Синтез и физико-химические свойства дипиррометенатов бора (III), содержащих алкильные и ароматические заместители тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Молчанов Евгений Евгеньевич

• Молчанов Евгений Евгеньевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Молчанов Евгений Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. BODIPY - историческая справка, номенклатура

1.2. Общие подходы к синтезу BODIPY

1.3. Подходы к направленной структурной модификации BODIPY

1.4. Полидоменные структуры на основе BODIPY

1.5. BODIPY с максимумами поглощения и флуоресценции в красной и ближней ИК областях

1.6. Возможности практического применения BODIPY

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.2. Синтез алкилированных полидоменных BODIPY(1-3)

2.3. Синтез незамещенных полидоменных BODIPY(4-6)

2.4. Синтез аннелированных ароматическими фрагментами BODIPY(7,8)

2.4.1. Синтез BODIPY7

2.4.2. Синтез BODIPY8

2.5. Синтез BODIPY9

2.6. Синтез BODIPY10 и 11 c винилтиофеновыми фрагментами

2.7. Синтез BODIPY13

2.8. Определение квантового выхода флуоресценции и констант скорости радиационного и безызлучательного рассеяния синтезированных соединений

2.9. Полипараметрический анализ спектральных характеристик

2.10. Количественное определение сольватохромных эффектов методом полуэмпирического анализа

2.11. Метод определения цитотоксичности

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Синтез и установление структуры полученных БОЭГРУ

3.1.1. Синтез алкилированных полидоменных БОЭГРУ

3.1.2. Синтез незамещенных полидоменных БОЭГРУ

3.1.3. Синтез аннелированного нафталиновыми фрагментами БОЭ1РУ7

3.1.4. Синтез несимметрично-аннелированного фенильным фрагментом БОЭ1РУ8

3.1.5. Синтез несимметрично-замещенного БОЭ1РУ9 с бензоимидазольным фрагментом

3.1.6. Синтез симметричного БОЭГРУЮ с винилтиофеновыми заместителями

3.1.7. Синтез БОЭ1РУ13

3.2. Спектральные и фотофизические свойства синтезированных БОЭГРУ

3.2.1. Влияние природы лиганда на спектральные свойства полученных соединений

3.2.2. Влияние концентрации красителя на спектральные свойства полученных соединений

3.2.3. Влияние природы растворителя на спектральные свойства полученных соединений

3.3. Квантово-химические расчеты спектров поглощения

3.4. Цитотоксичность БОЭ1РУ7

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез и физико-химические свойства дипиррометенатов бора (III), содержащих алкильные и ароматические заместители»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность и степень разработанности темы исследования.

Дипиррометенаты бора (BODIPY) привлекают все большее и большее внимание исследователей, и число публикаций по данной тематике за последние 30 лет растет в геометрической прогрессии. Это связано как с выраженными хромофорными и флуоресцентными характеристиками данных соединений в растворах и их высокой фотоустойчивостью, так и возможностью плавного изменения этих характеристик путем структурной функционализации для решения конкретных практических задач. Среди потенциальных областей применения BODIPY следует отметить возможность их использования в качестве красителей в лазерной технике и фотоэлектрических преобразователях, а также флуоресцентных маркеров и фотодинамических агентов при проведении диагностики и терапии онкологических заболеваний.

Среди разнообразных по структуре BODIPY наибольший интерес представляют высокоинтенсивные флуоресцентные молекулярные сенсоры, которые могут быть оптимизированы под определенные фотофизические эффекты. Реализация данных эффектов может быть достигнута за счет сольватационных и агрегационных процессов, явлений переноса энергии, а также других воздействий. Все это стимулирует поиск новых структур на основе BODIPY для создания материалов с заданными свойствами. В этой связи развитие и обобщение представлений о возможностях модификации данного класса ароматических соединений, поиск новых путей и подходов для получения конкретных структур, а также установление взаимосвязи структуры соединений с проявляемыми спектральными характеристиками остается на сегодняшней день важной задачей в химии дипиррометенатов бора и их аналогов.

Одним из вариантов химической модификации является сочетание нескольких дипирриновых доменов в одной молекуле. Разнообразие вариантов объединения доменов рождает широкие возможности для синтеза

соединений с необходимыми спектральными характеристиками для конкретных практических применений. Кроме того, полидоменные структуры представляют интерес вследствие проявления синергического эффекта, обусловленного взаимовлиянием отдельных элементов структуры. Инструментом управления спектральными характеристиками является и увеличение протяженности хромофорной системы дипирринового ядра, что позволяет сместить спектральные полосы поглощения и флуоресценции БОЭГРУ в более длинноволновую область. Функционализация бордипирринового ядра ароматическими заместителями также приводит к батохромному смещению спектральных полос и повышает сродство люминофоров к биологическим средам, а также увеличивает интенсивность сенсорного отклика на состав локального молекулярного окружения.

В этой связи переход от традиционных BODIPY к структурам, модифицированным с целью настройки спектральных характеристик и реализации различных фотофизических эффектов, является актуальной и практически значимой задачей. Вместе с этим многообразие структур БОЭГРУ ставит перед исследователями новое направление в поиске оптимальных способов функционализации, исследовании свойств и объяснении механизмов, обусловливающих наблюдаемые на опыте спектральные изменения.

Цель и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является поиск удобных и эффективных методов получения новых люминофоров БОЭГРУ, функционализированных алкильными и ароматическими заместителями, и изучение свойств полученных соединений.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: • разработка методик направленного синтеза, получение и установление строения комплексов BODIPY, различающихся количеством доменов BODIPY в составе молекулы, природой центрального гетероатома, заместителями в ядре BODIPY и протяженностью п-электронной системы люминофоров;

• экспериментальное определение спектральных характеристик BODIPY-люминофоров в условиях варьирования сольватного окружения и концентрации соединений, установление и анализ влияния природы растворителя на свойства исследуемых соединений;

• сравнительный анализ спектральных характеристик исследуемых BODIPY методами квантовой химии и регрессионного анализа;

• поиск областей практического применения синтезированных соединений.

Научная новизна исследования.

Разработаны эффективные методы синтеза 11-и новых BODIPY, различающихся числом бордипирриновых доменов, природой мезо-атома, природой заместителей в периферии дипирринового лиганда и протяженностью сопряженной ароматической системы.

Показано, что алкилирование, аннелирование, введение тиофеновых групп в метилированные а-положения дипирронового лиганда приводит к батохромному смещению максимумов поглощения и флуоресценции. Число доменов в составе молекулы BODIPY практически не влияет на положение максимумов полос поглощения и флуоресценции.

Впервые исследованы спектральные характеристики новых борфторидных комплексов дипиррометенов в условиях варьирования природы растворителя и концентрации люминофора в растворе. Полученные спектры поглощения и спектры флуоресценции, а также ряд важнейших фотофизических характеристик, таких как квантовый выход флуоресценции, величина Огоксового сдвига, время жизни возбужденного состояния, роторный эффект, позволили установить ключевые закономерности в изменении спектральных свойств комплексов BODIPY в зависимости от структуры молекулы и природы растворителя.

Впервые экспериментально установлено и методами квантовой химии подтверждено изменение характера спектральных полос для двух комплексов BODIPY: 8-(3,5-диметилфенил)-3,5-(2-винилтиофен)-1,7-диметил-4-боро-

3а,4а-диаза-симм-индацена, и 8-(3,5-диметилфенил)-Ъ,Ъ '-динафтил-4-боро-3а,4а-диаза-симм-индацена, связанное с расширением п-электронной системы дипирринового ядра.

Проведен систематический анализ влияния расширения электронной системы дипирринового лиганда и увеличения их количества на свойства соединений и проявляемые ими механизмы изменения спектральных откликов.

Впервые исследована темновая токсичность 8-(3,5-диметилфенил)-Ъ,Ъ'-динафтил-4-боро-3а,4а-диаза-симм-индацена в отношении форменных элементов крови in vitro, и доказано, что данное соединение не обладает цитотоксическим действием и может быть использовано в качестве флуоресцентного молекулярного зонда.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Представленные результаты расширяют имеющиеся представления о получении, свойствах и возможностях практического использования борфторидных комплексов дипиррометенов, различающихся числом бордипирриновых доменов, природой центрального гетероатома молекулы, размером хромофорной системы, а также заместителями в периферии бордипирринового ядра.

Предложенные подходы к направленному синтезу функционализированных комплексов BODIPY расширяют возможности тонкой настройки спектральных и фотофизических характеристик для использования получаемых эффектов в конкретных практических применениях.

Синтезированные люминофоры BODIPY проявили как положительный, так и отрицательный сольватохромизм, что объясняется особенностью структурного строения и природой локального молекулярного окружения. Использованные подходы к структурной модификации позволили сместить спектральные полосы в дальнюю красную и ближнюю инфракрасную области, что представляет интерес для молекулярной биосенсорики и диагностики

онкологических заболеваний. Наблюдаемое повышение величин коэффициентов экстинкции для синтезированных полидоменных BODIPY структур позволяют уменьшить рабочие концентрации люминофора, а усиленная тенденция к агрегации в растворах открывает возможности применения полидоменных комплексов в областях, где требуется отклик на минимальные изменения концентрации красителя в жидкой фазе.

Методология и методы исследования.

Для подтверждения молекулярной структуры и изучения физико-химических характеристик синтезированных соединений в растворах был задействован широкий спектр современных методов анализа, включающий: спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР) на ядрах и ПВ, масс-спектрометрию MALDI TOF, рентгеноструктурный анализ, спектроскопию поглощения и флуоресценции, разрешенную во времени флуоресцентную спектроскопию. Для подтверждения полученных в работе результатов были выполнены квантово-химические расчеты свободной энергии Гиббса, граничных молекулярных орбиталей, спектров поглощения и флуоресценции. Для численного представления сольватохромных эффектов была использована группа методов, представляющая собой полипараметрический регрессионный анализ.

Анализ темнового цитотоксического действия на морфологические характеристики форменных элементов крови с использованием фазово-контрастной микроскопии с детекцией измененных клеток и анализ интенсивности свободно-радикальных процессов деградации клеточных мембран, позволили изучить токсическое действие исследуемых соединений in vitro.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методики синтеза соединений дипиррометенатов бора (III) с различной структурой и количеством дипирриновых доменов в молекуле и установление их строения.

2. Возможности применения различных спектральных и фотофизических методов для анализа характеристик дипиррометенатов бора(Ш) в условиях варьирования природы растворителя и концентрации комплекса в растворе.

3. Проявление полученными комплексами интенсивных фотофизических эффектов, таких как хромофорные и флуоресцентные отклики на изменение природы растворителя, вязкости и концентрации красителя.

Степень достоверности и апробация результатов работы.

Достоверность результатов работы подтверждается воспроизводимостью экспериментальных данных, полученных с использованием ряда современных физико-химических методов исследования, а также согласованностью выводов, сделанных на основе сравнительного анализа экспериментальных, расчетных и литературных данных.

Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях: всероссийской научной конференции «Фундаментальные науки - специалисту нового века» (студенческая научная школа-конференция «Дни науки в ИГХТУ»), (г. Иваново, 2018, 2019 гг.); международной конференции «Спектроскопия координационных соединений» (КУБГУ, г. Туапсе, 2019-2021 гг.); зимней школе-конференции «WSOC-2020 Марковниковские чтения» (МГУ, пансионат Красновидово, 2020 г); XIV международной конференции «Синтез и применение порфиринов и их аналогов» (1СРС-14) (ИГХТУ, г. Иваново, 2022 г.); международном научно-практическом фестивале «Научно-исследовательская деятельность в классическом университете» (ИвГУ, г. Иваново, 2022 г.); IX международной конференции по физической химии краун-соединений, порфиринов и фталоцианинов. Сборник тезисов докладов (г. Москва, 2022 г); всероссийской конференции «Жидкие кристаллы и умные наноматериалы» (XI Чистяковские чтения, г. Иваново, 2023, 2024 гг.); XXI молодежной научной конференции «Функциональные материалы: синтез, свойства, применение» (ИХС РАН, г. Санкт-Петербург, 2023 г.); XXVII всероссийской конференции молодых

ученых-химиков (с международным участием) (ННГУ им. Н.И. Лобачевского,

г. Нижний Новгород, 2024).

Публикации.

Основные положения диссертационного исследования в полной мере изложены в 1 5 научных публикациях, включающие 7 статей, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, а также 8 тезисов докладов, представленных на международных и всероссийских научных конференциях.

Личный вклад автора заключается в проработке литературы по теме диссертационной работы, планировании и проведении экспериментальных исследований, а также в обработке экспериментальных данных, выполнении расчетов характеристик соединений. Постановка цели и задач работы, обсуждение результатов и написание статей выполнены совместно с научным руководителем.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №19-33-90232. Объем и структура диссертации.

Диссертация изложена на 1 41 странице машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, заключения и приложения. Работа содержит 36 схем, 57 рисунков, 11 таблиц, список литературы, включающий 134 наименования. Благодарности:

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю,

д.х.н., ректору Тихоокеанского государственного университета (ТОГУ) Марфину Юрию Сергеевичу, за ценные советы и всестороннюю помощь на всех этапах планирования и проведения исследований. Автор также выражает благодарность д.х.н., профессору, заведующему кафедрой технологии тонкого органического синтеза ИГХТУ Даниловой Елене Адольфовне, к.х.н., старшему преподавателю кафедры неорганической химии ИГХТУ Ксенофонтовой Ксение Витальевне, д.х.н. Телегину Феликсу Юрьевичу и всему коллективу кафедры неорганической химии ИГХТУ за всестороннюю помощь и поддержку на различных этапах исследования.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1. ВОБ1РУ - историческая справка, номенклатура

Дипирролилметены (дипиррометены) являются представителями соединений с хромофорной системой, у которых присутствует открытая олигопиррольная структура [1].

Впервые борфторидный комплекс дипирролилметена 1.1 (ВОЭШУ) был получен в 1968 году Требисом и Кройцером, как побочный продукт реакции ацилирования 2,4-диметилпиррола уксусным ангидридом в присутствии эфирата трифторида бора [2]. Сконденсировавшиеся в кислой среде по свободному а-положению пирролы вступили в реакцию комплексообразования с частицей ВБ2, донором которой послужил эфират трифторида бора (схема 1.1).

Структуры данного типа обладают химической устойчивостью, большим молярным коэффициентом поглощения, высоким квантовым выходом флуоресценции, узкими спектральными полосами поглощения и эмиссии (рис. 1.1). Они электронейтральны и низкотоксичны по сравнению со своими аналогами [3-11] и до начала XXI века данные соединения не привлекали пристального внимания исследователей. Интерес к ВОЭШУ ограничивался лишь изучением их возможного применения в качестве активных сред для лазеров на красителях [12].

Схема 1.1

1 2

450 470 490 510 530 550 570 590 610 630 650

Рис. 1.1. Типичный спектр поглощения (1) и относительная интенсивность флуоресценции (2) комплекса ВОВ1РТ в бензоле.

Номенклатура ВОВ1РТ по системе ШРАС несколько отличается от традиционной номенклатуры дипирринов. Однако, для всех трёх базовых соединений 1.2-1.4 этого семейства (схема 1.2) центральный или мостиковый атом углерода (С5, для 1.4 С8) имеет название мезо-положения. Кроме того, углероды, ближайшие к атому азота, носят название а-углероды (С1, С9, для 1.4 С3,С5), что подчёркивает их высокую реакционную способность (остальные углероды по такой номенклатуре - находятся в ^-положениях).

Схема 1.2

МЕЗО

1.2 1.3 1.4

Наряду с традиционной, часто встречается номенклатура, где за основу построения названия принимается индацен. Таким образом, БОВ1РУ1.4, будет называться по ШРАС как 4-боро-3а,4а-диаза-симм-индацен, а с точки зрения традиционной номенклатуры - борфторидный комплекс дипирролилметена

или дипиррометена. Эта номенклатура также используется и для люминофоров BODIPY, их называют дипиррометенаты бора.

1.2. Общие подходы к синтезу BODIPY Разнообразие синтетических подходов, обеспечивающих введение заместителей в хромофорный лиганд - путь к получению новых селективных сенсоров на ионы металлов, анионы, нейтральные молекулы и пр. [13]. Синтетическая химия BODIPY открывает множество способов дизайна структур данного типа для конкретных практических применений.

Наиболее актуальная на данный момент сфера применения BODIPY люминофоров подразумевает их использование в качестве флуоресцентных сенсоров [14-16] так называемых "ON/OFF индикаторов" [17,18], а также маркеров или меток различных биомолекул и биологических систем [19-21].

Существует два основных подхода к получению дипирриновых лигандов в синтезе BODIPY [22-25].

• Конденсация пирролов и ароматического альдегида в присутствии каталитических количеств кислоты с последующим окислением мостиковой связи и комплексообразованием с трифторидом бора, который обычно вносят в виде эфирата (схема 1.3).

Схема 1.3.

V -1чн

1.5

В качестве протонирующего агента, на стадии образования лиганда используется трифторуксусная кислота. Для окисления мостиковой связи традиционно используют DDQ (2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-бензохинон). Перед комплексообразованием с эфиратом трифторида бора в реакционную массу вводят триэтиламин (схема 1.4) для депротонирования лиганда по одному из атомов азота [26-28].

НЬ- НВг

нь

Т > 30 мин -

-НБ

[вр2ц

Образование борфторидного комплекса происходит через протонированный трифторидный комплекс дипиррина [HL*BF3], при нагревании которого в течение 30 минут происходит отщепление фтороводорода с образованием BODIPY [BF2L].

• Конденсация пиррола с ацилированным пирролом (схема 1.5) проходит легко в присутствии кислоты по а-положению с образованием дипиррометена (лиганда).

Он +Д0

н

Схема 1.5. я

о +

нг

н

/

в; р' >

1.7

х = а, Br

Реакция комплексообразования протекает точно так же, как и в первом методе. Однако, преимущество этого метода синтеза BODIPY состоит в том, что можно получать ассиметричные BODIPY1.8, путем конденсации пирролов с различными заместителями (схема 1.6) [29].

х

1.Р0С13

2. КЕ13> ВБз

\

1.8

1.3. Подходы к направленной структурной модификации ВОБ1РУ

Структурный дизайн должен осуществляться с учетом определенных критериев: синтетическая доступность, селективность и химическая стабильность целевого продукта. Существуют различные методы структурной модификации, удовлетворяющие данным критериям. Рассмотри их ниже.

Введение мезо-заместителя. Для введения мезо-заместителя используется подход, который достаточно хорошо отработан для соединений порфиринового ряда. Главное преимущество этого способа - коммерческая доступность и разнообразие исходных ароматических альдегидов, а также возможность их модификации непосредственно в структуре BODIPY. Предполагаемый мезо-заместитель может быть введен непосредственно в исходный ацилированный пиррол [29].

Введение заместителей в пирролъные фрагменты. Самый простой и часто используемый метод функционализации BODIPY заключается в использовании коммерческого замещенного пиррола [30].

Однако этот метод не лишен существенного недостатка: функционализация пиррола - крайне трудоемкий процесс.

В то же время, возможно введение галогена на одной из стадий синтеза BODIPY (схема 1.7). Например, введение атома хлора осуществляется на стадии получения промежуточного продукта - дипиррометена (BODIPY1.10). В качестве агента галогенирования в таких реакция чаще всего используют №хлор/бромсукцинимиды [31, 32].

Поскольку, галоген — это хорошая уходящая группа, галогенопроизводные БОЭГРУ становятся способными к селективному замещению по этому атому (схема 1.8).

Схема 1.8.

Введение галогена является очень распространенной реакцией для получения олигомерных систем с расширенной п-электронной системой типа push-pull [33] (схема. 1.9). Такие системы (BODIPY1.15) имеют в электронных спектрах максимумы полос поглощения и флуоресценции в более длинноволновой области, чем моно-BODIPY, но обладают более слабыми кумулятивными свойствами [34-36].

1.14

Рс1(РР11з)С12

п=0-4

1.15

1,3,5,7-Замещённые БОВ1РУ (со свободным ^-положением) часто используются для присоединения различных функциональных групп по этому положению. В литературе описаны случаи успешного нитрования [4] и формилирования по Вильсмайеру подобных систем (БОВ1РУ1.16). Хотя формилпроизводные были впервые упомянуты еще Кевином Бюргессом [4], но научная группа Цзяо первая опубликовала полный синтез и использовала это соединение в конденсации Кнёвенагеля для получения дициановинилпроизводного [37] (схема 1.10; BODIPY1.17).

\ Р0СЧ

ДМФ

Схема 1.10.

N0

^СМ

н

1.15 1 ' 1.16 ' ' 1.17

В настоящее время большое внимание уделяется превращениям с использованием реакции С-Н активации на переходных металлах [38]. Химическая устойчивость люминофоров класса BODIPY позволяет использовать в качестве способа модификации все существующие подходы к

превращениям данного типа. Наглядным примером может служить палладий-катализируемое присоединение двойной связи по 2-му и 6-му положеням пиррольных фрагментов, произведённое группой Бюргесса [4] (схема 1.11).

Схема 1.11.

Замещение атома фтора в структуре BODIPY также можно рассматривать как модификацию молекулы люминофора, хотя оно незначительно влияет на спектральные свойства данного соединения. Однако, с помощью такой модификации можно добиться увеличения полярности молекулы, тем самым увеличив ее растворимость в воде [39]. Кислородсодержащие нуклеофилы замещают фтор как в присутствии оснований, так и кислот Льюиса. Например, в мезо-фенил-1,3,5,7-тетраметил BODIPY, при замещении фтора в растворе метилата натрия в метаноле, образуется смесь моно- и ди-метоксизамещённых систем соответственно (BODIPY1.19 и BODIPY1.20, схема 1.12).

Схема 1.12.

мезо-(п-Йод)фенил-1,3,5,7-тетраметил BODIPY1.21 в дихлорметане с безводным трихлоридом алюминия образует интермедиат BODIPY1.22 (схема

1.13), который позволяет эффективно провести дальнейшее замещение атомов фтора алкоксильными группами (BODIPY1.23).

Схема 1.13.

В некоторых случаях никакого влияния на спектральные характеристики не происходит, однако в ряде случаев наблюдается полное тушение флуоресценции. Фотостабильность полученных флуорофоров значительно ниже, чем у дифторидов [40' 41].

Схема 1.14.

Арильные анионы, в виде реактивов Гриньяра и литийорганических агентов, способны замещать фтор в структуре BODIPY с образованием сложных хромофорных систем (схема 1.14; BODIPY1.24, BODIPY1.25). Такая

модификация приводит к перераспределению электронной плотности в структуре хромофора с увеличением стоксового сдвига.

Таким же образом могут быть получены водорастворимые хромофоры [2, 42, 43].

Несмотря на то, что в литературе к настоящему времени приводится достаточно примеров синтеза производных моно-BODIPY, существует небольшое количество отчетов о мультидоменных BODIPY, содержащих в своем составе два и более бордипирриновых ядра.

Так, моно (1.26), диаду (1.27) и триаду (1.28) BODIPY обычно получают по стандартной методике конденсацией 2,4-диметил-3-этилпиррола и 1,3,5-бензотрикарбонилхлорида с последующим комплексообразованием с трифторидом бора (схема 1.15) [44]. Выходы этих соединений после очистки составили соответственно 39, 46 и 15 %.

1.4. Полидоменные структуры на основе ВОБГРУ

Схема 1.15

1.28

Мульти-BODIPY проявляют эффекты внутреннего переноса энергии между доменами BODIPY. Величина этого эффекта зависит от структурной жесткости и передачи п-электронной плотности. Пространственный вклад супрамолекулярных взаимодействий, как правило, приводит к эффективной передаче энергии [44]. В электронном спектре поглощения синтезированных продуктов наблюдается батохромный сдвиг максимумов полос поглощения и флуоресценции в ряду 1.26 ^ 1.27 ^ 1.28. Так, максимумы полос поглощения и флуоресценции, измеренные в ацетонитриле, расположены при 524; 527; 531 нм и 542; 548; 556 нм соответственно. При этом происходит значительное увеличение квантового выхода в результате конъюгации п-электронов различных доменов BODIPY, что хорошо иллюстрируют данные, приведенные в таблице 1.1 [44].

Таблица 1.1.

Значение длин волн максимумов поглощения (Хпогл), возбуждения флуоресценции (Хвозб), флуоресценции (Хф) и квантового выхода __флуоресценции (Ф/) _

Соединение Растворитель Хпогл, нм Хвозб, нм Хф, нм

1.26 ДМФА 529 470 546 0,39

Хлороформ 532 470 550 0,53

ТГФ 528 470 547 0,61

Ацетонитрил 524 470 542 0,22

Толуол 531 470 551 0,57

1.27 ДМФА 535 475 560 0,61

Хлороформ 534 475 562 0,70

ТГФ 530 475 549 0,87

Ацетонитрил 527 475 548 0,41

Толуол 534 475 562 0,83

1.28 ДМФА 539 480 570 0,73

Хлороформ 538 480 571 0,88

ТГФ 534 480 567 0,91

Ацетонитрил 531 480 556 0,62

Толуол 537 480 571 0,95

В структурах БОВ1РУ, где домены объединены через атом азота (схема 1.17; BODIPY1.29-1.31), таких зависимостей не наблюдается, вероятно, это связано с тем, что фрагменты BODIPY почти полностью изолированы друг от друга через бензольные ядра [45].

Синтез таких полидоменных азотсодержащих соединений, обычно осуществляют конденсацией ^-незамещенного пиррола и соответствующего альдегида с последующим комплексообразованием с трифторидом бора (схема 1.16).

Схема 1.16

где 29 Я=СИ0, Я2=Яз=И, 30 Я=Я2=СИ0, Яз=И, 31 Я1=Я2=Яз =сно Некоторые органические молекулы могут проявлять сольватохромное поведение и использоваться для установления параметров полярности растворителя, например, кетон Михлера, Нильский красный, феноловый синий, дитиенилполиены.

Спектральные характеристики моно, диады и триады аминотрифенил-BODIPY представлены в таблице 1.2.

Значение эмпирического солъватохромного параметра Е(30), длин волн максимумов поглощения (Хпогл), возбуждения флуоресценции (Хвозб), флуоресценции (Хф) и квантового выхода флуоресценции (Ф/)

Растворитель Et(30) 1.29 1.30 1.31

Хпогл, Хф, Ф^ % Хпогл, Хф, Ф^ Хпогл, Хф, Ф^

нм нм нм нм % нм нм %

Н-СбН14 31,0 501 512 69,1 501 515 69,2 501 515 60,9

СС14 32,4 503 518 95,1 504 518 74,4 504 521 64,3

Ph(CH3) 33,9 503 516 93,1 504 519 96,4 504 519 65,4

(C2H5)2O 34,5 499 510 47,9 499 512 70,1 499 512 76,3

THF 37,4 500 512 593 2,3 500 518 15 500 516 56,2

CH3COOC2H5 38,1 499 510 590 2,6 498 517 11 498 513 40,7

CH2CI2 40,7 501 513 616 0,17 501 516 592 1 501 517 6,6

(CH3)2CO 42,2 498 512 0,14 499 516 617 0,17 498 515 607 0,73

Ацетонитрил 45,6 497 511 0,05 497 511 0,08 497 513 0,2

Метанол 55,4 498 512 0,02 498 513 0,06 498 513 0,2

Как видно из табл. 1.2. [45] соединения 1.29-1.31 позволили определить

значение сольватохромного эмпирического параметра и установить, что рассматриваемые соединения проявляют отрицательный сольватохромный эффект, о чем свидетельствует тот факт, что при увеличении полярности растворителя наблюдается гипсохромное смещение максимума поглощения для моно, диады и триады аминотрифенил-БОВ1РУ. Проявление такого эффекта говорит о большей полярности основного состояния молекул, чем

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Молчанов Евгений Евгеньевич, 2025 год

я -

11000 2SOOO 19000 18000 17000 16000 15000 14000 13000 120Ю 11000 юоос

-1000 ■2000

9.2 ЭЛ ЯЛ В.6 В.4 0.5 Р.Л 7.Э 7.6 7.1 7 / 7.П 6.S 5.S ?л 2А ?.? 5.0 1.Я 1.6 1.4 1.5 1.0 ПЛ

fl <"Я)

Рис. 3.9. 1H ЯМР-спектр BODIPY7 в CDCI3

Для того что бы доказать образование борфторидного комплекса был получен ПБ ЯМР-спектр целевого продукта (рис 3.10). Наличие сигнала в виде триплета в области 2.76 м.д. свидетельствует об образовании борфторидного комплекса БОБ1РУ7.

Рис. 3.10. 11Б ЯМР-спектр БОЫРУ7 в CDCU

Характер спектральной кривой в ЭСП для БОВ1РУ7 отличается от ранее описанных спектров. В электронном спектре поглощения раствора БОЭ1РУ7 (рис. 3.11) в дихлорметане основная полоса имеет максимум поглощения при 671 нм, а также четко выраженный максимум при 620 нм и широкая полоса с максимумом 529 нм. Объяснение этому факту приведено в разделе 3.4.

1,0

поглощение флуоресценция

ч: ш

т—1—I—■—I—■—I—1—г

450 500 550 600 650 700 750 800

Л, нм

Рис. 3.11. Нормализованный электронный спектр поглощения (синяя линия, с=10'6 моль/л) и флуоресценции (красная линия, с=10-6моль/л) БОВ1РУ7 в ДХМ.

Возбуждение светом при 650 нм приводит к спектру флуоресценции с максимумом в области 704 нм. Квантовый выход флуоресценции (Ф) составляет 9 %.

3.1.4. Синтез несимметрично-аннелированного фенильным фрагментом БОЫРУв

Несимметричная структура БОВ1РУ8 была получена нами с помощью реакции конденсации эквимолярных количеств фенилиндалилкетона и 3-этил-2,4-диметилпирола в присутствии оксихлорида фосфора. Фенилиндалилкетон был синитезирован по схеме 3.5. в 4 стадии из 2-бромацетофенона, который получали по реакции бромирования в этаноле из ацетофенона, и (Е)-2-((3,5-диметилбензилиден)амино)анилина

синтезированного восстановлением (Е)-2-((3,5-диметил-

бензилиден)амино)нитробензола. Конденсацию 2-нитроанилина и 3,5-диметилбензальдегида вели по реакции Фишера.

Схема 3.5.

Стадию комплексообразования проводили по ранее изложенным методикам при комнатной температуре (схема 3.6).

Схема 3.6.

После промывки реакционной массы водой, для удаления избытка реагентов, проводили очистку целевого продукта методом колоночной хроматографии на силикагеле. В качестве элюента использовали смесь этилацетат:гексан = 1:3. Далее элюент упаривали и полученный остаток сушили при температуре 50 оС и пониженном давлении. Выход BODIPY8 составил 30 %. Результаты опубликованы в работе [119].

В масс-спектре BODIPY8 (рис 3.12) зафиксирован сигнал фрагмента без метильной группы при С4 (m/z = 361.5 Да). Экспериментально найденное изотопное распределение сигнала молекулярного иона соответствует теоретически рассчитанному.

Рис. 3.12. Масс-спектр БОВ1РУ 8, на вставке - экспериментальное (а) и теоретическое (Ь) изотопное распределение молекулярного иона БОВ1РУ 8.

В 1Н ЯМР-спектре BODIPY8 (СБС13) (рис. 3.13) присутствуют сигналы протонов алкильных заместителей в области 1-2.57 м.д., а также сигналы протонов бензольного кольца мезо-заместителя (7.24-7.3) и синглет протона пиррольного фрагмента остова BODIPY (7.31 м.д.). Дуплеты при 7.44 и 7.8 м.д вызваны резонансом протонов аннелированного бензольного кольца.

80

-30000 -28000 26000 -24000 -22000 -20000 -18000 -16000 -14000 -12000 -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 -о —2000

......I ■ I 1 I 1 I ■ I.....I I ' I 1 I.......I 1 I ' .....I 1 I

8.4 8.2 8.0 7.8 7.6 7.4 7.2 7.0 6.9 6.6 6.4 3.2 3.0 2.8 26 2.4 2.2 2.0 1Я 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8

И ("Я)

Рис. 3.13. 1НЯМР-спектр БОЫРУ8 в CDClз.

Характер спектральной кривой в ЭСП для BODIPY8 аналогичен для соединений данного класса. В электронном спектре поглощения раствора BODIPY8 (рис. 3.14.) в дихлорметане присутствует одна интенсивная полоса с максимумом поглощения при 531 нм.

Л, нм

Рис. 3.14. Нормализованный электронный спектр поглощения (красная линия, с=10-6 моль/л) и флуоресценции (зеленая линия, с=10-6 моль/л) БОВ1РУ 8 в ДХМ.

Возбуждение светом при 480 нм приводит к спектру флуоресценции с максимумом при 540 нм. Квантовый выход флуоресценции (Ф) в ДХМ составляет 80 %.

3.1.5. Синтез несимметрично-замещенного БОВ1РУ9 с бензоимидазольным фрагментом

Ранее было показано, что BODIPY содержащие бензоимидазольный фрагмент являются эффективными клеточными красителями. Для их получения используют реакцию дегидрирования и циклизации, протекающие в присутствии кислотного катализатора - п-толуолсульфокислоты [120]. Нами был разработан альтернативный способ введения данной группировки в свободное Р-положение остова BODIPY.

Для этого к раствору о-фенилендиамина в этаноле под инертной атмосферой и при интенсивном перемешивании вносили раствор 1,3,5,7-тетраметил-2-формил-8-(3,5-диметилфенил)-4-боро-3а,4а-диаза-симм-индацена в этаноле, трифторуксусную кислоту, в качестве катализатора, и безводный сульфат магния, для связывания образующейся воды. Реакционную смесь выдерживали при комнатной температуре 24 часа под инертной атмосферой и перемешивании (схема 3.7). Протекание реакции контролировали спектрофотометрически.

Затем растворитель упаривали при пониженном давлении. Полученный осадок растворяли в ДХМ, промывали водой и насыщенным раствором хлорида натрия. Объединенный органический слой высушивали над безводным сульфатом натрия и упаривали. Продукт был очищен методом колоночной хроматографии, в качестве элюента использовали смесь этилацетат:петролейный эфир = 1:9. После хроматографии элюент упаривали, осадок сушили при пониженном давлении при температуре 50 оС в течение 3 часов.

Схема 3.7.

н,м

н,м

Выход БODIPY9 составил 60 %. В масс-спектрах БODIPY9 обнаруживаются сигналы как целевого продукта, так и продуктов его фрагментации: молекулярный ион с ш/г=469,8 Да, соответствующий [М+Н]+, а также фрагмент без атома фтора [М-Б+2Н]+ с ш/г=449.7 Да. Экспериментально найденное изотопное распределение сигнала молекулярного иона соответствует теоретически рассчитанному (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Масс-спектр БОВ1РУ9, на вставке - экспериментальное (а) и теоретическое (Ь) изотопное распределение молекулярного иона БОВ1РУ 9.

Как и в вышеописанных спектрах, в 1Н ЯМР-спектре BODIPY9 (CDQ3) (рис. 3.16) присутствуют сигналы в виде синглетов протонов метильных заместителей 1.47-2.92 м.д. Синглет в области 6.09 м.д. вызван резонансом протона в Р-положении остова BODIPY, а также регистрируются сигналы протонов бензоимидазольного и бензольного колец в области 6.73-7.15 м.д.

Рис. 3.16. 1Н ЯМР-спектр БОЫРУ 9 в CDOз.

Характер спектральной кривой в ЭСП для BODIPY9 аналогичен для соединений данного класса, ранее описанных в литературе [120]. В электронном спектре поглощения раствора BODIPY9 (рис. 3.17) в дихлорметане присутствует одна интенсивная полоса с максимумом поглощения при 505 нм. Возбуждение светом при 480 нм приводит к спектру флуоресценции с максимумом при 526 нм. Квантовый выход флуоресценции (Ф) в ДХМ 40 %.

1,0 н

поглощение флуоресценция

ч

<и

X

н

о

450

500

550 Л, нм

600

650

700

Рис. 3.17. Нормализованный электронный спектр поглощения (красная линия, с=10-6 моль/л) и флуоресценции (желтая линия, с=10-6 моль/л) БОВ1РТ9 в ДХМ.

3.1.6. Синтез симметричного BODIPYIO с винилтиофеновыми заместителями.

Как было ранее описано в литературном обзоре, одним из вариантов модификации структуры для батохромного смещения спектральных полос, является введение ароматических заместителей, сопряженных с остовом BODIPY.

Соединение BODIPYIO получали реакцией Кневенагеля из BODIPY12 и 2-тиофенкарбоксальдегида. В качестве основания использовали пиперидин (схема 3.8).

Схема 3.8.

Целевой продукт очищали методом колоночной хроматографии на силикагеле. В качестве элюента использовали смесь гексан:этилацетат = 10:1. После хроматографии элюент упаривали, осадок сушили при пониженном давлении при температуре 50 оС в течение 3 часов. Выход BODIPYIO составил 30 %.

В масс-спектре BODIPYIO (рис. 3.18) обнаруживаются сигналы как целевого продукта с m/z 540.89 Да, так и фрагмента без атома фтора с m/z 521.89 Да.

Рис. 3.18. Масс-спектр БОВ1РУ10, на вставке - экспериментальное (а) и теоретическое (Ь) изотопное распределение молекулярного иона БОВ1РУ10.

Экспериментально найденное изотопное распределение сигнала молекулярного иона соответствует теоретически рассчитанному.

Введение винилтиофеновых заместителей в молекулу БОВ1РУЮ подтверждается данными ЯМР-спектроскопии (рис. 3.19). Так в области 3.96-4.02 м.д. наблюдается мультиплет, вызванный резонансом протонов этеновых мостиков. Сигнал от четырёх протонов тиофеновых фрагментов расположен в области 7.48-7.51 м.д., а синглет от двух протонов этого же фрагмента - 7.21 м.д.

¡из; вша

■-Ч1/

8.

' В Щ

£

Сэ 1 \

А

А • 1

1 1 1 1 Л

| / У

т я —р Т~Г"Т ! ® - 8 т * т

Рис. 3.19. 1НЯМР-спектр БОВ1РУ10 в CDaз.

В электронном спектре поглощения раствора БОБГРУЮ (рис. 3.20) в ДХМ присутствует интенсивная полоса с максимумом поглощения при 650 нм и дополнительный пик в области 600 нм. Возбуждение светом при 640 нм приводит к спектру флуоресценции с максимумом при 675 нм.

1,0-

поглощение флуоресценция

ч:

<u

I

н

о

500

550

600

650

700

750

800

А, нм

Рис. 3.20. Нормализованный электронный спектр поглощения (синяя линия, с=10'6 моль/л) и флуоресценции (красная линия, с=10'6 моль/л) БОВ1РТ 9 в ДХМ.

3.1.7. Синтез БО01РУ13.

Структурную модификацию БОЭ1РУ можно проводить не только введением заместителей в пиррольные фрагменты, аннелированием гетероциклов, но и путем введения в мезо-положение различных заместителей.

Синтез БОВ1РУ13 проводили по известной методике, согласно схеме 3.9.

Схема 3.9.

NC

NC

NC

NC

NC NC

В масс-спектре BODIPY13 (рис. 3.21) обнаруживаются сигналы как протонированной формы целевого продукта с m/z 523.14 Да, так и фрагмента без атома фтора с m/z 504.10 Да (рис. 3.21).

ISUCT MALDI TOF MS Matrix •

Data 1-Clear-0001 G9[c] 13 May 2022 13 17 Cal tof 15 Oct 2014 13 33

Shimadzu Biotech Axima Confidence 2 9 3 20110624 Mode Reflectron Power 70, Blanked, P Ext @ 522 (bin 58) %lnt 16 mV(sum= 2454 mV] Profiles 1-150 Smooth Av 5 -Baseline 20

523 1356{t3956)

160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560

т/г

Рис. 3.21. Масс-спектр БОБ1РУ13, на вставке - экспериментальное (а) и теоретическое (Ь) изотопное распределение молекулярного иона БОВ!РУ13.

На 1Н ЯМР спектрах BODIPY13 ^03) (рис. 3.22) присутствуют сигналы протонов алкильных заместителей в области 0.99-2.54 м.д., а также сигналы протонов мезо-заместителя в более слабом поле (7.22-7.78 м.д.). Интегральная интенсивность сигнала пропорциональна количеству протонов

каждого типа.

7.8 7.7 7.6 7,5 7.4 73 72 7.1 7.0 2.8 2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 J.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8

ррт

Рис. 3.22. 1HЯМР-спектр BODIPY13 в CDCls

Нам удалось, методом диффузии растворителей, вырастить качественный монокристалл BODIPY13. Структура кристалла и его упаковка представлены на рисунке 3.23. Бензольный фрагмент, находящийся в мезо-положении выведен из плоскости молекулы BODIPY13 на 82.8 градуса. Фенильные фрагменты, связанные атомом кислорода, находятся в разных плоскостях относительно друг друга, остов BODIPY остается плоским. Элементарная ячейка кристалла образована четырьмя связанными молекулами BODIPY13. Длинны связей представлены в приложении (таблица П9). В кристаллах эти молекулы удерживаются водородными связями между атомом азота одной из нитрильных групп и атомом водорода метильной группы находящейся в 3 положении дипирринового фрагмента, а также за счет водородных связей образованных между атомом фтора ^2) и атомом водорода (Ш9) нитрильного фрагмента; атомом фтора (Р1) и атомом водорода (Ш2) бензольного ядра находящегося непосредственно в мезо-положении. Длины этих водородных связей составляют 2.741, 2.628, 2.448 А. Такое формирование водородных связей определяет паркетно-лестничную упаковку в кристалле.

Рис. 3.23. Структура молекулы BODIPY13 в кристалле (а) и ячейка кристалла БОЫРУ13 (б).

3.2. Спектральные и фотофизические свойства синтезированных

Исследование спектральных и фотофизических свойств алкил-, арил-, полидоменных и BODIPY с расширенной п-электронной системой является актуальной, перспективной задачей. Именно хромофорные свойства данного класса соединений обусловливают широкие возможности их практического применения. В этой связи нами изучено влияние природы периферийных заместителей, гетероатома в составе мезо-спейсера, хромофорной системы БОЭГРУ, а также природы растворителя и концентрации красителя в растворе на спектральные свойства.

3.2.1. Влияние природы лиганда на спектральные свойства полученных

В ЭСП полученных комплексов БОБГРУ, измеренных в ДХМ, наблюдаются интенсивные полосы поглощения с максимумами, лежащими в области 500-700 нм. Алкилирование соединений БОВГРУ4-6 приводит к батохромному смещению максимума полосы поглощения в область 530 нм (рис 3.24). При этом отмечается, что увеличение числа БОЭГРУ доменов такого влияния не оказывает.

БОБТРУ

соединений

496 531

505 540

<

Е

х га

БОО!РУ 1 БОО!РУ 4

450

500

550

500 550 600 650 700 А, нм

А, нм

Рис. 3.24. Нормализованные электронные спектры поглощения и флуоресценции (с=10-6моль/л) ВОВ1РТ1 и 4 в ДХМ.

Увеличение сопряженной системы соединений за счет аннелирования одного или двух пиррольных циклов бензольным или нафталиновыми фрагментами приводит к батохромному смещению полос поглощения приблизительно на 30 и 170 нм (БОБ1РУ8 - 531 нм, БОБ1РУ7 - 671 нм) (рис 3.25).

Рис. 3.25. Диаграмма изменения положения максимума поглощения в зависимости от количества сопряженных п-связей для ЕОВ!РТ 7,8 и 10.

Такая же картина наблюдается при введении двух винилтиофеновых заместителей (БОЭГРУЮ - 651 нм). Для вышеупомянутых структур, на диаграмме (рис. 3.25) показано положение максимумов поглощения в зависимости от количества п-связей. Все полученные зависимости находятся в соответствии с теорией цветности органических соединений.

Для БОЭ1РУ9, у которого во 2-ом положении присутствует имидазольный фрагмент, полоса поглощения гипсохромно смещена в область 505 нм что, вероятно, можно объяснить отсутствием плоскостности молекулы.

Из работы [82] известно, что полярные растворители являются тушителями люминесценции для большинства БОЭ1РУ, в то время как в неполярных растворителях люминесценция разгорается. Однако структура несимметричного типа БОЭ1РУ8 обладает высокими квантовыми выходами в органических растворителях. В частности, в этаноле квантовый выход

BODIPY8 вставляет 99 %. С уменьшением полярности растворителя выход незначительно уменьшается.

Для большинства соединений спектр флуоресценции имеет зеркальное отражение ЭСП, что хорошо просматривается на рис. 3.24.

Однако при исследовании флуоресцентных свойств исследуемых соединений было отмечено, что отдельные домены все-таки оказывают влияние друг на друга, проявляя отрицательный синергетический эффект. Если провести сравнение для величины среднего значения молярного коэффициента поглощения (коэффициент экстинкции) бордипирринового люминофора 14 [82] и полученных BODIPY 1 и 2, отмечается, что с ростом числа доменов растет коэффициент экстинкции, но при этом уменьшается квантовый выход люминесценции (табл. 3.1).

Таблица 3.1.

Коэффициенты экстинкции и квантовый выход для Б001РУ 1,2. и 14.

Соединение Ф

' > \ 14 4.89 0.94

BODIPY2 4.95 0.79

BODIPY1 5.35 0.66

Известно, что квантовый выход зависит от величин констант скоростей радиационного и безызлучательного рассеяния, а также времени жизни возбужденного состояния молекулы, которое, в свою очередь, влияет на предыдущие параметры [121]. Учитывая полученные значения, представленные в таблице 3.1, уменьшение квантового выхода флуоресценции с увеличением числа доменов в молекуле BODIPY, можно объяснить тем, что полидоменные структуры имеют больше возможностей для колебательной

релаксации. Так как колебательная релаксация является безызлучательным процессом константа скорости (knr) уменьшается [122].

Влияние структуры на флуоресцентные свойства синтезированных соединений было отмечено при изучении их роторных свойств (рис. 3.26). Обычно под молекулярными роторами понимают соединения, у которых молекула состоит из нескольких фрагментов, которые способны вращаться относительно друг друга. Такое внутримолекулярное вращение может осуществляться под внешним воздействием света, жидкости, электрического поля и др. [123].

Известно, что молекулярные роторы при электронном возбуждении способны переходить в скрученное состояние Twisted Intramolecular Charge Transfer (TICT) за счет переноса заряда и вращения одной из частей молекулы относительно другой. Квантовый выход флуоресценции таких соединений зависит от вязкости среды и данную зависимость можно использовать для изучения вязкости в химических и биологических системах, в частности в клетках организмов [123]. Экспериментально было установлено, что с изменением вязкости раствора BODIPY7 в смеси этанол:этиленгликоль в соотношении 1:25 при изменении температуры соединение 7 проявляет фотофизический эффект молекулярного ротора. Так, при изменении вязкости раствора от 11 до 4 сП интенсивность флуоресценции уменьшается на 20 %. Вероятно, эффект молекулярного ротора возникает за счет увеличения подвижности мезо-заместителя в растворителях с низкой вязкостью и уменьшения подвижности в растворителях с большей вязкостью.

760-

740-

720-

700-

680-

660-

640-

620-

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

П,сП

Рисунок 3.26. Зависимость интенсивности флуоресценции BODIPY7 от вязкости смеси (этанол:этиленгликоль=1:25).

Изменение флуоресцентных параметров молекулярного ротора с вязкостью среды могут быть математически выражены с помощью уравнения Фёрстера-Хоффмана, которое связывает квантовый выход флуоресценции и вязкость растворителя.

ф=zqa, где ф - квантовый выход люминесции, ц - вязкость, z и а -константы. Аналогичное уравнение существует и для других параметров флуоресценции: т - время жизни флуоресценции, I - интенсивность флуоресценции. В логарифмической форме уравнение принимает вид

(рис. 3.27).

Сопоставление полученных результатов для BODIPY14 и 7 показывает, что BODIPY7 проявляет менее выраженные роторные свойства, так как параметр (Х) наклона кривой, которую описывает уравнение Ферстера-Хоффмана ниже, чем в случае 14. Однако с ним можно работать в более вязких системах, где BODIPY14 не проявляет роторных свойств (табл. 3.2).

0,8

login)

Рисунок 3.27. Определение параметра Ферстера-Хоффмана для BODIPY7.

Таблица 3.2.

Параметры уравнения (X,C) Ферстера-Хоффмана для соединений 7 и 14 в

различных растворителях.

F F 14 070

Растворитель X C X C

CC14 0.84 -0.08 - -

СбИб 0.60 -0.02 - -

C6H12 1.15 0.58 - -

C2H5OH 0.54 -0.11 - -

C2H5OH/C2H4(OH)2 (1/25) ~0 ~0 0.23 -0.15

Таким образом, на основе полученных данных можно сделать вывод, что соединение 7 имеет преимущества над BODIPY14, в вязких средах и может быть рекомендован для применения в таких областях, как молекулярная сенсорика и ФДТ, поскольку обладает ярко выраженными роторными свойствами в полярных системах и имеет максимумы поглощения и флуоресценции в области терапевтического окна [118].

3.2.2. Влияние концентрации красителя на спектральные свойства

полученных соединений Согласно принципу Франка Кондона, спектры поглощения и флуоресценции имеют зеркальный характер. Это связано с тем, что при переходе из основного в возбужденное состояние и обратно геометрия молекулы сохраняется.

Спектральные исследования в условиях варьирования концентрации красителя в растворе показали, что полидоменные BODIPY проявляют интенсивный агрегационный отклик. Нагляднее всего это видно на спектрах BODIPY2 (рис. 3.28 и 3.29). Если в электронном спектре поглощения характер спектральной кривой в интервале 2.85* 10-5-9.91*10-7 не меняется, то для спектров флуоресценции при разбавлении мы обнаруживаем исчезновение максимума при 535 нм и восстанавливается зеркальный характер спектральных полос. Вероятно, в растворе с высокой концентрацией мы наблюдаем образование эксимеров.

Данное явление отсутствует для полидоменного соединения BODIPY4 (рис. 3.30 и 3.31), у которого полосы поглощения и испускания при изменении концентрации красителя в растворе не изменяются. Что возможно связано с образованием эксиплексов.

моль/л 2,85*10Л-5 2,45*10л-5 1,72*10Л-5 1,19*10Л-5 7,96*10л-6 5,38*10л-6 3,59*10л-6 2,34*10л-6 9,91*10Л-7

400 450 500 550 600 650 700 А, нм

С, моль/л

-2,85*10л-5

-2,45*10л-5

-1,72*10л-5

1,19*10л-5 7,96*10л-6

-5,38*10л-6

-3,59*10л-6

-2,34*10л-6

9,91*10л-7

600 А, нм

250

200

100

0

500

550

650

700

Рисунок 3.28. Спектры поглощения соединения 2 в циклогексане в условиях варьирования

концентрации красителя.

Рисунок 3.29. Спектры флуоресценции соединения 2 в циклогексане в условиях варьирования концентрации красителя.

моль/л 1,62*10л-5 1,07*10л-5 7,08*10л-6 4,65*10л-6 3,03*10л-6 1,98*10л-6

500 550 А, нм

С, моль/л

-1,62*10л-5

1,07*10л-5 7,08*10л-6

-4,65*10л-6

-3,03*10л-6

-1,98*10л-6

А, нм

150

0

500

550

600

650

700

400

450

600

650

700

Рисунок 3.30. Спектры поглощения Рисунок 3.31. Спектры

соединения 4 в циклогексане в флуоресценции соединения 4 в

условиях варьирования ц-гексане в условиях варьирования

концентрации красителя. концентрации красителя.

Для этого были зафиксированные спектры флуоресценции и разложены на Гаусовы составляющие [122]. Для монодоменного BODIPY14 обнаружены две полосы в спектре: одна для S1-S0 перехода и вторая - небольшой пик вибронной природы на правом скате основной полосы испускания.

Для исследуемого алкилзамещенного димера BODIPY2 при концентрациях в интервале 2.85*10-5-3.59*10-6 моль/л наблюдались три спектральных пика. Третий пик, вероятно, соответствует димерной форме

красителя. Для алкилзамещенного полидоменного соединения BODIPY4 отсутствие смещения полосы поглощения при изменении концентрации красителя в растворе связано с образованием эксимера [124].

Замена центрального гетероатома азота на кислород приводит к незначительному гипсохромному смещению основной полосы поглощения эффекты при разбавлении растворов аналогичны тем, которые были описаны выше (см. приложение П10-П13).

Таблица 3.3

Фотофизические характеристики соединения 3 при изменении

концентрации.

Циклогексан

С10-6, моль/л 4.54 3.79 2.04 1.02 0.53 0.25

Ф 0.07 0.15 0.23 0.35 0.35 0.48

^ 108, с-1 7.98 7.97 7.96 7.68 7.66 7.66

т, нс 0.005 0.019 0.028 0.045 0.046 0.063

^ш^Ю10, с-1 21.0 5.13 3.44 2.13 2.09 1.52

Этанол

С10-6, моль/л 4.19 3.19 2.38 2.93 0.59 0.29

Ф 0.09 0.14 0.21 0.033 0.35 0.35

^ 108, с-1 9.88 9.88 8.72 8.72 9.03 9.34

т, нс 0.009 0.014 0.024 0.033 0.039 0.037

^ш^Ш10, с-1 10.6 7.06 4.07 2.93 2.46 2.58

Нами было показано, что BODIPY3 (алкилзамещенная кислородосодержащая диада) проявляет интенсивные агрегационные эффекты. Так при уменьшении концентрации раствора константа скорости радиационного излучения уменьшается незначительно, а константа нерадиационного излучения резко падает, что и объясняет увеличение квантового выхода флуоресценции при разбавлении (табл. 3.3). Полученные данные опубликованы в сборнике тезисов конференции [110] и в статье [122].

Таким образом, соединение 2, проявляющее интенсивные эффекты агрегации, может быть рекомендовано для биовизуализации в качестве контрастного агента.

3.2.3. Влияние природы растворителя на спектральные свойства полученных

соединений

Одной из актуальных задач органической и физической химии является создание универсальных сенсоров на изменение природы растворителя. Изучение закономерностей влияния структуры соединений и природы растворителей на спектральные и фотофизические характеристики их растворов, позволит правильно конструировать химическую структуру BODIPY и использовать их в качестве сольватохромных сенсоров.

Основная причина, которая вызывает сольватохромный эффект, проявляющийся как в смещении максимумов поглощения люминофора, так и в изменениях интенсивности поглощения и флуоресценции, заключается в различиях сольватации соединений растворителями: за счет Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий, образование водородной связи, стабилизация возбужденных состояний растворенного вещества и др [125].

Для определения влияния природы растворителя на спектральные свойства новых синтезированных соединений, нами определены их спектральные характеристики в органических растворителях (табл. 3.4).

Таблица 3.4.

Спектральные характеристики соединений (ХаЬз - длина волны максимума поглощения, Хд - длина волны максимума флуоресценции, АХ - Стоксов сдвиг)

в отдельных органических растворителях.

ацетон гексан ДМФА ДМСО дихлорметан изо-пропанол толуол хлороформ ц-гексан бензол тетрахлорметан этанол пиридин этилацетат

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

1

^аЬз - 531 527 528 531 - - - 532 529 - 528 527 527

^ет - 537 538 538 540 - - - 538 542 - 538 542 536

- 6 11 10 9 - - - 6 14 - 10 15 9

ф - 0.51 0.78 0.71 0.66 - - - 0.64 0.47 - 0.78 0.51 0.58

т - 0.15 0.17 0.15 0.16 - - - 0.15 0.19 - 0.21 0.19 0.1

2

^аЬэ - 531 527 528 531 - - - 532 535 - 528 533 527

продолжение таблицы 3.4.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

^ет - 537 537 539 540 - - - 538 542 - 537 542 536

- 6 10 11 9 - - - 6 7 - 9 10 9

ф - 0.70 0.70 0.94 0.79 - - - 0.61 0.52 - 0.93 0.68 0.86

т - 1.31 0.73 0.91 0.74 - - - 0.57 0.34 - 1.04 0.66 0.72

3

- 523 521 522 523 522 - - 524 525 - 521 524 -

^ет - 537 535 537 537 536 - - 539 540 - 536 540 -

- 14 14 15 14 14 - - 15 15 - 15 16 -

ф - 0.69 0.66 0.64 0.95 0.66 - - 0.80 0.89 - 0.56 0.24 -

т - 0.09 0.80 0.71 0.30 0.09 - - 0.10 0.15 - 0.08 0.02 -

4

- - 491 493 496 - - - 498 499 - 492 496 492

^ет - - 506 507 505 - - - 504 508 - 502 508 503

- - 15 14 9 - - - 6 9 - 11 12 11

ф - - 0.09 0.05 0.12 - - - 0.15 0.11 - 0.11 0.13 0.06

т - - 0.08 0.03 0.07 - - - 0.11 0.07 - 0.05 0.14 0.06

5

498 501 501 505 501 501 507 503 503 508 505 499 - -

^ет - 568 - - 664 - 594 638 574 591 586 - - -

- 67 - - 163 - 87 135 71 83 81 - - -

ф - 0.17 - - 0.02 - 0.11 0.04 0.08 0.08 0.17 - - -

т - 3.29 - - 3.29 - 3.43 2.68 3.52 3.41 3.53 - - -

6

497 500 500 502 501 499 504 502 502 504 503 499 - -

^ет 518 518 521 523 520 518 524 520 519 524 521 518 - -

А^ 21 18 21 21 19 19 20 18 17 20 18 19 - -

ф 0.19 0.14 0.25 0.30 0.35 0.40 0.32 0.54 0.17 0.49 0.37 0.36 - -

т1 0.21 0.33 0.31 0.65 0.41 0.39 0.46 0.74 0.33 0.40 0.38 0.32 - -

7

664 675 667 670 671 671 676 675 677 676 679 670 - -

^ет 704 694 702 708 704 699 704 705 694 704 696 700 - -

А^ 40 17 35 38 33 28 28 30 17 28 17 30 - -

ф 0.03 0.32 0.02 0.02 0.09 0.05 0.22 0.12 0.34 0.15 0.32 0.04 - -

т 0.75 2.40 0.78 0.60 0.95 0.85 1.51 1.38 2.44 1.63 2.35 0.67 - -

8

526 531 527 528 531 529 534 533 532 534 534 528 - -

^ет 535 539 536 540 540 538 542 542 538 543 541 537 - -

А^ 9 8 9 12 9 9 8 9 6 9 7 9 - -

ф 0.98 0.85 0.86 0.90 0.80 0.81 0.99 0.84 0.77 0.84 0.88 0.99 - -

т 6.03 5.97 5.76 5.62 6.22 6.13 5.20 5.83 5.51 5.02 5.18 6.19 - -

9

503 506 506 507 505 503 - 506 508 508 508 502 - -

^ет 527 529 529 531 526 523 - 525 529 529 530 523 - -

А^ 24 23 23 24 21 20 - 19 21 21 22 21 - -

ф 0.59 0.69 0.99 0.99 0.40 0.55 - 0.53 0.66 0.72 0.99 0.41 - -

т 4.18 4.12 3.78 3.74 4.00 3.91 - 3.89 3.91 3.70 3.88 4.11 - -

13

529 534 530 531 534 531 537 - 535 537 537

Окончание таблицы 3.4.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

^еш 541 541 543 544 543 543 545 - 542 545 544 - - -

12 7 13 13 9 12 8 - 7 8 7 - - -

ф 0.64 0.70 0.99 0.99 0.74 0.48 0.99 0.73 0.85 0.60

Природа центрального гетероатома проявляется в следующем: для азотсодержащего димерного БОВ1РУ2 квантовый выход, а также константы скорости излучательной и безызлучательной дезактивации меньше, чем для кислородсодержащего димерного BODIPY3 Время жизни возбужденного состояния находится в обратной зависимости (табл. 3.4). Вероятно, это связанно с уменьшением разности энергии между синглетным и триплетным уровнями, чем меньше стоксов сдвиг, тем больше квантовый выход люминесценции.

н-Гексан

Циклогексан

Тетрахлорметан

Бензол

Толуол

Хлороформ

Дихлорметан

Ацетон

ДМФА

ДМСО

1-Пропанол

Этанол

490 500 510 520 530 540 550 А, нм

Рисунок 3.32. Спектры поглощения соединения БОВ1РТ5 в растворителях различной природы.

1,1 -I

Гексан

Тетрахлорметан

Бензол

Толуол

Циклоеексан

Хлороформ

Дихлорметан

550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

А, нм

Рисунок 3.33. Спектры флуоресценции соединения БОВ1РТ5 в растворителях различной природы.

900

Лидером в проявлении сольватохромного эффета является BODIPY5. (рис. 3.32, 3.33) В зависимости от природы растворителя Стоксов сдвиг которого может отличаться на 100 нм. Это рекордное значение для люминофоров BODIPY и одно из самых больших для органических флуорофоров в целом.

Среднее значение молярного коэффициента поглощения увеличивается с добавлением дополнительных доменов BODIPY к структуре молекулы до 150000 л/(мольсм), это больше чем у моно-BODIPY, для которого оно составляет около 60000 л/(моль-см).

Введение в структуру молекулы дополнительных BODIPY-фрагментов снижает квантовый выход и константу скорости излучательной дезактивации и закономерно увеличивает константу скорости безызлучательной дезактивации. Время жизни возбужденного состояния комплексов в CH2CI2 составляет для моно-BODIPY 1.8 нс, димерного BODIPY 0.74 нс и тримерного BODIPY 0.16 нс. Данные параметры были определены рассчетным путем.

По сравнению с моно-BODIPY (ф=0.95) квантовый выход BODIPY3 (ф=0.66) значительно меньше, значение константы скорости излучательной дезактивации не изменилось, но значение константы безызлучательной дезактивации значительно выше, и, следовательно, время жизни возбужденного состояния уменьшилось.

Интенсивные сольватохромные эффекты, а также флуоресцентный отклик на природу растворителя проявляет BODIPY7, для которого положения пиков поглощения в зависимости от природы растворителя могут различаться на 20 нм, при этом проявляется гипо- и гиперхромные эффекты в зависимости от природы растворителя. Так при равной концентрации оптическая плотность в ДМФА и ИПС почти в 10 раз меньше, чем в циклогексане (рис. 3.33). Полученные данные частично приведены в сборнике тезисов [110] статье [122].

Ацетон Гексан ДФМА ДХМ

изо-Пропанол

Толуол

Хлороформ

ц-Гексан

Тетрахлорметан

Этанол

1,04-

1,02-

1,00-

0,98-

0,96-

0,94-

| | I | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ | ■ г

600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710

Л, нм

Рисунок 3.33. Спектры поглощения соединения БОВ1РУ7 в растворителях различной природы.

На спектрах флуоресценции наблюдается похожая зависимость и по положению максимумов флуоресценции, и по интенсивности (рис. 3.34). В ДМФА и ИПС происходит ее тушение, а в циклогексане, соответственно, разгорание. Предположительно эти эффекты фиксируются из-за того, что хромофорная система у соединения 7 не имеет алифатических заместителей и полностью доступна для неспецифических взаимодействий с растворителями, а также из-за того, что увеличенная хромофорная система имеет большее число сайтов связывания с молекулами растворителя.

1,04 1,02 1,00 0,98 0,96 _ 0,94 0,92 0,90 0,88 0,86 0,84

680 690 700 710 720 730 740 750 760 770 780 790 800

Л, нм

Рисунок 3.35. Спектры флуоресценции соединения БОВ1РУ7 в растворителях различной природы.

Для более точного описания сольватохромных эффектов БОВ1РУ мы использовали полипараметрический подход, поскольку он учитывает влияние на спектральные параметры красителя кислотность, основность, поляризуемость, электронодонорные и протонодонорные свойства растворителя. Этот подход реализуется посредством линейного регрессионного анализа для нескольких параметров растворителя при решении уравнения (раздел 2.8. ур. 2.4) относительно выбранного свойства.

Применение метода линейного регрессионного анализа позволяет определить вклад отдельных параметров растворителя в фотофизические характеристики растворенного вещества, количественно принимая во внимание их влияние. Наиболее часто используемые наборы параметров являются параметрами, предложенными Камлетом и Тафтом - шкала полярности / поляризуемости растворителя (п), шкала протонодонорных