Химические превращения метилфеофорбида (а). Реакция Даффа

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУ ВПО «СЫКТЫВКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ХИМИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА ХИМИИ КУРСОВАЯ РАБОТА

«Химические превращения метилфеофорбида (а).

Реакция Даффа"

• ВВЕДЕНИЕ
• 1.ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
• 1.1 Механизм реакции Даффа
• 1.2 Уротропин C₆H₁₂N₄
• 1.3 Субстраты в реакции Даффа
• 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
• 2.1 Приборы и материалы
• 2.2 Хроматографическое исследование синтезированных соединений
• 2.3 Получение метилфеофорбида (а)
• 2.3.1 Выделение метилового эфира 13(2)-гидроксифеофорбида (а)
• 2.4 Реакция Даффа
• 3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
• 3.1 Получение метилфеофорбида (а)
• 3.2 Превращения метилфеофорбида (а) в условиях реакции Даффа
• ВЫВОДЫ
• Список использованной литературы
• ВВЕДЕНИЕ
• Порфирины представляют большой интерес для химии, в связи с их повышенной биологической активностью и относительно низкой стабильностью. Их актуальность возрастает с каждым годом, исследование в этой области (присоединение различных заместителей к порфиринам) дает все новые и новые соединения, с уникальными наборами физических и химических свойств. Применение, которых, захватывает все больший круг интересов: на основе порфиринов создаются катализаторы, сенсоры, лекарственные средства, органические полупроводники, жидкие кристаллы и материалы для нелинейной оптики.
• Прежде всего, уникальным представителем этого класса являются хлорофилл — важнейший природный порфирин, участвующий в процессе фотосинтеза в зеленых растениях, и гем крови — красный пигмент, осуществляющий транспортировку кислорода в живом организме. Известны также пирропорфиринысинтетические пиррольные соединения и их модификации, простейшим представителем которых является тетрафенилпорфирин, по применению не уступающий природным порфиринам.
• Большой практический интерес составляют модификации хлорофилла. В ходе установления его строения было получено большое количество хлоринов: феофетины, феофорбиды, хлорин е₆ феопорфирины и др. Изучение свойств этих модельных соединений способствовало исследованию механизмов фотосинтеза и позволило выявить новые области применения.
• В настоящее время одной из интенсивно развивающихся областей медицины является фотодинамическая терапия (ФДТ) различных заболеваний: хлорин е₆ и его ближайшие аналоги представляют собой хорошую основу для синтеза противоопухолевых фотосенсибилизаторов (ФС). Известно, что в качестве исходных веществ, для синтеза ФС для ФДТ используют метилфеофорбид (а) и пурпурин 18. Эти же производные хлорофилла представляют интерес как лиганды для синтеза металлокомплексов производных хлорофилла с переходными металлами, которые могут быть эффективными катализаторами различных процессов.
• Цель работы: Получить метилфеофорбид (а) и провести его модификацию в условиях реакции Даффа (формилирования).
• Задачи работы:
• 1) Получить метилфеофорбид (а) из сухой спирулины;
• 2) Провести химическое превращение метилфеофорбида (а) в условиях реакции Даффа.
• 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Механизм реакции Даффа

Реакция Даффа — замена протона в ароматических соединениях на формильную группу CHO (формилирование). Формилирование фенолов, либо любых ароматических структур проводят обычно при нагревании с уротропином (гексаметилентетраамином), в присутствии кислотного катализатора. Замещение протона происходит в п-положение, однако в присутствии безводной трифторуксусной кислоты наблюдается п- и с-замещение. В реакцию Даффа вступают различные соединения, имеющие циклические сопряженные структуры и содержащие подвижный атом водорода при атоме углерода, стоящего по соседству с функциональной группой: фенолы и его производные (алкилфенолы. хлорфенолы) и ароматические амины.

В органической химии важную роль играют реакции, приводящие к образованию новой углерод-углеродной связи, так как они позволяют проводить построение углеродного скелета молекулы, еще важнее реакции, которые одновременно с образованием новой углерод-углеродной связи позволяют ввести в структуру синтезируемой молекулы какую-либо функциональную группу. Реакция Даффа является реакцией такого типа, в связи с этим она занимает важное место в синтетической органической химии, причем реакция отличается высокой селективностью.

В общем виде реакцию Даффа можно записать так:

Сама реакция была открыта английским химиком Джемсом Даффом в 1932 году и состояла из нескольких этапов — взаимодействие ароматической компоненты с катионом формальдимина и последующий кислотный гидролиз:

Как видно из обобщенной схемы, в реакции Даффа участвуют обычно два компонента. Это субстрат — ароматическое соединение, подвергаемое формалированию и катион формалъдимина CH₂=NH₂⁺ образуется при разложении уротропина. Реакцию проводят в органической кислоте (уксусной, трифторуксусной), иногда дополнительно подкисляя борной кислотой Н₃ВО₃. В результате реакции Даффа образуется продукт формилирования или так называемый ароматический имин.

Механизм реакции Даффа состоит в первоначальном образовании высокореакционной промежуточной частицы - катиона формальдимина CH₂=NH₂⁺ образуется при кислотном разложении уротропина:

Катион формальдимина CH₂=NH₂⁺ выступает в качестве электрофильного формилирующего реагента, который присоединяется к ароматическому кольцу в о-положение и далее после модификации кислотным гидролизом (с катализатором — уксусной или трифторуксусной кислотой) превращается в кето-ароматический соединение.

1.2 Уротропин C₆H₁₂N₄

Уротропин был впервые синтезирован Бутлеровым А. М. в 1860 г. из аммиака и формальдегида:

Формальдегид сильный восстановитель и довольно легко вступает в реакцию с аммиаком, поэтому выход уротропина довольно хороший.

Физические свойства

Уротропин — бесцветные кристаллы или белый кристаллический порошок жгучего и сладкого, а затем горьковатого вкуса, без запаха. Легко растворим в воде (1:1,5) и спирте (1:10). Также растворим в хлороформе, метаноле. Плохо растворим в бензоле, эфире, четыреххлористом углероде. При нагревании уротропин улетучивается не плавясь. Горит бледным пламенем. Водные растворы имеют щелочную реакцию (рН 40% раствора 7,8 — 8,2).

Химические свойства

Уротропин — довольно слабый нуклеофил, содержащий только NCH₂-связи. Со слабыми кислотами дает малоустойчивые соли, сильными кислотами разлагается на соли аммония и формальдегид, к действию щелочей устойчив. Со спиртовым раствором азотной кислоты дает мононитрат. С водной 60% азотной кислотой дает осадок динитрата. При действии бензил-, аллили фенацилгалогенидов образует монозамещенные гексаминиевые соли; последние при алкоголизе превращаются в первичные амины (Делепина реакция), а при кислотном гидролизе — в альдегиды (Сомле реакция). Раствор уротропина в уксусной кислоте — мягкий окисляющий агент, используемый для превращения аминов в альдегиды или кетоны. С фенолом реагирует в присутствии глицеринборной кислоты с образованием ортоили, если орто-положение занято, пара-гидроксибензальдегида (Даффа реакция). Ароматические углеводороды при нагревании с уротропином в присутствии трифторуксусной кислоты превращаются в альдегиды. При нитровании уротропина дымящей азотной кислотой в присутствии нитрата аммония и уксусного ангидрида образуется гексоген. Реагирует с перекисью водорода в присутствии лимонной или азотной кислот с образованием гексаметилентрипероксиддиамина. С бромом и иодом дает комплексы содержащие 2 молекулы галогена (одна отщепляется при нагревании).

Строение уротропина

Уротропин представляет симметричный ромбоэдр, состоящий из С-N и C-H связей, представленный фрагментомNCH₂-:

Фармакологические свойства и применение в медицине

Уротропин (Гексаметилентетрамин) — одно из очень немногих синтетических лекарственных средств, используемых в настоящее время, с более чем 100-летней историей: он начал применяться еще в 1884 г. Препарат оказывает антисептический эффект, главным образом, в мочевых путях. Применяется в чистом виде и в составе комбинированных лекарственных средств (например, кальцекс). В чистом виде гексаметилентетрамин применяется перорально или внутривенно, в виде солей: гиппурата, индигокармината или камфората. Механизм действия основан на высвобождении свободного формальдегида, который денатурирует белки бактерий. Этим обусловлена тканевая специфичность действия гексаметилентетрамина и относительная безопасность препарата, так как он расщепляется с выделением активного формальдегида только в кислой среде мочи, тем самым действуя непосредственно на бактерии, вызывающие заболевания мочевыводящих путей.

1.3 Субстраты в реакции Даффа

Субстратом в реакции Даффа может быть довольно ограниченный круг органических соединений: различные соединения, имеющие циклические сопряженные структуры и содержащие подвижный атом водорода при атоме углерода, стоящего по соседству с функциональной группой: фенолы и его производные (алкилфенолы. хлорфенолы) и ароматические амины.

Примеры конкретных реакций:

Приведённые примеры реакции Даффа представляют собой классический ее вариант, заключающийся во взаимодействии субстрата с уротропином (гексаметилентетраамином) при нагревании, в присутствии кислотного катализатора. В первом случае рассматриваются фенолы и его производные (алкилфенолы. хлорфенолы), во втором — ароматические амины.

Реакция формилирования может быть проведена не только в условиях реакции Даффа, где в качестве электрофильного формилирующего реагента выступает катион формальдимина CH₂=NH₂⁺ образуется при разложении уротропина. Переносчиком формильных групп служат соединения, в которых формильная группа присутствует либо в явном виде: муравьиная кислота, формилфторид, этилформиат, смешанный ангидрид муравьиной и уксусной кислот, ДМФА; либо в маскированном: ортомуравьиный эфир, синильная кислота, гексаметилентетрамин, 1,3,5-триазин. В последнем случае формильная группа образуется в результате гидролитических, восстановительных, и прочих превращений, которым подвергаются промежуточные продукты присоединения формилирующего агента к субстрату. Так, формилирование. ароматического соединения может быть осуществлено действием N, N-дизамещенных производных формамида и POCl₃ (Вильсмайера реакция), либо действием смеси СО и HCl (Гаттермана-Коха реакция); для формилирования фенолов и их эфиров используют HCN и HCl в присут. к-т Льюиса (Гаттермана синтез), взаимодействие фенолов с CHCl₃ в щелочной среде (Раймера-Тимана реакция). В качестве формилирующих агентов (для ароматических углеводородов, фенолов и их эфиров, азулена, гетероциклических соединений) применяют также дихлорметилалкиловые эфиры Cl₂CHOR; реакцию проводят в присутствии AlCl₃ или других кислот Льюиса (TiCl₄, SnCl₄) с послед. гидролизом (реакция Рихе).

В некоторых случаях формилируют не сам субстрат, а его металлоорганическое производное; это позволяет вводить альдегидную группу и в неактивированное (для электрофильно замещения) положение молекулы:

Нуклеофильным формилирующим агентом может служить анион 1,3-дитиана (синтетический эквивалент формил-аниона):

Примером формилирования неорганическим соединением служит реакция динатрийтетракар-бонилжелеза с N-формилимидазолом в присутствии триалкилборатов в среде ТГФ; в результате один атом Na замещается на формильную группу:

реакция даффа метилфеофорбид эфир синтезирование

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Приборы и материалы

Спектры ЯМР ¹Н полученных веществ записывали на приборе TESLA BS 587A (рабочая частота 80 МГц) и Bruker АМ-300 (рабочая частота 300 МГц) в дейтерохлороформе.

В качестве сырья для получения производных хлорофилла использовали высушенную измельченную спирулину.

Для проведения колоночной и тонкослойной хроматографии использовали четыреххлористый углерод марки «ч», ацетон марки «ч». Для приготовления элюентов соотношение растворителей брали по объему. При проведении колоночной хроматографии, колонку наполняли «мокрым способом», используя четыреххлористый углерод.

Для экстракции производных хлорофилла из спирулины использовали 95%-ый этанол марки «ч» без дополнительной очистки.

Для осаждения феофитинов использовали разбавленную водой соляную кислоту квалификации «ч» в соотношении 1:9 (по объему). Концентрированную соляную кислоту использовали в реакциях гидролиза.

Для обработки реакционных смесей, нанесения веществ на колонку и пластинки для проведения тонкослойной хроматографии (ТСХ), а также в качестве растворителя использовали хлороформ квалификации «ч», без предварительной очистки, а так же хлористый метилен.

Безводный сульфат натрия, квалификации «х.ч.» использовали для удаления остатков воды из растворов в органических растворителях (при обработке реакционных смесей).

Ацетон, марки «ч» без дополнительной очистки использовался для колоночной и тонкослойной хроматографии.

Серная кислота квалификации «х.ч.» использовалась для обработки бензола.

Бензол, обработанный серной кислотой и перегнанный при температуре 80,05 — 80,15⁰С.

Уксусная кислота марки «ч.» использовались для проведения реакций Даффа.

Колоночную хроматографию проводили на силикагеле L 100/400 и оксиде алюминия.

Метанол использовался при синтезе метилфеофорбида (а) и метилового эфира13(2)-метоксифеофорбида (а).

Уротропин использовался в реакциях Даффа, для получения катион формалъдимина CH₂=NH₂⁺(электрофильного агента).

2.2 Хроматографическое исследование синтезированных соединений

Метод ТСХ. Контроль за процессами выделения, разделения и превращениями производных хлорофилла при помощи ТСХ проводили на пластинках Silufol и Sorbifol. В качестве элюентов использовали смеси ССI₄ с ацетоном в соотношениях 4:1 (по обьему).

Для сравнения хроматографической подвижности в условиях тонкослойной хроматографии использовали метод свидетеля. Для этого исследуемая смесь и эталонный образец хроматографировали на одной и той же пластинке, совпадения значений R_f при близких концентрациях исследуемого пигмента и «свидетеля» означает хроматографическую идентичность этих соединений в данной хроматографической системе.

2.3 Получение метилфеофорбида (а)

Типичная методика: 500 г сухой мелко измельченной спирулины экстрагировали в 1 дм³ этанола. Полученный экстракт упаривали при пониженном давлении и подкисляли 0,1 н. соляной кислотой. Выпавшие в осадок феофетины отфильтровывали, промывали водой, этанолом и высушивали. Феофитины идентифицировали с помощью ТСХ (Silufol, СС1₄: ацетон — 4:1).

Высушенные 0,6 г феофитинов растворяли в смеси 28 см³ метанола и 1,4 см³ концентрированной серной кислоты. Смесь кипятили в течение 1 часа с обратным холодильником. Далее реакционную смесь разбавляли 30 см³ хлороформа и водой отмывали метанол и серную кислоту до рН промывных вод. Смесь сушили над безводным сульфатом натрия. Раствор упаривали досуха на роторе. Затем остаток после упаривания хроматографировали на силикагеле (нанесение из 3 см³ хлороформа, элюирование смесью ССl₄: ацетон в соотношениях от 60:1 до 40:1). За ходом разделения следили при помощи TCX (Silufol, СС1₄: ацетон — 4:1). Фракцию, содержащую основное вещество, упарили и получили 0,4 г метилфеофорбида (а).

2.3.1 Выделение метилового эфира 13(2)-гидроксифеофорбида (а)

13(2)-гидроксифеофорбид (а) выделяли из смеси с феофорбидом (а) и других производных хлорофилла методом колоночной хроматографии на силикагеле. Смесь 13(2)-гироксифеофорбида (а) и феофорбида (а) элюировали смесью ССI₄: ацетон в соотношении от 80:1 до 60:1. Фракцию содержащую 13(2)-гидроксифеофорбида (а) упарили. Вещество после упаривания пере-осаждали из хлороформа гексаном. Получили 0,2 мг 13(2)-гидроксифеофорбида (а).

Таблица 1 Положение сигналов спектров ЯМР ¹Н метилфеофорбида а, 13(2)-гидроксифеофорбида а, метилфеофорбида а (литературные данные)

2.4 Реакция Даффа

Растворили 0,4 г сухого метилфеофорбида (а) в смеси 10 см³ уксусной кислоты и 0,3 г уротропина. Полученную смесь оставили при комнатной температуре на некоторое время, для инициирования катиона формальдимина с последующим присоединением к субстрату. Каждый час извлекали пробу на ТСХ (Silufol, СС1₄: ацетон — 4:1), контролирую тем самым ход реакции. По прохождению реакции смеси дали остыть и разбавляли 30 см³ хлороформа и водой отмывали уксусную кислоту до рН промывных вод. Смесь сушили над безводным сульфатом натрия. Раствор упаривали досуха на роторе. Затем остаток после упаривания хроматографировали на силикагеле (нанесение из 3 см³ хлороформа, элюирование смесью ССl₄: ацетон в соотношениях от 60:1 до 40:1). За ходом разделения следили при помощи TCX (Silufol, СС1₄: ацетон — 4:1). Фракцию, содержащую основное вещество, упарили и получили 0,1 г метилфеофорбидакетона.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1 Получение метилфеофорбида (а)

Получение метилфеофорбида (а) проводили согласно методике, описанной в литературе. Получение метилфеофорбида (а) из спирулины через феофитины:

Рисунок 1 Схема получения метилфеофорбида (а)

Для получения метилфеофорбида (а) сухую спирулину экстрагировали настаиванием с этанолом и полученный этанольный экстракт подкисляли разбавленной соляной кислотой (7%). Феофитины в отличие от хлорофиллов плохо растворимы в этаноле. Поэтому, когда при подкислении густого этанольного экстракта спирулины соляной кислотой, происходит удаление магния из координационной сферы хлорофиллов, образующиеся феофитины выпадают в осадок, т. е. кислотная обработка вызывает гидролиз фитилпропионатного остатка, при этом происходит отщепление фитола и образование феофорбида. Считается, что, поскольку кислота добавляется в относительно небольшом количестве, другие вещества соосаждаются с феофитинами незначительно. Далее экстракт подкисляли соляной кислотой и выпавшие при этом в осадок феофитины этерифицировали метанолом в присутствии концентрированной серной кислоты. Превращения хлорофиллов, происходящие при этом, можно представить следующим образом:

Рисунок 2 Получение метилфеофорбида а из хлорофиллов

(где С₂₀H₃₉ — фрагмент спирта фитола, этерифицирующего фитилпропионатный заместитель хло-рофиллов высших растений).

Колоночной хроматографией и кристаллизацией был выделен метилфеофорбид (а) массой 0,4 г. Структура метилфеофорбида (а) подтверждена данными ЯМР ¹Н спектроскопии. Сигналы спектра ЯМР ¹Н метилфеофорбида (а) соответствуют литературным данным.

Рисунок 3 Спектры ЯМР ¹Н метилового эфира 13(2) — гидроксифеофорбида а (5) и метилфеофорбида а (1) соответсвенно.

3.2 Превращения метилфеофорбида (а) в условиях реакции Даффа

Взаимодействии уротропина с метилфеофорбидом (а) в кислой среде проводили в условиях реакции Даффа, с целью получения соответствующего продукта конденсации. Первоначально в молекуле уротропина в среде уксусной кислоты происходит отщепление электрофильного формилирующего агента — высокореакционной промежуточной частицы катиона формальдимина CH₂=NH₂⁺.

Далее происходит взаимодействие катиона формальдимина CH₂=NH₂⁺ с метилфеофорбидом (а). Катион формальдимина присоединяется к ароматическому кольцу метилфеофорбида (а) в б-положение, относительно кето-группы. Это обусловлено нахождением в б-положение молекулы метилфеофорбида (а) наиболее активного реакционного (нуклеофильного) центра, а именно подвижного атома водорода. Немаловажную роль играют стерические факторы, которые делают этот центр единственным в структуре метилфеофорбида (а) (не считая реакций приводящих к размыканию экзоцикла).

Реакцию формилирования проводили при комнатной температуре в течение часа, однако, по происхождению времени метод TCX (Silufol, СС1₄: ацетон — 4:1) показал что реакция практически не прошла, поэтому формилирование проводили еще в течение последующих трех дней. В последующем анализе было выявлено, что продукт не соответствует заявленному (Рисунок 4): по сравнения хроматографической подвижности в условиях тонкослойной хроматографии использовали метод свидетеля. Он показал, что значений R_f полученного соединения заметно отличается от метифеофорбида (а), причем в меньшую сторону, что характерно в первую очередь для аминоциклов, а перед нами стояла задача заместить подвижный атом водорода на формильную группу.

Данное превращение в условиях реакции Даффа может быть объяснено неэффективным кислотным гидролизом, недостаточностью комнатной температуры для прохождения реакции.

Возможным путем решения может быть исследование химического превращения в условиях кипячения реакционной смеси, определение времени нагревания, необходимого, для эффективного формилирования метилфеофорбида (а).

ВЫВОДЫ

Основные результаты данной курсовой работы заключаются в следующем. Исследована формилирование экзоцикла метилфеофорбида (а) в условиях реакции Даффа (смешение в уксусной кислоте с уротропином). Показано, что в условиях реакции Даффа (при низкой температуре) не может быть реализованно формилирование с использованием катиона формальдимина CH₂=NH₂⁺. Необходимы исследования в условиях кипячения реакционной смеси.

1. Вацуро К. В., Мищенко Г. Л. Именные реакции в органической химии. М., 1976

2. Порфирины: структура, свойства, синтез/ К. А. Аскаров, Б. Д. Березин, Р. П. Евстигнеева и др. (Николопян Н.С., Кириллова Г. В., Койфман О. И., Миронов А. Ф., Пономарев Г. В., Семейкин А. С., Хелевина О.Г.) — М.: Наука, 1985. 333 с.

3. Шабаров Ю. С. Курс органической химии. М., Химия, 1998

4. Реутов, О. А. Органическая химия. — М: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004, с. 89−92.

5. Ингольд, К. К. Механизм реакций и строение органических соединений. — М: Изд-во иностранной литературы, 1959, с. 256−270.

6. Ломова Т. Н. Основы синтеза и механизмы химических превращений порфиринов и их аналогов. Часть 1,2 Текст лекций. Иваново 2007, с. 78.