Химики из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН совместно с коллегами из Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН на основе широко известных красителей – фталоцианинов получили соединения с неизвестным ранее типом реакционной способности, открывающим перспективы создания умных материалов для медицины и современной электроники.

Работа опубликована в престижном журнале JACS (Journal of the American Chemical Society, Журнал Американского химического общества).

Почему трава зеленая, кровь красная, а джинсы синие? Химики знают, что в основе их окраски лежит один класс особых соединений – семейство порфиринов и их аналогов – фталоцианинов. Эти молекулы представляют собой большие циклические молекулы, в центре которых находятся атомы металлов – магния, железа или меди.

В целом, порфирины можно назвать «красками жизни» — они необходимы для жизнедеятельности всех организмов, например, участвуя в фотосинтезе и дыхании. Фталоцианины – это синтетические аналоги порфиринов, применяемые как синие и зеленые красители и пигменты уже почти 100 лет, но в последнее время они все шире применяются и в других областях современной техники и медицины. Для этого химики научились модифицировать их структуру и придавать им новые свойства, в том числе и за счет введения в полости их колец различных элементов Периодической таблицы Д.И. Менделеева.

Особенно интересной, но вместе с тем сложной задачей является создание на основе фталоцианинов так называемых молекулярных переключателей – соединений, которые обратимо меняют свои свойства под действием внешних факторов – света, нагревания или химических превращений. Такие переключатели могут стать основой новых технологий, связанных с созданием умных материалов, и успехи в этой области были отмечены Нобелевской премией по химии за 2016 год (Ж.-П. Соваж, Дж. Стоддарт и Б. Феринга).

Группа ученых из ИОНХ РАН и ИФХЭ РАН открыла новый тип молекулярных переключателей на основе положительно заряженных фталоцианинов, содержащих внутри кольца атом фосфора. Оказалось, что такие молекулы способны присоединять отрицательно заряженные частицы – например, гидроксид-анионы, с образованием продуктов с уникальной структурой – неароматических фталоцианинов. Вернуть им ароматичность позволяет введение в систему кислоты, при этом молекула полностью восстанавливает свои исходные свойства. Этот процесс может повторяться неоднократно.

В органической химии термин «ароматичность» используется для описания строения и свойств циклических молекул с особенно устойчивой замкнутой системой сопряженных химических связей, и размыкание этого контура без разрушения фталоцианинового кольца ранее считалось невозможным.

«Необычность нашего открытия заключается в том, что стабильность ароматической системы фталоцианинов является общепринятой концепцией в химии этих макроциклов, но эта концепция больше не работает в случае электронодефицитного комплекса фосфора (V), который претерпевает уникальную обратимую реакцию нуклеофильного присоединения, приводящую к образованию неожиданно стабильного неароматического продукта с новыми свойствами. Например, продукт такого присоединения способен поглощать инфракрасный свет, для которого человеческие ткани наиболее прозрачны, что может быть использовано в медицине, а способность к многократному обратимому переключению может найти применение в материалах современной электроники» – прокомментировала работу один из авторов статьи, главный научный сотрудник ИОНХ РАН, член-корреспондент РАН Юлия Горбунова.

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (№20–33–70145), Российским научным фондом (№19–13–00410) и Министерством науки и высшего образования РФ.