Проект нацелен на РЕШЕНИЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ ПРОБЛЕМЫ по выявлению взаимосвязи между нековалентными взаимодействиями в супрамолекулярных системах и практически значимыми свойствами этих систем. Решение данной проблемы открывает новые возможности для рационального дизайна фото- и электролюминесцентных материалов, катализаторов, молекулярных магнитов, солнечных батарей, а также сенсоров.
КОНКРЕТНАЯ ЗАДАЧА в рамках выбранного направления заключается в направленном кристаллохимическом дизайне супрамолекулярных систем с использованием ди- и полинитрилов в качестве комбинированных бифункциональных (σ+π)-доноров нековалентных взаимодействий (π···π стэкинга, галогенной связи, халькогенной связи, взаимодействий типа lp···π). Структуры исходных доноров нековалентных взаимодействий, координационных и органических соединений будут направленно варьироваться для придания итоговым супрамолекулярным ансамблям требуемых фотофизических и физико-химических характеристик, что, при успешном развитии предлагаемого проекта, позволит применять их в светоизлучающих устройствах, биовизуализирующих агентах, сенсорах, и системах хранения энергии.
Принципиальная новизна предлагаемого проекта заключается в использовании супрамолекулярных синтонов на основе ароматических и гетероциклических полинитрилов в качестве комбинированных бифункциональных (σ+π)-доноров. К настоящему времени полинитрилы (в частности, 1,2,4,5-тетрацианобензол) широко используются в кристаллохимическом дизайне функциональных материалов, однако они связываются с исходным органическим остовом исключительно за счёт π···π стэкинга. В тоже время предлагаемые бифункциональных доноры будут связываться одновременно посредством σ- (за счёт атома галогена или халькогена) и π-дырочных (за счёт π-электрон-дефицитной системы полинитрила) взаимодействий. Для этого будут синтезирован большой ряд новых бифункциональных (σ+π)-доноров.
Ключевым залогом успеха кристаллохимического подхода в материаловедении является способность некоторых типов нековалентных взаимодействий придавать молекулам строгую ориентацию в пространстве и таким образом упорядочивать внутреннюю структуру системы. Это объясняется тем, что такие взаимодействия возникают за счёт наличия у атома (галогена, халькогена, пниктогена и др) региона с локальным дефицитом электронной плотности – σ-дырки. Соответственно такие взаимодействия называются σ-дырочными (к ним, в частности, относятся галогенные и халькогенные связи), а вещества, способные давать подобные взаимодействия – донорами σ-дырки. Поскольку σ-дырка обусловлена локальным дефицитом электронов на оси σ-связи, то донор нековалентного взаимодействия направлен по отношению к основанию Льюиса (акцептору взаимодействия) под углом близким к 180 °.
Кроме σ-дырки в соединении может формироваться π-дырка, то есть область молекулы с положительным электростатическим потенциалом, которая обычно расположена в регионе пустой π*-орбитали и направлена перпендикулярно молекулярному фрагменту, обусловленная дефицитом электронов.
Отдельный интерес вызывают комбинированные бифункциональные (σ+π)-доноры нековалентных взаимодействий, то есть молекулы, в составе которых есть одновременно и σ-, и π-дырки для образования межмолекулярных контактов.
1. Методология изучения нековалентных взаимодействий детально проработана и неоднократно реализовывалась участниками данного проекта [Baykov et al.1,21–23,27–29]. Поиск и анализ геометрических параметров известных кристаллических структур в кембриджской базе структурных данных будет проводиться с помощью программного пакета CSD-System (подпрограммы ConQuest и IsoStar). Данный программный пакет также применим и для поиска сокристаллов белков с малыми органическими молекулами в банке данных белков (PDB).
Получение монокристаллов и сокристаллов будет осуществляться упариванием раствором целевых веществ в подходящих органических растворителях, глубоковакуумной возгонкой (для монокристаллов) и медленной диффузией одной органической фазы в другую (метод высаливания).
Для проведения рентгенодифракционных исследований у коллектива есть доступ к четырём монокристалльным дифрактометрам (трём с медным анодом и одному с молибденовым, для изучения структур, содержащих «тяжёлые» атомы), которые находятся в Научном Парке СПбГУ (https://researchpark.spbu.ru/research-park/centres). Кроме того, существуют налаженные деловые контакты с другими кристаллографическими группами, в том числе, иностранными. Всё это делает возможным проведение широкого набора кристаллографических экспериментов, включая варьирование температуры в интервале от 5 (охлаждение жидким гелием) до 298 K.
Анализ кристаллографических данных планируется проводить с привлечением методов современной вычислительной и квантовой химии. Планируется осуществить детальное теоретическое исследование природы, силы и вклада нековалентных взаимодействий в архитектуру получаемых кристаллических систем.
Идентификацию нековалентных взаимодействий и изучение их влияния на кристаллическую упаковку изолированных молекулярных кластеров будет проведено с помощью топологического анализа распределения электронной плотности (QTAIM), анализа поверхностей Хиршфельда (Hirshfeld surface analysis), метода независимой градиентной модели (IGM). Кроме того, будут проведены расчёты функции молекулярного электростатического потенциала (MEP), ограниченного электростатического потенциала (RESP), локализации электронов (ELF), лапласиана электронной плотности, функции деформационной электронной плотности (промолекулярное и мультипольное приближение, EDD), локализованного орбитального локатора (LOL). Данные методы позволяют визуализировать и охарактеризовать направленность взаимодействия и оценить его абсолютный вклад в общую энергию кристаллической решётки и в энергию стабилизации. Также будут задействован метод орбитального анализа натуральных орбиталей (NBO) и изучено зарядовое и энергетическое разложения по методу Френкинга (СDD). Это позволит оценить вклад переноса заряда и энергию стабилизации донорно-акцепторного взаимодействия (E2). Для изучения природы взаимодействий будут применены методы разложения энергии на физические составляющие: адаптированная по симметрии теория возмущений (SAPT) и локальное разложение энергии (LED). Помимо этого, планируется провести оптимизацию геометрии молекулярных фрагментов в газовой фазе и в растворе на уровне DFT, что позволит получить детальное представление о нековалентном взаимодействии.
Помимо кристаллографических методов, для исследования нековалентных взаимодействий будут применены калориметрическое титрование (ITC) и ЯМР титрование. Данные подходы позволят оценить энергетику взаимодействий в растворе. Также агрегация в растворе будет изучена с помощью DOSY спектроскопии.
2. Синтетическая часть работы будет выполнена с использованием методов органической и координационной химии, которые ранее неоднократно применялись членами коллектива [Baykov et al. 13,16,30–32]. Изучение химических процессов в рамках заявленного проекта предполагается провести с использованием методологии исследования синтетических превращений комплексов металлов и органических соединений.
а) изучение реакций в растворе при помощи многоядерной ЯМР спектроскопии и хроматографических, масс-спектрометрических и хромато-масс-спектроскопических методов;
б) определение инертности или лабильности исходных соединений и продуктов реакции с помощью двумерной хроматографии и ЯМР спектроскопии.
в) учёт предварительных данных и проведение препаративного эксперимента в обычных условиях, либо с использованием техники Шленка и работы в атмосфере аргона (или азота).
г) выделение полученных комплексных соединений и/или органических продуктов реакции из раствора в твёрдую фазу, их очистка хроматографическими методами (при необходимости).
д) установление структуры полученных соединений с помощью набора современных физико-химических методов: элементного анализа, масс-спектрометрии высокого разрешения (ESI, APCI), ИК- и УФ-спектроскопии, одномерной ЯМР спектроскопия на ядрах 1H, 13C, 19F, 31P, 77Se и 195Pt, одно- и двумерных корреляционных методов ЯМР – DEPT, COSY, NOESY, HSQC, HMBC, а также рентгеноструктурного анализа монокристаллов.
е) для комплексов металлов будет выполнено исследование с применением циклической вольтамперометрии в совокупности с дифференциально-импульсной и переменнотоковой вольтамперометрией, что позволит определить энергии ВЗМО и НСМО, а также ширины запрещённой зоны изучаемых объектов, что является важным параметром при изготовлении OLED.
3. Фотофизические свойства функциональных супрамолекулярных систем будут изучены с опорой на предыдущий опыт членов коллектива [Baykov et al.16,33]. Во-первых, будет проведён анализ спектров люминесценции, возбуждения в растворе, кристаллическом состоянии и в матрице полиметилметакрилата при комнатной температуре и 77 K. Анализ полос поглощения и возбуждения, расчёт параметра Хуанга-Риса, констант Штерна-Фольмера позволит глубже понять природу и геометрию возбужденных состояний, а также процессы переноса заряда в комплексах при образовании ими сокристаллов с донорами нековалентных взаимодействий. Будут измерены квантовые выходы люминесценции.
Сравнение полученных характеристик для сокристаллов комплексов и монокомпонентных систем позволит глубже понять эффект взаимодействий σ/π-дырка···[M] на свойства материала.
По результатам будут отобраны наиболее перспективные системы для более детального изучения, а именно определения электролюминесцентных свойств. Данное исследование будет проводиться на модельных одно- и многослойных OLED-устройствах. Эмиссионные слои будут изготовлены методами вакуумного напыления, спин-коутинга и/или путём допирования комплексов в матрицу поливинилкарбазола. Будут определены рабочие характеристики изготовленных OLED-устройств, такие как: вольтамперные и вольт-яркостные зависимости, эффективность по току, эффективность по мощности, координаты цветности генерируемого излучения и их зависимость от рабочего напряжения. Анализ рабочих параметров модельных OLED-устройств позволит выявить зависимости между составом и строением полученных материалов и их эффективностью.
Будут проведены квантово-химические расчёты синглетных и триплетных состояний молекул в рамках нестационарной теории функционала плотности (TD-DFT), а также детальный анализ соответствующих граничных молекулярных орбиталей, ответственных за протекание электронных переходов в модельных системах, что поможет понять причины появления и изменения в люминесценции полученных соединений.
Предлагаемые методы и подходы в областях синтеза и изучения свойств металлорганических и координационных соединений, а также органической химии и идентификации химических соединений соответствуют мировому уровню. Методология реализации проекта носит комплексный, междисциплинарный характер и включает синтез органических и координационных соединений, создание супрамолекулярных ансамблей, экспериментальные физико-химические исследования и теоретические квантовохимические расчёты. Всё это в совокупности позволит предложить новые эффективные супрамолекулярные системы и всесторонне охарактеризовать их.
1. Коллектив обладает существенным опытом получения супрамолекулярных систем (в том числе на основе комплексов металлов), проведения рентгеноструктурных исследований подобных объектов, обработки и анализа кристаллографических данных, выявления и характеризации различных типов нековалентных взаимодействий.
1.1. В серии работы было показано, что 4-галоген-5-нитрофталонитрилы являются бифункциональными супрамолекулярными (σ+π)-синтонами и пригодны для получения сокристаллов с органическими и координационными соединениями.
● [Baykov et al. Cryst. Growth Des. 2020, 20, 995–1008]: получена серия сокристаллов ацетилацетонатов платины(II) и палладия(II) с 4-бром и 4-иод-5-нитрофталонитрилами, супрамолекулярное связывание в которых происходит за счёт C···[M] взаимодействия dz2-орбитали металла с π-дефицитной системой фталонитрила и галогенных связей Br/I···O.
● [Baykov et al. Cryst. Growth Des. 2020, 20, 3417–3428]: получены изоморфные соскристаллы 4-бром- и 4-иод-5-нитрофталонитрилов с ДМСО. В обеих структурах наряду с галогенными связями Br/I···O выявлено не описанное ранее гетеролептическое четырехцентровое нековалентное взаимодействие между сульфинильной группой (S=O) и циано-группой (C≡N).
● [Baykov, Geyl et al. Chem. Asian J. 2021, 16, 1445–1455]: показано, что взаимодействие между 4-бром- и 4-иод-5-нитрофталонитрилами и различными пиридинами протекает двумя способами в зависимости от стерических и электронных эффектов гетероциклов. Пиридины со стерически доступным атомом азота подвергаются N-арилированию с образованием соответствующих пиридиниевых солей. В то же время пиридины со стерически затрудненным атомом азота или электроноакцепторным заместителем образуют с фталонитриалми стабильные сокристаллы, образованные за счёт галогенных связей I/Br···N.
1.2. Продемонстрировано, что металлы платиновой группы в зависимости от лигандного окружения способны выступать акцепторами галогенной связи.
● [Baykov et al. Inorg. Chem. Front. 2021, 8, 2505–2517]: была получена серия изоморфных сокристаллов дитиокарбаматных комплексов типа [MII(S2CNEt2)2] (M = Cu, Ni, Pd, Pt) с 1,3,5-трииодтрифторбензолом. Во всех четырёх структурах были идентифицированы нековалентные взаимодействия I···M, природа которых определяется свойствами металлоцентра. При переходе от электрофильного Cu(II) к значительно более нуклеофильным Ni(II), Pd(II) и Pt(II) происходит изменение типа взаимодействия с семи-координации на галогенную связь, что было подтверждено теоретическими расчётами с использованием методов NBO, ESP и ED. Обнаруженные взаимодействия I···Pd и I···Pt являются примерами самых сильных галогенных связей (4.30 и 5.42 ккал/моль соответственно) между соединениями иода(I) и данными металлами.
● [Baykov et al. Cryst. Growth Des. 2018, 18, 5973–5980]: было показано наличие галогенной связи с металлоцентром в сокристаллах цианамидных комплексов платины(II) и палладия(II) с галоформами. Это первый пример ГС с участием палладия(II).
1.3. Изучено влияние нековалентных взаимодействий различного типа на супрамолекулярную организацию широкого круга органических соединений (преимущественно гетероциклического ряда).
● [Baykov, Presnukhina et al. Cryst. Growth Des. 2021, 21, 2526–2540]: проанализирован широкий ряд кристаллических структур 2,5-дибромтиофенов, как полученных впервые, так и представленных в Кембриджской базе структурных данных (CCDC). Выявлено, что структурно-направляющим взаимодействием являются галогенные связи Br···Br. Впервые проведена классификация типов кристаллической упаковки рассмотренных рентгеновских структур: (i) «цепь» – атомы брома действуют либо как доноры ГС, либо как акцепторы ГС; (ii) «зигзаг» – каждый атом брома одновременно выступает в качестве донора и акцептора ГС; (iii) «ромб», вершины которого являются атомами брома.
● [Baykov, Semenov et al. Molecules 2021, 26, 3119]: структуры трех тетрагалофталевых ангидридов (ТГФА: галоген = Cl (TХФA), Br (TБФA), I (TИФA)) были изучены с методом РСА. В структурах TХФA и TБФA была идентифицирована галогенная связь с участием атома кислорода ангидридной системы, являющаяся примером галогенной связи с наиболее слабым нуклеофилом. В тоже время, в TИФA атом кислорода ангидрида вовлечён в lp···π. Теоретические расчёты показали, что все данные взаимодействия вызваны эффектом упаковки.
● [Baykov, Geyl et al. Molecules 2021, 26, 5672]: методами РСА и ЯМР 1H изучено строение и агрегация в растворе серии N-пиридилмочевин, содержащих 1,2,4- и 1,3,4-оксадиазольные заместители. В кристаллических структурах были идентифицированы ранее неописанные стэкинговые взаимодействия между оксадиазольными и пиридиновыми циклами. Проведённый анализ Кембриджской базы структурных данных выявил, что релевантные стэкинговые взаимодействия характерны для многих биологически активных гетероциклов оксадиазольного типа, включая противовирусный препарат ралтегравир.
2. Коллектив имеет опыт синтеза координационных соединений и изучения их каталитических, фотофизических и биологических свойств.
● [Kasatkina, Baykov et al. Dalton Trans. 2021, 50, 14994–14999]: нуклеофильным присоединением N-пиридилмочевин к координированным изоцианидам была синтезирована серия C,N-хелатных депротонированных диаминокарбеновых комплексов Pt(II). Данные комплексы продемонстрировали высокую каталитическую активность в процессе полимеризации силоксанов. Силиконовые каучуки, полученные в присутствии комплекса с изохинолиновым лигандом, обладают термочувствительной люминесценцией. Их излучение необратимо изменяется с зелёного на синее при нагревании выше 120 °C.
● [Baykov et al. New J. Chem. 2020, 44, 110–120]: была синтезирована серия комплексов меди(I) с фенантролиновыми лигандами. На базе данных комплексов были получены OLED-устройства и изучена их электролюминесценция.
● [Baykov et al. ACS Omega 2020, 5, 11167–11179]: синтезирован ряд новых моно- и биядерных арен-рутениевых комплексов [(p-cym)Ru(L)Cl], содержащих производные 11-индено[1,2-b]хиноксалин-11-она или триптантрин-6-оксима. Полученные комплексы показали каталитическую активность в реакции гидрировании арилкетонов и цитотоксичность в отношении рака поджелудочной железы (линия клеток PANC-1).
3. Коллектив имеет богатый опыт органического синтеза различных полифункциональных органических соединений, включая доноры нековалентных взаимодействий и гетероциклы.
3.1. Опубликована большая серия работ, посвящённая синтезу 1,2,4-оксадиазолов с разнообразной функциональной периферией. В ходе этих исследований разработаны подходы к получению 3,5-дизамещённых-1,2,4-оксадиазолов путём взаимодействия амидоксимов с карбоновыми кислотами и большим рядом их производных в системе NaOH/ДМСО [Baykov, Presnukhina et al. Eur. J. Med. Chem. 2019, 164, 92–105; Baykov et al. Bioorg. Chem. 2018, 76, 88–97; Baykov, Kasatkina et al. Eur. J. Org. Chem. 2019, 2019, 5685–5693; Baykov et al. Tetrahedron 2017, 73, 945–951; Baykov, Presnukhina et al. Tetrahedron Lett. 2020, 61, 151543; Geyl, Baykov et al. Tetrahedron Lett. 2019, 60, 151108]. В частности, было установлено, что формирование 1,2,4-оксадиазольного цикла в данных условиях протекает при комнатной температуре за очень короткое время, менее 20 минут. При этом получен большой круг 3,5-дизамещённых-1,2,4-оксадиазолов с самыми разными функциональными заместителями, включая алкоксикарбонильную, карбокси, циано-, нитро-, гидрокси, гидроксиметил-, амино-, метокси-группы, первичный сульфаниламидный фрагмент, лабильную двойную углерод углеродную связь, а также многие гетероциклы.
3.2. Разработан однореакторный способ синтеза иод/бром замещённых полифтораренов (широко распространённых доноров галогенных связей) из перфтораренов посредством активации связи С–F [Baykov et al. Cryst. Growth Des.2020, 20, 5908–5921]. Пиктограмма статьи (как одной из наиболее значимых статей номера) вынесена на обложку журнала.
3.3. Разработан метод катализируемого медью N-арилирования 1,2,4- и 1,3,4-оксадиазолонов диарилиодониевыми солями [Semenov, Geyl, Baykov et al. Adv. Synth. Catal. 2021, 363, 3566–3576.].
3.4. Разработан метод синтеза N-пиридилкарбаматов взаимодействием N-пиридилмочевин со спиртами [Kasatkina, Geyl, Baykov et al. Org. Biomol. Chem. 2021, 19, 6059–6065].