Эффекты молекулярного окружения в химии борфторидных, оксофосфорильных комплексов дипирринов и материалов на их основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, доктор наук Марфин Юрий Сергеевич

• Марфин Юрий Сергеевич
• доктор наук
• 2021

Оглавление диссертации доктор наук Марфин Юрий Сергеевич

БЛАГОДАРНОСТИ

ВВЕДЕНИЕ

1.1. Координационная химия дипирринов и аналогов

1.2. Структурные типы комплексов дипирринов

1.3. Открытие, номенклатура и многообразие комплексов ВОБ1РУ

1.4. Реакция образования комплексов ВОБ1РУ

1.5. Направления функционализации ВОБ1РУ

ГЛАВА 2. СОЛЬВАТАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ХИМИИ БОРДИПИРРИНОВЫХ ЛЮМИНОФОРОВ

2.1. Спектрально-люминесцентные свойства ВОБ1РУ в растворах

2.2. Особенности сольватохромии мезо-замещенных ВОБ1РУ

2.3. Сольватохромные свойства а2а-ВОБ1РУ и полидоменных структур

2.4. Флуоресцентные молекулярные роторы на основе ВОБ1РУ

2.4.1. Определение и общие характеристики эффекта флуоресцентного молекулярного ротора для ВОБ1РУ

2.4.2. Проявление эффекта флуоресцентного молекулярного ротора для мезо-фенил-ВОБ1РУ

2.4.3. Влияние природы заместителя в мезо-положении на роторные свойства ВОБ1РУ

2.5. Спектральные характеристики рН-чувствительных люминофоров в растворе

2.6. Общие подходы к анализу сольватохромии ВОБ1РУ и определению взаимосвязи структура-свойства

ГЛАВА 3. КОМПЛЕКСЫ BODIPY КАК ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЕ СЕНСОРЫ И МАРКЕРЫ БИОМОЛЕКУЛ И СИСТЕМ

3.1. Многообразие молекулярных сенсоров биологических систем на основе ВОБ1РУ

3.2. Взаимодействие ВОБ1РУ с белковыми молекулами

3.3. Взаимодействие ВОБ1РУ с плазмой и сывороткой крови

ГЛАВА 4. ЭФФЕКТЫ АГРЕГАЦИИ В ХИМИИ КОМПЛЕКСОВ ДИПИРРИНОВ

4.1. Природа межмолекулярных состояний, образующихся в конденсированной фазе

4.2. Возможности управления спектральными характеристиками за счет агрегационных эффектов

4.3. Изменение спектрально-люминесцентных характеристик ВОБ1РУ путем варьирования состава растворителя и концентрации

4.3. Управление агрегациоными процессами за счет повышения растворимости ВОБ1РУ в полярных растворителях

4.4. Перспективные направления практического применения процессов агрегации комплексов ВОБ1РУ

ГЛАВА 5. ГИБРИДНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ BODIPY -ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА

5.1. Переход от жидкофазных систем к гибридным материалам, содержащим ВОБТРУ

5.2. Гибридные материалы на матрицах силикатных полимеров

5.3. Гибридные материалы на основе органических полимерных матриц

5.3. Спектральные характеристики гибридных материалов на основе ВОБ1РУ

5.4. Агрегационное поведение ВОБ1РУ в составе гибридных материалов

5.5. Получение и свойства органических светоизлучающих диодов на основе ВОБ1РУ

5.6. Получение гибридных материалов, доированных ВОБ1РУ для целей медицинской диагностики и визуализации

5.7. Тонкие пленки на основе ВОБ1РУ, полученные методом Лэнгмюра-Шеффера

ГЛАВА 6. ОКСОФОСФОРИЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДИПИРРИНОВ

6.1. Общая характеристика оксофосфорильных комплексов дипирринов и других координационных соединений фосфора (V)

6.2. Особенности получения оксфосфорильных комплексов дипирринов

6.3. Спектральные и фотофизические характеристики оксофосфорильных комплексов дипирринов

6.4. Сравнение геометрического и электронного строения незамещённых ВОБ1РУ и РОБ1РУ

6.5. Возможность изменения координационного числа фосфора в РОБ1РУ

6.6. Анализ свойств ряда потенциальных производных РОБ1РУ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. МЕТОДЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА И КОМПЬЮТЕРНЫХ РАСЧЕТОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. СИНТЕЗ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ДАННЫЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОЛЬВАТОХРОМНЫХ СВОЙСТВ ВОБ1РУ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает сердечную благодарность своим учителям и наставникам в научно-исследовательской работе д.х.н., доценту Евгению Владимировичу Румянцеву и д.х.н., профессору Елене Владимировне Антиной за их идеи, мысли и усилия, которые они вложили в автора этих строк, а в особенности за личный пример того, каким должен быть химик-исследователь. Отдельную благодарность выражаю ученикам из числа аспирантов и студентов лаборатории координационной и супрамолекулярной химии линейных и циклических олигопиррлов Банаковой Е.А., Боброву А.В., Водяновой О.С., Курзину В.О., Шипаловой М.В., Тарасюку И.А., Меркушеву Д.А., Молчанову Е.Е., Шагурину А.Ю., Кополевой Е.А., Усольцеву С.Д., Халабудину Д.А. за ту работу, которая была проведена при их участии, по формированию и развитию научного направления химии бордипирриновых люминофоров в Ивановском государственном химико-технологическом университете. Автор также хотел бы отметить словами благодарности коллег из ИГХТУ и других организаций д.х.н. Телегина Ф.Ю., к.х.н. Соломонова А.В., к.х.н. Вашурина А.С., к.х.н. Тимина А.А., к.х.н. Алексахину Е.Л., д.м.н., Томилову И.К., к.х.н. Казака А.В., д.х.н. Усольцеву Н.В., д.х.н. Кузнецова В.В., к.х.н. Пушкарева А.П., Левшанова Г.А., Алешина С.Н., Гончаренко А.А., за возможность совместной работы. Автор считает своим приятным долгом поблагодарить руководство и коллектив Ивановского государственного химико-технологического университета в лице ректора д.ф.-м.н., профессора Бутмана Михаила Федоровича за созданную инфраструктуру и атмосферу, позволяющую плодотворно заниматься научными исследованиями. Отдельно автор выражает благодарность члену-корреспонденту РАН, президенту ИГХТУ Оскару Иосифовичу Койфману за мудрые советы и наставления в научной деятельности.

Особенно автор хотел бы поблагодарить своих родных и близких за бесконечную поддержку и опору, благодаря которым стала возможной подготовка данной работы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эффекты молекулярного окружения в химии борфторидных, оксофосфорильных комплексов дипирринов и материалов на их основе»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Создание оптических преобразователей и переключателей, молекулярных сенсоров, в том числе для биохимических исследований, а также терапевтических препаратов для лечения онкологических заболеваний в настоящее время определяют, как самые перспективные сферы применения люминофоров. В качестве компонентов и активных сред наиболее эффективным представляется использование соединений, обладающих интенсивными хромофорными и флуоресцентными свойствами, а также высокой устойчивостью к агрессивным параметрам сольватного окружения. Борфторидные комплексы дипирринов (boron dipyrrins, BODIPY), в дополнение к перечисленным характеристикам, имеют предпосылки для структурной модификации периферии лиганда, что обусловливает возможность тонкой настройки характеристик соединений для решения конкретных практических задач.

В связи с высоким интересом к комплексам дипирринов в общем, и BODIPY в частности, развитие химии данной группы соединений происходит в настоящее время быстрыми темпами. Усилия исследовательских групп направлены на поиск путей структурной модификации соединений с целью придания им практически значимых спектральных свойств и селективности по отношению к отдельным молекулам, ионам, параметрам среды. Модификации подвергается, в первую очередь, дипирриновый лиганд. Многообразны работы по введению во все реакционноспособные положения дипиррина различных заместителей, обусловливающих изменение свойств, реакционную способность или селективность получаемых структур к другим молекулам. Более значительную модификацию соединений проводят с целью смещения оптических максимумов соединений в область терапевтического окна прозрачности, либо в ИК -диапазон. Подобная модификация требует, как правило, перехода от дипирринов к их мезо-aza аналогам, либо перехода от пиррольных лигандов к структурам с более протяженной ароматической системой. Растет многообразие атомов-комплексообразователей, для которых получены комплексы с дипирринами. Важно отметить появление нового класса оксофосфорильных дипирриновых комплексов, которые сохраняя перспективные свойства BODIPY, обладают более высокой растворимостью в полярных средах, а также способны к реализации новых, по сравнению с BODIPY, механизмов управления свойствами за счет более разнообразной координационной химии фосфора. Таким образом, на данный момент существуют различные подходы к модификации BODIPY и их аналогов для достижения практических результатов.

Активно ведутся исследования по расширению пула механизмов направленной модификации характеристик соединений за счет реализации многообразия механизмов

внутри- и межмолекулярной передачи энергии. ВОБ1РУ и молекулярные сенсоры на их основе при наличии соответствующих структурных мотивов способны к управляемой передаче энергии, электронов и заряда как внутри одной молекулы, так и через пространство. Значительный интерес представляют мезо-замещенные BODIPY, имеющие объемный ароматический, либо протяженный алифатический фрагмент, ввиду наличия у них свойств флуоресцентных молекулярных роторов. В таких молекулах зависимость флуоресцентных свойств от параметров микроокружения, вызванная переносом заряда и переходом в скрученное состояние, может быть использована для селективного определения различных параметров жидкофазных систем, а также биологических жидкостей. Наиболее актуальной тенденцией в химии дипирринов на данный момент является регулирование равновесия мономер-ассоциат/агрегат, что приводит к обратимым изменениям в качественных и количественных параметрах спектральных характеристик соединений.

Ведутся работы по улучшению эксплуатационных свойств соединений за счет введения их в состав матриц, получения на основе данных соединений гибридных материалов и конъюгатов, расширения спектра применения тонких пленок и других твердотельных материалов. На данный момент получены материалы за счет введения ВОБ1РУ и их аналогов в широкий спектр неорганических, прежде всего силикатных, органических и смешанных матриц. На основе данных соединений получены координационные полимеры, супрамолекулярные системы различной природы, а также наноразмерные частицы.

Несмотря на значительные успехи в синтезе функционализированных комплексов дипирринов, систематического анализа подходов к их использованию в качестве соединений с управляемыми свойствами до настоящего времени проведено не было. Помимо молекулярного дизайна и, непосредственно, синтеза, важной составляющей исследования является комплексное изучение физико-химических свойств соединений, в том числе и с привлечением квантово-химических расчетов. Таким образом, разработка подходов к получению функциональных комплексов дипирринов с управляемыми свойствами является актуальной задачей как с точки зрения фундаментальной науки, так и для создания физико-химических основ новых технологий и "умных" материалов.

Настоящая работа является итогом более чем десятилетней исследовательской деятельности научной группы в лаборатории координационной и супрамолекулярной химии линейных и циклических олигопиролов. Основные усилия автора были направлены на поиск новых структур на основе комплексов дипирринов, пригодных для решения актуальных прикладных задач молекулярной сенсорики и конструирования оптических преобразователей, а также формирование единых подходов к описанию влияния структурных факторов и природы молекулярного окружения соединений на

проявление им оптических свойств. Проведенное исследование объединяет развитые автором методологические подходы к установлению закономерностей между структурой координационных соединений на основе дипирриновых лигандов, материалов на их основе, и практически значимыми спектральными и фотофизическими параметрами соединений, а также направленного изменения данных свойств за счет реализации механизмов внутри- и межмолекулярного переноса энергии. Совокупность развитых автором положений существенно расширяет представления о борфторидных и оксофосфорильных комплексах дипирринов как уникальных объектах современной химии и намечает новые направления исследований и практического применения данной группы соединений.

Степень разработанности темы. Исследованием координационных соединений дипирринов занимается множество научных групп по всему миру, специализирующихся как на развитии синтетических подходов в химии данной группы соединений, так и на глубоком анализе спектральных характеристик комплексов. Это, вместе с многообразием возможностей применения соединений, привело к большому числу публикаций по тематике, количество которых растет год от года. Вместе с тем, объем имеющихся научных исследований по химии ВОБ1РУ и родственных соединений до настоящего времени не систематизирован и не становился основным объектом исследований научной группы. На данный момент в Российской Федерации существует не более 10 диссертационных работ, включая кандидатскую диссертацию автора, по физической и координационной химии ВОБ1РУ. Среди них нет ни одной докторской диссертации.

В настоящем исследовании были использованы и развиты существующие подходы к получению новых дипирриновых комплексов путем химической модификации структуры лиганда и замены центрального атома-комплексообразователя. Автор опирается на актуальные представления химиков-исследователей о взаимосвязи структура-свойства соединений, сольватохромии ВОБ1РУ и аналогов, а также механизмах направленного изменения спектральных характеристик соединений за счет их внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Вместе с тем, данные по зависимостям свойств соединений, как флуоресцентных молекулярных роторов от динамической вязкости растворителя; изменения спектральных характеристик ВОБ1РУ за счет агрегации и ассоциации; методам получения и свойствам функциональных материалов, полученных из исследуемых соединений по технологии Лэнгмюра-Шеффера; спектральным и фотофизическим характеристикам новых оксофосфорильных комплексов дипирринов и их применению в качестве флуоресцентных молекулярных роторов, не получили до наших работ подробного освещения ни в российской, ни в зарубежной литературе.

Связь темы с плановыми исследованиями и финансовая поддержка темы.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (19-73-10107 «Функциональные конъюгаты на основе комплексов дипирринов и фталоцианинов: рациональный дизайн, получение и применение в качестве оптических преобразователей и сенсоров», 17-73-10408 «Оксофосфорильные комплексы дипирринов (PODIPY) в качестве бифункциональных агентов визуализации биосистем»), Российского фонда фундаментальных исследований (20-33-90198 «Оксофосфорильные комплексы дипирролилметенов: дизайн, фотофизические характеристики и возможности применения в молекулярной сенсорике», 20-33-90172 «Синтез функциональных гибридных материалов, содержащих флуоресцентные красители на основе дипирринов, и их применение в молекулярной сенсорике», 19-33-90232 «Модификация люминофоров на основе BODIPY по средством расширения п-электронной системы для получения эффективных фотосенсибилизаторов ФДТ и биометок», 18-43-370035 «Бордипиррины как сенсоры биовизуализации механизма апоптоза тромбоцитов в процессе коагуляции крови: фундаментальные основы молекулярной диагностики кардиологических заболеваний», 18-33-20218 «Бордипиррины и бис(дипирринаты) цинка как флуоресцентные сенсоры на стероидные гормоны», 16-03-01028 «Молекулярное конструирование люминофорных сенсоров на основе Bodipy, высокочувствительных к слабым межмолекулярным взаимодействиям: синтез, эффекты сольватации, развитие молекулярной сенсорики жидкофазных систем», 15-43-03214 «Самособирающиеся мицеллы для очистки и солюбилизации мембранных белков, увеличения растворимости и адресной доставки лекарственных препаратов и гидрофобных люминофоров типа Bodipy», 15-33-20002 «Фундаментальные основы создания Bodipy-модифицированных органо-неорганических гибридных материалов для нужд сенсорики и фотовольтаики», 14-03-31888 «Молекулярные роторы с Bodipy-флуорофором как перспективные зонды на физико-химические параметры жидкофазных систем»), Совета по грантам и стипендиям Президента Российской Федерации по конкурсу грантов Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук (МК-8835.2016.3 «Эффекты внутреннего вращения фрагментов в предорганизованных bodipy для оптических преобразователей энергии», МК-1098.2019.3 «Эффекты внутри- и межмолекулярного взаимодействия как способ управления фотофизическими характеристиками ряда флуоресцентных комплексов дипирринов с р-элементами», СП-1742.2013.1 «Энергоэффективные функциональные материалы на основе координационных соединений олигопирролов для фотовольтаики и лазерной техники»), Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы (14.132.21.1448 «Механизмы образования, распада, интенсификация синтеза и направленная функционализация комплексов

дипирролилметенов для практических нужд»), а также грантов и программ Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» для молодых ученых - аспирантов, молодых кандидатов наук.

Цели и задачи работы. Цель настоящей работы заключалась в развитии представлений об основных структурных эффектах и факторах молекулярного окружения в химии функционализированных координационных соединений бора(Ш) и фосфора^) с дипирринами, необходимых для направленного изменения физико-химических свойств дипирриновых люминофоров и создания на их основе компонентов новых супрамолекулярных и гибридных материалов. Для достижения поставленной цели решались следующие практические задачи:

• разработка и оптимизация методов получения координационных соединений дипирринов, а2а-дипиринов и их аналогов, отличающихся количеством, природой и положением функциональных заместителей в структуре лиганда с фторидом бора и оксидом фосфора. Выделение, очистка и идентификация полученных соединений набором физико-химических методов анализа.

• разработка и оптимизация методов получения твердотельных материалов, содержащих комплексы дипирринов путем иммобилизации соединений в полимерные матрицы органической и неорганической природы, а также послойного нанесения на подложку с использованием методики Лэнгмюра-Шеффера.

• физико-химическое исследование широкого спектра фотофизических характеристик соединений при разных концентрациях и материалов на их основе в условиях варьирования природы и параметров молекулярного окружения: природы и состава растворителя и паров растворителя, температуры, вязкости, полярности, кислотности среды, присутствия отдельных молекул, в том числе биогенной природы.

• выявление взаимосвязи между структурой и свойствами соединений в широком диапазоне внешних условий с привлечением экспериментальных данных, результатов квантово-химического моделирования и хемоинформационного подхода. Определение соединений лидеров для дальнейшего практического применения в индивидуальном состоянии и составе гибридных материалов.

Научная новизна. С использованием литературных, а также модифицированных авторских методик впервые получен ряд борфторидных и оксофосфорильных комплексов дипирринов и ага-дипирринов, отличающихся строением в части наличия и природы заместителя в мезо-положении дипиррина, а также в других положениях органического лиганда. Получены новые комплексы на основе ди- и три-доменных BODIPY, содержащие в своей структуре свободные или алкилированные пирролы. Полученные соединения идентифицированы набором физико-химических методов

анализа. Установлены ключевые структурные факторы, оказывающие влияние на фотофизические свойства исследуемой группы соединений. Показано и количественно оценено влияние природы заместителей на положение полос в спектрах поглощения, испускания и характеристики флуоресценции соединений. Впервые проведен сравнительный анализ различных подходов к описанию сольватохромии соединений, показаны границы применимости моно- и полипараметрических подходов на основании наборов параметров Камлета-Тафта и Каталана. Предложено использование нормированного параметра динамической вязкости растворителя, а также нового эмпирического параметра для описания сольватохромии флуоресцентных молекулярных роторов на основе BODIPY.

Впервые проведено детализированное изучение проявления BODIPY, имеющих объемные ароматические заместители в мезо-положении дипирринового лиганда, свойств флуоресцентных молекулярных роторов. Для исследуемых соединений впервые определены значения параметров уравнения Ферстера-Хоффмана для широкого диапазона значений динамической вязкости, определены интервалы наиболее высокого удельного изменения флуоресцентных характеристик. Впервые проведено исследование влияния полярности сольватного окружения на интенсивность проявления соединениями свойств флуоресцентных молекулярных роторов.

Изучено влияние концентрационных взаимодействий молекул BODIPY на их спектральные характеристики. Показано, что исследуемые соединения способны к межмолекулярным взаимодействиям в растворах по механизмам ассоциации основного и возбужденного состояний молекул. Предложены подходы к использованию изменения концентрации BODIPY, полярности среды для направленного изменения количества, интенсивности и положения отдельных полос в спектрах испускания соединений.

Впервые проведено системное исследование взаимодействия мезо-замещенных BODIPY с белковыми молекулами методами электронной спектроскопии и компьютерного моделирования. Показана принципиальная возможность использования мезо-замещенных BODIPY в качестве флуоресцентных молекулярных сенсоров глобулярных белков на примере бычьего сывороточного альбумина, а также полифункциональных диагностических агентов для исследования процессов свертывания крови.

Предложены методы и подходы иммобилизации BODIPY в полимерные органические, неорганические и смешанные матрицы. Методами ИК-спектроскопии и РСА охарактеризованы взаимодействия между красителем и матрицей. Обоснована стратегия применения гибридных материалов, содержащих BODIPY люминофоры, для решения практических задач. Впервые показана возможность настройки эксплуатационных характеристик OLED на основе BODIPY за счет изменения

концентрации последнего в рабочем слое диода. Проведено сравнительное исследование устойчивости ВОБГРУ в растворах и полимерных матрицах, предложены пути стабилизации люминофоров в материалах. Впервые получены тонкие пленки Ленгмюра-Шеффера с организацией молекул в виде монослоев, расположенных параллельно плоскости субстрата.

Впервые получены спектральные характеристики ряда оксофосфорильных комплексов дипирринов в условиях варьирования молекулярного окружения в растворах и тонких пленках. Показана чувствительность фотофизических характеристик мезо-замещенного PODIPY к вязкости среды, таким образом, получен первый образец флуоресцентного молекулярного ротора PODIPY, эксплуатационные характеристики которого не уступают лучшим известным аналогам молекулярных проб других химических групп. Показана возможность протекания реакции раскрытия цикла PODIPY с образованием пятикоординированного комплекса с внутримолекулярной водородной связью.

Теоретическая и практическая значимость. Разработанные методы получения новых моно- и полидоменных борфторидных и оксофосфорильных комплексов дипирринов и а2а-дипирринов, а также материалов на их основе позволяют расширить спектр существующих флуоресцентных молекулярных сенсоров, меток и переключателей для решения задач аналитической химии, сенсорики биологических систем, а также конструирования оптических преобразователей энергии.

Установленные ключевые структурные факторы, оказывающие влияние на фотофизические свойства исследуемой группы соединений, расширяют и дополняют существующие представления о взаимосвязи структура-свойства люминофоров на основе координационных соединений дипирринов и могут быть использованы для рационального дизайна новых функциональных структур. Предложенные новые подходы к анализу сольватохромных свойств BODIPY, основанные на включении в набор анализируемых параметризованных величин значений динамической вязкости растворителя и использовании эмпирического параметра А, определяемого на основе спектральных свойств, могут быть применены для повышения качества описания сольватохромии флуоресцентных молекулярных роторов на основе различных групп соединений.

Полученные впервые тонкие пленки Ленгмюра-Шеффера с организацией молекул в виде монослоев, расположенных параллельно плоскости субстрата, расширяют спектр имеющихся функциональных материалов на основе ВОБ1РУ и создают предпосылки для конструирования новых устройств для решения прикладных задач.

Полученные результаты демонстрируют возможности применения ВОБГРУ люминофоров в диагностике процессов коагуляции крови. Специфические

взаимодействия молекул BODIPY с формульными единицами изученных биосистем позволяют провести анализ состава и динамических процессов биологических объектов в процессе коагуляции плазмы крови.

Данные по впервые детально исследованным флуорофорам группы PODIPY создают задел для работы по синтезу, исследованию и поиску путей практического применения принципиально новых люминофоров. В частности, получен первый образец флуоресцентного молекулярного ротора PODIPY, эксплуатационные характеристики которого не уступают лучшим известным аналогам молекулярных проб других химических групп.

Полученные результаты определяют вектор дальнейших научных исследований и развития коллектива лаборатории координационной и супрамолекулярной химии линейных олигопирролов, а именно изучение более сложных супрамолекулярных и конъгированных систем на основе дипирринов и их аналогов для решения задач молекулярной сенсорики и дизайна новых оптических преобразователей.

Полученные результаты использованы при разработке учебных программ, лабораторных практикумов, курсов лекций и фондов оценочных средств по дисциплинам «Координационная химия», «Актуальные задачи современной химии», «Химия перспективных веществ и материалов» для обучающихся по образовательной программе 04.04.01 Химия, реализуемой в Ивановском государственном химико-технологическом университете.

Основные положения, выносимые на защиту. Методы получения и модификации координационных соединений дипирринов с В(Ш) и Р(У), отличающихся строением лиганда в части наличия и природы заместителей лиганда, количества дипирриновых доменов в одной молекуле, а также функциональных гибридных материалов на их основе и тонкопленочных материалов.

Корреляции структура-свойства в части анализа влияния строения, положения и количества заместителей в дипирриновом домене, природы центрального атома на спектральные характеристики соединений и возможность реализации разных механизмов направленного изменения качественных и количественных флуоресцентных характеристик. Результаты исследований проявления BODIPY и PODIPY свойств флуоресцентных молекулярных роторов в индивидуальных и смешанных растворителях, полимерных и биологических системах, включая установление нелинейной зависимости реализации роторных свойств в разных интервалах вязкости и возможность учета данного параметра при полипараметрическом описании сольватохромии соединений.

Закономерности влияния молекулярного окружения на проявление BODIPY и PODIPY спектральных характеристик за счет реализации эффектов сольватохромии. Корреляционные зависимости между параметрами сольватного окружения и

спектральными и фотофизическими свойствами исследуемых соединений в растворах и материалах.

Метод определения качественных и количественных показателей жидкофазных систем, содержащих белковые молекулы за счет анализа спектральных изменений соединений при взаимодействии с биомолекулами - сывороточным альбумином и компонентами плазмы и сыворотки крови.

Закономерности агрегационного поведения комплексов BODIPY и их аналогов в растворах, полимерных матрицах и тонких пленках Лэнгмюра-Шеффера в условиях изменения природы молекулярного окружения, а также структуры соединений. Анализ направленного изменения спектральных и фотофизических характеристик соединений и материалов, обеспечивающий возможности их практического применения при конструировании сенсоров и оптических преобразователей.

Методология и методы исследования. Решение поставленных в работе задач осуществлено с использованием исследовательских приемов и подходов, основанных на опыте ведущих Российских и иностранных научных групп, исследования которых лежат в области неорганической и физической химии гетероциклических молекул. В рамках работы использовали следующие методологические подходы: анализ, синтез, эксперимент, сравнение, обобщение и математическое моделирование. В работе использован широкий перечень физико-химических методов анализа, включая электронную спектроскопию поглощения, флуоресцентную спектроскопию, в т.ч. в условиях временного разрешения, ЯМР, ИК-спектроскопию, масс-спектрометрию, элементный анализ, РСА, электронную и видимую микроскопию, в т.ч. флуоресцентную микроскопию, квантово-химические расчеты, методы хемоинформационного анализа. Основные эксперименты выполнены с использованием оборудования Центров коллективного пользования Ивановского государственного химико-технологического университета, Института химии растворов им. Г.А. Крестова РАН («Верхневолжский региональный центр физико-химических исследований»), а также научного оборудования, имеющегося на кафедре неорганической химии ИГХТУ. Квантово-химические расчеты проведены в том числе с привлечением суперкомпьютера Ломоносов-2 Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Степень достоверности и апробация результатов. Материалы диссертационной работы были представлены в виде 60 устных и стендовых докладов на 42-м, 43-м Конгрессах Федерации европейских биохимических обществ (FEBS) (2017, Иерусалим, Израиль; 2018, Прага, Чехия), Международном воркошпе «Macromolecules in Medicine» (2018, Норидж, Великобритания), Международном симпозиуме «Dyes and Pigments» (2019, Сивилья, Испания), XIX, XX, XXI Менделеевских съездах по общей и прикладной химии (2011, Волгоград; 2016, Екатеринбург; 2019, Санкт-Петербург), XXV, XXVI,

XXVII Международных Чугаевских конференциях по координационной химии (2011, Суздаль; 2014, Казань; 2017, Нижний Новгород), XIII, XVII Международных конференциях «Спектроскопия координационных соединений» (2016, 2020, Краснодар), Сеченовском Международном Биомедицинском Саммите (2017, Москва), Кластере конференций по органической химии «0ргХим-2016» (2016, Санкт-Петербург), Международной научно-технической конференции «Полимерные композиты и трибология» (2015, Гомель, Беларусь), 78-й научно-технической конференции с международным участием «Химическая технология и техника» (2014, Минск, Беларусь), Международной конференции «Chemistry of Organoelement Compounds and Polymers» (2019, Москва), XI, XIII Международных конференциях «Синтез и применение порфиринов и их аналогов» (2017, Иваново; 2019, Кострома), IX Международная конференция Российского химического общества имени Д. И. Менделеева (2018, Москва), XIII Международной научно-практической конференции «новые полимерные композиционные материалы» (2017, Нальчик), VI Международной конференции «Modern Nanotechnologies and Nanophotonics for Science and Industry» (2018, Суздаль), Всероссийских научных конференциях «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (2010, 2011, 2017 Иваново), Международных конференциях молодых ученых по химии «Менделеев» (2015, 2017 Санкт-Петербург), Всероссийском кластере конференций по неорганической химии «НеоргХим 2018» с международным участием (2018, Астрахань), VI Междисциплинарной конференции «Молекулярные и биологические аспекты химии, фармацевтики и фармакологии» (2020, Нижний Новгород), научно-практическом семинаре «Люминесценция и её применение в народном хозяйстве» (2018, Москва) и др.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Марфин Юрий Сергеевич, 2021 год

Y"H - -

Рисунок 6.16. Используемые обозначения атомов, углов или фрагментов. На рисунке не приведены соответствующие атомы водорода.

Таблица 6.3. А1М-заряды для соединений БОВ1РУ-6.4 и РОВ1РУ-6.5.

Соединение В/Р Б/О С8 С1/7 С2/6 Сз/5

ВОБ1РУ-6.4 2.46 -0.88 -1.59 -0.00 -0.06 -0.07 0.58

РОБ1РУ-6.5 3.69 -1.54 -1.60 0.00 -0.05 -0.06 0.56

Для оценки степени искажения структур рассчитали усреднённые 8Б (отклонение с учётом знака) и ЛБ (абсолютные отклонения) в длинах связей в дипиррине. Поскольку ковалентные радиусы бора и фосфора сильно различаются, учитывались только связи С-N С-С и С-Н. Полученные значения также представлены в таблице 6.2. На основании 8Б и ЛБ можно сделать вывод, что искажение дипиррина ограничивается изменением межплоскостного угла между пирролами. Это говорит об относительно малом влиянии РО2 группы на электронную структуру комплекса, и все наблюдаемые искажения, с большой вероятностью, вызваны стерическими эффектами.

Лучше понять практически важные особенности электронного строения незамещённых ВОБ1РУ и РОБ1РУ помогает анализ граничных молекулярных орбиталей. Поскольку получение точных значений энергий ВЗМО и НСМО является острой проблемой в вычислительной химии, особенно это касается НСМО, мы решили применить новый ОО-МР2 метод. На рисунке 6.17 представлены граничные молекулярные орбитали молекул ВОБ1РУ-6.4 и РОБ1РУ-6.5. Несмотря на существенное изменение геометрии комплекса, молекулярные орбитали имеют достаточно схожий вид с плоскостью симметрии, проходящей через координационный центр и атомы Сэ и Яэ перпендикулярно плоскости дипиррина. Слабое изменение граничных МО при переходе от ВБ2 координационного центра к РО2 позволяет предположить, что искажённая геометрия дипиррина не сильно препятствует сопряжению и нарушение п-электронной системы минимально. Сохранение протяженной сопряжённой системы дипиррина является необходимым условием для оксофосфорильных комплексов дипиррина, так как именно за счёт неё достигается широкая возможность модификации спектральных свойств и именно за счёт неё комплексы дипирринов привлекают такой интерес.

Рисунок 6.17. Граничные молекулярные орбитали соединений В0В1РУ-6.4 и Р0В1РУ-6.5.

Между соединениями ВОБ1РУ-6.4 и РОБ1РУ-6.5. имеются существенные различия в энергиях ВЗМО и НСМО. Орбитали РОБ1РУ смещены на ~0.5 эВ по сравнению с аналогичными орбиталями ВОБ1РУ. Основываясь на представленных изоповерхностях можно сказать, что атомы кислорода группы РО2 вносят больший вклад в НСМО, чем атомы фтора группы ВБ2. Таким образом, интересным путём модификации РОБ1РУ может стать Р-замещение, аналогично В-замещению в ВОБ1РУ.

Интересен также тот факт, что энергетический промежуток между ВЗМО и НСМО, который может служить первым приближением для оценки спектральных свойств, остаётся примерно постоянным при смене координационного центра с бора на фосфор. Согласно известным экспериментальным данным, спектр поглощения РОБ1РУ должен быть сдвинут в длинноволновую область электромагнитного спектра относительно производных ВОБ1РУ аналогичного строения. Вид ВЗМО и НСМО свидетельствует, что ни атом бора, ни атом фосфора не принимают активного участия в их формировании. Чтобы дать численную оценку важности замены ВБ2 группировки на РО2, вычислили вклад АО дипиррина и координационного центра в граничные МО. Полученные значения отображены в таблице 6.4.

Таблица 6.4. Вклады АО в ВЗМО и НСМО для соединений В0ЫРУ-6.4 и Р0ЫРУ-6.5, %.

Соединение Орбиталь В/Р Б2/О2 ВБ2/РО2 Дипиррин

ВОБ1РУ-6.4 ВЗМО 0.0 0.1 0.1 0.9 99.9

НСМО 0.5 0.4 0.9 9.1 99.1

РОБ1РУ-6.5 ВЗМО 0.0 0.1 0.1 0.8 99.8

НСМО 0.4 0.8 1.2 8.0 98.8

Малый вклад атомов азота в граничные орбитали в РОБ1РУ противоречит предположению о концентрации электронной плотности как причины изменения геометрии дипиррина. С другой стороны, подтверждается суждение о большем вкладе атомов кислорода по сравнению с атомами фтора, причём это справедливо для НСМО, не ВЗМО.

В пользу сохранения ароматичности РОБ1РУ говорит также анализ индексов №С8. На рисунке 6.18 показаны точки, в которых было рассчитано значение индекса №С8(0), а также сами значения. Согласно теории «ароматического кольцевого тока», отрицательные значения индексов №С8 говорят о большей ароматичности, а положительные - о большей антиароматичности. Интересно, что при переходе от ВОБ1РУ-6.4 и РОБ1РУ-6.5, ароматичность пиррольных колец не только не уменьшается, но и наоборот - увеличивается. Поскольку более сильное и/или обширное п-сопряжение коррелирует со сдвигом максимума поглощения соединения в красноволновую область, можно ожидать, что РОБ1РУ должен будет иметь батахромный сдвиг поглощения/испускания. Это хорошо согласуется с известными литературными данными. Следует отметить, что индексы №С8 очень чувствительны к позиции, в которой они измеряются. В нашем случае, №С8(0), измерение проводится в центре ароматического кольца. Поскольку органический лиганд в РОБ1РУ-6.5 значительно изогнут, в качестве центров были приняты точки, сумма квадратов расстояний от которых до атомов цикла минимальна. Это может, в редких случаях, привести к непренебрижимым погрешностям.

■5.7 -5.7 -6.7 -6.7

Рисунок 6.18. Значения индексов ШСБ(0) для соединений БОБ1РУ-6.4 и РОБ1РУ-6.5.

Важную роль в квантовой химии ВОБ1РУ играет статическая корреляция. Не существует достаточно физически обоснованной метрики, по которой можно было бы судить о необходимости учёта статической корреляции. Более того, одновременный достаточной точный учёт и статической, и динамической корреляций возможен исключительно для малых молекул. Поскольку большая часть работ фокусируется не на конкретных соединениях, а на ряде близких по строению молекул, необходимость учёта статической корреляции уменьшается. Именно поэтому, несмотря на то, что

подавляющая часть теоретических исследований по BODIPY и другим комплексам дипиррина ведётся с использованием TD-DFT, получаемые результаты в состоянии корректно объяснить экспериментальные данные. Тем не менее, здесь мы приводим результаты FOD-анализа. На рисунке 6.19 изображены изоповерхности частично-занятой электронной плотности для BODIPY-6.4 и PODIPY-6.5. Обе молекулы имеют схожее распределение FOD по органическому лиганду. К тому же, частично-занятая электронная плотность в определённой мере делокализована и не сконцентрирована на каком-то атоме. Наличие явных, немногочисленных точек концентрации говорило бы о бирадикальном характере молекулы, как, например, случается в некоторых представителях полициклических ароматических углеводородов. Делокализованная же частично-занятая электронная плотность говорит о более общем характере статической корреляции. С такой статической корреляцией сложнее всего справиться - для получения точных, достоверных результатов требуется учёт большого числа конфигурации, то есть большое активное пространство в MCSCF методах. Для BODIPY (и, следовательно, PODIPY) важным является учёт как статической, так и динамической корреляции. Необходимость подобных вычислительных затрат является значительным барьером к применению методов, подобных NEVPT2, в статьях, основой которых является органическая химия, а вычислительная химия служит лишь вспомогательной частью.

Л

Рисунок 6.19. Изоповерхности частично-занятой электронной плотности соединений В0В1РУ-6.4 и Р0В1РУ-6.5.

Для того чтобы дать конкретное, численное описание необходимости учёта многоконфигурацинного характера соединений, авторы предложили интегрировать частично-занятую электронную плотность по всему пространству, получая таким образом показатель N_fod. Анализ данного значения для соединений ВОБ!РУ-6.4 (N_fod = 0.366) и РОБ!РУ-6.5 (N_fod = 0.447) говорит о схожести данных соединений. Согласно данным разработчиков метода, значения близкие к или выше 1 говорят о необходимости учёта многоконфигурационной природы, причём чем больше значение, тем сильнее многоконфигурационный характер будет сказываться на структуре и свойствах

соединений. Основываясь на полученных цифрах можно ожидать, что типичные одноконфигурационные методы, такие как ББТ или МР2, должны вполне корректно описывать геометрию данных соединений. Значения равного ~0.4, по-видимому,

достаточно, чтобы статическая корреляция оказывала значительное влияние на спектральные характеристики дипирриновых комплексов. Взаимосвязь между и

другими подобными характеристиками специфична для каждого конкретного класса соединений.

Одним из основных преимуществ РОБ1РУ по сравнению с ВОБ1РУ является его повышенная растворимость в полярных растворителях, таких как вода. Для того чтобы обосновать повышенную растворимость с теоретических позиций определили свободные энергии Гиббса растворения с использованием 8МБ. Расчёт был проведён для двух растворителей - Н2О как представителя полярных растворителей и СН2С12 как представителя неполярных растворителей. Выбор СН2С12 мотивирован его частым использованием в процессе синтеза как дипиррина, так и его комплексов. Полученные данные представлены в таблице 6.5. Полная свободная энергия растворения в 8МБ

и и и и

складывается из 2 частей: электростатической энергии взаимодействия электронной плотности молекулы с зарядами на поверхности континуума и суммы энергий дисперсии, кавитации и поляризации (изменении структуры) самого растворителя. Энергия кавитации в данном контексте описывает ту энергию, которую необходимо затратить на создание полости в сплошном растворителе, в которую способна поместиться молекула растворённого вещества.

Таблица 6.5. Свободные энергии Гиббса растворения для соединений BODIPY-6.4 и PODIPY-6.5. в H2O и CH2CI2 в кДжмолъ-1

Соединение ЛGэл ЛGcDs ЛGoБщ ЛGэл ЛGcDs ЛGoБщ

(CH2CI2) (CH2CI2) (CH2CI2) (H2O) (H2O) (H2O)

BODIPY-6.4 -45.2 -16.5 -61.7 -56.1 25.4 -30.7

PODIPY-6.5 -74.2 -17.5 -91.7 -139.1 28.2 -110.9

Как и следовало ожидать из экспериментальных данных, изменение свободной энергии при растворении PODIPY значительно выше, чем BODIPY. Основной вклад при этом даёт электростатическое взаимодействие, в то время как сумма энергий кавитации, дисперсии и поляризации даже увеличивается при переходе от BODIPY-6.4 и PODIPY-6.5. Причиной выгодного электростатического взаимодействия между растворителем и растворённым веществом для соединения PODIPY-6.5. является высокая плотность электронного заряда на атомах кислорода. Это также наблюдалось при анализе AIM зарядов на атомах. Интересно отметить, что PODIPY-6.5. также лучше растворяется и в

неполярных растворителях, таких как CH2Cl2, т.к. его полное изменение свободной энергии Гиббса растворения меньше по сравнению с BODIPY-6.4. В этом случае, как и в случае с ШО, основной вклад в повышенную растворимость вносит электростатическое взаимодействие.

Согласно имеющимся в литературе данным, улучшенную растворимость PODIPY относительно BODIPY в воде можно частично объяснить увеличенным значением дипольного момента. Больший дипольный момент будет способствовать понижению энергии за счёт Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий, в частности за счёт ориентационного взаимодействия постоянных диполей молекул BODIPY-6.4 и PODIPY-6.5 и постоянного диполя молекулы воды. Основываясь на wB97X-D3BJ геометриях, мы получили значения дипольных моментов BODIPY-6.4 и PODIPY-6.5. в 7.7 и 11.7 соответственно. Таким образом, действительно можно говорить о значительном вкладе ориентационного взаимодействия в повышенную растворимость PODIPY в полярных растворителях.

Можно, однако, ожидать, что растворимость PODIPY в некоторых полярных растворителях будет ещё сильнее отличаться от BODIPY. Дело в том, что по своей природе SMD плохо описывает образование водородных связей, которые являются исключительно квантовым эффектом и не могут быть достаточно точно описаны с позиций малопараметризованных электростатических моделей (CPCMC). Для изучения способности каждой из молекул образовывать водородную связь мы провели оптимизацию геометрии кластера BODIPY-б.4■ ШО и PODIPY-6.5■ ШО с CPCMC, таким образом, эффективно применив гибридную модель растворителя. Затем, на основании DSD-PBEP86 энергий кластеров, отдельных молекул и ШО были рассчитаны изменения энергий при образовании водородной связи. Полученные энергии, а также геометрии кластеров приведены на рисунке 6.20.

+ Л —^ ^^^^^+ Е=120 кДж*моль 1

I

Рисунок 6.20. Изменение энергии при образовании водородной связи для соединений В0В1РУ-6.4 и Р0Б1РУ-6.5.

Следует отметить, что расчёт с явным учётом всего одной молекулы воды является вычислительно выгодным, но при этом не очень точным. Поскольку по мере увеличения

числа молекул воды будет происходить насыщение точек связывания в координационных центрах ВОБ1РУ-6.4 и РОБ1РУ-6.5, суммарная энергия всех водородных связей не будет равна энергии одной связи умноженной на количество связей. К тому же, очень вероятно, что ВОБ1РУ-6.4 и РОБ1РУ-6.5 будут отличаться по максимальному числу образуемых водородных связей молекулами воды. Таким образом, в дальнейшем мы планируем подробнее изучить влияние водородного связывания на свойства РОБ1РУ путём включения в расчёт всё большего числа молекул воды.

Поскольку большинство потенциальных областей применения как ВОБ1РУ, так и РОБ1РУ основано на их спектральных характеристиках, провели подробное изучение вертикальных спектров поглощения соединений ВОБ1РУ-6.4 и РОБ1РУ-6.5. На рисунке 6.21 представлен дискретный спектр из первых 8 синглетных электронных переходов каждой молекулы на уровне 8ТЕОМ-БЬРКО-СС8Б.

1,0-1

0,9 0,8

с 0,7 -I а о

н 0,6 4 «

ч к

& 0,5 Н о О

2 0,4 Н к

° 0,3-1 0,20,1 -

0,0

М1

ш

соединение I соединение II

200

250

450

500

550

300 350 400 Длина волны, нм.

Рисунок 6.21. Дискретные спектры вертикального возбуждения соединений БОВ1РУ-6.4 и РОБ1РУ-6.5.

Следует отметить хорошую точность данного метода. Первый максимум поглощения ВОБ1РУ, полученный экспериментально, имеет длину волны в 497 нм, то есть погрешность составляет всего 20 нм. Данный результат значительно превосходит типичную погрешность ТБ-ББТ методов и может быть частично объяснён улучшенным описанием возбуждённых состояний с разделением заряда методом 8ТЕОМ-СС8Б по сравнению с ТБ-ББТ и даже ЕОМ-СС8Б. Оставшаяся погрешность связана с плохим

учётом статической корреляции и может быть устранена такими методами как MC-PDFT или MC-RPA с большим активным пространством.

На теоретических спектрах поглощения также подтверждается экспериментально наблюдаемый батахромный сдвиг поглощения PODIPY относительно BODIPY. Интересным является общая схожесть первых трёх переходов каждой молекулы, хотя именно они ярче всего отражали бы изменения в ароматической системе дипиррина. Это ещё раз говорит о схожести физико-химических и спектральных свойств незамещённых BODIPY и PODIPY. Батахромный сдвиг, однако, не такой значительный как наблюдаемый в экспериментах с замещёнными PODIPY. Возможные причины этого будут обсуждены далее.

6.5. Возможность изменения координационного числа фосфора в PODIPY

Несмотря на все свои положительные качества, на данный момент PODIPY остаётся мало популярным в научных кругах классом соединений. На наш взгляд, основной проблемой, которая предотвращает появление большего числа публикаций, является наличие фундаментальных нерешённых проблем в химии PODIPY. Одной из таких проблем, с которой столкнулась наша лаборатория, стало расхождением между полученным экспериментально значением химического сдвига атома фосфора и литературными данными. В нашей лаборатории было получено значение 8 = -20 м.д в дейтерированном хлороформе. В то же время, Jiang и коллеги говорят о 8 = -50 м.д. в тяжёлой воде. Поскольку ЯМР по ядру 31P очень чувствителен лишь к ближайшему окружению атома фосфора, нами было выдвинуто предположение о возможности изменения структуры координационного центра PODIPY при различных условиях и параметрах среды.

В координационной химии порфириноидов 31P ЯМР используется для подтверждения координационного числа фосфора, которое в тетрапиррольных макрогетероциклах может меняться между 5 и 6. Наиболее часто подобное изменение выражается в смене P=O координационного центра на P(OH)2 или P(OR)2. И хотя подобного эффекта не было обнаружено для комплекса фосфора со смарагдирином, нами было принято решение проверить возможность варьирования координационного числа фосфора в интервале от 4 до 6.

В результате оптимизации, кроме соединений BODIPY-6.4 и PODIPY-6.5. нами были получены три гидратированных соединения с координационными числами фосфора равными 5 и 6. Геометрии полученных соединений представленны на рисунке 6.22. Также структурные параметры каждой молекулы представлены в таблице 6.6.

Рисунок 6.22. Структуры соединений Р0В1РУ-6.6-6.8. Таблица 6.6. Геометрические параметры соединений

Параметр BODIPУ-б.4 PODIPУ-б.5 PODIPY-6.6 PODIPY-6.7 PODIPY-6.8

Х-У: 1.40 1.49 1.7 1.62 1.70

Х-У2 1.40 1.49 1.64 1.51 1.70

Х-Уз - - 1.51 1.49 1.70

Х-У4 - - - - 1.69

У-Н(средн.) - - 0.97 0.97 0.97

№а-Х 1.56 1.77 1.97 1.79 1.90

^-Х 1.56 1.77 1.78 - 1.91

Сз-Кза 1.з4 1.з5 1.з2 1.з5 1.з4

Сз-К4а 1.з4 1.з5 1.з7 1.зз 1.з4

Сз-н 1.09 1.09 1.09 1.09 1.08

С5-Н 1.09 1.09 1.08 1.09 1.08

С5-С6 1.41 1.40 1.4з 1.40 1.41

С3-С2 1.41 1.40 1.з8 1.41 1.41

С6-Н6 1.09 1.09 1.09 1.09 1.09

С2-Н2 1.09 1.09 1.06 1.09 1.09

С6-С7 1.з9 1.з9 1.з7 1.з9 1.з9

С2-С1 1.з9 1.з9 1.41 1.з8 1.з9

С7-Н7 1.09 1.09 1.09 1.09 1.09

С1-Н1 1.09 1.09 1.09 1.09 1.09

С7-С' 1.41 1.41 1.4з 1.42 1.42

С1-С 1.41 1.41 1.з9 1.42 1.42

С-С8 1.з9 1.з9 1.з6 1.4 1.з9

С'-С8 1.з9 1.з9 1.41 1.з9 1.з8

С8-Н8 1.09 1.09 1.09 1.09 1.09

С-№ 1.40 1.40 1.40 1.41 1.40

С-К4 1.40 1.40 1.41 1.з9 1.40

С-С8-С' 121.5 122.9 122.2 1з7.з 12з.4

Межплоскостной угол 0.7 14.5 19.8 18.5 18.5

SD(сред.) 0 0.001 0.001 0.001 0

AD(сред.) 0 0.004 0.122 0.004 0.002

УН - - - 1.67 -

Аналогично соединению РОБ1РУ-6.5, в молекулах РОБ1РУ-6.6 и РОБ1РУ-6.8 наблюдается аркообразное искажение дипиррина. В то же время, в молекуле РОБ1РУ-6.7 наблюдается твист конформация с частичным вращением двух пиррольных колец в противоположных направлениях. Для численной оценки степени искажения дипиррина в каждой молекуле оценили параметры дополнительных плоскостей пиррольных колец и измерили угол между ними. Плоскости, полученные для соединений РОБ1РУ-6.6-6.8, отображены на рисунке 6.23.

Рисунок 6.23. Плоскости, проходящие через пиррольные кольца, в соединениях РОВ1РУ-6.6-6.8.

Интересно, что наибольшее изменение межплоскостного угла достигается для пентакоординированного комплекса РОБ1РУ-6.6. Для него же наблюдается и наибольшее отклонение в длинах связей, намного превосходящее отклонения в даже более гидратированном комплексе РОБ1РУ-6.8. Более того, в соединении РОБ1РУ-6.6 возникает значительная асимметрия пиррольных колец, выражающаяся в различии длин аналогичных связей на 0.02 А. Дестабилизация молекулы РОБ1РУ-6.6 вызвана значительным стерическим затруднением, ассоциированным с распределением в пространстве пяти неэквивалентных связей, две из которых образованы с жёстким бидентантным органическим лигандом.

Соединение РОБ1РУ-6.7 является продуктом реакции раскрытия цикла. Данная реакция часто наблюдается в соединениях фосфора с бидентантными лигандами, такими как, например, орто-гидрохинонами. Согласно геометрическим параметрам, в частности длинам связей, данный комплекс испытывает намного меньшее напряжение, по сравнению с соединением РОБ1РУ-6.6. Отсутствие второй связи М-Р значительно уменьшает жёсткость структуры позволяя молекуле занять более выгодную конформацию.

Особенностью, характерной исключительно для соединения РОБ1РУ-6.7 является наличие внутримолекулярной водородной связи. Она образуется между кислородом РО2ОН группы и водородом МН фрагмента пиррольного кольца. Наличие связывания можно подтвердить с помощью топологического анализа распределения электронной плотности в данном регионе молекулы. Найденные критические точки связей

(критические точки электронной плотности типа (3,-1)) отмечены на рисунке 6.24. Оранжевым цветом отмечены точки образования внутримолекулярных водородных связей. Достаточно необычным является дополнительное слабое взаимодействие между ОН атомом кислорода и СН атомом водорода пиррольного кольца.

Рисунок 6.24. Критические точки связей в соединении РОВ1РУ-6.7.

Образующаяся водородная связь является относительно сильной, с расстоянием ОН равным 1.67 А и расстоянием М-Н равным 1.04 А. Удлинённая ковалентная связь водорода с азотом и малое расстояние между кислородом и водородом говорит и значительности взаимодействия.

Изменение структуры координационного центра данных соединений явным образом сказывается на их физико-химических свойствах. Так, расчёт химических сдвигов 31Р ЯМР, результаты которого представлены в таблице 6.7, показал, что увеличение степени гидратированности приводит к более отрицательным химическим сдвигам.

Таблица 6.7. Химический сдвиг 31P ЯМР для исследуемых соединений

Соединение cpodipy(31P) GPH3(31P) 8(31P)

PODIPY-6.5 348.0 -17.4

PODIPY-6.6 397.6 596.7 -67.0

PODIPY-6.7 331.8 -1.2

PODIPY-6.8 473.6 -143.0

Полученное нами теоретическое значение 8 для PODIPY-6.5 хорошо согласуется с нашими экспериментальными данными, в то время как значение 8 для PODIPY-6.6 относительно адекватно соотносится с данными Jiang и коллег. Среди общей тенденции выделяется соединение PODIPY-6.7, химический сдвиг которого близок с используемому

в 31Р ЯМР стандарту - ортофосфорной кислоте. Вероятной причиной является уменьшение электронной плотности на атоме фосфора в связи с перераспределением заряда на одном из атомов кислорода для образования водородной связи, а также в связи с отсутствием М-Р связи.

Влияние изменения координационного центра также проявляется и на спектрах поглощения данных соединений. Дискретные спектры поглощения соединений представлены на рисунке 6.25. Согласно полученным данным, наибольшим батохромным сдвигом поглощения обладает соединение РОБ1РУ-б.5. Пентакоординированные комплексы, которые имеют наиболее искажённую геометрию, имеют первый максимум поглощения между 450 и 475 нм. Изменение геометрии этих соединений сказывается на уменьшенном сопряжении в дипиррине, в связи с чем первый максимум поглощения в соединениях РОБ1РУ-б.б и РОБ1РУ-б.7 приобретает гипсохромный сдвиг. Интересно, что сила осцилятора, то есть интенсивность или вероятность перехода в соединении РОБ1РУ-6.7 в 1.5-2 раза выше, чем в других исследованных оксофосфорильных комплексах. Стабилизация геометрии с раскрытым циклом может привести к ярко-окрашенному веществу, которое может послужить отличной отправной точкой для создания диад и ансамблей основанных на переносе энергии для различных научно -технических применений. Соединение РОБ1РУ-б.8 также имеет гипсохромный сдвиг поглощения, однако не такой сильный, как соединения РОБТРУ-б.б и РОБ1РУ-б.7.

Длина волны, нм.

Рисунок 6.25. Дискретные спектры вертикального поглощения изученных РОБ1РУ.

Чтобы лучше понять причины изменения интенсивностей и положений электронных переходов мы построили диаграммы, отражающие форму и вклад различных орбиталей в первые три синглетных электронных перехода. На рисунке 6.26 представлены сами диаграммы, в которых учитывались только вклады выше 10%. Также эти данные приведены в таблице 6.8.

Рисунок 6.26. Диаграмма электронных переходов соединений 1 - ЕОВ1РУ-6.4, 11 РОБ1РУ-6.5,111 - РОБ1РУ-6.6,1У - РОБ1РУ-6.7, V - РОБ1РУ-6.8.

Потеря С8 симметрии как граничных, так и других занятых МО является основной причиной гипсохромного сдвига максимумов поглоещиня РОБ1РУ-б.б и РОБ1РУ-6.7. Соединение РОБ1РУ-6.8, которое по своей структуре схоже с БОБ1РУ-6.4 и РОБ1РУ-6.5 оказывается схоже с ними и по виду своих молекулярных орбиталей.

Переход Вклад орбиталей, % Энергия, эВ Длина волны, нм. Сила осцилятора

ВОБТРУ-6.4 1 НОМО => ЬИМО, 86.4 НОМО-1 => ЬИМО, 8.5 2.40 515.8 0.470

2 НОМО => ЬИМО, 12.0 НОМО-1 => ЬИМО, 84.6 4.00 310.4 0.345

3 НОМО-2 => ЬИМО, 92.3 4.07 304.5 0.094

4 НОМО-3 => ЬИМО, 86.6 5.37 231.1 0.109

РОБТРУ-6.5 1 НОМО => ЬИМО, 82.8 НОМО-1 => ЬИМО, 11.4 2.39 518.5 0.405

2 НОМО-2 => ЬИМО, 89.3 НОМО-3 => ЬИМО, 5.4 3.80 326.5 0.102

3 НОМО => ЬИМО, 15.6 НОМО-1 => ЬИМО, 80.0 3.90 318.4 0.376

4 НОМО-3 => ЬИМО, 40.6 НОМО-4 => ЬИМО, 49.9 5.10 243.1 0.064

РОБ1РУ-6.6 1 НОМО => ЬИМО, 85.3 НОМО-1 => ЬИМО, 8.2 2.66 465.8 0.449

2 НОМО => ЬИМО, 7.2 НОМО-1 => ЬИМО, 69.3 НОМО-2 => ЬИМО, 14.5 4.02 308.6 0.207

3 НОМО-2 => ЬИМО, 78.2 НОМО-3 => ЬИМО, 6.4 4.22 293.5 0.176

4 НОМО-1 => ЬИМО, 6.2 НОМО-3 => ЬИМО, 7.6 НОМО-4 => ЬИМО, 74.4 НОМО-6 => ЬИМО, 7.2 4.67 265.7 0.023

РОБ1РУ-6.7 1 НОМО => ЬИМО, 86.9 2.70 458.6 0.725

2 НОМО-1 => ЬИМО, 86.8 3.95 313.7 0.165

3 НОМО => ЬИМО, 8.5 НОМО-2 => ЬИМО, 86.6 4.28 290.0 0.244

4 НОМО-3 => ЬИМО, 37.1 НОМО-4 => ЬИМО, 52.4 5.25 236.1 0.005

РОБ1РУ-6.8 1 НОМО => ЬИМО, 87.0 НОМО-1 => ЬИМО, 7.4 2.47 502.0 0.500

2 НОМО-2 => ЬИМО, 92.4 4.01 308.9 0.097

3 НОМО => ЬИМО, 11.1 НОМО-1 => ЬИМО, 84.1 4.09 303.5 0.280

4 НОМО-3 => ЬИМО, 63.6 НОМО-4 => ЬИМО, 25.1 5.45 227.7 0.064

Вертикальные спектры поглощения являются хорошим инструментом быстрой оценки спектральных свойств соединений. Они, однако, не воспроизводят все особенности экспериментальных спектров поглощения дипирринов. Для того, чтобы лучше описать изменения, происходящие со спектрами при замене ББ2 группы на РО2 группу и при её последующей гидратации, мы рассчитали вибрационно-разрешённые спектры поглощения и испускания. Все спектры были рассчитаны в рамках БСИТ приближения и представлены на рисунке 6.27.

ф х

X

ф

3"

о

ф о

03 т О го

х ^

03

э о. о X

1,0

0,5

0,0 1,0

0,5

0,0 1,0

0,5

0,0 1,0

0,5

0,0

400

ВОШРУ 6.4

— поглощение

— испускание

-г- , , -1*---- - / / РС®1РУ 6.5 / / * ^-; / 1 ---- / 1 —т-—1-Г™———г------- — поглощение Г \ \ — испускание

--1--1-■— РОШРУ 6.6 / 1 ... ...4 --^ У. -1---- / % Г.......% 1 V "' Г--1-■-■- — поглощение 3 — испускание

. | -г РОШРУ 6.8 1 / .... *..... / * / » ■■ у..... Л, 1 1 1 1 1 ^ ---— поглощение Г \ \ — испускание \

Ф

оз

^

о

с

о

Ф О

ОЗ т О го

03 Э О.

о X

450

500 550

Длина волны, нм.

600

650

Рисунок 6.27. Вибрационно-разрешённые спектры поглощения и испускания соединений.

Данные спектры учитывают не только электронные, но и колебательные составляющие. Как и все другие квантовохимические спектры, они на самом деле дискретны. В данном случае мы применили гауссово расширение с ИШИМ = 250 см-1 для наилучшего согласия с экспериментальными данными. Стоит отметить, что в силу своего необычного строения, РОБ1РУ-6.7 претерпевает значительные геометрические изменения после возбуждения и минимум ППЭ 81 состояния сильно отличается от 8о минимума. В таких условиях БСИТ приближение не выполняется и перекрывание уровней становится близким к нулю. Для исследования спектров РОБ1РУ-6.7 нужно применять более сложные методы электронной динамики.

Полученные нами вибрационно-разрешённые спектры хорошо описывают увеличение стоксового сдвига РОБ1РУ-6.5 по сравнению с БОБ1РУ-6.4, который наблюдается экспериментально. Молекулы РОБ1РУ-6.7 и РОБ1РУ-6.8 также имеют увеличенный стоксов сдвиг. Причиной этому является повышенная колебательная свобода данных молекул за счёт более искажённой геометрии и наличия О-Н связей. Интересно, что для соединения РОБ1РУ-6.6 наблюдается значительное уширение спектра поглощения, тогда как для соединения РОБ1РУ-6.8 наблюдается широкий спектр флуоресценции. Такая особенность в поглощении соединения РОБ1РУ-6.6 может быть полезна для получения интенсивной панхроматической абсорбции, например, в органических солнечных ячейках. Широкое испускание РОБ1РУ-6.8 может быть полезно в качестве донора для создания молекулярных диад или ансамблей с внутримолекулярным переносом энергии.

Далее оценили, насколько вероятно протекание реакции гидратации в растворе. Провели расчёт термодинамических параметров, пользуясь Б8В-РББР86 электронными энергиями и wB97X-D3BJ вибрационными коррекциями. В результате мы смоделировали изменение свободной энергии Гиббса трёх реакций гидратации. Полученные данные представлены на рисунке 6.28.

рошру 6.7

рошру 6.5

рошру 6.8

рошру 6.6

ЧО г •

* * /

ж Е

Л-

ДО = 42.0 кДж-моль

-1

Лв=99.8 кДж-моль

-1

Дй = 5.2 кДж-моль ( 14-<

Рисунок 6.28. Изменение свободной энергии Гиббса в результате протекания реакций с водой.

Как можно видеть, с исключительно термодинамической точки зрения гидратация PODIPY-6.5 является энергетически невыгодным процессом. Однако, несмотря на то, что абсолютным минимумом по энергии является соединение PODIPY-6.5, реакция раскрытия цикла с образованием PODIPY-6.7 требует затрат всего 5 кДж-моль-1. Данное

значение находится в рамках погрешности метода и можно предположить, что в реальном водном растворе незамещённого PODIPY присутствует как минимум определённая доля PODIPY-6.7. Можно ожидать, что путём подбора определённый условий проведения реакции температура, растворитель и др.) можно будет увеличить долю соединения PODIPY-6.7 и изучить его влияние на суммарные спектральные свойства раствора. Образование же PODIPY-6.6 и PODIPY-6.8 является слишком энергозатратным и их доля в растворе должна быть эффективно равна нулю.

На термодинамику данных реакций большое влияние оказывает второй реагент. Так, в химии комплексов фосфора с макрогетероциклами известно, что для стабилизации гексакоординированного состояния может успешно применяться образование эфирных связей.

6.6. Анализ свойств ряда потенциальных производных PODIPY

Для того чтобы оценить возможности потенциального практического применения PODIPY мы рассмотрели несколько 8-замещённых производных и сравнили их с аналогичными по строению лиганда BODIPY (BODIPY и PODIPY-6.9-6.11, рисунок 6.29).

PODIPY-6.9 BODIPY-6.9 PODIPY-6.10 BODIPY-6.10

и

-Й-I

PODIPY-6.11 BODIPY-6.11

В целом наблюдается схожесть структур, и замена BF2 на РО2 не оказывает значительного влияния на равновесные геометрии и положение 8-заместителей.

Известно, что на спектральные свойства и потенциальную возможность применения 8-замещённых комплексов дипирринов в качестве молекулярных роторов большое влияние оказывают колебания и вращение фенильного фрагмента относительно равновесного двугранного угла. Для приближённого описания вращения фенильного заместителя мы провели сканирование потенциальной энергии по двугранному углу ф1 с шагом в десять градусов. Результаты расчётов представлены на рисунке 6.29.

Рисунок 6.29. Срез ППЭ исследуемых соединений при вращении объемного ароматического заместителя относительно дипирринового остова. Непрерывная линия - БОЫРУ, Курсивная линия - РОБ1РУ.

Все молекулы имеют 2 симметричных минимума на одинаковом угле от 90 градусов в обе стороны. Непланарность и неперпендикулярность заместителя относительно дипиррина вызвана противодействием двух сил - взаимным отталкиванием водородов фенильного кольца и 1,7 позиций дипиррина и сопряжением между их ароматическими системами. Оксофосфорильные комплексы имеют большие барьеры вращения, что вызвано более сильным перекрыванием Ван-дер-Ваальсовых радиусов отталкивающихся водородов в связи с искажением геометрии дипиррина. С другой стороны, барьеры перехода из одного минимума в другой для БОБ1РУ и РОБ1РУ с аналогичными лигандами не отличаются.

Замена бора на фосфор не приводит к выраженным изменениям в ППЭ вращения 8-заместителей. Однако, приводит к значительному изменению спектральных свойств. На рисунке 6.30 представлены вертикальные спектры поглощения всех исследованных 8-замещённых соединений. Для каждого из них были рассчитаны первые 5 синглетных электронных переходов.

Рисунок 6.30. Электронные вертикальные спектры поглощения соединений.

Как и в случае с комплексами незамещённого дипиррина, производные PODIPY показывают батахромный сдвиг спектра поглощения. Причём в длиноволновую область сдвинут не только первый, но также и второй, и третий электронный переходы. Сильнее всего выделяются 8-(4-N(CHз))-фенил замещённые производные PODIPY-6.11 и BODIPY-6.11. Второй максимум поглощения в данных соединениях лежит вблизи 500 нм - там, где лежит первый максимум поглощения незамещённых производных. Для PODIPY-6.11 наблюдается наибольший батахромный сдвиг. Это может означать, что введение электродонорных заместителей благоприятно сказывается на спектральных характеристиках производных PODIPY. Следует, однако, отметить, что вертикальный спектр поглощения соединения PODIPY-6.11 поддавался расчёту сложнее других. И хотя текущая сходимость приемлема с технической точки зрения, требуется дальнейшее

исследование различных производных РОБ1РУ, в частности с электронодонорными заместителями.

Таким образом, на основании проведенного квантово-химического исследования электронной структуры и строения борфторидных и оксофосфорильных комплексов дипирринов показано, что электронная структура данных групп соединений схожа, при этом геометрическое строение имеет различия, обусловленные спецификой центрального атома-комплексообразователя. Рассчитанные спектральные свойства обоих групп соединений близки между собой и соответствуют экспериментальным данным, имеющимся в литературе для данных групп соединений. Установлено, что максимумы поглощения и испускания РОБ1РУ смещены в область больших длин волн, а также уширены в сравнении с аналогичными БОБ1РУ. Различие спектральных характеристик обусловлено различием во вкладе орбиталей атомов координационного центра в граничные МО. Повышенная растворимость РОБ1РУ в полярных растворителях объясняется увеличенным вкладом Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий растворитель -растворённое вещество за счёт увеличенного дипольного момента РОБ1РУ, а также образованием более прочных водородных связей. Показана возможность протекания реакции раскрытия цикла РОБ1РУ с образованием пятикоординированного комплекса с внутримолекулярной водородной связью. Меньшая наблюдаемая стабильность соединений РОБ1РУ в растворе по сравнению с аналогичными БОБ1РУ может быть объяснена дестабилизирующим искажением геометрии и возможностью протекания побочных реакций.

6.7. Пленки Лэнгмюра-Шефера на основе РОБ1РУ

Исследуемый РОБ1РУ-6.12 отличается амфифильной природой за счет наличия в его структуре высокополярной оксофосфорильной группы и неполярного объемного ароматического пиренильного заместителя (рисунок 6.31). Подобная структура предполагает возможность образования упорядоченных структур на подложке при послойном переносе методом Ленгмюра-Шеффера. Также полуэмпирическим методом РМ3 было оценено значение дипольного момента, исследуемого РОБ1РУ, которое оказалось равно 5.57 Б. Дипольный момент БОБ1РУ аналогичной структуры составляет 4.97 Б. Это позволило предположить возможность формирования более упорядоченных слоев на подложке [460].

В качестве растворителя для PODIPY был использован хлороформ, субфаза для формирования пленок - вода. Высокая скорость испарения хлороформа и большая скорость поджатия плавающих слоев по сравнению с наиболее часто применяемыми скоростями в методике получения ленгмюровских слоев [461], обеспечивает возможность переноса соединения на подложку при минимизации его растворения в субфазе. Подтверждением существования сформированного плавающего слоя при переносе служило ненулевое поверхностное давление в момент переноса пленки на твердую подложку.

Полученные пленки были исследованы методами электронной спектроскопии. Низкие коэффициенты молярного поглощения PODIPY не позволили зафиксировать электронные спектры поглощения пленок, поэтому далее приводятся и обсуждаются спектры возбуждения пленок PODIPY, которые по своим характеристикам идентичны спектрам поглощения (Рисунок 6.32А). Также были зафиксированы спектры флуоресценции (Рисунок 6.32Б).

Показано, что увеличение числа переносов приводит к уменьшению интенсивности флуоресценции соединений, незначительному гипсохромному смещению основного максимума испускания с 531 нм до 528 нм, а также исчезновению полосы сателлита при 545 нм. Максимум в спектрах возбуждения не смещается с ростом числа переносов. Эти результаты свидетельствуют о различном характере поведения в пленках анализируемого PODIPY и BODIPY со сходной структурой лиганда, для которого увеличение числа переносов сопровождается батохромным смещением в спектрах за счет проявления эффекта реадсорбции света и образования G-агрегатов при взаимодействии электронных систем соседних лигандов [310, 420].

С учетом больших значений дипольного момента для молекулы PODIPY можно предположить смещение характера межслоевого взаимодействия с преимущественно индуцированных п-п стекингом пиренильных заместителей, на электростатическое взаимодействие молекул в целом. Максимумы в спектрах пленок батохромно смещены в

сравнении с растворами PODIPY. Показано, что с ростом числа переносов длинноволновый максимум в спектре флуоресценции уменьшается, либо исчезает при пяти и более переносов. Это может быть обусловлено ростом доли молекул PODIPY, «экранированных» от непосредственного воздействия окружающей среды. Полученные результаты позволяют предположить, что сенсорные свойства PODIPY будут выражены в меньшей степени в сравнении с жидкофазными системами. Однако, для подтверждения данного факта необходимо проведение дальнейших исследований.

а

б

Рисунок 6.32. Спектры а) возбуждения, длина волны флуоресценции 550 нм, ширина щелей источника излучения 2.5 нм, ширина щелей детектора 5 нм) и б) флуоресценции, длина волны возбуждения 470 нм, ширина щелей источника излучения 5 нм, ширина щелей детектора 5 нм) тонких пленок РОВ1РУ-6.12. 1 - один перенос; 2 - три переноса; 3 -пять переносов; 4 - десять переносов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенной работы внесен вклад в развитие физической и координационной химии борфторидных, оксофосфорильных комплексов дипирринов и материалов на их основе, как перспективных молекулярных сенсоров и оптических преобразователей. Использованные в данной работе подходы позволили обнаружить взаимосвязь спектральных характеристик координационных соединений дипирринов и различных факторов внутреннего строения и реализуемых межмолекулярных взаимодействий соединений. К наиболее значимым результатам работы можно отнести следующее:

1. С использованием литературных, а также усовершенствованных авторских методик был получен ряд из 22 борфторидных и оксофосфорильных комплексов дипирринов и а2а-дипирринов, отличающихся строением лиганда в части наличия и природы заместителя в мезо-положении дипиррина, а также в других положениях органического лиганда. Получены новые комплексы на основе ди- и три-доменных BODIPY, содержащие в своей структуре свободные или алкилированные пирролы. Полученные соединения идентифицированы набором физико-химических методов анализа.

2. Установлены ключевые структурные факторы, оказывающие влияние на фотофизические свойства исследуемой группы соединений.

• Введение объемных ароматических заместителей, переход от дипирринов к aza-аналогам приводят к батохромному смещению максимумов в электронных спектрах, росту величин Стоксовых сдвигов и падению относительных квантовых выходов флуоресценции за счет повышения геометрической лабильности соединений. Введение алкильных заместителей и переход от моно- к полидоменным БОБ1РУ приводят к противоположным изменениям ввиду повышения структурной жесткости молекул.

• Наличие в мезо-положении дипирринового лиганда объемной ароматической, протяженной алифатической группы, либо их комбинации приводит к проявлению соединениями свойств флуоресцентных молекулярных роторов. Для исследуемых соединений определены интервалы удельного изменения флуоресцентных характеристик и значения параметров уравнения Ферстера-Хоффмана для широкого диапазона значений динамической вязкости. Расчет параметров пространственной структуры веществ показал отсутствие возможности свободного вращения объемных заместителей, но частичное сопряжение ароматических систем дипирринового лиганда и заместителя за счет колебаний последнего.

• Исследуемые БОБ1РУ, имеющие в своем составе донорные атомы, способны к обратимому изменению интенсивности флуоресценции при варьировании рН растворов,

что обусловлено изменением распределения электронной плотности ВЗМО и НСМО при смене химической формы заместителей.

3. Проведен комплексный анализ влияния природы сольватного окружения на качественные и количественные характеристики флуоресцентных свойств широкого ряда BODIPY.

• Установлено, что для комплексов характерен отрицательный сольватохромный эффект, значительный вклад в который вносят специфические межмолекулярные взаимодействия растворитель-BODIPY.

• Впервые проведено исследование влияния полярности сольватного окружения на интенсивность проявления соединениями свойств флуоресцентных молекулярных роторов, выраженное в снижении флуоресцентного отклика с ростом полярности для всех исследуемых BODIPY, за исключением мезо-этинилфенил замещенного комплекса, для которого с ростом полярности наблюдается обратная зависимость.

• Предложен новый подход к полипараметрическому анализу сольватохромных свойств BODIPY, основанный на включении в набор анализируемых параметризованных величин значений динамической вязкости растворителя, что позволило повысить количественные показатели достоверности получаемых корреляций, а также обосновать величины вкладов отдельных параметров растворителей.

• Представлено новое феноменологическое обоснование корреляционных соотношений для описания сольватохромизма BODIPY на основе спектральных характеристик поглощения и излучения флуорофоров. Хемоинформационный анализ базы данных соединений выявил ряд фрагментов, ответственных за положительный и отрицательный сольватохромный эффект.

4. Впервые проведено системное исследование взаимодействия мезо-замещенных BODIPY с белковыми молекулами и нативными биосистемами методами электронной спектроскопии и компьютерного моделирования.

• Для BODIPY в растворах белка и нативных биосистемах происходит повышение растворимости с сохранением спектральных характеристик. Впервые показано наличие эффекта белковой защиты для систем BODIPY-BSA.

• Показана принципиальная возможность использования мезо-замещенных BODIPY и координационных мицеллярных кластеров на их основе в качестве флуоресцентных молекулярных сенсоров глобулярных белков на примере бычьего сывороточного альбумина. Полученные результаты интерпретированы с использованием теории Штерна-Фольмера и подтверждены методами молекулярного докинга, которые свидетельствуют о встраивании молекул люминофоров в гидрофобные карманы белка. Установлены закономерности влияния природы заместителей дипиррнового лиганда на механизмы реализации взаимодействия белок-люминофор.

• Особенности взаимодействия молекул БОБ1РУ с формульными единицами изученных биологических объектов позволяют провести анализ состава и динамических процессов при коагуляции плазмы крови.

5. Изучено влияние ассоциативных взаимодействий молекул BODIPY в основном и возбужденном состоянии на их спектральные характеристики.

• Образование агрегатов в основном состоянии определяется концентрацией БОБ1РУ, образование эксимеров обусловлено изменением полярности сольватного окружения и растворимости БОБ1РУ. Варьирование концентрации, растворимости БОБ1РУ и полярности среды позволяет направленно изменять количество, интенсивность и положение отдельных полос в спектрах испускания соединений. Процесс агрегации в водной среде для всех исследованных соединений начинается при 15-20 об. % ТГФ в растворе.

• Показаны закономерности влияния структуры БОБ1РУ на параметры ассоциативных взаимодействий в растворах. Повышение геометрической жесткости структуры соединений при переходе к полидоменным БОБ1РУ снижает ассоциацию соединений. Повышение подвижности системы, в частности проявление эффекта флуоресцентного молекулярного ротора, и за введение объемных ароматических заместителей приводит к интенсификации ассоциативных взаимодействий в возбужденном состоянии молекул.

6. Разработаны методы получения функциональных материалов на основе комплексов дипирринов за счет включения их в состав силикатных и органических и смешанных матриц, а также послойного нанесения соединений на подложки. Для полученных материалов определены физико-химические свойства, предложены методы их практического применения.

• Иммобилизация в матрицы органических, силикатных и смешанных матриц приводит к повышению термической и фотохимической устойчивости при сохранении спектральных и фотофизических характеристик BODIPY в сравнении с растворами и индивидуальными соединениями.

• Методами ИК-спектроскопии и РСА охарактеризованы взаимодействия между красителем и матрицей, определено, что взаимодействие BODIPY с матрицами происходит за счет п-п стэкинга, а также интеркаляции люминофора в межслоевое пространство матриц.

• Обоснована стратегия использования гибридных материалов, содержащих дипирриновые люминофоры, для решения практических задач контроля вязкости в золь-гель системах, определения кислотности и полярности жидкофазных систем. Предел обнаружения для сенсора на основе BODIPY и этилцеллюлозы на примере паров ацетона и этанола в газовой смеси составил 0.02 мг/мл и 0.08 мг/мл соответственно. Сенсорный

отклик регистрируется обратимо, что обусловливает возможность многократного применения соединений.

• Исследован процесс фотодеградации BODIPY в мономерной и ассоциированной форме в матрице ПММА. Впервые спектрально зафиксировано образование стабилизированного матрицей скрученного состояния флуоресцентных молекулярных роторов BODIPY.

• Впервые получены тонкие пленки Ленгмюра-Шеффера с организацией молекул в виде монослоев, расположенных параллельно плоскости субстрата. Исследуемые соединения показали способность к образованию монослоев без видимой агрегации.

• Полученные на основе BODIPY светоизлучающие диоды проявляют умеренную эффективность. Управление равновесием мономер/агрегат может быть использовано для прямой настройки спектров флуоресценции материалов и электролюминесценции OLED-устройств на основе BODIPY, что было показано в данной работе впервые.

7. Впервые получены спектральные характеристики ряда оксофосфорильных комплексов дипирринов в условиях варьирования молекулярного окружения в растворах и тонких пленках.

• Максимумы поглощения и испускания PODIPY смещены гипсохромно, а также уширены в сравнении с аналогичными BODIPY. Различие спектральных характеристик обусловлено различием во вкладе орбиталей атомов координационного центра в граничные МО.

• Показана чувствительность фотофизических характеристик мезо-замещенного PODIPY к вязкости среды, таким образом, получен первый образец флуоресцентного молекулярного ротора PODIPY.

• Повышенная растворимость PODIPY в полярных растворителях объясняется увеличенным вкладом Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий растворитель - растворённое вещество за счёт увеличенного дипольного момента PODIPY, а также образованием более прочных водородных связей. Показана возможность протекания реакции раскрытия цикла PODIPY с образованием пятикоординированного комплекса с внутримолекулярной водородной связью.

Полученные результаты расширили доступный диапазон существующих структур на основе дипирриновых люминофоров, пригодных для определения перечня практически-значимых параметров сольватного окружения - полярности, вязкости, концентрации отдельных ионов и биологических молекул, что может быть с успехом использовано при разработке сенсорных материалов. Полученные результаты определяют вектор дальнейших научных исследований и развития коллектива лаборатории координационной и супрамолекулярной химии линейных олигопирролов, а именно изучение более сложных супрамолекулярных и конъгированных систем на

основе дипирринов и их аналогов для решения задач молекулярной сенсорики и дизайна новых оптических преобразователей.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. МЕТОДЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА И

КОМПЬЮТЕРНЫХ РАСЧЕТОВ

Методы электронной спектроскопии

Электронные спектры поглощения (ЭСП) регистрировали в интервале 190-1100 нм на спектрофотометре «Aquilon SF-104» под управлением программного комплекса «UV-Win 5.1.0», Agilent 8453, Agilent Technologies, с временем интеграции 1 сек. Точность измерения приборов составляет ± 0.03 по шкале оптической плотности и ± 0.05 нм по шкале длин волн. Измерения проводили в кварцевой кювете с длиной светопоглощающего слоя 10 мм.

Спектры флуоресценции были получены на флуоресцентном спектрометре «Cary Eclipse Varian-Agilent» с программным обеспечением «Cary Eclipse Scan Application 1.1» и на спектрометре AvaSpec-ULS2048CL-EVO (Avantes, Апелдорн, Нидерланды), управляемом с ПК с помощью программного пакета AvaSoft-Basic. Ширины щелей возбуждения/детекции выбиралась исходя из интенсивности флуоресценции образца в текущем опыте: 2.5/2.5 нм, 2.5/5 нм, 5/5 нм, 10/10 нм. Измерения проводили в кварцевой кювете с длиной светопоглощающего слоя 10 мм. Исследование профилей флуоресценции соединения производилось с использованием спектрофлуориметра Horiba FluoroMax 4 с шагом 5 нм в длинах волн возбуждения и 1 нм в длинах волн испускания, с щелями монохроматоров источника и фотоумножителя по 2 нм и временем интеграции сигнала 0.1 с. при температуре 25 и 60 градусов цельсия. Результаты автоматически корректировались на канал сравнения спектрометра с помощью программного пакета HORIBA FluorEssence.

Изменение вязкости проводили путем варьирования температуры чистых растворителей (293.15 - 333.15 К). Поддержание заданной температуры осуществляли с помощью термостата проточного типа Peltier PTC-2 с точностью 0.1 и шагом 10 градусов. Порядок исследований был рандомизирован для снижения систематической погрешности оборудования

Для исследования времяразрешенных флуоресцентных свойств соединения использовалась модульная система для времякореллированного подсчета единичных фотонов HORIBA DeltaFlextm с высокочастотными светодиодными лазерами NanoLed (длины волн 404 и 467 нм, длина импульса 200 пикосекунд) и пикосекундным фотодетектором HORIBA PPD-900. Измерение производилось с щелью монохроматора детектора выбранной в соответствии с интенсивностью сигнала детектора в интервале 6 - 32нм с использованием фильтров верхних частот. Функция отклика детектора фиксировалась перед каждым новым рядом измерений рассеянием на растворе Ludox с монохроматором приёмника настроенным на длину волны излучения лазера с 1%

нейтральным светофильтром. Измерения проводились в термостатируемой ячейке с жидким теплоносителем и дополнительным контролем погружной термопарой. Система управлялась с ПК через пакет программного обеспечения HORIBA DataStation v2.7. Вычитание функции отклика детектора и деконволюция кривых затухания флуоресценции в приближениях моделей трехэкспоненциального и двухэкспоненциального затухания проводилась с помощью программного пакета HORIBA DAS 6. Деструкция образцов в процессе исследований контролировалась по спектрам поглощения и спектрам флуоресценции.

Методы оптической и флуоресцентной микроскопии

Изображения были получены с использованием флуоресцентных микроскопов с режимами темного / светлого поля и установок фазового контраста Micromed LUM-3 с цифровой камерой ToupCam 5.0 MP CCD и Olympus BX-61, оснащенной цифровой камерой QImaging MicroPublisher 3.3. Для оценки видимого размера объектов, где это было возможно, использовалось программное обеспечение ImageJ 1.6. Боковое УФ-освещение осуществляли с использованием УФ-лампы при длине волны экспозиции 254/365 нм.

Методы идентификации соединений

Спектры ядерно-магнитного резонанса фиксировали на приборе AVANCE500 (Braker) для 1H при комнатной температуре, колебательные (ИК) спектры регистрировались на Фурье-ИК спектрометре Avatar 360 («Thermo Nicolet», США). Спектры снимались в интервале 400-4000 см-1 при комнатной температуре. Масс-спектры получены на приборе AXIMA Confidence (Shimadzu) MALDI-TOF.

Получение монокристаллов BODIPY

Кристаллы BODIPY были получены растворением около 100 мг красителя в 0.8 мл DCM. Раствор фильтровали через бумажный фильтр и помещали в узкую (1 см) короткую (7 см) пробирку. Затем добавляли 0.5 мл гексана и раствор оставляли медленно испаряться при комнатной температуре в темном месте в течение примерно 2 недель.

Методы компьютерного моделирования и квантово-химических расчетов

Квантово-химические расчеты выполнялись с использованием прикладного программного пакета HyperChem 8.0.3. Для предварительной оптимизации геометрии и расчета поверхности потенциальной энергии использовали полуэмпирический метод PM3. Характеристики молекулярных орбиталей рассчитывались с использованием метода DFT B3LYP 6-31G (d, p). Сечения поверхности потенциальной энергии,

полученные в условиях варьирования значений диэдрального угла, были выполнены полуэмпирическим методом АМ1.

Молекулярный докинг проводили в программе Autodock 4.2 с алгоритмом Lamarckian genetic для поиска конфигураций с минимальной свободной энергией. Структура белка была импортирована из Protein Data Bank под номером 4f5s, распределение зарядов в белке соответствовало значению рН=7. Белок рассматривался как жесткая структура, в то время как в лиганде было разрешено вращение торсионных углов вокруг одинарных связей.

Для слепого докинга использовалась сетка с размерами 97Â*97Â*97Â и шагом 0.770Â с центром в центре белка BSA. Для докинга гидрофобного кармана использовалась сетка с размерами 25.6Â*25.6Â*25.6Â и шагом 0.203Â с центром на остатке триптофана Trp213. Количество пробегов генетического алгоритма и количество уравнений составило 10 и 25 миллионов, соответственно.

Особенности расчетов и математические подходы

Относительный квантовый выход (ф) определяли по формуле:

{Bst\ (nl\

где ^st - квантовый выход образца сравнения родамина 6G в этаноле (^st = 0.95 [462]); Ax и Ast - интегралы площади под нормированными спектрами флуоресценции исследуемого вещества и раствора сравнения соответственно; Bx и Bst - поглощение (оптическая плотность) на длине волны возбуждения; Пх и nst -показатели преломления растворителей для исследуемых растворов.

Константа скорости излучательной дезактивации (kfi) была рассчитана по уравнению:

_ _д 9-п2 2

kfl = 2.9 • 10 ' 2)2 ' °тах ' £тах ' Ли1/2,

где n - показатель преломления растворителя; и, нм - длина волны максимума поглощения; Ли1/2, нм - длины волн полуширины на полувысоте пика поглощения; s -молярный коэффициент поглощения.

Константа скорости безызлучательной дезактивации (knr) и время жизни возбуждённого состояния (т) определяли из экспериментально измеренных значений квантового выхода ф и константы скорости излучательной дезактивации кц согласно следующим уравнениям:

_ kfl kfi + knr

kfi + knr

Для корреляции фотофизических свойств BODIPY с параметрами сольватного микроокружения использовали метод линейного регрессионного анализа. При решении уравнения относительно одного свойства системы при известных значениях набора параметров растворителя уравнение имеет вид:

Х = Х0 + а^А + Ь^В + с^С + ■■■, где Х - физико-химический параметр соединения в данном растворителе (Xabs, f АХ, ф, f knr или т); Х0 - значение данного физико-химического свойства в газовой фазе или инертном растворителе; А, В, С - независимые параметры растворителя, описывающие различные механизмы взаимодействия растворителя с растворенным веществом; а, b, с -коэффициенты, характеризующие вклад от параметров А, В, С растворителя в исследуемое свойство. Для регрессионного анализа использовали набор параметров Камлета-Тафта: полярность/поляризуемость (я), протонодонорные (а) и электронодонорные свойства растворителей (ß); а также набор параметров Каталана: полярность/поляризуемость (SPP), кислотность (SA) и основность растворителей (SB) [159]. Значения каждого параметра изменяются от 0 до 1.

Влияние динамических и статических факторов на изменение флуоресценции было проанализировано с использованием теории Штерна-Фольмера. Константу скорости тушения флуоресценции (kq) в присутствии тушителя получали из уравнения Штерна-

Фольмера для динамического тушения:

р

-0=1 + KSV[Q] = 1 + kqTo[Q],

где F0 и F - интенсивность флуоресценции в отсутствии и присутствии тушителя, соответственно; Ksv, M-1 - динамическая константа тушения флуоресценции Штерна-Фольмера; [Q], M - концентрация тушителя; kq, M-^-1 - бимолекулярная константа тушения; ю, с - время жизни возбужденного состояния флуорофора [463].

Для определения параметров образования молекулярных комплексов флуорофора и тушителя в теории статического тушения использовали уравнение Скэтчарда:

F0-F 1 log—-—= -nlog-р -р-+ nlogKb,

где п - число сайтов связывания; Кь, M 1 - константа связывания (статическая константа тушения флуоресценции Штерна-Фольмера); [F], M - концентрация флуорофора.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. СИНТЕЗ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ

Ri, R7: R3, R5:

- Я t>

W N-/

/ r' \ R5 F' "F R3 Я чэ

,ЛоН2,

Комплекс 1 был куплен на сайте sigmaaldrich.com, вещество 13 (BODIPY(R) 492/515 DISULFONATE) было куплено у фирмы ThermoFisher. Оба вещества использовались без дополнительной очистки и идентификации.

Синтез BODIPY 2-12.

V \ I8 / \ I8 / 1)7 экв. NEt3,30 мин

ч 5 мол% TFA \_. 1 зкв. DDQ \ /^""т^^Ч 2) 9 экв. BF3OEt2,30 мин

+ Н ° 50млСН2С!2 HN-^X 50млСН2С|2 ^yN 50МЛСН2С12

/ 12 ч / \ 20 мин / \

2 экв. 1 экв.

4 ммоль 2 ммоль

Криптопиррол (2,4-диметил-3-этилпиррол) (2 экв., 4 ммоль) и требуемый альдегид растворили в 50 мл безводного дихлорметана. Добавили 10 мкл трифторуксусной кислоты (TFA) и перемешивали 12 часов при комнатной температуре. Затем в смесь добавили 2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-бензохинон (1 экв., 2 ммоль) и перемешивали в течение 20 минут. Затем добавили триэтиламин (TEA) (7 экв., 14 ммоль) и перемешивали смесь 30 минут. После этого внесли в реакцию эфират трифторида бора (BF3OEt2) (9 экв., 18 ммоль) и продолжили перемешивать ещё 30 минут. На этом этапе смесь начинала проявлять флуоресценцию. По истечению времени реакционную смесь несколько раз промывали водой, выпаривали растворитель и очищали продукт колоночной хроматографией (SiO2, ДХМ/Гексан, 1:1).

2: 4,4-difluoro-8-phenyl-1,3,5,7-tetramethyl-2,6-diethyl-4-boron-3a,4a-diaza-s-

indacene: NMR (500 MHz, CCU): S 1.1(T,6H), 2.25(S,6H), 2.45(D,4H), 2.73(S,6H), 7.16(S,5H). MALDI-TOF: calculated ([C23H27BF2N2D m/z = 377.26, found m/z = 377.99.

Anal. Calculated for: C23H27BF2N2: C, 83.34; H, 8.21; N, 8.45. Found: C, 83.23; H, 8.27; N, 8.53.

3: 1H NMR (500 MHz, CCI4): 5 1.16(T,6H), 1.76 (Q, 6H), 2.23 (Q, 4H), 2.75 (S,6H), 7.19 (S, 3H), 7.46 (Q, 2H), 7.97 (Q, 2H). MALDI-TOF: calculated ([C27H29BF2N2] ) m/z = 430.35, found m/z = 429.92. Anal. Calculated for: C27H29BF2N2: C, 75.36; H, 6.79; N, 6.51. Found: C, 75.13; H, 6.32; N, 6.50.

4: *H NMR (500 MHz, CCU): 5 1.16(T,6H), 1.80 (Q, 6H), 2.25 (Q, 4H), 2.73 (S,6H), 7.15 (S, 3H), 7.46 (Q, 4H), 7.93 (Q, 2H). MALDI-TOF: calculated ([C31H31BF2N2D m/z = 480.41, found m/z = 479.95. Anal. Calculated for: C31H31BF2N2: C, 77.51; H, 6.50; N, 5.83. Found: C, 77.50; H, 6.28; N, 5.79.

5: *H NMR (500 MHz, CCU): 5 1.17 (T, 6H), 2.07 (Q, 6H), 2.23 (S, 4H), 2.76 (S, 6H), 6.53 (S, 2H), 7.30 (D, 3H), 7.41 (S, 2H), 7.90 (S, 2H) MALDI-TOF: calculated ([C33H31BF2N2D m/z = 504.43, found m/z = 504.01. Anal. Calculated for: C33H31BF2N2: C, 78.58; H, 6.19; N, 7.53. Found: C, 78.32; H, 6.15; N, 7.51.

6: 4,4-difluoro-8-(3,5-dimethylphenyl)-1,3,5,7-tetramethyl-2,6-diethyl-4-boron-3a,4a-diaza-s-indacene: *H NMR(500 MHz, CCU): 5 1.1(T,6H), 2.25(S,6H), 2.45(D,4H), 2.73(S,6H), 6.93(S,2H), 7.03(S,1H). MALDI-TOF: calculated ([C25H31BF2N2D m/z = 405.31, found m/z = 405.86. Anal. Calculated for: C25H31BF2N2: C, 83.52; H, 8.69; N, 7.79. Found: C, 83.52; H, 8.70; N, 7.79.

7: *H NMR (500 MHz, CCU): 5 1.34(Q,6H), 2.42(D,4H), 3.18(S,6H), 3.20(S,6H), 6.93(D,2H), 7.18(D,2H), 11.44(S,1H). MALDI-TOF: calculated ([C24H27BF2N2O2D m/z = 464.30, found m/z = 467.10. Anal. Calculated for C25H32BF2N3: C, 67.94; H, 6.41; N, 6.60. Found: C, 67.53; H, 6.35; N, 6.31. IR-spectra (KBr v, cm-1): 622.71, 978.55, 1074.92, 1186.42, 1222.36, 1273.88, 1384.26, 1601.18, 2853.83, 2922.78, 2961.48, 3415.54.

8: *H NMR (300 MHz, CDCl3) 5 0.98 (t, 6H, 3J ) 7.5 Hz), 1.31 (s, 6H), 2.31 (q, 4H, 3J ) 7.6 Hz), 2.54 (s, 6H), 3.19 (s, 1H), 7.45 (AB sys, 4H) 8.3 Hz. 13C- {1H} NMR (75.4 MHz, CDCh) 5 11.9 (CH3), 12.5 (CH3), 14.6 (CH3), 17.1 (CH2), 78.4, 83.0, 122.7 (Cq), 128.5 (CH), 130.5 (Cq), 132.8 (CH), 133.0, 136.5, 138.2, 139.0, 154.1. nB NMR (128.4 MHz, CDCh) 3.84 (t, 32.9 Hz). IR (KBr) 3436, 2917, 1544, 1114 cm-1. MS (FAB+, mNBA) m/z (%) 404.2 (100) [M]+, 385.2 (15) [M - F]+. Anal. Calcd for C25H27BF2N2: C, 74.27; H, 6.73; N, 6.93. Found: C, 74.13; H, 6.63; N, 6.59.

9: *H NMR (500 MHz, CCh): 5 1.54(Q,6H), 2.52(D,4H), 3.08(S,6H), 3.10(S,6H), 6.83(D,2H), 7.08(D,2H), 11.34(S,1H). MALDI-TOF: calculated ([C24H27BF2N2O2]+) m/z = 424.30, found m/z = 427.10. Anal. Calculated for C25H32BF2N3: C, 67.94; H, 6.41; N, 6.60. Found: C, 67.53; H, 6.35; N, 6.31. IR-spectra (KBr v, cm-1): 622.71, 978.55, 1074.92, 1186.42, 1222.36, 1273.88, 1384.26, 1601.18, 2853.83, 2922.78, 2961.48, 3415.54.

10: 4,4-difluoro-8-(4-dimethylaminephenyl)-1,3,5,7-tetramethyl-2,6-diethyl-4-boron-3a,4a-diaza-s-indacene: *H NMR(500 MHz, CCU): 5 1.5(Q,6H), 2.53 (D,4H), 3.07(S,6H), 3.12(S,6H), 3,38(S,6H), 6.85(D, 2H), 7.08(D,2H). MALDI-TOF: calculated ([C25H32BF2N3D m/z = 420.33, found m/z = 420.96. Anal. Calculated for: C25H32BF2N3: C, 80.17; H, 8.61; N, 11.22. Found: C, 80.14; H, 8.63; N, 11.30.

11: MALDI-TOF: calculated ([C31H44BF2N3D m/z = 507.36,

([C31H44BFN3D m/z = 488.36, found m/z = 488.28, 507.3. Elemental analysis for C31H44BF2N3: calculated%, C 73.36; H 8.74; N 8.28; found%: C 78.34, H 6.14, N 7.52.

12: *H NMR (500 MHz, CCU): 5 1.15 (T, 6H), 1.78 (Q, 6H), 2.27 (Q, 4H), 2.75 (S, 6H), 6.56 (S, 2H), 7.34 (D, 4H), 7,46 (S, 2H), 8.01 (S, 1H). MALDI-TOF: calculated ([C29H31BF2N2D m/z = 456.39, found m/z = 458.13. Anal. Calculated for: C29H31BF2N2: C, 76.32; H, 6.85; N, 6.14. Found: C, 76.28; H, 6.75; N, 6.19.

Синтез BODIPY14, 15

Смесь диметилформамида (6 мл) и POClз (6 мл) перемешивали под аргоном в течение 5 минут в ледяной бане. После нагрева раствора до комнатной температуры продолжили перемешивание ещё на 30 минут. Исходный комплекс BODIPY (0.5 ммоль), растворенный в 60 мл дихлорэтана, был добавлен в реакционную смесь и нагрет до 50 После перемешивания в течение 2 часов смесь охладили до комнатной температуры и вылили в ледяной насыщенный раствор NaHCOз (150 мл). Затем реакционную смесь перемешивали в течение 30 минут при комнатной температуре. Реакционную смесь промыли водой (2x100 мл). Продукт экстрагировали дихлорметаном и удалили растворитель, получив вещество 14.

BODIPY 14 смешали с избытком (З-аминопропил)триметоксисилана (APTMS) и оставили смесь при перемешивании на 24 часа. Продукт промыли водой, получив вещество 15.

14: *H NMR (400 MHz, CDCb, 300K) : 5H 10.02 (1H, s; CHO), 6.58 (1H, t; J=2.61 Hz, ArH), 6.41 (2H, d; J=2.20 Hz, ArH), 6.15 (1H, s; ArH), 3.92 (4H, t; J=6.60 Hz, OCH2), 2.81 (3H, s; CH3), 2.60 (3H, s; CH3), 1.85 (3H, s; CH3), 1.75 (4H, m; CH2), 1.42 (4H, m; CH2), 1.40-1.15 (24H, m; CH2), 0.85 (6H, t; J=6.68 Hz, CH3). MS (TOF- ESI): m/z: : Calcd: 664.4587 [M-H]+, Found: 664.4503 [M-H]+ , Д=12.7 ppm.

14

15

15: 1H NMR (400 MHz, CDCb, 300K) : 5H 10.11 (1H, s; CHO), 6.48 (1H, t; J=2.61 Hz, ArH), 6.40 (2H, d; J=2.15 Hz, ArH), 6.22 (1H, s; ArH), 3.89 (4H, t; J=6.59 Hz, OCH2), 2.80 (3H, s; CH3), 2.62 (3H, s; CH3), 1.86 (3H, s; CH3), 1.77 (4H, m; CH2), 1.40 (4H, m; CH2), 1.39-1.17 (24H, m; CH2), 0.83 (6H, t; J=6.55 Hz, CH3). MS (TOF- ESI): m/z: : Calcd: 556.29 [M-H]+, Found: 556.2504 [M-H]+.

Синтез aza-BODlPY 16-17

о

1 экв.

О

.A

Ar2 1 экв.

a

1 экв. NaOH

перетирание Ar1 15 мин

О

Аг->

4 экв. К2СОЗ Ь 0.1 экв. ТВАВ 2 экв. Ме1Ч02

перетирание 15 мин

OzN AT,

20 экв. AcONH4

7 экв. NEt3 9 экв. BF3*Et20

ДХМ, 3 ч, кипение F Аг2 Аг2

Аг,

220°С 10 мин

Стадия а: Смесь соответствующего кетона (1 экв., 5 ммоль) и ароматического альдегида (1 экв., 5 ммоль) перетирали в ступке пестиком, добавляя порошкообразный NaOH (1 экв., 5 ммоль) небольшими порциями, в течение 10 минут. За это время образующаяся паста кристаллизуется. Полученный продукт промыли водой и перекристаллизовали из этанола.

Стадия Ь: Смесь K2COз (20 ммоль, 4 экв.), тетрабутиламмония бромида (0.5 ммоль, 0.1 экв.) и нитрометана (10 ммоль, 2 экв.) перетирали в ступке в течение 2 минут. Затем в полученную пасту добавили соответствующий халкон со стадии а (5 ммоль, 1 экв.) и реакционную смесь растирали в течение 5 минут. Полученный продукт промыли водой.

Стадия с: Продукт со стадии Ь (5 ммоль, 1 экв.) и МНдОАс (100 ммоль, 20 экв.) нагревали до кипения (220 °С) в течение 10 минут до приобретения расплавом насыщенной тёмной окраски. Полученный продукт промыли водой.

Стадия ^ Продукт со стадии с (5 ммоль, 1 экв.) и Et3N (4.9 мл, 7 экв.) растворяли в 50 мл дихлорметана и перемешивали в течение 30 мин при комнатной температуре. Затем в реакционную смесь по каплям добавляли эфират трифторида бора (5.7 мл, 9 экв.) и полученный раствор перемешивали при темпрературе кипения раствора в течение 3ч. После этого растворитель отгоняли при пониженном давлении. Полученный продукт был очищен колоночной хроматографией ^^3, ДХМ/Гексан 1/5).

16: 4,4-дифторо-1,3,5,7-тетра(тиофен-2-ил)-4-боро-8-аза-индацен: ИК, V, см-1: 3160, 2920, 2830, 1510, 1471, 1436, 1410, 1276, 1129, 1090, 954, 853, 802, 701. ЯМР ^

(CDCb), 5, м.д. (J, Гц): 8.38 (д, J = 4.0, 2H), 7.96 (д, J = 4.0, 2H), 7.66 (д, J = 4.0, 2H), 7.59 (д, J = 4.0, 2H), 7.28-7.30 (м, 2H), 7.22-7.24 (м, 2Н) 7.07 (с, 2H). ЯМР 11B (CDCb), 5, м.д. (J, Гц): 1.04 (т, J = 32.0, 1B). MALDI-TOF: вычислено для ([C24H14BF2N3S4D m/z = 521.01, найдено m/z = 522.0528 [M+H]+.

17: 4,4-дифторо-1,7-ди(п-толил)-3,5-дифенил-4-боро-8-аза-индацен: ИК, v, cm-1: 2924, 2855, 1728, 1597, 1512, 1451, 1389, 1282, 1227, 1126, 1096, 1026, 972, 810, 764, 733, 687, 571. MALDI-TOF: вычислено для ([C34H26BF2N3D m/z = 525.22, найдено m/z = 526.6931 [M+H]+.

Синтез PODIPY18-21

Стадия a: Требуемый пиррол (6 экв.) смешали с требуемым альдегидом (1 экв.) в безводном дихлорметане (с добавлением 1 миллилитра разбавленного раствора трифторуксусной кислоты). Реакция проводилась в атмосфере азота в течение 24 часов. По окончанию реакции продукт очищали колоночной хроматографией (SiO2, Гексан/Этилацетат 1:0—>1) и дальнейшей перекристаллизацией из смеси дихлорметан/гексан.

Стадия b: Соответствующий дипирролилметан (1 экв.) окислялся п-хлоранилом (2 экв.) в безводном дихлорметане в атмосфере азота в течение 1 часа. Продукт очищался колоночной хроматографией (AbO3, Гексан/Этилацетат 1:0—1).

Стадия с: Соответствующий дипирролилметен (1 экв.) обрабатывался избытком триэтиламина и оксохлорида фосфора в течение 1 часа. Затем реакция была остановлена добавлением измельченного льда. Продукт был экстрагирован дихлорметаном, промыт водой, высушен и очищен колоночной хроматографией (SiO2, ДХМ/Метанол 1:0—0.05).

1S: 4,4-difluoro-8-phenyl-1,3,5,7-tetramethyl-2,6-diethyl-4-boron-3a,4a-diaza-s-

indacene: 1H NMR (500 MHz, CCb): S 1.1(T,6H), 2.25(S,6H), 2.45(D,4H), 2.73(S,6H), 7.16(S,5H) 31P NMR (202 MHz, CDCb): Ô -50.128. MALDI-TOF: calculated ([C23H27PO2N2D m/z = 377.26, found m/z = 377.99. Anal. Calculated for: C23H27PO2N2: C, 83.34; H, 8.21; N, 8.45. Found: C, 83.23; H, 8.27; N, 8.53.

19: 1H NMR (500 MHz, CCU): 5 1.17 (T, 6H), 2.07 (Q, 6H), 2.23 (S, 4H), 2.76 (S, 6H), 6.53 (S, 2H), 7.30 (D, 3H), 7.41 (S, 2H), 7.90 (S, 2H) 31P NMR (202 MHz, CDCb): S -51.261. MALDI-TOF: calculated ([C33H31PO2N2D m/z = 504.43, found m/z = 504.01. Anal. Calculated for: C33H31PO2N2: C, 78.58; H, 6.19; N, 7.53. Found: C, 78.32; H, 6.15; N, 7.51.

20: *H NMR (500 MHz, CDCb): S 8.37 (d, 2H, J = 8.0 Hz), 7.56 (d, 2H, J = 8.0 Hz), 6.24 (s, 2H), 2.56 (s, 6H), 1.39 (s, 6H). 13C NMR (125 MHz, DMSO-d6): S 156.5, 153.2, 142.6, 133.9, 131.5, 129.5, 123.8, 120.8, 99.3, 13.8, 13.7. 31P NMR (202 MHz, CDCb): S -50.011. FTMS-MALDI (m/z): calcd. for C19H19N3O4P: 384.1113 [M+H]+, found: 384.1085; calcd. for C19H19PN3O2: 322.1511 [M-PO2+H]+; found: 322.1525.

21: 1H NMR (CDCb, 500 MHz 5, ppm) 0,88 (t), 1.25 (m), 1.48 (m), 1.82 (m), 4.01 (t), 6.43 (d), 6.72 (s), 6.96 (d), 7.39 (d), 7.70 (s). WH COSY NMR (CDCb, 500 MHz 5 - 5, ppm) 0.88 - 1.25, 1.25 - 1.48, 1.48 - 1.82, 1.82 - 4.01, 6.96 - 7.39, 6.72 - 6.43, 6.43 - 7.70. *H-13C HSQC NMR (CDCb, 500 MHz 5*H - 513C, ppm) 0.88 - 14.11, 1.25 - 29.54, 1.48 - 26.28, 1.82 - 29.20, 4.01 - 68.34, 6.72 - 114.3, 6.96 - 114.3, 6.43 - 121.7, 7.39 - 131.65, 7.70 - 129.88. 31P NMR (CDCb, 202 MHz 5, ppm) -19.31 (s). MALDI-TOF MS (DHB Matrix, M = molecule (3), m/z calculated/found) [HM - PO2]+ 377.54/377.46, [HM - PO2 + H2O + CHCb]+ 514.94/514.60, [HM - PO2 + H2O + NaDHB]+ 536.23/536.54, [HM + CHCb]+ 558.9/558.55, [M + 2H2O]+ 474.50/474.60, [HM + H2O + NaDHB]+ 633.6/633.67.

Синтез полидоменных BODIPY 22, 23

Криптопиррол (2,4-диметил-3-этилпиррол) и требуемый альдегид растворили в дихлорметан. Добавили каталитические количества трифторуксусной кислоты (TFA) и перемешивали 12 часов при комнатной температуре. Затем в смесь добавили 2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-бензохинон (DDQ) и перемешивали в течение 15 минут. Затем добавили триэтиламин и эфират трифторида бора (BFзOEt2). На этом этапе смесь начинала проявлять флуоресценцию. По истечению времени реакционную смесь несколько раз

промывали водой, выпаривали растворитель и очищали продукт колоночной хроматографией (SiO2, ДХМ/Гексан, 1:2).

22: 1H-NMR (600 MHz, CC14): 5 1.15 (12H, t), 1.25 (12H, s), 1.80 (12H, d), 5.68 (4H, t), 5.85-5.90 (2H, dd), 6.47 (4H, s), 6.85 (1H, s), 7.27 (2H, s). MALDI-TOF: calculated ([C52H57B2F4N5]+) m/z= 849.67, found: m/z[M-3F+ C2H3N] = 837.23.

23. 1H-NMR (500 MHz, CDC13): 5 1.05 (18H, t), 1.24 (9H, s), 1.54 (9H, s), 2.15 (12H, s), 2.33-2.40 (9H, dd), 2.58 (9H, s), 6.95 (6H, s), 7.75 (6H, s). MALDI-TOF: calculated ([C69H78B3F6N7]+) m/z= 1151.85, found: m/z[M-F-S] = 285.19.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ДАННЫЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОЛЬВАТОХРОМНЫХ СВОЙСТВ

БОБТРУ

Таблица П1. Структурные формулы анализируемых Б0Б1РУ

ЬЦС ? ? СН3 Н3С

1

? Р сн3 2

Н3С ? Р сн3

3