Использование эффектов гомо- и гетеромолекулярного взаимодействия BODIPY люминофоров для тонкой настройки спектральных свойств и сенсорики

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 22-73-10167

НазваниеИспользование эффектов гомо- и гетеромолекулярного взаимодействия BODIPY люминофоров для тонкой настройки спектральных свойств и сенсорики

Руководитель Марфин Юрий Сергеевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тихоокеанский государственный университет" , Хабаровский край

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-505 - Строение молекул и молекулярная спектроскопия

Ключевые слова BODIPY, агрегация, ассоциация, флуоресценция, анизотропия, амилоидные структуры, интерфейс, эксимер, эксиплекс

Код ГРНТИ31.15.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение задачи направленного изменения спектральных характеристик BODIPY люминофоров за счет использования механизмов агрегации. Для дипиррометенатов бора (BODIPY) характерно проявление различных фотофизических процессов, обусловливающих изменение положения, вида и интенсивности полос поглощения и флуоресценции в электронных спектрах. Целый ряд механизмов, обуславливающих такие эффекты, связан с проявлениями ассоциации и агрегации люминофоров, в т.ч. образование J- и H-агрегатов, эксимеров и эксиплексов, за счет которых реализуются агрегационно-индуцированное тушение (ACQ) и агрегационно-индуцированная эмиссия (AIE). Значительное влияние на проявление данных эффектов оказывает как структура самого люминофора (например наличие, количество и протяженность алифатических фрагментов, размер pi-электронной системы), так и его молекулярное окружение - природа сольватной оболочки в растворе, полимерной матрицы в гибридном материале, либо свойства поверхности раздела фаз. Управление эффектами агрегации имеет широкие возможности практического применения для тонкой настройки спектральных свойств соединений и реализации сенсорного отклика, значительно расширяя функционал доступных методов воздействия на системы. Среди потенциальных областей применения таких систем - создание светособирающих и светопреобразующих устройств, органических светодиодов, компонентов препаратов для фототермической терапии онкологических заболеваний, но, несомненно, наиболее востребованы они в молекулярной сенсорике и детектировании, в первую очередь для живых систем. Актуальность указанной проблематики подтверждается публикационными и наукометрическими данными, так среди наиболее цитируемых статей по химии BODIPY за последние три года более четверти так или иначе затрагивают вопросы изменения спектральных свойств за счет эффектов ассоциации и агрегации. Вместе с тем, до настоящего времени в литературе отсутствуют системные сведения о закономерностях изменения паттернов агрегации BODIPY при вариации их структуры и окружения. При реализации проекта планируется получение ряда новых BODIPY-люминофоров, отличающихся природой заместителей по периферии дипирринового лиганда, обусловливающих проявление соединениями эффектов агрегационного тушения и разгорания флуоресценции (объемные ароматические заместители, протяженные алифатические фрагменты, полидоменные дипиррины), повышение растворимости в полярных средах, в первую очередь в воде (кватернизированные атомы азота, кислород-содержащие заместители), смещение положений полос поглощения и флуоресценции ближе к ИК-диапазону (переход к аза-дипирринам, аннелирование дипирринов, введение сопряженных ароматических фрагментов). Учет трех перечисленных паттернов позволит не только провести исследование механизмов агрегации BODIPY в разных условиях, но и получить практически-привлекательные для молекулярной сенсорики живых систем водорастворимые NIR-люминофоры. Полученные BODIPY будут исследованы в условиях изменения молекулярного окружения: природы растворителя и концентрации BODIPY в растворе, природы полимерной матрицы в составе твердофазных материалов, характеристик интерфейсов, на которых будут размещены BODIPY (планируется исследование непосредственно на границе раздела газ/несольватирующий растворитель, в моно/полислоях на поверхности гидрофильных и гидрофобных материалов, а также на поверхности крупных биомолекул). Характеристики соединений будут исследованы методами спектроскопии поглощения и флуоресценции, в том числе время-разрешенной спектроскопии флуоресценции; люминесцентной микроскопии, в том числе одномолекулярной флуоресцентной микроскопии. В результате планируется получить широкий перечень спектральных и фотофизических характеристик изучаемых систем, которые вместе с методами квантовой химии и компьютерного моделирования позволят обосновать проявление соединениями агрегационных характеристик, дать детальный прогноз взаимосвязи структура/агрегационные свойства/спектральные характеристики для соединений. Таким образом, реализация данного проекта позволит решить важную фундаментальную задачу развития представлений о реализации механизмов агрегации на свойства органических люминофоров группы BODIPY (с возможностью расширить наблюдаемые закономерности на другие группы соединений). Полученные закономерности позволят предложить новые более эффективные сенсорные системы для детектирования процессов образования амилоидных структур и молекулярных агрегатов, что важно для диагностики целого ряда патологических состояний.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Меркушев Д., Кокурина Т., Марфин Ю. Aminophenyl-Aza-BODIPY Molbank, Т. 2022. № 4. С. M1530. (год публикации - 2022)
10.3390/M1530

2. Москаева О., Лебедев М., Сморцова Е., Молчанов Е., Дюбуа Д., Калугин О., Марфин Ю., Идрисси А., Мианэй Ф.-А. Conformational effect on the photophysics of two BODIPY dyes in a mixture of butanol and acetonitrile: Insight from the steady-state, fluorescence time-resolved spectroscopy and TD-DFT calculations Journal of Molecular Liquids, Journal of Molecular Liquids. – 2023. – С. 121877. (год публикации - 2023)
10.1016/j.molliq.2023.121877

3. Усольцев С.Д., Молчанов Е.Е., Бобров А.В., Ксенофонтова К.В., Шагурин А.Ю., Марфин Ю.С. ВЛИЯНИЕ ЭФФЕКТОВ ГОМО- И ГЕТЕРОМОЛЕКУЛЯРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА ФОТОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЯДА ПРОИЗВОДНЫХ БОРДИПИРРИНА XII Международная научная конференция "Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения" (Сборник тезисов докладов), XII Международная научная конференция "Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения" / С. 135 - 136 (год публикации - 2023)

4. Кокурина Т.В., Ксенофонтова К.В., Меркушев Д.А., Марфин Ю.С. SYNTHESIS AND SPECTRAL PROPERTIES OF A FLUORESCENT SENSOR BASED ON THE 4-HYDROXY-3-METHOXY-BENZALDEHYDE-SUBSTITUTED BODIPY COMPLEX New emerging trends in chemistry conference (NEWTRENDSCHEM-2023) Book of abstracts, New emerging trends in chemistry conference (NEWTRENDSCHEM-2023) Book of abstracts / C. 85 (год публикации - 2023)

5. Бобров А.В., Усольцев С.Д., Молева Н.В., Ксенофонтов А.А., Марфин Ю.С. BODIPY-Based Fluorescent Sensor Material For Airborne Acetone And Benzene With Aggregation-Driven Selectivity Sensors International, (Preprint) Bobrov, Alexander and Usoltsev, Sergey D. and Moleva, Natalya V. and Ksenofontov, Alexander and Marfin, Yuriy S., Bodipy-Based Fluorescent Sensor Material for Airborne Acetone and Benzene with Aggregation-Driven Selectivity (год публикации - 2024)
10.2139/ssrn.4786214

6. Астраханцева И.А., Астраханцев Р.Г., Усольцев С.Д., Макшанова А.О., Райтман О.А., Марфин Ю.С. K-MEANS ANALYSIS OF SPECTRAL PROPERTIES OF BODIPY DYE DURING COMPRESSION ON AIR – WATER INTERFACE: CONSTRUCTION OF DATASET FOR EFFECTIVE CLUSTERING Жидкие кристаллы и их практическое использование, Liq. Cryst. and their Appl., 2024, 24 (2), 43–53. (год публикации - 2024)
10.18083/LCAppl.2024.2.43

7. Бобров А.В., Молева Н.В., Марфин Ю.С. ПОЛУЧЕНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ С BODIPY И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МОЛЕКУЛЯРНОЙ СЕНСОРИКЕ Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции по люминесценции LUMOS 2024, Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции по люминесценции LUMOS 2024, стр. 47 (год публикации - 2024)

8. Шатило А.Г., Набасов А.А., Галанин Н.Е., Усольцев С.Д., Марфин Ю.С. ЗАВИСИМОСТЬ СПЕКТРАЛЬНЫХ И АГРЕГАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОИЗВОДНЫХ 3-(ХИНОЛИН-2-ИЛМЕТИЛЕН)ИЗОИНДОЛИН-1-ОНА ОТ КОЛИЧЕСТВА И ПРИРОДЫ ГАЛОГЕНОВЫХ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции по люминесценции LUMOS 2024, Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции по люминесценции LUMOS 2024, стр. 176 (год публикации - 2024)

9. Блохина П.М., Молчанов Е.Е., Знойко С.А., Усольцев С.Д., Марфин Ю.С. НОВЫЙ ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ АРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В СВЕТЛЫХ НЕФТЕПРОДУКТАХ Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции по люминесценции LUMOS 2024, Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции по люминесценции LUMOS 2024, стр. 132 (год публикации - 2024)

10. Люлина Е.Э., Усольцев С.Д. СИНТЕЗ ПРОИЗВОДНЫХ МЕЗО(ПАРА-ДЕЦИЛОКСИФЕНИЛ) BODIPY С РАЗЛИЧНЫМ ХАРАКТЕРОМ ЗАМЕЩЕНИЯ ХРОМОФОРНОГО ФРАГМЕНТА ВСЕРОССИЙСКАЯ ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ДНИ НАУКИ В ИГХТУ», Сборник тезисов докладов, ВСЕРОССИЙСКАЯ ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ДНИ НАУКИ В ИГХТУ», Сборник тезисов докладов, стр. 316 (год публикации - 2024)

11. Молева Н.В., Бобров А.В. ПОЛУЧЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ С BODIPY И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МОЛЕКУЛЯРНОЙ СЕНСОРИКЕ ВСЕРОССИЙСКАЯ ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ДНИ НАУКИ В ИГХТУ», Сборник тезисов докладов, ВСЕРОССИЙСКАЯ ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ДНИ НАУКИ В ИГХТУ», Сборник тезисов докладов, стр. 185 (год публикации - 2024)

12. Кокурина Т.В., Ксенофонтова К.В., СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ СВОЙCТВ ФЛУОРЕСЦЕНТНОГО МОЛЕКУЛЯРНОГО СЕНСОРА НА ОCНОВЕ BODIPY XXXIV Менделеевская школа-хонференция молодых ученых: сборник тезисов, XXXIV Менделеевская школа-хонференция молодых ученых: сборник тезисов, 25 апреля 2024 г., Казань, стр.121 (год публикации - 2024)

13. Алексахина Е.Л., Иванова А.С., Пахрова О.А., Томилова И.К., Усольцев С.Д., Марфин Ю.С. BODIPY Fluorophores for Evaluating Coagulation Hemostasis Kinetics in Physiological and Pathological States RUSSIAN JOURNAL OF GENERAL CHEMISTRY, Russian Journal of General Chemistry. – 2024. – Т. 94. – №. 7. – С. 1855-1860. (год публикации - 2024)
10.1134/S1070363224070296

14. Молчанов Е.Е., Гаврилова А.Н., Шушкова А.С., Сошникова В.А., Ксенофонтова К.В., Майзлиш В.Е., Дмитриев М.В., Абрамов И.Г., Марфин Ю.С. 8-(4-(3,4-Dicyano)phenoxyphenyl)-2,6-diethyl-4,4-difluoro-1,3,5,7-tetramethyl-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacene: Synthesis and Photophysical Properties Optical Materials, Optical Materials. – 2024. – С. 116558. (год публикации - 2024)
10.1016/j.optmat.2024.116558

15. Блохина П.М., Молчанов Е.Е., Знойко С.А., Усольцев С.Д., Печникова Н.Л., Марфин Ю.С. Development of a new environmentally friendly method for determining aromatic compounds in light petroleum products Optical Materials, Blokhina P. M. et al. Development of a new environmentally friendly method for determining aromatic compounds in light petroleum products //Optical Materials. – 2025. – С. 116746. (год публикации - 2025)
10.1016/j.optmat.2025.116746

16. Гаврилова А.Н., Шушкова А.С., Блохина П.М., Камардина В.И., Молева Н.В., Молчанов Е.Е., Клычева М.М., Бобров А.В., Марфин Ю.С. ПРИМЕНЕНИЕ ЛЮМИНОФОРОВ BODIPY В КАЧЕСТВЕ СЕНСОРОВ НА СЕРОВОДОРОД, АРОМАТИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ И БИОГЕННЫЕ АМИНЫ Современные наукоёмкие технологии. Региональное приложение, №3(79) 2024 (год публикации - 2024)

17. Антина Е.В., Грязнов Д.Д., Молчанов Е.Е., Калинкина В.А., Калягин А.А., Кокурина Т.В., Антина Л.А., Ксенофонтова К.В., Марфин Ю.С., Усольцев С.Д. Influence of Substitution Patterns in a Set of BODIPY Derivatives on Aggregation Properties in Binary Solvent Mixtures Макрогетероциклы, 2024 17(4) 315-321 (год публикации - 2024)
10.6060/mhc245884a

18. Бобров А., Усольцев С., Молева Н., Марфин Ю. (ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ ЗАПОЛНЕННОГО РАНЕЕ ПРЕПРИНТА) BODIPY-based fluorescent sensor material for airborne acetone and benzene with aggregation-driven selectivity Optical Materials, Optical Materials. – 2024. – Т. 157. – С. 116267. (год публикации - 2024)
10.1016/j.optmat.2024.116267

19. Ксенофонтова К.В., Шагурин А.Ю., Молчанов Е.Е., Ксенофонтов А.А., Сбытов Д.А., Каляманова Я.Е., Данилова Е.А., Марфин Ю.С. Insight into Spectral Properties and Solvatochromic Behavior of [b]-Fused BODIPYs: Experimental and Computational Study ChemPhotoChem, ChemPhotoChem. – 2024. – Т. 8. – №. 11. – С. e202400074. (год публикации - 2024)
10.1002/cptc.202400074

Публикации

1. Меркушев Д., Кокурина Т., Марфин Ю. Aminophenyl-Aza-BODIPY Molbank, Т. 2022. № 4. С. M1530. (год публикации - 2022)
10.3390/M1530

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках текущего этапа проекта проведены комплексные исследования в области синтеза и функционализации производных BODIPY и 3-(хинолин-2-илметилен)изоиндолин-1-она, а также изучения их фотофизических и сенсорных свойств. Особое внимание уделено взаимосвязи между структурой соединений, их агрегационным поведением и взаимодействием с биологическими мишенями, что позволило расширить понимание фундаментальных основ применения данных систем в аналитической химии и биомедицине. На данном этапе произведен синтез серии производных BODIPY, совмещающих pH-чувствительные фрагменты и алифатические заместители, предорганизующие молекулы к агрегации. В частности, получены три соединения: 2,6-диэтил-1,3,5,7-тетраметил-µ-(4-октадецилоксифенил)-3-гидрокси-4,4-дифтор-4-бора-3a,4a-диаза-s-индацен, его 3-октадецилоксифениловый аналог и производное с двумя октадецилоксильными группами в мезо-положении (без фрагмента, обеспечивающего pH-чувствительность). Оптимизация синтеза включала применение ультразвуковой обработки на стадии формирования борфторидного комплекса, что повысило выход продуктов за счёт разрушения супрамолекулярных агрегатов в реакционной смеси. Данный подход, ранее не описанный в литературе, открывает новые возможности для синтеза BODIPY-производных с контролируемыми свойствами. Для ранее синтезированного мезо-дициано-феноксифенил-BODIPY методом рентгеноструктурного анализа выявлена паркетно-лестничную упаковку молекул в кристалле (CCDC 2353335), стабилизированную водородными связями (2,448–2,741 Å). Исследование сольватохромии производных 3-(хинолин-2-илметилен)изоиндолин-1-она методом Каталана выявило доминирующую чувствительность к полярности растворителя (параметр SP) и преимущественные различия в чувствительности к диполярной поляризуемости (параметр SdP). Квантово-химические расчёты подтвердили планарность хромофорного ядра и делокализацию граничных орбиталей на галогенных заместителях. Показано, что гибридный функционал CAM-B3LYP наиболее точно воспроизводит экспериментальные тренды, тогда как метод TD-DFT-ris предложен для масштабного моделирования сольватохромии благодаря 2500-кратному ускорению вычислений. Молекулярный докинг и спектрофлуориметрическое титрование выявили структурно-зависимое связывание производных 3-(хинолин-2-илметилен)изоиндолин-1-она с бычьим сывороточным альбумином (BSA). Соединение cBr2 продемонстрировало максимальную энергию связывания (-7.47 ккал/моль), обусловленную Ван-Дер-Ваальсовыми взаимодействиями. Уникальность 4-Cl производного заключается в избирательном связывании с субдоменом IIB BSA, сопровождаемом тушением флуоресценции при концентрациях белка ~0.2-0.3 мкмоль/л. Данный эффект, противоположный разгоранию, наблюдаемому для аналогов, открывает перспективы создания сенсорных систем на основе комбинации BODIPY и хинолин-метилен-изоиндолинонов. Исследование мезо-пиридинил-BODIPY в целлюлозных матрицах показало их превосходство над этилцеллюлозными аналогами в детекции паров сероводорода (на 15% выше отклик при концентрации флуорофора 10⁻⁴ М). Разработанный метод определения H₂S в сыворотке крови (линейный диапазон 35–75 мкг/мл) актуален для диагностики преэклампсии и метаболических нарушений. NHS-BODIPY продемонстрировал бимодальный отклик на биогенные амины: разгорание флуоресценции в первые 2 часа с последующим тушением через 20–24 часа, что обеспечивает точный мониторинг порчи пищевых продуктов. Дополнительно установлена чувствительность фенил-производного BODIPY к ароматическим компонентам в бензине: увеличение их доли на 15% вызывает двукратное снижение люминесценции (R² = 0.93), обусловленное стекинговыми взаимодействиями. Полученные результаты углубляют понимание взаимосвязи между структурой, супрамолекулярной организацией и функциональными свойствами флуоресцентных красителей. Оптимизированные методы синтеза, включая ультразвуковую обработку, и разработанные подходы к моделированию сольватохромии создают основу для целенаправленного дизайна сенсорных систем. Практическая значимость работы подтверждена разработкой методов анализа биомедицинских, пищевых и промышленных образцов. Достигнутые показатели публикационной активности соответствуют заявленным целям проекта, а депонирование кристаллической структуры в Кембриджский банк данных вносит вклад в развитие структурной химии бор-содержащих соединений.

Публикации

1. Меркушев Д., Кокурина Т., Марфин Ю. Aminophenyl-Aza-BODIPY Molbank, Т. 2022. № 4. С. M1530. (год публикации - 2022)
10.3390/M1530