КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-13-00185

НазваниеНовые хромогенные свойства спиропиранов обусловленные барохромным эффектом

РуководительМетелица Анатолий Викторович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет", Ростовская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2019 г. - 2021 г.  , продлен на 2022 - 2023. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-504 - Электронно-возбужденные системы, фотохимия, радиационная химия, спиновая химия

Ключевые словаХромогенные молекулярные системы, барохромизм, фотохромизм, термохромизм, молекулярные бистабильные системы, изомерия, химическая кинетика, спиропираны

Код ГРНТИ31.15.29


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на решение одной из фундаментальных проблем химии, заключающейся в выявлении общих закономерностей обуславливающих связь между молекулярной структурой хромогенных спироциклических соединений и формированием механизмов, включающих наряду с фотоинициированными реакциями также и конкурирующие процессы иной природы и, в частности, барохромные превращения в газовой фазе. К целям исследования относятся: - получение корреляций между структурой спиропиранов и их способностью к барохромным превращениям; - применение барохромного эффекта для создания новых материалов; - получение новых данных, позволяющих расширить представление о свойствах материалов фотоники; - для использования в обучающих курсах при подготовке специалистов по материаловедческим направлениям, в том числе “Полифункциональные материалы” в Южном федеральном университете, которая будет доступна при сетевых коллаборациях с российскими вузами. К хромогенным молекулярным системам, классифицированным в соответствии с внешним воздействием, вызывающим изменение цвета (спектра поглощения и/или флуоресценции), относятся фотохромные, термохромные, сольватохромные, ионохромные, и т.п. соединения. На их основе функционируют фильтры с переменной оптической плотностью, оптические устройства записи и хранения информации, в том числе трехмерной, разнообразные сенсоры, создаются оптические молекулярные переключатели, молекулярные транзисторы, системы для визуализации биологических процессов, различные версии субдифракционной микроскопии. Когда рассматривают хромогенные молекулярные системы с целью исследования их свойств или изучения возможностей применения то, как правило, имеют ввиду фотохромные, термохромные, сольватохромные, ионохромные, и т.п. соединения. Крайне мало изучено явление барохромизма. В общем случае под барохромизмом будем понимать обратимое изменение окраски вещества (электронных спектров поглощения) индуцируемое в одном или обоих направлениях изменением давления. Барохромному эффекту в конденсированном состоянии посвящено незначительное число публикаций. А упоминание о барохромизме органических соединений в газовой фазе вообще отсутствует. Т.е. целое направление среди хромогенных явлений остается не изученным. Изучение барохромного эффекта будет проводиться на примере фотохромных спиропиранов, что позволит использовать свет в качестве внешнего фактора, контролирующего барохромный цикл. Таким образом, научная значимость представленной проблемы заключается в получении данных о неописанном ранее явлении барохромизма в газовой фазе и выявлении корреляций между структурой спиропиранов и их способностью к барохромным превращениям. Научная новизна поставленной задачи состоит в том, что впервые на примере хромогенных спиропиранов будет изучен барохромный эффект в газовой фазе и с этой целью будет проведен молекулярный дизайн структуры, подходящих для этого фотохромных спиропиранов и осуществлен их синтез. Барохромный эффект может иметь различную природу. В одном случае, изменение давления способно привести к модификации сольватной оболочки органических молекул, что окажет влияние на структуру их S1←S0 перехода и приведет к изменениям в полосах длинноволнового поглощения – смещению максимумов, изменению формы полос. Происходящее при этом изменение окраски в большинстве случаев не будет носить радикальный характер. Назовем этот эффект барохромизмом первого рода. Барохромизм второго рода проявляется в том случае, если исследуемое соединение способно существовать хотя бы в двух взаимопревращающихся изомерных формах с отличающимися спектрами поглощения. При соответствующем выборе структуры можно ожидать, что изменение давления будет инициировать изомеризацию, сопровождающуюся существенными спектральными изменениями. Мы предполагаем изучение барохромизма второго рода на примере хромогенных спиропиранов, в которых взаимопревращения изомерных форм, с существенно отличающимися спектрами поглощения, происходит как в основном, так и возбужденном состоянии. Благодаря относительной легкости структурной модификации спиропиранов возможно получение молекул с необходимым, для наблюдения барохромного эффекта, расположением уровней основного состояния изомерных форм и барьером между ними. Поэтому достижимость решения поставленной задачи и возможность получения запланированных результатов представляется достаточно обоснованной. Реализация проекта позволит, с одной стороны, выяснить новые методы управления структурой и свойствами молекулярных систем, способных к существованию в различных изомерных формах, создаст основу для разработки методов фиксации метастабильных интермедиатов этих систем, ранее недоступных для экспериментального изучения, а, с другой стороны, разработать подходы к созданию новых материалов для оптической записи информации, литографии высокого разрешения, TTI-сенсоров.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут получены следующие результаты. в 2019 году: 1. Будет подготовлен аналитический обзор. 2. В области синтеза будут: - разработаны методики синтеза спиробензо(нафто)пиранов индолинового ряда; - осуществлен синтез не менее 5 спиропиранов; - идентифицирована структура полученных соединений. 3. При исследовании спектрально-абсорбционных свойств спиропиранов будут: - получены электронные спектры поглощения исходных циклических форм спиропиранов и мероцианиновых изомеров; - определены молярные коэффициенты экстинкции; - установлено влияние структурных особенностей на электронные спектры поглощения спиропиранов. 4. Изучение фотоокрашивания спиропиранов приведет к: - определению квантовых выходов фотореакций спиропиранов; - установлению влияние электронных свойств заместителей и их положения в индолиновом и хроменовом фрагментах спиропиранов на эффективность фотопревращений. 5. Изучение термических реакций спиропиранов позволит: - определить свободную энергию активации термоиндуцированного процесса. - определить константы скоростей термических релаксационных процессов; - установить температурную зависимость констант скоростей термических реакций; - определить энергии активации термических реакций рециклизации; - исследовать влияние структуры спиропиранов на характеристики термических реакций рециклизации. 6. Изучение барохромного эффекта позволит: - определить условия формирования тонких твердых пленок бистабильных спиропиранов методом термического вакуумного напыления; - установить спектрально-кинетические свойства полученных тонких пленок; - осуществить анализ стабильности изомерных форм в тонких пленках; - получить данные о равновесии изомерных форм спиропиранов в газовой фазе. в 2020 году: 1. В области синтеза будут: - разработаны методики синтеза спиропиранов с отличной от индолина гетереновой частью – бензоксазольных, бензотиазольных, фталановых, азаинданоновых; - осуществлен синтез не менее 5 спиропиранов; - идентифицирована структура полученных соединений. 2. При исследовании спектрально-абсорбционных свойств спиропиранов будут: - получены электронные спектры поглощения исходных циклических форм спиропиранов и мероцианиновых изомеров; - определены молярные коэффициенты экстинкции; - установлено влияние структурных особенностей на электронные спектры поглощения спиропиранов. 3. Изучение фотоокрашивания спиропиранов приведет к: - определению квантовых выходов фотореакций спиропиранов; - установлению влияние электронных свойств заместителей и их положения в индолиновом и хроменовом фрагментах спиропиранов на эффективность фотопревращений. 4. Изучение термических реакций спиропиранов позволит: - определить свободную энергию активации термоиндуцированного процесса; - определить константы скоростей термических релаксационных процессов; - установить температурную зависимость констант скоростей темновых реакций; - определить энергии активации термических реакций рециклизации; - исследовать влияние структуры спиропиранов на характеристики термических реакций рециклизации. 5. Изучение барохромного эффекта позволит: - определить условия формирования тонких твердых пленок бистабильных спиропиранов методом термического вакуумного напыления; - уcтановить спектрально-кинетические свойства полученных тонких пленок; - осуществить анализ стабильности изомерных форм в тонких пленках; - получить данные о равновесии изомерных форм спиропиранов в газовой фазе. 6. Будут получены образцы молекулярных систем в метастабильных стояниях, которые не возможно получить иным образом. в 2021 году: 1. В области синтеза будут: - разработаны методики синтеза спиропиранов индолинового ряда с аннелированными гетероциклическими фрагментами в пирановой части – фенозиновых, кумариновых, хинолиновых; - осуществлен синтез не менее 5 спиропиранов; - идентифицирована структура полученных соединений. 2. При исследовании спектрально-абсорбционных свойств спиропиранов будут: - получены электронные спектры поглощения исходных циклических форм спиропиранов и мероцианиновых изомеров; - определены молярные коэффициенты экстинкции; - установлено влияние структурных особенностей на электронные спектры поглощения спиропиранов. 3. Изучение фотоокрашивания спиропиранов приведет к: - определению квантовых выходов фотореакций спиропиранов; - установлению влияние электронных свойств заместителей и их положения в индолиновом и хроменовом фрагментах спиропиранов на эффективность фотопревращений. 4. Изучение термических реакций спиропиранов позволит: - определить свободную энергию активации термоиндуцированного процесса; - определить константы скоростей термических релаксационных процессов; - установить температурную зависимость констант скоростей темновых реакций; - определить энергии активации термических реакций рециклизации; - исследовать влияние структуры спиропиранов на характеристики термических реакций рециклизации. 5. Изучение барохромного эффекта позволит: - определить условия формирования тонких твердых пленок бистабильных спиропиранов методом термического вакуумного напыления; - уcтановить спектрально-кинетические свойства полученных тонких пленок; - осуществить анализ стабильности изомерных форм в тонких пленках; - получить данные о равновесии изомерных форм спиропиранов в газовой фазе. 6. Будут получены тонкопленочные образцы на основе спиропиранов для фото-, термосенсорных систем. 7. Будут установлены корреляции между структурой спиропиранов и их способностью к барохромным превращениям. 8. Будет представлена модель механизма барохромного эффекта. Запланированные результаты будут полностью соответствовать мировому уровню, будут представлены на международных профильных конференциях и опубликованы в журналах первого и второго квартиля (Scopus/WoS). Полученные результаты могут найти применение при создании новых разнообразных умных материалов, производство которых будет способствовать созданию новых рабочих мест. Одно из очевидных применений - это материалы для оптической записи информации. Существует достаточно большое количество методов оптической записи информации, как для широкого потребления, так и разработанных в специальных целях, а среди них те, которыми будут востребованы разрабатываемые молекулярные системы. Другое возможное применение, в литографии высокого разрешения, обусловлено локализацией молекул спиропиранов в нанометровом диапазоне шкалы размерности. Еще один определяющий фактор связан с существенно различающимися физико-химическими свойствами циклических и мероцианиновых форм спиропиранов и в частности растворимостью. Если слабополярнные циклические изомеры лучше растворимы в неполярных растворителях, то биполярные мероцианиновые – в полярных. Получаемые в результате напыления оптически однородные пленки метастабильных циклических изомеров без фото-, термоактивации могут находиться в неизменном состоянии достаточно продолжительное время для реализации технологического процесса. Фотооблучение или термическое воздействие лазера приведет к локальной конверсии циклических изомеров в мероцианиновые. Последующее взаимодействие с подобранным растворителем приведет к формированию требуемого рельефа. Еще одно направление использования предлагаемых систем – TTI(Time-temperature indicator) - сенсоры. Не секрет, что во многих случаях пищевые продукты, напитки и фармацевтические препараты, легко теряют свои потребительские свойства с течением времени из-за роста микроорганизмов и/или вследствие (био)химического разложения. В этой связи, безопасность продукции пищевой и фармацевтической промышленности в настоящий момент становится одной из острых социальных проблем, которая выдвигает более высокие требования к упаковке продукции. Упаковка такого рода продукции должна быть не только функциональной и привлекательной, но и быть в состоянии предоставить потребителю необходимую информацию о качестве и безопасности продуктов. Как известно, продукция проходит через процесс приготовления, хранения, распределения и розничной продажи, прежде чем оказывается у конечного потребителя. При этом качество и безопасность продуктов тесно связана с внешними факторами, наиболее значимым из которых является температура хранения, которая может меняться в зависимости от окружающей среды. Мониторинг температуры в процессе распределения и хранения может обеспечить точную и достоверную информацию о времени, оставшемся до конца срока годности. Инструментом для достижения этих целей является время-температурные индикаторы (TTI) (G. L. Robertson, Food Packaging: Principles and Practice, 3rd ed.; CRC Press, Taylor & Francis Group: Boca Raton, FL. 2013, 415-418), представляющие собой небольшие, недорогие этикетки, позволяющие непрерывно отслеживать и записывать историю температуры вдоль всей логистической цепи простым и экономически эффективным способом и динамически указывать на оставшийся срок хранения скоропортящихся продуктов/фармпрепаратов на протяжении всего времени их хранения, распределения и потребления. Это достигается за счет необратимого изменения цвета такого индикатора в результате совокупного воздействия времени и температуры. В нашем случае, полученные бесцветные метастабильные пленки спиропиранов с течением времени будут превращаться в глубоко окрашенные, благодаря конверсии в мероцианиновые формы, со скоростью резко изменяющейся в зависимости от температуры. Большие синтетические возможности варьирования структуры спиропиранов позволят «тонко настраивать» кинетические и активационные параметры индикаторной реакции термического окрашивания пленок в широком диапазоне под конкретный тип продукции. Таким образом, запланированные результаты проекта имеют хороший потенциал практического использования в экономике и социальной сфере.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В соответствии с общим планом на 2019 г. были выполнены все запланированные работы: проведен аналитический обзор литературы; разработаны методы синтеза и получены новые производные спиропиранов; изучены термохромные превращения полученных бистабильных соединений; изучены спектрально-кинетические свойства полученных фотохромных спиропиранов; проведено изучение барохромного эффекта. Наиболее важные результаты представлены ниже. Анализ литературных источников показал, что влияние механической нагрузки и давления на фотодинамические процессы в твердой фазе достаточно детально исследовано как теоретически, так и экспериментально. При этом отмечается возрастание интереса к изучению фотодинамических процессов в газовой фазе. Следовательно, опираясь на теоретические работы по исследованию фотохромов в газовой фазе, предлагаемая в проекте разработка методологии исследования фотодинамических и спектральных характеристик будет в высокой степени актуальной, а само исследование пионерским. Синтезируемые спиропираны в ряде случаев оказываются представленными термодинамически более устойчивыми мероцианиновыми изомерами. Такие соединения, как было нами обнаружено, демонстрируют новые хромогенные свойства, обусловленные барохромным эффектом. В общем случае под барохромизмом будем понимать обратимое изменение окраски вещества (электронных спектров поглощения) индуцируемое в одном или обоих направлениях изменением давления. Наша цель состоит в изучении барохромного эффекта, вызываемого понижением давления и связанного с переходом твердофазных спиропиранов в газовую фазу. Практически все хромогенные свойства спиропиранов, за исключением флуоресценции, обусловлены переходом от бесцветных циклических изомеров (А) к окрашенным мероцианиновым (В) или наоборот. Этот переход столь контрастен, что порой достаточно 10% конверсии, для приемлемого результата, связанного с применением этого эффекта. Барохромный эффект не является исключением. Поэтому важно понимать какие факторы являются определяющими в балансе циклических и мероцианиновых изомеров в тех или иных условиях проявления хромогенных свойств. В связи с этим были получены различные структурные типы спиропиранов и установлена их структура. Среди них: спиробензопиранофеназининдолины, спиробензохромениндолин, диада спиропиран-флуоресцеин, спирофуробензопираниндолины, 8-бензотиазол-замещенные спиробензопираны, нитроформил-замещенные спиробензопираны. Сольватохромные и термохромные свойства спиропиранов проявляются, в том числе, как равновесие циклических и мероцианиновых изомеров в основном состоянии. Как правило, равновесие смещено в сторону циклических изомеров, таким образом, что содержание мероцианиновых изомеров в полярных растворителях составляет от нуля до нескольких процентов. Однако существуют примеры, когда содержание окрашенной формы достигает существенно больших значений. Существование термического равновесия делает систему спонтанно окрашенной, а мероцианиновую окрашенную форму полупостоянной (динамическое окрашивание). Это в противоположно статическому окрашиванию таких фотохромов, как фульгиды и диарилэтены. На положение равновесия оказывают влияние заместители как в индолиновой, так и в хроменовой части молекулы спиропирана. Электроноакцепторные заместители в индолиновой части молекулы смещают равновесие в сторону циклических форм, а электронодонорные повышают равновесное содержание мероцианиновых форм. Напротив, электроноакцепторные заместители в хроменовой части молекулы спиропирана приводят к стабилизации мероцианиновых изомеров. На положение равновесия в существенной степени оказывает влияние природа растворителей. А именно, увеличение полярности растворителей приводит к смещению равновесия в сторону мероцианиновой формы Базируясь на представлениях о полупостоянных мероцианиновых изомерах (находящихся в динамическом равновесии с циклическими формами спиропиранов) нами была предложена концепция фотохромных весов. В большинстве случаев спиропираны демонстрируют положительный фотохромизм, существенно реже можно наблюдать отрицательный фотохромизм. Мы рассмотрели возможность наблюдения в рамках одной фотохромной системы и положительного, и отрицательного фотохромизма. Достижение цели оказалось сопряжено с поиском спиропиранов с полупостоянными мероцианинами. В этом случае молекулярная система характеризуется начальным равновесным состоянием с определенным уровнем динамического окрашивания. УФ-облучение, вызывая дополнительное окрашивание раствора, должно приводить к фотостационарному (UV) состоянию. После прекращения УФ-облучения система релаксирует к начальному состоянию равновесия, демонстрируя положительный фотохромизм. C другой стороны, облучение видимым светом в полосе поглощения мероцианиновых изомеров, запуская цикл отрицательного фотохромизма, будет приводить к обесцвечиванию раствора до установления нового фотостационарного (VIS) состояния. После прекращения облучения система также релаксирует в начальное состояние равновесия с той же константой скорости, равной сумме констант скоростей прямой и обратной термических реакций. Таким образом, полупостоянные мероцианины позволяют реализовать концепцию фотохромных весов, когда фотоиндуцированные изменения содержания мероцианиновых изомеров в одну или другую сторону будут компенсироваться обратными термическими процессами. Примером таких фотохромных весов является 5-(4,5-дифенилоксазол-2-ил)-N,N,1',3',3'-пентаметилспиро[бензо[f]хромен-3,2'-индолин]-5'-амин (5), исследованный в настоящем проекте (Рис. 1). Фотохромные свойства спиропиранов бензофеназинового ряда обусловлены фотовозбуждением видимым светом. Т.е. они являются “visible light sensitive photochromic molecules”, что весьма актуально для разрабатываемых в настоящее время управляемых видимым светом молекулярных переключателей (visible-light-driven molecular switch). Взаимодействием о-гидроксиароматического альдегида, содержащего спиропиранвый фрагмент и гидразида флуоресцеина, получена новая молекулярная диада, включающая спиропирановый и флуоресцеиновый фрагменты, связанные между собой азометиновым спейсером. Хромогенные свойства молекулярной диады обусловлены наличием спиропирановвого ядра, проявляющего положительный фотохромизм. В неполярных растворителях азометиновый фрагмент в боковой цепи стабилизирован внутримолекулярной водородной связью, что является препятствием для фотоинициированной E-Z изомеризации по –N=CH- связи. В полярных растворителях и, особенно в спиртах, внутримолекулярная водородная связь разрыхляется и возникает возможность для E-Z фотоизомеризации, снижающей эффективность реакции фотоокрашивания, вплоть до полного прекращения. Квантово-химическое моделирование позволило предположить существование двух трансоидных изомерных мероцианиновых форм, ответственных за фотохромные превращения диады. При этом одна из форм стабилизирована внутримолекулярной водородной связью по фенольнму атому кислорода, что существенно повышает ее кинетическую стабильность. На примере полученной хромогенной диады, предлагается новый механизм контроля эффективности термических и фотохромных реакций с помощью вариации эффективности межмолекулярных водородных связей с молекулами растворителя. В неполярных средах прочная внутримолекулярная водородная связь с одной стороны способствует протеканию фотореакции окрашивания, а с другой – стабилизации мероцианиновой формы спиропирана. В то же время, ее разрыхление в спиртах ингибирует фотореакцию раскрытия пиранового цикла в спиропирановом ядре за счет протекания конкурентной фотореакции Е-Z изомеризации относительно двойной –N=CH- связи в боковой цепи. В результате термического вакуумного напыления полученных спиропиранов, находящихся в твердофазном состоянии (кристаллический порошок синего или красного цвета) при нормальных условиях в мероцианиновой форме и характеризующихся поглощением в видимой области спектра 450 - 700 нм, получаются прозрачные твердофазные пленки, спектры поглощения которых, содержат полосы длинноволнового поглощения с максимумами при 350 – 360 нм, характерные для циклических форм спиропиранов. При термическом вакуумном напылении, происходит испарение, как правило, расплавленного вначале кристаллического порошка. Необходимо отметить, что расплав также имеет глубокую красную окраску, что свидетельствует о том, что нагрев не является причиной изомеризации в циклическую форму. Переход спиропиранов в газовую фазу осуществляется при давлении существенно ниже атмосферного, позволяющего осуществлять не деструктивный процесс испарения при температурах ниже температуры разложения вещества. Спиропираны, образующие твердофазные пленки, находятся в метастабильном состоянии. Последующее УФ-облучение или нагрев твердофазных пленок приводит к их окрашиванию, связанному с переходом циклических изомеров в мероцианиновые и сопровождающимся появлением в спектрах поглощения полос мероцианиновых изомеров, существовавших до вакуумного напыления. Вероятная причина наблюдаемого эффекта, подтверждаемая квантово-химическим моделированием, состоит в том, что при переходе, в результате понижения давления, спиропиранов в газовую фазу происходит инверсия термодинамической устойчивости изомерных форм. Более устойчивой становится циклическая форма. Соприкасаясь с холодными подложками молекулы спиропиранов в циклической форме из газовой фазы оседают на них, образуя аморфные пленки. Для проверки сделанного предположения были проведены эксперименты по регистрации спектров поглощения непосредственно в газовой фазе, которые показали, что спиропираны будучи представлены в кристаллическом состоянии мероцианиновыми формами, в газовой фазе имеют спектр поглощения, соответствующий циклическим изомерам. Другой важный вывод заключается в том, что твердофазные пленки, полученные термическим вакуумным напылением, состоят из молекул спиропирана в той форме которая была термодинамически более устойчивой в газовой фазе и по этой причине являются метастабильными. Т.е. анализируя пленки, полученные непосредственно после напыления, можно судить о состоянии, в котором находились молекулы в газовой фазе. Установлено, что не при любом остаточном давлении вакуума, когда мероцианиновые изомеры спиропиранов переходят в газовую фазу, возможно получение метастабильных твердофазных пленок циклических изомеров. Так, при остаточном давлении более 10-3 торр в результате напыления синтезированных спиропиранов получаются окрашенные пленки мероцианиновых изомеров. Вероятная причина, заключается в том, что при недостаточно низком остаточном давлении не реализуется условие, при котором молекулы можно рассматривать изолированными от взаимодействия с другими молекулами и, в связи с этим не происходит инверсия термодинамического состояния.

 

Публикации

1. Метелица А.В., Чернышев А.В., Волошин Н.А., Соловьева Е.В., Ростовцева И.А., Дороган И.В., Гаева Е.Б, Гусева А.А. Semipermanent merocyanines of spirocyclic compounds: photochromic “balance” Dyes and Pigments, - (год публикации - 2020)

2. Чернышев А.В., Ростовцева И.А., Буров О.Н., Попов Л.Д., Морозов А.Н., Клецкий М.Е., Буланов А.О., Гаева Е.Б., Метелица А.В. INTRAMOLECULAR MECHANISM FOR CONTROLLING THE PHOTOCHROMIC CYCLE OF SPIROPYRANS Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, - (год публикации - 2020)

3. Метелица А.В., Чернышев А.В., Волошин Н.А. Polychromogenic molecular systems with spiropyran photochromic core 9th International Symposium on Photochromism (ISOP 2019) September 23rd-27th, 2019, Paris, France, Abstract Book, p.47. (год публикации - 2019)

4. Чернышев А.В., Волошин Н.А.,Ростовцева И.А., Соловьева Е.В., Гаева Е.Б. Метелица А.В. Benzothiazole substituted spiropyrans with ion driving of photochromic transformation International Symposium on Dyes & Pigments. Modern Colorants; The Synthesis and Application of p-systems. 8-11 September 2019, Melia Sevilla, Spain, Poster presentation reference P2.21 (год публикации - 2019)


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В соответствии с общим планом на 2020 г. были выполнены все запланированные работы: разработаны методы синтеза и получены новые производные спиропиранов; изучены термохромные превращения полученных бистабильных соединений; изучены спектрально-кинетические свойства полученных фотохромных спиропиранов; проведено изучение барохромного эффекта. Наиболее важные результаты представлены ниже. Осуществлен синтез предшественников целевых спиропиранов – солей бензо[с]фурилия, 2-метилбензоксазолия, 2-метилбензотиазолия,1-гидрокси-1-метилазаинданона, о-гидроксиароматических альдегидов. Разработаны методы синтеза, получены и очищены спиропираны, содержащие бензоксазольный и бензотиазольный заместители в положении 5 нафтопиранового фрагмента, мероцианиновые формы спиропиранов бензотиазольного ряда, спиропираны изобензофуранового и изоиндолинового рядов. Спиропираны 5-диметиламино-индолинового ряда с полупостоянными мероцианинами (semipermanent merocyanines) демонстрируют как положительный, так и отрицательный фотохромизм. Установлено, что квантовые выходы фотоокрашивания имеют тенденцию к возрастанию с усилением электронодонорных свойств замещающих фрагментов в нафтооксазиновой части СПП фрагменте, а квантовые выходы фотообесцвечивания снижаются. Повышение полярности растворителей приводит к существенному снижению квантовых выходов фотоокрашивания, при этом квантовые выходы фотообесцвечивания возрастают, но заметно в меньшей степени. Совокупность обнаруженных свойств позволяет сделать вывод о возможности конструирования на основе спиропиранов 5-диметиламино-индолинового ряда фотоуправляемых биполярных абсорбционных переключателей. А также сформулировать общие требования к фотохромным молекулярным системам с двумя взаимопревращающимися изомерными формами A и B, подходящих для этих целей, которые включают: наличие в основном состоянии равновесия изомерных форм в соотношении близком или приближающемся к [A]:[B] = 50:50; наличие наряду с реакцией фотоокрашивания A→B, реакции фотообесцвечивания B→A с квантовыми выходами удовлетворяющими соотношению ΦAB ≥ ΦBA; константы скорости термических релаксационных процессов должны обеспечивать возможность регистрации фотостационарных состояний при требуемых условиях применения. Благодаря наличию полупостоянных мероцианинов (semipermanent merocyanines) спиропираны бензофеназинового ряда демонстрируют отрицательный фотохромизм. В тоже время положительный фотохромизм регистрируется не для всех соединений, и не во всех растворителях, что связано с чрезмерно большим содержанием semipermanent merocyanines особенно в растворах полярных растворителей. Для регистрации фотохромных реакций в стационарных условиях облучения температура растворов была снижена менее 260K, для замедления термических релаксационных процессов. Таким образом, было установлено, что спиропираны бензофеназинового ряда проявляют как положительный, так и отрицательный фотохромизм позволяя таким образом реализовать принцип фотохромных весов. Мы можем заключить, что необходимым, но недостаточным, условием наблюдения эффекта фотохромных весов является наличие полупостоянных мероцианинов или иными словами равновесия циклических и мероцианиновых изомеров спиропиранов в растворах в идеальном случае как [A]:[B]=50:50. В качестве достаточных условий следует указать приблизительное равенство молярных коэффициентов экстинкции изомерных форм на длинах волн облучения, квантовых выходов прямых и обратных фотореакций, достаточная кинетическая устойчивость изомерных форм при данной температуре наблюдения. Установлено что положение равновесия циклических и мероцианиновых изомеров спиропиранов 5-диметиламино-индолинового ряда в существенной степени зависит как от структуры спиропиранов, так и природы растворителей. Усиление электронодонорных свойств замещающих фрагментов в нафтопирановой части СПП приводит к смещению равновесия в сторону циклических изомеров, а повышение полярности растворителей стабилизирует мероцианиновые изомеры, что связано с уменьшением констант скоростей термических реакций рециклицации. При этом, сильная электронодонорная диметиламиногруппа в индолиновой части спиропиранов априори приводит к сдвигу равновесия в сторону мероцианиновых изомеров, в том числе и за счет снижения скорости обратных термических процессов. В случае спиропиранов бензофеназинового ряда можно сделать вывод, что введение сильной электроноакцепторной группы в индолиновую часть молекулы приводит к существенному уменьшению константы скорости термического раскрытия пиранового цикла за счет стабилизации циклической формы. При изучении барохромного эффекта установлены для каждого конкретного соединения оптимальные параметры получения твердофазных пленок, которые в зависимости от структуры составили: интервал остаточного давления 6.10-6 - 2.10-4 мБар; температура испарителя достигала 180-2500С; расстояние от испарителя до подложек варьировалось в интервале от 60 до 200 мм. Анализ морфологии пленок показал, что подбором условий напыления возможно получить аморфные в хорошей степени прозрачные для оптических исследований твердофазные пленки. В тоже время в случае 6-форми-8-нитробензопирановых производных индолинового ряда пленки имели полидисперсную мелкокристаллическую структуру, что приводило к эффекту небольшого рассеяния. Получить, в этом случае, полностью оптически прозрачные пленки удавалось последующим отжигом. Получено, что максимумы полос поглощения циклических изомеров спиропиранов в твердофазных пленках находятся при 350-408 нм, а мероцианиновых изомеров при 521-652 нм. Установлено, что в случае твердофазных пленок 6-форми-8-нитробензопирановых производных индолинового ряда как циклические формы, так и мероцианиновые являются термически стабильными при нормальных условиях, т.е. термических изомеризационных процессов не наблюдается. Интересный эффект обнаружен в случае спиропиранов 5-диметиламино-индолинового ряда. А, именно, существование равновесия циклических и мероцианиновых изомеров в твердофазных аморфных пленках. При попытке осуществления фотоиндуцированного изменения распределения циклических и мероцианиновых изомеров в пленке, происходи быстрая, менее 1 с, термическая релаксация к исходному, до облучения, распределению. Зондовым методом установлено, что спиропираны бензофеназинового ряда в газовой фазе находятся в мероцианиновой форме, также как и в исходном кристаллическом состоянии. Спиропираны 6-форми-8-нитробензопирановых производных индолинового ряда демонстрируют барохромный эффект, и из мероцианиновых форм в кристаллическом состоянии, в газовой фазе полностью конвертируются в циклические изомеры. Спиропираны 5-диметиламино-индолинового ряда и бензотиазольного ряда, также проявляют барохромные свойства при переходе из кристаллического состояния в газовую фазу. Однако наряду с этим в газовой фазе оказываются и мероцианиновые изомеры в количестве от 1 до 9 процентов, демонстрируя тем самым существование равновесия в газовой фазе. Благодаря барохромному эффекту получены образцы соединений в твердой фазе, которые невозможно получить в обычных условиях синтеза. А именно, получены циклические изомеры спиропиранов 6-форми-8-нитробензопирановых производных индолинового ряда, а также спиропиранов 5-диметиламино-индолинового и бензотиазольного рядов.

 

Публикации


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В соответствии с общим планом на 2021 г. были выполнены все запланированные работы: разработаны методы синтеза и получены новые производные спиропиранов; изучены термохромные превращения полученных бистабильных соединений; изучены спектрально-кинетические свойства полученных фотохромных спиропиранов; проведено изучение барохромного эффекта. Наиболее важные результаты представлены ниже. Осуществлен синтез предшественников спиропиранов – замещенных индоленинов и солей 3Н-индолия, бензотиазолия, а также замещенных о-гидроксиароматических альдегидов. Разработаны методы синтеза, получены и очищены спиропираны индолинового и бензотиазольного ряда с различными заместителями в пирановом фрагменте. В результате термического испарения, полученных на третьем этапе, спиропиранов индолинового ряда, существующих при нормальных условиях в мероцианиновой форме, в вакууме образуются пленки, образованные циклическими изомерами. Для таких пленок характерно поглощение в УФ-области. Напротив, образующиеся в результате напыления спиропиранов бензотиазольного ряда окрашенные пленки характеризуются поглощением соответствующим мероцианиновым изомерам. Пленки, образованные спиропиранами бензотиазольного ряда в мероцианиновой форме, характеризуются устойчивостью как к нагреванию, так и к облучению. В отличие от этого, пленки, образованные циклическими изомерами спиропиранов индолинового ряда, термодинамически не устойчивы и с течением времени приобретают окраску характерную для мероцианиновых изомеров. При 293K пленки спиропиранов находящихся в циклической форме обладают весьма высокой кинетической устойчивостью, характеризующейся временами жизни, достигающими более 70 суток. Кинетика термических релаксационных процессов в общем случае описывается биэкспоненциальной функцией, с существенно различающимися по величине значениями характеристических констант. Наличие двух компонент дает основания полагать о существовании структурных особенностей формирования пленок. При этом “медленная” компонента вероятно отражает поведение молекулярных кластеров, стабилизированных межмолекулярными связями, а “быстрая” относится к индивидуальным молекулам. По мере возрастания температуры кластеры распадаются, что приводит к росту вклада “быстрой” компоненты. Установлены корреляции между структурой спиропиранов и их способностью к барохромным превращениям. Было изучено более тридцати спиропиранов различных структурных типов. Среди них соединения, гетереновая часть которых включала индолин, бензотиазол, изобензофуран, изоиндолин, а пирановая часть – бензопиран, нафтопиран, фенозин, фуробензопиран, замещеный флуоресцеиновым фрагментом бензопиран, замещенный бензотиазольным фрагментом бензопиран, замещенный дифенилоксазольным фрагментом нафтопиран, замещенный бензотиазольным фрагментом нафтопиран, замещенный бензоксазольным фрагментом нафтопиран. Установлено, что из всего многообразия изученных соединений барохромный эффект, связанный с инвертированием термодинамической устойчивости циклической и мероцианиновой форм при переходе в газовую фазу, проявляют спиробензо(нафто)пираны индолинового ряда. Барохромный эффект в ряду спиропиранов обусловлен возможностью их существования в двух изомерных формах с существенно различающимися спектральными характеристиками. Циклические формы поглощают в ультрафиолетовой части спектра и поэтому среда, в которой они содержатся (газовая фаза, растворы, твердофазные пленки) представляется бесцветной. Напротив, мероцианиновые формы характеризуются поглощением в видимой области спектра и, таким образом, придают окраску среде в которой они находятся. Важная особенность спиропиранов заключается в зависимости изомерного состава от молекулярной структуры и внешних условий. Так, электроноакцепотные заместители в бензопирановой и/или электронодонорные заместители в индолиновой части молекулы делают предпочтительными окрашенные мероцианиновые изомеры. В растворах, при отмеченных структурных предпосылках, реализуется равновесие циклических и мероцианиновых изомеров положение которого зависит от природы растворителей, оказывающих различное влияние на термодинамическую устойчивость циклических и мероцианиновых изомеров. Еще большее влияние на предпочтительность того или иного изомера способен оказать переход в газовую фазу при пониженном давлении. В этом случае при определенных структурных предпосылках возможна инверсия термодинамической стабильности изомеров. При остаточном давлении воздуха близком к атмосферному в результате термического испарения спиропиранов индолинового ряда, находящихся в мероцианиновой форме, перешедшие в газовую фазу молекулы остаются в мероцианиновой форме, формируя окрашенную среду. В противоположность этому при пониженном давлении воздуха молекулы спиропиранов перешедшие в газовую фазу из мероцианиновой формы превращаются в циклическую форму, приводя к обесцвеченной среде. Находящиеся в газовой фазе молекулы спиропиранов оседают на зондовых пластинках, причем именно в той изомерной форме, которая является предпочтительной при данном давлении, формируя твердофазные пленки. Образующиеся при низком давлении пленки оказываются бесцветными поскольку в их состав входят спиропираны в циклической форме, поглощающие в УФ части спектра. Состояние, в котором находятся пленки при нормальных условиях является метастабильным и при нагревании или УФ облучении они окрашиваются вследствие превращения циклических изомеров в термодинамически более устойчивые в конденсированной фазе мероцианиновые изомеры. Не очевидным явился еще один важный результат проведенного исследования, который привел к развитию представлений о молекулярной платформе для создания полихромогенных молекулярных систем с заданными свойствами. Так, в частности, результаты исследования позволяют заключить, что 5-(4,5-Diphenyloxazol-2-yl)-N,N,1',3',3'-pentamethylspiro[benzo[f]chromene-3,2'-indolin]-5'-amine (спиропиран индолинового ряда с дефенилоксазольным фрагментом в нафтопирановой части молекулы) представляет собой полихромогенную молекулярую систему проявляющую наряду с барохромными свойствами также и сольватохромные, фотохромные, ионохромные, свойства и флуоресценцию. Если сольвато- и фотохромные свойства обусловлены возможностью изомеризации циклических и мероцианиновых изомеров спиропирана, то ионохромные связаны с наличием хелатного узла, образованного атомом кислорода мероцианиновой формы и атомом азота дифенилоксазольного фрагмента. Барохромные свойства проявляются благодаря особенностям кристаллической упаковки. Флуоресценция является проявлением специфики электронного строения мероцианиновых структур, допускающей возможность радиационной дезактивации энергии электронного возбуждения. Комбинация хромогенных свойств позволяет использовать такой спиропиран в качестве флуоресцентных молекулярных переключателей, биполярных абсорбционных переключателей, фотодинамических хемосенсоров. В зависимости от практических целей, благодаря возможностям структурной модификации рассматриваемого спиропирана возможно усиление одних свойств и исключение других. Так, удаление хелатного узла за счет исключения дифенилоксазольного фрагмента приведет с одной стороны к исключению ионохромных свойств, а с другой к возможности функционирования системы как биполярный абсорбционный или флуоресцентный переключатель в средах, в которых присутствуют ионы металлов, например в объектах биологической природы. Усиление сольватохромных свойств второго рода за счет введения электроноакцепторных заместителей в нафтопирановый фрагмент наряду с ионохромными свойствами позволит усилить хемосенсорные свойства по определению ионов металлов. Таким образом, спироиндолинобензопиран дифенилоксазольного ряда можно рассматривать как молекулярную платформу для создания полихромогенных молекулярных систем с заданными свойствами Полученные непосредственно после вакуумного испарения спиропиранов индолинового ряда образцы способны к формированию негативного изображения, в то время как образцы, подвергнутые после вакуумного испарения термической активации, позволяют получать позитивное изображение. При испарении в вакууме порошка спиропирана на стеклянной подложке образуется прозрачная твердофазная пленка. Экспонирование УФ светом 365 нм через маску приводит к появлению негативного изображения. Полученное изображение стирается при облучении видимым светом, и система возвращается в исходное состояние, готовое для следующего негативного цикла запись-стирание. Образец для позитивного цикла может быть приготовлен путем термической активации напыленной в вакууме пленки спиропирана. В этом случае, при облучении через маску видимым светом образуется позитивное изображение. Изображение может быть стерто и подготовлено к следующему позитивному циклу как в результате УФ облучения, так и нагревания. Твердофазные пленки СПП индолинового ряда могут найти разнообразные применения, связанные с обработкой оптической информации в системах интегральной оптики. Они могут представлять интерес в качестве реверсивных позитивно-негативных сред для регистрации оптической информации.

 

Публикации

1. Метелица А.В., Чернышев А.В., Волошин Н.А., Демидов О.П., Соловьева Е.В., Ростовцева И.А., Гаева Е.Б. Photo-controlled bipolar absorption switches based on 5-dimethylamino substituted indoline spiropyrans with semipermanent merocyanines New Journal of Chemistry, 45, 13529–13538 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1039/d1nj02371c

2. Метелица А.В., Чернышев А.В., Волошин Н.А., Соловьева Е.В., Дороган И.В. Chromogenic properties of heterocyclic compounds: barochromic effect of indoline spiropyrans in the gas phase Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, - (год публикации - 2022)

3. Метелица А.В., Чернышев А.В., Демидов О.П., Макарова Н.И., Ростовцева И.А., Волошин Н.А., Соловьева Е.В., Тупаева И.О., Муханов Е.Л., Гаева Е.Б. Molecular platform based on spiroindolinobenzopyran of the diphenyloxazole series for the creation of polychromogenic molecular systems Dyes and Pigments, - (год публикации - 2022)

4. Чернышев А.В., Ростовцева И.А., Буров О.Н., Попов Л.Д., Морозов А.Н., Клецкий М.Е., Буланов А.О., Гаева Е.Б., Метелица А.В. Hydrogen bond effect of the photoswitching of a spiropyran dyad Journal of Photochemistry & Photobiology A: Chemistry, 398, 112611 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2020.112611


Возможность практического использования результатов
не указано