Фотохромные производные 5'-гидроксиметил-6-нитро-1',3',3'-триметилспиро[2Н-1-бензопиран-2,2'-индолина]
PHOTOCHROMIC DERIVATIVES OF 5'-HYDROXYMETHYL-6-NITRO-1',3',3'-TRIMETHYLSPIRO[2N-1-BENZOPYRAN-2,2'-INDOLINE]

Изобретение относится к новым соединениям в ряду индолиновых спиробензопиранов (SP), которые могут быть использованы в качестве фотоактивных комплексообразователей с квантовыми точками (QD) и катионами металлов. Изобретение может найти применение в области нанофотоники для создания молекулярных переключателей, сенсорных устройств, для детекции ионов и для расширения компонентной базы устройств молекулярной электроники.
Оптическими свойствами таких систем можно обратимо управлять, воздействуя светом с контролируемой длиной волны. Хорошо известно, что в молекулах спиропиранов при освещении светом с длиной волны ≤ 300-350 нм происходит раскрытие пиранового цикла с образованием окрашенной мероцианиновой формы (В). Данный процесс обратим: обратный переход в спироформу (А) происходит или путем самопроизвольной циклизации в темноте, или при освещении мероцианиновой формы видимым светом.
Спектральные свойства и параметры фотопревращений спиробензопиранов зависят от типа и места расположения имеющихся в молекуле заместителей, поэтому направленное варьирование природы и места введения терминальной якорной группы (спейсера), позволяет проводить поиск новых структур фотохромов с требуемыми фотохимическими характеристиками и заданной селективностью связывания с целевыми лигандами и мишенями.
Известно, что введение заместителей по индолиновой части молекулы спиробензопиранов не приводит к существенным изменениям максимума поглощения окрашенной мероцианиновой формы [Панцырный В.И., Гальберштам М.А., Донская Н.А. О влиянии заместителей в положениях 5- и 8'- на скорость реакции темнового обесцвечивания фотоокрашенных растворов 1,3,3-триметилспиро[индолин-2,2'-[2Н-1]бензопиранов] // Химия гетероциклических соединений. 1973, №5, с. 653-658], что позволяет вводить реакционно-способные спейсеры различной природы путем прямой модификации индолинового фрагмента молекулы спиропирана. В частности, разработаны способы направленной модификации спиробензопиранового фотохрома по 5-положениюиндолинового фрагмента [RU 2458927, С1, опубл. 20.08.2012].
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
2
1
2
3
2
1
2
3
2
Серия фотохромных производных 5'-винил-6-нитроспиробензопиранов, в которых где R=R=H; R=CN, R=H; R=CHO, R=H; R=NO, R=H; R=CN, R=CN; R=COCH, R-CN; R=R=C(O)-O-C(CH)-O-(O)C получена олефинированием по Виттигу или Хорнеру-Эммонсу карбонильного предшественника илидами или анионами фосфонатов, или нуклеофильным присоединением по карбонильной группе реагентов, содержащих активные метальные или метиленовые группы (нитрометан, малонодинитрил, цианоуксусная кислота и ее эфиры, кислота Мельдрума). Исходным соединением служил 6-нитро-1',3',3'-триметил-5'-формилспиро[2Н-1-бензопиран-2,2'-индолин], способ получения которого защищен патентом [RU 2358977, С1, опубл. 20.06.2009].
Описаны 6-нитро-замещенные спиробензопираны, содержащие реакционно-способные спейсеры с терминальной тройной связью, присоединенные по 5' положению индолиновой части молекулы и предназначенные для модификации компонентов и фрагментов нуклеиновых кислот по реакции Соногаширы [Laptev A.V.; Lukin A.Yu.; Belikov N.E.; Barachevskii V.A.; Demina O.V.; Khodonov A.A.; Varfolomeev S.D.; Shvets V.I. Ethynyl-equipped Spirobenzopyrans as Promising Photochromic Markers for Nucleic Acid Fragments // Mendeleev Communications 2013, v. 23, №3, p. 145-146]. В работе [Laptev A.V.; Lukin A.Yu.; Belikov N.E.; Demina O.V.; Khodonov A.A.; Shvets V.I. New maleimide spirobenzopyran derivatives as photochromic labels for macromolecules with sulfhydryl groups // Mendeleev Communications, 2014, v. 24, p. 245-246] представлены 5'-малеинимидные производные спиробензопиранов, предназначенные для модификации белковых фрагментов, содержащих остатки цистеина.
Общим недостаткам упомянутых фотоактивных спиропирановых производных является отсутствие в их структуре серу-содержащих групп, что ограничивает возможности их применения для модификации таких неорганических наноструктур, как квантовые точки.
1
1
Описаны гибридные фотоактивные системы, представляющие собой комплексы катионов или наночастиц металлов или наносистемы на основе квантовых точек с фотохромными лигандами, с терминальной якорной серу-содержащей-группой, расположенной в разных положениях молекулы фотохрома в качестве ионофорного фрагмента молекулы. Например, описана фотохромная система на основе квантовых точек QD CdSe-ZnS и CdS и фотохромного лиганда 2-[3',3'-диметил-6-нитроспиро(2H-1-бензопиран-2,2'-индолин)-1'-ил]этилового эфира 5-(1,2-дитиолан-3-ил)пентановой кислоты, в которой бидентантный серу-содержащий фрагмент этилового эфира 5-(1,2-дитиолан-3-ил)пентаноата бьш введен в положение N индолинового фрагмента молекулы спиропирана [Tomasulo М., Yildiz I., Raymo F.M. Luminescence Modulation with Semiconductor Quantum Dots and Photochromic Ligands // Australian J. Chem., 2006, v. 59, №3, p. 175-178; Tomasulo M., Yildiz I., Raymo F.M. Nanoparticle-induced transition from positive to negative photochromism // Inorganic Chim. Acta, 2007, v. 360, №3, p. 938-944;]. Топография подобных фотоактивных систем на основе спиропирановых лигандов, содержащих спейсеры с терминальными серу-содержащими группами по положению N, имеет пространственные ограничения, допускающие реализацию лишь перпендикулярной взаимной ориентации фрагментов как в спиро- (А), так и в фотоиндуцированной мероцианиновой формах (В) фотохрома, что отрицательно сказывается на квантовом выходе реакции раскрытия пиранового цикла и времени жизни фотоиндуцированной мероцианиновой формы (В). Подходы к их получению требуют применения сложных и многостадийных методов формирования молекулы целевых спиропиранов.
1
B
фот
В качестве альтернативного подхода авторами была предложена структура фотоактивного лиганда, содержащая серу-содержащий фрагмент по положению 5' индолиновой части молекулы фотохрома [Звездин К.В., Беликов Н.Е., Лаптев А.В., Лукин А.Ю., Демина О.В., Левин П.П., Бричкин С.Б., Спирин М.Г., Разумов В.Ф., Швец В.И., Ходонов А.А. Новые гибридные фотохромные материалы с переключаемой флуоресценцией // Российские нанотехнологии, 2012, т. 7, №5-6, с. 112-118]. В работе описано получение, взятого в качестве прототипа, 2-меркаптоэтиламида 3-[6-нитро-1',3',3'-триметилспиро(2H-1-бензопиран-2,2'-индолин)-5'-ил]пропеновой кислоты и его применение в качестве фотохромного лиганда для модификации поверхности квантовых точек QD CdSe. Продукт получают активированием карбоксильной группы 3-[6-нитро-1',3',3'-триметилспиро(2H-1-бензопиран-2,2'-индолин)-5'-ил]пропеновой кислоты при помощи метода смешанных ангидридов с использованием изобутилхлорформиата с последующим ее превращением в целевой амид взаимодействием с цистеамином. Топография и размеры молекулы этого лиганда существенно отличаются от ранее известных производных, где спейсер вводился в положение N. К недостаткам прототипа следует отнести невысокие суммарные выходы целевого соединения, а также ограниченные возможности диверсификации структуры молекулы целевого лиганда из-за отсутствия коммерчески доступных источников серу-содержащих аминов с различной длиной спейсера. Также следует отметить, что прототип характеризуется невысокими значениями эффективности фотоокрашивания ΔD=0,25-0,65.
Проблема, решаемая настоящим изобретением, состоит в расширении арсенала спиробензопирановых фотохромных лигандов, которые могут быть применены в качестве фотоактивных комплексообразователей с квантовыми точками и катионами металлов.
Проблема решена предлагаемой серией новых фотоактивных сложноэфирных производных 5'-гидроксиметил-6-нитро-1',3',3'-триметилспиро[2H-1-бензопиран-2,2'-индолина] общей формулы
где R=
2
HS-(CH)n-; где n=1 (SP 1), n=2 (SP 2), n=10 (SP 3);
2
2
2
2
HOOC(CH)SS(CH)- (SP 4);
Сущность изобретения состоит в том, что в качестве лигандов для образования комплексов между фотоиндуцированной мероцианиновой формой спиропирановых фотохромных соединений с квантовыми точками и ионами металлов предложены новые сложные эфиры 5'-гидроксиметил-6-нитро-1',3',3'-триметилспиро[2H-1-бензопиран-2,2'-индолина], содержащие фрагмент с терминальной серу-содержащей группой. Наличие нитро-группы в 6-положении фотохромного звена необходимо для проявления выраженных фотохромных свойств. Предлагаемые структуры соединений SP 1-5 отличаются от прототипа строением спейсеров, обеспечивающих комплексообразование молекулы фотохрома с поверхностью квантовых точек. Соединения SP 1-5 также способны образовывать фотоактивные комплексы с катионами некоторых металлов.
Сущность изобретения поясняется следующими иллюстрациями:
-5
-5
На Фиг. 1 показаны спектры поглощения растворов соединения SP 3 в хлороформе, этаноле, тетрагидрофуране и толуоле до УФ облучения (кривые 1, 3, 5 и 7 соответственно) и после УФ облучения (кривые 2, 4, 6, 8 соответственно). Концентрация растворов С=10÷5×10 моль/л.
На Фиг. 2 показаны спектры флуоресценции в хлороформе: препарат квантовых точек QD CdSe, 3.7 нм (кривая 9); мероцианиновая форма лиганда SP 5 (кривая 10); конъюгат SP 5-QD CdSe (кривая 11).
3
3
3
3
На Фиг. 3 показаны спектры поглощения в этаноле: спиро-форма лиганда SP 5 (кривая 12); мероцианиновая форма лиганда SP 5 (кривая 13); комплекс мероцианиновой формы лиганда SP 5 с Al(NO) (кривая 14); комплекс мероцианиновой формы лиганда SP 5 с La(NO) (кривая 15).
3
3
3
3
На Фиг. 4 показаны спектры поглощения в этаноле: спиро-форма лиганда SP 4 (кривая 16); мероцианиновая форма лиганда SP 4 (кривая 17); комплекс мероцианиновой формы лиганда SP 4 с Al(NO) (кривая 18), комплекс мероцианиновой формы лиганда SP 4 с La(NO) (кривая 19).
Получение заявленных соединений SP 1-5 показано на схемах 1-4, где
Ключевое соединение 5'-гидроксиметил-6-нитро-1',3',3'-триметилспиро[2H-1-бензопиран-2,2'-индолин] (2) получают по ранее разработанному нами методу [Laptev A.V.; Lukin A.Yu.; Belikov N.E.; Barachevskii V.A.; Demina O.V.; Khodonov A.A.; Varfolomeev S.D.; Shvets V.I. Ethynyl-equipped Spirobenzopyrans as Promising Photochromic Markers for Nucleic Acid Fragments // Mendeleev Communications 2013, v. 23, №3, p. 145-146, DOI: 10.1016/j.mencom.2013.05.008, Supplementary Materials] восстановлением 6-нитро-1',3',3'-триметил-5'-формилспиро[2H-1-бензопиран-2,2'-индолина] (1) борогидридом натрия.
Исходный 6-нитро-1',3',3'-триметил-5'-формилспиро[2H-1-бензопиран-2,2'-индолин] (1) получают согласно [RU 2358977 С1, опубл. 20.06.2009].
Пример 1. Получение [6-нитро-1',3',3'-триметилспиро[2H-1-бензопиран-2,2'-индолин]-5'-ил]метилового эфира 2-меркаптоуксусной кислоты (SP 1) (Схема 1)
К охлажденному до -5°С раствору 300 мг (1,59 ммоль) N-гидроксисукцинимидного эфира тиогликолевой кислоты (3) и 352 мг (1 ммоль) 5'-гидроксиметил-6-нитро-1',3',3'-триметилспиро[2H-1-бензопиран-2,2'-индолина] (2) в 30 мл абсолютного дихлорометана при перемешивании в атмосфере аргона добавляют 0,44 мл (3,18 ммоль) триэтиламина и затем - 20 мг (0,159 ммоль) 4-(диметиламино)пиридина (DMAP). Реакционную смесь оставляют при перемешивании при 20°С в течение 3 дней, затем разбавляют 100 мл дихлорометана, промывают 1М раствором соляной кислоты до рН 4-5, водой до рН 7, органический экстракт сушат над сульфатом натрия и затем растворитель удаляют.
Для выделения целевого продукта используют флеш-хроматографию на силикагеле, элюент - смесь дихлорометана с 95% этанолом с градиентом последнего от 0 до 40%.
f
254
Выход продукта реакции SP 1 218 мг (51%), в виде масла, R 0,58, система петролейный эфир (т. кип. 40-70°С) - этилацетат 8:2, по объему, пластинка "Kieselgel 60F", детекция пятен воздействием на проявленную пластинку УФ-света.
1
3
3
3
2
3
2
Спектр ЯМР Н (500 МГц, CDCl, δ, м.д., J/Гц): 1,18 (3Н, с, 3'а-СН), 1,28 (3Н, с, 3'b-СН), 2,71 (2Н, т, J 7,1, 2''-СНСО), 2,72 (3Н, с, 1'-СН), 5,01 (2Н, с, 5'-СН), 5,84 (1Н, д, J 10,4, 3-Н), 6,51 (1H, д, J 7,8, 7'-Н), 6,76 (1Н, д, J 8,6, 8-Н), 6,92 (1Н, д, J 10,4, 4-Н), 7,11 (1Н, с, 4'-Н), 7,18 (1Н, д, J 7,8, 6'-Н), 7,99 (1Н, д, J 2,4, 5-Н), 8,01 (1Н, дд, J 8,8/2,8, 7-Н).
+
Масс-спектр [m/z]: 426,1 (М).
22
22
2
5
Найдено (%): С 62,05; Н 5,29; N 6,52. CHNOS. Вычислено (%): С, 61,96; Н, 5,20; N, 6,57.
Пример 2. Получение 6-карбокси-1-{6-нитро-1',3',3'-триметилспиро[(2H-1-бензопиран-2,2'-индолин)-5'-ил]метоксикарбонил}-3,4-дитиагексана (SP 4) (Схема 2)
Необходимый реагент для проведения процесса ацилирования спирта (2)-ангидрид 3,3'-дитио-3,3'-дипропионовой кислоты (4) получают с выходом 65%, как описано в работе [Liu С., Yuan J., Luo X., Chen M., Chen Z., Zhao Y., Li X. Folate-Decorated and Reduction-Sensitive Micelles Assembled from Amphiphilic Polymer-Camptothecin Conjugates for Intracellular Drug Delivery // Mol. Pharmaceutics, 2014, v. 11, №11, p. 4258-4269].
К раствору, содержащему 218 мг (1,13 ммоль) ангидрида 3,3'-дитио-3,3'-дипропионовой кислоты (4), 200 мг (0,568 ммоль) 5'-гидроксиметил-6-нитро-1',3',3'-триметилспиро[2H-1-бензопиран-2,2'-индолина] (2) и 7 мг (0,057 ммоль) 4-(диметиламино)пиридина (DM АР) в 30 мл абсолютного дихлорометана, при перемешивании в атмосфере аргона по каплям добавляют раствор 0,16 мл (1,13 ммоль) триэтиламина в 2 мл абсолютного дихлорометана и перемешивают при 20°С в течение 48 ч, затем реакционную массу промывают 3% раствором соляной кислоты до рН 4-5, водой до рН 7, органический слой сушат над сульфатом натрия и растворитель удаляют. Целевой продукт SP 4 выделяют при помощи колоночной хроматографии на силикагеле, элюент - смесь петролейного эфира (т. кип. 40-70°С) с этилацетатом с градиентом последнего от 0 до 100%.
f
254
Выход продукта реакции 133 мг (43%) в виде масла, R 0,28, система - петролейный эфир (т. кип. 40-70°С) - этилацетат 4:6 по объему, пластинка "Kieselgel 60F", детекция пятен воздействием на проявленную пластинку УФ-света.
1
3
3
3
3
2
2
2
2
Спектры ЯМР Н (500 МГц, CDCl, δ, м.д., J/Гц): 1,18 (3Н, с, 3'а-СН), 1,29 (3Н, с, 3'b-СН), 2,74 (3Н, с, 1'-СН), 2,77 (4Н, тд, J 7,1/2,6, 2'',2'''-СНСО), 2,90 (2Н, т, J 7,1, 2'''-СН), 2,95 (2Н, т, J 7,1, 3''-СН), 5,09 (2Н, с, 5'-СН), 5,84 (1Н, д, J 10,3, 3-Н), 6,51 (1Н, д, J 7,9, 7'-Н), 6,76 (1Н, д, J 8,6, 8-Н), 6,92 (1Н, д, J 10,3, 4-Н), 7,08 (1Н, д, J 1,4, 4'-Н), 7,20 (1Н, дд, J 7,9/1,5, 6'-Н), 7,99 (1Н, д, J 2,4, 5-Н), 8,01 (1Н, дд, J 8,8/2,7, 7-Н).
Пример 3. Получение [6-нитро-1',3',3'-триметилспиро[2H-1-бензопиран-2,2'-индолин]-5'-ил]метилового эфира 3-меркаптопропионовой кислоты (SP 2) (Схема 2)
4
133 мг (0,024 ммоль) 6-карбокси-1-{6-нитро-1',3',3'-триметилспиро[(2H-1-бензопиран-2,2'-индолин)-5'-ил]метоксикарбонил}-3,4-дитиагексана SP 4 растворяют в 10 мл этанола, добавляют 12 мг борогидрида на полимерной подложке (Amberlite А-26 BH-форма, Fluka) и встряхивают на шейкере IKA Vortex Genius-3 4 ч, после чего восстановитель отделяют декантированием, промывают 5 мл этанола, этанол упаривают. Целевой продукт SP 2 выделяют при помощи колоночной хроматографии на силикагеле, элюент - смесь петролейного эфира (т. кип. 40-70°С) с этилацетатом с градиентом последнего от 0 до 100%.
f
254
Выход продукта реакции 76 мг (71%), в виде масла, R 0,87, система петролейный эфир (т. кип. 40-70°С) - этилацетат 4:6 по объему, пластинка "Kieselgel 60F", детекция пятен воздействием на проявленную пластинку УФ-света.
1
3
3
3
3
2
2
2
Спектр ЯМР Н (500 МГц, CDCl, δ, м.д., J/Гц): 1,18 (3Н, с, 3'а-СН), 1,29 (3Н, с, 3'b-СН), 2,72 (3Н, с, 1'-СН), 2,81 (2Н, т, J 7,1, 2''-СНСО), 3,77 (2Н, т, J 6,0, 3''-СН), 4,64 (2Н, с, 5'-СН), 5,85 (1Н, д, J 10,3, 3-Н), 6,52 (1Н, д, J 7,9, 7'-Н), 6,75 (1Н, д, J 8,7, 8-Н), 6,92 (1Н, д, J 10,3, 4-Н), 7.12 (1Н, д, J 1.3, 4'-Н), 7.19 (1Н, дд, J 7.9/1.5, 6'-Н), 7.99 (1Н, д, J 2,6, 5-Н), 8,01 (1Н, дд, J 8,8/2,6, 7-Н).
+
Масс-спектр [m/z]: 440,5 (М).
23
24
2
5
Найдено (%): С 62,65; Н 5,43; N 6,42. CHNOS. Вычислено (%):С, 62,71; Н, 5,49; N, 6,36.
Пример 4. Получение [6-нитро-1',3',3'-триметилспиро[2H-1-бензопиран-2,2'-индолин]-5'-ил]метилового эфира 11-меркаптоундекановой кислоты (SP 3) (схема 3)
Вариант 1.
К охлажденному до -5°С раствору 47 мг (0,215 ммоль) 11-меркаптоундекановой кислоты (5) в 30 мл абсолютного дихлорометана при перемешивании в атмосфере аргона по каплям добавляют раствор 53 мг (0,256 ммоль) N,N-дициклогексилкарбодиимида в 5 мл абсолютного дихлорометана и перемешивают в течение 30 мин, после чего добавляют раствор 50 мг (0,142 ммоль) 5'-гидроксиметил-6-нитро-1',3',3'-триметилспиро[2H-1-бензопиран-2,2'-индолина] (2) и 17 мг (0,142 ммоль) 4-(диметиламино)пиридина (DMAP) в 10 мл абсолютного дихлорометана. Через 6 ч перемешивания выпавший осадок N,N-дициклогексилмочевины отделяют фильтрованием, фильтрат промывают 3% раствором соляной кислоты до рН 4-5, водой до рН 7, органический слой сушат над сульфатом натрия и затем растворитель удаляют. Целевой продукт SP 3 выделяют при помощи колоночной хроматографии на силикагеле, элюент - смесь петролейного эфира (т. кип. 40-70°С) с этилацетатом с градиентом последнего от 0 до 100%.
f
254
Выход продукта реакции 39 мг (50%), в виде масла, R 0,61, система петролейный эфир (т. кип. 40-70°С) - этилацетат 2:1, по объему, пластинка "Kieselgel 60F", детекция пятен воздействием на проявленную пластинку УФ-света.
1
3
3
3
2
2
2
2
2
2
2
3
2
Спектр ЯМР Н (500 МГц, CDCl, δ, м.д., J/Гц): 1,18 (3Н, с, 3'а-СН), 1,24 (3Н, с, 3'b-СН), 1,26-1,30 (8Н, м, 5''-8''-СН), 1,31 (2Н, м, 4''-СН), 1,36 (2Н, т, J 7,2, 9''-СН), 1,59 (2Н, т, J 7,4, 10''-СН), 1,61 (2Н, м, 3''-СН), 2,33 (2Н, т, J 7,4, 2''-СН), 2,50 (2Н, дд, J 7,4/14,7, 11''-СН), 2,73 (3Н, с, 1'-СН), 5,06 (2Н, с, 5'-СН), 5,84 (1H, д, J 10,4, 3-Н), 6,52 (1Н, д, J 7,9, 7'-Н), 6,76 (1Н, д, J 8,8, 8-Н), 6,92 (1Н, д, J 10,4, 4-Н), 7,07 (1Н, с, 4'-Н), 7,20 (1Н, д, J 7,9, 6'-Н), 7,99 (1Н, д, J 2,6, 5-Н), 8,01 (1Н, дд, J 8,8/2,7, 7-Н).
+
Масс-спектр [m/z]: 552,3 (М).
31
40
2
5
Найдено (%): С 67,29; Н 7,21; N 5,04. CHNOS. Вычислено (%): С, 67,36; Н, 7,29; N, 5,07.
Вариант 2.
К охлажденному до -5°С раствору 94 мг (0,43 ммоль) 11-меркаптоундекановой кислоты (5) в 30 мл абсолютного дихлорометана при перемешивании в атмосфере аргона по каплям добавляют раствор 0,2 мл (0,86 ммоль) триэтиламина в 2 мл абсолютного дихлорометана, затем - раствор 0,08 мл (0,86 ммоль) этилхлорформиата в 5 мл абсолютного дихлорометана и перемешивают в течение 30 мин, после чего добавляют раствор 100 мг (0,284 ммоль) 5'-гидроксиметил-6-нитро-1',3',3'-триметилспиро[2H-1-бензопиран-2,2'-индолина] (2) и 34 мг (0,284 ммоль) 4-(диметиламино)пиридина (DMAP) в 10 мл абсолютного дихлорометана. Через 24 ч перемешивания при 20°С реакционную массу промывают 3% раствором соляной кислоты до рН 4-5, водой до рН 7, органический слой сушат над сульфатом натрия и затем растворитель удаляют. Целевой продукт SP 3 выделяют при помощи колоночной хроматографии на силикагеле, элюент смесь петролейного эфира (т. кип. 40-70°С) с этилацетатом с градиентом последнего от 0 до 100%.
f
254
Выход продукта реакции 86 мг (55%), в виде масла, R 0,61, система петролейный эфир (т. кип. 40-70°С) - этилацетат 2:1 по объему, пластинка "Kieselgel 60F", детекция пятен воздействием на проявленную пластинку УФ-света.
Физико-химические и спектральные характеристики продукта идентичны образцу, полученному по варианту 1.
Пример 5. Получение [6-нитро-1',3',3'-триметилспиро[2H-1-бензопиран-2,2'-индолин]-5'-ил]метилового эфира 5-(1,2-дитиолан-3-ил)пентановой кислоты (SP 5) (схема 4)
Вариант 1.
[6-Нитро-1',3',3'-триметилспиро[2H-1-бензопиран-2,2'-индолин]-5'-ил]метиловый эфир 5-(1,2-дитиолан-3-ил)пентановой кислоты SP 5 получают с выходом 72% аналогично примеру 4, вариант 1 с отличием, которое состоит в том, что вместо 11-меркаптоундекановой кислоты (5) в реакции ацилирования используют 5-(1,2-дитиолан-3-ил)пентановую кислоту (7).
Вариант 2.
[6-Нитро-1',3',3'-триметилспиро[2H-1-бензопиран-2,2'-индолин]-5'-ил]метиловый эфир 5-(1,2-дитиолан-3-ил)пентановой кислоты SP 5 получают с выходом 42%, аналогично примеру 4, вариант 2 с отличием, которое состоит в том, что вместо 11-меркаптоундекановой кислоты (5) в реакции ацилирования используют 5-(1,2-дитиолан-3-ил)пентановую кислоту (7).
1
3
3
2
2
2
2
2
3
2
2
2
Спектры ЯМР Н (500 МГц, CDCl, δ, м.д., J/Гц): 1,18 (3Н, с, 3'а-СН), 1,29 (3Н, с, 3'b-СН3), 1,48 (2Н, м, 4''-СН), 1,68 (4Н, м, 3''- и 5''-СН), 1,88 (1H, тд, J 13,8/6,9, 7''-СН), 2,36 (2Н, т, J 7,4, 2''-СН), 2,44 (1Н, тд, J 12,1/5,8, 7''-СН), 2,73 (3Н, с, 1'-СН), 3,10 (1Н, дт, J 11,1/7,0, 8''-СН), 3,16 (1H, ддд, J 12,3/7,0/5,6, 8''-СН), 3,55 (1H, м, 6''-СН), 5,06 (2Н, с, 5'-СН), 5,84 (1Н, д, J 10,4, 3-Н), 6,52 (1Н, д, J 7,9, 7'-Н), 6,76 (1Н, д, J 8,8, 8-Н), 6,92 (1Н, д, J 10,4, 4-Н), 7.07 (1Н, с, 4'-Н), 7,20 (1Н, д, J 7,9, 6'-Н), 7,99 (1Н, д, J 2,6, 5-Н), 8,01 (1Н, дд, J 8,8/2,7, 7-Н).
13
3
3
2
3
2
2
2
2
2
2
ЯМР С (126 МГц, CDCl, δ, м.д.): 20,1/26,1 (3'-СН), 24,9 (3''-СН), 28,9 (1'-СН), 29,1 (4''-СН), 34,4 (2'-СН), 34,8 (5''-СН), 38,7 (8'-СН), 40,4 (7''-СН), 52,4 (3'-С), 56,5 (6''-СН), 66,9 (5'-СН), 106,6 (2-С), 107,0 (7'-С), 115,7 (8-С), 118,8 (4а-С), 121,6 (3-С), 122,7 (4'-С), 122,9 (5-С), 126,1 (7-С), 127,4 (5'-С), 128,6 (4-С), 129,2 (6'-С), 136,8 (3'a-С), 141,2 (6-С), 148,1 (7а'-С), 159,8 (8а-С), 173,7 (1''-С).
+
Масс-спектр [m/z,]: 540,2 (М).
28
32
2
5
2
Найдено (%): С 62,25; Н 6,03; N 5,12. CHNOS. Вычислено (%):С, 62,20; Н, 5,97; N, 5,18.
Физико-химические и спектральные характеристики образцов SP 5, полученные по вариантам 1 и 2, идентичны.
Электронные спектры поглощения полученных соединений регистрируют на спектрофотометре "Shimadzu 1240РС" с приставкой для термостатирования образцов. Фотоиндуцированные формы полученных соединений получают облучением светом ксеноновой лампы Hamamatsu модель Lightingcure - LC8 (Hamamatsu, Япония) через светофильтр УФС-2.
Спектры поглощения фотоиндуцированных форм регистрируют при помощи системы модульных оптоволоконных спектрофотометров фирмы Ocean Optics (США): электронные спектры поглощения получают на спектрофотометре модель HR-2000+, а спектры флуоресценции - на спектрофлуориметре модель USB4000-FL.
Определенные по стандартным методикам спектрально-абсорбционные и спектрально-флуоресцентные характеристики спиро- (А) и мероцианиновых форм (В) при 25°С приведены в Табл. 1 и на Фиг. 1-4.
A
B
λ, λ - максимумы полос в спектрах поглощения соответственно спиро-формы (А) и фотоиндуцированной мероцианиновой формы (В) производных спиропирана;
ФЛ
λ максимумы полос в спектрах флуоресценции.
B
фот
ΔD - эффективность фотоокрашивания определяют как максимальное фотоиндуцированное изменение оптической плотности в максимуме полосы поглощения фотоиндуцированной формы И в состоянии фоторавновесия при одинаковой величине оптической плотности (D≈0.8) в максимуме полосы поглощения исходной формы А.
A
B
B
Максимумы λ в спектрах поглощения спиро-форм (А) соединений SP 1-5 расположены в интервале 330-342 нм и мало зависят от природы растворителя. В спектрах поглощения фотоиндуцированных окрашенных мероцианиновых форм (В) соединений SP 1-5 наблюдается явление сольватохромизма. В качестве примера на Фиг. 1 показаны спектры поглощения растворов соединения SP 3 в хлороформе, этаноле, ТГФ и толуоле до УФ облучения (кривые 1, 3, 5 и 7 соответственно) и после УФ облучения (кривые 2, 4, 6, 8 соответственно). В полярном этаноле (кривая 4) спектр фотоиндуцированной мероцианиновой формы соединения SP 3 характеризуется единственной полосой поглощения λ=542 нм, которая смещена в коротковолновую область относительно соответствующей полосы в толуольном растворе λ=604 нм (кривая 8). Спектры поглощения фотоиндуцированных мероцианиновых форм соединений SP 3, SP 5 в толуоле содержат полосу с характерным максимумом и плечом в области 580 нм (Фиг. 1, табл. 1).
B
фот
Таким образом, все предлагаемые спиробензопираны SP 1-5 обладают ярко выраженными фотохромными свойствами. Все соединения характеризуются значениями эффективности фотоокрашивания AD, в 3-5 раз превышающими соответствующие значения для прототипа.
Возможность применения заявленных соединений в качестве фотоактивных лигандов для образования гибридных структур с квантовыми точками продемонстрирована на следующем примере, в котором в качестве фотохромных лигандов взяты соединения SP 3 и SP 5.
Пример 6. Получение конъюгатов QD CdSe с фотохромными лигандами.
Препарат квантовых точек QD CdSe 3.7 нм приготовлен как описано в работе [Николенко Д.Ю., Бричкин С.Б., Разумов В.Ф. Неизотермический высокотемпературный коллоидный синтез наночастиц CdSe. // Российские нанотехнологии. 2009. Т. 4. №11-12. С. 92-95].
Конъюгаты QD CdSe с фотохромными лигандами получают смешиванием растворов компонентов в хлороформе в соотношении молярных концентраций QD CdSe:SP=1:100. Смесь перемешивают в темноте при комнатной температуре в течение 2 ч.
В табл. 1 сопоставлены спектральные характеристики фотоактивных гибридных комплексов (конъюгатов), включающих квантовые точки QD CdSe и лиганды SP 3 или SP 5, со спектральными характеристиками исходных компонентов.
ФЛ
ФЛ
ФЛ
Флуоресценцию нанокристаллов CdSe возбуждают облучением их раствора в хлороформе УФ-светом через фильтр УФС-2 (300-350 нм). Максимум флуоресценции раствора препарата QD CdSe в хлороформе приходится на 598 нм, ширина полосы на полувысоте 30 нм. На Фиг. 2 в качестве примера сопоставлены спектры флуоресценции в хлороформе: препарата QD CdSe, 3.7 нм (кривая 9), раствора мероцианиновой формы лиганда SP 5 (кривая 10) и конъюгата SP 5-QD CdSe (кривая 11). При освещении образца в этих условиях модификация поверхности квантовых точек QD CdSe фотохромными лигандами вызывает тушение их собственной флуоресценции при λ=598 нм и индукцию флуоресценции мероцианиновой формы спиропиранового фрагмента лиганда при λ=670 нм. При переходе спиропиранового лиганда в окрашенную мероцианиновую форму под действием УФ-облучения флуоресценция исходных квантовых точек QD CdSe исчезает вследствие, по-видимому, явления резонансного переноса энергии флуоресценции. Вместо нее появляется флуоресценция мероцианиновой формы при λ=670 нм. Аналогичные процессы имеют место при использовании в качестве фотохромного лиганда любого из заявленных соединений SP 1-5. Процесс фотоуправляемого циклического переключения флуоресценции комплексов квантовых точек QD CdSe со спиропирановыми лигандами может быть проведен неоднократно простым изменением длины волны возбуждающего света с 300-350 нм на 500-530 нм и обратно.
3+
3+
Все полученные соединения SP 1-5 образуют фотоуправляемые системы с катионами металлов. В качестве примеров в Табл. 1 и на Фиг. 3 и 4 приведены спектральные характеристики фотоактивных комплексов, включающих лиганды SP 1, SP 2, SP 4 и SP 5 с ионами Al и La, полученных, как описано в примере 7.
Пример 7. Получение комплексов катионов металлов со спиропирановыми лигандами.
Комплексы фотохромных лигандов с катионами металлов получают добавлением от 1 до 100 эквивалентов нитратов одно-, двух- и трехвалентных металлов к раствору 1 эквивалента лиганда в этаноле и последующей засветкой образца светом ксеноновой лампы фирмы Hamamatsu модель Lightingcure - LC8 (Hamamatsu, Япония) через светофильтр УФС-2. Процесс контролируют регистрацией спектров поглощения в диапазоне длин волн 350-700 нм.
-5
-5
Образцы фотохромных лигандов растворяют в этаноле (С=10÷5×10 моль/л), измеряют спектры поглощения растворов, определяют максимумы полос поглощения. Затем растворы облучают УФ светом ксеноновой лампы LC-8 фирмы "Hamamatsu" через светофильтр УФС-2, повторно измеряют спектры поглощения растворов и определяют максимумы полос поглощения в видимой области спектра.
Совпадение максимумов полос поглощения фотоиндуцированной мероцианиновой формы с максимумом этой формы в растворе, содержащем ионы металла, свидетельствует об отсутствии в растворе комплексов с этим катионом.
B
B(свободный лиганд)
В(комплекс)
Об образовании комплекса свидетельствует гипсохромный сдвиг основной полосы фотоиндуцированной мероцианиновой формы Δλ=λ-λ.
B
Обнаружено, что изменения максимума полосы поглощения при λ=530-540 нм мероцианиновой формы спиропирановых лигандов при взаимодействии с нитратами лития, натрия, калия, магния, кальция, бария, кобальта, никеля не превышают 3-5 нм и не представляют практического интереса.
3+
B
Катионы Al взаимодействуют с мероцианиновой формой лигандов с образованием комплексов с гипсохромным сдвигом максимума полосы поглощения Δλ=124-129 нм.
Таким образом, приведенные данные подтверждают достижение технического результата - получение серии новых спиробензопирановых фотохромных лигандов, способных выступать в качестве фотоактивных комплексообразователей с квантовыми точками и катионами металлов.