Научная статья на тему 'Новые донорно-акцепторные порфирин-фуллереновые диады'

Новые донорно-акцепторные порфирин-фуллереновые диады Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
66
11
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Макрогетероциклы
WOS
Scopus
ВАК
Область наук
Ключевые слова
ПИРРОЛИДИНИЛ-[60]ФУЛЛЕРЕН / PYRROLIDINYL-[60]FULLERENE / ТРИС-ПИРИДИЛЬНОЕ ПРОИЗВОДНОЕ / МОЛИБДЕН(V)ПОРФИРИН / КООРДИНАЦИЯ / COORDINATION / КИНЕТИКА / KINETICS / РАВНОВЕСИЕ / EQUILIBRIUM / TRIS-PYRIDYL-DERIVATIVES / MOLYBDENUM(V) PORPHYRIN

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Ломова Т.Н., Моторина Е.В., Клюев М.В.

Методами химической термодинамики и кинетики изучена реакция комплексообразования между гидроксооксо(5,10,15,20-тетрафенилпорфинато)молибденом(V) (O=Mo(OH)TPP) и 2’-(4-пиридил)-5’-(2-пиридил)-1’-(3-пиридил)-метил-пирролидинил-[60]фуллереном (Py 3 F) в среде толуола. Определены стехио-метрический механизм сложной реакции координации–замещения лигандов в O=Mo(OH)TPP и константы равновесия и скорости простых реакций в ходе процесса, спектральными методами идентифицированы интермедиаты и продукт реакции. Обосновано образование равновесной смеси двух донорно-акцепторных комплексов [O=Mo(Py 3 F)TPP] + OH – , образованных за счет координации органического основания по 2’-(4или 1’-(3-пиридильному) атомам азота. Показано, что разбавленные смеси O=Mo(OH)TPP с Py 3 F в толуоле представляют собой устойчивые самоорганизующиеся системы из находящихся в растворённом состоянии донорно-акцепторных комплексов металлопорфирина с органическим основанием – трис-пиридильным произ-водным пирролидинил-[60]фуллерена. Изученные донорно-акцепторные комплексы являются потенциальными источниками активных слоев элементов для органических фотовольтаических приборов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

New Donor-Acceptor Porphyrin-Fullerene Dyades

He reaction of hydroxooxo(5,10,15,20-(tetraphenylpophyrinato)molybdenum(V) (O=Mo(OH)TPP) with 2’-(4-pyridyl)-5’-(2-pyridyl)-1’-(3-pyridyl)-methyl-pirrolidinyl-[60]fullerene (Py 3 F) in toluene was studied using chemical thermodynamics and kinetics. Stoichiometric mechanism of the complete reaction of coordination–ligand exchange in O=Mo(OH)TPP, as well as the equilibrium and rate constants of simple reactions during the process were obtained. Intermediates and reaction products were analyzed with the spectral methods. Formation of the equilibrium mixture of two complexes [O=Mo(Py 3 F)TPP] + ∙OH – bonded by the coordination of both 2’-(4and 1’-(3-pyridyl) N atoms was established. Dilute mixtures of O=Mo(OH)TPP Py 3 F in toluene were found to have the properties of self-organizing systems with solved donor-acceptor complexes which have a C 60 fullerene fragment. Such complexes are potential components of photovoltaics active layers.

Текст научной работы на тему «Новые донорно-акцепторные порфирин-фуллереновые диады»

Porphyrins Порфирины

Макрогэтэроцмклы

http://macroheterocycles.isuct.ru

Paper Статья

DOI: 10.6060/mhc130644l

Новые донорно-акцепторные порфирин-фуллереновые диады

Т. Н. Ломова,а@ Е. В. Моторина,а М. В. Клюев13

Посвящается Академику РАН А. И. Коновалову по случаю его 80-летнего юбилея

Институт химии растворов им. Г. А. Крестова Российской академии наук, 153045 Иваново, Россия ъИвановский государственный университет, 153025 Иваново, Россия @Е-таг1: tnl@isc-ras. ги

Методами химической термодинамики и кинетики изучена реакция комплексообразования между гидроксооксо(5,10,15,20-тетрафенилпорфинато)молибденом(¥) (0=Мо(ОН)ТРР) и 2'-(4-пиридил)-5'-(2-пиридил)-1'-(3-пиридил)-метил-пирролидинил-[60]фуллереном (Py3F) в среде толуола. Определены стехио-метрический механизм сложной реакции координации-замещения лигандов в О=Мо(ОН)ТРР и константы равновесия и скорости простых реакций в ходе процесса, спектральными методами идентифицированы интермедиаты и продукт реакции. Обосновано образование равновесной смеси двух донорно-акцепторных комплексов [O=Mo(Py3F)TPP]+ ОН-, образованных за счет координации органического основания по 2'-(4-или 1'-(3-пиридильному) атомам азота. Показано, что разбавленные смеси О=Мо(ОН)ТРР с Py3F в толуоле представляют собой устойчивые самоорганизующиеся системы из находящихся в растворённом состоянии донорно-акцепторных комплексов металлопорфирина с органическим основанием - трис-пиридильным производным пирролидинил-[60]фуллерена. Изученные донорно-акцепторные комплексы являются потенциальными источниками активных слоев элементов для органических фотовольтаических приборов.

Ключевые слова: Пирролидинил-[60]фуллерен, трис-пиридильное производное, молибден(У)порфирин, координация, кинетика, равновесие.

New Donor-Acceptor Porphyrin--Fullerene Dyades

Tatyana N. Lomova,a Elena V. Motorina,a@ and Michael V. Klyuevb

Dedicated to Academician of Russian Academy of Sciences A. I. Konovalov on the occasion of his 80th Anniversary

aG.A. Krestov Institute of Solution Chemistry of the Russian Academy of Sciences, 153045 Ivanovo, Russia bIvanovo State University, 153025 Ivanovo, Russia @Corresponding author E-mail: tnl@isc-ras.ru

The reaction of hydroxooxo(5,10,15,20-(tetraphenylpophyrinato)molybdenum(V) (O=Mo(OH)TPP) with 2'-(4-pyridyl)-5'-(2-pyridyl)-1'-(3-pyridyl)-methyl-pirrolidinyl-[60]fullerene (Py3F) in toluene was studied using chemical thermodynamics and kinetics. Stoichiometric mechanism of the complete reaction of coordination-ligand exchange in O=Mo(OH)TPP, as well as the equilibrium and rate constants of simple reactions during the process were obtained. Intermediates and reaction products were analyzed with the spectral methods. Formation of the equilibrium mixture of two complexes [O=Mo(Py3F)TPP]+OH- bonded by the coordination of both 2'-(4- and 1'-(3-pyridyl) N atoms was established. Dilute mixtures of O=Mo(OH)TPP - Py3F in toluene were found to have the properties of self-organizing systems with solved donor-acceptor complexes which have a C60 fullerene fragment. Such complexes are potential components of photovoltaics active layers.

Keywords: Pyrrolidinyl-[60]fullerene, tris-pyridyl-derivatives, molybdenum(V) porphyrin, coordination, kinetics, equilibrium.

Porphyrin-Fullerene Dyades

Введение

Экспериментальная часть

Являясь слабым электронным акцептором (с = 0.06[1]), фуллерен С60 практически не вступает в реакции электрофильного присоединения. Однако он образует различные по природе диады с молекулами - донорами электронов, таким как тетратиафульвалены, металлоцены, диметиламинофенил-производные, рутений(П)-дарис-бипиридин, порфирины, фталоцианины, являющиеся предметом многочисленных исследований.[2-11] Значительный интерес представляют порфирин-фуллереновые диады, образованные за счет донорно-акцепторного координационного взаимодействия между электронодонорным атомом заместителя в фуллерене и атомом металла в металлопорфирине. Пиридильные или имидазольные производные пирролидинил-[60] фуллерена имеют дополнительные реакционные центры и могут выступать донорами электронной плотности по отношению к координационно ненасыщенным металлопорфиринам (МР), образуя с ними координационно-связанные диады[12-15] и молекулярные комплексы более высокого порядка.[16] Получен также порфирин-фуллерен в составе ферроцен-порфирин-фуллереновой триады за счет связывания пара-бензоат-иона замещенного пирролидинил-[60] фуллерена на атоме алюминия в алюминийпорфирине. [17] Эти донорно-акцепторные комплексы вызывают наибольший интерес по двум причинам. Во-первых, они образуют при фотовозбуждении долгоживущие состояния с разделением заряда подобно природной фотосинтетической антенне и, во-вторых, они растворимы в органических растворителях и могут успешно исследоваться в качестве растворимых аналогов координационно-связанных фталоцианин-фуллереновых диад. Последние уже сейчас активно используются в качестве фотоактивного материала в органических солнечных батареях.[18-21]

Прогресс в синтезе координационных порфирин-фуллереновых супрамолекул явно опережает развитие их физикохимии и поэтому чаще обусловлен хаотическим выбором составов комплексов и методов их сборки или синтеза. Несколько лет назад[22,23] авторы данной статьи, имея богатый опыт в области молекулярного комплексообразования МР с неорганическими и сложными органическими основаниями,[24-27] приступили к изучению природы, состава и количественных характеристик устойчивости донорно-акцепторных порфирин-фуллереновых комплексов, при образовании которых координационно ненасыщенный МР выступает в качестве акцептора, а пиридильный заместитель в молекуле пирролидинил-[60]фуллерена - в качестве донора электронной плотности. В настоящей работе представлены результаты исследования равновесий и скоростей реакций гидроксооксо(5,10,15,20-тетра-фенилпорфинато)молибдена(У) (0=Мо(ОН)ТРР) с 2'-(4-пиридил)-5'-(2-пиридил)-1'-(3-пиридил)-метил-пирролидинил-[60]фуллереном Py3F, а также рассмотрены перспективы использования полученных диад в качестве фотоактивных элементов в устройствах для оптоэлектроники.

Комплекс гидроксооксо(5,10,15,20-тетрафенилпорфи-нато)молибден(У) (O=Mo(OH)TPP) (1) синтезировали по методике™ из H2TPP и МоО3 в кипящем феноле. ЭСП (CHCl3) Xmax нм (lge): 620.0 (2.94), 584.0 (2.92), 456.0 (3.78). ИК (3003500 см-1, KBr) v см-1: колебания бензольных колец - 701, 752 (Y C-H); 1070, 1177 (5 C-H); 1484, 1596 (v C=C); колебания пиррольных колец - 800 (y C-H); 1018 (C3-C4, v C-N, 5 C-H); 1336 (v C-N); 1441 (v C=N); Мо-N - 441; Мо-O - 659; Мо=0 - 928. Количественные характеристики спектров совпадают с представленными в литературе.™

Функционализованный фуллерен 2'-(4-пиридил)-5 '-(2-пиридил)-1 '-(3-пиридил)-метилпирролидинил-[60] фуллерен Py3F (2) синтезирован Трошиным П.А. (Институт проблем химической физики Российской академии наук) аналогично™ по реакции в 1,2-дихлорбензоле между C60 и азометинилидом, полученным из (3-пиридил)-метил-замещенного 2-пиколиламида и 4-карбонил-пиридина. ЭСП lmax нм: 294, 313, 434. ИК (твердый хаотический слой) v см-1: 1426, 1190, 527 (колебания, относящиеся к фуллереновому каркасу),[30] 1307 (C=N пиридинового кольца),[31] 1122 и 995 (C-N пирролидинового кольца).[32]

Реакцию 0=Мо(0Н)ТРР с Py3F исследовали спектро-фотометрически методами молярных отношений и избыточных концентраций. Растворы 0=Мо(0Н)ТРР и Py3F в свежеперегнанном толуоле готовили непосредственно перед использованием во избежание образования перекисей в среде растворителя. Измерения оптической плотности для серии растворов с постоянной концентрацией С0=Мо(0Н)Трр, равной 8.77^10"6 моль/л, и концентрациями основания, изменяющимися от 1.3940"5 до 1.23-10-4 моль/л, проводили на рабочей длине волны 462 нм в начальный момент времени (т = 0) и во времени. Так как Py3F имеет собственное поглощение вблизи рабочей длины волны, ЭСП равновесных смесей MP - молекулярный комплекс снимали в режиме вычитания, то есть с использованием в качестве нулевой линии спектра основания той же концентрации, что и в рабочем растворе, за вычетом координированной металлопорфирином части Py3F. Стандартное отклонение величин оптической плотности на рабочей длине волны составляло 0.088 %. Растворы термостатировали при 298 K в закрытых кварцевых кюветах в специальной ячейке спектрофотометра. Погрешность термостатирования составляла ±0.1 K.

Константу равновесия обратимой реакции молекулярного комплексообразования определяли по формуле (1), выведенной с использованием законов действующих масс и Бугера-Ламберта-Беера для смеси двух окрашенных соединений -0=Мо(0Н)ТРР и его молекулярного комплекса с Py3F.

К=-

До-Д,

1--

,-Д,

С -С

(1).

Здесь С°МР, Сь - начальные концентрации соответственно 0=Мо(0Н)ТРР и Py3F в растворе в толуоле; Ао, Ар, Ат -оптические плотности на рабочей длине волны растворов 0=Мо(0Н)ТРР, равновесной смеси при определенной концентрации Ру^ и продукта реакции координации, п - число присоединившихся молекул Ру^.

Константы скорости реакции при различных концентрациях Ру^ рассчитывали по уравнению формального первого порядка при условии избытка Ру^ по отношению к металлопорфирину:

1 4,-4,

К =--ln-

зф г 4-4,

(2),

где А , А , Аœ - оптические плотности реакционной смеси на рабочей длине волны в моменты времени 0, т и по окончании реакции.

Оптимизацию величин K и и определение средних квадратичных отклонений проводили методом наименьших квадратов (НК) с использованием программы Microsoft Excel. Относительная ошибка в определении K и не превышала соответственно 13 и 10 %.

ЭСП растворов регистрировали на спектрофотометрах UV-Vis Agilent 8453 с программным обеспечением для автоматической метрологической аттестации системы и для качественного и количественного анализа, ИК спектры - на спектрометре VERTEX 80v. ИК спектры в хаотических слоях на пластинках кремния получены испарением жидкости из растворов в толуоле O=Mo(OH)TPP или продукта его взаимодействия с Py3F (Cpy F = 7.7-10"5 моль/л).

Квантово-химический расчет молекулы Py3F с полной оптимизацией геометрии выполнен Маловым М.Е. (Ивановский государственный университет) методом PM3.[33-35] Условием окончания счета являлся заданный градиент 0.076 кДж/(моль-А).

занять выгодную позицию для координации с комплексом молибдена. То же относится к 2-пиридильному атому N. Атомы азота 2'-(4-пиридила) и 1'-(3-пиридил)-метила расположены с внешней стороны структуры молекулы Ру^ и поэтому потенциально могут быть реакционными центрами при координации металлопорфирином. Этот вывод подтверждается анализом распределения заряда на атомах Ру^, из которого следует более высокая ну-клеофильность 2'-(4-Ру)- и 1'-(3-Ру)-Ме-атомов азота:

Атом азота

Заряд по Малликену, заряда электрона -0.0736 -0.0717 -0.0698 -0.0519. фуллеренового остова нулю, а на атомах C,

2'-(4-Py) 1'-(3-Py)-Me 5'-(2-Py) пирролидинила Заряды на атомах отрицательны, но близки к конденсированных с пирролидинильным остатком -положительны и составляют 0.0378 и 0.0432 з.э.

Реакция комплекса 0=Мо(0Н)ТРР с основанием Py3F изучена в толуоле при 298 K в диапазоне концентраций последнего 1.39-10"5 ^ 1.23-10"4 моль/л. На Рисунке 1 приведены ЭСП 0=Мо(0Н)ТРР в толуоле с различными добавками Py3F. При постепенном увеличении концентрации пирролидинил-[60]фуллерена наблюдали уменьшение оптической плотности полосы с максимумом при 462 нм, появление нового поглощения вблизи 490 нм и изобестическую точку при X = 480 нм. Характерно, что полоса с X = 462 нм уменьшается по

А i 7 max J

интенсивности, но не исчезает в спектре равновесной смеси в точке эквивалентности (Рисунок 2(2)). Если судить по тангенсу угла наклона графика зависимости lg((Ap - - Ap)) - lgCL (Рисунок 2(1), tga = 2.2), в

равновесном процессе участвуют две молекулы Py3F.

2, структура Py3F, рассчитанная методом PM3

Результаты и обсуждение

Рисунок 1. Электронные спектры поглощения O=Mo(OH)TPP в толуоле с добавками Py3F от 1.39-10"5 до 1.23-10"4 моль/л.

С,

O=Mo(OH)TPP

= 8.77-10-6 моль/л.

Для образования порфирин-фуллереновой диады в работе использованы координационно ненасыщенный металлопорфирин 0=Мо(0Н)ТРР и Ру^ с тремя элек-тронодонорными атомами азота. Из оптимизированной структуры (структура 2) основания видно, что по стери-ческим условиям пирролидинильный атом N не может

Известно, что равновесие в системе металлопорфи-рин - молекулярный лиганд может устанавливаться как во время смешивания реагентов, так и в течение более или менее продолжительного отрезка времени.[36] Были изучены также особые случаи, когда равновесие устанавливалось достаточно быстро, но затем в системе на-

РофЬупп^иПегепе Dyades

А -А

А -А„

д 1 у 0.5

-4.8 -4.6 -4.4 ^ -4.2 -4.0

-0.5

-1.0-

-1.5-

95 С. 104, моль/л

Рисунок 2. Зависимость ^((Ар - Ао)/(Ая - Ар)) - lgCL (1) для реакции 0=Мо(ОН)ТРР с Py3F в толуоле в интервале концентраций Ру^ 1.3940"5 4 1.23^ 10-4 моль/л (R2 = 0.986) и соответствующая кривая титрования (2).

блюдалась очень медленная необратимая реакция.[37,38] Для изучения таких реакций была разработана специальная методика, при которой экспериментально фиксируется массив данных «оптическая плотность - концентрация титранта - время». В случае реакции О=Мо(ОН) ТРР с Ру^ равновесие устанавливается в течение 10 минут, однако затем наблюдается необратимый процесс, настолько медленный, что становится возможным с удовлетворительной точностью определить константу устанавливающегося вначале равновесия. Время установления равновесия в используемой методике определяется при расчете констант К при различных т и выборе константы с минимальным среднеквадратичным отклонением (Таблица 1).

Таблица 1. Пример расчета константы равновесия для реакции О=Мо(ОН)ТРР с Ру^ при 298 К и т = 10 мин.

Сру р равен 0.9 (Рисунок 4), константа скорости реакции,

СР F•10-5, Py3F , моль/л А р К. •Ю-8, л2/ 1 ' моль2 (К+5К>10"8, л2/моль2

1.39 0.8269 2.27 ± 0.30

1.73 0.7978 1.87

2.05 0.7774 2.41

2.57 0.7474 2.67

3.08 0.7364 2.15

4.62 0.6479 2.38

5.65 0.5894 2.51

7.19 0.5671 1.78

7.70 0.5083 2.38

8.73 0.4900 2.08

11.30 0.4513 1.63

12.30 0.3877 2.37

В ходе медленной односторонней реакции, наблюдаемой в равновесных смесях во времени, упомянутая выше полоса с максимумом при 462 полностью исчезает, а поглощение при 485 нм продолжает расти (Рисунок 3). В Таблице 2 приведены значения эффективных констант скорости ^ при различных начальных концентрациях Ру3Е Порядок реакции п по

определенная по данным рисунка, k (уравнение 3) равна 0.36 с-1-моль-1-л.

-Й^О=Мо(ОН)ТРР/^Т k СО=Мо(ОН)ТРР СРу3Р

(3)

Таблица 2. Эффективные константы скорости реакции в системе 0=Мо(0Н)ТРР - Ру^ - толуол при 298 К в зависимости от концентрации Ру^. Константа скорости реакции k = 0.36.

С /104, моль/л _РъЕ_!_

(¿эф ± ^О5, с-1

0.46 0.57 0.62 0.77 0.82 0.87 1.13

2.8 ± 0.3

4.0 ± 0.3 4.2 ± 0.5 4.6 ± 0.5

5.0 ± 0.5 5.5 ± 0.6

7.1 ± 0.7

А

0.7

0.5 0.3 0.1

450

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

500

550

600

X, нм

Рисунок 3. Электронные спектры поглощения равновесных смесей О=Мо(ОН)ТРР - Ру^ в толуоле при концентрации Ру^ 5.6510-5 моль/л сразу после приготовления смеси (1) и через 24 ч (2). Остальные линии соответствуют промежуточным моментам времени.

1дк

эф

4.2

-4.4

-4.6

-4.4

-4.2

-40 1дс,

Рисунок 4. Зависимость - lgCL для реакции 0=Мо(ОН) ТРР с Ру3Р в толуоле при 298 К (R2 = 0.955).

Спектральные проявления и стехиометрия обратимой и односторонней реакций позволяют предположить следующую систему простых реакций в ходе сложной и использовать для описания последней приближенный метод квазиравновесия:

995 (С-Ы пирролидинового кольца),[32] 481 (Мо-М)[39], отсутствующие в спектре исходного комплекса.

Ч

н

3000

2000

1000

0=М0(0Н)ТРР + Py3F <==> [O=Mo(Py3F)TPP]+ • ОН- (4)

О=Мо(ОН)ТРР + Ру / <=> O=Mo(Py3F)(OH)TPP -

[О=

[O=Mo(Py3F)TPP]+ • ОН-

(5)

Рисунок 5. ИК спектры О=Мо(ОН)ТРР (1) и [О=Мо(Ру3Р) ТРР]+ЮН- (2) в твердом хаотическом слое на пластинках кремния. 2 - спектр вычитания.

По такой схеме один из двух аксиальных фуллерен-содержащих комплексов остается в равновесной концентрации (реакция 4), в то время как второй, О=Мо(Ру3Р)(ОН)ТРР, расходуется в последующей медленной односторонней реакции, что хорошо соответствует спектральной картине превращения (Рисунки 1, 3). Два различных комплекса, образующихся по обратимой реакции, могут отвечать двум различным типам координации - за счет более основного 2'-(4-Ру)-атома азота ([О=Мо(Ру3Р)ТРР]+-ОН) и за счет менее основного 1'-(3-Ру)-Ме-атома N. Для этой схемы квазиравновесная величина С'О=Мо(Ру г)(ОН)ТРР равна ^'С'о=Мо(он)ТРР'СРу Р а скорость образования продукта [О=Мо(Ру/)ТРР]+-ОН- равна:

^С[О=Мо(Ру3Р)ТРР]+ ОН-/А к2 К СО=Мо(ОН)ТРР СРу3Р

(6)

Отсюда экспериментальная константа скорости равна: к = к2-К, а численное значение константы скорости медленной односторонней реакции равна к2 = 0.36/ (2.27-108) = 0.159-10-8 с-1*моль*л-1.

Образование донорно-акцепторного комплекса металлопорфирина с Ру3Р по реакциям (4), (5) подтверждено методом ИК спектроскопии (Рисунок 5). ИК спектры были получены отдельно для исходного О=Мо(ОН)ТРР и конечного продукта реакций (4), (5) [О=Мо(Ру3Р)2ТРР]+-ОН-. В ИК спектре продукта реакции обнаружены новые сигналы с частотами колебаний координированного Ру3Р - 1426, 1190, 527 (колебания, относящиеся к фуллереновому каркасу С),[30] 1307(C=N пиридинового кольца),[31] 1122 и

Благодаря наличию опубликованных в литературе[38,40-43] данных по изучению реакций О=Мо(ОН)ТРР с другими аналогичными основаниями и основания Ру/ с другими металлопорфиринами, можно провести анализ связи закономерностей образования донорно-акцепторных комплексов со структурой взаимодействующих молекул:

[О=Мо(Ру3Р)ТРР]+ ОН- (2.27-108 л2/моль2, 2 изомера в толуоле) > (а)(Ру3Р)МТРР (2.6-105 л4/моль4,[5] 4 изомера в СНС13) > (С1)(РуР)1пТРР (К1 = 6.92-104 л-моль-1,[22] в СНС13) > О=Мо(Ру3Р')(ОН)ТРР (1.97-104,[41] в толуоле) > (РуР')гпТРР (1.6-104,[44] в циклогексане) > (Ру/^пТРР (1.2-104,[14] в циклогексане) > [О=Мо(Ру)ТРР]+ ОН-(9.1-103,[38] в толуоле).

Здесь РуР, РуР', Ру2р Ру3Р' и Ру3Р''- соответственно, 2'-(4-пиридил)-1'-метил-пирролидинил-, cis-2'-(2-пири-динил)-5' -(4-имидазолилфенил)пирролидино [3',4':1,2]-, с/5-2 ',5' -ди-(2-пиридинил)-пирролидино [3 ',4': 1,2]-, 2'-(4-пиридил)-5'-(2-пиридил)-1'-(2-пиридил)-метил-пирролидинил-[60]фуллерен и 2'-(4-пиридил)-5'-(2-пиридил)-1'-(3-пиридил)-метил-пирролидинил-[60] фуллерен.

По числу образующихся изомеров и по величине суммарной константы комплекс Ру3Р с порфирином MoV превосходит комплекс с трехзарядным индием, как и комплекс О=Мо(ОН)ТРР с изомерным основанием Ру/'. Комплексы металлопорфиринов с монопиридиль-ными замещенными пирродинил-[60]фуллеренами или с дипиридинильным производным со стерически затрудненными реакционными центрами менее устойчивы, причем самую меньшую устойчивость имеют комплексы

1

2

Porphyrin-Fullerene Dyades

с порфирином двухзарядного цинка. Донорно-акцепторный комплекс O=Mo(OH)TPP с основанием без фрагмента фуллерена - пиридином наименее устойчив. При анализе структуры фрагментов молекулярных комплексов видно, что более склонны к комплексообразо-ванию металлопорфирины с высоким эффективным зарядом центрального атома и фуллерен-содержащие основания с двумя доступными электронодонорными атомами азота. Это означает, что при разработке устойчивых фотоактивных донорно-акцепторных порфирин-фуллереновых диад предпочтение следует отдавать пор-фиринам металлов со смешанной координационной сферой и формальным зарядом центрального атома z > 2.

Выводы

В настоящей статье представлены результаты исследования методами химической термодинамики и кинетики сложной реакции образования в толуоле новых пор-фирин- фуллереновых диад за счет донорно-акцепторных взаимодействий по аксиальному направлению в метал-лопорфириновой молекуле, с предполагающейся активностью в фотоиндуцировании состояний с разделением заряда. Определены численные значения констант равно -весия и скорости, а также стехиометрия простых реакций замещения лигандов в O=Mo(OH)TPP на Py3F, обосновано наличие в реагирующей системе параллельных равновесной и квазиравновесной реакций с образованием за счет координации 2'-(4-Py)- или 1'-(3-Py)-Me-атомов азота двух изомерных комплексов состава [O=Mo(Py3F)TPP]+ • OH-.

Несмотря на то, что суммарная константа равновесий реакций (4) и (5), равная (2.27 ± 0.30)-108 л2/моль2, относится к образованию двух изомерных донорно-акцепторных комплексов, её численное значение характеризует последние как достаточно стабильные, образующиеся в самопроизвольном процессе в условиях относительно небольшого избытка органического основания. Реализация спектрофотометрических методов для изучения комплексообразования указывает на отсутствие образования твердых фаз в условиях экспериментов. Таким образом, разбавленные смеси O=Mo(OH)TPP с Py3F в толуоле представляют собой устойчивые самоорганизующиеся системы из находящихся в растворённом состоянии донорно-акцепторных комплексов - потенциальных источников активных слоев элементов для органических фотовольтаических приборов.

Благодарность. Работа выполнена при финансовой поддержке грантов Президента Российской Федерации для поддержки научных школ НШ-3993.2012.3 и РФФИ, проект № 12-03-00967. Авторы благодарят П.А. Трошина за предоставленный образец замещенного фуллерена и М.Е. Малова за проведение квантово-химического расчета.

References

Список литературы

1. Bagno A., Claeson S., Maggini M., Martini L. M., Prato M., Scorrano G. Chem. Eur. J. 2002, 8, 1015-1023.

2. D'Souza F., Smith P.M., Zandler M.E., McCarty A.L., Mitsunari I.Y.A., Ito O. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 78987907.

3. Schuster D.I., Li K., Guldi D.M., Palkar A., Echegoyen L., Stanisky C., Cross R.J., Niemi M., Tkachenko N.V., Lemmetyinen H. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 15973-15982.

4. Kharisov B.I. Ind. Eng. Chem. Res. 2009, 48, 545-571.

5. Martin N., Giacalone F., Segura J.L., Guldi D.M. Synth. Met. 2004, 147, 57-61.

6. Hizume Y., Tashiro K., Charvet R., Yamamoto Y., Saeki A., Seki S., Aida T. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 6628-6629.

7. Takai A., Chkounda M., Eggenspiller A., Gros C. P., Lachkar M., Barbe J.-M., Fukuzumi S. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 4477-4489.

8. Kaunisto K., Chukharev V., Tkachenko N.V., Efimov A., Lemmetyinen H. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 3819-3825.

9. Subbaiyan N.K., Obraztsov I., Wijesinghe C.A., Tran K., Kutner W., D'Souza F. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 8982-8989.

10. Mironov A.F. Macroheterocycles 2011, 4, 186-208.

11. Konarev D.V., Lyubovskaya R.N. Macroheterocycles 2009, 2, 190-197.

12. Mateo-Alonso A., Sooambar C., Prato M. C.R.Chimia 2006, 9, 944-951.

13. Yin G., Xu D., Xu Z. Chem. Phys. Lett. 2002, 365, 232-236.

14. Lapshin A.N., Smirnov V.A., B. A., Lyubovskaya R.N., Goldshleger N.F. Russ. Chem. Bull, 2005, 54, 2338-2342 [Izv. Akad. Nauk, Ser. Khim. 2005, 54, 2265-2269 (in Russ.)].

15. Konarev D.V., Khasanov S.S., Troshin P.A., Faraonov M.A., Lyubovskaya R.N. Dalton Trans. 2012, 41, 791-798.

16. Santos L.J., Carvalho Da-Silva D., Reboucas J.S., Alves M.R.A., Idemori Y.M., Matencio T., Freitas R.P., Alves R.B. Tetrahedron 2011, 67, 228-235.

17. Poddutoori P.K., Sandanayaka A.S.D., Hasobe T. J. Phys. Chem. A 2010, 114, 11376-11385.

18. Khan S.M., Sayyad M.H. J. PorphyrinsPhthalocyanines 2012, 16, 1059-1067.

19. Walter M.G., Rudine A.B., Wamser C.C. J. Porphyrins Phthalocyanines 2010, 14, 759-792.

20. Li M., Ishihara S., Ji Q., Akada M., Jonathan P Hill, Ariga K. Sci. Technol. Adv. Mater. 2012, 13, 1-14.

21. Koeppe R., Troshin P.A., Lyubovskaya R.N., Sariciftci N.S. Appl. Phys. Lett. 2005, 87, 244102

22. Lomova T.N., Malov M.E., Klyuev M.V., Troshin P.A. Macroheterocycles 2009, 2, 164-167.

23. Lomova T.N., Malov M.E., Klyuev M.V., Troshin P.A. Reactions of the pyridine sustituted N-metyl-pyrrolidinyl[60] fullerene - (5,10,15,20-tetraphenylporphyrinato)-(chloro) indium(III) diade Formation. In: Advances in Materials Science Research. Vol. 2. (Wythers M.C., Ed.) New York: Nova Science Publishers, 2011, p. 143-154.

24. Lomova T.N., Klyueva M.E., Berezin B.D. Izv. Vysch. Uchebn. Zaved., Khim. Khim. Tekhnol. 1988, 31, 75-81 (in Russ.).

25. Lomova T.N., Berezin B.D. Rus. J. Coord. Chem. 2001, 27, 85-104.

26. Tyulyaeva E.Yu., Lomova T.N., Mozhzhukhina E.G. Koord. Khim. 2003, 29, 605-610 (in Russ.).

27. Tipugina M.Yu., Lomova T.N. Zh. Neorg. Khim. 2004, 49, 1051-1056 (in Russ.).

28. Lomova T.N., Volkova N.I., Berezin B.D. Zh. Neorg. Khim. 1985, 30, 626 (in Russ.).

29. Troshin P.A., Troyanov S.I., Boiko G.N., Lyubovskaya R.N., Lapshin A.N., Goldshleger N.F. Fullerenes, Nanotubes, Carbon Nanostruct. 2004, 12, 435.

30. Eletski A.V., Smirnov B.M. Uspekhi Fiz. Nauk 1993, 163, 3360 (in Russ.).

31. Nakanisi K. Infrared Spectra and the Structure of Organic Compounds [transl. from Engl.] (Maltsev A.A., Ed.) Moscow: Mir, 1965. 220 p.

32. Gordon A., Ford R. The Chemist's Companion: A Handbook of Practical Data, Techniques, and References [transl. from Engl.] Moscow: Mir, 1976, 541 p.

33. Stewart J.J.P. J. Comput. Chem. 1989, 10, 209-220.

34. Fletcher R. Practical Methods of Optimization. Vol. 1, New York: John Wiley & Sons. 1980.

35. Stewart J.J.P. J. Comput.-AidedMol. Des. 1990, 4, 1-105.

36. Lomova T.N., Motorina E.V. In: VII International scientific conferences "Kinetics and mechanism of crystallization. Crystallization and the materials of new generation". Book of abstracts. Ivanovo, 25-28111 Sept., 2012, p. 158 (in Russ.).

37. Lomova T.N., Motorina E.V., Ovchenkova E.N., Klyueva M.E. Russ. Chem. Bull., Int. Ed. 2007, 56, 660-679

38. Tipugina M.Yu., Lomova T.N., Motorina E.V. Russ. J. Coord.

Chem. 2005, 31, 357-363.

39. Cheremisina I.M. Zh. Strukt. Khim. 1978, 19, 336-351 (in Russ.).

40. Lomova T.N., Motorina E.V., Ovchenkova E.N., Klyueva M.E. Izv. Akad. Nauk, Ser. Khim. 2007, 636-654 (in Russ.).

41. Tipugina M.Y., Motorina E.V., Lomova T.N. Russ. J. Inorg. Chem. 2007, 52, 394-397.

42. Motorina E.V., Lomova T.N. In: VII International Scientific Conference "Kinetics and Mechanism of Crystallization. Crystallization and the Materials of New Generation". Book of abstracts. Ivanovo, 25-28th Sept., 2012, p. 159 (in Russ.).

43. Lomova T.N. Oxid. Commun. 2010, 33, 1-11.

44. Lapshin A.N. Dis. Cand. Chem. Sci., Ivanovo, Institute of Solution Chemistry of RAS, 2006. 120 p. (in Russ.).

Received 28.06.2013 Accepted 22.11.2013

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.