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 18-73-00290

НазваниеНовая синтетическая химия производных 4-(гет)арил-3-оксобутановой кислоты в разработке функциональных фотохромных молекул

РуководительЛьвов Андрей Геннадьевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2018 - 06.2020 

Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

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

Ключевые словаФотохромизм, диарилэтен, фотопереключение, органический синтез, циклизация, тиофен, азолы, кетоэфир, циклопентенон, циклогексенон, фотомодуляция

Код ГРНТИ31.21.00

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Irradiate et impera! В последнее десятилетие химики по всему миру стремятся обратимо управлять материалами, устройствами и процессами с помощью света. В ближайшем будущем эта идеология откроет новые возможности для исследований, промышленности и медицины. В последнем случае, например, это наблюдается в новой интенсивно развивающейся области - фотофармакологии. В основе управления светом лежит феномен фотохромизма, обратимого изменения структуры соединения под действием излучения. Фотохромные диарилэтены наряду с азокрасителями и спиросоединениями являются наиболее перспективными и популярными классами фотохромов. Настоящий проект посвящен решению двух задач: разработки нового класса фотохромных диарилэтенов с фотомодулируемой кислотностью и нового класса диарилэтенов-прекурсоров. Соединения, значениями pKa которых можно обратимо управлять с помощью света, активно исследуются в последние годы (начиная с пионерской работы J.-M. Lehn 1999 года). Область их потенциального применения очень широка – от контроля реакционной способности и каталитической активности до управления биодоступностью лекарственных препаратов. В проекте предложена новая концепция фотоуправляемой кислотности, заключающаяся в обратимой кето-енольной таутомеризации, которая становится возможной при фотоциклизации диарилэтена с фенольным мостиком. Ожидается, что предложенные фотохромы превзойдут по своим ключевым параметрам (в первую очередь, изменение константы диссоциации ΔpKa) известные литературные примеры. Оптимальным подходом для изучения корреляций «структура-свойства» и синтеза соединений с заданными свойствами/функциями является использование фотохромного диарилэтена-прекурсора, на основе которого возможен синтез широкого ряда производных. Наиболее популярные из таких диарилэтенов (разработанные M. Irie и B. Feringa) имеют легко модифицируемые гетарильные заместители. В данном проекте планируется разработка нового класса доступных и легкомодифицируемых диарилэтенов на основе 4-гидрокси-4-метилциклопент-2-енонового мостика. С синтетической точки зрения, новизна проекта обоснована исследованием превращений малоизученного класса органических соединений – эфиров и амидов 4-(гет)арил-3-оксобутановой кислоты, метод синтеза первых из которых был разработан в нашей лаборатории только в 2011 году. Для решения первой задачи будет исследована конденсация 4-(гет)арил-3-оксобутаноатов с 1,4-ди(гет)арилбут-2-ен-1,4-дионами по типу Робинсона (только один литературный пример в J. Org. Chem. 2004, 69, 2591). Для решения второй задачи будет проведено детальное изучение недавно обнаруженной руководителем проекта уникальной реакции – аэробной димеризации этил 4-(гет)арил-3-оксобутаноатов с образованием циклопентенонового кольца (описан пример на одном субстрате, A.G. Lvov et al. Org. Lett. 2017, 19, 4395). По результатам работы по проекту планируется публикация трех статей в высокорейтинговых журналах первого квартиля (Q1), включая один обзор.

Ожидаемые результаты
1) Разработка нового метода синтеза замещенных циклогексенонов конденсацией эфиров и амидов 4-(гет)арил-3-оксобутановой кислоты с 1,4-ди(гет)арилбут-2-ен-1,4-дионами (это превращение было ранее описано только на одном примере). Определение оптимальных условий этой реакции, круга возможных субстратов и ограничений. Разработка метода окисления полученных циклогексенонов в соответствующие фенолы. 2) Исследование фотохромизма и фотомодулируемой кислотности полученных диарилэтенов с фенольным мостиком. Новый класс фотохромов с управляемым значением pKa. 3) Подробное исследование аэробной основно-индуцируемой димеризации производных 4-(гет)арил-3-оксобутановой кислоты (ранее это превращения было описано руководителем проекта на одном субстрате). Будут определены оптимальные условия этой реакции, круг возможных субстратов и ограничения.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Проведен анализ методов синтеза фотохромных диарилэтенов-прекурсоров с легко модифицируемыми этеновыми мостиками и их использования в получении фотохромов с заданными свойствами: максимумы поглощения, квантовые выходы и диастереоселективность фотоциклизации, флуоресценция, специфические свойства (совместно с проф. Yasushi Yokoyama, Yokohama National University). Показан большой потенциал диарилэтенов-прекурсоров в направленном синтеза фотохромов, в частности, с высокими квантовыми выходами и фотоустойчивостью. Изучена конденсация по типу Робинсона этил 4-гетарил-3-оксобутаноатов с 1,4-ди(гет)арилбут-2-ен-1,4-дионами и халконами. Синтезирован ряд ранее неизвестных фотохромных диарилэтенов на основе циклогексенонового мостика. Изучено окисление этих соединений в соответствующие фенолы. Ранее разработанные методы с использованием бромида меди(II) или йода позволяют получать соответствующие фенолы с ароматическими заместителями в 5 положении, тогда как наличие в этом положении кето-группы препятствует образованию целевых фенолов. Изучена фотохимия полученных дигетарилфенолов. Показано, что они обладают неудовлетворительными фотохромными свойствами. Изучен фотохромизм диарилэтена с циклогексеноновым мостиком, содержащего фрагмент ацетоуксусного эфира (этил 4,5-бис(2,5-диметилтиофен-3-ил)-3-оксо-1,2,3,6-тетрагидро-[1,1'-бифенил]-2-карбоксилат). С использованием комбинации экспериментальных методов (электронная спектроскопия, 1H ЯМР спектроскопия, рентгеноструктурный анализ) получены данные, что фотоциклизация этого дитиенилэтена приводит к енолизации кето-группы мостика. На сегодняшний день известен только один пример молекулы с похожим фотоиндуцируемым переключением между енольной и кето-группами (Nat. Chem. 2018, 10, 1031; Nat. Catal. 2018, 1, 516), для которой, однако, исходной стабильной формой является енол в виде фенола. В настоящее время подобные молекулярные системы представляют большой фундаментальный интерес (M. Kathan, S. Hecht, Photoswitchable molecules as key ingredients to drive systems away from global thermodynamic minimum, Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 5536). Возможность енализации родственных систем была также продемонстрирована на примере образования бис-пиразолилборатных комплексов железа(II). Показано, что аэробная основно-индуцируемая димеризация этил 4-фенил-3-оксобутаноата приводит к образованию двух изомерных 4-гидроксициклопентенонов, строение которых доказано с помощью рентгеноструктурного анализа и 2D спектроскопии ЯМР. Обнаружено, что фенилацетон не способен димеризоваться в условиях реакции в соответствующие циклопентеноны. Синтезирован ряд метокси-замещенных 4-гидроксициклопентенонов.

 

Публикации

1. Д. Д. Дашицыренова, А. Г. Львов, Л. А. Фролова, А. В. Куликов, Н. Н. Дремова, В.З. Ширинян, С. М. Алдошин, М. М. Краюшкин, П. А. Трошин Molecular structure–electrical performance relationship for OFET-based memory elements comprising unsymmetrical photochromic diarylethenes Journal of Materials Chemistry C, - (год публикации - 2019)

2. Львов А.Г., Йокояма Я., Ширинян В.З. Post‐modification of the Ethene Bridge in the Rational Design of Photochromic Diarylethenes THE CHEMICAL RECORD, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1002/tcr.201900015

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Изучена кето-енольная таутомерия фотохромных производных этил 2-оксоциклогекс-3-енкарбоксилата. Впервые реализован процесс фотоуправляемой кето-енольной таутомерии β-кетоэфира на примере диарилэтена с тиофеновыми заместителями. Этот процесс основан на обратимой циклизации/рециклизации гексатриеновой системы. В случае исходной формы диарилэтена кето-енольное равновесие практически полностью сдвинуто в сторону кетона. Фотоциклизация диарилэтена приводит к новому равновесию, содержащему значительную долю енольного таутомера. Стабилизация енола происходит благодаря системе сопряженных двойных связей и наличию внутримолекулярной водородной связи. Облучение видимым светом приводит к образованию исходного диарилэтена в виде кетона. Данный феномен наблюдается как в полярных, так и неполярных растворителях. Мы ожидаем, что обнаруженный эффект при условии оптимизации структуры диарилэтена (увеличение фотостабильности) может быть использован в фотофармакологии и для создания управляемых светом каталитических систем. Аналогичный диарилэтен, содержащий производное 2-(имидазол-2-ил)пиридина в качестве заместителя при двойной связи способен выступать в качестве лиганда с двумя координирующими сайтами, при этом в качестве одного из сайтов выступает β-кетоэфирный фрагмент в виде енолята. Были получены циклические комплексы железа(II) и изучены их магнитные свойства.

 

Публикации

1. Дашицыренова Д.Д., Львов А.Г., Фролова Л.А., Куликов А.В., Дремова Н.Н., Ширинян В.З., Алдошин С.М., Краюшкин М.М., Трошин П.А. Molecular structure–electrical performance relationship for OFET-based memory elements comprising unsymmetrical photochromic diarylethenes Journal of Materials Chemistry C, J. Mater. Chem. C, 2019, 7, 6889--6894 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1039/C9TC01273G

2. Львов А.Г, Мортел М., Ядыков А.В., Хайнеман Ф.В., Ширинян В.З., Хуснияров М.М. Photochromic diarylethene ligands featuring 2-(imidazol-2- yl)pyridine coordination site and their iron(II) complexes Beilstein Journal of Organic Chemistry, Beilstein J. Org. Chem. 2019, 15, 2428–2437 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.3762/bjoc.15.235

3. Львов А.Г., Ядыков А.В., Лысенко К.А., Хайнеманн Ф.В., Ширинян В.З., Хуснияров М.М. Reversible shifting of a chemical equilibrium by light: The case of keto−enol tautomerism of a β‑ketoester Organic Letters, Org. Lett. 2020, 22, 604−609 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1021/acs.orglett.9b04376

4. Львов А. Г., Йокояма Я., Ширинян В. З. Post-modification of the ethene bridge in the rational design of photochromic diarylethenes The Chemical Record, Chem. Rec. 2020, 20, 51–63 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1002/tcr.201900015

5. - Российские ученые выяснили характеристики элементов памяти в органической электронике ТАСС, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
не указано