Synteza DPP posiadających podstawniki benzofurylowe

Prace rozpoczęłam od zaprojektowania struktury barwnika 175 z grupami dietyloaminowymi na peryferiach cząsteczki. Silnie elektronodonorowe grupy funkcyjne miały wzmocnić siłę kwadrupola doprowadzając do batochromowego przesunięcia pasm absorpcji oraz zwiększenia przekroju czynnego na absorpcję dwufotonową, zaś podstawniki n-heksylowe zostały wykorzystane do zwiększenia rozpuszczalności w rozpuszczalnikach organicznych. W trzyetapowej syntezie z łatwo dostępnego 4-(dietyloamino)-2-hydroksybenzaldehydu (172) otrzymałam w standardowych warunkach syntezy zielony barwnik 175 o silnej fluorescencji (Schemat 7).

Schemat 7.

W podobny sposób zsyntetyzowałam również barwnik 178 o znacznie dłuższych łańcuchach alkilowych. Otrzymany ciekły cyjanobenzofuran 177 poddałam reakcji syntezy DPP uzyskując zaprojektowany związek z niską wydajnością (Schemat 8). Pomimo braku grup alkilowych na amidowych atomach azotu otrzymany DPP jest dobrze rozpuszczalny w dichlorometanie i trochę słabiej w heksanie i cykloheksanie.

Schemat 8.

Uzyskane wyniki badań optycznych skłoniły mnie do dalszych prac związanych z syntezą DPP zawierających ugrupowanie benzofuranowe podstawione grupami elektronodonorowymi. Postanowiłam zsyntetyzować DPP posiadające atomy bromu zamiast podstawników diaminoalkilowych, co umożliwiłoby konwergentną syntezę barwników podstawionych m.in. aminami aromatycznymi z wykorzystaniem różnych reakcji sprzęgania, w tym reakcji Buchwalda-Hartwiga. Dla porównania zamierzałam również otrzymać barwniki z grupami metoksylowymi. Niestety zastąpienie grupy dialkiloaminowej atomem bromu lub grupą metoksylową już na etapie reakcji aldehydu salicylowego z chloroacetonitrylem powodowała powstanie skomplikowanych mieszanin poreakcyjnych o ciemnej barwie (Schemat 9). Skrócenie czasu reakcji lub obniżenie temperatury znacznie obniżało stopień przereagowania substratu, zaś użycie bardziej aktywnego bromoacetonitrylu również nie przyniosło oczekiwanych rezultatów.

Schemat 9.

Próbowałam otrzymać niezbędny cyjanobenzofuran korzystając z trzyetapowej syntezy z użyciem tetrabromometanu, jednak uzyskiwane sumaryczne wydajności nie były zadowalające (Schemat 10). Zrezygnowałam również z przeprowadzenia innej trójetapowej

syntezy, w której w pierwszym etapie następuje alkilowanie grupy OH przez bromooctan etylu. Pierwsze próby nie okazały się zbyt wydajne, starałam się też uniknąć konieczności użycia lakrymatora.

Schemat 10.

Wady powyższych metod skłoniły mnie do dalszych poszukiwań dogodnych warunków syntezy 2-cyjanobenzofuranów. Skupiłam swoją uwagę na próbach zmodyfikowania metody użytej do otrzymania związku 173. Postanowiłam przeprowadzić ten proces w dwóch etapach. W pierwszym etapie przeprowadziłam O-alkilowanie pochodnych aldehydu salicylowego przy użyciu K2CO3 jako zasady i KI jako katalizatora.

Izolacja produktu okazała się bardzo prosta, ponieważ dodatek wody do mieszaniny poreakcyjnej powodował jego wytrącenie. Drugi etap – wewnątrzcząsteczkową kondensację typu aldolowego prowadziłam w DMF-ie z użyciem tej samej zasady, jednak konieczne okazało się ogrzewanie mieszaniny reakcyjnej do 100 °C (Schemat 11).

Produkty powstały z zadowalającą wydajnością i również łatwo je można było oczyścić przez sączenie mieszaniny reakcyjnej przez żel krzemionkowy i krystalizację (Schemat 11).

Schemat 11.

Z uwagi na niskie wydajności drugiego etapu syntezy, postanowiłam sprawdzić również warunki w wykorzystaniem katalizy przeniesienia międzyfazowego (PTC, ang.

phase-transfer catalysis). Reakcję prowadziłam stosując wodorosiarczan tetrabutyloamoniowy (TBAHS) jako katalizator PTC. Reakcja nie wymagała użycia wysokowrzącego DMF-u i prowadziłam ją w dichlorometanie w obecności stężonego wodnego roztworu NaOH (Schemat 12). Uzyskałam wydajności porównywalne, a w kilku przypadkach wyższe niż dla reakcji prowadzonej w DMF.

Schemat 12.

Otrzymane cyjanobenzofurany posłużyły mi do syntezy diketopirolopiroli oraz ich N,N’-alkilowanych pochodnych (Schemat 13). Reakcje prowadziłam w standardowych warunkach, a produkty uzyskałam z zadowalającymi wydajnościami.

Schemat 13.

Kolejnym etapem syntezy miała być reakcja Buchwalda-Hartwiga wprowadzająca do cząsteczki zawierającej grupy diaryloaminowe. Niestety pomimo wielu prób z wykorzystaniem difenyloaminy w obecności jednego z najskuteczniejszych katalizatorów palladowych - RuPhos i węglanu cezu nie udało mi się uzyskać zaprojektowanych barwników (Schemat 14).

Schemat 14.

Postanowiłam sprawdzić, czy wprowadzenie grupy aminowej można przeprowadzić w pierwszym etapie syntezy. Niestety reakcja przeprowadzona na 5-bromo-2-hydroksybenzaldehydzie (179) we wspomnianych wyżej warunkach prowadziła do uzyskania skomplikowanej mieszaniny produktów (Schemat 15). Zmiana katalizatora oraz użycie aminy zawierającej podstawniki elektronodonorowe pozwoliły na wydzielenie niewielkich ilości produktu 209.

Schemat 15.

Niestety jednoetapowa synteza pochodnej benzofuranu, jak również alkilowanie tej pochodnej aldehydu salicylowego w łagodnych warunkach nie powiodły się (Schemat 16).

Schemat 16.

Próbowałam również przeprowadzić reakcję Buchwalda-Hartwiga na związkach 191 i 184. W tych przypadkach również nie wyizolowałam oczekiwanych produktów.

Schemat 17.

Pomimo niepowodzenia w syntezie barwników posiadających w strukturze trzeciorzędowe aminy aromatyczne postanowiłam sprawdzić, w jaki sposób na własności optyczne wpływa obecność amin alifatycznych połączonych z chromoforem przez grupę metylową. Wykorzystałam zsyntetyzowany przez Krzysztofa Sobczyka i opisany w jego pracy magisterskiej diketopirolopirol 212 w reakcji N,N’-dialkilowania uzyskując barwnik 213 z wydajnością 79% (Schemat 18).

Schemat 18.

Usztywnienie struktury cząsteczki, jak zostało to opisane w części literaturowej, ma na ogół znaczny wpływ na własności optyczne barwników. Najczęściej obserwuje się batochromowe przesunięcie widm absorpcji i fluorescencji oraz zmiany w wydajności kwantowej fluorescencji. Zamierzałam sprawdzić czy ograniczenie rotacji wokół wiązania węgiel-azot pomiędzy grupą dialkiloaminową a aromatycznym układem benzofuranu przyniesie korzystne rezultaty. W tym celu wykorzystałam trzypierścieniową pochodną julolidyny 214 do otrzymania odpowiedniego benzofuranu 216, a następnie w standardowych warunkach wykonałam syntezę diketopirolopirolu oraz jego N,N’-diheksylowej pochodnej 218 (Schemat 19). Oczekiwany barwnik, charakteryzujący się dobrą rozpuszczalnością w rozpuszczalnikach organicznych powstał z dobrą wydajnością.

Schemat 19.

Ostatnim zagadnieniem, na jakie zwróciłam uwagę było zbadanie jak silny będzie steryczny wpływ sąsiedniej grupy metylowej na reaktywność grupy cyjanowej w pochodnych cyjanobenzofuranu. Dla przypomnienia dodam, że w przypadku

2-metylobenzonitrylu wydajność DPP wynosi tylko 7,3%,¹¹¹ podczas gdy dla benzonitrylu diketopirolopirol może zostać otrzymany w wydajnością ponad 70%.¹¹² Miałam nadzieję, że zwiększenie kąta pomiędzy grupami CN i CH3 oraz brak atomu wodoru ‘z drugiej strony’ grupy cyjanowej pozwolą na zmniejszenia niekorzystnego wpływu tej zawady sterycznej. Otrzymałam trzy barwniki (224–226), których syntezę rozpoczęłam od 2-hydroksyacetofenonu (219) lub jego pochodnych posiadających dodatkowo grupy metoksylowe (związki 220 i 221). Synteza 2-cyjanobenzofuranów była prowadzona zgodnie z opracowaną wcześniej procedurą. Podobnie jak w przypadku pochodnych aldehydu salicylowego O-alkilowanie katalizowane przez KI przebiegało z wysokimi wydajnościami. Otrzymane produkty poddałam cyklizacji wybierając warunki PTC, dzięki którym uniknęłam stosowania wysokowrzącego DMF-u. Wydajności dla dwóch przykładów okazały się prawie ilościowe, dla trzeciego wysokie. Synteza DPP oraz jego alkilowanie przebiegały ze znacznie niższymi wydajnościami, co wynikało ze zmniejszenia reaktywności zatłoczonych nitryli (Schemat 20).

Schemat 20.

Dla lepszego zrozumienia wpływu struktury na właściwości optyczne, barwnik 231 poddano analizie rentgenostrukturalnej. Okazało się, że kąt torsyjny pomiędzy rdzeniem DPP a podstawnikami arylowymi wynosi 40,5°, co jest wartością niewiele wyższą od zmierzonej dla pochodnej z podstawnikami fenylowymi (34,2°).¹¹³

Rysunek 70. Struktura krystalograficzna barwnika 231 (atomy wodoru pominięte dla przejrzystości)