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 18-13-00186

Название2-Циано- и 2,6-дициано-4-пироны как субстраты-хамелеоны и синтетические эквиваленты 4-гидрокси-2-пиронов для направленного органического синтеза полезных продуктов

РуководительСосновских Вячеслав Яковлевич, Доктор химических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ 2021 г. - 2022 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (28).

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

Ключевые слова2-Циано-4-пироны, [3+2] циклоприсоединение, гетероциклические триады, 1,3-диполи, 4-гидрокси-2-пироны, лактон триацетовой кислоты, 4-дицианометилен-4H-пираны, моно- и динуклеофилы

Код ГРНТИ31.21.27


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Метиленпирановые флуорофоры благодаря своим фотофизическим свойствам нашли широкое применение в различных сферах органической электроники, био- и хемосенсоров, а также для визуализации биологических объектов. В связи с этим поиск новых подходов к синтезу и модификации данных структур является важной и актуальной задачей. В ходе выполнения проекта 2018 г. нам удалось выйти на новый класс высокоактивных енамино-замещенных пирановых флуорофоров, химии которых и будет уделено основное внимание в продолжение проекта. Настоящее исследование будет посвящено синтезу и модификации новых сопряженных пирановых структур на основе подходов, разработанных нами для химии цианопиронов и 4-гидрокси-2-пиронов. Детально будет изучена химия енаминированных 4-пиронов и 4-метиленпиранов. Данные структуры содержат два реакционных фрагмента, енамино-группу и пироновое кольцо, что определяет многообразие подходов для дизайна новых флуорофорных материалов. Особый интерес представляет дальнейшее изучение найденного 1,8-присоединения с замещением диметиламино-группы для получения новых сопряженных push-pull систем, что может найти применение для синтеза полимеров и легкой функционализации биомолекул. Кроме того, енаминозамещенные пироны являются синтетическими эквивалентами ранее неизвестных этинил-4-пиронов, которые, в свою очередь, как изоэлектронные аналоги цианопиронов, представляют интерес с точки зрения синтеза и дальнейшего применения для получения новых сопряженных систем. В ходе работы по проекту будет подготовлен обзор по химии 4-пиронов, охватывающий все направления в данной области.

Ожидаемые результаты
В проекте будут разработаны новые методы синтеза и функционализации пирановой системы, что позволит получить вещества с полезными свойствами, в частности, ценные люминесцентные материалы на основе ранее неизвестных енамино-замещенных метиленпиранов. Будет изучена реакционная способность енамино-замещенных пиранов по отношению к С- и N-нуклеофилам с целью выявления их синтетических возможностей для конструирования новых красителей и установления влияния природы заместителей на фотофизические свойства. Способность пиронового кольца к рециклизациям является основанием для синтеза различных гетероциклических систем, включая сопряженные соединения пиридонового ряда. Впервые будут исследованы синтетические эквиваленты енамино-4-пиронов – этинил-замещенные 4-пироны, которые являются структурными аналогами циано-4-пиронов. Подобно алкинилхромонам, наличие в пиронах тройной углерод-углеродной связи и скрытого трикетонного фрагмента откроет доступ к широкому ряду соединений, интересных как с точки зрения биологической активности, так и фотофизических свойств. Основная синтетическая стратегия будет направлена на получение пирановых флуорофоров, которые смогут найти применение для использования в органической электронике и визуализации биологических объектов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1) Изучено [3+2] циклоприсоединение N-метил- и N-бензилазометин-илидов к моно-, ди- и тризамещенным 4-пиронам, которое протекает со стороны электроноакцепторного заместителя и с хорошими выходами дает пирано[2,3-c]пирролидины. 2) Усовершенствована методика получения 6-метилкомановой кислоты, на основе которой разработаны методы синтеза 6-стирилкомановых кислот и их различных производных, включая нитрилы. Показано, что реакции этих соединений с азидом натрия и нуклеофильными реагентами протекают по цианогруппе, а циклоприсоединение со стабилизированными азометин-илидами – по стирильному фрагменту, что открывает доступ к ряду 2,6-бис(гетарил)-4-пиронов, содержащих в том числе спироиндольный фрагмент. Данный метод может быть в дальнейшем распространен на модификацию сопряженных пирановых структур. 3) Трифторметилированные ендионы, полученные из арилиденацетонов и этилтрифторацетата, были использованы для синтеза 2-арил-6-трифторметил-4-пиронов и 2-арил-5-бром-6-трифторметил-4-пиронов. Метод заключается в бромировании CF3-ендионов бромом с последующей циклизацией промежуточных бромпроизводных в 4-пироны. Показано, что 4-пироны с другими полифторалкильными группами также могут быть получены, а 2-арил-6-трифторметил-4-пироны являются исходными веществами для синтеза 4-пиридонов, трифторметилированных пиразолов и триазолов. На основе конденсации хелатного комплекса 1-фенилбутан-1,3-диона с ДМА-ДМФА осуществлено получение нефторированных аналогов, таких как 2-арил-6-метил-4-пироны. 4) Осуществлено енаминирование 2,6-диметил-4-пирона по обеим метильным группам, а также енаминирование 2-метил-6-трет-бутил-, 2-метил-6-фенил- и 2-метил-6-стирил-4-пиронов, и с выходами 30–72% синтезированы соответствующие енаминированные 4-пироны. Эти соединения реагируют по енаминному фрагменту с 2-метилиндолом и вступают в реакцию 1,3-диполярного циклоприсоединения с нитрилоксидами. 5) Синтезированы гексафтордегидрацетовая кислота и лактон трифтортриацетовой кислоты и изучены их реакции с аминами, фенилгидразином и о-фенилендиамином. 6) Найдены хемоселективные методы енаминирования метильных групп в 2-метил-4Н-пиранах, что позволило наработать широкий ряд моно(енамино)- и бис(енамино)-4Н-пиранов, содержащих разные заместители в 4-м положении. 7) Показано, что енамино-замещенные пираны способны вступать в кислотно-катализируемую реакцию Михаэля с первичными и вторичными ариламинами, в том числе содержащие кислотные группы, с замещением диметиламиногруппы и образованием сопряженных симметричных и несимметричных ариламинопроизводных. На примере взаимодействия с глицином удалось показать возможности для функционализации аминокислот. 8) Осуществлен синтез ранее неизвестных сопряженных симметричных и несимметричных гетарил(винил)пиранов путем взаимодействия енаминопиранов с индолами и пирролами. 9) Продемонстрировано, что полученные (енамино)пираны проявляют флуоресцентные свойства, которые наиболее сильно выражены в растворах ДМСО. Введение фрагмента N,N-диэтилтиобарбитуровой кислоты в 4-е положение пирана приводит к батохромному сдвигу максимума в спектре поглощения и усилению люминесценции. 10) В обзоре обобщены и систематизированы все имеющиеся в литературе данные по электронодефицитным 3-винилхромонам – бензоаннелированным аналогам 4-пиронов.

 

Публикации

1. Обыденнов Д.Л., Стебеньков В.Д., Обыденнов К.Л., Усачев С.А., Мошкин В.С., Сосновских В.Я. Reactions of 4-Pyrones with Azomethine Ylides as a Chemo-selective Method for the Construction of Multisubstituted Pyrano[2,3-c] pyrrolidines Synthesis, Vol. 53, N 15, P. 2621-2631 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1055/s-0040-1706032

2. Усачев С.А., Нигаматова Д.И., Мысик Д.К., Наумов Н.А., Обыденнов Д.Л., Сосновских В.Я. 2-Aryl-6-Polyfluoroalkyl-4-Pyrones as Promising R F -Building-Blocks: Synthesis and Application for Construction of Fluorinated Azaheterocycles Molecules, Vol. 26, N. 15, P. 4415 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/molecules26154415

3. Сосновских В.Я. Synthesis and Reactivity of Electron-Deficient 3-Vinylchromones SynOpen, Vol. 5, N 3, P. 255-277 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1055/a-1589-9556

4. Мельников О.Э., Нигаматова Д.И., Обыденнов Д.Л., Сосновских В.Я. Взаимодействия 2-метил-4-пиронов с ДМА-ДМФА как метод синтеза сопряженных структур Сборник тезисов V Международной конференции «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов», PR-89 (год публикации - 2021)

5. Нигаматова Д.И., Обыденнов Д.Л., Усачев С.А., Сосновских В.Я. Синтез 2-арил-6-полифторалкил-4-пиронов на основе окислительной циклизации ендионов и применение для получения фторированных азагетероциклов Сборник тезисов Всероссийской научной конференции "Марковниковские чтения: органическая химия от Марковникова до наших дней", C. 64 (год публикации - 2021)

6. Симбирцева А.Е., Обыденнов Д.Л., Сосновских В.Я. Синтез 6-стирил-4-пирон-2-карбонитрилов и исследование их в реакциях циклоприсоединения Тезисы докладов XXXI Российской молодежной научной конференции с международным участием, посвященной 90-летию со дня рождения профессора В.М. Жуковского "Проблемы теоретической и экспериментальной химии", с. 292 (год публикации - 2021)

7. Сосновских В.Я., Обыденнов Д.Л. Синтез и реакционная способность новых функционализированных 4-пиронов Сборник тезисов Всероссийского конгресса по химии гетероциклических соединений «КOST-2021», C. 60 (год публикации - 2021)

8. Стебеньков В.Д., Обыденнов Д.Л., Сосновских В.Я. Reactions of 4-pyrones with azomethine ylides as a chemoselective method for the construction of multisubstituted pyrano[2,3-c]pyrrolidines Book of abstracts of XII Inernational Conference on Chemistry for Yourng Scientists "Mendeleev 2021", P. 662 (год публикации - 2021)

9. Ширинкин А.С., Симбирцева А.Е., Обыденнов Д.Л., Сосновских В.Я. Синтез и химические свойства 2-диметиламиновинил-6-метил-4-дицианометиленпирана Сборник тезисов V Международной конференции «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов», PR-146 (год публикации - 2021)

10. - Химики разработали простой метод получения новых фторсодержащих гетероциклов УрФУ, - (год публикации - )

11. - Химики впервые получили довольно простую, но невероятно активную молекулу УрФУ, - (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1) Разработан новый подход к конструированию нового класса сопряженных пиранов, основанный на енаминировании 2-метил-4-пиронов с помощью ДМФА-ДМА. Образующиеся при этом 2-(2-(диметиламино)винил)-4-пироны являются высокоактивными субстратами, которые подвергаются нуклеофильному 1,6-присоединению или 1,3-диполярному циклоприсоединению по енаминовому фрагменту с последующим отщеплением диметиламиногруппы, что ведет к получению конъюгированных и гетарилзамещенных флуорофоров 4-пиронового ряда. 2) Осуществлено енаминирование 2,6-диметил-4-пирона по обеим метильным группам, а также енаминирование 2-метил-6-трет-бутил-, 2-метил-6-фенил- и 2-метил-6-стирил-4-пиронов, и синтезированы соответствующие енаминированные 4-пироны. Эти соединения реагируют по енаминному фрагменту с аминами и 2-метилиндолом, а также вступают в реакцию 1,3-диполярного циклоприсоединения с нитрилоксидами. 3) Изучены фотофизические свойства новых мероцианиновых флуорофоров на основе 4-пирона, для которых обнаружен сольватохромизм, приводящий к сильному увеличению интенсивности флуоресценции в спиртах. Полученные сопряженные структуры продемонстрировали ценные фотофизические свойства, такие как большой стоксов сдвиг (до 204 нм) и хороший квантовый выход (до 28%). 4) 4-Метилен-4H-пираны являются популярными мероцианиновыми красителями, но их функционализация была ограничена конденсацией Кнёвенагеля с ароматическими альдегидами. Мы разработали новый подход к конструированию 4-метилен-4Н-пирановых флуорофоров, основанный на енаминировании винилогичной метильной группы пиранов и последующем нуклеофильном замещении Me2N группы посредством 1,8-сопряженнного присоединения/отщепления, что обеспечивает доступ к ранее неизвестным симметричным и несимметричным пиранам, содержащим разные электроноакцепторные группы в 4-ом положении и ариламиновинильные заместители в положениях 2 и 6. 5) Аминовинилзамещенные 4-метилен-4H-пираны являются удобным синтетическим инструментом для конструирования новых мероцианинов с настраиваемой флуоресценцией (417–628 нм). Установлено, что пираны, содержащие два енаминовых фрагмента, демонстрируют значительные коэффициенты экстинкции (до 116000 М–1см–1), высокие квантовые выходы (до 69%) и большие стоксовые сдвиги (до 152 нм) из-за их сильного пуш-пульного характера. Расчеты по теории функционала плотности (DFT) были выполнены для объяснения структурных и фотофизических особенностей полученных 4-метилен-4H-пирановых мероцианинов, которые могут найти применение в качестве перспективных флуорофоров для сенсоров, солнечных элементов и в биоимиджинге. 6) Синтезированы гексафтордегидрацетовая кислота и лактон трифтортриацетовой кислоты, которые являются перспективными CF3-содержащими строительными блоками. Взаимодействие гексафтордегидрацетовой кислоты с первичными ароматическими аминами приводит к образованию 2,6-бис(трифторметил)-4-пиридонов, способных вступать в реакцию Кнёвенагеля с образованием мероцианиновых красителей. Лактон трифтортриацетовой кислоты региоселективно реагирует с первичными аминами, фенилгидразином и о-фенилендиамином по положениям 2 и 4 с раскрытием цикла, давая соответствующие аминоеноны, пиразолы и бензодиазепины. 7) Реакцией 4-метилен-4Н-пиранов с широким рядом алкиламинов с выходами 50–96% синтезированы N-алкил-2,6-диметил-4-метилен-1,4-дигидропиридины и с помощью ДМА-ДМФА проведено их енаминирование. Реакция оказалась нечувствительной к природе заместителей в положениях N-1 и С-4 пиридинового кольца и всегда приводила к енаминированию сразу двух метильных групп, давая бис-енаминозамещенные продукты с выходами 47–77%. Обе диметиламиногруппы могут быть замещены на остатки дифениламина и 2-метилиндола при нагревании в AcOH. 8) По реакции Соногаширы синтезирован ряд 3-(фенилэтинил)-4-пиронов и показано, что они селективно взаимодействуют с широким рядом метиленактивных соединений, давая в зависимости от условий либо бензофураны, либо флавоны с хорошими выходами. 9) В обзоре обобщены и систематизированы все имеющиеся в литературе данные по 2,3-гетероаннелированным хромонам – гетероаналогам ксантона.

 

Публикации

1. Обыденнов Д.Л., Симбирцева А.Е, Сосновских В.Я. Synthesis of 4‑oxo‑6‑styryl‑4H‑pyran‑2‑carbonitriles and their application for the construction of new 4‑pyrone derivatives Research on Chemical Intermediates, V. 48, P. 2155–2179 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1007/s11164-022-04694-w

2. Федин В.В., Усачев С.А., Обыденнов Д.Л., Сосновских В.Я. Reactions of Trifluorotriacetic Acid Lactone and Hexafluorodehydroacetic Acid with Amines: Synthesis of Trifluoromethylated 4-Pyridones and Aminoenones Molecules, V. 27, 7098 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/molecules27207098

3. Cосновских В.Я. Методы получения 2,3-гетероаннелированных хромонов — гетероаналогов ксантона Известия Академии наук. Серия химическая, № 11, С. 2285-2309 (год публикации - 2022)

4. Нигаматова Д.И., Обыденнов Д.Л., Мельников О.Э., Сосновских В.Я. Получение енамино-замещенных 4-пиронов и исследование их химических свойств Тезисы докладов XXXII Российской молодежной научной конференции с международным участием "проблемы теоретической и экспериментальной химии", С. 358 (год публикации - 2022)

5. Рожина И.В., Обыденнов Д.Л., Сосновских В.Я. Получение сопряженных 4-метилен-1,4-дигидропиридинов с помощью реакции енаминирования Тезисы докладов XXXII Российской молодежной научной конференции с международным участием "проблемы теоретической и экспериментальной химии", С. 366 (год публикации - 2022)

6. Симбирцева А.Е., Обыденнов Д.Л., Ширинкин А.С., Сосновских В.Я. Новый метод функционализации 4-метилен-4Н-пиранов через реакцию енаминирования для конструирования новых флуорофоров Сборник тезисов Всероссийской научной конференции "Марковниковские чтения: органическая химия от Марковников до наших дней", С. 84 (год публикации - 2022)

7. Сосновских В.Я., Обыденнов Д.Л. New hetaryl and enamino derivatives of 4-pyrone with useful properties Book of abstracts of VI North Caucasus organic chemistry symposium, С. 49 (год публикации - 2022)

8. Сосновских В.Я., Обыденнов Д.Л. Новые 2,6-дизамещенные производные 4-пирона с полезными свойствами Сборник тезисов докладов VII Всероссийской конференции с международным участием, посвященная 50-летию академической науки на Урале "Техническая химия. От теории к практике", С. 133 (год публикации - 2022)

9. Сосновских В.Я., Обыденнов Д.Л. Progress in the chemistry of 4-pyrones Book of abstracts of The Sixth International Scientific Conference "Advances in synthesis and complexing", C. 53 (год публикации - 2022)

10. Ширинкин А.С., Симбирцева А.Е., Обыденнов Д.Л., Сосновских В.Я. Synthesis of enamino-substituted 4-methylene-4H-pyrans and their chemical properties Book of abstracts of The Sixth International Scientific Conference "Advances in synthesis and complexing", С. 247 (год публикации - 2022)


Возможность практического использования результатов
Разработанный в проекте подход, включающий енаминирование и последующее замещение диметиламиногруппы, оказался удобным и общим методом модификации доступных структур на основе 4-пиронов, 4-метилен-4Н-пиранов, 4-метилен-1,4-дигидропиридинов и их трансформации в флуорофоры. Предложенная стратегия позволяет легко получать широкий набор соединений с настраиваемыми фотофизическими свойствами за счет варьирования природы нуклеофила и количества енаминированных фрагментов, что может быть использовано в эффективном дизайне новых органических материалов для сенсоров, солнечных элементов и в биоимиджинге.