Отчет за 2013 г.
По программе фундаментальных исследований Президиума РАН № 8 «Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов»
Проект № 8.2.
“Новая методология синтеза функционализированных дипиррометановых и дипиррометеновых ансамблей и сборка на их основе борадиазаиндаценовых флуорофоров, поглощающих в красной области (600-800 нм) и обладающих свойствами высокочувствительных рН-сенсоров”
Руководитель проекта:
академик Трофимов Б.А., директор Иркутского института химии им. А.Е. Фаворского СО РАН (тел. 3952-42-59-31, факс: 3952-41-93-46, e-mail: boris_trofimov@irioch.irk.ru).
Иркутский институт химии им. А. Е. Фаворского СО РАН
Иркутск
Список исполнителей:
Михалева А.И., г.н.с., д.х.н., профессор;
Собенина Л.Н., в.н.с., д.х.н.;
Шмидт Е.Ю., г.н.с., д.х.н.;
Иванов А.В., зам. дир., д.х.н.;
Афонин А.В., в.н.с., д.х.н.;
Петрова О.В., с.н.с., к.х.н.;
Петрушенко К.Б., с.н.с., к.х.н.;
Ушаков И.А., с.н.с., к.х.н.;
Маркова М.В., с.н.с., к.х.н.;
Зорина Н.В., с.н.с., к.х.н.;
Татаринова И.В., с.н.с., к.х.н.;
Иванова Е.В., н.с.
Томилин Д.Н., н.с.
Реферат
Продолжено дальнейшее развитие новой методологии синтеза дифторборадиазаиндаценовых флуорофоров (BODIPY), поглощающих в красной области и обладающих свойствами высокочувствительных рН-сенсоров, на основе функционализированных дипиррометановых и дипиррометеновых ансамблей с мезо-СF3-группой. Эта методология, основанная на кислотно-катализируемой конденсации трифтор-1-(пиррол-2-ил)этанолов (продуктов восстановления соответствующих 2-трифторацетилпирролов) с пирролами, окислении образуюшихся дипиррометанов в дипиррометены и их комплексообразовании с трифторидом бора, использована для синтеза симметричных и несимметричных мезо-СF3-дипиррометанов с 3- или 3,5-(м- и п-амино)фенильными заместителями – прекурсоров соответствующих флуорофоров дифторборадиазаиндаценового ряда.
Найдено, что синтезированные флуорофоры, эффективно флуоресцирующие в неполярных растворителях (гексан, max fl 632-662 нм), слабо или совсем не флуоресцируют в полярных растворителях. Интенсивная флуоресценция появляется при протонировании аминогруппы. Полосы поглощения и флуоресценции при этом сдвигаются в коротковолновую область (max abs 592-643 нм, max fl 624-632 нм), и по своим спектроскопическим и фотофизическим характеристикам мезо-CF3-3-(м- или п-амино)фенил-5-фенилдифторборадиазаиндацены становятся практически идентичными мезо-CF3-3,5-дифенилдифторборадиазаиндацену, не имеющему заместителей в фенильных кольцах.
Таким образом, синтезированные флуорофоры позволяют фиксировать наличие протонов в неводных средах по появлению красной флуоресценции при em = 624 нм (флуоресцентный "switching on" сенсор), а также обнаруживать их присутствие даже невооруженным глазом по изменению окраски растворов и может быть использован для исследования в живых клетках.
Проанализированы параметры спектров ЯМР 1Н, 13С и 19F некоторых синтезированных флуорофоров BODIPY и проведено сопоставление полученных данных со спектральными характеристиками их прекурсоров – соответствующих дипиррометанов. На основании такого сравнения сделаны выводы об особенностях сопряжения -систем каркаса BODIPY с арильными и гетарильными заместителями, а также проведен конформационный анализ структур таких соединений.
Содержание
Введение
Основная часть
1. Синтез мезо-CF3-замещенных симметричных и несимметричных флуорофоров BODIPY с м- и п-аминофенильными заместителями в положениях 3 или 3,5-диазаиндаценового каркаса.
2. Изучение спектральных характеристик несимметричных флуорофоров BODIPY с м- и п-аминофенильными заместителями в положении 3 диазаиндаценового каркаса.
3. Структурные исследования мезо-CF3-3-арил (гетарил)- и 3,5-диарил (гетарил)-замещенных флуорофоров BODIPY методом ЯМР 1Н, 13С и 19F.
Заключение
Финансовый отчет
Введение
В последние годы значительно усиливается интерес к флуоресцентным красителям, обусловленный использованием их в качестве наукоемких материалов, маркеров в биотехнологии, аналитической химии и медицинской диагностике. Используются они также для распознавания анионов и молекул. В настоящее время наиболее интенсивно изучаемыми флуорофорами являются борфторидные комплексы дипиррометенов – 4,4-дифторо-4-бора-3a,4a-диазаиндацены (BODIPY). Соединения этого класса обладают такими ценными свойствами, как повышенная химическая и фотостабильность, относительно высокие коэффициенты поглощения и квантовый выход флуоресценции, способствующими их применению в различных отраслях науки и техники. Так, флуорофоры семейства BODIPY широко используются в качестве маркеров биомолекул (молекулярных зондов), флуоресцентных переключателей, светособирающих матриц, хемосенсоров, лазерных красителей, фотосенсибилизаторов в фотодинамической терапии.
К несомненным достоинствам флуорофоров семейства BODIPY относится возможность легкой модификации их свойств, в частности способности к поглощению и флуоресценции, путем введения соответствующих заместителей в борадизаиндаценовый каркас. Наиболее распространенный способ изменения свойств этих соединений удлинение цепи сопряжения молекулы с помощью различных арильных заместителей, вводимых в положения 3,5-диазаиндаценового каркаса. Так, 3-арил- или 3,5-диарилзамещенные флуорофоры поглощают и флуоресцируют со значительным батохромным сдвигом по сравнению с соответствующими алкилпроизводными. Ранее мы показали, что введение третьего функционального заместителя, а именно CF3-группы, в мезо-положение 3,5-диарилзамещенных BODIPY позволяет добиться еще большего красного сдвига и значительно повышает квантовый выход флуоресценции.
Синтез таких флуорофоров включает конденсацию трифтор-1-(пиррол-2-ил)этанолов (продуктов восстановления соответствующих трифторацетилпирролов) с пирролами, окисление образовавшихся дипиррометанов в дипиррометены и их комплексообразование с трифторидом бора.
В продолжение наших исследований по синтезу мезо-CF3-борадиазаиндаценов (BODIPY) мы использовали этот подход для получения излучающих в ближней инфракрасной области флуоросенсоров, содержащих электронодонорные аминогруппы, способные обнаруживать с высокой степенью чувствительности свободные (сольватированные) протоны.
Предложенная нами методология синтеза 3-фенил- и 3,5-дифенилзамещенных BODIPY, имеющих в бензольных кольцах амино- и ацетамидогруппы, основана на использовании в качестве исходных реагентов 2-фенилпирролов с соответствующими заместителями, легко получаемые из кетоксимов и ацетилена в суперосновной среде по реакции Трофимова.
Основная часть
Синтез мезо-CF3-замещенных симметричных и несимметричных флуорофоров BODIPY с м- и п-аминофенильными заместителями в положениях 3- или 3,5-диазаиндаценового каркаса
В рамках выполнения проекта разработаны методы получения мезо-СF3-флуорофоров BODIPY с м- и п-аминофенильными заместителями в положениях 3 или 3,5 диазаиндаценового каркаса. В качестве стартовых соединений использованы 2-(м- и п-аминофенил)пирролы, методология получения которых описана ранее (см. отчет 2012 г.). Ключевая стадия синтеза целевых флуорофоров конденсация пирролов с трифтор-1-(пиррол-2-ил)этанолами, продуктами восстановления соответствующих 2-трифторацетилпирролов, образующихся при трифторацетилировании пирролов трифторуксусным ангидридом. Однако, как было показано ранее, в случае 2-(м- и п-аминофенил)пирролов эта реакция протекает исключительно по аминогруппе, приводя селективно к 2-(м- и п-трифторацетамидофенил)пирролам. Ввести вторую трифторацетильную группу в пиррольное кольцо не удается, по-видимому, из-за сильного электроноакцепторного влияния трифторацетамидной группировки.
Защита аминогруппы обработкой уксусным ангидридом, приводящая к 2-(м- и п-ацетамидофенил)пирролам, и реакция последних с трифторуксусным ангидридом позволила получить соответствующие 2-трифторацетилпирролы с высоким выходом.
Для получения симметричных дипиррометенов с мезо-СF3- и 3,5-(м- и п-ацетамидо)фенильными заместителями – прекурсоров соответствующих флуорофоров BODIPY – использовались два синтетических подхода:
1 кислотно-катализируемая конденсация (Р2О5, ацетонитрил, комнатная температура, 16-20 ч) трифтор-1-[(м- или п-ацетамидофенил)пиррол-2-ил]этанолов (получены восстановлением соответствующих 2-трифторацетилпирролов борогидридом натрия) с 2-[(м- или п-ацетамидо)фенил]пирролами с последующим окислением образующихся дипиррометанов DDQ.
2 – реакция замещенных пирролов с ангидридом трифторуксусной кислоты в среде трифторуксусной кислоты (80оС, 1 ч). Такие дипиррометены были получены из 2-фенил- и 2-(п-метоксифенил)пирролов и без выделения превращены в соответствующие флуорофоры BODIPY. Однако 2-(м-, п-ацетамидофенил)- и 2-(п-диметиламинофенил)пирролы с ангидридом трифторуксусной кислоты в этих условиях селективно превращаются в соответствующие 2-трифторацетилпирролы, ожидаемые симметричные дипиррометены при этом не фиксируются даже в виде следов.
Несимметричные дипиррометаны с мезо-СF3- и ацетамидофенильными заместителями в положении 3 борадиазаиндаценового каркаса получены кислотно-катализируемой конденсацией трифтор-1-[(м- или п-ацетамидофенил)пиррол-2-ил]этанолов с 2-фенилпирролом.
Кипячением полученных симметричных и несимметричных дипиррометанов в 15%-ном растворе соляной кислоты в метаноле синтезированы целевые дипиррометаны с 3- или 3,5-аминофенильными заместителями.
Симметричные и несимметричные мезо-СF3-борадиазаиндаценовые красители семейства BODIPY с 3- или 3,5-аминофенильными заместителями получены окислением DDQ соответствующих 3,5-аминофенильных дипиррометанов с последующим комплексообразованием с BF3.OEt2.
Снять защиту с аминогруппы в ацетамидофенилзамещенных флуорофорах BODIPY кипячением в метаноле в присутствии NaOH или КОН (2-3 ч) не удалось – в этих условиях борадиазаиндаценовый цикл раскрывается с образованием соответствующих дипиррометенов.
Изучение спектральных характеристик несимметричных флуорофоров BODIPY с м- и п-аминофенильными заместителями в положении 3 диазаиндаценового каркаса
В результате проведенных исследований были синтезированы мезо-СF3-замещенные несимметричные 3-[м-(1)- и п-(2)-аминофенил]-5-фенил- и симметричные 3,5-ди[(м- и п-амино)фенил]дифторборадиазаиндаценовые флуорофоры BODIPY. Однако, из-за плохой растворимости симметричных флуорофоров, спектрально-люминесцентные и фотофизические свойства исследованы только для несимметричных производных. Данные, полученные в результате этих исследований, представлены в таблице 1.
Таблица 1. Спектрально-люминесцентные и фотофизические характеристики флуорофоров BODIPY 1 и 2 в растворителях различной полярности
BODIPY
|
растворитель
|
abs, нм
|
em, нм
|
St, см-1
|
Флуорес-ценция
|
1
|
n-гексан
|
598.1
|
632
|
900
|
сильная
|
|
толуол
|
605.2
|
637
|
800
|
слабая
|
|
диоксан
|
599.8
|
634
|
900
|
слабая
|
|
CCl4
|
601.3
|
639
|
980
|
сильная
|
|
дибутиловый эфир
|
600.3
|
631
|
810
|
слабая
|
|
этилацетат
|
597.4
|
631
|
890
|
слабая
|
|
BuOH
|
600.0
|
632
|
840
|
слабая
|
|
EtOH
|
597.5
|
631.5
|
900
|
слабая
|
|
MeCN
|
591.1
|
631.5
|
1070
|
слабая
|
|
MeCN+H+
|
585
|
624
|
1070
|
сильная
|
|
ДМСО
|
600.4
|
649
|
1200
|
слабая
|
2
|
n-гексан
|
631
|
662
|
740
|
сильная
|
|
толуол
|
648
|
693
|
1000
|
очень слабая
|
|
диоксан
|
650
|
705
|
1200
|
очень слабая
|
|
CCl4
|
638
|
673.5
|
830
|
сильная
|
|
дибутиловый эфир
|
652
|
706
|
1170
|
очень слабая
|
|
этилацетат
|
651
|
716
|
1400
|
очень слабая
|
|
BuOH
|
658
|
715
|
1200
|
очень слабая
|
|
EtOH
|
658
|
725
|
1400
|
очень слабая
|
|
MeCN
|
643
|
-
|
|
очень слабая
|
|
MeCN+H+
|
585
|
624
|
1070
|
сильная
|
|
ДМСО
|
676
|
760
|
1630
|
очень слабая
|
В апротонных неполярных растворителях (н-гексан, CCl4) спектры поглощения и флуоресценции флуорофоров BODIPY 1 и 2 по форме и интенсивности подобны многим другим красителям BODIPY. Они имеют интенсивные узкие длинноволновые полосы поглощения и практически зеркально симметричные им полосы флуоресценции. Благодаря сильному электронодонорному эффекту аминогруппы в пара-положении фенильного заместителя (p = -0.66) максимум этой полосы у флуорофора BODIPY 2 сдвинут на 30 -70 нм (в зависимости от растворителя) в красную сторону по сравнению с соединением 1 с аминогруппой в мета-положении (m= -0.16).
Количественный анализ влияния среды на положение S0S1 и S1S0 полос поглощения и эмиссии флуорофоров BODIPY 1 и 2 проведен на основе подхода, развитого Каталаном. С помощью четырех независимых эмпирических параметров описывались как неспецифические: поляризуемость (SP) и диполярность (SdP), так и специфические взаимодействия: кислотность (SA) и основность (SB):
max = 0max +cSPSP+ dSdP SdP+ aSA SA+ bSB SB, (1)
где cSP, dSdP, aSA и bSB регрессионные коэффициенты, описывающие чувствительность max к соответствующим взаимодействиям: растворенное вещество растворитель.
Проведенный анализ показал, что для соединения 1 основными факторами, определяющими смещение полос поглощения, являются поляризуемость растворителя и, в меньшей степени, диполь-дипольные взаимодействия. Очень малое влияние на положение S0-S1 полос оказывают специфические взаимодействия. Однако в случае соединения 2 заметное влияние на положение S0-S1 полосы поглощения оказывают основные свойства растворителя (табл. 2). Для флуоресценции важную роль играют не только поляризуемость и диполярность (SP и SdP), но и кислотные (SA) и основные (SB) свойства растворителей.
Таблица 2. Коэффициенты 0max, abs, cSP, dSdP, aSA, bSB и коэффициенты корреляции (r) для мультиплетного линейного регрессионного анализа поглощения и флуоресценции по уравнению 1 для флуорофора 2.
Флуорофор 2
|
0max
|
cSP
|
dSdP
|
aSA
|
bSB
|
r
|
поглощение
|
17193
|
-2017
|
-210
|
-74
|
-691
|
0.978
|
флуорес-ценция
|
16071
|
-1547
|
-1079
|
704
|
-911
|
0.989
|
Чрезвычайно интересно влияние полярного окружения на квантовый выход флуоресценции (f) соединений 1 и 2. Как видно из табл. 1, эти молекулы эффективно флуоресцируют только в н-гексане (а также в растворах других предельных углеводородов и CCl4), тогда как в остальных, представленных в таблице растворителях, их флуоресценция слабая (f<0.1) или очень слабая (f <0.01). Следует отметить, что подобная тенденция является общей для амино-замещенных органических молекул с сильным внутримолекулярным донорно-акцепторным взаимодействием. Причиной этого может быть или специфический внутримолекулярный релаксационный процесс, связанный с образованием ортогонального электроновозбужденного TICT-состояния (Twisted Intramolecular Charge Transfer) или усиление безызлучательных потерь при сближении энергий структурно- и сольвато-релаксированного флуоресцентного состояния S1 и соответствующего ему Франк-Кондоновского основного состояния (закон энергетического интервала).
Сравнительные квантово-химические расчеты энергий S0 и S1 состояний, проведенные для двух BODIPY, имеющих в 3 положении сильный и слабый электронодонорные фрагменты анилиновый (BODIPY 2) и толуольный (BODIPY 3) в зависимости от торсионного угла , свидетельствуют в пользу TICT механизма тушения флуоресценции (рис. 1).
Действительно, геометрия молекулы BODIPY 3 практически не меняется при возбуждении, а молекула BODIPY 2 после возбуждения быстро конвертирует в нефлуоресцирующее состояние с ортогональным расположением анилинового заместителя по отношению к ядру BODIPY (рис. 2). Отметим, что исследованный нами ранее BODIPY 3 флуоресцирует приблизительно одинаково сильно во всех растворителях, представленных в табл. 1.
|
|
S1
|
|
|
S0
|
|
|
|
Рис. 1. Энергии S0 и S1 состояний в зависимости от торсионного угла .
|
|
Рис. 2. Оптимальная геометрия BODIPY 2 в S1 TICT-состоянии (TD PBE0/def2-SV(P)))
Флуоресценция соединений 1 и 2 появляется при блокировании электронодонорных свойств аминогруппы в результате протонирования, что является сильным доводом в пользу тушения флуоресценции по механизму внутримолекулярного переноса заряда. При протонировании полосы поглощения и флуоресценции сдвигаются в коротковолновую область, и по своим спектроскопическим и фотофизическим характеристикам BODIPY 1 и 2 становятся близкими к BODIPY 3. Так, присутствие протонов в MeCN вызывает большой гипсохромный сдвиг самой длинноволновой полосы поглощения BODIPY 2 от 642 нм до 585 нм и появление интенсивной флуоресценции при fl,max = 624 nm (табл. 1).
Таким образом, результаты исследования показали, что наличие сильной электроноакцепторной CF3-группы в мезо-положении и сильного электронодонорного и pH-чувствительного анилинового фрагмента в 3 положение BODIPY в большинстве из растворителей индуцирует тушение флуоресценции по TICT механизму. Появление флуоресценции при протонировании аминогруппы позволяет рассматривать BODIPY 1 и 2 как эффективные, переключаемые протонами, флуоресцентные сенсоры типа "switching on" в практически важной области спектра. Необходимо отметить, что для биомедицинских исследований широко востребованы флуорофоры со спектральными характеристиками поглощения и излучения, попадающими в так называемое “imaging window" - область максимальной прозрачности мягких тканей (650 - 1450 нм).
Структурные исследования мезо-CF3-3-арил(гетарил)- и 3,5-диарил(гетарил)-замещенных флуорофоров BODIPY методом ЯМР 1Н, 13С и 19F
Строение полученных флуорофоров, в значительной мере влияющее на их абсорбционные и эмиссионные свойства, изучено методом ЯМР. С этой целью проанализированы параметры спектров ЯМР 1Н, 13С и 19F ряда синтезированных флуорофоров BODIPY и проведено их сопоставление со спектральными характеристиками их прекурсоров – соответствующих дипиррометанов. На основании такого сравнения сделаны выводы об особенностях сопряжения -систем каркаса BODIPY с арильными и гетарильными заместителями, а также проведен конформационный анализ структур таких соединений.
Установлено, что комплексообразование дипиррометанов в борадиазаиндаценовые структуры сопровождается характеристическими слабопольными смещениями сигналов в спектрах ЯМР 13С углеродов гетероцикла в одинаковых по отношению к атомам азота и заместителям положениях. Акцепторный характер борадиазаиндаценового цикла проявляется в увеличении химических сдвигов атомов углерода арильных, либо гетарильных заместителей в положениях 3 и 5 комплексов BODIPY по сравнению с исходными дипирролилметанами. Обнаружено резкое высокочастотное смещение резонанса протона в положении 3 тиофенового цикла в тиенильных производных BODIPY, индуцированное пространственной близостью атомов фтора группы BF2. Такая близость служит мостиком для эффективной передачи дальнего спин-спинового взаимодействия 19F1H через промежуточную связь СН. Квантово-химический расчет 3-(тиен-2-ил)дифторборадиазаиндацена в рамках теории функционала плотности показал энергетическую предпочтительность анти-конформации тиенильного цикла относительно борадиазаиндаценового, в которой атом водорода в положении 3 тиенильного цикла и атом фтора группы BF2 сближены на расстояние меньшее суммы их ван-дер-ваальсовых радиусов. Анализ топологических параметров взаимодействия F•••H в рамках квантовой теории «Атомы в Молекулах» и орбитальных взаимодействий при рассмотрении орбиталей натуральных связей свидетельствует, что такое взаимодействие значительно слабее традиционной внутримолекулярной водородной связи, хотя вполне достаточно для объяснения обнаруженных спектральных эффектов.
Заключение
Разработанная нами методология синтеза ранее неизвестных борадиазаиндаценовых флуорофоров семейства BODIPY с трифторметильной группой в мезо-положении на основе легко доступных 2-трифторацетилпирролов распространена на мезо-CF3-флуорофоры c 2-(м- и п-амино)фенильными заместителями в положениях 3- и 3,5-диазаиндаценового каркаса. Установлена зависимость фотофизических свойств синтезированных флуорофоров от полярности и кислотности растворителя, позволяющая использовать эти соединения как эффективные, переключаемые протонами, флуоресцентные сенсоры типа "switching on" в биомедицинских исследованиях.
Проанализированы параметры спектров ЯМР 1Н, 13С и 19F ряда синтезированных флуорофоров BODIPY и проведено сопоставление полученных данных со спектральными характеристиками их прекурсоров – соответствующих дипиррометанов. На основании такого сравнения сделаны выводы об особенностях сопряжения -систем каркаса BODIPY с арильными и гетарильными заместителями, а также проведен конформационный анализ структур таких соединений.
За отчетный период подготовлена статья для опубликования в журнале Chem. Eur. J. от авторов: Luybov N. Sobenina, Albina I. Mikhaleva, Yi Li, Boris A. Trofimov, Jinshi Ma, Guoqiang Yang.
Руководитель
академик РАН Б.А. Трофимов
|
