Дизайн и синтез аурофильных органических лигандов и их координационных соединений для создания одноэлектронных наноустройствНИР

Design and synthesis of aurophilic organic ligands and their coordination compounds for the creation of single-electron nanodevices

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 30 июня 2019 г.-30 июня 2020 г. Дизайн и синтез аурофильных органических лигандов и их координационных соединений для создания одноэлектронных наноустройств
Результаты этапа: На первом этапе выполнения проекта нами были разработаны методы получения новых типов органических лигандов, в которых гетероароматические донорные фрагменты функционализированы различными линкерами. В качестве донорных фрагментов для последующего комплексообразования с ионами металлов нами были использованы N-содержащие лиганды трех структурных типов: терпиридины (тип 1), тиогидантоины (тип 2), гетарилбензотиазолы (тип 3). Основными структурными фрагментами органических лигандов являются: 1. Находящиеся на концах молекул терминальные аурофильные серосодержащие группы (тиольные, дисульфидные или тиоацетатные), обеспечивающие прочное связывание между такими молекулами и металлическими (предпочтительно, золотыми) электродами. 2. На другом конце молекулы располагается координирующий ион металла фрагмент, содержащий донорные атомы. В качестве таких фрагментов мы использовали производные терпиридина, пиридил-бензотиазола и 2-тиогидантоина, образующие с ионами металлов прочные хелатные комплексы. 3. Длина линкера, соединяющего фрагменты, варьируется для достижения необходимой для замыкания электродов транзистора длины молекулы. В качестве таких линкеров могут быть использованы полиметиленовые [(СH2)n-], полиалкоксиметиленовые [-О(СH2)n], арилполиметиленовые [–С4Н4-(СH2)n-], арилоксиполиметиленовые [– С4Н4-О-(СH2)n- группы]. Также линкер может содержать дополнительный проводящий фрагмент (π-систему, например, карбонильную группу). 4. Ионы переходных металлов: одинаковые (гомометалличеcкие комплексы) или различные по природе (гетеробиметаллические комплексы), обеспечивающие связывание нескольких лигандных фрагментов с заданной геометрией (линейной или тригональной), а также наличие зарядового центра. Были синтезированы новые терпиридиновые лиганды с одним и двумя концевыми аурофильными серосодержащими фрагментами, (S) -11- (4 - ([2,2': 6', 2'' - терпиридин]-4'-ил) фенокси)ундецил 5-(1,2-дитиолан-3-ил) пентаноат 6, (S)-((4-([2,2': 6', 2'' - терпиридин]-4'-ил)-1,3-фенилен)бис(окси))бис(ундекан-11,1-диил)бис(5-((S)-1,2-дитиолан-3-ил) пентаноат) 6a, (S)-((4-([2,2':6',2''-терпиридин]-4'-ил)-1,2-фенилен)бис(окси))бис(ундекан-11,1-диил)бис(5-((S)-1,2-дитиолан-3-ил)пентаноат) 6b, (S)-((5-([2,2':6',2''-терпиридин]-4'-ил)-1,3-фенилен)бис(окси))бис(ундекан-11,1-диил)бис(5 -((S) -1,2-дитиолан-3-ил) пентаноат) 6c. Данные соединения содержат фрагмент пиридина для координации ионов металлов и две дисульфидные группы во фрагменте липоевой кислоты, которые обеспечивают адсорбцию на золотых электродах. Длина линкерного фрагмента между двумя дисульфидными группами подбиралась таким образом, чтобы обеспечить расстояние между ними около 4 нм, соответствующее достижимому межэлектродному зазору в наноэлектродном устройстве. Первоначальная разработка схемы синтеза проводилась на примере лиганда 6 с одним дисульфидным фрагментом; этот лиганд может быть использован для синтеза моно- и бис-лигандных координационных соединений с повышенной стабильностью. Разработка стратегии получения целевых лигандов на примере модельного лиганда 6 осуществлялась с использованием двух синтетических методов (cхема 1). Согласно Методу 1) 4-гидроксибензальдегид 1 сначала алкилировали с помощью 11-бромундеканола в присутствии основания (K2CO3) в соответствии с реакциями SN2 с получением замещенного бензальдегида 2, который затем превращали в 4'-замещенный терпиридин 3; последующая этерификация липоевой кислотой в условиях карбодиимидного синтеза дала конечный лиганд 6. Метод 2 состоял в начальном алкилировании липоевой кислоты 11-бромундеканолом с получением эфира 4, а затем полученный продукт подвергали реакции с 4-([2,2':6', 2''- терпиридин]-4'-ил) фенол 5, полученный по описанной методике. В результате проведенной работы было показано, что Способ 1, несмотря на большее количество стадий синтеза, дает лучший выход целевого продукта и проще, чем экспериментальный план. Данный метод был далее использован для получения лигандов с двумя серосодержащими фрагментами. Синтетическая последовательность получения целевых терпиридиновых лигандов 6a-c с двумя серосодержащими фрагментами показана на схеме 2. С учетом данных, полученных для модельного лиганда 6, синтез соединений 6a-c был проведен в соответствии с исходной модификацией фенольных фрагментов 2,4-, 3,4- и 3,5-дигидроксибензальдегида 1a-c с последующей конверсией полученных сложных эфиров 2a-c в соответствующие терпиридины 3a-c с выходом 45-46%. Образование сложноэфирной связи с липоевой кислотой проводили с использованием 1-этил-3-(3-диметиламинопропил)карбодиимида (EDC) в присутствии основания, но этот активатор карбодиимида оказался неэффективным для соединения 6с. Поэтому для синтеза лиганда 6c был использован альтернативный метод этерификации с HOBt и HBTU, который позволил получить целевой продукт 6c с хорошими выходами. В оптимизированных условиях целевые лиганды 6a-c были получены с выходом 58-63%. При синтезе соединений 2a-c основным побочным продуктом является продукт моноалкилирования одной из гидроксигрупп; Чтобы подавить эту нежелательную реакцию, использовали большой избыток исходного 11-бромундеканола-1, и увеличили время реакции до 40 часов. Структура и индивидуальность всех полученных органических соединений подтверждена данными 1Н и 13С ЯМР спектроскопии, а также высокоэффективной жидкостной хроматографией. На основе полученного лиганда 6 нами была апробирована возможность получения координационного соединения с гидратом хлорида Rh (III), однако, получить комплекс 7a не удалось, по причине очень плохой растворимости гидрата хлорида Rh(III) в органических растворителях, а использование воды приводит к образованию продукта разрыва сложноэфирной связи (схема 3). На основании этих данных нами было принято решение использовать для синтеза координационных соединений соли [Rh(DMSO)3]Cl3 и [Ru(DMSO)4]Cl2, полученные на основе соответствующих гидратов хлоридов металлов по методикам, описанным в литературе. Были проведены предварительные опыты, показавшие возможность успешного получения координационных соединений лиганда 6 в реакциях с указанными солями. На основании полученных данных мы планируем в следующем году синтезировать и исследовать координационные соединения 7b, c 8, 9a-c (схема 4). В качестве донорных фрагментов для последующего комплексообразования с ионами металлов нами также были использованы 2-тиоксотетрагидро-4Н-имидазол-4-оны. Известно, что производные 2-тиогидантоинов, имеющие в своем составе атомы N и S являются хорошими лигандами для координации атомов переходных металлов, таких как Cu, Ni, Co и др. Алкилирование производных 2-тиогидантоинов α,ω-дибромалканами позволяет получать производные, содержащие два донорных фрагмента, соединенные алкильной цепью с различным числом метиленовых звеньев. Перед нами была поставлена задача разработать синтетический подход для получения и выделения побочного продукта данной реакции алкилирования по сере, то есть соединение, содержащее один донорный фрагмент. Для начала была синтезирована серия 2-тиоксотетрагидро-4Н-имидазол-4-онов содержащих в третьем положении имидазольного кольца различные алкильные и арильные заместители и в пятом положении имидазольного кольца 2-пиридил (соединения 10a-d, схема 5). Соединения 10a-d вводились в реакцию алкилирования α,ω-дибромалканами с различной длиной полиметиленовой цепи. Количество алкилилрующего агента, а также время проведения реакции было индивидуально для каждого производного 2-тиогидантоина, что возможно связано со стерическим эффектом. Так же было замечено, что искомое нами соединение выделялось то в осадке, то в фильтрате реакционной смеси, что затрудняло процесс выделения. В итоге нами были получены соединения 11b-d, 12b (схема 6). Данные соединения были охарактеризованы методом 1Н ЯМР спектроскопии и масс-спектрометрии. Выходы реакций были незначительными от 25 до 40%. Тогда нами было предложено вводить в реакцию аклкилирования -бром,-хлоралканы. Это позволило нам сэкономить время реакции и увеличить ее выход (схема 7, соединения 13a, b). Соединения 11b-d, 12b и 13a, b в дальнейшем планируется вводить в реакцию с тиоацетатом калия для получения аурофильных соединений 14, комплексы которых могут быть использованы для получения одноэлектронных наноустройств (схема 8). Также планируется ввести в молекулу 2-тиогидантоина аурофильный фрагмент в виде липоевой кислоты (схема 9). Для этого изначально будут получены лиганды 15 реакцией алкилирования молекулы 2-тиоксотетрагидро-4Н-имидазол-4-оны 11-бромундеканолом, которые затем будут вводиться в реакцию этерификации липоевой кислоты с получением соединений 16. Помимо этого исследовалась возможность получения производных бензотиазола с тиоацетатной группой, различающихся длиной углеводородного линкера между координирующим и аурофильным фрагментами (лиганды I типа, схема 10). Кроме того, для дальнейшего использования в нанотранзисторах был предложен лиганд с фрагментом липоевой кислоты в качестве серосодержащей группы (лиганд II типа, схема 10). Выбор липоевой кислоты обусловлен тем, что ранее изученные КС на основе терпиридинов, содержащих в своей структуре фрагмент липоевой кислоты, показали хорошие результаты. Лиганды, согласно проведенному ретросинтетическому анализу (Схема 11), могут быть получены из 2-(пиридин-2-ил)-бензотиазол-6-ола путем его модификации различными α,ω-алкилгалогенидами и последующей реакции с тиоацетатом калия (в случае лигандов I типа), либо для лиганда II типа реакцией со сложным эфиром 11-бромундеканола и липоевой кислоты, как и в случае лигандов 2-тиогидантоинов. Для синтеза производных бензотиазола существует ряд методов, основными из которых являются циклизация тиоамидов и конденсация 2-аминотиофенолов с альдегидам. Т.к. получение аминотиофенола, как правило, протекает с невысокими выходами, а сам продукт неустойчив, было решено синтезировать 6-метокси-2-(пиридин-2-ил)-бензотиазол циклизациоей тиоамида по описаной ниже методике, с последующим гидролизом до целевого фенола (Схема 12). На первой стадии был получен N-(4-метоксифенил)пиколинамид 17 путем взаимодействия п-анизидина с пиколиновой кислотой в присутствии PCl3. В результате получили целевой бензотиазол, состав которого подтвердили методом 1Н ЯМР спектроскопии. Далее амид ввели в реакцию с реактивом Лоуссона в толуоле, в результате чего был получен N-(4-метоксифенил)пиридин-2-карботиоамид 18. Соединение было очищено от исходного амида и побочных продуктов реакции методом колоночной хроматографии на силикагеле с использованием бензола в качестве элюента. Состав и чистота продукта подтвердили 1Н ЯМР спектроскопией. Циклизация полученного тиоамида проводили в присутствии гексацианоферрата (III) калия в щелочной среде. Продукт реакции выпадал в осадок, который отфильтровали, промыли обильно водой и высушили. Для удаления примеси железа в виде комплексов с продуктом, о наличие которых свидетельствует уширение и смещение сигналов на спектре 1Н ЯМР, осадок суспендировали в растворе ЭДТА, после чего отфильтровали, промыли водой и высушили. На последней стадии был проведен гидролиз метоксигруппы в избытке концентрированной HBr. По окончанию реакции раствор подщелочили до щелочной реакции среды, при этом продукт оставался в растворе, а непрореагировавший 6-метокси-2-(пиридин-2-ил)-бензотиазол 19 и иные примеси выпадали в осадок, который отфильтровали. Далее фильтрат подкислили до pH 7, выпавший осадок отфильтровали, промыли обильно водой и высушили. Состав продукта был подтвержден методом 1Н ЯМР спектроскопии. Для синтеза лигандов I и II типов требуется провести реакцию алкилирования 2-(пиридин-2-ил)-бензотиазол-6-ола 20 α,ω-алкилгалогенидами или модифицированной липоевой кислотой, соответственно. Оптимизацию реакции проводили на примере алкилирования соединения 20 1,4-дибромбутаном в абсолютном ацетонитриле в присутствии основания, при этом было опробовано два основания: карбонат калия и карбонат цезия (Схема 13). Независимо от основания, в результате реакции образуется два продукта: целевой продукт, в котором один атом брома замещен на бензотиазольный фрагмент, и побочный продукт, в котором были замещены оба атома брома. Однако соотношение продуктов реакции при использовании разных оснований отличается. Так, при использовании карбоната калия как основания выходы продуктов монозамещения и дизамещения относятся как 3:1, а в случае карбоната цезия – 1.5:1. Для подтверждения наблюдаемой зависимости была проведена аналогичная реакция с 1,6-дибромгексаном. Как и в случае с 1,4-дибромбутаном, при использовании карбоната калия доля целевого продукта больше: выходы относятся как 4.2:1 для K2CO3 и 2.5:1 для Cs2CO3. Поэтому в дальнейшем в качестве основания был использован карбонат калия. С помощью оптимизированной методики, была получена серия соединений с различной длиной углеводородного линкера (схема 14, соединения 21a-21e). Продукты реакции выделялись экстракцией хлороформом, после чего органические фракции объединяли и промывали раствором щелочи для удаления избытка исходного фенола. После упаривания хлороформа, остаток промыли метанолом для удаления избытка дибромида, затем смесь продуктов разделили перекристаллизацией из диэтилового эфира. По аналогичной методике был синтезирован лиганд II типа. Состав и строение полученных соединений были доказаны по совокупности результатов 1Н, 13С ЯМР спектроскопии и масс-спектроскопии высокого разрешения (HRMS). Стоит отметить, что спектры ЯМР продуктов моно- и дизамещения различаются не только интенсивностью полос, но и химическим сдвигом, что особенно заметно при рассмотрении сигналов протонов CH2-группы около атома кислорода: химический сдвиг протонов в продукте дизамещения смещен в область слабых полей, что связано с влиянием второго ароматического фрагмента на атомы водорода. Далее продукты монозамещения вводились в реакцию с тиоацетатом калия в абсолютном ДМФА (Схема 15). Были получены соединения 22а-22с, 22е с выходами 37-52%. Методика реакции была выбрана на основании литературных данных. Состав и строение полученных соединений были доказаны по совокупности результатов 1Н ЯМР спектроскопии и масс-спектроскопии высокого разрешения (HRMS).
2 30 июня 2020 г.-30 июня 2021 г. Дизайн и синтез аурофильных органических лигандов и их координационных соединений для создания одноэлектронных наноустройств
Результаты этапа: На втором этапе работы на основе полученного ранее лиганда 1 c одним аурофильным фрагментом мы изучили возможность получения координационных соединения с RuII и RhIII. Для лиганда 1 проводилась реакция с тригидратом хлорида родия(III). Однако, выделение индивидуального продукта 2 в этой реакции оказалось затруднено крайне низкой растворимостью RhCl3•3Н2О в органических растворителях и образованием продукта гидролиза сложноэфирной связи 3 при проведении реакции в водосодержащих смесях, в которых растворима исходная соль. Таким образом, было показано, что использование гидратов хлоридов металлов неэффективно, поскольку образуется смесь двух продуктов 2 и 3, разделение которых очень затруднено. Учитывая это, далее мы использовали в реакциях комплексообразования как источники Ru(II) и Rh(III), хорошо растворимые в органических растворителях, комплексы [Rh(DMSO)3]Cl3 и [Ru(DMSO)4]Cl2, полученные из соответствующих гидратов хлоридов металлов. Таким образом нами были синтезированы координационные соединения 4a, b при совместном кипячении лиганда 1 и соли металла в этиловом спирте (схема 2). Кроме того, было обнаружено, что растворимость образующегося в реакции лиганда 1 комплекса Ru(II) 4b в органических растворителях крайне мала, тогда как родиевые комплексы умеренно растворимы в ДМФА и ДМСО. Поэтому дальнейшее исследование реакций комплексообразования проводилось с использованием производных Rh(III). Состав и строением координационных соединений 4 подтверждено с использованием методов ЯМР 1H, электронной спектроскопии и HRMS. Основным ЯМР 1H-спектральным критерием протекания комплексообразования является смещение сигналов терпиридиновых протонов лиганда в область слабого поля примерно на 0.5-0.6 м.д. (рис. 1) Таким образом, нами были синтезированы модельные координационные соединения терпиридиновых лигандов с одним терминальным серосодержащим фрагментом 4. Были отработаны и оптимизированы методы получения комплексов с Ru(II) и Rh(III). Было показано, что использование Rh(III) для получения координационных соединений более целесообразно по сравнению с Ru(II), поскольку комплексы с Rh(III) лучше растворимы в органических растворителях. Далее мы осуществили синтез координационных соединений на основе аурофильных лигандов с двумя серосодержащими фрагментами с использованием той же методики, что и для модельных комплексов 4 (схема 3). Структуры координационных соединений установлены на основании данных спектросокопии ЯМР 1H, электронной спектроскопии, элементного анализа, а также HRMS для родий-содержащих комплексов и MALDI – для рутений-содержащих (рис. 2). В результате по данным электронной спектроскопии было показано, что комплексы имеют октаэдрическое строение; изотопное распределение в масс-спектрах для пиков молекулярных ионов соответствует предложенному составу. Электрохимическое поведение лигандов 5 и комплексов 6, 7 в растворах ДМСО с использованием стеклоуглеродных (СУ) и Au электродов исследовали методом циклической вольтамперометрии, результаты которой приведены на рис. 3. Потенциалы окисления и восстановления исследуемых лигандов 5, а также комплексов 6, 7 практически не зависят от положения заместителей в бензольном кольце фенилтерпиридинового лиганда. Для всех лигандов на ЦВА имеются два пика восстановления при Epc = -1,70 ÷ -2,00 В (рис. 3a); эти пики соответствуют восстановлению терпиридиновых фрагментов лигандов. Такие же пики, соответствующие восстановлению терпиридиновых лигандов, наблюдались и на ЦВА комплексов 6, 7. Помимо них, на CУ электродах для комплексов родия (III) 7 на ЦВА появляются дополнительные катодные пики, соответствующие восстановлению RhIII → RhI в области -0,65 ÷ -0,96 В (рис. 3б). Для комплексов рутения (II) 6 дополнительные пики при ~ 0,73 ÷ 0,96 В, соответствующие окислению RuII → RuIII, наблюдаются в области окисления. Использование золотого электрода позволяет исследовать адсорбцию синтезированных соединений на поверхности золота с образованием ковалентной связи Au-S. Известно, что дисульфиды способны самопроизвольно хемосорбироваться на поверхности золота с получением самоорганизующихся монослоев (COM) за счет образования устойчивых ковалентных связей Au-S. При регистрации ЦВА комплексов 6, 7 на золотых электродах наблюдалось изменения вольтамперных кривых во времени. Электрохимический мониторинг изменений при выдерживании золотого электрода в растворе соединений 5 в ДМСО показал, что в первый момент после помещения Au электрода в раствор лиганда кривые ЦВА практически идентичны полученным на СУ электроде (рис. 4, синяя и зеленая кривые). Однако через 30 мин на ЦВА наблюдается очень интенсивный дополнительный пик с потенциалом восстановления около -1,6 В в области, менее катодной, чем пик исходного терпиридинового лиганда (рис. 4, красная кривая). При дальнейшем выдерживании электрода в растворе лиганда интенсивность пика при ~ -1,6 В постепенно уменьшалась, и одновременно появлялся пик при ~ -1,3 В, соответствующий восстановлению фрагмента Au-S хемосорбированного лиганда. Через 24-48 ч интенсивность пика при -1,3 В достигает максимума и больше не изменяется, а пик при -1,6 В полностью исчезает (рис. 4, черная кривая). Для объяснения этих изменений следует принять во внимание продемонстрированную ранее способность терпиридинов адсорбироваться на поверхности золота за счет координации атомов азота с Au; этот процесс протекает быстрее, чем разрыв дисульфидных связей S-S и образование связей Au-S, однако обратим. По-видимому, при помещении золотого электрода в раствор лигандов 5 последний быстро адсорбируется на золоте с участием атомов азота терпидина, что сопровождается смещением пиков восстановления терпиридинового фрагмента лиганда в область более низких потенциалов. Однако затем происходит переориентация лиганда относительно поверхности золота, координация с Au серосодержащей группировки и, наконец, образования связи Au-S, что сопровождается появлением на финальной ЦВА пика восстановления группы Au-S и некоординированного терпиридина (схема 4). Такое поведение объясняется тем, что на первом этапе образование трех доноракцепторных связей Au-N с энергией связи 20-27 ккал/моль термодинамически более выгодно, однако данный процесс является обратимым. В свою очередь энергия связи Au-S равна 40-45 ккал/моль. Таким образом термодинамически образование трех связей Au-N и двух Au-S являются примерно одинаковыми по энергии, однако обратимость процесса образования связи Au-N приводит к переориентации молекулы относительно поверхности золота. На завершающем этапе электрохимического исследования была показана устойчивость образующихся монослоев координационных соединений на Au-электродах. Для этого электроды, выдержанные в течение суток в растворах комплексов 6 и 7, последовательно промывали раствором фонового электролита, а затем ДМСО (3 раза) для удаления нехемосорбированных молекул с поверхности, сушили на воздухе, после чего электроды погружались в чистый раствор фонового электролита и записывались циклические вольтамперограммы. Полученные результаты показали почти полную идентичность вольтамперных кривых, полученных до и после промывки и сушки электродов (рис. 5). С использованием метода ЦВА мы также изучили время формирования СОМ на поверхности Au из комплексов 6 и их исходных лигандов 5 с целью определения оптимального соединения для потенциального практического использования. Комплексы родия были выбраны для исследования, учитывая их лучшую растворимость по сравнению с комплексами рутения 6. Для проведения оценки времени формирования монослоя золотые электроды помещали в растворы тестируемых соединений в ДМСО с концентрацией 5.10-4 М и определяли время, после которого интенсивность пиков при -1,3-1,4 В на ЦВА, соответствующих восстановлению фрагмента Au-S, переставала изменяться (таблица 1). Оказалось, что полная адсорбция на золоте разных изомеров лигандов и комплексов (с 2,4-, 3,4- и 3,5-дизамещенным бензольным фрагментом) происходит за разное время. В случае лигандов 5 хемосорбция завершается быстрее всего для 3,5-дизамещенного терпиридина 7c. Координационные соединения 7b и 7с адсорбируются гораздо быстрее, чем 2,4-дизамещенный изомер 7a, для которого интенсивность пика восстановления связи Au-S остается чрезвычайно низкой даже после 3 дней выдерживания золотого электрода в растворе тестируемого соединения. Такие различия, по-видимому, могут быть связаны со стерическими затруднениями, возникающими при адсорбции орто-замещенных фенилтерпиридинов. Таким образом, нами разработаны методы получения терпиридиновых лигандов с двумя концевыми серосодержащими группами, а также их координационных соединений с Rh(III) и Ru(II). Среди полученных комплексов Rh(III) выявлены соединения с минимальным временем хемосорбции на поверхности золотых электродов с образованием связей Au-S: координационные соединения 3,4- и 3,5-дизамещенных фенилтерпиридинов. В настоящее время на физическом факультете МГУ разрабатывается оригинальный способ регистрации результатов реакции полимеризации ДНК/РНК. Суть метода заключается в том, что регистрируется туннельный ток между двумя электродами, соединенными мостиком из молекулы. В ходе реакции полимеразы принимают различную конформацию при встраивании нуклеотидов различных видов, и эти конформационные изменения полимеразы могут модулировать электрический ток через молекулу-мостик между двумя электродами. Для расшифровки получаемых сигналов, предварительно, тем же способом, выполняют калибровку сигналов, - анализируют нуклеотидную последовательность молекулы-шаблона (известного олигонуклеотида). Т.е. основным элементом сенсора является молекула, меняющая свою проводимость в зависимости от конформации присоединенной к ней полимеразы. Полученный комплекс 7c был изучен в качестве молекулярного остова для получения зарядочувствительного наносенсора на основе одномолекулярного транзистора. С этой целью на измерительной установке МКУСД (Макет Ключевых Узлов Секвенатора ДНК) были протестированы параметры нанопроводных транзисторов на 5-ти чипах, где в качестве острова выступал комплекс 7c. Было проведено два эксперимента по регистрации цифровым регистратором выходного сигнала трансимпедансного усилителя 1-го канала (сопротивление обратной связи 250 МоМ) на вход которого в первом случае подавался ток через постоянный резистор 250 МоМ, а во втором случае – через канал нанопроводного транзистора на затвор которого было подано напряжение 3 В. По результатам проведенных экспериментов было показано, что при подаче напряжения два чипа показывают хорошее среднее напряжение на выходе усилителя, что говорит об адсорбции молекулы остова на поверхности золотого электрода, а также о проводимости полученной молекулы (таблица 2). На основании проведенных экспериментов нами была предложен синтез координационных соединений на основе терпиридина, имеющих в составе линкера дополнительный проводящий фрагмент. В качестве «связующего» линкера был предложен триазольный фрагмент. На первом этапе нами был получен терпиридиновый лиганд с одним аурофильным фрагментом, содержащий в своем составе триазольный линкер. Для синтеза лиганда 16 на первом этапе мы вводили 11-бромундеканол 8 в реакцию с азидом натрия с получением 11-азидоундеканола 9. Получение второго исходного соединения - 4'-(4-(проп-2-ин-1-илокси)фенил)-2,2':6',2''-терпиридина 13 осуществляли двухстадийным синтезом – алкилированием 4-гидроксибензальдегида 10 пропаргилбромидом, с последующей конденсацией полученного альдегида 11 с 2-ацетилпиридином 12. Далее была осуществлена реакция азид-алкинового циклоприсоединения в присутствии CuI; для удаления меди(I) из координационной сферы терпиридина реакционную смесь перемешивали в водном растворе ЭДТА в течение 24ч. Для полученного 4’-замещенного терпиридина 16 проводили этерификацию спирта 14 липоевой кислотой в смеси HOBT/HBTU в присутствии DIPEA, что привело к получению целевого лиганда 16 с выходом 50% (схема 5). На основании полученного соединения 16 нами также был получен 3,5-дизамещенный терпиридиновый лиганд с двумя серосодержащими фрагментами. Поскольку 3,5-дизамещенный лиганд наиболее подходит для решения поставленных задач, был синтезирован только этот изомер. Синтез был осуществлен по такой же методике, что и лиганл 16 с одним серосодержащим фрагментом (схема 6). Структуры лигандов 16, 21 были подтверждены данными ЯМР 1H и 13C, а состав - данными HRMS. Характерным для обоих лигандов является наличие синглета в области 7.63-7.70 м.д., который характеризует наличие протона в триазольном цикле. На основе полученных лигандов были синтезированы координационные соединения с Rh(III), путем кипячения в спирте смеси лигандов 16, 21 и [Rh(DMSO)3Cl3] (схема 7). Структуры лигандов и координационных соединений установлены на основании данных спектросокопии ЯМР 1H, электронной спектроскопии, элементного анализа и ИК-спектроскопии. Далее для полученных соединений 22 и 23 было проведено электрохимическое исследования метододами циклической вольтамперометрии и вращающегося дискогового электрода. В результате проведенных исследований было показано, что комплексы 22 и 23 так же хорошо адсорбируются на золоте с образованием связи Au-S, как и комплексы 4b и 7b, c, что говорит о возможности их применения в качестве остова в биосенсоре на основе одномолекулярного транзистора. Отличием этих соединений от комплексов 4b и 7b, c является наличие в лиганде дополнительного проводящего триазольного фрагмента, что может позволить варьировать электронные характеристики получаемых наноустройств. Кроме того, нами был разработан и осуществлен синтез лигандов типа «терпиридин-тиогидантоин» для создания на их основе координационных соединений с Cu (II). Конечной стадией синтеза этих лигандов было образование сложноэфирной связи в реакциях соответствующих кислоты 29 и спиртов 25 (схема 8). В результате была получена серия лигандов 30а-с. Структуры всех полученных соединений подтверждены методами ЯМР 1H и 13C, а также LCMS. На основе соединения 30b нами был осуществлен синтез координационного соединения 31 с хлоридом меди (II). Синтез осуществляли методом расслаивания с последующей эфирной диффузией. На данном этапе нам не удалось вырастить кристалл, однако данные элементного анализа и электронной спектроскопии свидетельствуют о предположительном образовании биядерного комплекса показанного на схеме ниже структурного типа типа. Данные лиганды и металлокомплексы принципиально могут быть адсорбированы на золотой поверхности с участием атома серы C=S фрагмента; в дальнейшем мы планируем провести их электрохимическое исследование с использованием золотых электродов. Еще одним важным этапом работы был синтез моносеросодержащих лигандов, где в качестве аурофильного фрагмента использовалась тиоацетатная группа. Монолигандные комплексы с Rh(III) на основе полученных соединений предполагается исследовать в качестве первого «блока» при построении монослоев на золотой поверхности. Для синтеза таких соединений на первом этапе был осуществлен трехстадийный синтез лигандов 34a-c с концевой тиоацетатной группой. Для этого сначала был получен 4’-гидрокситерпиридин 32 по модифицированному методу Крёнке. Вторым этапом был синтез соединений 34a-c алкилированием гидрокси-группы соединения 32 соответствующими дибромалканами. В качестве побочного продукта в данной реакции образуются бис-терпиридиновые производные – продукты замещения обоих галогенид-ионов исходного диабромалкана, очистку от которых проводили перекристаллизацией из смеси метанол:диэтиловый эфир. Для повышения выходов продуктов монозамещения мы вводили в реакцию большой избыток соответствующего дибромида, увеличив время реакции до 40 ч. Получение целевых лигандов 34a-c осуществляли по реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения бромид-аниона соединений 33a-c действием тиоацетата калия (схема 10). Координационные соединения 35a-c получали при взаимодействии лигандов с тетрагидратом хлорида рутения (III), как показано на схеме 10. Полученные комплексы были исследованы методом ЦВА; при потенциале Epc ~ –0,56 В на их вольтамперных кривых наблюдается пик восстановления RhIII → RhII, что подтверждает образование родиевых комплексов и их устойчивость в растворе. Вторая часть работы посвящена разработке методов получения новых органических лигандов, объединяющих в своей структуре 2-(2-пиридил)бензотиазольный фрагмент, способный координировать ионы металлов, и тиоацетатную группировку, дающую возможность адсорбировать полученные соединения на поверхности золота. С использованием метода циклической вольтамперометрии показана возможность хемосорбции полученных соединений на поверхности золотых электродов и получения комплексов, адсорбированных лигандов с CuCl2. Таким образом перед нами была поставлена задача получения органических лигандов ряда 2-(2-пиридил)-бензотиазола, имеющих в составе связанные с бензотиазольным фрагментом полиметиленовым линкером терминальные тиоацетатные группировки. Для полученных лигандов была исследована возможность хемосорбции на поверхности золота и последующего взаимодействия с CuCl2.2Н2О с сохранением адсорбционного слоя, а также комплексообразование с CuCl2.2Н2О в растворе с адсорбцией образовавшегося металлокомплекса на золотой поверхности. Целевые тиоацетат-содержащие бензотиазолы 39 получали реакцией алкилирования 2-(пиридин-2-ил)-бензотиазол-6-ола 36 α,ω-дибромалканами с последующей обработкой образующихся (ω-бромалкокси)-2-(пиридин-2-ил)бензотиазолов 37 тиоацетатом калия (Схема 11). Оптимизацию условий первой стадии синтеза проводили на примере алкилирования соединения 36 1,4-дибромбутаном. Варьировались используемое основание (карбонат калия и карбонат цезия) и растворитель (ДМФА и ацетонитрил). Оптимальным оказалось проведение реакции в CH3CN и использование K2CO3. Независимо от условий, в результате реакции образуется два продукта: целевой продукт замещения одного атома брома на бензотиазолокси-фрагмент 37а и побочный продукт замещения обоих атомов брома 38а, однако при использовании карбоната калия выход целевого продукта выше. Аналогичная закономерность наблюдалась и в аналогичной реакции с 1,6-дибромгексаном с получением продуктов 37b и 37c (Схема 11). Продукты реакций с дибромалканами выделяли экстракцией хлороформом, после чего органическую фракцию промывали раствором щелочи для удаления избытка исходного фенола. После отгонки хлороформа остаток промывали метанолом для удаления избытка дибромида. Продукты моно- и дизамещения разделяли перекристаллизацией из диэтилового эфира. Состав и строение целевых соединений были установлены по данным 1Н, 13С ЯМР спектроскопии и масс-спектрометрии высокого разрешения. Об образовании продуктов 37 свидетельствует отсутствие в их спектрах 1Н ЯМР уширенного синглета при 9.98 м.д., соответствующего OH-группе соединения 36, а также наличие сигналов ароматических протонов в области 7.1-8.7 м.д., триплета группы OCH2 при бензотиазольном фрагменте при 4.04-4.05 м.д., триплета CH2Br-группы при 3.4-3.5 м.д. и мультиплетов других протонов алифатических линкеров в области 1.5-2.2 м.д. Далее бромиды 37 вводили в реакцию с тиоацетатом калия в абсолютном ДМФА (Схема 11). Целевые лиганды 39 выделяли экстракцией реакционной смеси с последующей перекристаллизацией из смеси метанол/ацетон. В спектрах 1Н ЯМР соединений 39 наблюдаются характеристические триплеты CH2S-групп, смещенные в область сильного поля по сравнению с триплетами CH2Br-групп исходных соединений 37 (2.8-2.9 м.д. и 3.4-3.5 м.д. соответственно) и синглет CH3-группы ацетильного фрагмента при ~2.3 м.д. Возможность адсорбции полученных тиоацетат-содержащих 2-пиридил-бензотиазолов 39a-c и их комплексообразования с CuCl2.2H2O в растворе и в адсорбированном состоянии на поверхность Au была изучена методом циклической вольтамперометрии на золотом электроде. Данные электрохимического исследования суммированы в Таблице 3; типичные вольтамперные кривые приведены на Рис. 7. Первоначально регистрировали циклические вольтамперограммы (ЦВА) лигандов 39 в растворе ДМФА в присутствии 0.1 M Bu4NClO4. Окисление и восстановление соединений 39a-c происходит при почти одинаковых потенциалах независимо от длины полиметиленовой цепи между атомами кислорода и серы. На кривых ЦВА лигандов 39 на СУ электроде присутствуют два пика восстановления при Epc = −1,83 ÷ −2,38 В и пик окисления при 1,63 ÷ 1,70 В (Рис. 1а); на Au электроде удается наблюдать только один пик восстановления (Рис. 7б), однако, остальные пики сходны с наблюдаемыми на СУ электроде. Для подтверждения образования комплексов лигандов 39 с CuCl2 в растворе ДМФА в электрохимическую ячейку с раствором 39 добавляли эквивалентное количество CuCl2.2H2O и наблюдали на ЦВА кривых следующие изменения: уже через 30 мин после добавления соли меди на ЦВА, помимо лигандных пиков, присутствует пик восстановления образовавшегося комплекса при 0,27 ÷ 0,38 В, отличный от пиков исходного хлорида меди при +0.45/+0.58 и –0.51/–0.16 В; в анодной области появляется пик окисления координированных хлорид-анионов при 1,36 ÷ 1,44 В (Рис. 7в). Адсорбированные на золотых электродах комплексы получали двумя альтернативными способами, различающимися последовательностью стадий комплексообразования и адсорбции (cхема 12; структура координационного соединения представлена по аналогии с ранее полученными комплексами пиридилбензотиазольных лигандов). При первом способе в раствор комплекса, полученного в ДМФА при смешивании эквимолярных количеств лигандов и хлорида меди, погружали золотой электрод и выдерживали в растворе в течение 3-х суток. После этого электрод вынимали, промывали несколько раз чистым растворителем для удаления химически не связанных с поверхностью примесей, опускали в чистый раствор фонового электролита и записывали ЦВА (Рис. 7г). При втором способе первоначально адсорбировали на поверхности Au лиганд 39, выдерживая золотой электрод в растворе лиганда в ДМФА в течение 3-х суток, после чего промывали электрод как в предыдущем случае, регистрировали ЦВА для подтверждения адсорбции лиганда (Рис. 7д) и переносили электрод в раствор CuCl2.2H2O в ДМФА. Через сутки, после промывки электрода, регистрировали ЦВА адсорбированного комплекса (Рис. 7е). Во всех случаях для хемосорбированных лигандов и комплексов на ЦВА присутствует пик восстановления связи Au-S при -0,85 ÷ -0,90 В (Рис. 7г-е, Таблица 3), доказывающий, что соединение ковалентно связалось с поверхностью электрода. Следует отметить, что вольтамперограммы адсорбированных комплексов, полученных при различной последовательности стадий адсорбции и комплексообразования (схема 12) практически идентичны, что свидетельствует в пользу одного и того же строения получающихся координационных соединений при различном порядке стадий. Таким образом на втором этапе работы нами были разработаны методы получения терпиридиновых лигандов с одним и двумя серосодержащими фрагментами; получены координационные соединения на основе терпиридинов с Ru(II), Rh(III), изучены их физико-химическое характеристики, исследована возможность их применения в области наноэлектроники для создания биосенсоров. Кроме того, изучена возможность получения координационных соединений на основе терпиридин-тиогидантоиновых лигандов с хлоридом меди (II). Также нами были синтезированы пять новых аурофильных тиоацетат-содержащих 2-(2-пиридил)бензотиазольных лигандов реакцией алкилирования гидрокси-производного соответствующего бензотиазола α,ω-дибромалканами с последующей обработкой тиоацетатом и показана возможность получения комплексов меди(II) с данными соединениями, адсорбированными на золотых электродах, с различным порядком стадий комплексообразования и адсобрции.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".