Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Реакции конденсации полифункциональных электрофильных соединений с динуклеофилами служат основой для разработки методов синтеза множества азот-, кислород- и серосодержащих гетероциклов с разным числом звеньев в цикле. Главной задачей первого этапа проекта являлось определение основных факторов, влияющих на направления взаимодействия одного из типов таких полифункциональных соединений – (Е)-пент-1-ен-4-ин-3-онов (кросс-сопряженных енинонов) с монозамещенными гидразинами ароматического и гетероароматического ряда. Вместе с тем, на основе подобных реакций предполагалось разработать методы синтеза 1,2-азолов и их частично гидрированных аналогов (пиразолинов), содержащих определенные заместители в положениях 1, 3 и 5, которые сообщали бы данным молекулам ценный набор полезных фотофизических свойств. В ходе исследования удалось установить такие факторы и показать, что путем изменения кислотности реакционной среды, варьирования заместителей в субстратах (1,5-диарил-, 5-арил-1-гетарил-, 5-триалкилсилил-1-фенилзамещенных (Е)-пент-1-ен-4-ин-3-онах и (Е)-алк-1-ен-4-ин-3-онах) и природы используемого реагента (монозамещенного гидразина) можно добиться преимущественного образования 3-, 5-стирилпиразолов, алкинилпиразолинов, алкинилпиразолов или арилгидразонов. Были получены следующие фундаментальные и прикладные научные результаты. Разработан двухстадийный метод синтеза люминесцентных 3-стирил-1Н-пиразолов и 3-алкенил-1Н-пиразолов на основе препаративно доступных кросс-сопряженных енинонов с выходами 64–80%; первая стадия представляет собой получение арилгидразонов пент-1-ен-4-ин-3-онов, вторая – гетероциклизацию по тройной связи данных полупродуктов. На основе реакций кросс-сопряженных енинонов с 2-пиридинилгидразином предложен метод получения граммовых количеств (gram-scale synthesis) 3-алкенил-1-(2-пиридинил)-1Н-пиразолов. Получен массив теоретических данных по квантово-химическому исследованию реакций циклизации арилгидразонов (Е)-пент-1-ен-4-ин-3-онов. Синтезировано и охарактеризовано с помощью элементного микроанализа, спектров ЯМР 1Н, 13С, 19F, ИК, масс-спектров и рентгеноструктурного анализа более 80 соединений, ранее не описанных в научной литературе. То есть, тем самым мы продемонстрировали возможность селективного синтеза шести рядов соединений разного строения на основе реакций одного структурного типа субстрата. Подробно исследованы спектры поглощения и люминесценции полученных продуктов гетероциклического ряда. Установлено, что 3-алкенил-1-(2-пиридинил)-1Н-пиразолы образуют комплексы с ионами некоторых тяжелых металлов (Hg2+, Cd2+, Pb2+), обладающие люминесценцией в области 470–600 нм; показано, что селективность комплексообразования можно изменять путем варьирования заместителя в стирильной части молекул 5-алкенил-1-(2-пиридинил)-1Н-пиразолов. То есть такие вещества перспективны в качестве флуоресцентных зондов для селективного детектирования и количественного обнаружения ионов тяжелых (вероятно и других) металлов при их совместном присутствии в биологических объектах токсикологических исследований, при мониторинге загрязнений объектов окружающей среды и при решении других практических задач подобного рода. По результатам выполнения первого этапа проекта в 2022 г. направлены две статьи в журналы, входящих в базы Web of Science и Scopus: Organic & Biomolecular Chemistry (Q1, опубликована) и Журнал органической химии (Q4, принята к печати в 2023 г.). Полученные научные результаты также были представлены и обсуждены на научных конференциях, по результатам которых опубликовано 4 тезиса докладов.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Глубокое понимание механизмов реакций органических соединений дает возможность управлять процессами синтеза новых практически востребованных соединений, например, лекарств и материалов для современной оптики, электроники. Зная подробности того, как именно идет взаимодействие между реагентом и субстратом, можно изменять направление процесса в сторону желаемого продукта и сокращать образование побочных веществ. На втором этапе проекта необходимо было понять, можно ли изменить направление реакций монозамещенных гидразинов с кросс-сопряженными енинонами (пент-1-ен-4-ин-3-онами) по пропеноновому фрагменту данных полифункциональных субстратов, то есть с образованием производных 4,5-дигидро-1Н-пиразолов (3-этинилпиразолинов). 3-Этинилпиразолины сами по себе обладают ярко выраженными люминесцентными свойствами и, кроме того, являются перспективными прекурсорами люминесцентных полигетероциклических структур. Эксперименты были основаны на двух основных гипотезах. В соответствии с первой гипотезой, выдвинутой на первом этапе проекта, реакции синтеза пиразолинов из α,β-ненасыщенных карбонильных соединений и гидразинов не всегда протекают через стадии образования и циклизации соответствующих гидразонов. В соответствии со второй, циклоконденсации монозамещенного гидразина по двойной связи и карбонильной группе (то есть пропеноновому фрагменту) субстрата можно добиться, вводя при тройной связи субстрата стерически затрудняющие тройную связь группы. На роль таковых хорошо подходили триалкисилильные группы (TMS, TES, TBDMS), поскольку они не только создают мощный стерический эффект, но и могут быть затем легко удалены (десилилирование) из образующегося 3-триалкилсилилэтинилпиразолина. С целью модификации люминесцентных свойств продуктов в качестве реагентов – монозамещенных гидразинов – использовались соединения с флуорофорными группами: гидразинильные производные тиазола, бензо[d]тиазола и бенз[d]имидазола. Эксперимент подтвердил обе гипотезы: удалось подобрать условия синтеза люминесцентных 3-триалкилсилилэтинилпиразолинов и удалить триалкисилильные группы действием K2CO3 в метаноле. В результате с превосходными выходами были получены целевые 3-этинилпиразолины. На основе данных субстратов была получена серия из 17 люминесцентных пиразолино-изоксазолов с максимальным абсолютным квантовым выходом люминесценции 47.6%. Кроме того, мы исследовали возможность синтеза на основе кросс-сопряженных енинонов производных этинилпиразола, NH-незамещенных стирилпиазолов (на основе кросс-сопряженных енинонов и безводного гидразина), 1-бензо[d]тиазол-3-стирилпиразолов (новых люминесцентных зондов), пиразоло-изоксазолов и возможности модификации последних путем электрофильного замещения. Получен массив структурных данных, включающий спектры ЯМР 1Н, 13С, 19F, 15N, ИК, масс-спектры и данные рентгеноструктурного анализа более 70 соединений, ранее не описанных в научной литературе. Отдельным направлением на втором этапе проекта, реализуемым совместно с Уфимским институтом химии (С. А. Грабовский), было исследование кинетики реакции циклизации арилгидразонов 1,5-диарилпент-1-ен-4-ин-3-онов, ведущей к стирилпиразолам – новым люминесцентным зондам для обнаружения и количественного определения ионов металлов. Совместно с группой из университета ИТМО (г. Санкт-Петербург, руководитель группы – Т. Орлова) продолжены исследования комплексообразования стирилпиразолов с ионами металлов. Спектрофотометрическим методом изучено комплексообразование 2-(5-(4-бромстирил)-3-фенил-1H-пиразол-1-ил)пиридина с ионами Cu+ в присутствии KI; установлено, что молекула-лиганд с CuI формирует комплекс состава ≈ 2:1, а в присутствии KI картина комплексообразования существенно усложняется и требует продолжения исследования. Кроме того, были измерены спектры поглощения, возбуждения люминесценции и испускания люминесценции семи арилгидразонов 1,5-диарилпент-1-ен-4-ин-3-онов в CH2Cl2, CHCl3, MeCN, MeOH и MePh; установлено что люминесценция данных арилгидразонов не подчиняется правилу Каши (спектр возбуждения люминесценции сдвинут влево относительно спектра поглощения). Данные результаты будут опубликованы в 2024 г. По результатам выполнения второго этапа проекта в 2023 г. опубликована статья в журнале Synthesis, входящем в базы Web of Science и Scopus (Q1) и обзор в Digital Discovery (импакт-фактор и принадлежность к соответствующему квартилю будут определены в 2024 г.). Полученные научные результаты также были доложены и обсуждены на всероссийской конференции с международным участием «Идеи А. Е. Фаворского в органической химии» (г. Санкт-Петербург, июль 2023 г.), опубликовано 4 тезиса докладов.