Гетероциклические производные порфиринов для органического фотокатализа

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

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

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-23-00542

НазваниеГетероциклические производные порфиринов для органического фотокатализа

Руководитель Бирин Кирилл Петрович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина Российской академии наук , г Москва

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-403 - Гомогенный катализ и гетерогенный катализ

Ключевые слова фотокатализ, фотоокисление, функционализированные порфирины, гетероцикл-аннелированные порфирины, гетероцикл-замещенные порфирины, гомогенный катализ

Код ГРНТИ31.21.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы разработки высокоэффективных фотосенсибилизаторов для реализации фотокаталитических органических трансформаций, в частности окисления органических субстратов. Использование высокоактивных форм кислорода (синглетного кислорода, пероксидных и гидроксильных радикалов) в условиях фотокатализа даёт возможность селективно проводить реакции окисления в мягких условиях, а также исключает образование продуктов деградации химических окислителей. Это особенно важно с учетом требований к чистоте соединений при синтезе медицинских препаратов, который может включать окислительные трансформации гетероатомов [Cryst. Growth Des., 2014, 14, 1158] или гидроксиароматических соединений [Synth. Commun., 1984, 14, 1167; Green Chem., 2005, 7, 35]. Так, окисление сульфид-содержащих субстратов до сульфоксидов в присутствии активных форм кислорода может использоваться в синтезе таких лекарственных препаратов как омепразол, лансопразол и подобных, использующихся для лечения язвы желудка, нейролептика модафинила или антагонистов тахининовых рецепторов [Chem. Rev., 2006, 106, 2943]. Кроме того, важной задачей является утилизация лекарственных средств, обнаруживаемых в воде природных водоемов и представляющих высокую экологическую опасность [Sci. Total Environ., 2018, 639, 1334]. Использование активных форм кислорода позволяет осуществлять деградацию ряда фармацевтических препаратов, среди которых фамотидин [Appl. Catal. B Environ., 2012, 119–120, 156], аналог которого является одним из самых обнаруживаемых препаратов в природной воде [Pharmaceuticals in the Environment, Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 3rd edn., 2008], или ряд антибиотиков, например, производные цефалоспоринов [Sci. Technol., 2012, 46, 12417; Sci. Total Environ., 2018, 639, 1334]. Эти задачи могут быть решены при использовании фотокатализаторов окисления. Таким образом, создание эффективных окислительных каталитических систем представляет собой важную задачу фармацевтического синтеза и органической химии в целом. Потенциальная возможность использования таких соединений для разработки систем обезвреживания воды отвечает принципам зеленой химии, а именно экологическому производству и потреблению лекарственных средств. Научная новизна исследования заключается в систематическом исследовании фотокаталитических свойств гетероциклических производных порфиринов на примере реакции окисления органических сульфидов. К настоящему моменту описаны единичные примеры, посвященные фотокаталитическому восстановлению CO2. [Dalt. Trans., 2015, 44, 6480; Inorg. Chem., 2015, 54, 10351]. Использование таких соединений в фотокаталитическом окислении к настоящему моменту не описано, и, очевидно, систематические исследования в этом направлении не проводилось. Таким образом, представленный проект будет первым комплексным исследованием фотокаталитических свойств гетероциклических производных порфиринов, а его результаты внесут значительный вклад в развитие области дизайна и использования производных порфиринов в органическом фотокатализе. Подходы к синтезу гетероциклических производных порфиринов являются научным приоритетом нашего коллектива [Coord. Chem. Rev., 2020, 407, 213108; RSC Adv., 2020, 10, 42388; Dye. Pigment., 2018, 156, 243; New J. Chem., 2016, 40, 5758; RSC Adv., 2015, 5, 67242], однако органический фотокатализ является для коллектива новой тематикой, в направлении которой пока предпринят только ряд предварительных экспериментов. Так, аэробное фотоокисление тиоанизола в качестве модельного субстрата привело к соответствующему сульфоксиду с селективностью ~98%. При этом загрузка катализатора может быть снижена до 10-2 моль% что на 2 порядка отличается от типичных загрузок порфириновых фотокатализаторов. Это подтверждает перспективность использования гетероциклических производных порфиринов в качестве фотосенсибилизаторов и систематического изучения их фотоактивности.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Коробков С.М., Бирин К.П., Ходан А.Н., Графов О.Ю., Горбунова Ю.Г., Цивадзе А.Ю. Nanostructured Aluminum Oxyhydroxide—A Prospective Support for Functional Porphyrin-Based Materials International Journal of Molecular Sciences, Int. J. Mol. Sci. 2023, 24(15), 12165 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms241512165

2. Коробков С.М., Бирин К.П., Цивадзе А.Ю. Stationary concentration of 1O2 over 1O2 quantum yield: Next level of photoactivity analysis Dyes and Pigments, Dyes and Pigments Volume 220, December 2023, 111749 (год публикации - 2023)
10.1016/j.dyepig.2023.111749

3. Бирин К.П., Поливановская Д.А., Абдулаева И.А., Шремзер Е.С., Коробков С.М., Горбунова Ю.Г., Цивадзе А.Ю. ПОДХОДЫ К ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИИ ПОРФИРИНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕАКЦИЙ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ КОНДЕНСАЦИЙ Тезисы Международной конференции по химии «Байкальские чтения-2023», 63 (год публикации - 2023)

4. Шремзер Е.С., Поливановская Д.А., Бирин К.П., Цивадзе А.Ю. НАСТРОЙКА ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПИРАЗИНОПОРФИРИНОВ Тезисы Международной конференции по химии «Байкальские чтения-2023», 158 (год публикации - 2023)

5. Поливановская Д.А., Абдулаева И.А., Бирин К.П., Цивадзе А.Ю. ФУНКЦИОНАЛИЗИРОВАННЫЕ ПИРАЗИНОПОРФИРИНЫ - ЭФФЕКТИВНЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ ФОТООКИСЛЕНИЯ Тезисы Международной конференции по химии «Байкальские чтения-2023», 134 (год публикации - 2023)

6. Коробков С.М., Бирин К.П., Цивадзе А.Ю. ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ ФОТОДЕГРАДАЦИИ ТЕТРААРИЛПОРФИРИНОВ Тезисы Международной конференции по химии «Байкальские чтения-2023», 106 (год публикации - 2023)

7. Шремзер Е.С., Поливановская Д.А., Бирин К.П. π-Expanded porphyrins - a promising platform for new photosensitizers Тезисы конференции 4th International symposium “Modern trends in organometallic chemistry and catalysis”, 134 (год публикации - 2023)

8. Бирин К.П., Поливановская Д.П., Абдулаева И.А., Шремзер Е.С., Коробков С.М., Горбунова Ю.Г., Цивадзе А.Ю. Гетероциклические производные порфиринов – платформа для дизайна полифункциональных соединений Тезисы Всероссийской научной конференции с международным участием «Современные проблемы органической химии», 59 (год публикации - 2023)

9. Шремзер Е.С., Поливановская Д.А., Бирин К.П. π-Расширенные порфирины – катализаторы фотоокисления сульфидов Тезисы Всероссийской научной конференции с международным участием «Современные проблемы органической химии», 148 (год публикации - 2023)

10. Коробков С.М., Бирин К.П., Цивадзе А.Ю. Определение стационарной концентрации синглетного кислорода как новый способ сопоставления фотоактивности порфиринов XXVII Всероссийская конференция молодых ученых-химиков (с международным участием) 16-18 апреля 2024 года, г. Нижний Новгород ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ, XXVII Всероссийская конференция молодых ученых-химиков (с международным участием) 16-18 апреля 2024 года, г. Нижний Новгород ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ (год публикации - 2024)

11. Шремзер Е.С., Поливановская Д.А., Бирин К.П., Цивадзе А.Ю. Стратегии для повышении фотокаталитической эффективности пиразинопорфиринов XXVII Всероссийская конференция молодых ученых-химиков (с международным участием) 16-18 апреля 2024 года, г. Нижний Новгород ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ (год публикации - 2024)

12. Поливановская Д.А., Абдулаева И.А., Бирин К.П., Цивадзе А.Ю. Пиразинопорфирины для эффективного фотокаталитического окисления сульфидов XXVII Всероссийская конференция молодых ученых-химиков (с международным участием) 16-18 апреля 2024 года, г. Нижний Новгород ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ, XXVII Всероссийская конференция молодых ученых-химиков (с международным участием) 16-18 апреля 2024 года, г. Нижний Новгород ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ (год публикации - 2024)

13. К.П. Бирин, Д.А. Поливановская., И.А. Абдулаева, Ю.Г. Горбунова, А.Ю. Цивадзе Phosphonate-substituted Pyrazinoporphyrin – a General Photocatalyst for Efficient Sulfoxidation ChemPlusChem, ChemPlusChem 2024, e202400469 (год публикации - 2024)
10.1002/cplu.202400469

14. Бирин К.П. Гетероциклические производные порфиринов для эффективного фотокатализа XXVII Всероссийская конференция молодых ученых-химиков (с международным участием) 16-18 апреля 2024 года, г. Нижний Новгород ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ, XXVII Всероссийская конференция молодых ученых-химиков (с международным участием) 16-18 апреля 2024 года, г. Нижний Новгород ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ (год публикации - 2024)

15. Шремзер Е.С., Поливановская Д.А., Бирин К.П., Цивадзе А.Ю. ENHANCING THE PHOTOCATALYTIC EFFICIENCY OF PYRAZINOPORPHYRINS: INNOVATIVE STRATEGIES AND PERSPECTIVES XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”, XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024” (год публикации - 2024)

16. Поливановская Д.А., Бирин К.П., Сенчихин И.Н., Демина Л.И., Цивадзе А.Ю. PYRAZINOPORPHYRINS – PROSPECTIVE BASIS FOR HETEROGENEOUS OXIDATION PHOTOCATALYSTS XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”, XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024” (год публикации - 2024)

17. Коробков С.М., Бирин К.П., Цивадзе А.Ю. SINGLET OXYGEN-MEDIATED OXIDATION OF SULFIDES: A KINETIC AND DFT STUDY XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”, XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024” (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Получена серия новых пиразинопорфиринатов индия(III) с планомерным расширением ароматической системой выходами 53 – 71%. Полученные соединения были выделены в индивидуальном виде и полностью охарактеризованы набором методов физико-химического анализа. Выявлено, что введение металлоцентра в полость макрокольца позволило добиться высокой стабильности фотосенсибилизаторов в условиях фотокатализа. Так, при переходе к металлокоплексу фотостабильность наименее стабильного аценафтен-замещенного пиразинопорфирина увеличилась в более чем 100 раз. Выявлено, что в смеси растворителей CH3OH/CH2Cl2 2:1 v/v при загрузке комплексов In(III) до 5∙10-4 мол% за 16 часов наблюдается полное превращение сульфида в соответствующий сульфоксид, в то время как в присутствии 10-3 мол.% свободных оснований максимальная конверсия сульфида составила 83%, что указывает на повышенную фотоактивность комплексов In(III). В системе C2H5OH/толуол 96:4 v/v наблюдается увеличение конверсии тиоанизола в присутствии свободных оснований, что свидетельствует о перспективности использования выбранной системы растворителей. Таким образом, возможность снижения загрузки порфиринатов In(III) без потери в эффективности фотокаталитической реакции позволило повысить TON до 200000 и TOF до 12500 ч-1, указывает на повышенную фотоактивность данных производных. На примере фенантропиразинопорфирината индия(III) изучена скорость реакции фотооксиления дибутилсульфида в различных растворителях, включая диметилсульфоксид (DMSO), толуол (Tol), этилацетат (EtOAc), уксусную кислоту (CH₃COOH), этанол (EtOH) и метанол (MeOH). Среди протестированных растворителей наибольшая фотокаталитическая активность наблюдалась в MeOH и EtOH (1,10∙10-3 М∙мин-1 и 1,41∙10-3 М∙мин-1). В рамках исследования проведены эксперименты по окислению 10 ммоль (ок. 2г) тиоанизола, дибутилсульфида и дибензилсульфида, что позволило достичь конверсии и значения селективности, превышающих 98%, при этом значение TON достигало величины 9800. Это свидетельствует о значительном потенциале предложенных фотокатализаторов для применения в синтезах, требующих высокой эффективности и воспроизводимости в более крупных масштабах. Успешно синтезированы дибром-замещенные фенантропиразинопорфирины. Далее исходя из дибром-замещенных производных были получены фосфорил-замещенные порфиринаты никеля(II) в условиях реакции кросс-сочетания Хирао. Введение фосфорильных заместителей в дальнейшем позволит использовать полученные соединения для создания новых гибридных материалов на их основе. Деметаллирование позволило получить свободные порфирины для дальнейшего изучения их фотокаталитических свойств, а их взаимодействие с InCl3 в уксусной кислоте позволило получить фосфорил-замещенные порфиринаты индия(III) с высокими выходами. Получены пиразинопорфиринаты никеля(II), содержащие 2,6-дихлорфенильные и пентафторфенильные электроноакцепторные периферийные группы. Деметаллирование полученных комплексов и дальнейшее металлирование полученных свободных оснований при кипячении с InCl3 в уксусной кислоте позволило получить четыре фотоактивных пиразинопорфирина и порфирината индия(III). Тесты фотокаталитической активности в реакции окисления диаллил сульфида показали высокую эффективность полученных фотосенсибилизаторов, при этом максимальный TON составил 194000. Таким образом, введение электроноакцепторных заместителей и иона индия(III) является эффективной стратегией для повышения фотокаталитической эффективности пиразинопорфиринов. Определена стационарная концентрация синглетного кислорода 1O2 в толуоле. Свободный тетрафенилпорфирин был использован в качестве референсного соединения. Переход от TPP к пиразинопорфиринам привёл к увеличению стационарной концентрации 1O2 примерно на порядок. При этом различие между свободными пиразинопорфиринами и их комплексами индия(III) находится на уровне погрешности. Данная закономерность объясняет увеличение фотоактивности в реакции окисления сульфидов при переходе от свободных тетраарилпорфиринов к пиразинопорфиринам, однако влияние металлоцентра требует отдельного рассмотрения. Было проанализировано влияние протонирования на фотоактивность изучаемого типа фотосенсибилизаторов. В противоположность литературным данным, в присутствии TFA показана значительно более низкую фотостабильность при облучении синим светом. Для оценки вклада различных процессов в механизм фотокатализа в присутствии пиразинопорфирина были проведены предварительные фотокаталитические тесты с использованием NaN3, Et2NH, DABCO, бензохинона (BQ), изопропилового спирта (IPA), AgNO3, KI и Et3N в качестве ловушек. Обнаружено, что добавление 1 экв. Et2NH в реакцию фотоокисления тиоанизола в присутствии 10-3 мол.% фотосенсибилизатора ведет к понижению конверсии сульфида. При этом полного подавления фотоокисления не происходит, и конверсия достигает практически 60%. Добавление 1 экв. DABCO в каталитическую систему приводит к еще большему подавлению активности фотокатализатора и снижению конверсии тиоанизола до 12%, что может быть связано не только с тушением генерируемого синглетного кислорода, но и с дезактивацией h+. Такой же результат фотокатализа наблюдался и при использовании Et3N, который, как сообщается, участвует в дезактивации h+ при одноэлектронном переносе. Механизм окисления сульфидов с участием синглетного кислорода был изучен при помощи квантово-химических методов на уровне теории PBE0/D3BJ/def2-QZVP с использованием сольватационной модели CPCM(MeOH). Присоединение синглетного кислорода к тиоанизолу моделировались с использованием метода broken-symmetry TD-DFT, поскольку для приближённого описания мультиреференсного характера молекулы кислорода недостаточно классического метода TDDFT. В результате расчётов было показано, что образование водородной связи между молекулой сульфопероксида и спирта термодинамически невыгодно, однако при этом энергия активации разрыва пероксидного фрагмента падает. При помощи моделирования кинетики процесса численными методами было доказано, что присутствие спирта должно значительно ускорять реакцию, поскольку высокая концентрация спирта смещает равновесие в сторону образования водородной связи, что способствует быстрому протеканию реакции. Для анализа применимости изучаемого типа фотокатализаторов была проведена серия экспериментов фотокаталитического окисления ряда органических сульфидов с заместителями различной природы в смесях CH2Cl2/MeOH 1:2 и 2:1. Фотоокисление проводили в присутствии 10-3 мол.% фотосенсибилизатора при облучении синим светом. Было обнаружено, что в смеси CH2Cl2/MeOH 1:2 практически для всех сульфидов за 16 часов достигалась конверсия сульфидов 97-100% при сохранении высокой селективности образования соответствующих сульфоксидов.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты реализации проекта могут лечь в основу создания новых эффективных, экологичных и атом-экономичных методов синтеза ценных и значимых органических соединений, в том числе фармацевтических препаратов