Разработка стратегий функционального дизайна смарт-материалов, сочетающих в себе несколько молекулярных механизмов, лежащих в основе их работы, является актуальной междисциплинарной задачей. Широкий спектр целевых свойств смарт-материалов предполагает использование различных синтетических подходов. Одним из таких локомотивных направлений дизайна является контролируемое воспроизведение молекулярных механизмов, реализованных в реальных живых системах, – так называемая, химическая биомиметика. Наряду с отмеченным Нобелевской премией по химии в 2018 г. научным направлением «химическая эволюции ферментов», химическая биомиметика сочетает в себе две тенденции: использование принципов функционирования реальных молекулярных машин и развитие синтетических подходов к частичному или полному воспроизведению данных структур in vitro. В этом контексте конструирование молекулярных скаффолдов является одной из самых актуальных задач. Тонкая настройка пространственной конформации и химического окружения позволяет применять молекулярные скаффолды для проведения каталитических превращений по типу ферментативных реакций.
В текущем проекте предлагается использование наноразмерных (диаметр 2.9 нм) полиоксометаллатов (ПОМ) со структурой Кеплерата – Мо132 в качестве неорганической платформы для направленного функционального дизайна, а именно, модификации поверхности нанокластера Мо132 молекулами олигопиррольных красителей (семейства BODIPY и порфиринов) и органическими фрагментами различной природы (ациклические и циклические алифатические углеводороды, ароматические соединения, оптически активные аминокислоты). Таким образом будут получены надмолекулярные триады «Фотосенсибилизатор-ПОМ-Молекулярный скаффолд», которые будут испытаны в фотокаталитических реакциях окисления несимметричных органических сульфидов до сульфоксидов, являющихся важным классом органических соединений, в частности, для получения целевых стереоизомеров лекарственных средств.
Реализация предложенной стратегии дизайна сочетает в себе решение задач, охватывающих фундаментальные химические разделы: процессы фотоиндуцированного переноса электрона (PET-процессы) и энергии (FRET) в агрегатах олигопиррольных красителей и на металл-кислородных интерфейсах (ПОМ); влияние темплатного эффекта наноразмерных кластеров на процессы межмолекулярной упаковки олигопиррольных красителей (семейства BODIPY и порфиринов) и эволюцию их надмолекулярных ансамблей; влияние химического окружения молекулярного скаффолда на скорость окисления асимметричных сульфидов и на стереоспецифический аспект данных превращений.
В основу подходов к модификации поверхности ПОМ органическими молекулами различной природы положены оригинальные синтетические методики, разработанные автором проекта в рамках предыдущего гранта РНФ 19-73-00177 «Системы пролонгированного высвобождения лекарств с функцией "обратной связи" на основе нанокластерных полиоксометаллатов». Суть методик заключается в возможности контролируемой функционализации поверхности нанокластера Мо132 молекулами кремнийорганических соединений (в частности, несущих амино- или винильные группы) посредством варьирования стехиометрического состава реакционной смеси, кислотности среды, введения органических аммонийных катионов и молекул спирта, запускающих обмен лигандов и тем самым активирующих реакционные центры на поверхности ПОМ, подвергающиеся модификации. Такая модификация может проводиться в среде метанола или толуола, что позволяет осуществлять постмодификацию нанокластеров, терминированных амино- и/или винильными группами, широким набором органических соединений. Данная методика модификации ПОМ позволяет вводить контролируемое количество молекул кремнийорганики, сохраняя способность нанокластера Мо132 к растворению в водной среде, где он представляет собой многозарядный макроанион, способный к эффективной ассоциации с катионными формами фотосенсибилизаторов, таких как H2TPyP = 5,10,15,20-тетракис(4-метилпиридил)порфирина и BODIPY с метилпиридинием в мезоположении (CAT-BODIPY), по средством электростатических взаимодействий.
Таким образом, в рамках проекта предлагается получение как электростатических ассоциатов Мо132 с H2TPyP и CAT-BODIPY, так и ковалентных конъюгатов с теми же фотосенсибилизаторами, но ни несущими положительного заряда на периферийных группах. Ковалентное связывание планируется проводить посредством осуществления клик-реакций между поверхностью Мо132, терминированной амино- или винильными группами, и производными BODIPY и порфиринов, несущих карбоксильные или тиольные функциональные фрагменты (линкеры), соответственно. В качестве клик-реакций, выбраны реакции сочетания групп COOH/NH2 в присутствии карбодиимида/NHS-эфира и тиол-еновая реакция, реализуемая в свободно радикальном режиме при облучении УФ. Результатом получения ассоциатов и конъюгатов олигопиррольных красителей с ПОМ станет комплексный анализ влияния природы фотосенсбилизатора, геометрии его агрегатов и характера связывания (природы линкера) с поверхностью нанокластера на фотофизические характеристики системы: динамику и эффективность PET-процессов, лежащих в основе фотокаталитической активности диад «неорганический кластер-краситель».
Формирования молекулярных скаффолдов планируется проводить на поверхности ассоциатов и конъюгатов ПОМ-Краситель посредством стратегии постмодификации. Идеология такого подхода заключается в последовательной функционализации поверхности Мо132 ограниченным числом амино- или винильных групп, которые нужны для образования конъюгатов с молекулами красителя. После образования ассоциатов или конъюгатов проводиться введение дополнительных амино- или винильных групп, которые уже будут участвовать в ковалентном связывании функциональных группировок, призванных создать необходимую пространственную структуру и химическое окружение в молекулярном скаффолде на поверхности ПОМ. Уникальной особенностью данного ПОМ Мо132 является обнаруженная нами избирательность молекул триалкоксисиланов при взаимодействии с кислородными полиэдрами Мо132. Так, предельное число аминогрупп, которые может вместить нанокластер, равно 60, что соответствует числу кислородных полиэдров Мо(+5), входящих в состав 30 димолибденовых мостиков {Mo2}. Поверхность нанокластера имеет высокоупорядоченную текстуру, в которой соседние мостики {Mo2} расположены по углам равностороннего треугольника. В результате, даже принимая во внимание статистический характер модификации фрагментов {Mo2} в структуре Мо132 при первичной функционализации кремнийорганикой, на этапе постмодификации возможно создание локальных областей с заданным химическим и пространственным окружением (скаффолдов), упорядоченных текстурой поверхности ПОМ. В частности, для создания скаффолдов планируется использование вышеуказанных соединений, содержащих тиольную группу, для их прививания к поверхности Мо132, терминированного винильными группами, через фотоактивационную тиол-еновую реакцию. Ожидаемо, такие сульфидные линкеры будут достаточно быстро окислены до соответствующих сульфоксидов в условиях фотокатализа, что создаст, в свою очередь, необходимое химическое окружение в скаффолде. Создание локальных областей на поверхности ПОМ, где сконцентрированы сульфоксидные группы, может быть интересным для проведения реакций окисления по типу реакций Олбрайта-Голдмана (Albright-Goldman) и Пфицнера-Моффата (Pfitzner-Moffat).
Использование набора органических соединений из различных классов (ациклические и циклические алифатические углеводороды, ароматические соединения, оптически активные аминокислоты) в качестве функциональных фрагментов, составляющих скаффолд, позволит изучить влияние природы скаффолда на реакции фотокаталитического окисления асимметричных сульфидов до сульфоксиодов. Реакции фотоокисления и фотовосстановления с участием простых и «гигантских» ПОМ хорошо известны и имеют практическую ценность, тогда как окисления прохиральных молекул сульфидов представляет собой хорошую модельную систему, которая позволит оценить стереоспецифический характер фотоокисления в присутствии молекулярных скаффолдов на металл-кислородных интерфейсах. Кроме того, как было отмечено, синтез целевых стереоизомеров лекарственных соединений может быть реализован через промежуточное получение соответствующих оптически активных сульфоксидов, что представляет собой отдельную ценность.
Таким образом, предлагаемый к реализации проект отвечает критериям актуальности и новизны как в части формулирования ключевой проблематики исследования, так и в части подходов к ее решению.