Поступило в редакцию: Май 2019

УДК 547.728

Fluorine Notes, 2019, 125, 9-10

СИНТЕЗ ФТОРСОДЕРЖАЩИХ ЛИГАНДОВ РЯДА БЕНЗОФУРАНА И СВОЙСТВА ИХ КОМПЛЕКСОВ С ЕВРОПИЕМ (III) В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ

Пугачёв Д.Е.^1,2, Затонский Г.В.², Васильев Н.В^1,2*.

¹Московский государственный областной университет, ул. Радио, 10-а, Москва, 105005, Россия;
e-mail: nikolai-vasilev@mail.ru

²ФГУП Государственный научно исследовательский институт Биологического приборостроения, Волоколамское шоссе, 75, кор. 1, Москва, 125424, Россия;
e-mail: pugachovdmitry@gmail.com

Аннотация: Синтезированы новые представители фторсодержащих енаминонов и трикетонов ряда бензофурана с целью изучения их комплексов сионом европия как потенциальных люминесцирующих реагентов для иммунофлуоресцентного анализа. Полученные соединения образуют комплексы с ионом европием (III) в водных растворах, но с течением времени гидролизуются, формируя комплексы соответствующихβ-дикетонов, что прослеживается по изменению спектральных характеристик во времени.

Ключевые слова: бензофуранилтрифторметилсодержащие комплексоны, реакция Кляйзена, енаминоны, дикетоны, трикетоны, хелаты европия, люминесцентно-спектральные свойства, иммунофлуоресцентный анализ.

Известно, что фторсодержащие комплексоны ароматического и гетероароматического рядовактивно применяются для иммунофлуоресцентного лантанидного анализа (LIFA). Фторированные заместители обеспечивают повышенную устойчивость образующихся комплексов и увеличивают способность к гидрофобному вытеснению воды из внутренней сферы,что снижает тушение люминесценции в водных растворах. Известно также, что бензофурановый фрагмент обеспечивает оптимальные спектральные характеристики, в том числе, хорошую сенсибилизацию кванта в длинноволновой области (≥350 нм). Так, 2‑бензофураноилтрифторацетон 2, полученный впервые в работе [1], и его гомологи образуют достаточно устойчивые комплексы с европием в присутствие триоктилфоосфиноксида (ТОФО), которые проявляют значительные флуорогенные свойства [2, 3]. Целью настоящего исследования явилось изучение методов получения фторсодержащих енаминокетонов и трикетонов бензофуранового ряда и исследование их в качестве сенсибилизирующих комплексоновEu³⁺.

Фторсодержащие енаминоны являются таутомерами соответствующих иминов и достаточно хорошо изучены, благодаря серии работ, обобщенных в обзорах [4-6]. Эти соединения являются электронными аналогами енольных форм β‑дикетонов и проявляют хорошие свойства комплексонов по отношению к ряду металлов [7-9].

Исходным реагентом для получения енаминонов являлся 2‑бензофураноилтрифторацетон 2, полученный по модифицированной методике с применением гидрида лития в качестве основного реагента (схема 1).

Схема 1. Получение бензофураноилтрифторацетона 2.

Прямое взаимодействие аминов с фторированными β‑дикетонами не всегда позволяет получать имины или изомерные им енаминоны, и, как правило, осуществляется нерегиоселективно [10]. Наши попытки осуществить синтез енаминонов 5 взаимодействием дикетона 2 с первичными аминами также не закончились выделением индивидуальных соединений. Первично образующиеся соли аминов 3, при нагревании подвергались вторичным превращениям с образованием смолообразных продуктов (схема 2).

Схема 2. Взаимодействие аминов с β-дикетоном 2.

В связи с этим была выбрана двустадийная схема получения енаминонов, основанная на промежуточном использовании хлоренона 4 (схема 3). На первой стадии взаимодействием дикетона 2 с хлористым тионилом в присутствии каталитического количества DMF был получен с удовлетворительным выходом (83 %) хлоренон 4. Бензофуранилхлоренон 4 образуется в виде легкоплавких кристаллов, которые легко очищаются при перегонке в вакууме. Взаимодействие хлоренона 4 с аминами осуществляется при комнатной температуре в сухом диэтиловом эфире. В качестве акцептора хлороводорода в случае алифатических аминов использовался их двойной избыток, для ароматических аминов применялся триэтиламин (схема 3). Выходы образующихся соединений 5a-d достаточно высоки (≥78%).

Схема 3. Получение енаминонов 5a-e.

Для увеличения хелатирующей способности исследуемых енаминонов в среде триэтиламина был получен бис-замещенный енаминон 5e на основе этилендиамина (схема 4).

Схема 4. Получение бис-енаминона 5е.

Для енаминонов 5 характерно наличие Z/E–изомерии, которая фиксируется в спектрах ЯМР, что отмечалось ранее для фторсодержащих енаминонов [11-13].Для соединений 5a и 5e характерны только Z или E форма, соответственно.

Замещение галогена в хлореноне 2 может быть произведено также и карбанионом, генерированным из ацетилацетона (схема 5). Реакция происходит в присутствии триэтиламина, при этом в результате замещения хлора образуется трикетон 6,который, судя по спектру ЯМР¹Н, находится в енольной форме. Взаимодействие хлоренона 2 с гексафторацетилацетоном в аналогичных условиях не удалось осуществить вследствие пониженной нуклеофильности соответствующего карбаниона.

Схема 5. Получение замещенных ацетилацетонов 6, 7.

Длины волн поглощения енаминонов 5a-e для водных растворов в УФ- и видимом диапазоне приведены в таблице 1. В сравнении с исходным дикетоном 2 для енаминонов характерно наличие полос поглощения в более длинноволновой области. Экстинция некоторых соединений (5a, e) сравнима или превышает экстинцию дикетона 2. При добавлении европия до соотношения 3:1 (кроме соединения 5e, для которого использовали соотношение 2:1, исходя из дентатности лиганда) для большинства соединений наблюдается батохромный сдвиг максимумов поглощения или изменение оптической плотности. Использование эффективного солиганда триоктилфосфиноксида [14] также увеличивает степень батохромного смещения полос поглощения на ~ 2-3нм.

Таблица 1.Спектральные свойства лигандов 2, 5a-е, 6 иих комплексов с Eu³⁺.

Данные, приведенные в таблице 1, свидетельствуют об образовании комплексов, что подтверждается дополнительными экспериментами по конкурентному вытеснению лигандов известным комплексоном 2-нафтоилтрифторацетоном. Люминесцентные свойства комплексов соединений с ионом европия в соотношении 3:1 и 2:1 (для 5e) определялись в водно-мицеллярном (0.1% тритон X-100) 0.05 М Трис-буфере, как в присутствии ТОФО, так и без него.

Рисунок 1. Спектры поглощения и люминесценции комплекса 5b, (отнормирован относительно максимального значения (для опт. плотности 0.129 (310 нм), для люминесценции 12900 отн.ед (614 нм). С(Eu³⁺) = 3.3×10^-6 М)).

В спектрах эмиссии комплексов европия с фторсодержащими лигандами 5 и 6 отмечается типичная картина - основной максимум при 614 нм (100%) и минорные максимумы на длинах волн 592 (5.0 %), 653 нм (3.0 %), 699 нм, (7.0 %) и 749 нм (<1.0%) (рисунок 1). В целом люминесценция комплексов лигандов 5 и 6 в водных средах затушена в сравнении с 2. При этом люминесценция растворов комплексов во времени не уменьшается, а возрастает (рис. 2) и одновременно происходит гипсохромное смещение максимума возбуждения люминесценции (рисунок 3).

Рисунок 2. Изменение интенсивности люминесценции комплекса 5b во времени(регистрация эмиссии Eu³⁺(3.3×10^-6 М) на 614 ±2 нм, возбуждение на 354 нм).

Рисунок 3. Изменение спектра возбуждения комплекса 5b через 9 суток(Пунктирная линия – спектр возбуждения в 1-й день, сплошная линия – через 9 суток. Регистрация на эмиссии Eu³⁺(3.3×10^-6 М) на 614±2 нм, ось ординат в lg масштабе).

Таким образом, полученные спектральные данные свидетельствуют в пользу того, что комплексы европия с енаминонами 5 в водных растворах претерпевают гидролитические реакции и превращаются в комплексы исходного дикетона 2(схема 6).

Схема 6. Гидролиз комплекса енаминона 5, в соответствии с спектральными характеристиками

Синтезированные в результате проведения исследования фторсодержащие лиганды ряда бензофурана 5, 6, как и ожидалось, образуют комплексы с ионами европия (III). Комплексы обладают существенной экстинцией и умеренной люминесценцией. Обнаружено, что комплексы енаминонов 5, судя по спектральным данным, подвержены гидролизу и превращаются в комплексы фторированных β-дикетонов. Таким образом, особенность свойств этих соединений определяет возможности их дальнейшего исследования в методиках, связанных с биочипированием в безводных условиях.

Экспериментальная часть

Спектры ЯМР ¹H, ¹⁹F растворов веществ в ДМСО-d₆ и CDCl₃ записаны на спектрометре JNM-ECX400 (с рабочими частотами 400 и 376 МГц). Химические сдвиги приведены в м.д. относительно внешних эталонов: ТМС (¹H); CFCl₃ (¹⁹F). Элементный анализ выполнен на приборе Perkin Elmer CHN РЕ 2400 SII. Температура плавления определялась в стеклянных капиллярах на приборе Gallenkamp MPD350.BM3.5. Спектры поглощения снимались на приборе Shimadzu UV-1650PC в 1 см кварцевой кювете в диапазоне 290-500 нм. Люминесценция комплексов с ионом европия 2, 5a-e и 6 регистрировалась на микропланшетном ридере Varioscan Flash фирмы Thermofisher Scientific с временной задержкой 100 мкс (t_d), в течение которой «отсекалась» основная люминесценция мешающих веществ, и временем интегрирования 1000 мкс (t_g).

В работе использовались коммерческие реагенты и растворители, приготовленные в соответствии с известными рекомендациями [15]. Использовался 2-бензофуранилметилкетон (99%), Sigma Aldrich.

1-(Бензофуран-2-ил)-4,4,4-трифторбутан-1,3-дион (2)

(модифицированная методика)

Смесь 2-бензофуранилметилкетона 1 (7.00 г, 43.80 ммоль), LiH (1.05 г, 131.00 ммоль) и CF₃COOMe (10.10 г, 78.80 ммоль) в сухом ТГФ (140 мл) медленно нагревают до 60^оС, и после начала экзотермии нагревание прекращают. По окончании экзотермической реакции смесь дополнительно кипятят 1 час, охлаждают до комнатной температуры, летучие компоненты упаривают при пониженном давлении (10 мм рт.ст). Подкисляют реакционную смесь охлажденным 3% раствором соляной кислоты (~0^oC) до pH 2 и экстрагируют хлороформом (3×90 мл). Органический слой промывают водой (2×50 мл), сушат Na₂SO₄, упаривают растворитель под вакуумом. Соединение используют дальше без дополнительной очистки. Выход 10.81 г (96%), т. пл. = 72-74^oC. По литературным источникам т. пл. = 74^oC [3].

1-(Бензофуран-2-ил)-3-хлор-4,4,4-трифторбут-2-ен-1-он (4)

К раствору дикетона 2 (10.00 г, 39.10 ммоль) в 100 мл SOCl₂ добавляют ДМФА (100 мкл, 1.96 ммоль) и кипятят 3.5 ч. Затем отгоняют SOCl₂ в вакууме водоструйного насоса. Остаток растворяют в CHCl₃ (150 мл) и промывают H₂O (60 мл). Сушат органический слой Na₂SO₄, растворитель отгоняют в вакууме. Вещество перегоняют, собирая фракцию – 115-119^оС (1 мм рт. ст.). Выход 83%, т. пл. =80-82^оС. ¹H ЯМР (400 МГц, CDCl₃): δ 7.35 (ддд, 1Н, аром., J = 8.0 Гц, 2.4 Гц, 1.2 Гц), 7.54 (ддд, 1Н, аром., J = 8.0 Гц, 2.4 Гц, 1.2 Гц), 7.61 (дд, 1Н, аром., J = 8.0 Гц, 1.2 Гц), 7.65 (д, 1Н, 1.0 Гц), 7.67 (д, 1Н, аром., J = 0.8 Гц), 7.75 (дд, 1Н, аром., J = 8.0 Гц, 1.2 Гц). ¹⁹F ЯМР (376 МГц, CDCl₃) δ -76.5 (c, CF₃). Вычислено для C₁₂H₆ClF₃O₂: С 52.48; Н 2.20. Найдено С 52.57; Н 2.09.

Общая методика получения енаминонов (5a, b)

К раствору соответствующего амина (2.08 ммоль) в сухом диэтиловом эфире (5 мл) прикапывают 4 (0.22 г, 0.80 ммоль) в сухом диэтиловом эфире (10 мл), перемешивают при комнатной температуре, контролируя ход реакции по ТСХ (хлф/гекс. 3:1), приблизительно 5-8 часов. После завершения реакции, добавляют H₂O (20 мл), органический слой отделяют, промывают H₂O (2x10 мл), сушат Na₂SO₄ и отгоняют летучие компоненты в вакууме.

1-(Бензофуран-2-ил)-4,4,4-трифтор-3-диэтиламинобут-2-ен-1-он (5a)

Высаживают из хлороформа гексаном. Выход 82%, т. пл. = 92-94^оС. ¹H ЯМР (400 МГц, DMSO-d6): δ 1.10 (уш. с, 3Н, CH₃), 1.25 (уш. с, 3Н, CH₃.), 3.15 (уш. с, 1Н, CH₂.), 3.55 (уш. с, 1Н, CH₂), 5.51 (c, 1Н, CH=), 7.09 (c, 1Н, аром.), 7.28 (ддд, 1Н, аром., J = 8.0 Гц, 2.4 Гц, 1.2 Гц), 7.35 (ддд, 1Н, аром.J = 8.0 Гц, 2.4 Гц, 1.2 Гц), 7.60 (дд, 1Н, аром.,J = 8.0 Гц, 1.2 Гц), 7.67 (дд, 1Н, аром., J = 8.0 Гц, 1.2 Гц). ¹⁹F ЯМР (376 МГц, CDCl₃) δ -76.82 (c, CF₃). Вычислено для C₁₆H₁₆F₃NO₂: С 61.73; Н 5.18; N 4.50. Найдено С 61.56; Н 5.27; N 4.62.

1-(Бензофуран-2-ил)-4,4,4-трифтор-3-бензиламинобут-2-ен-1-он (5b)

Перекристаллизовывают из 95% этанола. Выход 86%, т. пл. =65-69 ^оС. ¹H ЯМР (400 МГц, DMSO-d6): δ 4.64 (д, 2Н, CH₂, J = 1.0 Гц), 6.33 (c, 1Н, CH=), 7.28-7.39 (м, 6Н, аром.), 7.47 (ддд, 1Н, бензофур.,J = 8.0, 2.4 Гц, 1.2 Гц), 7.68 (д, 1Н, бензофур., J = 8.0, 1.2 Гц), 7.76 (д, 1Н, аром., J = 8.0 Гц), 7.79 (д, 1Н, аром., J = 8.0 Гц), 10.72 (уш. с, NH). ¹⁹F ЯМР (376 МГц, CDCl₃) δ -76.2 (c, CF₃). Вычислено для C₁₉H₁₄F₃NO₂: С 66.09; Н 4.09; N 4.06. Найдено С 66.00; Н 3.99; N 4.11.

Общая методика получения енаминонов (5c-e)

К раствору соответствующего амина (0.80 ммоль) и триэтиламина (0.18 г, 1.80 ммоль) в сухом диэтиловом эфире (5 мл) прибавляют 3 (0.22 г, 0.80 моль) в сухом диэтиловом эфире (10 мл) при перемешивании и при комнатной температуре, контролируя ход реакции по ТСХ (хлф/гекс. 3:1). После завершения реакции, добавляют H₂O (20 мл), органический слой отделяют, сушат Na₂SO₄ и отгоняют растворитель в вакууме.

1-(Бензофуран-2-ил)-4,4,4-трифтор-3-фениламинобут-2-ен-1-он (5c)

Перекристаллизовывают из 95% этанола. Выход 78%, т. пл. =112-114 ^oC. ¹H ЯМР (400 МГц, DMSO-d6): δ 6.19 (c, 1Н, CH=), 7.12 (c, 1Н, бензофур.), 7.2-7.3 (м, 4Н, аром.,), 7.31-7.39 (м, 3Н, аром.), 7.49 (дд, 1Н, бензофур., J = 8.0 Гц, 1.2 Гц), 7.65 (дд, 1Н, бензофур., J = 8.0 Гц, 1.2 Гц), 12.00 (уш. с, NH).¹⁹F ЯМР (376 МГц, CDCl₃) δ -76.50 (c, CF₃). Вычислено для C₁₈H₁₂F₃NO₂: С 65.26; Н 3.65; N 4.23. Найдено С 64.97; Н 3.55; N 4.14.

1-(Бензофуран-2-ил)-4,4,4-трифтор-3-(2-нафтиламино)бут-2-ен-1-он (5d)

Перекристаллизовывают из 95% этанола, Выход 82%, т. пл. с разл. = 105-108 ^оС. ¹H ЯМР (400 МГц, DMSO-d6): δ 6.21 (c, 1Н, Z CH=), 6.50 (c, 1Н, E CH=), 7.1-7.9 (м, 24H), 11.62 (уш. с, 1Н, E-NH), 12.12 (уш. с, Z-NH). ¹⁹F ЯМР (376 МГц, CDCl₃) δ -76.32 (д, E-CF₃), -76.49 (д, Z-CF₃). Вычислено для C₂₂H₁₄F₃NO₂: С 69.29; Н 3.70; N 3.67. Найдено С 69.35; Н 3.83; N 3.55.

N, N'-бис(3-(бензофуран-2-ил)-1-трифторметил-3-оксопроп-1-ен-1-ил)-1,2-диаминоэтан (5e)

Перекристаллизовывают из 95% этанола, Выход 54%, т. пл. = 167-169 ^оС. ¹H ЯМР (400 МГц, CDCl₃): δ3.73 (м, 4Н, CH₂,), 6.44 (c, 2Н, CH=), 7.31(ддд, 2Н, аром., J = 8.0 Гц, 2.4 Гц, 1.2 Гц), 7.46 (ддд, 2Н, аром., J = 8.0 Гц, 2.4 Гц, 1.2 Гц), 7.48 (с, 2Н, аром.), 7.58 (дд, 2Н, аром., J = 8.0 Гц, 1.2 Гц),7.60 (дд, 2Н, аром., J = 8.0 Гц, 1.2 Гц), 10.72 (уш. с, 2Н, NH).¹⁹F ЯМР (376 МГц, CDCl₃) δ -66.24 (c, CF₃). Вычислено для C₂₆H₁₈F₆N₂O₄: C 58.22; H 3.38; N 5.22. Найдено С 58.16; Н 3.45; N 5.31.

1-(Бензофуран-2-ил)-4-(1-гидроксиэтилиден)-3-(трифторметил)гекс-2-ен-1,5-дион (6)

К раствору ацетилацетона (0.25 г, 2.50 ммоль) в 10 мл диэтилового эфира добавляют триэтиламин (0.27 г, 2.67 ммоль) в 4 мл диэтилового эфира при охлаждении. После прибавляют хлоренон 4 (0.68 г, 2.50 ммоль) в 6 мл диэтилового эфира. Перемешивают 2 ч при комнатной температуре, затем кипят 18 ч. Затем фильтруют выпавшую соль Et₃N×HCl. Фильтрат упаривают при пониженном давлении. Растворяют в кипящем гексане, фильтруют и убирают кристаллизоваться при -18^оС. Фильтруют, промывают ледяным гексаном. Выход 41%, т. пл. с разл. = 130-133^оС. ¹H ЯМР (400 МГц, DMSO-d6): δ 2.05 (c, 6Н,CH₃), 7.35 (ддд, 1Н, аром., J = 8.0 Гц, 2.4 Гц, 1.2 Гц), 7.55 (ддд, 1Н, аром., J = 8.0 Гц, 2.4 Гц, 1.2 Гц) 7.74 (дд, 1Н, аром., J = 8.0 Гц, 1.2 Гц).¹⁹F ЯМР (376 МГц, CDCl₃) δ -67.963 (с, CF₃). Вычислено для C₁₇H₁₃F₃O₄: С 60.36; Н 3.87. Найдено С 60.41; Н 3.83.

Общая методика получения растворов комплексов енаминонов (5a-f) с Eu³⁺ и ТОФО в водно-мицеллярном Трис-буфере

Растворяют необходимое количество лиганда (5a-e) в 2 мл ДМФА с образованием раствора концентрацией 5×10^-3М. Отбирают аликвоту в 100 мкл и разбавляют 0.05 М Трис-буфером (рН 7.2) до концентрации лиганда 10^-4М. Добавляют свежеприготовленный раствор 10^-4М Eu³⁺ (EuNO₃) в 10^-5М НСI,10^-3М ТОФОв этаноле и необходимое количество Трис-буфера для получения конечного раствора лиганд:Eu:ТОФО = (1.00:0.33:1.00)x10^-5 М, который оставляют для формирования комплекса в отсутствии освещения на 2 часа. Для приготовления мицеллярного раствора добавляют в исходный раствор Трис-буфера 10% раствор Тритона Х-100 в этаноле доконечнойконцентрации ПАВа 0.1%. Из растворов комплексов отбирают 200 мкл для исследования люминесцентно-спектральных характеристик.

Список литературы

1. B. Barkley, R. Levine, J. Amer. Chem. Soc., 1951, 73, 4625-4627.
2. Т. С. Кострюкова, Н. П. Ивановская, Г. В. Затонский, Н. С. Осин, Н. В. Васильев, Биоорг. Хим., 2015, 41(2), 212-217.
3. Д. В. Романов, А. И. Лямин, Н. П. Ивановская, А. Е. Жедулов, Н. С. Осин, Н. В. Васильев, Патент РФ № 2373200. от 27.04.09г., опубл. 20.11.09г.
4. A-Z. A. Elassar, A. A. El-Khair, Tetrahedron, 2003, 59(43), 8463-8480.
5. S. V. Druzhinin, E. S. Balenkova, V. G. Nenajdenko, Tetrahedron, 2007, 63, 7753-7808.
6. V. G. Nenajdenko, E. S. Balenkova, Reviews and Accounts, 2011, 1, 246-328.
7. M. Y. Khuhawar, A. G. Bhatti, J. Chromatography, 1991, 558, 187-195.
8. E. F. Zhilina, P. A. Slepukhin, N. S. Boltacheva, M. G. Pervova, D. L. Chizhov, V. I. Filyakova, V. N. Charushin,Russ. J.Gen. Chem., 2012, 82(12), 1962-1969.
9. S. D. Cosham, G. Kociok-Köhn, A. L. Johnson, J. A. Hamilton, M. S. Hill, K. C. Molloy, R. Castaing, Eur. J. Inorg. Chem., 2015, 26, 4362-4372.
10. К. И. Пашкевич, В. И. Салоутин, И. Я. Постовский, Успехи Химии, 1981, 50, 325-354.
11. A. L. Krasovsky, V. G. Nenajdenko, E. S. Balenkova, Russ. Chem. Bull., 2001, 50(8), 1395-1400.
12. I. H. Jeong, S. L. Jeon, Y. K. Min, B. T. Kim, Tetrahedron Lett., 2002, 43, 7171-7174.
13. N. M. D. Brown, D. C. Nonhebe, Tetrahedron, 1968, 24, 5655-5664.
14. Д. Е. Пугачёв, Т.С. Кострюкова, Г.В. Затонский, С.З.Вацадзе, Н.В. Васильев. Хим. гетероцикл. соед., 2018, 54(5), 528-534.
15. Спутник химика. Гордон А.; Форд Р.; М.: Мир, 1976, 571 с.

Статья рекомендована к публикации членом редколлегии д.х.н. С.М. Игумновым

Fluorine Notes, 2019, 125, 9-10