Органические компоненты электронных, оптических и сенсорных устройств

В последние три десятилетия чрезвычайно актуальными являются исследования органических соединений в приложении к задачам электроники, оптики и сенсорного определения различных веществ. Традиционными активными компонентами для данных областей являются неорганические материалы. Устройства на их основе долговечны, эффективны, однако имеют недостаточно хорошие механические свойства и высокую стоимость производства. Органические соединения отличаются простым и недорогим синтезом, механической гибкостью, относительной легкостью настройки физических свойств. На их основе возможно создание сверхтонких и сверхлегких гибких носимых устройств.

Пока не разработано достаточно эффективных и долговечных органических материалов, способных полностью взять на себя все функции готового устройства. Тем не менее, к настоящему времени получены подходящие органические компоненты по крайней мере для ключевых узлов многих возможных девайсов. Некоторые из них уже сейчас коммерчески доступны: гибкие дисплеи на основе технологии OLED (organic light-emitting diode), компактные селективные молекулярные сенсоры для множества применений, гибкие и полупрозрачные солнечные батареи и RFID-метки. Все эти устройства являются гибридными. В них активным компонентом (источником света в OLED, конвертером света в движение зарядов в солнечных батареях, селективной ловушкой для определяемого компонента в сенсорах) является органический материал, а все периферические функции выполняют традиционные неорганические вещества.

В нашей лаборатории ведется разработка органических соединений для таких устройств, мы развиваем направление оптически- и электрохимически- активных малых молекул. Они состоят из крупных π-сопряженных гетероароматических фрагментов в сочетании с донорными и акцепторными заместителями. Такое строение обеспечивает возможность самопроизвольной межмолекулярной организации, высокую степень делокализации электронов и низкую энергию электронных переходов. Основными фрагментами наших соединений являются имидазо[4,5-f][1,10]фенантролин, тиофен, бензо[d]тиазол и другие гетероциклы. Фрагмент 1,10-фенантролина прочно связывается с большим набором переходных и тяжелых металлов, поэтому помимо органических соединений мы синтезируем и исследуем металлокомплексы. Для сенсорных применений в молекулы дополнительно могут быть введены фрагменты различных краун-эфиров.

Работы по данному направлению междисциплинарны и включают синтез новых органических соединений и металлокомплексов, комплекс физико-химических исследований для установления наиболее перспективных производных, тестирование их в составе модельных устройств совместно с партнерами из российских и зарубежных научных организаций.

Среди достигнутых результатов следует выделить три направления работы.

1. Органические комплексы Ru(II) как фотосенсибилизаторы полупроводниковых газовых сенсоров

Для задач «полевого» детектирования газов широко применяются полупроводниковые газовые сенсоры. Их работа основана на изменении проводимости сенсорного полупроводникового элемента при адсорбции на его поверхности различных газов. Рабочей температурой сенсоров является интервал 200-500ºС, что сильно ограничивает их мобильность и повышает энергопотребление. Нагрев необходим для регенерации поверхности для нового цикла измерений, а также для увеличения количества свободных носителей зарядов.

Оригинальной идеей нашей работы была модификация поверхности полупроводникового элемента веществами-фотосенсибилизаторами. Они способны конвертировать энергию видимого излучения в движение зарядов, что приведет к фотодесорбции газов без нагрева.

Для этих целей была синтезирована серия рутениевых (II) комплексов, которые затем нанесли на полупроводниковые оксиды олова и индия – распространенные сенсорные элементы газовых детекторов. Для полученных гибридных материалов мы показали перенос электрона с триплетного фотовозбужденного состояния фотосенсибилизатора на поверхность полупроводника. В результате переноса фотогенерированные дырки, которые остаются в сенсибилизаторе, дрейфуют к границам кристалла и рекомбинируют с электронами на хемосорбированных молекулах газов на поверхности. Таким образом становится возможна фотодесорбция газов под действием излучения видимого диапазона без нагрева.

В лаборатории химии и физики полупроводниковых и сенсорных материалов Химического факультета МГУ данное предположение было доказано в реальных газовых экспериментах.

2. Биметаллические комплексы как модификаторы проводимости и селективности газовых сенсоров

Другим критическим недостатком существующих в настоящее время полупроводниковых сенсоров является их низкая селективность, что не позволяет использовать их в мультисенсорных системах искусственного обоняния. Немодифицированный материал при стандартном режиме работы сенсора фактически может лишь отличать газы-окислители от газов-восстановителей. Для решения этой проблемы была предложена модификация поверхности сенсорного элемента комплексами различных металлов, поскольку последние демонстрируют сродство к различным газам. В результате было показано, что модификация поверхности органическими комплексами меди (II) увеличивает селективность сенсора по отношению к H₂S.

По результатам выполненных работ была предложена идея одновременного решения проблем селективности и регенерации поверхности без нагрева. Цель может быть достигнута с помощью модификации поверхности гетеробиметаллическими комплексами, которые одновременно будут выполнять две функции:

• Повышение селективности. Для этого модификатор должен содержать в своем составе катион металла, обладающий сродством к одному из токсичных, техногенных или взрывоопасных газов для обеспечения селективности анализа;
• Фотосенсибилизация под действием видимого света. Комплекс будет также включать катион рутения (II), его присутствие модифицирует возбужденное состояние так, что оно станет способно переносить электрон на поверхность полупроводника для десорбции газов под действием видимого света.

В настоящее время ведутся работы в данном направлении совместно с коллегами из лаборатории химии и физики полупроводниковых и сенсорных материалов Химического факультета МГУ.

Rumyantseva, M., Makeeva, E., Gaskov, A., Shepel, N., Peregudova, S., Khoroshutin, A., Tokarev, S. and Fedorova, O. H₂S sensing by hybrids based on nanocrystalline SnO₂ functionalized with Cu (II) organometallic complexes: The role of the ligand platform.

Nanomaterials

, 2017, 7, 11, 384. DOI: 10.3390/nano7110384

3. Органические компоненты многослойных гибридных электронных устройств:

В сотрудничестве с лабораторией гетероатомных соединений Химического факультета МГУ разрабатывается метод фотоиндуцируемой электроциклизации 2- и 3-стирилтиофенов. Данный метод позволяет в одну стадию получать поликонденсированные гетероароматические структуры, которые обладают перспективными свойствами в качестве компонентов органической электроники.

Получаемые в результате фотоциклизации соединения характеризуются высокой упорядоченностью в конденсированной фазе, низким выходом люминесценции при комнатной температуре, также была зафиксирована высокая подвижность зарядов. Как ожидается, возбужденное состояние продуктов фотоциклизации имеет триплетную долгоживущую природу, что делает их перспективными компонентами многослойных электронных устройств. В настоящее время совместно с Институтом физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина данный класс соединений тестируется в составе модельных органических полевых транзисторов и фотодиодов.

Ранее ряд тиофеновых производных донорно-акцепторного строения был исследован в составе другого класса многослойных устройств – органических светодиодов. Соединения вводили в состав полимерного проводящего слоя светодиода. Полученные устройства продемонстрировали яркость почти в два раза выше относительно немодифицированных светодиодов. Данный эффект был достигнут за счет повышения подвижности электронов в модифицированном полимерном слое при одновременном снижении подвижности дырок.

Tokarev, S.D., Fedorov, Y.V., Moiseeva, A.A., Jonusauskas, G., Lypenko, D.A., Aleksandrov, A.E., Tameev, A.R., Maltsev, E.I., Nosova, G.I., Zhukova, E.V. and Fedorova, O.A. Modification of the carrier mobility of conducting PF-EP polymer by formation of their composites with thiophene derivatives

Organic Electronics

, 2020, 78, 105586. DOI: 10.1016/j.orgel.2019.105586

к.х.н., м.н.с. Токарев Сергей Дмитриевич

Органические люминофоры и фотоактивные молекулярные устройства на их основе

Люминесцентная спектроскопия представляет собой обширную область современной оптической спектроскопии. Благодаря высокой чувствительности первоначально ее применение было связано в основном с аналитическими целями, включающими обнаружение малых концентраций веществ, контроль изменений, претерпеваемых веществом при химических реакциях и определение степени чистоты веществ. На сегодняшний день области практического использования органических и металлоорганических люминофоров значительно расширились. Люминесцентные реагенты имеют большое значение в биологии для исследования структуры белков методом флуоресцентных зондов и меток. На основе красителей-люминофоров и их комплексов с металлами создаются OLED-устройства, флуоресцентные термометры, системы записи и хранения информации. Люминесцентные измерения часто бывают незаменимыми при изучении быстрых реакций электронно-возбужденных молекул.

В нашей лаборатории активно ведутся научные исследования, направленные на разработку новых люминесцентных материалов, в частности на основе производных 1,8-нафталимида, для использования в составе фотоактивных молекулярных и супрамолекулярных устройствах различного назначения: оптических сенсорах, флуоресцентных фотохромах, лекарственных препаратах, имиджинговых реагентах для биологии и медицины. Данное направление является междисциплинарным. С одной стороны оно включает синтез органических компонент – флуоресцентных красителей, а с другой стороны – проведение физикохимических исследований получаемых систем с целью установления важнейших характеристик, определяющих их практическую значимость. Основные направления работ, связанные с «люминесцентной» тематикой, можно сформулировать следующим образом:

Изучение фотофизических и фотохимических характеристик люминофоров

Правильный подбор компонентов того или иного молекулярного устройства, использующего в своей работе свет, возможен только в том случае, если известны спектральные свойства самого фотоактивного компонента. Поэтому первоначальным этапом разработки молекулярного устройства является детальный анализ оптических характеристик используемого люминофора. Он подразумевает изучение сольватационных эффектов, влияния природы заместителей, квантовохимические расчеты. Большое внимание при разработке фотоактивных компонент нами уделяется молекулам, содержащим гибридную хромофорную систему, которая включает остаток нафталимида в сочетании с фрагментом стирилового красителя или хромена. При фотовозбуждении в таких соединениях могут реализовываться безызлучательные процессы E,Z-изомеризации, электроциклические реакции и образование скрученных состояний с переносом заряда (TICT). Использование времяразрешенной и стационарной оптической спектроскопии позволяет установить соотношение между скоростями указанных процессов, их относительную эффективность и степень влияния на флуоресцентные характеристики.

Избранные публикации

Novel naphthopyrans bearing naphthalimide units were synthesized. The mutual position of pyran and naphthalimide units effect on the photochromism. Long-lived open form of photochrome is due to TT isomer and is thermally stable. The fluorescence of naphthalimide is switched by photochromic conversion.

Photophysical properties of naphthalimide dyes NI1–3 are examined in a variety of protic and aprotic solvents. The obtained data correspond to the formation of highly polar charge transfer states. Based on the transient absorption spectra and time-resolved fluorescence measurements, the presence of two different emissive states was definitely proved. The factors affecting the fluorescence of TICT states are discussed.

Флуоресцентные навигаторы для фотодинамической терапии рака

Данное направление мы развиваем совместно с нашими коллегами из МИТХТ им. М.В. Ломоносова. Основной задачей здесь является разработка бис(хромофорных) систем, сочетающих фрагмент фотосенсибилизатора (ФС) и фрагмент флуорофора. В роли ФС выступают природные хлорофиллы, некоторые их которых уже зарекомендовали себя как лекарство. ФС обеспечивает сродство к опухолевым клеткам и генерацию цитотоксичного синглетного кислорода при облучении. Флуорофор, в качестве которого мы предлагаем производные нафталимида, позволяет проводить флуоресцентную диагностику и устанавливать место локализации опухоли. Весьма эффективным для целей флуоресцентной диагностики оказался подход, заключающийся в использовании наночастиц с апконверсионной люминесценций, модифицированных ковалентной пришивкой частиц ФС и флуорофора.

Избранные публикации

Propargyl-152,173-dimethoxy-131-amide of bacterio-chlorin e (BChl) and 4-(4-N,N-dimethylaminostyryl)-N-alkyl-1,8-naphthalimide bearing azide group in the N-alkyl fragment were conjugated by the copper(I)-catalyzed 1,3-dipolar cycloaddition to produce novel dyad compound BChl-NI for anticancer photodynamic therapy (PDT) combing the modalities of a photosensitizer (PS) and a fluorescent imaging agent. In vitro results revealed high photoinduced cytotoxicity and fluorescent imaging capability that can be realized using both chromophores.

A smart, easy-to-prepare nanohybrid (NH) suitable for NIR-theragnosis and imaging tracking without triggering therapy simultaneously is described. The photophysical features of each component (naphtha-imide NI, photosensitizer PP and upconversion nano-particle UCNP) have been carefully selected in order to maximize the capabilities for theragnosis, in particular, the upconversion emission and the photosensitizer absorption. In addition, NH presents a fluorescent marker with one-photon absorption in the green and two-photon absorption cross-section at NIR wave-lengths where the UCNP does not absorb, thus enabling innocuous tracking.

Оптические флуоресцентные хемосенсоры на основе производных 1,8-нафталимида

Проводятся исследования, направленные на поиск новых флуороионофоров, в которых рецепторный фрагмент сопряжен с хромофорной системой нафталимидного остатка. Полученные соединения способны изменять свои спектральные характеристики при комплексообразовании за счет переключения фотофизических процессов переноса электрона (PET) и внутримолекулярного переноса заряда (ICT). Особое внимание уделяется ратиометрическим FRET-хемосенсорам, содержащим два ковалентно связанных нафталимидных остатка, которые представляют большой интерес для биохимических исследований. Принцип работы таких систем основан на резонансном переносе энергии между двумя хромофорами. С использованием этого механизма было показано, что возможно определение содержания катиона в условиях, когда концентрация самого сенсора в среде неизвестна.

Избранные публикации

Novel bi-chromophoric naphthalimides BNI2 and BNI3 were designed and prepared. Upon the addition of alkaline-earth metal perchlorates to an acetonitrile solution of ligands, FRET mediated fluorescence enhancement was observed, which was a result of inhibition of PET competitive deactivation pathway. The studied compounds provide an opportunity to register two-channel fluorescence response using selective excitation of either of the photoactive units and, thus might be of interest as ratiometric probes.

В данном обзоре рассмотрено использование производных 1,8 нафталимида в качестве фотоактивной составляющей для разработки оптических хемосенсоров на катионы металлов и ионы водорода, различающихся как по механизму передачи сигнала о связывании с анализируемым субстратом, так и по типу используемого рецептора. Затрагиваются проблемы детектирования катионов тяжелых и переходных металлов, а также обсуждаются способы создания ратиометрических оптических сенсоров.

с.н.с., к.х.н., доц. Панченко П.А.; н.с., к.х.н. Архипова А. Н.; инж.-иссл., асп. Захарко М. А.

Азакраун-соединения – комплексоны для катионов тяжелых металлов и радионуклидов

Катионы металлов играют важную роль в развитии науки и техники. Создание современных диагностических, терапевтических и аналитических агентов, работающих в биологических средах, невозможно без подходящих комплексонов. Поэтому важной задачей в данной области является получение комплексонов, демонстрирующих высокую селективность комплексообразования, быстрый процесс связывания катиона металла, мягкие условия получения комплексов, высокие константы устойчивости, кинетическую инертность комплексов, особенно в биологической среде.

Азакраун-соединения способны прочно и селективно связывать ионы металлов, что делает данные соединения интересными для исследователей и дает широкие возможности их практического применения. Они находят широкое применение во многих областях. Так, например, комплексы с лантаноидами используются в качестве контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии и флуоресцентных зондов; комплексы с радионуклидами используются для диагностики и терапии онкологических заболеваний; цинковые, медные и лантанидные комплексы имитируют гидролитические и антиоксидантные ферменты; свободные лиганды используются как агенты для хелатотерапии при отравлении тяжелыми металлами; лиганды, содержащие хромофорные фрагменты, выступают в роли хемосенсоров на различные катионы и анионы. Такое многообразие практического применения азакраун-соединений обусловлено их способностью растворяться как в органических, так и в водных средах, а также возможностью тонкой настройки свойств комплексона путем введения различных по природе координирующих групп. Наибольший интерес представляют бифункциональны комплексоны, которые содержат дополнительную функциональную группу, не участвующую в координации катиона, но благодаря которой появляется возможность вводить комплексон в состав более сложных систем за счет его ковалентного связывания, например, с красителями, биомолекулами, полимерами и т.д.

Оригинальной идеей нашей работы является получение азамакроциклических комплексонов, имеющих в своем составе жесткий ароматический фрагмент. Такая структура обеспечивает открытую предорганизованную полость лиганда для эффективного и быстрого комплексообразования. Также гетероатомы азота макроциклической части легко модифицируются дополнительными хелатирующими группами, что увеличивает прочность образуемых комплексов, а ароматическая платформа может быть использована для введения различных групп для дальнейшего использования в синтезе функциональных систем.

На сегодняшний день в результате работы, проделанной коллективом нашей лаборатории, синтезирована серия азакраун-соединений, в структуре которых варьировались различные параметры: размер макроцикла, количество и комбинация гетероатомов, природа ароматического фрагмента и введенной с него функциональной группы, тип и количество хелатирующих групп. Изучение их комплексообразующих свойств с использованием различных физических и физико-химических методов позволило выявить зависимость «структура – свойства».

В ходе совместной работы с сотрудниками химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова установлено, что пиридинсодержащий макроцикл с тремя карбоксильными группами демонстрирует высокую константу устойчивости комплекса с висмутом, а также быструю скорость его образования и кинетическую инертность. Учитывая благоприятные результаты биораспределения его комплекса с радионуклидом 213Bi3+, можно предположить, что данное соединение является перспективным для использования в качестве компонента радиофармпрепаратов.

аспирант ИНЭОС РАН, Зубенко Анастасия Дмитриевна

Разработка супрамолекулярных систем на основе молекул-контейнеров

Бурное развитие супрамолекулярной химии привело к созданию целого ряда классов молекулярных контейнеров и глубокому пониманию роли нековалентных взаимодействий (водородные и координационные связи, π-π и электростатические взаимодействия, гидрофобный эффект) в построении комплексов гость - хозяин. В последнее время большое внимание стало уделяться развитию «интеллектуальных» супрамолекулярных систем, которые обладают способностью «загружать» активную молекулу в полость молекулы-контейнера, достаточно прочно удерживать ее внутри, но при изменении условий окружающей среды (растворитель, кислотность) или под влиянием внешних воздействий (оптический, электрический импульс, конкурентный гость) легко ее высвобождать. Среди перечисленных стимулов воздействие света обладает выраженными преимуществами: неинвазивным действием, быстрым откликом, высокой точностью и избирательностью, а также способностью не создавать дополнительные химические отходы.

Индуцируемые системы представляют особое значение для разработки средств адресной доставки лекарственных препаратов пролонгированного действия и построения молекулярных машин.

Научные изыскания нашей лаборатории сосредоточены на изучении закономерностей обратимого управляемого включения фотоактивных молекул-гостей в полость молекулярных контейнеров, что связано с решением фундаментальной проблемы супрамолекулярной химии – разработки методов получения структурно организованных и функционально интегрированных молекулярных систем и способов управления их функциями. Благодаря своим оптическим характеристикам фотоактивные молекулы позволяют проводить мониторинг их комплексообразования с использованием высокочувствительных спектральных методов. Среди различных классов молекулярных контейнеров для нас наибольший интерес представляют циклодекстрины и кукурбитурилы, что обусловлено их уникальными свойствами и широкой областью практического применения.

Циклодекстрины – коммерчески доступные циклические олигосахариды – уже имеют многолетнюю историю применения для целей капсулирования. Совершенствование лекарственных форм с помощью циклодекстринов позволяет снизить токсичность медицинских средств, уменьшить концентрацию при применении, усилить проницаемость за счёт повышения гидрофильности и увеличить длительность эффекта. Кукурбитурилы – циклические олигомеры гликольурила – для этих целей разрабатываются относительно недавно, однако имеют высокий потенциал практического биомедицинского применения. В настоящее время учеными разных стран проводятся обширные доклинические исследования по выявлению токсичности кукурбитурила на живые клетки. Предварительные клеточные испытания in vitro и in vivo продемонстрировали хорошие результаты: кукурбитурилы практически нетоксичны и способны проникать через клеточную мембрану, а, следовательно, включенные внутрь полости макроцикла целевые соединения могут быть доставлены по своему прямому назначению. Наличие вариабельной гидрофобной полости в сочетании с гидрофильными карбонильными группами, которые опоясывают с обеих сторон концевые порталы макроцикла, создает благоприятные условия для капсулирования широкого круга нейтральных и катионных соединений с высокими константами устойчивости. Как показали исследования последних десятилетий, кукурбитурилы могут качественным образом влиять на ряд практически полезных свойств инкапсулированных молекул. Комплексы с кукурбитурилами обладают повышенной растворимостью и временем жизни в физиологических условиях и могут легко обходить гематоэнцефалический барьер крови.

Нажмите на картинку для активации 3D модели. Левая кнопка мыши - вращение модели, правая - меню, колесо - зум.

Другими интересными свойствами молекул-контейнеров является их способность влиять на фотофизические и фотохимические свойства хромофорных молекул-гостей: наблюдается усиление флуоресцентного отклика, изменение Стоксова сдвига, происходит модуляция свойств возбужденного состояния и активация фотоиндуцированных процессов. Эта особенность капсулирования в наших исследованиях была использована для создания молекулярного переключателя – системы, в которой происходит перестройка изначальной архитектуры комплекса в новую структуру при поглощении кванта света.

Светоиндуцируемые молекулярные машины

Создание искусственных молекулярных машин (моторов, мускулов, переключателей), которые могут имитировать движения биологических объектов, является актуальной областью современной супрамолекулярной химии. На основе фотоактивных молекул и кукурбитурила в нашей лаборатории был разработан молекулярный переключатель, компоненты которого, подобно поршню, совершают возвратно-поступательные движения в результате воздействия внешнего источника энергии – светового импульса. Движущей силой движения служит изменение электростатического потенциала вследствие внутримолекулярного переноса заряда при фотовозбуждении молекулы стирилового красителя. Бистабильность системы достигается за счет различия в сайтах связывания кукурбитурила в основном и возбужденном состояниях хромофорной молекулы. Анализ данных оптической спектроскопии с временным разрешением и квантово-химических расчетов показал, что скорость перемещения кукурбитурила вдоль остова молекулы красителя составляет 0.49 nm/ps (490 m/s), что значительно превышает кинетические характеристики для ранее известных в литературе систем. Супрамолекулярные ансамбли, в которых возможно изменение состава или структуры под действием внешних стимулов, представляют огромный интерес для современных миниатюрных оптических технологий и медицины (Phys.Chem.Chem.Phys., 2017, 19, 25834-25839).

Фотоуправляемые системы, имитирующие адресную доставку лекарств

Манипулирование в единой супрамолекулярной системе двумя различными молекулами-контейнерами открывает большие возможности как для получения интересных и разнообразных комплексов, так и для расширения их функциональных возможностей. В последнее время большое внимание уделяется системам, ключевым процессом которых является индуцируемое обратимое перемещение органического лиганда между двумя молекулярными хозяевами. Достигнутые в этой области результаты позволят создавать сложные межмолекулярные ансамбли, которые способны выполнять заданные полезные функции – адресную доставку биологически активных соединений.

Основное направление нашей лаборатории связано с разработкой фотоуправляемых супрамолекулярных систем, принцип функционирования которых основан на селективной самоорганизации молекул. Уникальность предлагаемого подхода заключается в способности лиганда приобретать положительный заряд в результате фотохимических превращений, что влечет за собой изменение его комплексообразующих свойств. Такой особенностью обладают некоторые стириловые производные азинов и бензотиазолов. Активируемая светом электроциклическая реакция, характерная для данного класса соединений, приводит к превращению нейтральной молекулы в полиароматический катион ( J. Org. Chem.,, 2014, 79, 5533-5537).

Исходная и фотоиндуцированная формы стириловых производных обладают разным сродством по отношению к молекулам-хозяевам: циклодекстрины преимущественно связывают незаряженные молекулы, в то время как кукурбитурил проявляет высокое сродство к катионным молекулам. В результате при облучении светом трехкомпонентной системы наблюдается распад комплекса лиганд-циклодекстрин и образование комплекса лиганд-кукурбитурил ( Chem. Commun., 2015, 51, 1349-1352). Лабильность системы на некоторых стадиях можно поддерживать за счет дополнительных конкурирующих процессов.

Продукты фотоциклизации стириловых производных представляют собой плоские, положительно заряженные ароматические системы. По своим структурным характеристикам такие соединения могут рассматриваться как эффективные интеркаляторы, что было с успехом продемонстрировано на примере фотоуправляемого взаимодействия с ДНК ( Chem. Commun., 2015, 51, 4906-4909).

к.х.н., с.н.с. Черникова Е.Ю.; д.х.н., в.н.с. Федоров Ю.В.