ИСТИНА

Целью настоящего проекта является создание нового типа молекулярных логических элементов на основе диаринитроксилов, в молекулах которых реализуются слабые редокс-переключаемые взаимодействия. Такие взаимодействия могут быть обратимо включены или выключены не только при изменении редокс-состояния нитроксильной группы, но и под действием внешних химических агентов (кислот Льюиса и Бренстеда), что позволяет рассматривать их как удобные платформы для реализации редокс- и химически-переключаемых логических устройств.

Modern chemistry is becoming more and more focused not so much on the creation of materials with superior properties, but on the development of molecular devices which open principally new possibilities. This field is at the crossroads of chemistry and engineering. A combination of engineering approaches with unlimited possibilities of organic chemistry in design and synthesis of targeted molecules opens up wide prospects. Design and synthesis of molecular systems which can act as logic elements (such as AND, NOR, INHIBIT, etc.) is a new direction in this area. This approach opens wider possibilities than “common” smart systems using the “YES/NOT” (or ON/OFF) working principle. Molecular logic gates are operated using two or even more input signals yielding two different states. Both physical influences (light irradiation, temperature, and application of potential) or chemical reactivity (bond breaking or bond formation) can be used as input signals. Though the concept of molecular logic gates was suggested only recently, it is clear that it can be practically useful problem-solver. Such systems can be used for simultaneous detection of several analites (importantly for laboratory biochemical diagnostics), molecular keypad lock designs, etc. At our opinion, the systems driven by two-or higher numbers of both physical and chemical inputs are more reliable and perspective. The drawback of logic elements operated using two chemical inputs is the inability to stop the action of the chemical signal by simply reducing the concentration of the “signal” component to zero. The signal initiates strong chemical bonds formation impeding reversible actioning. The project is aimed at the development of new approaches to design and fabrication of novel molecular logic elements simultaneously driven by one (or more) physical and one external chemical signals. The projects main task is elaboration of redox-switchable molecular logic gates based on diarylnitroxyl radicals who are possible to exhibit weak intramolecular interactions modulated by two input signals – physical (application of the potential) and external chemical reactant. Principally new approach to the design of molecular logic gates is suggested: the functioning is based on modulation of weak intramolecular interactions. Electrochemical switching will be used as the first input signal. Design of the targeted molecule provides a possibility for implementing additional weak interactions in the oxidized/reduced state of the compound. The chemical agent added in the reaction mixture capable for competing interactions with the substrate plays a role of the second chemical input signal. The conformational changes as well as modulation of the properties due to the influence of the input signal can be monitored using spectral and electrochemical outputs. Thus, the main idea of the suggested molecular design is competing intra and intermolecular bonding with the electrogenerated acidic or basic Lewis center. It should be noted that application of weal non-covalent interactions in the design of logic gates have not been suggested as yet. Meanwhile, this approach may solve one of the challenging problems in logic elements governed by chemical input signals: new bonds are commonly easily formed but they are not prone to be broken thus preventing returning of the system in the initial state. Also, it should be emphasized that the examples of logic gates operating using the electrochemical redox-process as the input signal are still rare. Meanwhile, it is this type of physical input which seems the most promising due to operational simplicity and wide possibilities provided by electrochemical redox-switching of the properties of molecules. To summarize, the basic principles for design and fabrication of innovative type of logic gates operated using electrochemical electron transfer will be developed. Molecular design is based on a competition between inter- and intramolecular interactions. Such combinatorial design of logic gates has not been suggested as yet.

1. В ходе квантовохимического исследования диарилоксоаммониевого катиона с орто-пиридильной группой будут локализованы два ротомера, отличающиеся поворотом пиридильного цикла вокруг связи C-C. В ротомере, в котором пиридильный атом азота обращён в сторону нитроксильной группы, ожидается наличие внутримолекулярного взаимодействия донорно-акцепторного типа. Наличие этого взаимодействия будет установлено при помощи метода визуализации слабых взаимодействий, основанного на построении изоповерхностей редуцированного градиента электронной плотности. Различие между полными энергиями двух ротамеров позволит оценить энергию исследуемого внутримолекулярного взаимодействия. Соответствующая процедура будет проведена для нитроксилов, имеющих заместители разного объёма во втором положении пиридильного цикла (H, Me, t-Bu), что позволит оценить возможность использования стерического фактора для настройки энергии внутримолекулярного взаимодействия. Также будет изучено влияние донорности и акцепторности арильных заместителей при нитроксильной группе. Аналогичный план действий будет использован для изучения донорно-акцепторных взаимодействий в анионной форме нитроксилов с орто--акцепторными группами. 2. На втором этапе выполнения проекта планируется синтезировать серию диариламинов – предшественников целевых диаринитроксилов. В качестве основного подхода для синтеза несимметрично замещённых диариламинов планируется использовать аминирование по Бухвальду-Хартвигу. Соответственно, на этой стадии выполнения проекта будут получены все необходимые предшественники: 2-пиридил и 2-ацилсодержащие арилбромиды. Для синтеза диариламинов, в которых -акцепторная группа связана с кольцом через атом кислорода, планируется испробовать альтернативный, экономически более оправданный подход: конденсацию пирокатехинов с анилинами. Для синтеза симметричных пиридил-содержащих диариламинов будет использована открытая в нашей лаборатории реакция медь-катализируемого сдваивания арилборных кислот. Соответствующие борорганические производные планируется получать прямым электрофильным борилированием, селективность которого достигается благодаря направляющему действию пиридильной группы. 3. Новые пиридилсодержащие диариламины будут исследованы на предмет наличия внутримолекулярной водородной связи. Эта информация будет получена из анализа химсдвига протона аминогруппы в спектрах ЯМР новых диариламинов в растворителях разной основности. Будет получена информация о возможности переключения водородной связи с пиридильного фрагмента молекулы на молекулу растворителя. В случае, если электрохимическое исследование выявит химически обратимый характер процесса окисления новых аминов, будет рассмотрена возможность сочетания переключения редокс-состояния с переключением внутримолекулярной водородной связи под действием растворителя в качестве основы для создания логических элементов.

Заявители проекта входят в состав научной группы проф. Т.В. Магдесиевой, которая много лет успешно занимается молекулярным дизайном и синтезом новых редокс-устойчивых молекул для различных практических приложений. В связи с этим ими уже накоплен достаточный опыт для реализации самостоятельных проектов в этой области. Руководитель проекта являлся активным участником исследований по разработке новых синтетических подходов к диариламинам [Synthesis, 2022, 54, 06, 1601-1612; Org. Lett., 2019, 21, 24, 10028-10032; Chem. Eur. J., 2017, 23, 12575–12584] и диарилнитроксильным радикалам [ChemPlusChem, 2022, 87, e202100508; ChemistrySelect, 2021, 6, 36, 9653-9656; Chem. Eur. J., 2020, 26, 30, 6793-6804; Eur. J. Org. Chem., 2019, 36, 6225-6231; Eur. J. Org. Chem., 2017, 32, 4726-4735], и эти наработки будут широко использованы в предлагаемом проекте. Выбор диарилнитроксильных радикалов в качестве молекулярной основы логического элемента нового типа не случаен. Как показали исследования, проводимые ранее в научной группе, «скрученные» орто-замещенные диарилнитроксилы способны существенно менять свою геометрию при наложении анодного или катодного потенциала [Electrochimica Acta, 2018, 260, 459e467460; Chem. Eur. J., 2020, 26, 30, 6793-6804], и эти конформационные изменения могут сопровождаться «включением/выключением» дополнительных взаимодействий не связанных между собой атомов через пространство [Chem. Eur. J., 2020, 26, 30, 6793-6804; ChemPlusChem, 2022, 87, e202100508]. Наличие этих конформационных изменений и дополнительных взаимодействий подтверждено как с помощью квантово-химических расчетов, так и экспериментально. Таким образом, этот класс соединений, при научно обоснованном молекулярном дизайне, может служить основой для создания редокс-переключаемых молекулярных систем, управляемых внешним импульсом, например, наложением анодного/катодного потенциала.

1. В ходе синтеза функционализированных диариламинов – предшественников целевых нитроксилов – расширена область применения реакции медь-катализируемой «азадимеризации» арилборных кислот. Эта реакция, ранее разработанная в нашей лаборатории [Org. Lett. 2019, 21, 10028−10032] представляет собой удобный метод синтеза симметричных диариламинов путём сочетания функционализированных арилборных кислот с изоамилнитритом, который выступает в этой реакции источником атома азота. В рамках проекта было показано, что в эту реакцию можно вводить не только арилборные кислоты, но и арилдибромбораты – продукты прямого электрофильного борилирования аренов, содержащих направляющую пиридильную группу. Таким образом, разработан новый удобный двухстадийный подход к синтезу орто-пиридилзамещённых диариламинов из неактивированных арилпиридинов (см. схему). 2. Синтезировано пять новых диариламинов, модифицированных по орто-положениям одной или двумя пространственно нагруженными группами, что само по себе являлось непростой синтетической задачей. Эти соединения интересны тем, что в зависимости от природы орто-заместителя в их структуре реализуются внутримолеклярные водородные связи трёх типов, по-разному влияющих на редокс-свойства аминогруппы. К трём типам водородных связей, обнаруженных в синтезированных аминах относятся: 1. резонансно-стабилизированная водородная связь, наличие которой приводит к уменьшению электронной плотности на атоме азота аминогруппы и затруднению окисления амина; 2. водородная связь с сильным n-донором, приводящая к увеличению электронной плотности на аминогруппе и облегчению окисления; 3. бифуркатная водородная связь с двумя сильными n-донорными фрагментами. Влияние последнего типа связи на редокс-свойства аминогруппы сопоставимо по силе с действием простой водородной связи с одним пиридиновым фрагментом. Возможность управлять редокс-свойствами молекулы, путём обратимого разрыва и образования внутримолекулярной водородной связи была положена в основу функционирования молекулярного логического элемента типа «INHIBIT» на основе бис-(орто-пиридил)замещённого диариламина (см. ниже). 3. Проведён поиск оптимальных условий препаративного окисления синтезированных новых диариламинов в целевые нитроксильные радикалы. Показано, что в большинстве случаев оптимальным выбором является мета-хлорпербензойная кислота (mCPBA). Однако этот реагент чувствителен к стерическому фактору и не годится для окисления наиболее пространственно нагруженного из синтезированных аминов. Решить эту задачу позволяет диметилдиоксиран. В результате было получено пять новых диарилнитроксильных радикалов, имеющих в орто-положении группы, способные выступать донором пары электронов или служить π-акцепторами. 4. Разработан новый подход к синтезу солей N-арилпиридоиндазолия, основанный на окислительной циклизации орто-пиридилзамещённых диариламинов, синтезировнных в рамках проекта. N-арилпиридоиндазолиевые соли – почти неописанный класс гетероциклических соединений (один пример в литературе до нашей работы), перспективный для применения в качестве ионных жидкостей и для биомедицинских приложений. Предложенный нами метод окислительной внутримолекулярной циклизации основан как на использовании химических окислителей (фенилйодозодитрифторацетата, PIFA), так и путем прямого анодного окисления. Электрохимический вариант синтеза этих соединений в большинстве случаев даёт бо́льшие выходы целевых соединений (до 70%), а также является более экономичным (не требуется использование дорогостоящих гипервалентных соединений йода). 5. Исследование новых нитроксилов электрохимическими, спектроэлектрохимическими и квантово-химическими методами выявило наличие в их редокс-формах обратимых внутримолекулярных взаимодействий между редокс-центром и орто-заместителем, которые создают предпосылки для создания логических элементов на их основе . Так, при восстановлении орто-пивалоилзамещённого нитроксила появляется n → π* взаимодействие между карбонильной группой и аминоксильным атомом кислорода. Это подавляет образование водородных связей с растворителем при восстановлении и существенно увеличивает скорость переноса электрона при восстановлении нитроксила (что важно в том числе и для функционирования полностью органических устройств хранения энергии на основе нитроксилов). Внутримолекулярными взаимодействиями можно управлять и действием химических агентов, что также приводит к изменению отклика системы (например, потенциала редокс-переходов) и может быть использовано при создании логических элементов. Это было показано на примере двух нитроксилов, изученных в проекте. Так, протонирование карбонильной группы орто-пивалоилзамещённого нитроксила добавками кислот приводит к завязыванию новой ковалентной связи C-O при восстановлении, смещая потенциал восстановления нитроксила более, чем на 1.3 В. Восстановление этого же бис-орто-пиридилзамещённого нитроксила в присутствии добавок кислот приводит к образованию структуры с системой из двух внутримолекулярных водородных связей. Это приводит к возможности обратимого кислотно-переключаемого изменения потенциала восстановления этого нитроксила более чем на 1.2 В. 6. Впервые показано, что диарилнитроксильные радикалы могут быть люминогенами. При наличии пиридильного фрагмента в орто-положении к редокс-активной нитроксильной группе, окисление нитроксила до оксоаммониевого катиона приводит к обратимой внутримолекуярной циклизации с образованием ковалентного N-O-N мостика. Образуются катионы с жёсткой донорно-акцепторной структурой, что делает их флуорофорами, поскольку внутримолекулярное вращение фрагментов молекулы подавлено (по аналогии с известными красителям с жесткой мостиковой структурой, например, BODIPY). Таким образом, внутримолекулярные взаимодействия обеспечивают обратимое электрохимически переключаемое разгорание флуоресценции бис-орто-(2-пиридил)замещённого нитроксила. 7. На основе проведённых исследований предложено и тестировано три модельных логических устройства, реализующих принципы функционирвания логических элементов типа «INHIBIT» и «AND». Принцип действия основан на использовании переключаемых слабых внутримолекулярных взаимодействий различной природы. В качестве входящих импульсов использовали как сигналы чисто физической природы (потенциал электрода, УФ-излучение), так и химические сигналы (присутствие в системе кислоты). Логический элемент типа «INHIBIT» был создан на основе дважды пиридилзамещённого по орто-положениям диариламина. Функционирование элемента «INHIBIT» предполагает, что исходящий сигнал должен появлялся тогда и только тогда, когда один входящий сигнал подаётся в отсутствие второго. Входными сигналами послужили анодный потенциал, достаточный для окисления только непротонированного по пиридильным фрагментам амина, и наличие в растворе кислоты. Исходящим сигналом был ток, который регистрировался на вращающемся электроде. Система показала воспроисзводимый многократно переключаемый отклик, соответствующий таблице истинности элемента «INHIBIT». Логический элемент «AND» был реализован с помощью дважды пиридилзамещённого нитроксила двумя различными способами. В первом варианте используется факт разгорания флуоресценции при окислении нитроксила за счёт замыкания мостиковой связи. Исходящий сигнал в этом случае – флуоресценция, а входящие – УФ-облучение и анодный потенциал. Только одновременное присутствие двух входящих сигналов приводит к появлению исходящего сигнала (флуоресценции). Во втором варианте используется существенный сдвиг потенциала от образования системы водородных связей в востановленной форме дважды пиридилзамещённого нитроксила. Исходящий сигнал – катодный ток, регистрируемый на вращающемся электроде, входящие сигналы – наличие кислоты и катодный потенциал. Ток появляется только при включении потенциала при наличии кислоты в растворе, т.е. при одновременном включении двух входящих сигналов, что соответствует таблице истинности элемента «AND». Важно подчеркнуть, что применённый в рамках проекта молекулярный дизайн соединений, на основе которых были созданы модельные логические устройства, является достаточно лаконичным и атом-экономным. В отличие от всех известных из литературы примеров молекулярных логических элементов, наш подход не использует принцип конъюгации нескольких рецепторных сайтов, а позволяет объединить рецепторный фрагмент и активный центр молекулы, ответственный за исходящий сигнал. Это становится возможным благодаря центральной идее проекта: обратимое включение и выключение внутримолекулярных взаимодействий – водородных связей и ковалентных мостиков – даёт возможность переключения наблюдаемых свойств. Эта идея полностью оправдала себя и стала залогом успешного и обратимого функционирования протестированных молекулярных логических элементов.