Проект направлен на решение научной проблемы междисциплинарного характера в областях органической, аналитической и физической химии – создание новых перспективных флуорофоров D-A/D-π-A/D-S-A типа на базе 2,2’-бипиридинового/хиназолинового/триазолопиридинового домена (в зависимости от поставленной практической задачи) с заданным сигнальным механизмом и TADF/NLO/AIE-характеристиками для использования в качестве составляющих оптоэлектронных материалов, биологических красителей/проб, а также, по возможности, в качестве биологически активных соединений. Для достижения поставленной цели в проекте будет применена стратегия использования таких подходов, как PASE-методы (Pot, Atom, Step Economic-методы) и/или методы зеленой химии, направленные на получение как 1,2,4-триазиновых прекурсоров, так и соединений на основе 2,2’-бипиридинового/хиназолинового/триазолопиридинового домена, а также реакции кросс-сочетания, в том числе в отсутствие палладиевого катализатора с возможностью получения высокочистых флуорофоров (без примесей маталлов, которые бы могли исказить результаты фотофизических измерений).
Актуальность решения указанной выше научной проблемы связана с высокой потребностью многих отраслей науки и техники в новых хромофорных моделях на базе полигетероциклического домена с TADF/AIE/NLO-характеристикам как основы перспективных флуоресцентных красителей, сенсоров/проб и эмиттеров с целью выполнять различные практические задачи.
Решение сложной практической задачи разработки молекул с термоактивируемой замедленной флуоресценцией (TADF), усилением эмиссии за счет агрегации (AIE-свойств), как основы органических светодиодов (OLED) третьего поколения, обладающие как высоким квантовым выходом фотолюминесценции (PLQY), так и узким энергетическим разрывом (ΔEST) между возбужденными синглетным (S1) и триплетным (T1) состояниями будет достигнуто за счет минимизации перекрытия между высшей занятой молекулярной орбиталью (HOMO) и низшей незанятой молекулярной орбиталью (LUMO) путем использования модели переноса заряда через пространство (TSCT) на основе бипиридинового домена или путем конструирования скрученной структуры флуорофора, состоящей из донорных карбазольных групп и полиазагетероциклического акцепторного домена.
Для эффективного использования полиядерных азагетероциклов в качестве проб/агентов для биовизуализации, в том числе в режиме двухфотонного возбуждения (TPE), будет использована модель планаризованного внутримолекулярного переноса заряда (PLICT), а также дуальная модель планаризованного и скрученного переноса заряда (PLATICT), которые обеспечат ключевые требования к TPE-режиму/биовизуализации, а именно, большой Стоксов сдвиг (больше 100 нм), высокие квантовые выходы в полярных растворителях (например, ДМСО/вода) и батохромный сдвиг максимумов абсорбции (не менее 400 нм) с целью реализации возможности возбуждения лазером 405/561 нм (для конфокального микроскопа) или фемтосекундным лазером на TiS 730 нм (для лазерной системы RAPOP-100, производство «Авеста-проект»).
Научная новизна проекта для развития методологий синтетической органической химии заключается в применении полигетероциклического домена в качестве хромофорной основы с целью конструирования флуорофорных моделей TSCT, PLICT/PLATICT-процессов, клеточных красителей и проб, а также основы для разработки биологически активных соединений.
Научная новизна проекта для фундаментальной науки заключается в следующем. Реализуемый в рамках проекта аналитический срез наработанной базы экспериментальных и теоретических данных позволит классифицировать полученные флуорофоры по типу сигнального механизма, провести анализ зависимости конструкции флуорофора от TADF/AIE/NLO-характеристик, что позволит выдвигать гипотезы о режиме связывания пробы с аналитом, предсказывать тип переноса заряда в зависимости от окружения флуорофора, а также предсказывать характеристики и практическое применение разработанных флуорофоров.
Ожидаемые результаты:
В рамках выполнения проекта запланировано получение следующих результатов:
- Будут разработаны стратегии молекулярного дизайна (не)центросимметричных хромофорных моделей на основе полигетероциклического домена, а именно, 2,2’-бипиридинового/хиназолинового/триазолопиридинового и перспективных флуорофоров на их основе, с учетом возможности варьирования типа донорных или акцепторных фрагментов и их положения, дополнительного аннелирования бипиридинового домена, введение дополнительных донорных карбазольных групп, конструирования орто-замещенных TSCT-моделей на основе бипиридинового ядра и пр. При этом планируется использовать широкий набор синтетических методов в разрезе принципа PASE, методов зеленой химии (реакции в отсутствие растворителя, прямая С-Н-функционализация и т.д.) и реакций кросс-сочетания, в том числе при условии отсутствия палладиевого катализатора.
- Будут выполнены квантово-химические расчеты основного и возбужденного состояния молекул, а также аддуктов проба-аналит с использованием время разрешенных DFT расчетов (TD-DFT) на основе расширенного базисного набора. Будет освоены и реализованы расчеты дескрипторов и критериев, характеризующих природу переноса заряда и TADF/AIE/NLO-характеристик, в том числе с использованием различных математических моделей (Липперта-Матага, Штерна-Фольмера, Бенези-Гильдебранда, Гаммета и пр.).
- На основании полученных результатов теоретических исследований будут спроектированы (не)центросимметричные хромофорные модели на базе 2,2’-бипиридинового/хиназолинового/триазолопиридинового домена под конкретную задачу (получение основы под OLED, биологических красителей/проб, биологически активных соединений) с заданным сигнальным механизмом (внутримолекулярный перенос заряда (ICT), перенос заряда через пространство (TSCT), планаризованный внутримолекулярный перенос заряда (PLICT), дуальная модель планаризованного и скрученного переноса заряда (PLATICT) и пр.) за счет оптимизации требуемой геометрии и/или подбора заместителей, а также с использованием теоретически рассчитанных дескрипторов и критериев.
- Будут созданы обширные библиотеки новых перспективных флуорофоров D-A/D-π-A/D-S-A типа на базе 2,2’-бипиридинового/хиназолинового/триазолопиридинового домена на основании разработанных моделей под конкретную задачу с заданным сигнальным механизмом и TADF/AIE/NLO-характеристиками. Будет осуществлена покраска клеток PLICT/PLATICT-красителями и проведен анализ процессов биовизуализации на основе полученных результатов.
- Будет проведена оценка биологической активности хиназолиновых, пиридазиновых и по возможности других полигетероциклических производных.
- Будет проведено детальное изучение и осуществлен аналитический срез взаимосвязи сигнального механизма ICT/TSCT/PLICT/PLATICT от строения флуорофора, а также корреляция строения флуорофора и TADF/AIE/NLO-характеристик.
- Будет разработана единая схема критериев и дескрипторов, которая позволит реализовывать заданный конкретный сигнальный механизм, выдвигать гипотезы о режиме связывания пробы с аналитом, предсказывать тип переноса заряда в зависимости от окружения флуорофора, а также характеристики и практическое применение разработанных флуорофоров.
- Будет разработана классификация полученных флуорофоров на основные модели и группы согласно типу сигнального механизма и TADF/AIE/NLO-характеристик.
- Будут определены наиболее перспективные модели флуорофоров для получения материалов для прикладного применения (материалы для оптоэлектроники, нелинейной оптики, светоизлучающих диодов, солнечных ячеек, химических сенсоров и т.д.).
- Будет сконструирована и охарактеризована модель светоизлучающего диода на основе TSCT/TADF-флуорофора в рамках Проекта на базе магистерского курса. Будет разработан лабораторный практикум в рамках магистерского курса (УрФУ) «Материалы и устройства молекулярной электроники» по конструированию модели органического светодиода на основе полученного TSCT/TADF-флуорофора.
- Результаты каждого этапа Проекта будут обнародованы на VII-IX Международной конференции «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов» (MOSM 2023-2025) в виде устных и стендовых докладов, а также других научно-значимых мероприятиях (22 Менделлевский съезд, VII международная научная конференция «Успехи синтеза и комплексообразования» и др.).
- Полученные результаты будут опубликованы в 10 статьях в журналах, рецензируемых в базах данных Scopus и Web of Science из квартилей Q1-Q2, а также 2 объектов интеллектуальной собственности (заявка на патент РФ).
Научная значимость полученных результатов Проекта состоит в следующем. Полигетероциклический домен с разнообразным по природе и геометрии периферийным окружением является весьма перспективным для разработки и синтеза (не)центросимметричных хромофорных моделей и конструирования перспективных флуорофоров с разделением заряда (ICT), в том числе иной природы (TSCT, PLICT, PLATICT) в качестве составляющих оптоэлектронных, в том числе нелинейно-оптических, материалов, красителей/проб, а также биологически активных соединений. При этом использование 2,2’-бипиридинового/хиназолинового/триазолопиридинового домена закономерно приведет к значительному улучшение физико-химических характеристик полигетероциклических флуорофоров, например, усилится поляризуемость, проявится ацидохромия и хелатирующие свойства, улучшится растворимость и др. Кроме того, ожидается, что усилятся либо проявятся новые фотофизические характеристики, например, проявится иная природа переноса заряда (TSCT, PLICT, PLATICT), AIE-эффекты, механохромия, увеличится сечение при двухфотонном возбуждении в результате отсутствия центросимметрии и др. И наконец, ожидается проявление биологической активности полученных в рамках Проекта соединений.
Таким образом, результаты Проекта имеют большую фундаментальную и практическую значимость.