РУС ENG
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Российская Академия Наук

Лаборатория полисераазотистых гетероциклов (№ 31)

д.х.н. Ракитин Олег Алексеевич
Заведующий: д.х.н. Ракитин Олег Алексеевич
ORCID: 0000-0001-6609-4087 Researcher ID: D-7530-2014 h-index = 27
Основные направления исследований
  • Синтез и химические свойства новых полисера- и сераазотистых гетероциклических систем.
  • Создание на основе халькогеназотистых гетероциклов компонентов органических солнечных элементов, светодиодов, полупроводников, нелинейных оптических и жидкокристаллических материалов.
  • Разработка методов получения производных гетероциклов, содержащих несколько атомов серы.
  • Создание на основе сера(селен)-азотных гетероциклических тиазильных радикалов, катион- и анион-радикалов новых магнитных, магнитно-бистабильных, электропроводящих и сверхпроводящих функциональных материалов.
Лучшие результаты

Нефуллереновые акцепторы и создание солнечных ячеек с объемным гетеропереходом с повышенной фотовольтаической эффективностью

  Сотрудниками лаборатории в ходе тонкой оптимизации структуры и свойств органических нефуллереновых акцепторов синтезирован ряд новых структур с архитектурой «акцептор-донор-акцептор», в которых исследовано влияние расширения сопряжения в электронодефицитных циклах, введение атомов брома и 4-алкоксифенильных групп в акцепторные фрагменты на уровни энергии и поглощения и другие физические свойства молекул.

Чтобы определить влияние введения атомов брома в молекулу нефуллереновых акцепторов, было получено три акцепторных молекулы (CH20, CH21 и CH22) с различным количеством атомов брома в центральном гетероциклическом цикле. Показано, что введение атомов брома приводит к улучшению межмолекулярной упаковки, кристалличности и диэлектрических свойств акцептора, с сохранением благоприятной межмолекулярной упаковки. Установлено, что бинарные органические солнечные элементы на основе PM6:CH22 обеспечивают наивысшую фотовольтаическую эффективность 19.06% для дибромированного акцептора СН22. Применение высокоэффективного бромированного акцептора показывает огромный потенциал данного направления модификации акцептора для достижения рекордных значений фотовольтаической эффективности для органических солнечных элементов

 

 

  Ранее было показано, что расширение центрального ядра в нефуллереновых акцепторах (НФА) может помочь правильной настройке энергетических уровней, снижению безызлучательных потерь энергии, усилению внутримолекулярных (донорно-акцепторных и акцепторно-акцепторных) взаимодействий в упаковке, облегчению транспортировки заряда и улучшению производительности устройства. Нами были синтезированы новые гетероциклические системы с удлиненным сопряжением с электронодефицитными ядрами. Среди полученных соединений акцептор CH-BBQ, имеющий бензо-бис-тиадиазольный фрагмент, продемонстрировал оптимальную морфологию фибриллярной сети, повышенную кристалличность и улучшенную генерацию/транспортировку заряда в смешанных пленках, что привело к значению эффективности преобразования энергии 18.94% для трехкомпонентных органических солнечных элементов на основе CH-BBQ

 

 

  Три нефуллереновых акцептора (НФА) BTP-OC4, BTP-OC6 и BTP-OC8 с разными 4-алкилоксифенильными заместителями были синтезированы с применением реакции Сузуки. Установлено, что длина алкилокси группы, присоединенной к бензольному кольцу, не влияет на энергетические уровни и поглощение этих нефуллереновых акцепторов, однако морфология активного слоя может меняться при изменении кристалличности НФА, вызванной различной длиной цепочки. Солнечная ячейка на основе PM6:BTP-OC6 продемонстрировала самые низкие значения потери энергии (0.513 эВ) и самое высокое значение эффективности преобразования энергии (PCE) 17.59%, а также превосходную стабильность при фото-, термической обработке и хранении. Более того, когда в систему PM6:BTP-OC6 был добавлен известный НФА Y6 для изготовления трехкомпонентного устройства, PCE повысился до более, чем 18%.

 

  Таким образом, конструирование солнечных ячеек на основе этих нефуллереновых акцепторов позволило достичь значений фотовольтаической эффективности выше 19%, что является близким к рекордным значениям в мире и которые также обладают отличной фото- и термической стабильностями и устойчивостью при хранении. Дальнейшая модификация нефуллереновых акцепторов позволит получить эффективные и стабильные органические фотовольтаические устройства для создания модуля большой площади и реализации его коммерциализации.

Совместно с Нанкайским университетом (Китай), университетом Дунхуа (Китай), Университетом Китайской академии наук (Чунцин, Китай), Ульсанским национальным институтом науки и технологии (Ульсан, Республика Корея) опубликован ряд статей в престижных журналах 1 квартиля Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed. Engl., J. Mater. Chem. C.

 

Органические светоизлучающие диоды со световыми характеристиками свечей (Candle Light-Style Organic Light Emitting Diode)

Сотрудниками лаборатории № 31 ИОХ РАН совместно с учеными из Физического Института им. П. Н. Лебедева РАН и Российского химико-технологического Университета им. Д. И. Менделеева созданы безопасные с физиологической точки зрения светодиоды на основе гибрида органических и металлорганических излучающих материалов. Новый источник света, благодаря инновационной конструкции и сочетанию новых специально синтезированных люминофоров, практически не имеет вредного излучения в синей области спектра, а цветовые характеристики его излучения подобны световым характеристикам пламени обычных свечей. В то же время, такой диод гораздо более энергоэффективен, чем лампы накаливания, а его яркостные характеристики соответствуют требованиям, предъявляемым к современным источникам света. В среднем светодиодная панель из новых материалов размером 10х10 см (половина экрана небольшого смартфона) в оптимальных условиях обеспечивает такой же уровень освещенности, как 10-12 обычных свечей, при этом ее яркость будет в 4-5 раз больше, чем яркость стандартного компьютерного монитора. Очень важной особенностью разработанного устройства является также отсутствие в его составе редких и благородных металлов, таких как иридий и платина (основы современных промышленных люминофоров для OLED устройств), и относительная простота конструкции в целом. Преимуществом предлагаемого нами светоизлучающего диода со световыми характеристиками свечей является применение всего лишь двух светоизлучающих слоёв. В качестве одного из слоёв используется дешёвое, металлорганическое соединение алюминия, а для другого слоя были использованы специально синтезированные нами новые органические красители. Такая архитектура светодиода позволила добиться рекордно низкой цветовой температуры излучения OLED по сравнению с известными прототипами. Кроме того, замена пиридинового цикла на бензольный во внутреннем акцепторе позволила увеличить яркость светодиода более чем в три раза, при этом цветовая температура осталась на уровне рекордных показателей (1880-1990 К). Поэтому данную работу можно считать инновационной и открывающей хорошие перспективы для внедрения в практику. Разработанные нами устройства можно использовать в качестве источников света для офисных или других бытовых помещений, в качестве элементов светового дизайна различных общественных пространств и для многих других целей, но особенно полезным будет их применение в качестве домашних ламп для облегчения засыпания и создания комфортного мягкого освещения.

Результаты опубликованы в журналах первого квартиля “Chemical Communications” (рисунок к этой статье помещен на обложку этого журнала) и “Dyes and Pigments”, защищены патентом РФ и опубликованы в газете «Известия» 9 февраля 2020 г.

 

Новые серии органических сенсибилизаторов на основе конденсированных 1,2,5-халькогенадиазолов

Солнечные батареи, основанные на индивидуальных органических молекулах, по сравнению с широко используемыми кремниевыми аналогами имеют ряд неоспоримых преимуществ: низкая стоимость, простота конструирования, возможность широкой модификации свойств и улучшенные эксплуатационные характеристики. Сенсибилизированные красителем солнечные батареи являются наиболее перспективным классом солнечных ячеек на основе органических веществ. Одной из наиболее эффективных стратегий дизайна органических красителей является стратегия D-A-π-А, заключающаяся во введении между донором (D) и π-мостиком дополнительной акцепторной группы (А). В ИОХ РАН были синтезированы несколько серий новых органических сенсибилизаторов, фотовольтаическая эффективность которых была исследована в Университете г. Эдинбурга (Великобритания) при участии сотрудников лаборатории № 31 ИОХ РАН. Результаты испытаний показали, что полученные красители обладают фотовольтаической эффективностью, не уступающей известным аналогам, а применение в качестве со-сенсибилизатора известного красителя SQ2, поглощающего в ближней инфракрасной области спектра, позволяет кратно увеличить фотовольтаическую эффективность солнечных батарей на основе такой системы.

Статьи, иллюстрирующие полученные данные, опубликованы в престижных тематических изданиях.

 

Создание новых высокоэффективных инфракрасных органических светодиодов

✓  Сотрудниками лаборатории № 31 ИОХ РАН совместно с учеными из ФИАН им. П. Н. Лебедева и РХТУ им. Д. И. Менделеева были созданы новые инфракрасные источники света, на основе соединений типа D-π-A-π-D, содержащих пиридазинотиадиазольный акцепторный фрагмент. Устройства обладали электролюминесценцией в области от 700 и 850 нм. Одно из них продемонстрировало максимальную оптическую мощность 76 мкВт/см2 и максимальную внешнюю квантовую эффективность (EQE) 1,2%, что близко к теоретическому пределу, рассчитанному для флуоресцентных OLED-светодиодов NIR на основе малых органических молекул с малой шириной запрещенной зоны.

Разработанные устройства можно использовать в качестве инфракрасных источников света для светодиодов и датчиков ночного видения. Относительно простая технология изготовления данных диодов и недорогие исходные материалы позволят в будущем создавать источники света в виде плоских панелей достаточной площади с регулируемой яркостью свечения. Результаты работы были опубликованы в высокорейтинговом журнале “Dyes and Pigments”.

 

Синтез новых электроноакцепторных строительных блоков для фотовольтаических и светоизлучающих устройств

Сотрудниками Лаборатории полисераазотистых гетероциклов ИОХ РАН впервые удалось разработать эффективный метод получения гидролитически и термически стабильных бензо[1,2-d:4,5-d']бис([1,2,3]тиадиазола), 4-бромбензо[1,2-d:4,5-d']бис([1,2,3]тиадиазола) и 4,8-дибромбензо[1,2-d:4,5-d']бис([1,2,3]тиадиазола) — новых строительных блоков, строение которых было доказано при помощи рентгеноструктурного анализа. Были найдены оптимальные условия для селективного ароматического нуклеофильного замещения как одного, так и двух атомов брома под действием различных N,S-нуклеофилов. Кроме того, было исследовано поведение полученных производных в реакциях С-Н активации и кросс-сочетания по Сузуки-Мияуры и Стилле и синтезированы различные моно- и диарил(гетарил)производные, которые можно рассматривать в качестве исходных соединений для синтеза компонентов органических солнечных ячеек и органических светодиодов. Результаты опубликованы в журналах первого квартиля “International Journal of Molecular Sciences” и “Molecules” и освещены в СМИ в программе Утро России-1 (https://smotrim.ru/video/2681006).

 

Новые подходы к полисераазотсодержащим гетероциклам

✓   Открыты новые подходы к синтезу полисераазотсодержащих гетероциклов, содержащих несколько атомов серы и атом азота на основе реакции комплексов монохлорида серы и азотсодержащих оснований. Получен ряд новых гетероциклических систем, в том числе 1,2- и 1,4-тиазины, тиофены, моноциклические и конденсированные 1,2-дитиолы и 1,2,3-дитиазолы, 1,2,3,4,5-пентатиепины, 1,2,3,4,5,6,7-гептатиоканы и др. Синтезированные нами полисерасодержащие гетероциклические соединения (1,2-дитиолы, 1,2,3,4,5-пентатиепины и 1,2,3-дитиазолы) показывают высокую противораковую, противомикробную и противогрибковую виды активности.

Синтезированные 1,2,3,4,5-пентатиепины были изучены в качестве катодного материала для аккумуляторных батарей; конденсированные 1,4-дитиины предложены в качестве компонентов многоцелевого назначения для фоторецепторов.

 

 

Общий механизм действия полисерасодержащих гетероциклов против вируса иммунодефицита кошек

✓  Установлено, что синтезированные в ИОХ РАН полисерасодержащие гетероциклы обладают общим механизмом действия и высокой селективностью против вируса иммунодефицита кошек, который является ближайшим аналогом вируса иммунодефицита человека. Было установлено, что соединения разной гетероциклической структуры: бис(дитиоло)тиазины, бис(дитиоло)пирролы, тетратиоцины, дитиазолы, дитиолоиндолы, пентатиепины и тиаселеназолы — являются перспективными антиспидовыми соединениями, что представляет значительную ценность для развития не только химической, но и биологической наук. Она заключается в том, что эти гетероциклы, обладающие высокореакционной связью сера-сера, могут раскрываться в организме с образованием дитиолов, которые взаимодействуют с атомом цинка как бы вынимая его из молекулы вируса в виде белково-цинк-тиольных комплексов и тем самым дезактивируя его. В ходе работы среди исследованных соединений были найдены препараты, которые вместе с высокой наномолярной антивирусной активностью, обладают низкой токсичностью к обычным клеткам, что приводит к высоким значениям терапевтической индекса.

 

Статьи опубликованы в престижных иностранных журналах: ChemMedChem, 2019, 14, 454-461, DOI: 10.1002/cmdc.201800718; Bioorg. Med. Chem. Lett., 2019, 29, 1765-1768. DOI: 10.1016/j.bmcl.2019.05.016. Информация о данном открытии напечатана в газете «Российская газета — Неделя» № 203(7961) под названием «Выстрел по вирусу» и процитирована в 22 изданиях и на сайтах.

 

Центр по изготовлению и испытанию сенсибилизированных красителем солнечных ячеек

Сотрудники лаборатории №31 ИОХ РАН с привлечением приборной базы ИОХ РАН конструируют опытные образцы сенсибилизированных красителем солнечных ячеек на основе как новых веществ, полученных в лаборатории, так и коммерчески доступных красителей. Для создания солнечных ячеек сотрудники располагают приборной базой, включающей в себя УЗ- и УФ-очистители рабочей поверхности электродов, трафареты для нанесения полупроводниковых слоев методом doctor-blade, программируемые муфельные печи, вакуумную установку для инжекции электролита в заготовку и другую необходимую аппаратуру. Тестирование полученных устройств производится с помощью современного прибора для измерения фотовольтаической эффективности солнечных ячеек фирмы Sciencetech (Канада) с сертифицированным источником излучения AM 1.5G со световым потоком 100 mW cm-2 и потенциостатом Keithley 2400.

 

Избранные публикации последних лет
Новости института
Учеными ИОХ РАН проведено комплексное исследование механизма каталитических реакций с участием N-гетероциклических карбенов Учеными ИОХ РАН проведено комплексное исследование механизма каталитических реакций с участием N-гетероциклических карбенов
N-Гетероциклические карбены (NHC) являются одними из лучших лигандов для использования в процессах, катализируемых переходными металлами. Это обусловлено…
В ИОХ РАН состоялось заседание диссертационного совета В ИОХ РАН состоялось заседание диссертационного совета
22 мая на заседании диссертационного совета прошли успешные кандидатские защиты. Касимова Анастасия Алексеевна представила диссертацию на соискание…
Команда ИОХ РАН по настольному теннису одержала победу в турнире «Кубок Победы» Команда ИОХ РАН по настольному теннису одержала победу в турнире «Кубок Победы»
19 мая состоялся Всероссийский турнир по настольному теннису «Кубок Победы», который был приурочены к празднику Победы советского народа в Великой Отечественной…
Ученые ИОХ РАН выступили на VII Северо-Кавказском симпозиуме по органической химии NCOCS-2024 Ученые ИОХ РАН выступили на VII Северо-Кавказском симпозиуме по органической химии NCOCS-2024
Международная конференция стартовала 12 мая на площадке Северо-Кавказского федерального университета. Более 250 ученых обсудили фундаментальные аспекты…
Учёные ИОХ РАН попали в рейтинг Лучших учёных-химиков России Учёные ИОХ РАН попали в рейтинг Лучших учёных-химиков России
Исследовательский портал Research.com выпустил третье издание рейтинга лучших учёных в области химии. Оно создано на основе сведений, объединённых из широкого…
Аспиранты ИОХ РАН — в числе победителей и призеров IV Школы молодых ученых Аспиранты ИОХ РАН — в числе победителей и призеров IV Школы молодых ученых
В РХТУ им. Д. И. Менделеева на факультете химико-фармацевтических технологий и биомедицинских препаратов состоялась IV Школа молодых ученых «Химия и технология…

Лаборатория полисераазотистых гетероциклов (№ 31) ORCID: 0000-0001-6609-4087 Researcher ID: D-7530-2014 h-index = 27 ST LUCE https://zioc.ru/ 5 100 .00 RUB http://schema.org/InStock