Люминофоры по новому рецепту

В исследовании участвовали специалисты Тольяттинского государственного университета, Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН (Москва) и Уфимского института химии РАН. Проблема, которую решила группа учёных, заключается в сложности контролируемого получения специфических органических молекул – пиразолов. Эти соединения крайне востребованы в фармацевтике, материаловедении и химической промышленности, так как на их основе создают лекарства, люминофоры и другие функциональные материалы. Однако при синтезе пиразолов часто образуется смесь «близнецов» – региоизомеров, то есть молекул, близких по структуре, но разных по свойствам. Разделить такие смеси крайне сложно.

Химикам удалось найти условия, при которых реакция протекает строго в одном, нужном направлении, позволяя получать целевые «светящиеся» вещества – 5-стирилпиразолы – с высочайшей селективностью (до 97%) и количественным выходом до 98%. Это феноменально высокий результат, означающий, что реакция прошла почти до конца, и потери на побочные процессы, испарение, очистку и т. д. – минимальны.

В основе разработанного подхода лежит предварительная модификация исходных веществ с помощью аминов – органических соединений, которое часто используют в химии как катализатор или основу. Для синтеза 5-стирилпиразолов требуются два ингредиента: сопряжённые ениноны (органические вещества с высокой реакционной способностью) и гидразин (соединение азота с водородом).

Когда учёные их смешивали по старым рецептам, реакция шла вслепую. В результате получалась бесполезная смесь двух «близнецов» – нужного 5-стирилпиразола и ненужного 3-стирилпиразола. Добавление пиперидина как вспомогательного элемента полностью изменило и процесс, и полученный результат.

– Ениноны сложны и непредсказуемы. В них есть два химически активных центра, своеобразные «липучки», и непонятно, какая из них первой схватится со вторым ингредиентом. Это и было главной проблемой. Амин как бы «закрывает» одну из «липучек», делая енинон более управляемым и предсказуемым. И когда к нему присоединяется гидразин, реакция идёт уже по нужному нам пути, – отмечает один из авторов исследования Александр Голованов, доктор химических наук, профессор, начальник НИЛ-13 им. С.П. Коршунова «Органический синтез и анализ» НИИ прогрессивных технологий ТГУ. – После выполнения своей задачи амин отщепляется, подобно временному каркасу и образуется почти стопроцентно чистый 5-стирилпиразол.

Весь процесс синтеза химикам удалось оптимизировать до двух стадий, которые проводятся в одной колбе без выделения промежуточных продуктов. Такой метод, известный как «one-pot synthesis» (синтез в одном сосуде), не только упрощает методику, но и делает её экономически выгодной.

В ходе экспериментов исследователи получили целое семейство из 26 разных светящихся молекул с очень высоким выходом (до 97-98%). Все соединения обладают интенсивной флуоресценцией в синей области спектра. Максимальная абсолютная квантовая люминесценция – мера эффективности свечения – достигла рекордного значения 0.7 (70%), что сравнимо с лучшими коммерческими люминофорами.

– Наш метод решает давнюю проблему химиков-органиков – контроль региоселективности в синтезе пиразолов, – прокомментировал профессор Александр Голованов. – Мы не только предлагаем эффективный инструмент для лабораторного получения таких соединений, но и открываем возможность для их масштабирования и практического применения. Высокие люминесцентные свойства полученных веществ делают их перспективными для создания новых OLED-материалов, химических сенсоров, люминесцентных меток*.

Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Результаты работы учёных опубликованы в авторитетном международном научном журнале The Journal of Organic Chemistry.

*Люминесцентные метки – это светящиеся молекулы или частицы, которые используются для обнаружения и визуализации ничтожно малых количеств вещества. Они незаменимы в медицине для диагностики болезней, в биологии для изучения живых клеток, а также в криминалистике и промышленности для защиты от подделок и контроля качества.