Effect of the Nature of Nitrogen-Containing Organic Base on Destruction of Octa(4-tert-butylphenyl)tetrapyrazinoporphyrazine
- Authors: Petrov O.A.1, Volzhankina K.A.1
-
Affiliations:
- Ivanovo State University of Chemistry and Technology
- Issue: Vol 94, No 2 (2024)
- Pages: 245-252
- Section: Articles
- URL: https://journals.rcsi.science/0044-460X/article/view/260333
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0044460X24020098
- EDN: https://elibrary.ru/GUYQBZ
- ID: 260333
Cite item
Full Text
Abstract
The properties of octa(4-tert-butylphenyl)tetrapyrazinoporphyrazine in 2-methylpyridine were studied. During the acid-base interaction of molecules, a kinetically stable complex was formed with proton transfer. The addition of morpholine, piperidine, n-butylamine, and diethylamine to 2-methylpyridine led to the destruction of this complex, unlike the addition of tert-butylamine and triethylamine. The influence of the proton-accepting ability and spatial structure of the nitrogen-containing base, as well as the basicity of the medium, on the process of the tetrapyrazinoporphyrazine macrocycle decomposition was considered, and a destruction scheme was proposed.
Full Text
ВВЕДЕНИЕ
Возрастающий интерес исследователей к химии порфиразинов (Н2РА), содержащих в своем составе аннелированные гетероциклы, связан с расширяющимися перспективами их использования в качестве оптических материалов для записи информации, компонентов цветных и оптических фильтров, флуорохромов, светоизлучающих устройств [1]. Разнообразить область практического применения Н2РА позволяет всестороннее изучение физико-химических свойств. К числу значимых свойств Н2РА следует отнести их устойчивость в протоноакцепторных средах, которая во многом определяет более или менее жесткие ограничения в ходе дальнейшей структурной модификации макроцикла, а также влияет на подбор оптимальных условий синтеза металлокомплексов порфиразинов [2]. К настоящему времени установлены закономерности деструкции некоторых β-замещенных порфиразинов [3] и фталоцианинов (тетрабензопорфиразинов) [3] в органических протоноакцепторных средах. Количественные данные о процессах распада тетрапиразинопорфиразинов в среде азотсодержащих оснований немногочисленны [4], а факторы, влияющие на их кинетическую устойчивость, далеки от полной ясности.
В связи с этим в данной работе исследованы свойства окта(4-трет-бутилфенил)тетрапиразинопорфиразина [H2PA(Pyz)4R8] в 2-метилпиридине, а также в системе 2-метилпиридин (MePy)–пиперидин (Pip) [морфолин (Morph), н-бутиламин (BuNH2), трет-бутиламин, диэтиламин (Et2NH), триэтиламин] (схема 1).
Схема 1.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Спектральные исследования показали, что в среде инертного бензола электронный спектр поглощения H2PA(Pyz)4R8 содержит в видимой области две интенсивные хорошо разрешенные Qх- и Qy-компоненты Q-полосы с λI 674 и λII 646 нм соответственно и В-полосу (полосу Соре) с λ 368 нм (рис. 1). В слабоосновном 2-метилпиридине Qх- и Qy-компоненты сливаются и в электронном спектре поглощения H2PA(Pyz)4R8 регистрируется нерасщепленная Q-полоса с λ 665 нм (рис. 2). При этом В-полоса не претерпевает изменений. Повышение симметрии молекулы от D2h до D4h свидетельствует о том, что H2PA(Pyz)4R8 в присутствии 2-метилпиридина проявляет свойства двухосновной NH-кислоты и образует устойчивый во времени комплекс с переносом протонов – H2PA(Pyz)4R8∙2MePy. На это указывает характер его электронного спектра поглощения, который остается без изменений в течение ~73 ч при 338 K в 2-метилпиридине. В комплексе H2PA(Pyz)4R8∙2MePy протоны NH-групп, связанные с атомом азота молекул 2-метилпиридина, располагаются над и под плоскостью макроцикла, что обеспечивает благоприятное пространственное расположение молекул оснований [2–4]. При этом восемь замещенных фенильных колец, судя по данным [5], не лежат в плоскости тетрапиразинопорфиразинового макроцикла и, скорее всего, не участвуют с ним в π,π-сопряжении. В комплексе H2PA(Pyz)4R8∙2MePy перенос протонов от кислоты к основанию, приводящий к образованию разделенных растворителем ионных пар с последующей их диссоциацией маловероятен [6–8]. Слабовыраженная протоноакцепторная способность 2-метилпиридина (рKа298 = 6.00 [9]) и достаточно низкая диэлектрическая проницаемость среды должна способствовать образованию Н-комплекса – [PA(Pyz)4R8]∙∙∙[НMePy]2. Однако сравнительно высокая NH-кислотность тетрапиразинопорфиразинового макроцикла [10] не исключает возможность существования кислотно-основного равновесия с ионным комплексом, представляющим собой Н-связанную ионную пару [2, 3].
Рис. 1. Электронный спектр поглощения H2PA(Pyz)4R8 в бензоле при 298 K.
Рис. 2. Электронный спектр поглощения H2PA(Pyz)4R8 в 2-метилпиридине при 298 K.
Дальнейшие исследования показали, что комплекс H2PA(Pyz)4R8∙2MePy теряет свою кинетическую устойчивость при введении в 2-метилпиридин добавок морфолина (пиперидина, н-бутиламина, диэтиламина). В электронном спектре поглощения с течением времени регистрируется уменьшение интенсивности нерасщеленной Q-полосы с λ 665 нм независимо от природы основания (рис. 3, 4). При этом исчезает В-полоса, характеризующая наличие пиррольных фрагментов в макроцикле, а цвет раствора изменяется от ярко-зеленого до бесцветного.
Рис. 3. Изменение электронного спектра поглощения H2PA(Pyz)4R8∙2MePy в системе 2-метилпиридин–диэтиламин в течение 65 мин при [Et2NH] = 2.41 моль/л при 323 K.
Рис. 4. Изменение электронного спектра поглощения H2PA(Pyz)4R8∙2MePy в системе 2-метилпиридин–морфолин в течение 47 мин при cMorph = 2.87 моль/л при 318 K.
В интервале c0Morph = 0.29–8.61 моль/л, c0Pip = 0.10–2.53 моль/л, c0BuNH2 = 0.10–2.53 моль/л, c0Et2NH = 0.48–7.25 моль/л в 2-метилпиридине реакция деструкции H2PA(Pyz)4R8∙2MePy (1) описывается суммарным кинетическим уравнением второго порядка – первого по комплексу с переносом протонов (рис. 5) и первого (в пределах экспериментальной ошибки опыта) по основанию (рис. 6):
H2PА(Pyz)4R8·2MePy + 2B → [PА(Pyz)4R8]2– + 2НВ+ + 2MePy, (1)
–dc1/dτ = kc1cB, (2)
k = kн/cВ, (3)
где kн и k – наблюдаемая и истинная константы скорости деструкции соответственно, c1 – концентрация H2PA(Pyz)4R8∙2MePy, В – Morph, Pip, BuNH2, Et2NH.
Рис. 5. Зависимость lg(c0/c) от времени деструкции комплекса H2PA(Pyz)4R8∙2MePy в BuNH2 (1), Et2NH (2), Morph (3), Pip (4) при Т = 298 (3, 4), 318 (1), 323 K (2) и [BuNH2] = 2.53, [Et2NH] = 7.25, [Morph] = 8.61, [Pip] = 2.53 моль/л.
Рис. 6. Зависимость lgkн от lgc0 B реакции деструкции H2PA(Pyz)4R8∙2MePy в присутствии BuNH2 (1), Et2NH (2), Morph (3), Pip (4) в 2-метилпиридине при Т = 298 (1), 303 (2), 308 (3) и 318 K (4).
Аналогичным кинетическим уравнением описывается процесс распада комплекса H2PA(Pyz)4R8 с пиридином в системе пиридин–морфолин (пиперидин, н-бутиламин, диэтиламин) [4]. Наиболее вероятной причиной деструкции H2PA(Pyz)4R8∙2MePy является протекание конкурентной реакции за протон:
H2PA(Pyz)4R8∙2MePy + B → [HPА(Pyz)4R8·MePy]– + HB+ + MePy, (4)
[HPА(Pyz)4R8·MePy]– + В → [PА(Pyz)4R8]2– + НВ+ + MePy. (5)
На стадиях (4) и (5) молекулы морфолина (пиперидина, н-бутиламина, диэтиламина), благодаря более выраженной протоноакцепторной способности, конкурируют с молекулами 2-метилпиридина за протон. При этом сравнительно высокая основность среды способствует образованию дианионной формы – [PА(Pyz)4R8]2–. Отсутствие компенсации избыточного отрицательного заряда в макроцикле, а также отсутствие сольватирующей способности азотсодержащими основаниями дианионной формы тетра(4-трет-бутилфенил)тетрапиразинопорфиразина [11] приводит к самопроизвольному распаду [PА(Pyz)4R8]2– с образованием низкомолекулярных бесцветных продуктов реакции.
В среде пиперидина, н-бутиламина и диэтиламина деструкция H2PA(Pyz)4R8 протекает предельно быстро со скоростями, не позволяющими измерить их обычными кинетическими методами. Напротив, процесс распада H2PA(Pyz)4R8∙2MePy в системе 2-метилпиридин–морфолин (пиперидин, н-бутиламин, диэтиламин), связанный с протеканием реакций (4) и (5), характеризуется низкими значениями констант скорости, а в случае с н-бутиламином, диэтиламином и пиперидином – достаточно высокими значениями энергии активации (Еа) процесса (табл. 1). Вполне вероятно, что стерическое экранирование протонов молекулами 2-метилпиридина препятствует конкурентной реакции за протон в результате чего образование кинетически неустойчивого дианиона [PА(Pyz)4R8]2– при замене H2PA(Pyz)4R8 на H2PA(Pyz)4R8∙2MePy затрудняется, что находит отражение в константах скорости и энергии активации процесса.
Таблица 1. Кинетические параметры деструкции комплекса H2PA(Pyz)4R8∙2MePy в присутствии морфолина (пиперидина, н-бутиламина, диэтиламина) в 2-метилпиридинеа.
с0B, моль/л | Т, K | kн·104, с–1 | k·104, л/(моль∙с) | Еа, кДж/моль |
Морфолин | ||||
0.29 | 298 | 0.15 | 0.57 | 20 |
308 | 0.19 | 0.70 | ||
318 | 0.25 | 0.87 | ||
0.59 | 298 | 0.30 | 0.53 | 21 |
308 | 0.40 | 0.67 | ||
318 | 0.50 | 0.85 | ||
1.43 | 298 | 0.65 | 0.45 | 20 |
308 | 0.90 | 0.60 | ||
318 | 1.10 | 0.75 | ||
2.87 | 298 | 1.50 | 0.50 | 18 |
308 | 1.90 | 0.63 | ||
318 | 2.40 | 0.80 | ||
8.61 | 298 | 5.30 | 0.55 | 19 |
308 | 6.70 | 0.70 | ||
318 | 8.60 | 0.90 | ||
Пиперидин | ||||
0.10 | 298 | 0.13 | 1.20 | 60 |
308 | 0.28 | 2.55 | ||
318 | 0.60 | 5.50 | ||
0.25 | 298 | 0.25 | 1.10 | 62 |
308 | 0.55 | 2.40 | ||
318 | 1.20 | 5.30 | ||
0.50 | 298 | 0.60 | 1.25 | 61 |
308 | 1.30 | 2.70 | ||
318 | 2.85 | 5.80 | ||
1.27 | 298 | 1.50 | 1.15 | 59 |
308 | 3.15 | 2.45 | ||
318 | 6.80 | 5.30 | ||
2.53 | 298 | 3.20 | 1.20 | 61 |
308 | 6.90 | 2.60 | ||
318 | 15.10 | 5.70 | ||
н-Бутиламин | ||||
0.10 | 298 | 0.08 | 0.95 | 65 |
308 | 0.20 | 2.15 | ||
318 | 0.42 | 4.70 | ||
0.25 | 298 | 0.20 | 0.90 | 67 |
308 | 0.48 | 2.10 | ||
318 | 1.10 | 4.80 | ||
0.50 | 298 | 0.43 | 0.90 | 65 |
308 | 1.03 | 2.15 | ||
318 | 2.25 | 4.70 | ||
1.27 | 298 | 1.00 | 0.80 | 67 |
308 | 2.43 | 1.90 | ||
318 | 5.50 | 4.30 | ||
2.53 | 298 | 2.25 | 0.85 | 65 |
308 | 4.95 | 1.87 | ||
318 | 11.65 | 4.40 | ||
Диэтиламинб | ||||
0.48 | 298 | 0.04 | 0.09 | 81 |
303 | 0.07 | 0.15 | ||
313 | 0.20 | 0.40 | ||
323 | 0.52 | 1.05 | ||
1.21 | 298 | 0.08 | 0.07 | 81 |
303 | 0.15 | 0.13 | ||
313 | 0.42 | 0.35 | ||
323 | 1.10 | 0.93 | ||
2.41 | 298 | 0.14 | 0.06 | 80 |
303 | 0.23 | 0.10 | ||
313 | 0.62 | 0.27 | ||
323 | 1.65 | 0.72 | ||
4.83 | 298 | 0.27 | 0.06 | 77 |
303 | 0.45 | 0.10 | ||
313 | 1.20 | 0.30 | ||
323 | 3.10 | 0.70 | ||
7.25 | 298 | 0.60 | 0.09 | 79 |
303 | 1.00 | 0.15 | ||
313 | 2.60 | 0.40 | ||
323 | 7.02 | 1.07 |
а coH2PA(Pyz)4R8∙2MePy = 1.20∙10–5 моль/л.
б Значения kН для диэтиламина при 298 K рассчитаны по уравнению Аррениуса.
Кинетические данные (табл. 1) показывают, что среди циклических оснований минимальная скорость распада H2PA(Pyz)4R8∙2MePy наблюдается в присутствии морфолина (рKа298 = 8.50 [9]). Замена атома кислорода на углерод в морфолиновом цикле не влияет на пространственное строение амина [12], но приводит к перераспределению электронной плотности в молекуле и увеличению рKа298 на ~ 2.7 единицы. В результате этого при переходе от морфолина к пиперидину (рKа298 = 11.23 [9]), имеющему стерически доступный атом азота в составе молекулы [13], значение k298 возрастает в 2 раза. Подобно пиперидину максимальная скорость деструкции, судя по значениям k298, наблюдается в присутствии н-бутиламина (рKа298 = 10.60 [9]). Как и следовало ожидать, пространственное экранирование атома азота в ациклическом амине объемными алкильными заместителями препятствует разрушению комплекса H2PA(Pyz)4R8∙2MePy, поскольку затрудняет благоприятный контакт взаимодействующих молекул в ходе протекания конкурентной реакции за протон (4), (5). Так, в случае н-бутиламина и близкого по основности диэтиламина (рKа298 = 10.84 [9]) значение k298 уменьшается в ~10 раз на фоне роста Еа процесса (табл. 1). Комплекс H2PA(Pyz)4R8∙2MePy под влиянием триэтиламина (рKа298 = 10.75 [9]) не подвергается деструкции. В электронном спектре поглощения окта(4-трет-бутилфенил)тетрапиразинопорфиразина уменьшение интенсивности Q-полосы с λ 665 нм не наблюдается в течение ~37 ч при 333 K. Наряду с увеличением числа алкильных заместителей распаду комплекса с переносом протонов противодействует разветвление углеводородной цепи в амине. Так, трет-бутиламин (рKа298 = 10.68 [9]) не оказывает дестабилизирующего влияния на комплекс H2PA(Pyz)4R8∙2MePy.
Из анализа кинетических данных (табл. 1, 2) следует, что комплексы окта(4-трет-бутилфенил)тетрапиразинопорфиразина с 2-метилпиридином и пиридином, несмотря на их структурную близость, существенно различаются по кинетической устойчивости. Так, при переходе от H2PA(Pyz)4R8∙2MePy к H2PA(Pyz)4R8∙2Py скорость деструкции, судя по значениям k298, возрастает в ~4.5, 7, 6 и 21 раза в присутствии морфолина, пиперидина, н-бутиламина и диэтиламина сответственно на фоне роста Еа процесса. Этот факт не является неожиданным, если принять во внимание, что в комплексе H2PA(Pyz)4R8∙2MePy протоны от NH-групп более стерически экранированы молекулами 2-метилпиридина, что затрудняет благоприятный контакт молекул-партнеров в конкурентной реакции за протон.
Таблица 2. Кинетические параметры деструкции комплекса H2PA(Pyz)4R8∙2Py в присутствии морфолина (пиперидина, н-бутиламина, диэтиламина) в пиридине [4].
с0, моль/л | Т, K | kн·104, с–1 | k·104, л/(моль·с) | Еа, кДж/моль |
Морфолин | ||||
0.29 | 298 | 0.70 | 2.60 | 14 |
308 | 0.85 | 3.05 | ||
318 | 1.00 | 3.65 | ||
Пиперидин | ||||
0.10 | 288 | 0.90 | 8.40 | 12 |
298 | 1.10 | 9.95 | ||
308 | 1.25 | 11.45 | ||
н-Бутиламин | ||||
0.10 | 288 | 0.55 | 6.05 | 18 |
298 | 0.67 | 7.50 | ||
308 | 0.90 | 10.00 | ||
Диэтиламина | ||||
0.48 | 298 | 0.95 | 1.90 | 62 |
303 | 1.40 | 2.90 | ||
313 | 3.00 | 6.15 | ||
323 | 6.40 | 13.00 |
a Значения kн для диэтиламина при 298 K рассчитаны по уравнению Аррениуса.
ВЫВОДЫ
Таким образом установлено, что кислотно- основное взаимодействие окта(4-трет-бутилфенил)тетрапиразинопорфиразина с 2-метилпиридином приводит к образованию устойчивого во времени комплекса с переносом протонов. Введение добавок более сильных оснований (морфолина, пиперидина, н-бутиламина, диэтиламина) в 2-метилпиридин оказывает дестабилизирующее влияние на комплекс с переносом протонов, сопровождающееся распадом тетрапиразинопорфиразинового макроцикла в результате протекания конкурентной реакции за протон. Увеличение рKа основания, а также уменьшение пространственного экранирования в нем атома азота способствует протеканию конкурентной реакции за протон, что приводит к деструкции комплекса окта(4-трет-бутилфенил)тетрапиразинопорфиразина с 2-метилпиридином.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Окта(4-трет-бутилфенил)тетрапиразинопорфиразин синтезировали по методике [14]. Бензол и азотсодержащие основания (Acros) использовали без дополнительной очистки. Для проведения кинетических измерений в термостатируемую кювету спектрофотометра SHIMADZU-UV-1800 помещали свежеприготовленный раствор к H2PA(Pyz)4R8 в 2-метилпиридине с начальной постоянной концентрацией 1.20·10–5 моль/л и добавляли переменные количества морфолина (пиперидина, н-бутиламина, диэтиламина). Скорость деструкции комплекса с переносом протонов H2PA(Pyz)4R8∙2MePy определяли по уменьшению оптической плотности раствора на длине волны λ 665 нм. Текущую концентрацию комплекса определяли по формуле (6):
с = со(Ao – A∞)/(Aτ – A∞), (6)
где Ao, Aτ, A∞ – оптические плотности растворов в начальный момент времени, в момент времени τ и после завершения реакции (τ∞); и со и с – начальная и текущая концентрации комплекса H2PA(Pyz)4R8∙2MePy. Все измерения проводили в условиях реакции псевдопервого порядка, поэтому наблюдаемую константу скорости деструкции H2PA(Pyz)4R8∙2MePy рассчитывали по формуле (7):
kн = (1/τ)lg(с0/с). (7)
Точность кинетических параметров оценивали с помощью обычных методов статистики при доверительном интервале 95%. Использование метода Стьюдента позволило определить относительные ошибки в зачениях kн и Еа, которые составили не более 4.2 и 7.5% соответственно.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы выражают благодарность А. С. Семейкину (Ивановский государственный химико-технологический университет) за образец окта(4-трет-бутилфенил)тетрапиразинопорфиразина, предоставленный для исследования.
About the authors
O. A. Petrov
Ivanovo State University of Chemistry and Technology
Author for correspondence.
Email: poa@isuct.ru
ORCID iD: 0000-0003-3424-7135
Russian Federation, Ivanovo, 153000
K. A. Volzhankina
Ivanovo State University of Chemistry and Technology
Email: poa@isuct.ru
ORCID iD: 0009-0009-9355-3600
Russian Federation, Ivanovo, 153000
References
- Novakova V., Donzello M.P., Ercolani C., Zimcik P., Stuzhin P. // Coord. Chem. Rev. 2018. Vol. 361. Р. 1. doi: 10.1016/j.ccr.2018.01.015
- Петров О.А. // Изв. АН. Сер. хим. 2022. Т. 71. С. 613; Petrov O.A. // Russ. Chem. Bull. 2022. Vol. 71. P. 613. doi: 10.1007/S11172-022-34-59-5
- Петров О.А.// ЖФХ. 2022. Т. 96. № 3. С. 324; Petrov O.A. // Russ. J. Phys. Chem. (A). 2022. Vol. 96. N 3. P. 470. doi: 10.31857/S0044453722030207
- Петров О.А. // ЖОрХ. 2022. Т. 58. № 3. С. 303; Petrov O.A. // Russ. J. Org. Chem. 2022. Vol. 58. N 3. P. 315. doi: 10.31857/S05147492220300
- Donzello M.P., Ou Z., Monacelli F., Ricciardi G., Rizzoli C., Ercolani C., Kadish K.M. // Inorg. Chem. 2004. Vol. 43. N 7. P. 8626. doi: 10.1021/ic048909w
- Молекулярные взаимодействия / Под ред. Г. Ратайчак, У. Орвилл-Томаса. М.: Мир, 1984. 599 с.
- Zundell G. Hydrogen Bonds with Large Proton Polarizability and Transfer Processes in Electrochemistry and Biology / Eds I. Prigogin, S.F. Rise. New York: Willy and Sons Inc., 2000. 217 p.
- Райхардт К. Растворители и эффекты среды в органической химии. М.: Мир, 1991.764 с.
- The Hadbook of Chemistry and Physics / Ed. W.M. Haynes. Boca Raton; London; New York: Taylor and Francis, 2013. 2668 p.
- Stuzhin P.A. // J. Porph. Phthal. 2003. Vol. 7. P. 813. doi: 10.1142/s1088424603001014
- Фиалков Ю.Я. // Растворители как средство управления химическим процессом. Л.: Химия, 1990. 237 с.
- Blackburne I.D., Katritzky A.R., Takeuchi Y. // Acc. Chem. Res. 1975. Vol. 8. P. 300. doi: 10.1021/ar50093a003
- Anet F.A.L., Yavari I. // J. Am. Chem. Soc. 1977. Vol. 99. P. 2794. doi: 10.1021/ja00450a064
- Иванова Ю.Б., Дмитриева О.А., Хрушкова Ю.В., Любимова Т.В., Семейкин А.С., Мамардашвили Н.Ж. // ЖОХ. 2020. Т. 90. № 4. С. 760; Ivanova Yu.B., Dmitrieva O.A., Khrushkova Yu.B., Lyubimova T.V., Semeikin A.S., Mamardashvili N.Z. // Russ. J. Gen. Chem. 2020. Vol. 90. N 4. P. 817. doi: 10.31857//S0044460Х20050157
Supplementary files
