Synteza

Biorąc pod uwagę różnorodność oraz złożoność struktur, nie sposób jest opisać syntezę wszystkich związków kwadrupolowych, niemniej jednak barwniki te zawierają podobne motywy strukturalne. Wiele z nich posiada w strukturze wiązania podwójne lub potrójne wprowadzane w końcowych etapach syntezy. Do najczęściej wykorzystywanych metod syntezy należą: reakcja Hornera-Wadswortha-Emmonsa, kondensacja Knoevenagela oraz sprzęgania Hecka i Sonogashiry. Często wykorzystywana jest również reakcja sprzęgania Suzukiego, dzięki której możliwe jest połączenie pierścieni aromatycznych pojedynczym wiązaniem węgiel-węgiel, jak również sprzęganie Buchwalda-Hartwiga, ponieważ trzeciorzędowe aminy aromatyczne są często wykorzystywanym donorem elektronów. Poniżej opiszę pokrótce każdą ze wspomnianych reakcji, ograniczając jednak opis do najważniejszych informacji z uwagi na ograniczoną formę tej dysertacji oraz obecność wielu publikacji przeglądowych dotyczących tych metod syntezy.

Reakcja Hornera-Wadswortha-Emmonsa (zwana też reakcją HWE lub reakcją Wittiga–Hornera) to modyfikacja reakcji Wittiga przebiegająca pomiędzy grupami karbonylowymi aldehydów lub ketonów a stabilizowanymi przez podstawniki elektronoakceptorowe karboanionami fosfoniowymi.⁸⁶ Reakcja została odkryta w 1958 roku przez Leopolda Hornera,⁸⁷ zaś William S. Wadsworth oraz William D. Emmons w kolejnych latach uczestniczyli w rozwijaniu tej metody syntezy.⁸⁸

W odróżnieniu od reakcji Wittiga reakcja HWE najczęściej prowadzi do utworzenia wiązania podwójnego o konfiguracji E. Stereoselektywność zależy od zatłoczenia sterycznego wokół grupy karbonylowej aldehydu lub ketonu, temperatury, rodzaju kationów nieorganicznych oraz użytego rozpuszczalnika.⁸⁹ Produktami reakcji z aromatycznymi aldehydami są prawie wyłącznie E-alkeny, zaś wykorzystanie fosfonianów trifluoroetylowych w połączeniu z użyciem bis(trimetylosililo)amidku potasu (KHMDS) oraz 18-korony-6 prowadzi do produktów z wiązaniem podwójnym o konfiguracji Z.

Ciekawym zastosowaniem reakcji Hornera-Wadswortha-Emmonsa była synteza serii barwników zawierających ugrupowanie diwinylosulfonowe w roli jednostki centralnej przeprowadzona przez Rodembuscha, Silveirę i współpracowników (Schemat 1).⁹⁰

Schemat 1.

Wiązanie podwójne można również łatwo otrzymać w reakcji karboanionów z aldehydami lub ketonami w kondensacji Knoevenagela. Ta modyfikacja kondensacji aldolowej zawdzięcza nazwę Emilowi Knoevenagelowi, który w 1898 roku opublikował pierwszą pracę dotyczącą wspomnianej reakcji.⁹¹

Reakcja Knoevenagela może być katalizowana przez aminy, kwasy Lewisa (np.

TiCl4) lub sole lantanowców, chociaż nie brakuje również przykładów wykorzystania katalizy heterogenicznej. Najczęściej używanym katalizatorem jest piperydyna, która poza pełnieniem funkcji zasady wspomagając tworzenie karboanionu tworzy ze związkami karbonylowymi jony iminiowe.

Poważnym ograniczeniem w powszechnym wykorzystaniu powyższej reakcji jest to, że w struktura jednego z substratów musi być pozwalać na utworzenie karboanionu.

Atom węgla, który ma brać udział w reakcji musi być podstawiony przynajmniej jednym atomem wodoru i przynajmniej jedną grupą silnie wyciągającą elektrony. Ponadto reakcja nie jest stereospecyficzna i możliwe jest uzyskanie mieszaniny izomerów E/Z. Mimo to prostota reakcji sprawia, że jest ona szeroko stosowana m.in. w syntezie kumaryn.⁹²

Jednym z przykładów syntezy barwników o budowie kwadrupolowej z wykorzystaniem reakcji Knoevenagela jest opisana przez Tian i współpracowników synteza pochodnych benzotiadiazoli o budowie akceptor-donor-akceptor.⁹³ Klasyczne warunki reakcji z wykorzystaniem trietyloaminy lub piperydyny w roli katalizatora pozwoliły na uzyskanie dwóch barwników, z których ten zawierający dwa pierścienie cykloheksenowe posiadał lepsze właściwości fotowoltaiczne kluczowe w wykorzystaniu tego barwnika w organicznych ogniwach słonecznych (Schemat 2).

Schemat 2.

Do wytworzenia wiązania podwójnego sprzężonego z pierścieniem aromatycznym często wykorzystuje się sprzęganie Hecka. Katalizowana kompleksami metali przejściowych reakcja została opisana w 1971 roku przez Mizorokiego i współpracowników.⁹⁴ Rok później pierwszą pracę w tym temacie opublikował Richard Heck,⁹⁵ którego dalsze badania nad tą reakcją zostały uhonorowane Nagrodą Nobla w 2010 roku.

Sprzęganie Hecka najczęściej jest prowadzone w obecności ligandów fosfinowych, które odpowiedzialne są za przeprowadzenie katalizatora palladowego do jego aktywnej formy, jednak koszt, toksyczność i brak możliwości odzyskania fosfin powoduje coraz częstsze odchodzenie od klasycznych warunków. Obecnie możliwe jest prowadzenie

reakcji w środowisku wodnym, w cieczy jonowej, a wynikiem reakcji może być również uzyskane wiązania węgiel-azot.⁹⁶

Reakcję Hecka wykorzystali m.in. Fang i współpracownicy do syntezy biblioteki barwników z różnymi rdzeniami.⁹⁷ W roli jednostki centralnej użyto karbazolu, indenofluorenu i indolokarbazolu (Schemat 3). Uzyskane ze umiarkowanymi i dobrymi wydajnościami barwniki pozwoliły na stwierdzenie, że ze zwiększeniem rdzenia chromoforu rośnie molowy współczynnik absorpcji i przekrój czynny na absorpcję dwufotonową, jednak zauważono jedynie niewielką zmianę w położeniu maksimów absorpcji i fluorescencji.

Schemat 3.

Sprzęganie Suzukiego (nazywane również reakcją lub sprzęganiem Suzukiego-Miyaury) pozwala m. in. na połączenie dwóch pierścieni aromatycznych bezpośrednim wiązaniem C-C. Reakcja katalizowana przez kompleksy palladu na stopniu tlenienia (0) przebiega pomiędzy związkami boroorganicznymi zawierającymi nienasycony ligand a halogenkami arylowymi lub winylowymi. Pierwsza praca na ten temat ukazała się w 1979 roku,⁹⁸ a prace nad udoskonaleniem⁹⁹ i zastosowaniem¹⁰⁰ tej reakcji trwają do dziś. Akira

Suzuki, od którego nazwiska pochodzi nazwa reakcji, w 2010 roku został za swoje odkrycie uhonorowany Nagrodą Nobla.

Zaletami sprzęgania Suzukiego jest dostępność i niska toksyczność kwasów boronowych, a także łagodne warunki prowadzenia reakcji. Możliwość zastosowania estrów boronowych lub soli organotrifluoroboranowych zamiast kwasów boronowych, a także pseudohalogenów zamiast najczęściej stosowanych jodków lub bromków arylowych, jak również możliwość prowadzenia reakcji w wodzie jako rozpuszczalniku dodatkowo zwiększa znaczenie opisywanego powyżej sprzęgania w syntezie organicznej.

Przykładem reakcji Suzukiego prowadzonej z wykorzystaniem wodnego roztworu węglanu potasu jest synteza pochodnej antracenobisimidu opublikowana w 2016 roku przez Iwanaga’ego, Toyotę i współpracowników (Schemat 4).¹⁰¹

Schemat 4.

Najpopularniejszą w syntezie barwników funkcjonalnych, metodą otrzymywania wiązania potrójnego jest sprzęganie Sonogashiry. Zostało ono po raz pierwszy opublikowane przez Sonogashirę i współpracowników w 1975 roku1⁰² i wciąż jest rozwijane.¹⁰³

Przeprowadzenie sprzęgania Sonogashiry bez udziału soli miedzi jest również możliwe, jednak proponowany mechanizm reakcji nie został w pełni potwierdzony.¹⁰⁴ Zaletą braku jonów miedziowych jest ograniczenie powstawania produktu sprzęgania Glasera, który powstaje w wyniku utlenienia acetylenku miedzi.

Wspomniana reakcja została użyta przez Haley’a i współpracowników do syntezy pochodnych indeno[1,2-b]fluoreno-6,12-dionu.¹⁰⁵ Wykorzystanie różnych acetylenów pozwoliło im na uzyskanie pięciu różnych barwników o budowie donor-akceptor-donor w standardowych warunkach reakcji Sonogashiry (Schemat 5).

Schemat 5.

W chemii barwników do tworzenia wiązań węgiel-azot często stosuje się sprzęganie Buchwalda-Hartwiga. Jest to katalizowana kompleksami palladu reakcja halogenków arylowych z aminami. Pomimo, że pierwsze odkrycia w tym temacie zostały opublikowane na początku lat 80-tych XX wieku¹⁰⁶, to przełomem były niezależne prace Buchwalda¹⁰⁷ i Hartwiga¹⁰⁸ z 1994 roku.

Wraz z ciągłym udoskonalaniem katalizatorów i ligandów sprzęganie Buchwalda-Hartwiga staje się możliwe dla coraz szerszej grupy związków, w tym dla alifatycznych amin pierwszorzędowych. Niestety warunki reakcji należy dobrać do konkretnych substratów, co może okazać się żmudnym i czasochłonnym procesem.

Przykładem użycia reakcji Buchwalda-Hartwiga w syntezie związków o strukturze kwadrupolowej jest opisana w 2015 roku przez Zenga i współpracowników konwergentna

synteza barwników o potencjalnym zastosowaniu w terapii fotodynamicznej (Schemat 6).¹⁰⁹ Wspomniana reakcja została przeprowadzona w standardowych warunkach na jednym z dwóch atomów bromu związku 165. Następnie sprzęganie Hecka pozwoliło na uzyskanie dogodnego substratu 167 do reakcji Hornera-Emonsa-Wittiga z symetrycznymi fosfonianami w celu uzyskania dwóch nowych związków o strukturze centrosymetrycznej 168 i 169.

Schemat 6.