Поступило в редакцию: Март 2019

Fluorine Notes, 2019, 123, 7-8

Исследование S_N^F-подхода для получения функционализированных нитронилнитроксилов

Павел Федюшин,¹ Лариса Гурская,¹ Елена Пантелеева,^1,2 Борислав Кощеев,¹ Александр Максимов,¹ Татьяна В. Рыбалова,^1,2 Елена Зайцева,^1,2 Евгений Третьяков^1,2 *

¹Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова, пр. Академика Лаврентьева, д.9, Новосибирск, 630090, Россия.

²Новосибирский государственный университет, ул. Пирогова, д. 2, Новосибирск 630090, Россия

E-mail: tretyakov@nioch.nsc.ru

Аннотация: Установлено, что литиевое производное 4,4,5,5-тетраметил-4,5-дигидро-1H-имидазол-3-оксид-1-оксила вступает в реакцию с перфторароматическими соединениями, в результате чего образуются продукты замещения атома фтора, а именно фторированные арил(гетарил)-замещенные нитронилнитроксилы. В результате реакций с участием перфторбензола и перфторпиридина получены фторированные нитроксилы с удовлетворительными выходами (25–60%), однако в случае перфторбифенила выход был низким (~5%). Молекулярное и кристаллическое строение полученных нитронилнитроксилов установлено с помощью РСА их монокристаллов, радикальная природа подтверждена данными ЭПР.

Ключевые слова: нуклеофильное замещение фторированных аренов и гетароаренов; нитронил нитроксиды; рентгеноструктурный анализ.

Введение

Органические соединения с открытой электронной оболочкой (или Парамагнитные органические соединения) благодаря разнообразию их молекулярного дизайна, структурной гибкости и технологическим характеристикам являются перспективными компонентами для электронных и спиновых устройств нового поколения [1]. На протяжении нескольких последних десятилетий замещенные нитроксильные радикалы (R–NN) широко использовались в качестве органических носителей неспаренного электрона, что позволило открыть материалы с уникальными спин-связанными свойствами, такие как полностью органические электромагнитные переключатели [2], ферромагниты и ферримагниты [1], магниты с отрицательным магнитным сопротивлением [3] и магнитные полимеры на основе графена [4].

Как правило, нитронилнитроксилы получают путем конденсации бис-гидроксиламинов с различными альдегидами (или полиальдегидами) с последующим окислением соответствующих 1,4-дигидроксиимидазолидинов [5]. Тем не менее, реакции ароматических альдегидов, содержащих сильные электроноакцепторные заместители, иногда оказываются безуспешными [5b, 6], что, возможно, происходит ввиду малой устойчивости продуктов конденсации. Прямое введение NN группы в органические структуры с использованием незамещенных в положении 2 (H–NN) нитронилнитроксилов в качестве синтетической единицы является альтернативным перспективным способом получить доступ к разнообразным радикальным производным R–NN. За всю историю химии нитронилнитроксилов проведено множество успешных нуклеофильных реакций и реакций кросс-сочетания металлорганических производных M–NN и различных электрофилов для получения функционализированных R–NN [7, 8]. Особенно результативным при получении функционализированных нитронилнитроксилов оказалось использование парамагнитного производного лития Li–NN (Схема 1) [9].

Схема 1. Применение производного лития Li–NN в синтезе.

Ранее мы сообщили о возможности замещения атомов фтора в перфторбензонитриле и перфторфталонитриле под действием Li–NN и, таким образом, о получении цианотетрафторфенил- и дицианотрифторфенилзамещенных нитронилнитроксилов [10, 11]. В данной работе исследована возможность использования данной реакции для получения различных полифторированных функционально-замещенных аренов и гетаренов.

Результаты и обсуждение

Для проведения реакций Li–NN генерировали действием гексаметилдисилазана лития (LiHMDS) на H–NN при -90 °С в тетрагидрофуране (ТГФ; Схема 1) [12] и обрабатывали соответствующим перфторароматическим соединением. После относительно короткого периода (4 ч) получали смесь соединений (контроль по ТСХ), из которой целевые продукты замещения атома фтора ‒ соответственно замещенные нитронил нитроксиды 1–4, выделяли с помощью колоночной хроматографии с последующей кристаллизацией (Схема 2).

Схема 2. Синтез замещенных нитронил нитроксидов 1–4.

Строение всех нитронилнитроксилов определено методом монокристальной дифрактометрии (Рис. 1). Избранные геометрические параметры веществ 1–4 изображены в Таблице 1, из которой следует, что длина связей и углы между связями в этих нитронилнитроксилах находятся в пределах статистических значений [13]; длины связей C‒N и N‒O в парамагнитном фрагменте ‒ среднестатистические [7]. Двугранные углы между плоскостями нитронилнитроксила и ароматических фрагментов находятся в пределах 57–70°.

Рисунок 1. Молекулярное строение (ORTEP диаграмма с 30% эллиптической вероятностью) и нумерация атомов нитронилнитроксилов 1–4.

Таблица 1. Избранные геометрические параметры соединений 1–4.

*Молекулы расположены на оси второго порядка, таким образом длины связей одинаковы.
** Угол между плоскостями для фрагмента нитронилнитроксила и ароматического заместителя.

Спектры ЭПР для разбавленных, не содержащих кислорода растворов веществ 1–4 в хлороформе (10^–4 M) являются квинтетами триплетов, g = 2.0060(1) (Рисунок 2a-e). В случае вещества 4 зарегистрирован спектр ЭПР высокого разрешения, чтобы показать более сложное расщепление каждой линии квинтета. Мы приписали квинтетное и триплетное расщепление соответственно двум эквивалентным атомам азота и двум эквивалентным атомам фтора, ближайшим к нитронилнитроксильному фрагменту. Сложная картина, наблюдаемая для радикала 4, хорошо воспроизводится, если принимать во внимание 12 hfs констант сверхтонкого расщепления (hyperfine structure ‒ сверхтонкая структура) на протонах четырех метильных групп и двух пар hfs констант на удаленных атомах фтора. Точные значения hfs -констант, использованных для моделирования, приведены в Таблице 2. Следует отметить, что, несмотря на схожесть строения веществ 1–4, значения A_N и A_F немного разнятся, что отражает различия в их электронном строении и формах линий ЭПР-спектров.

Рисунок 2. ЭПР-спектры разбавленных, не содержащих кислорода растворов в хлороформе для 1 (a), 2 (b), 3 (c), 4 (весь спектр, d), 4 (центральная компонента, e). Линии черного цвета – экспериментальные спектры; линии красного цвета – численное моделирование с параметрами, заданными в Таблице 2.

Таблица 2. Параметры, использованные для моделирования ЭПР спектров.

*Для моделирования ЭПР-спектра с высоким разрешением для вещества 4 (Рис. 2e) были использованы следующие величины hfs: 2A_N = 0.73 mT; 2A_F = 0.07 mT; 12A_H = 0.015 mT; 2A_F = 0.02; 2A_F = 0.015 mT.

Заключение

Была исследована возможность применения реакции литиевого производного 4,4,5,5- тетраметил-4,5-дигидро-1H-имидазол-3-оксид-1-оксила с перфторароматическими соединениями для получения полифторарил(гетарил)-замещенных нитронилнитроксилов. Установлено, что во всех случаях реакция протекает путем региоспецифического замещения атомов фтора в пара-положении относительно функциональной группы. Все синтезированные радикалы стабильны и были полностью описаны как в растворе, так и в твердом состоянии. Полученные результаты открывают путь к новым нитронилнитроксилам с фторированными электроноакцепторными заместителями; такие радикалы, в свою очередь, могут быть полезными для применения в областях молекулярного магнетизма и материаловедении.

Экспериментальная часть

1.Материалы и оборудование

4,4,5,5-Тетраметил-4,5-дигидроo-1H-имидазол-3-оксид-1-оксил (H–NN) [9b] синтезирован как описано ранее, использован свежеперегнанный над бензофенон-кетилом натрия ТГФ. Другие реагенты высокой чистоты коммерчески доступны и использовались сразу после поступления. Колоночная хроматография выполнялась на силикагеле (0.063–0.200 мм). Инфракрасные (ИК) спектры регистрировались на приборе Tensor 27 для образцов, таблетированных с KBr (0.25%). Оптические спектры регистрировались на спектрофотометре HP Agilent 8453 (10^–5–10^–4 M растворы в EtOH). Массы молекулярных ионов определялись масс-спектрометрией высокого разрешения (HRMS) на приборе DFS Thermo Scientific (EI, 70 eV).

ЭПР спектры получены в разбавленных, не содержащих кислорода растворах в хлороформе при 295 K и концентрации ~10^–4 M с помощью спекторметра Bruker X Band (9 ГГц) Elexys E 540. Для определения изотропных g-факторов (g_iso), были записаны ЭПР спектры в области X-band в стандартном режиме (CW) для смеси исследуемого радикала с базовым тритильным радикалом (Finland trityl). Затем, известное значение g_iso для Finland trityl было использовано для моделирования спектра, и целевое значение g_iso было исключено. Моделирование линий спектра ЭПР раствора осуществлялось с использованием программы Easy Spin которая доступна по ссылке: http://www.easypin.org.

2. Методы синтеза и описание

Общий метод получения нитронилнитроксидов. Раствор LiHMDS (1.0 M, 1.1 мл., 1.1 ммоль) в ТГФ добавляли при температуре 90 °C и активном перемешивании в раствор 4,4,5,5-тетраметил-4,5-дигидро-1H-имидазол-3-оксид-1-оксила (157 мг, 1.0 ммоль) в ТГФ (20 мл) в атмосфере аргона. Реакционную смесь перемешивали при температуре -90 °C в течение 30 мин. Далее раствор перфторарена (1.1 ммоль) в ТГФ (5 мл) добавляли при температуре –90 °C в атмосфере аргона, перемешивание продолжали, протекание реакции контролировали TСХ (Силуфол F₂₅₄, элюент – EtOAc). Через 4 ч изменения на TСХ прекращались, охлаждение убирали, реакционную массу оставляли при перемешивании для достижения комнатной температуры, затем приводили в контакт с атмосферой. Флэш-хроматография (SiO₂, колонка 3×4 см, элюент – EtOAc) с последующим удалением растворителя при пониженном давлении и комнатной температуре приводила к твердой смеси. Полученную твердую смесь разделяли колоночной хроматографией (SiO₂, колонка 3 × 20 см, элюент – CH₂Cl₂). Фракцию, содержащую целевой радикал, концентрировали при пониженном давлении до объема ~5 мл, затем добавляли n-гептан (5 мл) и выдерживали в течение ~60 ч при температуре 0–5 °C для медленной кристаллизации нитронилнитроксильного радикала.

2-(4-Трифторметил-2,3,5,6-тетрафторфенил)-4,4,5,5-тетраметил-4,5-дигидро-1H-имидазол-3-оксид-1-оксил (1). Выход 90 мг (24%); кристаллы фиолетового цвета; ИК (KBr) ṽ_max, см⁻¹: 409, 503, 536, 602, 677, 706, 719, 874, 970, 999, 1028, 1140, 1155, 1180, 1217, 1265, 1331, 1377, 1390, 1433, 1468, 1495, 1551, 1606, 1662, 2991, 3014, 3441; UV-vis (EtOH) _max/nm (lg ): 553 (2.66), 373 (3.77), 294 (4.04), 203 (4.01); HMRS: вычислено для C₁₄H₁₂F₇N₂O₂^• [M⁺] 373.0782; обнаружено 373.0783.

2-(4-Нитро-2,3,5,6-тетрафторфенил)-4,4,5,5-тетраметил-4,5-дигидро-1H-имидазол-3-оксид-1-оксил (2). Выход 200 мг (57%); кристаллы коричневого цвета; ИК (KBr) ṽ_max, см⁻¹: 417, 446, 476, 538, 608, 712, 768, 785, 804, 874, 972, 999, 1011, 1086, 1142, 1176, 1217, 1265, 1356, 1375, 1389, 1429, 1456, 1486, 1551, 1576, 1626, 2413, 2858, 2931, 2947, 3001, 3442; UV-vis (EtOH) _max/nm (lg ): 555 (2.70), 373 (3.5), 318 (4.13), 204 (4.08); HMRS: вычислено для C₁₃H₁₂F₄N₃O₄^• [M⁺] 350.0759; обнаружено 350.0758.

2-(2,3,5,6-Тетрафторпиридин-4-ил)-4,4,5,5-тетраметил-4,5-дигидро-1H-имидазол-3-оксид-1-оксил (3). Выход 83 мг (27%); кристаллы фиолетового цвета; ИК (KBr) ṽ_max, см⁻¹: 453, 538, 567, 646, 696, 715, 868, 958, 972, 993, 1018, 1136, 1169, 1252, 1271, 1375, 1427, 1450, 1475, 1487, 1547, 1655, 1849, 2993, 3437; UV-vis (EtOH) _max/nm (lg ): 551 (2.64), 371 (3.89), 288 (4.04), 202 (3.86); HMRS: вычислено для C₁₂H₁₂F₄N₃O₂^• [M⁺] 306.0860; обнаружено 306.0865.

2-(Перфторбифенил-4-ил)-4,4,5,5-тетраметил-4,5-дигидро-1H-имидазол-3-оксидe-1-оксил (4). Выход 24 мг (5%); кристаллы фиолетового цвета; ИК (KBr) ṽ_max, cm⁻¹: 540, 706, 733, 870, 964, 984, 997, 1043, 1134, 1173, 1223, 1267, 1377, 1429, 1487, 1508, 1527, 1595, 1659, 2943, 2995, 3442; UV-Vis (C₂H₅OH), λ_max/nm (lg ε): 549 (2.83), 370 (3.77), 281 (4.10), 237 (4.15), 202 (4.23); HMRS: вычислено для C₁₉H₁₂F₉N₂O₂^• [M⁺] 471,0750; обнаружено 471,0747.

3. Кристаллографический анализ

Рентгеноструктурные исследования кристаллов проводились на дифрактометре Bruker Kappa Apex II CCD с использованием φ, ω-сканов с шириной фреймов (0.5°) с MoKα излучением (λ = 0.71073 Å) и графитового монохроматора при 296 K. Все структуры были решены прямыми методами и уточнены методом наименьших квадратов с полной матрицей для всех F² в анизотропном приближении с использованием программы SHELX-97 [14]. Положения атомов H были рассчитаны по модели «наездника» (riding model). Поправки на поглощение проводились опытным путем с помощью компьютерной программы SADABS [15]. Для того чтобы исключить вклад в дифракцию неупорядоченного растворителя в кристаллах 4 и тем самым получить набор дифракционных интенсивностей, свободных от растворителя, была применена процедура PLATON/SQUEEZE [16].

Кристаллографические данные для всех веществ перечислены в Таблице 3. CCDC 1899824 (1), 1899825 (2), 1899826 (3), и 1899827 (4) содержит дополнительные кристаллографические данные для данной статьи. Указанная информация может быть получена путем свободного доступа из The Cambridge Crystallographic Data Centre по ссылке: www.ccdc.cam.ac.uk/data_request/cif.

Таблица 3. Кристаллографические данные, совокупность данных и уточненные показатели для нитронил нитроксидов 1–4.

Благодарности

Данная работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках программы 5-100. Авторы выражают благодарность Российскому Фонду Фундаментальных Исследований (проект 18-33-00203); а также Химическому исследовательскому центру коллективного пользования СО РАН за регистрацию спектров и аналитические вычисления.

Список литературы

1. (a) O. Kahn, Molecular Magnetism, Wiley-VCH, New York, 1993; (b) Molecular Magnetism, Eds. K. Itoh and M. Kinoshita, Kodansha & Gordon and Breach, Tokyo, 2000; (c) Magnetism: Molecules to Materials II–IV, Eds. J. S. Miller and M. Drillon, Wiley-VCH, Weinheim, 2001–2005; (d) p-Electron Magnetism From Molecules to Magnetic Materials, Ed. J. Veciana, Springer, Berlin, 2001; (e) Molecular Nanomagnets, Eds. D. Gatteschi, R. Sessoli, and J. Villain, Oxford University Press, New York, 2006; (f) Stable Radicals: Fundamentals and Applied Aspects of Odd Electron Compounds, Ed. R. G. Hicks, Wiley, Chichester, 2010; (g) Y. Morita, S. Suzuki, K. Sato, T. Takui, Synthetic Organic Spin Chemistry for Structurally Well-defined Open-shell Graphene Fragments, Nat. Chem. 3 (2011) 197–204.
2. (a) K. Matsuda, M. Irie, A Diarylethene with Two Nitronyl Nitroxides:  Photoswitching of Intramolecular Magnetic Interaction, J. Am. Chem. Soc. 122 (2000) 7195–7201; (b) K. Matsuda, M. Irie, Photoswitching of Magnetic Interaction: Diarylethene Photochromic Spin Couplers, Polyhedron 20 (2001) 1391–1395; (c) A. Ito, Y. Nakano, T. Kato, K. Tanaka, Tetraarylethylene Having Two Nitroxide Groups: Redox-switching of Through-Bond Magnetic Interaction by Conformation Change, Chem Commun. (2005) 403–405.
3. (a) M. M. Matsushita, H. Kawakami, Y. Kawada, T. Sugawara, Negative Magneto-resistance Observed on an Ion-radical Salt of a TTF-based Spin-polarized Donor, Chem. Lett. 36 (2007) 110–111; (b) M. M. Matsushita, H. Kawakami, T. Sugawara, M. Ogata, Molecule-based system with coexisting conductivity and magnetism and without magnetic inorganic ions, Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 77 (2008) 195208; (c) T. Sugawara, H. Komatsu, K. Suzuki, Interplay between Magnetism and Conductivity Derived from Spin-polarized Donor Radicals, Chem. Soc. Rev. 40 (2011) 3105–3118.
4. M. Slota, A. Keerthi, W. K. Myers, E. Tretyakov, M. Baumgarten, A. Ardavan, H. Sadeghi, C. J. Lambert, A. Narita, K. Müllen, L. Bogani, Magnetic Edge States and Coherent Manipulation of Graphene Nanoribbons, Nature 557 (2018) 691–695.
5. (a) J. H. Osiecki, E. F. Ullman, Studies of Free Radicals. I. α-Nitronyl nitroxides, a New Class of Stable Radicals, J. Am. Chem. Soc. 90 (1968) 1078–1079; (b) E. F. Ullman, J. H. Osiecki, D. G. B. Boocock, R. Darcy, Stable Free Radicals. X. Nitronyl Nitroxide Monoradicals and Biradicals as Possible Small Molecule Spin Labels, J. Am. Chem. Soc. 94 (1972) 7049–7059.
6. (a) Y. Hosokoshi, M. Tamura, H. Sawa, R. Kato, M. Kinoshita, Two-dimensional Ferromagnetic Intermolecular Interactions in Crystals of the p-Cyanophenyl Nitronyl Nitroxide Radical, J. Mater. Chem. 5 (1995) 41–46; (b) O. V. Koreneva, G. V. Romanenko, Y. G. Shvedenkov, V. N. Ikorskii, V. I. Ovcharenko, Molecular Magnets Based on M(hfac)2 and Spin-labeled Nitrile, Polyhedron 22 (2003) 2487–2497.
7. E. V. Tretyakov, V. I. Ovcharenko, The Chemistry of Nitroxide Radicals in the Molecular Design of Magnets, Russ. Chem. Rev. 78 (2009) 971–1012.
8. S. Suzuki, F. Nakamuraa, T. Naota, Direct Synthetic Method for (Nitronyl Nitroxide)-substituted π- Electronic Compounds by Palladium-catalyzed Cross-Coupling Reaction with a Zinc Complex, Mater. Chem. Front. 2 (2018) 591–596.
9. (a) M. V. Varaksin, E. V. Tretyakov, I. A. Utepova, G. V. Romanenko, A. S. Bogomyakov, D. V. Stass, R. Z. Sagdeev, V. I. Ovcharenko, O. N. Chupakhin, Synthesis of nitroxyl radical by direct nucleophilic functionalization of a C-H bond in the azadiene systems, Russ. Chem. Bull. 61 (2012) 1469–1473; (b) E. V. Tretyakov, I. A. Utepova, M. V. Varaksin, S. E. Tolstikov, G. V. Romanenko, A. S. Bogomyakov, D. V. Stass, V. I. Ovcharenko, O. N. Chupakhin, New Approach to Synthesis of Nitronyl and Imino Nitroxides Based on SNH Methodology, ARKIVOC viii (2011) 76–98; (c) E. V. Tretyakov, S. E. Tolstikov, G. V. Romanenko, A. S. Bogomyakov, V. K. Cherkasov, D. V. Stass, V. I. Ovcharenko, A Novel Route to Spinlabeled Dihydrooxepines and o-Benzoquinones, Russ. Chem. Bull. 60 (2011) 2325–2330; (d) S. Suzuki, T. Furui, M. Kuratsu, M. Kozaki, D. Shiomi, K. Sato, T. Takui, K. Okada, Nitroxide-Substituted Nitronyl Nitroxide and Iminonitroxide, J. Am. Chem. Soc. 132 (2010) 15908–15910.
10. E. V. Tretyakov, P. A. Fedyushim, E. V. Panteleeva, D. V. Stass, I. Y. Bagryanskaya, I. V. Beregovaya, A. S. Bogomyakov, Substitution of a Fluorine Atom in Perfluorobenzonitrile by a Lithiated Nitronyl Nitroxide, J. Org. Chem. 82 (2017) 4179–4185.
11. (a) P. Fedyushin, E. Panteleeva, I. Bagryanskaya, K. Maryunina, K. Inoue, D. Stass, E. Tretyakov, An approach to fluorinated phthalonitriles containing a nitronyl nitroxide or iminonitroxide moiety, J. Fluor. Chem. 217 (2019) 1–7; (b) O. N. Chupakhin, I. A. Utepova, M. V. Varaksin, E. V. Tretyakov, G. V. Romanenko, D. V. Stass, V. I. Ovcharenko, SNH Approach in the Synthesis of Nitronyl Nitroxides, J. Org. Chem. 74 (2009) 2870–2872.
12. L. V. Politanskaya, G. A. Selivanova, E. V. Panteleeva, E. V. Tret'yakov, V. E. Platonov, P. V. Nikul'shin, A. S. Vinogradov, Y. V. Zonov, V. M. Karpov, T. V. Mezhenkova, A. V. Vasil'ev, A. B. Koldobskij, O. S. Shilova, M. V. Morozova, Y. V. Burgart, E. V. Shchegol'kov, V. I. Saloutin, V. B. Sokolov, A. Yu. Aksinenko, V. G. Nenajdenko, M. Yu. Moskalik, V. V. Astahova, B. A. Shainyan, A. A. Tabolin, S. L. Ioffe, V. M. Muzalevskij, E. S. Balenkova, A. V. Shastin, A. A. Tyutyunov, V. E. Bojko, S. M. Igumnov, A. D. Dil'man, N. Y. Adonin, V. V. Bardin, S. M. Masoud, D. V. Vorob'eva, S. N. Osipov, E. V. Nosova, G. N. Lipunova, V. N. Charushin, D. O. Prima, A. G. Makarov, A. V. Zibarev, B. A. Trofimov, L. N. Sobenina, K. V. Belyaeva, V. YA. Sosnovskih, D. L. Obydennov, S. A. Usachev, Sovremennaya ftororganicheskaya himiya v Rossii, Uspekhi himii 88 (2019) in press; DOI: 10.1070/RCR4871.
13. F. H. Allen, O. Kenard, D. G. Watson, L. Bramer, A. G. Orpen, R. Taylor, Tables of Bond Lengths determined by X-Ray and Neutron Diffraction. Part I. Bond Lengths in Organic Compounds, J. Chem. Soc. Perkin Trans. II 12 (1987) s1–s7.
14. G. M. Sheldrick, SHELX-97, Programs for Crystal Structure Analysis (Release 97-2), University of Göttingen, Germany, 1997.
15. SADABS, v. 2008-1, Bruker, AXS, Madison, WI, USA, 2008.
16. (a) A. L. Spek, PLATON, A Multipurpose Crystallographic Tool (Version 10M), Utrecht University, The Netherlands, 2003; (b) A. L. Spek, Single-crystal Structure Validation with the Program PLATON, J. Appl. Crystallogr. 36 (2003) 7–13.

Дополнительные материалы с данными ИК и УФ спекторв см. PDF версию статьи.

Статья рекомендована к публикации членом редколлегии Проф., д.х.н. В.Г.Ненайденко

Fluorine Notes, 2019, 123, 7-8