N, n' бис(9-антрилметил)циклогексан-1, 2-диамин-флуоресцентный хемосенсор на катионы zn2+

Изобретение относится к новым производным ряда N,N'-бис(9-антрилметил)замещенных алкандиаминов, а именно N,N'-бис(9-антрилметил)циклогексан-1,2-диамину формулы I:

обладающему в нейтральной среде свойствами высокоселективного флуоресцентного хемосенсора на катионы Zn²⁺. По сравнению с аналогом по строению и применению N,N'-бис(9-антрилметил)этан-1,2-диамином предложенный N,N'-бис(9-антрилметил)циклогексан-1,2-диамин проявляет более эффективные и селективные хемосенсорные свойства по отношению к ионам Zn²⁺. 1 ил.

 

Изобретение относится к новым производным ряда N,N'-бис(9-ан-трилметил)замещенных алкандиаминов, а именно к N,N'-бис(9-антрилметил)циклогексан-1,2-диамину формулы I:

обладающему в нейтральной среде свойствами высокоселективного флуоресцентного хемосенсора на катионы Zn²⁺.

В настоящее время достаточно большое количество соединений, содержащих тот или иной рецептор (комплексообразующий фрагмент, ответственный за избирательное связывание субстрата) и флуорофор (так называемый «сигнальный» фрагмент молекулы хемосенсора, оптические свойства которого меняются при взаимодействии рецептора с субстратом), представлены авторами как эффективные хемосенсоры на катионы цинка (J.F.Callan, A.P. de Silva, D.C.Magri. Luminescent sensors and switches in the early 21st century, Tetrahedron, 2005, №36, p.8551-8558; E.Kimura, T.Koike. Recent development of zinc-fluorophores, Chemical Society Reviews, 1998, №3, p.179-184; B.A.Брень. Флуоресцентные и фотохромные хемосенсоры, Успехи химии, 2001, №12, с.1152-1174; В.Valeur, I.Leray. Design principles of fluorescent molecular sensors for cation recognition. Coordination Chemistry Reviews, 2000, v.205, №1, p.3-40). Функцию рецепторов в таких соединениях выполняют различные азотсодержащие структуры - азакраунэфиры, азаподанды, каликсарены, азагетероциклы. В большинстве случаев в этих системах проявляется так называемый РЕТ-эффект (Photoinduced Electron Transfer) - фотоиндуцируемый перенос электрона (G.J.Kavarnos, Fundamentals of Photoinduced Electron Transfer, NY, Wiley-VCH, 1993, 359 p.). Рецептор у сенсора, основанном на РЕТ-эффекте, является донором электронов, а флуорофор - акцептором. При возбуждении молекулы происходит перенос электрона с высшей занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) флуорофора на низшую свободную молекулярную орбиталь (НСМО). Это позволяет осуществиться электронному переходу с ВЗМО донора-рецептора на ВЗМО акцептора-флуорофора, тем самым вызывая тушение флуоресценции последнего. При комплексообразовании происходит резкое снижение уровня энергии ВЗМО рецептора, приводящее к тому, что перенос электрона на ВЗМО флуорофора становится энергетически невыгодным. Происходит свободный переход возбужденного электрона с НСМО на ВЗМО флуорофора, и сенсор начинает флуоресцировать. Эффективность таких хемосенсоров оценивается двумя факторами - степенью изменения исходной интенсивности флуоресценции при добавлении субстрата и селективностью обнаружения определенного катиона.

Недавно {[3-(бискарбоксиметиламино)-2-метокси-5-метилфенил]карбоксиметиламино}уксусная кислота была заявлена авторами (J.N.Ngwendson, C.L.Amiot, D.K.Srivastava, A.Banerjee, Design of a zinc (II) specific fluorescence sensor. Tetrahedron Letters, 2006, №14, p.2327-2330) как селективный флуоресцентный сенсор на катионы Zn²⁺. При взаимодействии данного соединения с катионами цинка происходит лишь десятикратное увеличение интенсивности флуоресценции, а заявленная селективность сенсора была установлена только по отношению к ионам: Mg²⁺, Са²⁺, Со²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Отношение хемосенсора к таким ионам как Cd²⁺, Hg²⁺ (которые зачастую сопровождают катионы цинка) не было исследовано, так же как не были изучены люминесцентные свойства синтезированной кислоты в присутствии смеси различных катионов, что свидетельствует о незавершенности работы.

Был также синтезирован и исследован хемосенсор на катионы Zn²⁺, содержащий в основе каликс[4]арен модифицированный введением N-(2-гидроксинафтил-1-метилимино)групп (J.Dessingou, R.Joseph, C.P.Rao, A direct fluorescence-on chemosensor for selective recognition of Zn(II) by rim 1,3-di-derivative of calix[4]arene possessing bis-{N-(2-hydroxynaphthyl-1-methylimine)}pendants, Tetrahedron Letters, 2005, №47, p.7967-7971). В данном случае зафиксировано более чем 20-кратное разгорание флуоресценции при комплексообразовании с ионами Zn²⁺, при этом выделенный цинковый комплекс показывает интенсивность флуоресценции в 58 раз большую, чем исходный каликс[4]арен. Отмечена селективность сенсора в присутствии значительного числа катионов - Ti⁴⁺, VO²⁺, Cr³⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Со²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Mg²⁺, Hg²⁺. Однако, как и в вышеописанном случае, не исследовались спектральные свойства соединения в присутствии смеси катионов.

Примером высокоселективного флуоресцентного сенсора может служить 6-[2-(бис-пиридин-2-илметиламино)-этиламино]-2-метилбензо[de]изо-хинолин-1,3-дион (J.Fan, X.Peng, Y.Wu, E.Lu, J.Hou, H.Zhang, R.Zhang, X.Fu, A new PET fluorescent sensor for Zn²⁺, Journal of Luminescence, 2005, vol.114, №2, p.125-130). В результате проведенных исследований с использованием широкой группы катионов: Zn²⁺, Na⁺, K⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Ni²⁺, Cr³⁺ было показано, что синтезированное соединение проявляет хемосенсорную активность по отношению к ионам Zn²⁺ c разгоранием флуоресценции в 5 раз. Остальные исследованные катионы или практически не влияют на интенсивность флуоресценции или, как в случае с Со²⁺ и Cu²⁺ или снижают ее. Добавление к раствору сенсора, содержащему катионы цинка пятикратного мольного избытка других катионов, таких как Na⁺, K⁺, Са²⁺, Mg²⁺ не вызывает каких-либо изменений в интенсивности флуоресценции, что свидетельствует о достаточно высокой степени селективности.

Одним из наиболее эффективных флуоресцентных сенсоров на катионы Zn²⁺ является 9-антрилметил-бис(2-пиколил)амин (S.A. de Silva, A.Zavaleta, D.E.Baron, A Fluorescent photoinduced electron transfer sensor for cations with off-on-off proton switch, Tetrahedron Letters, 1997, №13, p.2237-2240) - при комплексообразовании с хлоридом цинка происходит разгорание исходной флуоресценции в 77 раз. На примере этого сенсора была реализована принципиальная возможность включения-выключения флуоресценции при изменении рН. Однако в этом случае авторами не исследована селективность полученного соединения по отношению к катионам цинка.

В ряду N,N'-бис(9-антрилметил)замещенных алкандиаминов известен N,N'-бис(9-антрилметил)этан-1,2-диамин, проявляющий высокую хемосенсорную активность по отношению к катионам Zn²⁺ - разгорание исходной флуоресценции в 42 раза (И.Е.Толпыгин, В.А.Брень, А.Д.Дубоносов, В.И.Минкин, В.П.Рыбалкин. Новые флуоресцентные хемосенсоры на основе 9-аминометилантрацена, Журнал органической химии, 2003, №9, с.1435-1437).

Техническим результатом изобретения является новое соединение в ряду N,N'-бис(9-антрилметил)замещенных алкандиаминов, проявляющее более эффективные и селективные хемосенсорные свойства по отношению к ионам Zn²⁺.

Технический результат достигается соединением формулы I, синтез которого заключается во взаимодействии 1,2-диаминоциклогексана с 9-антральдегидом и восстановлением полученного N,N'-бис(9-антрилметилен)циклогексан-1,2-диимина боргидридом натрия до N,N'-бис(9-антрил-метил)циклогексан-1,2-диамина (I).

Строение всех синтезированных соединений доказано элементным анализом, данными ИК- и ЯМР Н¹ спектров. В ИК-спектре соединения I, снятого в вазелиновом масле, имеется полоса валентных колебаний вторичной аминогруппы при 3400 см^-1. В спектре ЯМР ¹Н амина I присутствуют сигналы от двух протонов аминогрупп, а также дублетдублетов двух СН₂-групп (δ 4,56, J₁ 151,5 Гц, J₂ 11,9 Гц), непосредственно связанных с антраценовыми фрагментами.

Ниже приведена методика синтеза предлагаемого соединения.

Пример 1. Стадия 1. N,N'-бис(9-антрилметилен)циклогексан-1,2-диимин. Растворяли 4,12 г (20 ммоль) 9-антральдегида в 40 мл 1-бутанола, добавляли 1,14 г (10 ммоль) 1,2-диаминоциклогексана и 0,5 мл ледяной уксусной кислоты. Смесь нагревали до кипения и охлаждали. Выпавший осадок отфильтровывали, промывали горячим этанолом, сушили на воздухе. Выход 98,6%, т.пл. 223-224°С (1-BuOH-ДМФА - 2:1). ИК-спектр, ν, см^-1: 1630, 1445, 1360, 1080, 1040. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д.: 1,60-2,40 (8Н, м., (CH₂)₄); 3,87-4,05 (2Н, м, 2СН); 7,00 (8Н, д.т., 2,3,6,7 - аром. Н, J₁ 126,5 Гц, J₂ 7,6 Гц); 8,00 (8Н, д.д, 1,4,5,8-аром. Н, J₁ 81,8 Гц, J₂ 8.7 Гц); 8,39 (2Н, с, 3-аром. Н); 9,37 (2Н, с, 2СН=). Найдено, %: С 88,04; Н 6,26; N 5,70. С₃₆Н₃₀N₂. Вычислено, %: С 88,13; Н 6,16; N 5,71.

Стадия 2. N,N'-бис(9-антрилметил)циклогексан-1,2-диамин (I). К суспензии 5 ммоль N,N'-бис(9-антрилметилен)циклогексан-1,2-диимина в 100 мл смеси этанол - ДМФА (3:2) при нагревании и перемешивании постепенно в течение 2 часов добавляли 1,9 г мелкоизмельченного NaBH₄ (50 ммоль). Перемешивание при нагревании продолжали еще 2 часа, затем раствор разбавляли втрое водой и избыток боргидрида разлагали разбавленной СН₃СООН. Осадок отфильтровывали, сушили и кристаллизовали из 1-бутанола. Выход 77,8%, т.пл. 204-205°С (1-BuOH). ИК-спектр, ν, см^-1: 3400, 1465, 1365. Спектр ЯМР ¹Н, 5, м.д.: 1,20-2,67 (12Н, м., (СН₂)₄+2СН+2NН); 4,56 (4Н, д.д., 2СН₂, J₁ 151,5 Гц, J₂ 11,9 Гц); 7,13 (8Н, д.т., 2,3,6,7-аром. Н, J₁ 93,8 Гц, J₂ 7,7 Гц); 7,99 (8Н, д.д., 1,4,5,8-аром. Н, J₁ 38,9 Гц, J₂ 8.4 Гц); 8,34 (2Н, с, 3-аром. Н). Спектр флуоресценции в ацетонитриле, λ_макс., нм (с=5×10^-5 моль/л): 418. Найдено, %: С 87,34; Н 6,96; N 5,70. C₃₆H₃₄N₂. Вычислено, %: С 87,41; Н 6,93; N 5,66.

Исследование хемосенсорных свойств.

Методы исследования. Оценку сенсорной способности соединения I проводили по данным спектров флуоресценции в области локальной флуоресценции антрацена. Для этого к раствору соединения I (c=5×10^-7 моль/л) добавляли расчетный пятикратный мольный избыток ацетата металла (Zn²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺, Со²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺, Hg²⁺) или их смеси и перемешивали раствор до полного растворения соли. Затем проводили съемку спектров флуоресценции на длине волны λ_флуор=418 нм (λ_возб=355 нм): исходного раствора и растворов, содержащих помимо соединения I другие катионы. Съемка спектров люминесценции проводилась на спектрофлуориметре Hitachi 650-60.

Расчет относительного изменения интенсивности флуоресценции проводили по формуле: ОИИФ=I/I₀, где:

I₀ - исходная интенсивность флуоресценции раствора соединения I.

I - интенсивность флуоресценции раствора соединения I после добавления пятикратного мольного избытка катиона.

Результаты испытаний.

Исследование спектральных свойств амина I показало, что данное соединение проявляет высокую сенсорную активность по отношению к катионам Zn²⁺.

Хемосенсор I вследствие проявления РЕТ-эффекта обладает весьма слабой флуоресценцией антраценового типа в нейтральных растворах ацетонитрила при возбуждении светом λ_возб. 355 нм (три индивидуальных максимума в области 390-440 нм и плечо 460-470 нм). В спектре испускания этого соединения также наблюдается полоса при 470-600 нм, соответствующая образованию эксимера.

Комплексообразование с различными катионами за счет связывания неподеленной электронной пары азота существенно видоизменяет термодинамику РЕТ-эффекта, что приводит к изменению интенсивности флуоресценции.

Добавление ацетатов меди или свинца к раствору сенсора I вызывает затухание флуоресценции, тогда как ионы Zn²⁺ резко увеличивают интенсивность флуоресценции (I/I₀=79). Все исследования проводились в нейтральной среде.

Чертеж Относительное изменение интенсивности флуоресценции (I/I₀) диамина (I) (С=5·10^-7 моль/л) в ацетонитриле при добавлении различных катионов (С=2,5·10^-6 моль/л).

Селективность данного сенсора была показана при добавлении к исходному раствору амина I смеси катионов (каждый из катионов был взят в пятикратном мольном избытке относительно соединения I). В этом случае происходит увеличение относительной интенсивности флуоресценции (разгорание) в 77 раз. Таким образом, отклонение интенсивности флуоресценции раствора соединения I с добавлением смеси катионов от раствора соединения I с добавлением только ацетата цинка составляет менее 3%, что свидетельствует о высокой избирательности данного флуоресцентного хемосенсора по отношению к ионам Zn²⁺ в нейтральной среде.

Проведенные нами сравнительные исследования показали, что N,N'-бис(9-антрилметил)этан-1,2-диамин менее селективен, чем его циклический аналог I, и менее эффективен, что объясняется более жесткой геометрией координационного узла в соединении I и более полным соответствием стерических параметров рецептора и катиона Zn²⁺.

Таким образом, по уровню хемосенсорной активности и селективности по отношению к ионам Zn²⁺ N,N'-бис(9-антрилметил)циклогексан-1,2-диамин (I) превосходит описанные ранее флуоресцентные сенсоры на катионы Zn²⁺.

N,N'-бис(9-антрилметил)циклогенсан-1,2-диамин формулы I