Научная проблема, на решение которой направлен настоящий проект – разработка новых универсальных подходов к синтезу соединений с заданными оптическими свойствами.
Научная значимость и актуальность решения обозначенной проблемы.
На сегодняшний день нет ни одной сферы деятельности человека, где бы не использовались окрашенные вещества. Красители и пигменты нужны для окрашивания текстильных волокон, изделий из кожи, меха, дерева, полимерных материалов, металлических поверхностей, декоративно-отделочных материалов, пищевых продуктов, фармацевтических препаратов, косметических композиций и многого другого. Архитектура и дизайн помещений, полиграфия, различные виды искусства – все это невозможно себе представить без использования красителей. Разнообразные цветовые индикаторы применяются для контроля производственных процессов, в аналитике, биологических исследованиях, медицине и сельском хозяйстве. Окраска технологических жидкостей используется для визуального выявления протечек. Для контроля химических примесей используются хемосенсорные материалы с оптическим откликом.Происходит непрерывное расширение сферы применения красителей, обладающих люминесцентными свойствами, особенно флуорофоров, соединений, которые испускают видимое излучение при воздействии на них оптическим излучением определенного диапазона. Способность флуорофоров специфически окрашивать различные объекты и материалы, делая их более доступными для визуального изучения, используется в методах флуоресцентной визуализации и, в частности, флуоресцентной микроскопии. Флуорофоры играют важную роль в различных исследованиях в биофизике, молекулярной и клеточной биологии, медицине. Использование флуоресцентных маркеров дает возможность визуального исследования биологических объектов самого разного масштаба, от отдельных макромолекул до органов и тканей. Многие методы исследования ДНК основаны на флуоресцентной детекции. В последние годы флуоресцентная визуализация активно применяется в медицине. Флуорофоры применяются также в лазерах для создания излучения с определенной длиной волны.В настоящее время все более актуальными становятся экологичные источники энергии, основанные на неисчерпаемых природных ресурсах. Относительно новое и перспективное направление в этой области – разработка солнечных батарей, фотоэлементы которых сенсибилизированы органическими красителями.Таким образом, принимая во внимание огромную практическую значимость красителей и/или флуорофоров, необходимость в разработке новых эффективных подходов к широкому спектру соединений с заданными оптическими свойствами не вызывает сомнений. Решение обозначенной научной проблемы открывает пути синтеза сразу нескольких классов соединений с заданными оптическими свойствами, а дальнейшее развитие работы в данном направлении позволит, в перспективе, направленно создавать новые красители и/или флуорофоры с требуемыми характеристиками для конкретных практических приложений.
Конкретная задача (задачи) в рамках проблемы, на решение которой направлен проект, ее масштаб и комплексность.
Конкретные задачи, на решение которых направлен настоящий проект – разработка подхода к широкому спектру соединений с заданными оптическими свойствами, а также разработка способов контролируемого изменения оптических свойств соединений на основе химических превращений ацетилена.Молекула ацетилена является универсальным строительным блоком в синтезе разнообразных органических продуктов. Благодаря наличию тройной связи и двух подвижных атомов водорода, ацетилен способен вступать в реакции двух типов:1) разнообразные реакции присоединения;2) реакции замещения атомов водорода.Реакции [3+2]- и [4+2]-циклоприсоединия позволяют конструировать ядра гетероциклических соединений различных классов, многие из которых обладают яркой окраской и/или флуоресцентными свойствами благодаря наличию длинной цепи сопряжения. Спектр реакций присоединения с участием ацетилена включает в себя также винилирование OH- и NH-групп, которые часто присутствуют в молекулах красителей, в том числе флуоресцентных. Введение винильной группы в молекулы красителей может изменить их оптические свойства в определенном диапазоне, а дальнейшие превращения с участием винильного фрагмента могут стать способом получения новых соединеий с яркой окраской и/или флуоресцентными свойствами, в том числе полимеров.Реакции замещения атомов водорода в молекуле ацетилена дают возможность вводить фрагмент C2 в различные функционализированные субстраты и тем самым изменять их оптические свойства. Замещение сразу двух атомов водорода позволяет объединить два структурных фрагмента, содержащих пи-электронные системы, в единую сопряженную цепь и получить ярко окрашенные и/или флуоресцирующие продукты.Таким образом, на основе химии ацетилена можно решить сразу комплекс задач в области синтеза соединений с контролируемыми оптическими свойствами. С одной стороны, реакции ацетилена позволяют конструировать непосредственно скелет соединений с определенными оптическими свойствами, с другой стороны, имеется принципиальная возможность контролируемого изменения оптических свойств красителей путем взаимодействия их функциональных групп с молекулой ацетилена.Масштаб проекта определяется возможностью синтезировать и функционализировать окрашенные и/или флуоресцирующие соединения различных классов. В рамках данного проекта планируется синтезировать пиридазины, пиридины, пиразолы, изоксазолы, триазолы, а также диарилацетилены с длинной цепью сопряжения и изучить их оптические свойства. Также планируется функционализация ряда коммерчески доступных красителей и проверка возможности синтеза полимеров на их основе.
Научная новизна поставленной задачи, обоснование достижимости решения поставленной задачи и возможности получения запланированных результатов.
На данный момент существует большое количество частных способов получения красителей и/или флуорофоров, которые разработаны для отдельных классов соединений и в большинстве своем непригодны для получения широкого спектра продуктов с заданными оптическими свойствами. Реализация настоящего проекта предполагает синтез и модификацию окрашенных и/или флуоресцирующих соединений различных классов на основе химических превращений одного исходного вещества – ацетилена. Такой подход в синтезе красителей и/или флуорофоров будет применен впервые. Стоит также отметить, что данный подход вписывается в рамки актуальной на сегодняшний день концепции «соединений-платформ» – полифункциональных химических реагентов, являющихся базой для синтеза самых разнообразных полезных продуктов. В ходе реализации настоящего проекта будут синтезированы новые соединения, потенциально пригодные для использования в качестве красителей и/или флуорофоров. Будут получены новые данные о влиянии структуры гетероциклических соединений на их оптические свойства, в том числе, впервые будет проведено сравнение характеристик сразу нескольких классов гетероциклов, имеющих сходное строение боковой цепи.
Значительный опыт работы членов научного коллектива в области химии ацетилена и гетероциклических соединений, а также успешный опыт совместного выполнения ранее поддержанных Фондом проектов не оставляет никаких сомнений в достижимости решения поставленных задач и получения всех запланированных результатов.
Современное состояние исследований по данной проблеме.
В настоящее время активно ведется поиск новых путей синтеза, разработка и улучшение синтетических методик для получения красителей и/или флуорофоров с требуемыми для современных нужд характеристиками. Постоянно публикуются работы по синтезу новых соединений с перспективными оптическими свойствами самых разных классов: новых азокрасителей,[1] флуореновых,[2] ксантеновых,[3] сквареновых,[4] цианиновых,[5] акридиновых,[6] полиметиновых красителей,[7] красителей на основе кумарина,[8] хиноксалина,[9] бензотиазола,[10] карбазола[11] и других полициклических соединений.[12] Стоит отметить, что подавляющее большинство работ в данном направлении достаточно узко специализированы, направлены на получение соединений одного класса, либо соединений с конкретным практическим приложением. На сегодняшний день можно выделить следующие основные направления исследований по заявленной проблеме:
1)разработка флуоресцентных меток и зондов для биомедицинских приложений;[10a,b, 13]
2)разработка флуорофоров, используемых в методах флуоресцентной визуализации;[5a, 14]
3)разработка красителей для сенсибилизации фотоэлементов солнечных батарей.[2a-c, 9a-d, 12b-d]
Литература:
[1] (a) A.G. Tskhovrebov, L.C.E. Naested, E. Solari, R. Scopelliti, K. Severin, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 1289–1292. (b) Y. Li, B.O. Patrick, D. Dolphin, J. Org. Chem., 2009, 74, 5237–5243.
[2] (a) G.Z. Wubie, M.-N. Lu, M.A. Desta, H.D. Weldekirstos, M.M. Lee, W.-T. Wu, S.-R. Li, T.-C. Wei, S.-S. Sun, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 23513–23522 (b) K.R.J. Thomasa, A. Venkateswararaoa, R. Balasaravanana, C.-T. Lib, K.-C. Ho, Dyes Pigments, 2019, 165, 182–192. (c) A. Karuppasamy, K. Stalindurai, J.-D. Peng, K.-C. Ho, C. Ramalingan, Electrochim. Acta, 2018, 268, 347–357. (d) J. Shaya, F. Fontaine-Vive, B.Y. Michel, A. Burger, Chem. Eur. J. 2016, 22, 10627–10637.
[3] A. Nandakumar, P.T. Perumal, Org. Lett., 2013, 15, 382–385.
[4] M.H. Chua, H. Zhou, T.T. Lin, J. Wu, J. Xu, ACS Omega, 2018, 3, 16424−16435.
[5] (a) H. Mu, K. Miki, H. Harada, K. Tanaka, K. Nogita, K. Ohe, ACS Sens., 2021, 6, 123–129 (b) D.S. Pisoni, L. Todeschini, A.C.A. Borges, C.L. Petzhold, F.S. Rodembusch, L.F. Campo, J. Org. Chem., 2014, 79, 5511−5520.
[6] K. Durka, M. Urban, M. Dąbrowski, P. Jankowski, T. Kliś, S. Luliński, ACS Omega, 2019, 4, 2482−2492.[7]S. Vikneshvaran, J.W. Jang, N.N.T. Pham, S.J. Park, G. Balamurugan, S.G. Lee, J.S. Park, Dyes Pigments, 2022, 203, 110321.
[8] (a) K. Renault, A. Chevalier, J. Bignon, D. Jacquemin, J.-A. Richard, A. Romieu, ChemPhotoChem, 2021, 5, 822−838. (b) J. Chen, W. Liu, B. Zhou, G. Niu, H. Zhang, J. Wu, Y. Wang, W. Ju, P. Wang, J. Org. Chem., 2013, 78, 6121−6130.
[9] (a) G.Z. Wubie, M.A. Desta, H.D. Weldekirstos, M.M. Lee, W.-T. Wu, S.-R. Li, S.-S. Sun, J Chin Chem Soc., 2021, 68, 952–958. (b) M. A. Desta, C.-W. Liao, S.-S. Sun, Chem. Asian J., 2017, 12, 690–697. (c) C.-P. Lee, P.-W. Chen, C.-T. Li, Y.-J. Huang, S.-R. Li, L.-Y. Chang, P.-Y. Chen, L.-Y. Lin, R. Vittal, S.-S. Sun, J.-J. Lin, K.-C. Ho, J. Power Sources, 2016, 325, 209–219. (d) S.-R. Li, C.-P. Lee, H.-T. Kuo, K.-C. Ho, S.-S. Sun, Chem. Eur. J., 2012, 18, 12085–12095. (e) J.-S. Ni, W.-S. Kao, H.-J. Chou, J.T. Lin, ChemSusChem, 2015, 8, 2932–2939.
[10] (a) S. Zheng, Y. Fang, Y. Chen, Q. Kong, F. Wang, X. Chen, Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc., 2022, 267, 120616. (b) Q. Kong, J. Wang, Y. Chen, S. Zheng, X. Chen, Y. Wang, F. Wang, Dyes Pigments, 2021, 191, 109349. (c) Y. Chen, Y. Fang, H. Gu, J. Qiang, H. Li, J. Fan, J. Cao, F. Wang, S. Lu, X. Chen ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 55094–55106.
[11] A. Venkateswararao, K.R.J. Thomas, C.-P. Lee, C.-T. Li, K.-C. Ho, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 2528−2539.
[12] (a) G. Zhang, S. Zhang, F. Chen, Y. Ni, C. Wang, L. Yang, L. Kong, J. Yang, Dyes Pigments, 2022, 203, 110327. (b) C. Curiac, R.R. Rodrigues, J. Watson, L.A. Hunt, A. Devdass, J.W. Jurss, N.I. Hammer, R.C. Fortenberry, J.H. Delcamp, ChemSusChem, 2021, 14, 3084–3096. (c) Y. Zhang, H. Cheema, L. McNamara, L.A. Hunt, N.I. Hammer, J.H. Delcamp, Chem. Eur. J., 2018, 24, 5939–5949. (d) A. Saini, K.R.J. Thomas, Y.‑J. Huang, K.‑C. Ho, J Mater Sci: Mater Electron, 2018, 29, 16565–16580. (e) D. Kumar, K.R.J. Thomas, C.-P. Lee, K.-C. Ho, Org. Lett., 2011, 13, 2622–2625.
[13](a) S. Zheng, J. Peng, L. Jiang, H. Gu, F. Wang, C. Wang, S. Lu, X. Chen, Sens. Actuators B Chem., 2022, 367, 132148, (b) B. Gu, C. Dong, R. Shen, J. Qiang, T. Wei, F. Wang, S. Lu, X. Chen, Sens. Actuators B Chem., 2019, 301, 127111. (c) W.Q. Xia, P.L. Cui, J.P. Wang, J. Liu, Microchem. J., 2021, 170, 106779.
[14](a) M. Jiang, J. Wu, W. Liu. H. Ren, S. Wang, P. Wang, J. Photochem. Photobiol. B, 2022, 233, 112488. (b) L. Zheng, Z. Wang, X. Zhang, Y. Zhou, A. Ji, H. Lou, X. Liu, H. Chen, Z. Cheng, J. Med. Chem., 2022, 65, 497–506. (c) P. Sun, Y. Chen, B. Sun, H. Zhang, K. Chen, H. Miao, Q. Fan, W. Huang, ACS Appl. Bio Mater., 2021, 4, 4542–4548. (d) C. Yin, X. Zhen, H. Zhao, Y. Tang, Y. Ji, Y. Lyu, Q. Fan, W. Huang, K. Pu, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 12332–12339.
Предлагаемые методы и подходы, общий план работы на весь срок выполнения проекта.
Для решения поставленных в данном проекте задач планируется синтезировать набор соединений различных классов с длинной цепью сопряжения, модифицировать ряд коммерчески доступных красителей и флуорофоров и проверить возможность получения полимеров на их основе. Путем [3+2]- и [4+2]-циклоприсоединия с участием ацетилена будут получены пяти- и шестичленные азотистые гетероциклы, с помощью реакции Соногаширы будут получены диарилацетилены. Путем винилирования ацетиленом OH- и NH-содержащих красителей и флуорофоров будут получены винильные производные, в дальнейшем будет изучена возможность полимеризации этих производных. Ацетилен для всех реакций будет получен непосредственно в реакционном сосуде из карбида кальция и воды.
Для всех полученных продуктов будут зарегистрированы спектры поглощения в УФ- и видимом диапазоне, для флуоресцирующих соединений будут зарегистрированы флуоресцентные спектры и оценены квантовые выходы флуоресценции. Для соединений, обладающих наиболее выраженной окраской и/или высокой интенсивностью флуоресценции, будет проведено сравнение оптических свойств с со стандартными коммерчески доступными красителями, поглощающими и/или испускающими в аналогичном диапазоне.
Общий план работы на весь срок выполнения проекта:
Первый год
1)Синтез пятичленных азотистых гетероциклов
Планируется получить пятичленные гетероциклы трех классов: пиразолы, изоксазолы и триазолы. Синтез будет осуществлен путем [3+2]-циклоприсоединия ацетилена и арилзамещенных диполей: нитрилиминов, нитрилоксидов и азидов.
2)Синтез шестичленных азотистых гетероциклов
Планируется получить шестичленные гетероциклы двух классов: пиридины и пиридазины. Синтез этих соединений будет основан на [4+2]-циклоприсоединении ацетилена и гетероциклических субстратов, содержащих четырехэлектронные сопряженные пи-системы: триазинов и тетразинов.
3)Изучение влияния структуры полученных соединений на их оптические свойства
Для полученных гетероциклов будет проведена оценка влияния типа гетероциклического ядра и структуры заместителей на спектры поглощения в УФ- и видимом диапазоне и/или флуоресцентные спектры. Для шестичленных гетероциклов будет проведено сравнение их оптических свойств со свойствами исходных гетероциклических субстратов, чтобы оценить влияние замены структурного фрагмента N=N на С=С в ядрах этих соединений. Для всех арилзамещенных соединений будет изучено также влияние заместителей в арильных фрагментах.
Второй год
1)Синтез диарилацетиленов
Планируется получить ряд диарилацетиленов по реакции Соногаширы с участием ацетилена и арилгалогенидов.
2)Модификация красителей и флуорофоров
Планируется модифицировать ряд коммерчески доступных красителей и/или флуорофоров, содержащих OH- и NH-группы, путем винилирования ацетиленом. В качестве OH-содержащих субстратов будут использованы полициклические фенольные соединения. В качестве NH-содержащих исходных соединений будут взяты красители бензимидазольного ряда.
3)Изучение влияния структуры полученных соединений на их оптические свойства
Для диарилацетиленов будет изучено влияние заместителей в арильных фрагментах. Для модифицированных красителей и флуорофоров будет оценено влияние винильной группы. Среди синтезированных соединений, включая полученные в первый год проекта, будут отобраны наиболее перспективные для использования в качестве красителей и/или флуорофоров и проведено сравнение их оптических свойств со свойствами коммерчески доступных красителей.
4)Исследование реакции полимеризации винильных производных красителей и/или флуорофоров
Будет изучена возможность получения высокомолекулярных полимеров с узким молекулярно-массовым распределением из полученных на предыдущем этапе работы винильных производных красителей и/или флуорофоров. Планируется использовать метод катионной полимеризации; для достижения оптимального результата условия реакций и каталитические системы будут проварьированы в широком диапазоне.
Имеющийся у коллектива исполнителей научный задел по проекту.
Заявленный научный коллектив обладает значимым для успешного выполнения настоящего проекта научным заделом в области химии ацетилена и гетероциклических соединений. Основу научного задела по химии ацетилена составляет совместная работа В.В. Воронина и М.С. Ледовской по синтезу пяти- и шестичленных гетероциклов, O-,S-,N-винильных производных, а также их D-меченных аналогов.[1-5] Путем превращений генерируемого in situ ацетилена были синтезированы пиразолы,[1] изоксазолы,[1] триазолы,[1] пиридазины,[1,3] а также их 4,5-дидейтерированные производные с изотопной чистотой 95-99%.[1] Из ацетилена-13С2 был синтезирован 13С2-азинтамид.[2] Помимо синтеза гетероциклических соединений на основе ацетилена, генерируемого in situ, были получены виниловые и тридейтеровиниловые производные.[4,7] Ацетилен-13С2 был использован для синтеза 13С2-виниловых производных и меченного полимера на основе 13С2-винилового эфира.[2] К научному заделу по химии ацетилена также можно отнести статьи, посвященные применению виниловых производных в синтезе гетероциклов,[3,6,7] и обзорные статьи.[8,9]
Публикации,[1-3,6,7,10] посвященные способам конструирования гетероциклов и исследованию их свойств, составляют задел научного коллектива по химии гетероциклических соединений. Наличие совместных обзорных статей [8,9] у членов научного коллектива демонстрирует умение анализировать и структурировать информацию. Опыт работы руководителя заявленного проекта, тесно связанный с химией ацетилена[1-5] и синтезом гетероциклических соединений[1-3,6,7] поможет в организации работы и позволит сделать ее максимально эффективной.
Публикации членов научного коллектива [1,3-7] являются результатом выполнения проекта РНФ № 19-73-10032 «Изучение внедрения дидейтероацетилена и продуктов его трансформации в синтезе меченных гетероциклов».
1.Voronin, V.V.; Ledovskaya, M.S.; Rodygin, K.S.; Ananikov, V.P. // Cycloaddition Reactions of in situ Generated C2D2 in Dioxane: Efficient Synthetic Approach to D2-Labeled Nitrogen Heterocycles // Eur. J. Org. Chem., 2021, 2021 (41), 5640-5648. // https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ejoc.202101085 // DOI: 10.1002/ejoc.202101085 (IF 2.787, Q2).
2.Ledovskaya, M.S.; Voronin, V.V.; Rodygin, K.S.; Ananikov, V.P. // Efficient labeling of organic molecules using 13C elemental carbon: Universal access to 13C2-labeled synthetic building blocks, polymers and pharmaceuticals // Org. Chem. Front., 2020, 7, 638-647 // https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/qo/c9qo01357a // DOI: 10.1039/C9QO01357A (IF 4.89, Q1).
3.Ledovskaya, M.S.; Polynski, M.V.; Ananikov, V.P. // One-Pot and Two-Chamber Methodologies for Using Acetylene Surrogates in the Synthesis of Pyridazines and Their D-Labeled Derivatives // Chem. Asian. J., 2021, 16, 2286-2297. // https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/asia.202100562?af=R // DOI: 10.1002/asia.202100562 (IF 3.843, Q1).
4.Voronin, V.V.; Ledovskaya, M.S.; Rodygin, K.S.; Ananikov, V.P. // Examining the vinyl moiety as a protecting group for hydroxyl (–OH) functionality under basic conditions // Org. Chem. Front., 2020, 7, 1334-1342 // https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/QO/D0QO00202J // DOI: 10.1039/D0QO00202J (IF 4.89, Q1).
5.Rodygin, K.S.; Voronin, V.V.; Ledovskaya, M.S. // Synthesis of glucosamine vinyl ether derivative and its deuterated analog // Russ. Chem. Bull., 2020, 69 (7), 1401-1404. // https://link.springer.com/article/10.1007/s11172-020-2915-3 // DOI: 10.1007/s11172-020-2915-3 (IF 1.005, Q4).
6.Kutskaya, A.M.; Serkov, S.A.; Voronin, V.V.; Ledovskaya, M.S.; Polynski, M.V. // Negligible Substituent Effect as Key to Synthetic Versatility: a Computational-Experimental Study of Vinyl Ethers Addition to Nitrile Oxides // ChemistrySelect, 2022, 7, e202200174. // https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/slct.202200174 // DOI: 10.1002/slct.202200174 (IF 2.240, Q2)
7.Ledovskaya, M.S.; Voronin, V.V.; Polynski, M.V.; Lebedev, A.N.; Ananikov, V.P. // Primary Vinyl Ethers as Acetylene Surrogate: A Flexible Tool for Deuterium-Labeled Pyrazole Synthesis // Eur. J. Org. Chem., 2020, 2020 (29), 4571-4580. // https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ejoc.202000674 // DOI: 10.1002/ejoc.202000674 (IF 2.787, Q2).
8.Ledovskaya, M.S.; Voronin, V.V.; Rodygin, K.S.; Ananikov, V.P. // Acetylene and ethylene – universal C2 molecular units in cycloaddition reactions // Synthesis, 2022, 54(04), 999-1042 // https://www.thieme-connect.com/products/ejournals/abstract/10.1055/a-1654-2318 // DOI: 10.1055/a-1654-2318. (IF 2.743, Q1).
9.Rodygin, K.S.; Ledovskaya, M.S.; Voronin, V.V.; Lotsman, K.A.; Ananikov, V.P. // Calcium Carbide: Versatile Synthetic Applications, Green Methodology and Sustainability // Eur. J. Org. Chem., 2021, 2021 (1), 43-52. // https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ejoc.202001098 // DOI: 10.1002/ejoc.202001098 (IF 2.787, Q2).
10.Lenshmidt, L.V.; Ledovskaya, M.S.; Larina, A.G.; Filatov, A.S.; Chakchir, O.B.; Boitsov, V.M.; Uspenskii, A.A.; Stepakov, A.V. // Synthesis of Isoxazolo[5',4':3,4]pyrrolo[1,2-a]azepines via N-Acyliminium Cyclization // Russ. J. Org. Chem., 2020, 56, 227-240. // https://link.springer.com/article/10.1134/S1070428020020098 // DOI: 10.1134/S1070428020020098 (IF 0.659, Q4).