Syntetické štúdie prípravy fluórovaných TEMPO analógov

SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA CHEMICKEJ A POTRAVINÁRSKEJ TECHNOLÓGIE Syntetické štúdie prípravy fluórovaných TEMPO analógov BAKALÁRSKA PRÁCA FCHPT-13569-44025 Študijný program: Študijné odbory: Školiace pracovisko: Vedúci práce: Konzultant: chémia, medicínska chémia a chemické materiály 4.1.14. chémia, 5.2.18. chemické technológie Oddelenie organickej chémie doc. Ing. Peter Szolcsányi, PhD. Ing. Peter Šiška Bratislava, 2015 Martin Vrabeľ

Chcem sa poďakovať môjmu školiteľovi doc. Ing. Petrovi Szolcsányimu, PhD. za ústretový prístup, odborné rady a pomoc pri vypracovaní tejto bakalárskej práce. Taktiež chcem poďakovať Ing. Petrovi Šiškovi za odborné vedenie a rady pri syntéze navrhovanej zlúčeniny.

Čestne vyhlasujem, že predložená bakalárska práca je výlučne mojím dielom a všetky nové výsledky v nej uvedené sú originálne a mnou postulované.

Abstrakt Stabilné organické radikály sú vďaka svojim chemicko fyzikálnym vlastnostiam veľmi atraktívne z hľadiska výskumu a praktického uplatnenia. Predkladaná bakalárska práca sa sústredí na skupinu dusíkatých organických radikálov známych ako nitroxidy. V úvodnej časti sú rozobraté fyzikálno-chemické vlastnosti derivátov 2,2,6,6-tetrametyl-1-piperidínyloxylu (TEMPO). Následne sú predstavené (retro)syntetické analýzy prípravy fluórovaných TEMPO analógov - 2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)-4-oxopiperidín- N-oxidu a 2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)-4-hydroxypiperidín-N-oxidu, z ktorých však zatiaľ ani jedna neviedla k izolácii fluórovaného radikálu. Cieľom do budúcna ostáva úspešné zrealizovanie syntézy menovaných molekúl a jej optimalizácia. Kľúčové slová: TEMPO; stabilný radikál; piperidín, fluór 7

Abstract Due to their unique physico-chemical properties, stable organic radicals are very attractive in terms of research and practical use. The Bachelor Thesis focuses on the group of N-centered organic radicals known as nitroxides. The introductory part examines the properties of (2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)- -oxyl (TEMPO) derivates. Next, the (retro)synthetic analyses of new fluorinated TEMPO analogues 2,2,6,6-tetrakis(trifluoromethyl)-4-oxopiperidin-N-oxide and 2,2,6,6-tetrakis(trifluoromethyl)-4-hydroxypiperidin-N-oxide are described. However, none of those has so far led to the successful isolation of targeted flourinated radical. The aim for the future is therefore to successfully carry out the synthesis of the mentioned molecules and its optimalization. Keywords: TEMPO, stable radical, piperidine, fluorine 8

Obsah Zoznam skratiek... 10 1 Úvod... 12 2 Fyzikálno chemické vlastnosti TEMPO analógov a ich praktické využitie... 14 2.1 Oxidačno redukčné vlastnosti... 14 2.2 Reakcie TEMPO s organokovovými zlúčeninami... 16 2.3 Nabíjateľné organické batérie... 17 2.4 Nitroxidy ako antioxidanty... 20 3 Diskusia... 22 3.1 Retrosyntetická analýza prvej generácie... 22 3.1.1 Príprava 1,2,2,6,6-pentametylpiperidín-4-ónu (3)... 22 3.1.2 Príprava 2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)piperidín-4-ónu (2)... 24 Skríning N-oxidáciií 2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)piperidín-4-ónu (2)... 25 3.1.3... 25 3.2 Retrosyntetická analýza druhej generácie... 27 3.2.1 Príprava 2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)piperidín-4-olu (11)... 28 3.3 Retrosyntetická analýza tretej generácie... 28 3.3.1 Pokus o prípravu 1-hydroxy-2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)piperidín-4-ónu (12)... 29 4 Experimentálna časť... 31 4.1 Príprava 1,2,2,6,6-pentametylpiperidín-4-ónu (3)... 33 4.2 Príprava 2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)piperidín-4-ónu (2)... 34 4.3 Pokus o prípravu 1-hydroxy-2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)piperidín-4-ónu (12). 35 5 Záver... 37 Použitá literatúra 38 9

Zoznam skratiek δ - chemický posun Å - 10-10 metra Ac - acetyl Ar - aryl CDCl 3 - deuterovaný chloroform DCM - dichlórmetán DMSO dimetylsulfoxid e - - elektrón ekv. - ekvivalent EtOAc/EA - etylester kyseliny octovej (etylacetát) Et - etyl Et 2 O - dietyléter FLC - stĺpcová kvapalinová chromatografia hod. - hodina J - interakčná konštanta kat. - katalytické množstvo M - kov M.h. - molekulová hmotnosť mcpba - meta-chlórperoxobenzoová kyselina MeOH - metanol NMR - nukleárna magnetická rezonancia NO - nitroxid ppm - 10-6 metra PROXYL - 2,2,5,5-tetrametylpyrolidín-1-oxid R - alifatický zvyšok R f - retenčný faktor 10

TCM - trichlórmetán TEMPO - 2,2,6,6-tetrametylpiperidín-N-oxid THF - tetrahydrofurán TLC - tenkovrstvová chromatografia TMAO - 1,1,3,3-tetrametylazafenalén-N-oxid TMIO - 1,1,3,3-tetrametylizoindolín-N-oxid 11

1 Úvod Voľné radikály sú častice, ktoré majú jeden nespárený elektrón a vyznačujú sa vysokou reaktívnosťou, čo má za následok veľmi krátku dobu ich života. Poznáme však aj radikály, ktoré je možné izolovať, skladovať a pracovať s nimi ako s čistými látkami. Takéto radikály nazývame stabilné radikály a historicky prvým z nich bol trifenylmetylový radikál (Obrázok 1), ktorý bol objavený začiatkom 20. storočia Mosesom Gombergom, 1 profesorom chémie pôsobiacim v USA, a jeho objav mal okamžitý dopad na chémiu voľných radikálov vtedajšej doby. Obrázok 1: Trifenylmetylový radikál Veľkou skupinou v tejto nesmierne veľkej a pestrej časti organickej chémie sú takzvané nitroxidy, čo sú organické látky obsahujúce N-O. radikál. Tejto oblasti výskumu sa venuje množstvo chemikov, o čom svedčia aj tisícky publikovaných odborných článkov zaoberajúcich sa touto problematikou, za posledných 25 rokov. 1 Typickými predstaviteľmi tejto skupiny sú 2,2,6,6-tetrametyl-piperidín- -N-oxid (TEMPO) a 4-oxo-2,2,6,6-tetrametylpiperidín-N-oxid (4-oxo-TEMPO) (Obrázok 2). 1 Gomberg, M.: J. Am. Chem. Soc. 1900, 22, 757-711. 12

Obrázok 2 13

2 Fyzikálno chemické vlastnosti TEMPO analógov a ich praktické využitie 2.1 Oxidačno redukčné vlastnosti Nitroxidy môžu z hľadiska redoxných reakcií prijať alebo odovzdať jeden elektrón a vytvoriť hydroxylamín alebo príslušný oxo-amóniový katión (Schéma 1) Schéma 1: Reverzibilné oxidačno redukčné reakcie TEMPO Vďaka tomu, ako sa dokážu chemicky správať, našli široké využitie v rôznych oblastiach vedy a priemyslu a ich vlastnosti boli skúmané (bio)chemicky, 2,3,4, 5 elektrochemicky 6, 7, 8 a teoreticky 9, 10. Redukčná schopnosť TEMPO a jeho 2 Samuni Y., Gamso J., Samuni A., Antioxid. Redox Signal. 2004, 6, 587-595. 3 Marx L., Schollhorn B., New J. Chem., 2006, 30, 430-434. 4 Mathieu C., Mercier A., Witt D., Free Radic. Biol. Med., 1997, 22, 803-806. 5 Couet W.R., Brasch R.C., Sosnovsky G., Tetrahedron, 1985, 41, 1165-1172. 6 Manda S., Nakanishi I., Ohkubo K., Org. Biomol. Chem., 2007, 5, 3951-3955. 7 Hodgson J.L., Namazian M., Bottle S.E., Coote M.L., J. Phys. Chem. A., 2007, 111, 13595-13605. 8 Kashiwagi Y., Nishimura T., Anzai J., Electroch. Acta., 2002, 47, 1317-1320. 9 Richnosky S.D., Vaidyanathan R., Pauchamp T., J. Org. Chem., 1999, 64, 6745-6749. 14

derivátov zoradená od najnižsej (PROXYL) po najvyššiu (TMAO) je uvedená v Schéme 2. Schéma 2: Poradie nitroxidov podľa vzrastajúcej redukčnej schopnosti Pre mieru oxidácie však neplatí analogicky opačné poradie, ale všeobecne sa dá povedať, že najnižší oxidačný potenciál majú deriváty azafenalénu (TMAO) a najvyšší oxidačný potenciál majú deriváty izoindolínu. Čo sa týka zlúčenín odvodených od piperidínu, tie sa pohybujú niekde v strede tejto postupnosti. Kľúčovým faktorom, ktorý vplýva na redox potenciál TEMPO a jeho analógov, je charakter funkčných skupín naviazaných na cykle. Ukázalo sa, že najvyšší impakt má nahradenie substituentov nachádzajúcich sa v bezprostrednej blízkosti nitroxylovej skupiny, t.j. v polohách C-2 a C-6. 11,12,13 Tento fakt je možné využiť pri navrhovaní substituentov TEMPO derivátov, používaných v biologických systémoch, kde sú redukované rôznymi bioredukovadlami, ako napr. askorbátovým aniónom, a preto je ich využitie in vivo obmedzené. Výmena metylových skupín za etylové či cyklohexylové v sérii TEMPO 10 Blinco J.P., Hodgson J.L., Morrow B.J., J. Org. Chem., 2008, 73, 6763-6771. 11 Marx L., Chiarelli R., Guiberteau T., Rassat A., J. Chem. Soc. Perkin Trans 1, 2000, 1181-1182. 12 Kirilyug I.A., Bobko A.A., Grigor ev I.A., Khramtsov B.V., Org. Biomol. Chem., 2004, 2, 1025-1030. 13 Okazaki S., Mannan M.A., Sawai K., Free Rad. Res., 2007, 41, 1069-1077. 15

derivátov viedla k významnému zníženiu schopnosti redukovať sa pri in vitro pokusoch. 14, 15, 16 2.2 Reakcie TEMPO s organokovovými zlúčeninami Reakcie s rôznymi organokovovými zlúčeninami RM (M = Li, Mg, Zn, Cu, Sm, Ti, Zr) sú podmienené prítomnosťou dvoch ekvivalentov TEMPO, ktoré v prvom kroku atakuje atóm kovu, pričom vzniká uhlíkatý radikál R a ten reaguje s druhou molekulou TEMPO (Schéma 3). 17 Schéma 3: Reakcia TEMPO s organokovovými zlúčeninami 14 Marx L., Chiarelli R., Guiberteau T., Rassat A., J. Chem. Soc. Perkin Trans 1, 2000, 1181-1182. 15 Kirilyug I.A., Bobko A.A., Grigor ev I.A., Khramtsov B.V., Org. Biomol. Chem., 2004, 2, 1025-1030. 16 Okazaki S., Mannan M.A., Sawai K., Free Rad. Res., 2007, 41, 1069-1077. 17 Root K.S., Hill C.L., Lawrence L.M., Whitesides G.M., J. Am. Chem. Soc., 1989, 111, 5405-5412. 16

Ak necháme posobiť stechiometrické množstvo TEMPO ako oxidovadla s arylovými, alkenylovými alebo alkynylovými Grignardovými činidlami, 18 nastane tzv. homo-coupling. Ide o pomenovanie reakcií, kedy z dvoch identických molekúl dostaneme jednu novú, z nich zloženú (Schéma 4). Schéma 4: Oxidačný homo-coupling pomocou TEMPO 2.3 Nabíjateľné organické batérie Najrozšírenejším zdrojom energie sú v dnešnej dobe lítium iónové batérie, ktorých recyklácia je nákladná, a preto finančne nevýhodná. Batéria skonštruovaná z organických materiálov by v porovnaní s anorganickými typmi mala byť šetrnejšia k životnému prostrediu, lepšie recyklovateľná, ľahšia a mechanicky flexibilná. Aby organická batéria, ktorá obsahuje TEMPO fungovala správne, je nevyhnutné zabezpečiť, aby vrstva ktorá obsahuje TEMPO 18 Maji M.S., Pfeifer T., Studer A., Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 9547-9550. 17

radikál bola imobilizovaná, kvôli nežiadúcej difúzii TEMPO molekuly v smere od elektródy do elektrolytu. Tým sa zabezpečí, aby nedošlo k samovybíjaniu batérie. 19 Vhodnou molekulou pre naviazanie na tenký polymér je napríklad 2,2,6,6-tetrametylpiperidín-4-ol (Schéma 5 ) 20 Schéma 5: Radikálová polymerizácia TEMPO derivátu Vzniknutý polymérne viazaný TEMPO derivát zmiešaný s uhlíkovými vláknami možno použiť ako katódu v radikálovej batérii, pričom anóda je zložená z čistého uhlíka. Pre správnu funkciu systému je nevynutné, aby boli 19 Buhrmester C., Moschurchak L.M., Wang R.L., Dahn J.R., J. Electrochem. Soc., 2006, 153, A1800 20 Nishide H., Oyaizu K., Science, 2008, 319, 737 18

prebiehajúce reakcie vratné (1-elektrónový transfer, Schéma 1), ktoré tak umožnia uskladniť elektrickú energiu (Obrázok 3). 21 Obrázok 3: Mechanizmus nabíjania a vybíjania semi-organickej radikálovej batérie Na výlučne organickej batérii a jej konštrukcii, kde budú elektródy pozostávať len z organických materiálov, (Obrázok 4) pracuje rovnaký tím výskumníkov ako v predošlom prípade [ 20 ]. Obrázok 4: Výlučne organická batéria 21 Kavala M.: Stabilné organické radikály ako nové funkčné materiály, Dizertačná práca, OOCH FCHPT STU, Bratislava, 2013. 19

2.4 Nitroxidy ako antioxidanty Čoraz väčšie množstvo poznatkov o tom, ako negatívne môžu voľné radikály vplývať na náš organizmus nás vedie k tomu, aby sme našli čo najúčinnejšie antioxidanty ktoré by potlačili tento nežiadúci efekt. Jednou skupinou potenciálnych antioxidantov sú aj nitroxidy, z ktorých boli na štúdium použité cyklické nitroxidy stabilizované metylovými skupinami v α-polohe pri 5 a 6-článkových cykloch. (Schéma 6 ) 22 Schéma 6: Nitroxidové radikály ako antioxidanty Majoritná časť týchto zlúčenín nereaguje priamo s radikálmi, ale mechanizmus ich antioxidatívneho účinku spočíva v tom, že katalyzujú vznik 22 Hicks R.G., Stable Radicals, John Wiley & Sons Ltd, 2010, 567-568. 20

enzýmu superoxiddismutázy (SOD), ktorá ako prirodzený antioxidant rozkladá 23, 24, 25, 26 superoxidový radikál na menej škodlivý peroxid vodíka. Výnimku 27, 28 tvoria TEMPO a TEMPONE hydroxylamíny, ktoré priamo vychytávajú radikály a tým sa prejaví ich antioxidačný charakter, z ktorých najúčinnejší pre zachytávanie alkyl-peroxylových a HO 2. radikálov je práve TEMPO, vďaka najnižšiemu oxidačnému potenciálu zo skúmaných zlúčenín. ( Tabuľka 1 ) Tabuľka 1: Rýchlostné konštanty k 0 ( M -1 s -1 ) reakcií nitroxidov s radikálmi 23 Samuni A., Krishna C.M., Riesz P., J. Biol. Chem., 1988, 263, 17921-17924. 24 Samuni A., Krishna C.M., Mitchell J.B., Free Rad. Res., 1990, 9, 241-249. 25 Goldstein S., Merenyi G., Russo A., Samuni A., J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 789-795. 26 Goldstein S., Samuni A., Hideg K., Merrenyi G., J. Phys. Chem. A, 2006, 110, 3679-3685. 27 Mahoney L.R.M., Mendenhall G.D., Ingold K.U., J. Am. Chem. Soc., 1973, 95, 8610-8614. 28 Amorati R., Lucarini M., Mugnaini V., J. Org. Chem., 2003, 68, 1747-1754. 21

3 Diskusia 3.1 Retrosyntetická analýza prvej generácie Kľúčovým aspektom retrosyntetickej analýzy prípravy našej cieľovej zlúčeniny 2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)-4-oxopiperidín-N-oxidu 1 je oxidácia 2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)piperidín-4-ónu 2, ktorý je dostupný skríženou aldolovou kondenzáciou 1,2,2,6,6-pentametylpiperidín-4-ónu 3 a hexafluóracetónu. Derivát 3 je pripraviteľný metyláciou komerčne dostupného 2,2,6,6-tetrametylpiperidín-4-ónu 4 pomocou paraformaldehydu. 29 Schéma 7: Retrosyntetická analýza 1. generácie 3.1.1 Príprava 1,2,2,6,6-pentametylpiperidín-4-ónu (3) Schéma 8: Príprava 1,2,2,6,6-pentametylpiperidín-4-ónu 3 29 Patent EP729947 A1, 1996 22

Prvým krokom syntézy 1. generácie je N-metylácia 4 pomocou formaldehydu a kyseliny mravčej. 30 Produkt tejto reakcie bolo potrebné oddestilovať a podarilo sa ho pripraviť v 90% výťažku. Transformácia predstavuje redukčnú amináciu a jedná sa o nasledovný sled reakcií: a) adíciu amínu na protonovaný aldehyd, (b) kyslo-katalyzovanú elimináciu vody, c) adíciu hydridu na imíniový katión, d) finálnu deprotonáciu amóniovej soli. Všeobecný mechanizmus reakcie je znázornený na Schéme 9. Schéma 9: Všeobecný mechanizmus Eschweiler-Clarkovej reakcie 30 Patent EP729947 A1, 1996. 23

3.1.2 Príprava 2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)piperidín-4-ónu (2) Schéma 10: Príprava 2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)piperidín-4-ónu 2 Prvým krokom transformácie je skrížená aldolová kondenzácia komerčne dostupného hexafluóracetónu s enolizovateľným ketónom 3. Cyklický aldol 5 in situ podlieha Grobovej fragmentácii 31 za vzniku -nenasýteného ketónu 6. Následná aza-michaelova adícia amoniaku poskytne príslušný -aminoketón 7. Ten podlieha ďalšej skríženej aldolovej kondenzácii hexafluóracetónu za vzniku -nenasýteného aminoketónu 9, ktorý finálne cyklizuje aza-michaelovou adíciou na 2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)- piperidín-4-ón 2 (Schéma 11). Vzniknutý surový produkt 2 bol z reakčnej zmesi izolovaný extrakciou, následná destilácia na Kugelrohri poskytla čiastočne purifikovaný produkt, pričom finálne čistenie bolo uskutočnené pomocou stĺpcovej chromatografie na silikagéli. Týmto postupom bol derivát 2 pripravený vo výťažkoch 20 40 %. 31 Sakai K., Yamada K., Yamasaki T., Kinoshita Y., Mito F., Utsumi H., Tetrahedron, 2010, 55, 2311-2315 24

Schéma 11: Navrhovaný mechanizmus vzniku ketónu 2 3.1.3 Skríning N-oxidácií 2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)piperidín-4-ónu (2) a). Použitie katalytického systému Na 2 WO 4 /H 2 O 2 Schéma 12 25

Jedným zo spôsobov oxidácie amínov na nitroxidy je použitie 32 wolfrámanu sodného ako katalyzátora a peroxidu vodíka ako reoxidantu. V našom prípade však nedošlo ku konverzii substrátu 2 ani pri použití nadbytku H 2 O 2 (7 ekv.) pri laboratórnej teplote. Navyše, po 5 dňoch miešania z reakčnej zmesi vypadla biela tuhá látka, ktorá sa ukázala byť substrátom 2. b) Použitie stechiometrického množstva Na 2 WO 4 Schéma 13 V tomto prípade sme sa pokúsili uskutočniť oxidáciu so stechiometrickým množstvom 33 wolfrámanu sodného, avšak s rovnakým výsledkom ako v predchádzajúcom prípade. Reakcia neprebehla pri laboratórnej teplote počas 3 dní a zo zmesi sme izolovali substrát 2. Ani následný prídavok peroxidu vodíka nerezultoval v konverziu substrátu. 32 Wetter Ch., Gierlich J., Knoop Ch.A., Muller Ch., Schulte T., Studer A., Chem. Eur. J., 2004, 10, 1156-1166. 33 Blinco J.P., Hodgson J.L., Morrow B.J., J. Org. Chem., 2008, 73, 6763-6771. 26

c) Použitie mcpba Schéma 14 Alternatívnym spôsobom oxidácie amínov na nitroxidy je aplikácia kyseliny meta-chlórperbenzoovej. 34 Avšak podobne ako v predchádzajúcom prípade, ani použitie nadbytku oxidovadla neposkytlo žiadaný produkt 1, nakoľko konverzia substrátu 2 bola nulová. 3.2 Retrosyntetická analýza druhej generácie Po sérii neúspešných oxidácií sme sa rozhodli najprv zredukovať ketoskupinu ketónu 2 na alkohol a až následne oxidovať derivát 11 na príslušný nitroxid, 2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)-4-hydroxypiperidín-N-oxid 10. (Schéma 4). Schéma 15: Retrosyntetická analýza 2. generácie 34 Rozantsev E.G., Sholle V.D., Synthesis, 1971, 190-202. 27

3.2.1 Príprava 2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)piperidín-4-olu (11) Schéma 16 Jedná sa o štandardnú redukciu 35 karbonylovej skupiny tetrahydroboritanom sodným. Pri použití substechiometrického množstva redukovadla však nedošlo ku konverzii substrátu 2. Mechanistický návrh redukcie je naznačený na Schéme 17. Schéma 17: Navrhovaný mechanizmus redukcie ketónu 2. 3.3 Retrosyntetická analýza tretej generácie Schéma 18: Retrosyntetická analýza 3. generácie. 35 Patent US6353107 B1, 2002. 28

Tento návrh je variáciou prístupu 1. generácie, v ktorom sa nám však nepodarilo zoxidovať amín 2 na nitroxid 1 (Schéma 7). Avšak v tomto prípade by mala byť oxidácia príslušného hydroxylamínu 12 ľahšie realizovateľná, preto sme sa rozhodli v procese kondenzácie použiť namiesto chloridu amónneho, ako tomu bolo v prvom prípade, iný dusíkatý nukleofil, konkrétne hydroxylamín hydrochlorid. Tým pádom by sme ako produkt kondenzácie získali N-hydroxy-2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)piperidín-4-ón 12, ktorý by mal byť v princípe transformovateľný 36,37,38 na nitroxid 1 pomocou MnO 2, NaIO 4, Ag 2 O alebo PbO 2. 3.3.1 Pokus o prípravu 1-hydroxy-2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)piperidín-4-ónu (12) Schéma 19 Transformácia a jej mechanizmus sú analogické ako v predchádzajúcom prípade (Schéma 11). Úplná konverzia substrátu 3 nastala pri 50 C počas 4 dní, pričom produkt mal žltú farbu a bol cítiť po nakladaných kukuričkách. Izolovaná 36 Einhorn J., Rataiczak F., Gauthier Luneau I., Pierre J.L., J. Org. Chem., 2008, 62, 9385-9388. 37 Kirilyuk I.A., Bobko A.A., Grigor ev I.A., Kramtsov V.V., Org. Biomol. Chem., 2004, 2, 1025-1030. 38 Vasilevsky S.F., Klyatskaya S.V., Korovnikova O.L., Tetrahedron, 2006, 62, 4597-4602. 29

zlúčenina však nebol požadovaný produkt 12, ale DMSO. Reakcia pravdepodobne prebehla nasledujúcim mechanizmom (Schéma 20) za vzniku 2,6-tetrakis(trifluórmetyl)hepta-2,5-dién-4-ónu 15, ktorý je pravdepodobne prchavý, a preto sme ho nedokázali izolovať. Schéma 20 30

4 Experimentálna časť Rozpúšťadlá: Hexán destilovaný za atmosférického tlaku, odoberaná frakcia pri teplote 61-62 C. EA destilovaný za atmosférického tlaku, odoberaná frakcia pri teplote 75-77 C. DCM destilovaný za atmosférického tlaku, odoberaná frakcia pri teplote 41-42, uskladnený nad 4Å molekulovými sitami po dobu 24 hodín. DMSO bolo uskladnené 24 hodín nad aktivovanými 4Å molekulovými sitami a destilované za zníženého tlaku (15 Torr), odoberaná frakcia 73-75 C. Všetky ostatné použité rozpúšťadlá boli p.a. kvality a v prípade potreby boli sušené pomocou aktivovaných 4Å molekulových sít počas doby 24 hodín. Všetky rozpúšťadlá boli odparované na rotačnej vákuovej odparke pri teplote kúpeľa do 35 C. Činidlá: Všetky činidlá boli použité bez čistenia v kvalite, ktorú deklaruje výrobca (Alfa Aesar, Sigma-Aldrich). Chromatografia: Na preparatívnu stĺpcovú chromatografiu (FLC) bol štandardne používaný silikagél Kieselgel 60 (40-63 µm, 230-400 mesh, Merck). Priebeh reakcií, konverzia substrátov a čistota pripravených látok bola sledovaná pomocou tenkovrstvovej chromatografie (TLC) na platniach DC-Alufolien Kieselgel 60 F 254 (Merck). Zlúčeniny boli detekované UV žiarením s vlnovou dĺžkou 258 nm 31

a/alebo v 15% roztoku KMnO 4 alebo v mostaíne a následným zahriatím prúdom horúceho vzduchu (220 C) z teplovzdušnej pištole. 1 H NMR spektroskopia: 1 H NMR spektrá boli merané na spektrometri Varian VXR-300 (300 MHz) s použitím interného štandardu tetrametylsilánu (TMS) pri laboratórnej teplote v rozpúšťadle CDCl 3, ktorého zvyškový signál (CHCl 3 ) je tiež používaný ako referenčná hodnota. Chemický posun (δ) je udávaný v jednotkách ppm a pre TMS predstavuje (δ Me = 0.00 ppm (s)), pre zvyškový CHCl 3 v deuterochloroforme predstavuje (δ H = 7.26 ppm (s)). Skratky použité pri identifikácii multiplicity signálov: s singlet. 13 C NMR spektroskopia: 13 C NMR a APT spektrá boli merané na spektrometri Varian VXR-300 (75 MHz) s použitím interného štandardu tetrametylsilánu (TMS) pri laboratórnej teplote v rozpúšťadle CDCl 3, ktorého zvyškový signál (CHCl 3 ) je tiež používaný ako referenčná hodnota. Chemický posun (δ) je udávaný v jednotkách ppm a pre TMS predstavuje (δ Me = 0.0 ppm (s)), pre zvyškový CHCl 3 v deuterochloroforme predstavuje (δ C = 77.0 ppm (s)). Skratky použité pri identifikácii multiplicity signálov: s singlet, d dublet, t triplet, q kvartet. IČ spektroskopia: Infračervené spektrum bolo merané v rozmedzí 400-4000 cm -1 spektrometri Nicolet 5700 FT-IR s diamantovou sondou Smart Orbit-ATR. na 32

4.1 Príprava 1,2,2,6,6-pentametylpiperidín-4-ónu (3) Schéma 21 Poznámka: Ak máme nedostatočne čistý substrát 4 (<95%), je vhodné ho predestilovať, resp. sublimovať. Destilácia sa uskutočňuje za vákua na vodnej výveve pri teplote 120 C. Do guľatej banky s magnetickým miešadielkom sa pridal substrát 4 (10 g, 64.5 mmol, 1 ekv.), paraformaldehyd (2.9 g, 96.6 mmol, 1.5 ekv.) a 50 ml toluénu. Reakčnú zmes sme zahriali na 80 C a pri tejto teplote sme pomaly pridávali kyselinu mravčiu (3.264 g, 2.675 ml, 70.9 mmol, 1.1 ekv.). Teplotu sme postupne zvýšili na 130 C. Reakcia skončila po 2 hodinách, zmes sa nechala vychladnúť na laboratórnu teplotu a následne sa pridal NaOH (0.387 g, 9.68 mmol, 0.15 ekv.). Vzniknutá suspenzia sa prefiltrovala cez papier a rozpúšťadlo sa odparilo na vákuovej odparke. Surový produkt sa následne destiloval na Kugelrohri pri teplote 120 C a tlaku 9 mbar. Získali sme 9.8 g (90%) produktu 3 vo forme číreho bledozeleného oleja. R f = 0.63 (HEX/EA =4/1), C 10 H 19 NO (M.h. = 169.15). NMR dáta sú v súlade s publikovanými údajmi. 39 39 Belostotskii A.M., Shapiro A,B., Rus. Chem. Bull., 1991, 40, 421-429. 33

4.2 Príprava 2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)piperidín-4-ónu (2) Schéma 22 Do guľatej banky s magnetickým miešadielkom sa pridal substrát 3 (2 g, 11.82 mmol, 1 ekv.) a DMSO (18 ml, 19.8 g, 0.253 mol, 21 ekv.) a nasadil sa Dimrothov chladič zvrchu uzatvorený septom. Cez septum sa injekčnou striekačkou pridal po menších dávkach hexafluóracetón (5.1 ml, 8 g, 48.19 mmol, 4 ekv.), ktorý pri styku s reakčnou zmesou intenzívne dymil. Za miešania sa po malých dávkach pridal chlorid amónny (4 g, 74.78 mmol, 6.3 ekv.) a zmes sa nechala miešať pri 60 C 3 dni. Vypadla biela zrazenina a reakčná zmes mala tehlovo-červenú farbu.. Pridala sa voda (40 ml) a vychladnutá zmes bola extrahovaná Et 2 O (3x20 ml ). Bledožltá organická fáza bola zahustená na vákuovej odparke a zvyšok sa následne destiloval na Kugelrohri (120 C, 8 mbar) za zisku bezfarebnej kvapaliny. Finálna purifikácia pomocou FLC (silikagél, 20 ekv., HEX/Et 2 O 15/1) poskytla aminoketón 2 (1.6 g, 36%) vo forme bezfarebného oleja. R f = 0.6 (TCM/EA/MeOH = 6/3/1), C 9 H 5 F 12 NO (M.h. = 371.02). 1 H NMR: (300MHz, CDCl 3 ): /ppm: 3.15 (s, 4H, H-3; H-5). 13 C NMR: (300MHz, CDCl 3 ): /ppm: 40.2 (t, C-3, C-5); 76.1 (s, C-2, C-6); 122.2 (q, 2 x CF 3(ax.) (eq.) ); 124.1 (q, 2 x CF 3(ax.) (eq.) ); 207.6 (s, C-4). 34

IČ (ATR): 3471(N-H), 3390(N-H), 2935, 1712(C=O), 1435, 1327, 1224, 1187, 1149, 1078, 1047, 988, 952, 862, 696, 619, 539, 508, 470. 4.3 Pokus o prípravu 1-hydroxy-2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)piperidín-4-ónu (12) Schéma 23 Do guľatej banky s magnetickým miešadielkom sa pridal substrát 3 (1.5 g, 8.87 mmol, 1 ekv.) a DMSO (13.5 ml, 14.85 g, 0.19 mol, 21 ekv.) a nasadil sa Dimrothov chladič zvrchu uzatvorený septom. Cez septum sa injekčnou striekačkou pridal po menších dávkach hexafluóracetón (4.55 ml, 6 g, 36.14 mmol, 4 ekv.) ktorý pri styku s reakčnou zmesou intenzívne dymil. Za miešania sa po malých dávkach pridal NH 2 OH. HCl (3.69 g, 53.1 mmol, 6.1 ekv.). Po pridaní asi polovice množstva hydroxylamínu dostala sa reakčná zmes zakalila a zmenila farbu na svetložltú. Zmes sa zahriala na 60 C, pričom pri 50 C začala hnednúť. Reakcia bola ukončená po 4 dňoch pridaním vody (25 ml) a zmes bola cítiť po nakladaných kukuričkách. Následne bola sekvenčne extrahovaná Et 2 O (3x25 ml), EtOAc (3x25 ml), EtOAc/MeOH (4/1, 5x25ml), ale vo vodnej fáze sa ešte stále nachádzalo veľa organického materiálu (TLC kontrola). Na destiláciu sa vybral éterický extrakt, ktorý sa najprv odparil na vákuovej odparke a táto zmes (3.8 g) sa následne destiloval na Kugelrohri (110 C, 2 Torr). Získaná 35

zlúčenina sa nakoniec ukázala byť DMSO, požadovaný produkt 12 sa nepodarilo pripraviť. 36

5 Záver Bola uskutočnená literárna rešerš fyzikálno-chemických vlastností najznámejších organických radikálov a ich praktického využitia. Navrhla sa nová štruktúra 2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)-4-oxopiperidín- -N-oxidu, od syntézy ktorej nás delí jeden krok, a tým je oxidácia 2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)piperidín-4-ónu. Zatiaľ ani jedna z troch testovaných (retro)syntetických stratégií neviedla k úspešnej izolácii cieľovej zlúčeniny. Cieľom do budúcna ostáva samotná príprava 2,2,6,6-tetrakis(trifluórmetyl)-4-oxopiperidín-N-oxidu a následná plnohodnotná charakterizácia jeho fyzikálno chemických vlastností. 37

Použitá literatúra [1]Gomberg, M.: J. Am. Chem. Soc. 1900, 22, 757 711 [2]Samuni Y., Gamso J., Samuni A., Antioxid. Redox Signal. 2004, 6, 587-595 [3]Marx L., Schollhorn B., New J. Chem., 2006, 30, 430-434 [4]Mathieu C., Mercier A., Witt D., Free Radic. Biol. Med., 1997, 22, 803-806 [5]Couet W.R., Brasch R.C., Sosnovsky G., Tetrahedron,,1985, 41, 1165-1172 [6]Manda S., Nakanishi I., Ohkubo K., Org. Biomol. Chem., 2007, 5, 3951-3955 [7]Hodgson J.L., Namazian M., Bottle S.E., Coote M.L., J. Phys. Chem. A., 2007, 111, 13595-13605 [8]Kashiwagi Y., Nishimura T., Anzai J., Electroch. Acta., 2002, 47, 1317-1320 [9]Richnosky S.D., Vaidyanathan R., Pauchamp T., J. Org. Chem., 1999, 64, 6745-6749 [10]Blinco J.P., Hodgson J.L., Morrow B.J., J. Org. Chem., 2008, 73, 6763-6771 [11]Marx L., Chiarelli R., Guiberteau T., Rassat A., J. Chem. Soc. Perkin Trans 1, 2000, 1181-1182 [12]Kirilyug I.A., Bobko A.A., Grigor ev I.A., Khramtsov B.V., Org. Biomol. Chem., 2004, 2, 1025-1030 [13]Okazaki S., Mannan M.A., Sawai K., Free Rad. Res., 2007, 41, 1069-1077 [14]Marx L., Chiarelli R., Guiberteau T., Rassat A., J. Chem. Soc. Perkin Trans 1, 2000, 1181-1182 [15]Kirilyug I.A., Bobko A.A., Grigor ev I.A., Khramtsov B.V., Org. Biomol. Chem., 2004, 2, 1025-1030 [16]Okazaki S., Mannan M.A., Sawai K., Free Rad. Res., 2007, 41, 1069-1077 [17]Root K.S., Hill C.L., Lawrence L.M., Whitesides G.M., J. Am. Chem. Soc., 1989, 111, 5405-5412 [18]Maji M.S., Pfeifer T., Studer A., Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 9547-9550 [19] Buhrmester C., Moschurchak L.M., Wang R.L., Dahn J.R., J. Electrochem. Soc., 2006, 153, A1800 [20] Nishide H., Oyaizu K., Science, 2008, 319, 737[21]Kavala M.: Stabilné organické radikály ako nové funkčné materiály, Dizertačná práca, OOCH FCHPT STU, Bratislava, 2013 [22]Hicks Robin G., Stable Radicals, John Wiley & Sons Ltd, 2010, 567-568, ISBN 978-0-470-77083-2 [23]Samuni A., Krishna C.M., Riesz P., J. Biol. Chem., 1988, 263, 17921-17924 [24]Samuni A., Krishna C.M., Mitchell J.B., Free Rad. Res., 1990, 9, 241-249 38

[25]Goldstein S., Merenyi G., Russo A., Samuni A., J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 789-795 [26]Goldstein S., Samuni A., Hideg K., Merrenyi G., J. Phys. Chem. A, 2006, 110, 3679-3685 [27]Mahoney L.R.M., Mendenhall G.D., Ingold K.U., J. Am. Chem. Soc., 1973, 95, 8610-8614 [28]Amorati R., Lucarini M., Mugnaini V., J. Org. Chem., 2003, 68, 1747-1754 [29] Patent EP729947 A1, 1996 [30] Patent EP729947 A1, 1996 [31]Sakai K., Yamada K., Yamasaki T., Kinoshita Y., Mito F., Utsumi H., Tetrahedron, 2010, 55, 2311-2315 [32]Wetter Ch., Gierlich J., Knoop Ch.A., Muller Ch., Schulte T., Studer A., Chem. Eur. J., 2004, 10, 1156-1166 [33]Blinco J.P., Hodgson J.L., Morrow B.J., J. Org. Chem., 2008, 73, 6763-6771 [34]Rozantsev E.G., Sholle V.D., Synthesis, 1971, 190-202 [35]Patent US6353107B1, 2002 [36]Einhorn J., Rataiczak F., Gauthier Luneau I., Pierre J.L., J. Org. Chem., 2008, 62, 9385-9388 [37]Kirilyuk I.A., Bobko A.A., Grigor ev I.A., Kramtsov V.V., Org. Biomol. Chem., 2004, 2, 1025-1030 [38]Vasilevsky S.F., Klyatskaya S.V., Korovnikova O.L., Tetrahedron, 2006, 62, 4597-4602 [39] Belostotskii A.M., Shapiro A,B., Rus. Chem. Bull., 1991, 40, 421-429 39