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 22-23-00505
НазваниеРазработка простых конвергентных методов получения новых фото- и электроактивных гетероциклических соединений ряда фурана, пиррола, индола и бензофурана для органической электроники на базе фурановой синтетической платформы
РуководительМакаров Антон Сергеевич, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский государственный национальный исследовательский университет", Пермский край
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2023 г. |
Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов
Ключевые словаФурановая платформа, органический синтез, фуран, пиррол, индол, азагетероцикл, оксагетероцикл, фотоактивные соединения, электрохимические свойства, функциональные молекулы
Код ГРНТИ47.09.63
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Одним из основных направлений в химии материалов в последние три десятка лет является поиск новых фото- и электроактивных веществ среди органических соединений. Так, на основе малых органических молекул разрабатываются солнечные батареи различного типа, светоизлучающие диоды, лазеры, сенсоры, полевые транзисторы. Интерес к органическим соединениям с подходящими для оптоэлектроники и фотовольтаики физико-химическими свойствами обусловлен рядом их существенных преимуществ перед неорганическими, таким как сравнительная доступность, относительная простота их интегрирования в конечные устройства, широкая вариативность, а также возможность их дополнительной функционализации с целью придания необходимых физических и физико-химических свойств.
Для увеличения эффективности работы устройств органической электроники необходим постоянный поиск и изучение новых классов органических соединений с целью поиска перспективных кандидатов на роль функциональных молекул, превосходящих по свойствам существующие. В этом поиске большое значение имеет экономическая целесообразность получения новых потенциальных фото- и электроактивных веществ. Таким образом, разработка простых экономичных методов синтеза новых классов функциональных молекул из доступного исходного сырья способствует решению сразу двух научных проблем: во-первых, исследование новых соединений, отличающихся оригинальной химической архитектурой значительно повышает шансы на обнаружение конкурентных свойств; во-вторых, простота получения целевых соединений создает перспективы для их потенциального коммерческого использования.
В рамках представленного научного проекта будет изучена возможность создания новых классов потенциальных функциональных молекул для оптоэлектроники и фотовольтаики, стартовым сырьем для которых будут являться доступные фурановые субстраты. С этой целью будут разработаны простые препаративные методы синтеза малых фото- и электроактивных соединений на базе гетероциклических матриц ряда пиррола, индола, фурана и бензофурана, а также проведена первичная оценка их оптических и электрохимических свойств для выявления в ряду полученных соединений потенциальных кандидатов на роль компонентов различных устройств органической электроники.
Ожидаемые результаты
Ожидается, что в результате выполнения проекта будут разработаны простые препаративные методы получения новых классов потенциальных фото- и электроактивных соединений для оптоэлектроники и фотовольтаики. Нами будет изучена возможность использования соединений фуранового, бензофуранового, пиррольного и индольного ряда, полученных на основе фурановой синтетической платформы, в качестве базовых гетероциклических матриц для формирования сопряженных систем с эффективным внутримолекулярным переносом заряда типа D-pi-A и D1-pi-A-pi-D2. Кроме этого, указанные гетероциклические матрицы будут использованы для синтеза других классов гетероциклических соединений с целью получения потенциальных флуорофоров. Для этой цели будут разработаны удобные методы поздней структурной модификации ключевых исходных соединений. В результате скрининга оптических и электрохимических свойств будут получены первичные данные о взаимосвязи структуры исследуемых продуктов реакции с проявляемыми свойствами.
Полученные результаты будут способствовать более эффективной утилизации продуктов переработки отходов сельскохозяйственного и лесного секторов экономики России для синтеза новых гетероциклических соединений с полезными свойствами, что соответствует мировому уровню исследований в области разработки современных технологичных методов конструирования функциональных молекул для химии материалов. Знания, полученные в процессе выполнения проекта, будут полезны специалистам, работающим в области органической химии, химии материалов, органических полупроводников, и могут в долгосрочной перспективе быть использованы для создания современных отечественных фотоэлектрических преобразователей, фотометрических и флуоресцентных сенсоров и светоизлучающих диодов. Результаты также могут быть использованы при подготовке студентов и аспирантов по специальности «Химия» и в смежных направлениях, а также для написания современных учебных изданий, монографий и пособий. Полученные в ходе реализации проекта знания, исследовательский опыт и научные результаты лягут в основу нового прикладного научного направления на территории ПГНИУ, основной целью которого будет поиск новых путей эффективной конверсии продуктов переработки возобновляемого сырья в различные соединения, обладающие полезными функциональными свойствами для химии материалов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках реализации первого этапа Проекта на базе фурановой синтетической платформы была получена серия функционализированных гетероциклических соединений для использования в качестве матриц потенциальных фото- и электроактивных малых органических молекул. В ходе оптимизационных исследований были найдены селективные условия получения аддуктов исходных субстратов с малонодинитрилом и индандионом, которые в структуре конечных продуктов, относящихся к классу «push-pull»-хромофоров, играют роль акцепторного фрагмента. В оптимальных условиях была получена коллекция целевых соединений, представители которой были подвергнуты первичному скринингу оптических и электрохимических характеристик, в результате которого были выявлены некоторые закономерности, связывающие структуру исследованных соединений с проявляемыми ими свойствами. Было выявлено, что в ряду полученных продуктов пиррольные производные обладают наибольшим потенциалом как платформы для дальнейшего дизайна на их основе функциональных материалов, которые потенциально могут найти применение в качестве компонентов поглощающего слоя солнечных батарей.
Публикации
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе второго этапа выполнения Проекта были изучены возможности дальнейшей структурной модификации «push-pull»-систем, полученных на базе фурановы, бензофурановых, пиррольных и индольных матриц. Для избранного ряда полученных продуктов были проведены квантово-химические расчеты основных и возбужденных состояний методом функционала плотности, были получены данные о строении полученных соединений в газовой фазе, формах и энергиях граничных орбиталей, а также симулированы электронные спектры поглощения. Для некоторых веществ были проведены исследования термической устойчивости, а также получены данные о тепловых эффектах фазовых переходов методами термогравиметрического анализа и дифференциальной калориметрии. Полученные данные позволяют утверждать, что синтезированные классы органических соединений обладают рядом физико-химических свойств, предполагающих их потенциальное использование в качестве органических светопоглощающих компонентов в фотовольтаике, а разработанный синтетический подход может быть применен для рационального дизайна потенциальных красителей для органических солнечных батарей. Среди изученных соединений наибольшим потенциалом обладают производные пиррола, продемонстрировавшие максимальные значения коэффициента молярного поглощения в диапазоне длин волн 524-565 нм.
Изучение обнаруженной трехкомпонентной реакции альфа,бета-непредельнх кетонов, бензоилметилпиридиниевых солей и различных первичных и вторичных алифатических и ароматических аминов привело к разработке удобного препаративного метода малодоступных мета-замещенных анилинов, отличающегося широкой сферой применимости и хорошей степенью масштабируемостью. Изученные химические свойства продуктов указывают на возможность использования синтезированных анилинов в качестве строительных блоков в органической химии. В ходе исследования оптических и электрохимических свойств анилиновых продуктов было обнаружено, что для некоторых представителей характерна флуоресценция в растворе с относительным квантовым выходом вплоть до 35% среди протестированных соединений. Полученные данные свидетельствуют о возможных перспективах использования полученных анилиновых продуктов в химии материалов, в частности, в качестве компонентов светоизлучающих диодов на основе органических соединений, а разработанный метод их синтеза может стать удобным инструментом для дизайна флуоресцирующих молекул.
Публикации
1. Вшивков Д. К., Бакиев А.Н., Ешмеметьева Д.А., Макаров А.С. Synthetic strategy toward push-pull chromophores on furan-, benzofuran-, pyrrole-, and indole-based matrices Dyes and Pigments, 219,111570 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2023.111570
2. Макаров А.С., Бакиев А.Н., Ешмеметьева Д.А. De novo three-component synthesis of meta-substituted anilines Organic Chemistry Frontiers, 10,2760 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1039/d3qo00583f
3. Вшивков Д.К., Бакиев А.Н., Ешмеметьева Д.А., Макаров А.С. Стратегия синтеза push-pull хромофоров на основе фурана, бензофурана, пиррола и индола Сборник тезисов Всероссийской научной конференции Марковниковские чтения: органическая химия от Марковникова до наших дней, 66 (год публикации - 2023)
Возможность практического использования результатов
не указано