Российские исследователи создали действенный способ получения органических молекул, обладающих яркой люминесценцией. Данная технология позволит просто, экономично и результативно изготавливать разнообразные новые материалы, излучающие свет, которые находят применение в медицине и в различных технических областях.
В исследовании приняли участие сотрудники Тольяттинского государственного университета, Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН (Москва) и Уфимского института химии РАН. Ученым удалось решить задачу, связанную с затруднениями в управляемом создании определенных органических молекул – пиразолов. Данные соединения имеют высокую ценность в фармацевтике, материаловедении и химической промышленности, поскольку из них разрабатывают лекарственные препараты, люминофоры и другие функциональные материалы. Однако в процессе синтеза пиразолов нередко формируется смесь «региоизомеров» – молекул, схожих по структуре, но отличающихся по свойствам. Отделение подобных смесей представляет собой непростую задачу.
Ученые-химики определили условия, обеспечивающие протекание реакции исключительно в заданном направлении. Это позволяет синтезировать «светящиеся» вещества – 5-стирилпиразолы – с исключительной избирательностью (до 97%) и практически полным выходом (до 98%). Такой результат является выдающимся, поскольку свидетельствует о том, что реакция завершилась почти полностью, а потери, связанные с побочными процессами, испарением, очисткой и другими факторами, сведены к минимуму.
Предложенный метод базируется на предварительной обработке исходных веществ с использованием аминов – органических соединений, которые широко применяются в химии в качестве катализаторов или основных компонентов. Для получения 5-стирилпиразолов необходимы два компонента: сопряженные ениноны (органические соединения, характеризующиеся высокой реакционной способностью) и гидразин (соединение, состоящее из азота и водорода).
При смешивании компонентов по традиционным методам происходила неконтролируемая реакция, приводящая к образованию нежелательной смеси двух изомеров – целевого 5-стирилпиразола и нежелательного 3-стирилпиразола. Использование пиперидина в качестве вспомогательного вещества кардинально изменило как ход реакции, так и конечный результат.
– Ениноны обладают сложной и непредсказуемой структурой. В их составе присутствуют два химически активных участка, выступающих в роли своеобразных «липучек», из-за чего сложно предсказать, какая из них первой вступит во взаимодействие со следующим компонентом. Именно это обстоятельство стало основной проблемой . Амин служит для стабилизации одного из компонентов, что делает енинон более контролируемым и прогнозируемым. При добавлении гидразина реакция протекает в соответствии с заданным направлением, – отмечает один из авторов исследования Александр Голованов, доктор химических наук, профессор, руководитель научно-исследовательской лаборатории №13 имени С.П. Коршунова «Органический синтез и анализ» НИИ прогрессивных технологий ТГУ. – После завершения своей функции амин отделяется, функционируя как временная структура, что приводит к образованию практически чистого 5-стирилпиразола.
Химикам удалось оптимизировать весь процесс синтеза до двух этапов, которые осуществляются в одном реакционном сосуде без промежуточных выделений. Такая технология, именуемая «one-pot synthesis», не только упрощает процедуру, но и делает её более рентабельной.
В результате проведенных исследований было синтезировано 26 различных светящихся молекул, характеризующихся высоким выходом реакции (до 97-98%). Все полученные соединения демонстрируют интенсивную флуоресценцию в синей области спектра. Наивысшее значение абсолютной квантовой люминесценции – показатель эффективности свечения – достигло рекордного уровня в 0.7 (70%), что сопоставимо с показателями лучших коммерческих люминофоров.
– Предлагаемый нами подход позволяет разрешить проблему, которая долгое время беспокоила химиков-органиков, а именно – управление региоселективностью при создании пиразолов, – прокомментировал профессор Александр Голованов. – Наша компания предоставляет не только эффективный инструмент для получения соединений в лабораторных условиях, но и возможности для их масштабирования и использования в практических целях. Благодаря высоким люминесцентным свойствам полученных веществ они могут быть использованы для создания новых материалов OLED, химических сенсоров и люминесцентных меток*.
Работа была проведена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Полученные результаты исследований ученых опубликованы в авторитетном международном научном журнале The Journal of Organic Chemistry.
*Светящиеся молекулы или частицы, называемые люминесцентными метками, применяются для обнаружения и визуализации микроскопических количеств вещества. В медицине они незаменимы для диагностики заболеваний, в биологии – для изучения живых клеток, а также в криминалистике и промышленности – для защиты от подделок и контроля качества.
Сообщение поступило из пресс-службы Тольяттинского государственного университета