Способ получения 1,9-(1',4'-оксатиано)-1,9-дигидро-(c60-ih][5,6]фуллерена

Изобретение относится к способу получения 1,9-(1',4'-оксатиано)-1,9-дигидро-(С₆₀-I_h][5,6]фуллерена формулы (1).

Сущность способа заключается во взаимодействии бифункциональных меркаптоспиртов (2-меркаптоэтанол, 1-меркапто-2-пропанол, 2-меркапто-3-бутанол) с фуллереном С₆₀ в присутствии твердого LiOH под действием ультразвука при мольном соотношении С₆₀ : меркаптоспирты : LiOH, равном 1:20-700:40-500, на воздухе при комнатной температуре в среде толуола в течение 1 часа и последующем выделении целевого продукта препаративной высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ). Технический результат: разработан способ селективного получения 1,9-(1',4'-оксатиано)-1,9-дигидро-(С₆₀-I_h][5,6]фуллерена формулы (1) с высоким выходом (91%). Полученное соединение может быть использовано в качестве синтона для синтеза производных оксатиана С₆₀, обладающих инсектицидной, акарицидной, фунгицидной и антибактериальной активностями, а также при получении наноматериалов. 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к органическому синтезу гетероциклических соединений фуллерена С₆₀ с двумя разными гетероатомами, конкретно к способу получения 1,9-(1',4'-оксатиано)-1,9-дигидро-(С₆₀-I_h][5,6]фуллерена формулы (1):

Соединение общей формулы (1) может быть использовано для получения биологически активных соединений широкого спектра действия: с инсектицидной и акрицидной активностью [А.Н. Haubein, Journal of the American Chemical Society, 1959, 81(1):144-148], фунгицидной активностью [H. Miyauchi, Т. Tanio, N. Ohashi, Bioorg. Med. Chem. Lett. 1996, 6, 2377-2380], антибактериальной активностью [J.W. Kim, H.B. Park, B.Y. Chung, Bull. Korean Chem. Soc. 2006, 27, 1164-1170], а также при получении наноматериалов на основе ZnO [S. Hindley, А.С. Jones, S. Ashraf, J. Bacsa, A. Steiner, P.R. Chalker, P. Beahan, P.A. Williams, R. Odedra, Journal of Nanoscience and Nanotechnology 2011, 11, 8294-8301].

Известен способ (F.В. Li, X. You, Т.X. Liu, G.-W. Wang, Org. Lett., 2012, 14, 1800-1803) получения шестичленных циклов с двумя одинаковыми гетероатомами общей формулы (2) взаимодействием фуллерен-борных эфиров с этиленгликолем в присутствии n-толуолсульфокислоты при нагревании с выходом 92% по схеме:

Сложные эфиры фуллерен-борной кислоты были получены в реакции фуллерена С₆₀ с различными арил-борными кислотами в присутствии Fe(ClO₄)₃. Недостатками этого метода являются высокая температура реакции (150°С), 50-кратный избыток этиленгликоля и двухстадийность процесса.

Известен способ (J. Wu, F.В. Li, X.F. Zhang, J.L. Shi, L. Liu, RSC Adv. 2015, 5, 30549-30554) получения (2) взаимодействием азиридинофуллеренов С₆₀ с диолами в присутствии n-толуолсульфокислоты с выходами целевых продуктов 74-79% по схеме:

Реакция проходит при меньшей температуре (100°С), однако тоже является двухстадийной.

Известен способ (X.-F. Zhang, F.-B. Li, J. Wu, J.-L. Shi, Z. Liu, L. Liu, J. Org. Chem. 2015, 80, 6037-6043) получения гетероциклических систем фуллерена С₆₀ общей формулы (2) с невысокими выходами (21%; 100°С, 24 часа, аргон) в одностадийной реакции С₆₀ с различными диолами (диэтиленгликоль, триэтиленгликоль, трипропиленгликоль) в присутствии Fe(ClO₄)₃ по схеме:

Известен способ синтеза соединений общей формулы (2) в реакции С₆₀ с 1,2-диолами в присутствии NaOH под действием ультразвука (Z.S. Kinzyabaeva, G.L. Sharipov, Ultrason. Sonochem. 2018, 42, 119-123).

Известными способами не может быть получен 1,9-(1',4'-оксатиано)-1,9-дигидро-(С₆₀-I_h][5,6]фуллерен формулы (1). Таким образом, в литературе отсутствуют сведения о селективном получении 1,9-(1',4'-оксатиано)-1,9-дигидро-(С₆₀-I_h][5,6]фуллерена формулы (1).

Задачей предлагаемого изобретения является разработка эффективного метода синтеза нового соединения 1,9-(1',4'-оксатиано)-1,9-дигидро-(С₆₀-I_h][5,6]фуллерена (1). Это достигается тем, что 1,9-(1',4'-оксатиано)-1,9-дигидро-(С₆₀-I_h][5,6]фуллерен (1) получают в одну стадию с максимальным выходом 91% при взаимодействии бифункциональных меркаптоспиртов (2-меркаптоэтанол, или 1-меркапто-2-пропанол, или 2-меркапто-3-бутанол) с фуллереном С₆₀ в присутствии твердого LiOH при мольном соотношении С₆₀ : меркаптоспирты : LiOH = 1:20-700:40-500 под действием ультразвука (22 или 44 кГц, 20 Вт), на воздухе, при комнатной температуре, в среде толуола в течение 1 часа. Реакция протекает по схеме:

Выделенный и хроматографически очищенный оксатиан С₆₀ (1) является твердым веществом темно-коричневого цвета. Его структура установлена с помощью 1D и 2D методик ЯМР ¹Н и ¹³С, УФ, ИК- и масс-спектрометрии MALDI TOF/TOF.

При другом соотношении исходных реагентов резко снижается выход целевого продукта (1). При более высокой температуре (например, 40°С) не происходит образование соединения (1). При температуре ниже комнатной (например, 10°С) снижается скорость реакции. Без воздействия ультразвука выход продукта (1) не превышает 10%. При увеличении частоты ультразвука с 22 кГц до 44 К Гц выход целевого продукта (1) значительно снижается. Синтез (1) проводили в толуоле, т.к. в нем хорошо растворяются исходные реагенты и целевые продукты.

Существенные отличия предлагаемого способа:

1. В предлагаемом способе в качестве исходных реагентов используются меркаптоспирты (2-меркаптоэтанол, или 1-меркапто-2-пропанол, или 2-меркапто-3-бутанол), в то время как в известных способах в качестве исходных реагентов применяются 1,2-диолы (этиленгликоль; пропандиол-1,2; бутандиол-2,3; гександиол-1,2; 4-тетраметилэтандиол-1,2; триэтиленгликоль; диэтиленгликоль; трипропиленгликоль).

2. В предлагаемом способе используется катализатор LiOH.

3. Предлагаемый способ является одностадийным и проходит на воздухе, в отличие от известных способов, которые являются двухстадийными и протекают только в инертной атмосфере.

4. В предлагаемом способе используется ультразвуковое излучение (22 или 44 кГц, 20 Вт).

5. Реакция проходит при комнатной температуре, в то время как, в известных способах реакции проходят с использованием термической активации при температурах 100-150°С.

6. Реакцию проводят в растворителе - толуоле.

Предлагаемый способ обладает следующими преимуществами:

1. Разработанный способ открывает путь к получению труднодоступного 1,9-(1',4'-оксатиано)-1,9-дигидро-(С₆₀-I_h][5,6]фуллерена (1), обладающего потенциальной инсектицидной и акрицидной [А.Н. Haubein, Journal of the American Chemical Society, 1959, 81(1): 144-148], фунгицидной [H. Miyauchi, T. Tanio, N. Ohashi, Bioorg. Med. Chem. Lett. 1996, 6, 2377-2380], антибактериальной [J.W. Kim, H.B. Park, B.Y. Chung, Bull. Korean Chem. Soc. 2006, 27, 1164-1170] активностями, а также использующегося для получения наноматериалов [S. Hindley, А.С. Jones, S. Ashraf, J. Bacsa, A. Steiner, P.R. Chalker, P. Beahan, P.A. Williams, R. Odedra, Journal of Nanoscience and Nanotechnology 2011,11, 8294-8301].

2. Способ обеспечивает селективное получение нового соединения - 1,9-(1',4'-оксатиано)-1,9-дигидро-(С₆₀-I_h][5,6]фуллерена (1) с выходом 91%.

3. Реакцию проводят в мягких условиях при малом времени реакции: воздух, комнатная температура, 1 час.

Способ поясняется следующим примером:

Пример 1.

К 10 мл (30 мг, 0.04 ммоль) раствора фуллерена С₆₀ в толуоле добавляют первую порцию 2-меркаптоэтанола (1 мл; 14 ммоль) и твердого LiOH (0.48 г; 20 ммоль). Полученную гетерогенную смесь помещают в реактор с охлаждающей рубашкой и подвергают воздействию ультразвука (22 кГц, 20 Вт) на воздухе при комнатной температуре. Исходный темно-фиолетовый раствор приобретает темно-коричневый цвет. Через 30 минут добавляют вторую порцию 2-меркаптоэтанола (1 мл; 14 ммоль) и продолжают реакцию еще 30 минут, после чего раствор пропускают через колонку, заполненную небольшим слоем силикагеля (~4 см). Продукт реакции выделяют с помощью препаративной высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ). После удаления растворителя в вакууме получают темно-коричневый порошок. Выход 1,9-(1',4'-оксатиано)-1,9-дигидро-(С₆₀-I_h][5,6]фуллерена составляет 30.2 мг (91%).

Другие примеры, подтверждающие способ, приведены в табл.

Полученный 1,9-(1',4'-оксатиано)-1,9-дигидро-(С₆₀-I_h][5,6]фуллерен имеет следующие физико-химические характеристики.¹ (¹ Продукты реакции анализировали на ВЭЖХ-хроматографе Altex (модель 330) (США), с УФ-детектором (λ_макс.=340 нм), колонка Buckyprep Waters 4,6×250 мм при 30°С, подвижная фаза - толуол, скорость потока составляла 1.0 мл/мин. Смеси разделяли на металлической препаративной колонке Cosmosil Buckyprep Waters (250×10 мм) при ~ 20°С. В качестве элюента использовали толуол, скорость потока составляла 3.0 мл/мин. Спектры ЯМР ¹Н и ¹³С регистрировали на спектрометре Bruker Avance-400 с рабочими частотами 400.13 и 100.62 МГц, растворитель - CDCl₃+CS₂ (1:3) (δ_С 77.10, 192.6 м.д.), внутренний стандарт - Me₄Si. УФ спектры регистрировали на спектрометре Perkin Elmer Lambda 750 (1=1, 0.1 см) в CHCl₃. ИК спектры снимали на спектрометре Vertex 70V (Bruker) в пленке CHCl₃. Масс-спектры получены на приборе Bruker MALDI TOF/TOF Autoflex-III с лазерной десорбцией и регистрацией положительных и отрицательных ионов в режиме отражения. В качестве матрицы использовали элементарную серу Sn. Источником ультразвуковых колебаний являлся диспергатор ультразвуковой УЗДН-2Т с рабочими частотами 22 и 44 кГц и мощностью 20 Вт.)

Порошок темно-коричневого цвета. Спектр ЯМР ¹Н (1) (CDCl₃+CS₂, δ, м.д.): 1.89 (2Н, CH₂-S, т, J=5.5 Hz), 3.76 (2Н, СН₂-O, т, J=5.5 Hz). Спектр ЯМР ¹³С (1) (CDCl₃+CS₂, δ, м.д.): 26.00 (CH₂-S), 53.37 (sp³-C), 68.01 (СН₂-O), 136.39, 140.58, 141.72, 142.04, 144.79, 145.53, 145.65, 146.42, 146.48, 147.47, 147.75, 152.28. УФ-спектр (λ, нм): 256, 328, 434; ИК-спектр (CHCl₃, ν, см^-1): 2918, 2849, 1456, 898, 752, 726, 524. Масс-спектр MALDI TOF/TOF (m/z) 796.5685. Вычислено 796.7792.

Способ получения 1,9-(1',4'-оксатиано)-1,9-дигидро-(С₆₀-I_h][5,6]фуллерена формулы (1),

отличающийся тем, что фуллерен С₆₀ взаимодействует с бифункциональными меркаптоспиртами (2-меркаптоэтанол, или 1-меркапто-2-пропанол, или 2-меркапто-3-бутанол) в присутствии твердого LiOH под действием ультразвука при мольном соотношении С₆₀ : меркаптоспирты : LiOH, равном 1:20-700:40-500, на воздухе, при комнатной температуре, в среде толуола, в течение 1 часа.