Нуклеофильные реакции полиненасыщенных карбонилсодержащих соединений как синтетическая платформа новых материалов, обладающих фотофизическими свойствами

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 22-13-00185

НазваниеНуклеофильные реакции полиненасыщенных карбонилсодержащих соединений как синтетическая платформа новых материалов, обладающих фотофизическими свойствами

Руководитель Голованов Александр Александрович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тольяттинский государственный университет" , Самарская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Бис-азагетероциклы, 1,3-диполярное циклоприсоединение, жидкие кристаллы, конденсированные гетероциклы, люминесценция, молекулярные переключатели, нуклеофильное присоединение, сопряженные ениноны, супрамолекулярная химия, циклоконденсация, фотофизические свойства

Код ГРНТИ31.21.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Разработка способов получения новых веществ и материалов для супрамолекулярной химии является одной из актуальных задач современного органического синтеза. Необходимы новые соединения с определенным набором свойств для создания жидких кристаллов, молекулярных фотохромных переключателей, органических светодиодов и других объектов супрамолекулярой химии. Такие материалы широко применяются при разработке транзисторов, интегральных схем, так называемых умных стекол, инструментов медицинской диагностики, элементов лазерной техники, индикаторов и средств измерений нового поколения, а также многих других устройств, востребованных в разнообразных отраслях деятельности человека. Одним из стратегических направлений органического синтеза соединений с заданными свойствами является использование полифункциональных субстратов. Применение таких соединений в качестве билдинг-блоков позволяет достигнуть структурного разнообразия целевых продуктов за минимальное число синтетических стадий. Объектом исследования в данном проекте являются сопряженные ениноны и дииноны – соединения, содержащих в молекуле двойную, тройную С–С-связи, а также карбонильную группу. Замечательной особенностью этих веществ является высокая позиционная селективность их реакций с электрофилами, нуклеофилами и 1,3-диполями, обусловленная наличием неравнозначных реакционных центров. Эта особенность в сочетании с несколькими возможными вариантами сопряжения кратных связей в молекулах (два – кросс-сопряжение и два – линейное сопряжение) являются основой для мощной диверсификации. В результате, за последние 15 лет достигнуты значительные успехи в области использования данных соединений для синтеза функциональных производных фурана, пиразола, изоксазола, пиримидина, пирана, тиопирана, 1,2,3-триазола, а также целой гаммы конденсированных гетероциклических систем. Между тем, следует отметить, что синтетический потенциал сопряженных ениновых кетонов к настоящему времени далеко не исчерпан. Не изученными остались факторы, определяющие региоселективность и стереохимию AdN-процессов, реакций 1,3-диполярного циклоприсоединения и циклоконденсации линейно- и кросс-сопряженных ениновых кетонов. Решение данной задачи в рамках общей проблемы исследования реакций полифункциональных органических субстратов составляет одно из ведущих направлений развития современной органической химии и обусловливает научную новизну исследований. Проект направлен на разработку общей методологии синтеза новых функциональных производных ди- и полигетероциклических соединений, обладающих фотофизическими свойствами, важных для современной медицины и электроники. Круг эффективных синтетических методов, обеспечивающих структурное разнообразие подобных ди- и полигетероциклов, ограничен. Мы планируем разработать общую Metal-Free методологию их синтеза, основанную на использовании реакций сопряженных енинонов и диинонов с динуклеофилами и 1,3-диполями. В рамках данного проекта будут получены новые знания о реакционной способности таких полиненасыщенных субстратов соединений, а также разработаны новые эффективные подходы к синтезу производных ди- и полигетероциклов, обладающих ценными фотофизическими свойствами. В части исследования свойств целевых полигетероциклических соединений проект имеет поисковый характер. Нами будут исследованы люминесцентные свойства данных веществ (измерены спектры поглощения и эмиссии, определены стоксовы сдвиги и квантовые выходы), изучен сольватохромизм, а также комплексообразование с ионами некоторых металлов. Планируется исследование закономерностей типа «структура – фотофизическое свойство» в рассматриваемых рядах и выявление конкретных материалов для применения, прежде всего, в супрамолекулярной химии. Далее новые соединения будут исследованы как хиральные фоточувствительные молекулярные добавки для нематических жидких кристаллов (тестирование растворимости, закручивающей способности, поглощения жидкокристаллического материала и скорости релаксации фотоиндуцированного состояния холестерической спирали). Полученные на их основе светоуправляемые хиральные нематики будут исследованы с точки зрения генерации локализованных надмолекулярных структур, топология и свойства которых определяются скоростью релаксации фотоиндуцированного состояния холестерической спирали, зависящей от скорости релаксации фотоизомера, а также диффузией молекулярных фотопереключателей в жидкокристаллической среде. Таким образом, предлагаемый проект имеет комплексный характер. Прежде всего, он направлен на решение задачи расширения ряда функциональных материалов с заданными свойствами, однако на пути к этой цели будут получены и новые фундаментальные знания о свойствах и реакционной способности малоисследованных органических субстратов. То есть, для решения важной и актуальной технической задачи будут развиваться современные методы органического синтеза.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Итахунов Р.Н., Один И.С., Сивцов Г.И., Голованов А.А. The synthesis of luminescent 5-(1,5-diaryl-4,5-dihydro-1h-pyrazol-3-yl)-3- arylisoxazoles Book of abstracts The Sixth International Scientific Conference ADVANCES IN SYNTHESIS AND COMPLEXING, Страница 179 (год публикации - 2022)

2. Итахунов Р. Н., Один И. С., Гусев Д. М., Грабовский С. А., Гордон К. В., Вологжанина А. В., Соков С. А., Соснин И. М., Голованов А. А. Cyclization of arylhydrazones of cross-conjugated enynones: synthesis of luminescent styryl-1H-pyrazoles and propenyl-1H-pyrazoles Organic & Biomolecular Chemistry, Org. Biomol. Chem., 2022, Advance Article (год публикации - 2022)
10.1039/D2OB01427K

3. Соков С.А., Один И.С., Голованов А.А. Ениновые производные кислоты Мельдрума: новые эффективные синтоны Сборник тезисов Всероссийской научной конференции "Марковниковские чтения: органическая химия от Марковникова до наших дней", Сборник тезисов, страницы 211-212 (год публикации - 2022)

4. Итахунов Р.Н., Гусев Д.М., Один И.С., Голованов А.А. Циклизация гидразонов кросс-сопряженных енинонов Сборник тезисов Всероссийской научной конференции "Марковниковские чтения: Органическая химия от Марковникова до наших дней", Сборник тезисов, страница 196 (год публикации - 2022)

5. Соков С.А., Гордон К.В., Злотский С.С., Голованов А.А. ПРИСОЕДИНЕНИЕ ТИОФЕНОЛОВ К КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИМ ЕНИНАМ И ЕНИНОНАМ Журнал органической химии (Russian Journal of Organic Chemistry) (год публикации - 2023)

6. И. С. Один, К. В. Гордон, Р. Н. Итахунов, Д. М. Гусев, С. А. Соков, A. В. Вологжанина, С. А. Грабовский, И. М. Соснин, А. И. Уколов, О. И. Орлова, В. А. Лазаренко, П. В. Дороватовский, Д. Д. Дармороз, А. О. Пивень, Т. Орлова, А. А Голованов Reactions of 5-(Trialkyl)silylpent-1-en-4-yn-3-ones with Hydrazines: Original Synthetic Routes to Luminescent Substances Containing Azole Motifs Synthesis, 2023, 55, A-X (год публикации - 2023)
10.1055/s-0043-1763601

7. Т. Орлова, А. Пивень, Д. Дармороз, Т. Алиев, Тамер Махмуд Тамер Абдель Разик, А. Бойцев, Н. Графеева, Е. Скорб Machine learning for soft and liquid molecular materials Digital Discovery, 2023, 2, 298-315 (год публикации - 2023)
10.1039/D2DD00132B

8. Соков С.А., Один И.С., Голованов А.А. Activated enynes as modern powerful synthons Book of abstracts The Sixth International Scientific Conference "ADVANCES IN SYNTHESIS AND COMPLEXING", Страница 124 (год публикации - 2022)

9. Затынацкий Е.А., Грабовский С.А., Вологжанина А.В., Один И.С., Голованов А.А. О влиянии соотношения реагентов на направление циклоконденсации гидразина с 1,5-диарилпент-1-ен-4-ин-3-онами: синтез производных 4,5-дигидро-1H-пиразола Химия гетероциклических соединений (год публикации - 2024)

10. Один И. С., Итахунов Р. Н., Гусев Д. М., Вологжанина А. В., Голованов А. А. Синтез 5-(1H-пиразол-3-ил)изоксазолов Известия Академии наук. Серия химическая, Известия Академии наук. Серия химическая, 2024, том 73, № 9, с. 2687-2692 (год публикации - 2024)
10.1007/s11172-024-4381-9

11. Стойков И.И., Антипин И.С., Бурилов В.А., Курбангалиева А.Р. и др. ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ В УНИВЕРСИТЕТАХ РОССИИ. ДОСТИЖЕНИЯ ПОСЛЕДНИХ ЛЕТ Журнал органической химии, Журнал органической химии, 2024, том 60, № 8 (год публикации - 2024)
10.1134/S1070428024080013013

12. Затынацкий Е.А., Один И.С., Голованов А.А., Грабовский С.А. Исследование реакций сопряженных енинонов c гидразином ХХVII Всероссийская конференция молодых учёных-химиков (с международным участием): тезисы докладов, Страница 92 (год публикации - 2024)

13. Соков С. А. , Вологжанина А. В., Голованов А. А. САМОСБОРКА И СТРУКТУРА ДИАЦЕТИЛ-2-МЕТИЛ-4,6-БИС(ФЕНИЛЭТИНИЛ)ТЕТРАГИДРО-2H-ПИРАН-2-ИЛАЦЕТАТА Журнал структурной химии, Журнал структурной химии, 2025, № 3 (год публикации - 2024)
10.26902/JSC_id141105

14. Голованов А.А., Один И.С., Гусев Д.М. КРОСС-СОПРЯЖЕННЫЕ ЕНИНОНЫ В СИНТЕЗЕ ФЛУОРЕСЦЕНТНЫХ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Материалы всероссийской конференции, посвященной научному наследию Михаила Григорьевича Кучерова, Страница 30 (год публикации - 2024)

15. Затынацкий Е.А., Один И.С., Голованов А.А. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕЛЕКТИВНОСТИ РЕАКЦИИ СОПРЯЖЕННОГО ЕНИНОНА С ГИДРАЗИНОМ Материалы всероссийской конференции, посвященной научному наследию Михаила Григорьевича Кучерова, Страница 52 (год публикации - 2024)

16. Один И.С., Бунев А.С., Голованов А.А. Одностадийный синтез (E)-2-арил-4-стирил-3H-бензо[b][1,4]диазепинов на основе кросс-сопряженных енинонов Химия гетероциклических соединений (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Развитие общих методов синтеза гетероциклических соединений является одной из ключевых задач современной органической химии. Дело в том, что соединения гетероциклического ряда обладают широчайшим спектром биологической активности и поэтому на сегодняшний день более 85% всех лекарственных препаратов представлены веществами гетероциклической структуры. Кроме того, множество функциональных производных гетероциклов обладает полезными фотофизическими свойствами, что обусловливает их применение в качестве так называемых умных материалов для современной электроники. В связи с этим ежегодно синтезируются десятки тысяч новых гетероциклических соединений и активно развиваются методы их получения. Ввиду ужесточающихся норм в сфере охраны окружающей среды возникают новые требования к методам синтеза гетероциклов. Прежде всего такие методы должны обеспечивать высокий (а лучше количественный) выход целевого соединения за минимальное число стадий (а лучше за одну стадию). Разумеется, применяемый метод должен обеспечивать высокую хемо- и стереоселективность, а также атомную экономию. При этом синтез должен быть основан на использовании легкодоступных малотоксичных соединений, растворителей и катализаторов, а выделение продукта из реакционной массы должно быть простым с тем, чтобы минимизировать отходы. Заключительный этап проекта посвящен решению некоторых из обозначенных проблем. Так, исследована реакция кросс-сопряженных енинонов с гидразином. Показано, что в мягких условиях направление реакции определяется соотношением реактантов. При эквимолярном их количестве образуются продукты гетероциклизации по халконовому фрагменту (3,5-дизамещенные 4,5-дигидро-1Н-пиразолы). В избытке гидразина наблюдается формирование продуктов конденсации субстрата с несколькими молекулами реагента. Некоторые из этих продуктов (3-(2-гидразинилэтил)-1H-пиразолы) выделены и охарактеризованы. Установлено, что двойная углерод-углеродная связь в кросс-сопряженных енинонах обладает большей активностью в реакции с гидразином, чем тройная. При этом введение донорных и акцепторных заместителей в положения 1, 5 субстратов может изменять относительную активность этих двух реакционных центров и переориентировать гидразин по кетоэтинильному фрагменту. В результате разработан метод синтеза 1-ацетил-5-арил-3-арилэтинил-4,5-дигидро-1Н-пиразолов с выходами 84–92%, труднодоступных для получения другими методами. Совместно с С. А. Грабовским (Уфимский институт химии) методом ЯМР изучен механизм данной реакции. В рамках решения задачи повышения селективности циклоконденсации кросс-сопряженных енинонов с монозамещенными гидразинами разработан региоселективный метод получения бензо[d]тиазольных производных пиразола. Данный метод основан на предварительном получении аминных аддуктов Михаэля кросс-сопряженных енинонов (5-аминопента-1,4-диен-3-онов) и введении этих аддуктов в реакцию с монозамещенными гидразинами бензо[d]тиазольного ряда. В результате получено с высокими выходами и охарактеризовано более 30 новых 1-(3-стирил-1H-пиразол-1-ил)-1H-бензо[d][1,2,3]тиазолов. За счет удачного расположения атомов азота и серы в молекулах, данные продукты обладают высоким сродством к ионам Co2+, Mo2+ и образуют с ними прочные люминесцентные комплексы. Таким образом, полученные бензо[d]тиазольные производные пиразола являются перспективными молекулами-зондами для обнаружения и количественного определения (с помощью спектрофлуориметрии) кобальта, молибдена и других металлов в различных объектах. Исследовано взаимодействие кросс-сопряженных енинонов с 1,3- и 1,4-динуклеофилами как метод синтеза шести- и семичленных гетероциклов. Показано, что 1,5-диарилпент-1-ен-4-ин-3-оны взаимодействуют с о-фенилендиамином по кетоэтинильному фрагменту, и разработан метод синтеза практически не описанных ранее 4-стирил-3H-бензо[b][1,4]диазепинов. Оказалось, что такие вещества не обладают люминесценцией, но имеют низкую цитотоксичность по отношению к клеточным линиям карциномы легкого (A549) и нормальным легочным фибробластам (WI-26VA). Отсутствие цитотоксичности позволяет рассматривать данные соединения как перфективных кандидатов для скрининга в другой нозологической группе. На основе реакции кросс-сопряженных енинонов с тиомочевиной разработан метод получения производных 2,3-дигидропиридинона. В продолжение исследований фотофизических свойств полученных молекул (научная группа Т. Орловой) обнаружен гипсохромный сдвиг спектров возбуждения люминесценции относительно спектров поглощения арилгидразонов кросс-сопряженных енинонов, содержащих атомы фтора и брома в орто- и пара-положениях бензольного кольца в арильном и стирильном фрагментах. Эффект объясняется перераспределением содержания азо- и гидразо-форм в условиях регистрации электронных спектров поглощения. Выявлено, что наличие атома брома в пара-положении бензольного кольца как заместителя в арильном фрагменте арилгидразона приводит к расщеплению спектра испускания вследствие изменения распределения электронной плотности на ВЗМО и НСМО-уровнях. Данный эффект отсутствует в случае бромзамещенного соединения в пара-положении бензольного кольца в стирильном фрагменте гидразона. Обнаружено узкополосное испускание 2,4-динитрозамещенного арилгидразона; эффект объяснён тем, что азо- и гидразо-формы данного соединения являются резонансными формами, а не таутомерами. Наконец, проведены предварительные исследования реакции синтеза CF3-содержащих кросс-сопряженных енинонов – ранее не описанных полиэлектрофилов с высокой активностью тройной связи. Развитие данного пионерского направления в дальнейшем может обеспечить приоритет российской науке в данной области. Получен массив спектральных (ЯМР, ИК, масс-) и рентгеноструктурных данных по нескольким десяткам новых гетероциклических соединений. По результатам выполнения заключительного третьего этапа проекта опубликована одна статья и принято к публикации еще три работы по рассматриваемым темам. Результаты работы доложены на двух профильных конференциях всероссийского уровня.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты, полученные в рамках проекта, могут быть использованы при производстве жидких кристаллов, молекулярных фотохромных переключателей, органических светодиодов и других объектов супрамолекулярой химии, люминесцентных зондов, а также физиологически активных гетероциклических соединений