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 23-13-00318

НазваниеАтом-эффективные методы получения полиядерных азагетероциклов D-A/D-π-A/D-S-A типа, как перспективных сенсоров/проб, компонентов органических материалов, а также биоактивных соединений

РуководительТания Ольга Сергеевна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2025 г.

Конкурс№80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-101 - Синтез, строение и реакционная способность органических соединений

Ключевые словаФлуорофор с переносом заряда, 2,2'-бипиридин, хиназолин, эффект растворителя, агрегация, TADF, двухфотонная флуоресценция, биоактивные соединения

Код ГРНТИ31.21.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение научной проблемы междисциплинарного характера в областях органической, аналитической и физической химии – создание новых перспективных флуорофоров D-A/D-π-A/D-S-A типа на базе 2,2’-бипиридинового/хиназолинового/триазолопиридинового домена (в зависимости от поставленной практической задачи) с заданным сигнальным механизмом и TADF/NLO/AIE-характеристиками для использования в качестве составляющих оптоэлектронных материалов, биологических красителей/проб, а также, по возможности, в качестве биологически активных соединений. Для достижения поставленной цели в проекте будет применена стратегия использования таких подходов, как PASE-методы (Pot, Atom, Step Economic-методы) и/или методы зеленой химии, направленные на получение как 1,2,4-триазиновых прекурсоров, так и соединений на основе 2,2’-бипиридинового/хиназолинового/триазолопиридинового домена, а также реакции кросс-сочетания, в том числе в отсутствие палладиевого катализатора с возможностью получения высокочистых флуорофоров (без примесей маталлов, которые бы могли исказить результаты фотофизических измерений). Актуальность решения указанной выше научной проблемы связана с высокой потребностью многих отраслей науки и техники в новых хромофорных моделях на базе полигетероциклического домена с TADF/AIE/NLO-характеристикам как основы перспективных флуоресцентных красителей, сенсоров/проб и эмиттеров с целью выполнять различные практические задачи. Решение сложной практической задачи разработки молекул с термоактивируемой замедленной флуоресценцией (TADF), усилением эмиссии за счет агрегации (AIE-свойств), как основы органических светодиодов (OLED) третьего поколения, обладающие как высоким квантовым выходом фотолюминесценции (PLQY), так и узким энергетическим разрывом (ΔEST) между возбужденными синглетным (S1) и триплетным (T1) состояниями будет достигнуто за счет минимизации перекрытия между высшей занятой молекулярной орбиталью (HOMO) и низшей незанятой молекулярной орбиталью (LUMO) путем использования модели переноса заряда через пространство (TSCT) на основе бипиридинового домена или путем конструирования скрученной структуры флуорофора, состоящей из донорных карбазольных групп и полиазагетероциклического акцепторного домена. Для эффективного использования полиядерных азагетероциклов в качестве проб/агентов для биовизуализации, в том числе в режиме двухфотонного возбуждения (TPE), будет использована модель планаризованного внутримолекулярного переноса заряда (PLICT), а также дуальная модель планаризованного и скрученного переноса заряда (PLATICT), которые обеспечат ключевые требования к TPE-режиму/биовизуализации, а именно, большой Стоксов сдвиг (больше 100 нм), высокие квантовые выходы в полярных растворителях (например, ДМСО/вода) и батохромный сдвиг максимумов абсорбции (не менее 400 нм) с целью реализации возможности возбуждения лазером 405/561 нм (для конфокального микроскопа) или фемтосекундным лазером на TiS 730 нм (для лазерной системы RAPOP-100, производство «Авеста-проект»). Научная новизна проекта для развития методологий синтетической органической химии заключается в применении полигетероциклического домена в качестве хромофорной основы с целью конструирования флуорофорных моделей TSCT, PLICT/PLATICT-процессов, клеточных красителей и проб, а также основы для разработки биологически активных соединений. Научная новизна проекта для фундаментальной науки заключается в следующем. Реализуемый в рамках проекта аналитический срез наработанной базы экспериментальных и теоретических данных позволит классифицировать полученные флуорофоры по типу сигнального механизма, провести анализ зависимости конструкции флуорофора от TADF/AIE/NLO-характеристик, что позволит выдвигать гипотезы о режиме связывания пробы с аналитом, предсказывать тип переноса заряда в зависимости от окружения флуорофора, а также предсказывать характеристики и практическое применение разработанных флуорофоров.

Ожидаемые результаты
В рамках выполнения проекта запланировано получение следующих результатов: - Будут разработаны стратегии молекулярного дизайна (не)центросимметричных хромофорных моделей на основе полигетероциклического домена, а именно, 2,2’-бипиридинового/хиназолинового/триазолопиридинового и перспективных флуорофоров на их основе, с учетом возможности варьирования типа донорных или акцепторных фрагментов и их положения, дополнительного аннелирования бипиридинового домена, введение дополнительных донорных карбазольных групп, конструирования орто-замещенных TSCT-моделей на основе бипиридинового ядра и пр. При этом планируется использовать широкий набор синтетических методов в разрезе принципа PASE, методов зеленой химии (реакции в отсутствие растворителя, прямая С-Н-функционализация и т.д.) и реакций кросс-сочетания, в том числе при условии отсутствия палладиевого катализатора. - Будут выполнены квантово-химические расчеты основного и возбужденного состояния молекул, а также аддуктов проба-аналит с использованием время разрешенных DFT расчетов (TD-DFT) на основе расширенного базисного набора. Будет освоены и реализованы расчеты дескрипторов и критериев, характеризующих природу переноса заряда и TADF/AIE/NLO-характеристик, в том числе с использованием различных математических моделей (Липперта-Матага, Штерна-Фольмера, Бенези-Гильдебранда, Гаммета и пр.). - На основании полученных результатов теоретических исследований будут спроектированы (не)центросимметричные хромофорные модели на базе 2,2’-бипиридинового/хиназолинового/триазолопиридинового домена под конкретную задачу (получение основы под OLED, биологических красителей/проб, биологически активных соединений) с заданным сигнальным механизмом (внутримолекулярный перенос заряда (ICT), перенос заряда через пространство (TSCT), планаризованный внутримолекулярный перенос заряда (PLICT), дуальная модель планаризованного и скрученного переноса заряда (PLATICT) и пр.) за счет оптимизации требуемой геометрии и/или подбора заместителей, а также с использованием теоретически рассчитанных дескрипторов и критериев. - Будут созданы обширные библиотеки новых перспективных флуорофоров D-A/D-π-A/D-S-A типа на базе 2,2’-бипиридинового/хиназолинового/триазолопиридинового домена на основании разработанных моделей под конкретную задачу с заданным сигнальным механизмом и TADF/AIE/NLO-характеристиками. Будет осуществлена покраска клеток PLICT/PLATICT-красителями и проведен анализ процессов биовизуализации на основе полученных результатов. - Будет проведена оценка биологической активности хиназолиновых, пиридазиновых и по возможности других полигетероциклических производных. - Будет проведено детальное изучение и осуществлен аналитический срез взаимосвязи сигнального механизма ICT/TSCT/PLICT/PLATICT от строения флуорофора, а также корреляция строения флуорофора и TADF/AIE/NLO-характеристик. - Будет разработана единая схема критериев и дескрипторов, которая позволит реализовывать заданный конкретный сигнальный механизм, выдвигать гипотезы о режиме связывания пробы с аналитом, предсказывать тип переноса заряда в зависимости от окружения флуорофора, а также характеристики и практическое применение разработанных флуорофоров. - Будет разработана классификация полученных флуорофоров на основные модели и группы согласно типу сигнального механизма и TADF/AIE/NLO-характеристик. - Будут определены наиболее перспективные модели флуорофоров для получения материалов для прикладного применения (материалы для оптоэлектроники, нелинейной оптики, светоизлучающих диодов, солнечных ячеек, химических сенсоров и т.д.). - Будет сконструирована и охарактеризована модель светоизлучающего диода на основе TSCT/TADF-флуорофора в рамках Проекта на базе магистерского курса. Будет разработан лабораторный практикум в рамках магистерского курса (УрФУ) «Материалы и устройства молекулярной электроники» по конструированию модели органического светодиода на основе полученного TSCT/TADF-флуорофора. - Результаты каждого этапа Проекта будут обнародованы на VII-IX Международной конференции «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов» (MOSM 2023-2025) в виде устных и стендовых докладов, а также других научно-значимых мероприятиях (22 Менделлевский съезд, VII международная научная конференция «Успехи синтеза и комплексообразования» и др.). - Полученные результаты будут опубликованы в 10 статьях в журналах, рецензируемых в базах данных Scopus и Web of Science из квартилей Q1-Q2, а также 2 объектов интеллектуальной собственности (заявка на патент РФ). Научная значимость полученных результатов Проекта состоит в следующем. Полигетероциклический домен с разнообразным по природе и геометрии периферийным окружением является весьма перспективным для разработки и синтеза (не)центросимметричных хромофорных моделей и конструирования перспективных флуорофоров с разделением заряда (ICT), в том числе иной природы (TSCT, PLICT, PLATICT) в качестве составляющих оптоэлектронных, в том числе нелинейно-оптических, материалов, красителей/проб, а также биологически активных соединений. При этом использование 2,2’-бипиридинового/хиназолинового/триазолопиридинового домена закономерно приведет к значительному улучшение физико-химических характеристик полигетероциклических флуорофоров, например, усилится поляризуемость, проявится ацидохромия и хелатирующие свойства, улучшится растворимость и др. Кроме того, ожидается, что усилятся либо проявятся новые фотофизические характеристики, например, проявится иная природа переноса заряда (TSCT, PLICT, PLATICT), AIE-эффекты, механохромия, увеличится сечение при двухфотонном возбуждении в результате отсутствия центросимметрии и др. И наконец, ожидается проявление биологической активности полученных в рамках Проекта соединений. Таким образом, результаты Проекта имеют большую фундаментальную и практическую значимость.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
По проекту в отчётный период достигнуты следующие основные научные результаты: 1. Разработаны способы получения широкого ряда π-конъюгированных систем на основе хиназолинового остова, а именно, производных хиназолин-4(3Н)-онов, 4-арилхиназолинов, 4-арилбензо[g]хиназолинов; конденсированных лигандов 2,2’-бипиридинового ряда на основе 9Н-пиридо[2,3-b]индола и аценафто[1,2-b]пиридина, производных [1,2,3]триазоло[4,3-b]пиридазинов, 3-аминопиридазинов и [1,2,4]триазоло[1,5-a]пиридинов, 2-(индол-3-ил) и 2-(пиррол-2-ил) замещенных (би)пиридинового ряда, с использованием таких подходов, как PASE-методы (Pot, Atom, Step, Economic), методов зеленой химии, а также реакций кросс-сочетания, в том числе, в отсутствие палладиевого катализатора с возможностью получения высокочистых флуорофоров. 2. Сформировано несколько перспективных рядов флуорофоров/красителей/проб, а именно, 2-(пиридин-2-ил)-4-арилхиназолины, 2-(пиридин-2-ил)-4-арилбензо[g]хиназолины и 2-(изохинолин-3-ил)-4-арилхиназолины, [1,2,4]триазоло[1,5-c]хиназолины и [1,2,4]триазоло[4,3-c]хиназолины, 9H-пиридо[2,3-b]индолы, 2-(индол-3-ил)- и 6-(пиррол-2-ил) замещенные (би)пиридины. 3. Проведены многоплановые исследования фотофизических свойств полученных рядов флуорофоров линейного и нелинейного характера, в условиях, приближенных к потенциальному применению (режим одно- и двухфотонного возбуждения, агрегированное состояние, рН-отклик). 3.1 По результатам фотофизических исследований линейного характера отобрана группа «зеленых» 2-(пиридин-2-ил)-4-арилхиназолиновых производных для проведения исследований в режиме двухфотонного возбуждения. Исследована зависимость влияния природы растворителей и мощности накачки лазера установки RAPOP-100 на интенсивность излучения, что позволило получить всесторонние данные об исследуемых образцах для их применения в прикладных областях. 3.2 Изучено влияние природы донорного фрагмента в положении 4 хиназолинового ядра в ряду 2-(пиридин-2-ил)-4-арилбензо[g]хиназолинов и 2-(изохинолин-3-ил)-4-арилхиназолинов на положение и интенсивность максимумов абсорбции и эмиссии, а также значений квантовых выходов. Было показано, что структурные особенности ряда флуорофоров и характерные фотофизические свойства, такие как, батохромное смещение максимумов эмиссии и низкие квантовые выходы в полярном ацетонитриле проявляются за счет неэмиссионного TICT-состояния. 3.3 По результатам фотофизических исследований отобрана группа «зеленых» триазоло[1,5-c]хиназолинов D-π-A типа для осуществления исследований в области биовизуализации. 3.4 Результаты фотофизических исследований, а также анализ рассчитанных СТ-индексов подтвердили наличие ICT-процессов для 9H-пиридо[2,3-b]индоловых флуорофоров. Было показано, что при оптимизации геометрии трех соединений в циклогексане, ТГФ и MeCN наблюдалась тенденция к уменьшению двугранных углов [α] и длин связей [L] в возбужденном состоянии по сравнению с основным, что является наиболее убедительным свидетельством планаризованного состояния молекул флуорофоров с внутримолекулярным переносом заряда (PLICT-состояние). 3.5 Фотофизические исследования и DFT-расчеты 2-(индол-3-ил)- и 6-(пиррол-2-ил) замещенных (би)пиридинов показали, что изомерные (би)пиридины генерируют фотоиндуцированные внутримолекулярные состояния с переносом заряда и представляют собой D-A хромофоры. Исходя из данных сольватохромных экспериментов, анализа значений CT-индексов и величин межфрагментного переноса заряда (IFCT), установлена общая корреляция влияния природы заместителей на степень ICT-состояния. Было показано, что за счет проявления дуальной эмиссии в полярных растворителях 3-(5-фенил-[2,2'-бипиридин]-6-ил)-1H-индольный флуорофор способен изменяться под действием локального pH-микроокружения и проявлять AIE-активность. Из-за высокого влияния полярности растворителя, активности AIE и изменения флуоресценции между важными диапазонами pH, пирролил/индолил замещенные (би)пиридиновые пробы можно рассматривать как перспективные биологические зонды и оптические переключатели. 4. Проведен комплекс физико-химических исследований для установления структуры молекул. 5. Проведены биологические исследования проб ряда 2-(индол-3-ил)- и 6-(пиррол-2-ил) замещенных (би)пиридиновых соединений (L1) и триазоло[1,5-c]хиназолиновых и 2-(пиридин-2-ил)-4-арилхиназолиновых производных (L2) на базе лаборатории ФГБУН Институт иммунологии и физиологии УрО РАН. Часть красителей проявили высокую селективность к органеллам клеток с высоким содержанием липидов. Две пробы обладали фотодинамической активностью. Две пробы проявили цитотоксичность на клетки аномальных линий. В рамках выполнения проекта опубликовано две статьи в журналах Materials (Q2) и New Journal of Chemistry (Q2). Также принято к публикации две статьи в журналах Известия Академии наук. Серия химическая и Журнал общей химии. Полученные результаты были представлены на VII международной конференции «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов» (MOSM 2023, г. Екатеринбург-Пермь) с устным и стендовым докладом и на IV Всероссийской конференции по аналитической спектроскопии с международным участием со стендовым докладом (Кубанский государственный университет). В рамках проекта подана заявка на патент «1-(4-(4-Метоксифенил)-[2,2’-бипиридин-6-ил]-N,N-бис(пиридин-2-ил-метил)метан-амин – мономолекулярный химический сенсор для флуоресцентного определения катионов Zn2+ in vitro» (Заявка № 2023129096 от 10.11.2023). Состоялась командировка двух участников проекта – аспирантов УрФУ в Ресурсный центр «Лазерные и оптические методы исследования веществ» при Санкт-Петербургском государственном университете для изучения фотофизических свойств ряда полученных соединений в режиме двухфотонного возбуждения.

Публикации

1. Валиева М.И., Рыбакова С.С., Кудряшова Е.А., Рахман М., Сантра С., Копчук Д.С., Носова Э.В., Горбунов Е.Б., Зырянов Г.В., Чупахин О.Н. Циклоконденсация антраниловых кислот с метил пиримидин-2-карбимидиатом, генерируемым in situ, в синтезе 2-(пиримидин-2-ил)хиназолин-4(3H)-онов Автономная некоммерческая организация Издательство журнала "Известия Академии наук. Серия химическая", Известия Академии наук. Серия химическая, 2023, том 72, № 12 (год публикации - 2023)

2. Кудряшова Е.А., Валиева М.И., Штайц Я.К., Мочульская Н.Н., Криночкин А.П., Копчук Д.С., Зырянов Г.В., Русинов В.Л. Schiff Bases Derived from 6-Formyl-3-(4-methoxyphenyl)picolinonitrile: Rational Synthetic Approach and Photophysical Properties Springer, Russian Journal of General Chemistry, 2023, Vol. 93, Suppl. 1, pp. S73–S80 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S107036322314013X

3. Старновская Е.С.,Валиева М.И.,Копчук Д.С., Тания О.С., Хасанов А.Ф., Новиков А.С., Словеснова Н.В., Минин А.С., Сантра С.,Зырянов Г.В. 2-(Indol-3-yl)- and 6-(pyrrol-2-yl)-substituted (bi)pyridine-based AIE-probes/fluorophores: synthesis and photophysical studies Royal Society of Chemistry, New Journal of Chemistry, 2023, 47, 21720 - 21731 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1039/D3NJ04051H

4. Тания О.С. , Хасанов А. Ф. , Садиева Л. К. , Согата С. , Никонов И. Л. , Вахаб К.А. Аль-Итави , Ковалёв И. С. , Копчук Д. С., Зырянов Г. В., Рану Б. Polymers and Polymer-Based Materials for the Detection of (Nitro-)explosives Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI), Taniya O.S. et al. Polymers and Polymer-Based Materials for the Detection of (Nitro-)explosives // Materials. Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI), 2023. Vol. 16, № 18. P. 6333 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ma16186333