнитные свойства [49], резонансные энергии стабилизации (теоретические и экспериментальные) [50, 51], химическое экранирование, описание ароматичности на основе модели гармонического осциллятора, индексы пара-делокализации, индекс ароматической флуктуации [52] − все данные свидетельствуют об ароматичности, более низкой, чем для бензола, но выше, чем у боразола. Любопытно, что 1,3-азаборин более ароматичен, чем 1,2-азаборин. Следует помнить, что стабильность − общее свойство молекулы, тогда как ароматичность является стабилизирующим эффектом, который возникает из-за циклической электронной делокализации [53].
Азаборин, по-видимому, стабилен в воде и устойчив к окислению, но устойчивость зависит от заместителей в кольце, прежде всего _ при боре и атоме С3 [54].
Азаборин является изостером бензола, но с «добавкой» полезных свойств бора: ядерный спин, большое сечение захвата электронов и кислотность Льюиса, что может найти практическое применение [55]. Было показано, что азаборин 15 (рис. 2.4) связывается с гидрофобным карманом T4 лизоцима, что интересно с точки зрения его биологического применения. Другое соединение, диазоборин 16 − широко известный антибиотик, способный ингибировать синтез жирных кислот [56]. Недавние данные показывают противомикробную активность соединения 17, ингибирующего созревание рРНК больших рибосомальных субъединиц (рис. 2.4) [57].
Развитие химии бензодиазаборинов (например, соединения 16 и 17) как структурных аналогов противотуберкулезного препарата изониазида (INH) является классическим примером данного изостеризма [56, 58, 59]. Мишенью данных препаратов и INH является НАДФ-зависимый еноил-ацильный переносчик протеинредуктазы (ENR), который катализирует конечную стадию синтеза жирных кислот [60]. Льюисовская кислотность атома бора в бензодиазоборинах позволяет атаковать ОН-группу рибозного фрагмента НАД-кофактора ENR [58, 59].
Другие микроорганизмы, например, грамотрицательные бактерии (кишечная палочка) [61] иплазмодии [62], также чувствительны к этому классу соединений, так как они имеют схожие с ENR ферменты, необходимые для биосинтеза жирных кислот.
2.2.2.2. Полициклические производные
Первым синтезированным полициклическим соединением, которое уже упоминалось ранее, был фенантрен 14, полученный Дьюаром с сотр. [40]. Его N-производные могут быть синтезированы реакциями нуклеофильного замещения [63]. Помимо фенантренов и азаборинов, Дьюаром были также синтезированы трифенилен 18 [41], пирены 19–21 [64], хризен 22, бензо[а]антрацены 23 и 24 и нафталин 25 (рис. 2.5) [42].
Эта библиотека полициклических соединений оказалась востребована в органической электронике в связи с их интересными оптическими свойствами. При этом были достигнуты значительные успехи в методиках синтеза, которые кратко изложены в работах Пей и соавт. [44].
Применение этих соединений обусловлено их оптическими и электронными свойствами. Соединение 26 показало высокую термическую стабильность (5% потери массы в диапазоне 340–400 ◦C) и устойчивость к кислороду и влаге, что является идеальными характеристиками для электронных устройств. Полевые транзисторы на основе этого соединения были успешно использованы при создании транзисторов [65]. С другой стороны, из-за очень сильного электронного сопряжения в этих системах некоторые из них имеют интересные оптические свойства. Так, соединение 27 обладает темно-синей флуоресценцией [66], и на основе его структуры были созданы органических светодиоды с использованием соединений 28 и 29 (рис. 2.6) [67, 68].