1-[2-(9-антрилметиламино)фенилиминометил]-2-нафтол - селективный флуоресцентный хемосенсор на катионы hg2+

Изобретение относится к новым производным ряда N-(2-аминофенил)-N-(9-антрилметил)амина, а именно 1-[2-(9-антрилметиламино)фенил-иминометил]-2-нафтолу формулы I

обладающему в нейтральной среде свойствами высокоэффективного селективного флуоресцентного хемосенсора на катионы Hg²⁺. 1 ил.

 

Изобретение относится к новым производным N-(2-аминофенил)-N-(9-антрилметил)амина, а именно к 1-[2-(9-антрилметиламино)фенилимино-метил]-2-нафтолу формулы I:

обладающему в нейтральной среде свойствами высокоэффективного селективного флуоресцентного хемосенсора на катионы Hg²⁺.

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 ртути (II) (J.F.Callan, А.Р. de Silva, D.C.Magri, Luminescent sensors and switches in the early 21st century, Tetrahedron, 2005, №36, p.8559-8560; 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 серу- и азотсодержащие краунэфиры, каликсарены, гетероциклы, порфирины и др. 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 р.). Рецептор в молекуле 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.

Значительное число публикаций, посвященных исследованию флуоресцентных сенсоров на катионы ртути, описывают соединения, флуоресценция которых гасится при взаимодействии с ионами Hg²⁺ (например, L.S.Dolci, Е.Marzocchi, M.Montaiti, L.Prodi, D.Monti, С.Di Natale, A.D' Amico, R. Paolesse, Amphiphilic porphyrin film on glass as a simple and selective solidstate chemosensor for aqueous Hg²⁺ Biosensors and Bioelectronics, 2006, 2006, 22, p.399-404; Y.Yu, L.-R.Lin, K.-B.Yang, X. Zhong, R.-B.Huang, L.-S.Zheng, p-Dimethylaminobenzaldehyde thiosemicarbazone: a simple novel selective and sensitive fluorescent sensor for mercury (II) in aqueous solution, Talanta, 2006, 69, 103-106). Однако использование подобных соединений как флуоресцентных сенсоров на катионы Hg²⁺ затруднено - изначально не очень интенсивная вследствии РЕТ-эффекта флуоресценция при комплексообразовании с ионом ртути дополнительно существенно гасится, и детектирование подобной флуоресценции вызывает существенные технически затруднения.

С этой точки зрения гораздо более перспективными являются соединения, в которых интенсивность флуоресценция при комплексообразовании резко увеличивается.

Так, интересная с точки зрения динамики Red-Ox-система, построенная на основе 1,2,4-тиадиазола и содержащая антрилметильный заместитель при экзоциклической аминогруппе, была представлена авторами (G.Hennrich, H.Sonnenschein, U.Resch-Genger, Redox switchable fluorescent probe selective for either Hg(II) or Cd(II) and Zn(II), J. Am. Chem. Soc., 1999, 21, p.5073-5074) как селективный флуоресцентный сенсор на катионы Hg. Исследование проводилось в ацетонитриле (С_{сенсора}=2,74×10^-5 моль/л) по отношению к достаточно широкой группе катионов металлов: Zn²⁺, Cd²⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, Hg²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺. При взаимодействии данного соединения с катионами ртути (II) (C_Hg(II)=2,8×10^-3 моль/л) происходит 44-х кратное увеличение интенсивности флуоресценции. Также интенсивность флуоресценции увеличивается при добавлении ионов Cu²⁺ и Pb²⁺ - в 2 и 7,7 раза, соответственно. Однако люминесцентные свойства синтезированной системы в присутствии смеси различных катионов не были изучены.

Недавно был синтезирован и исследован хемосенсор на катионы Hg²⁺ представляющий собой сложную органическую молекулу, состоящую из двух частей замещенного бородиазаиндацена, соединенных цепочкой из четырех остатков этинилбензола (A.Coskun, E.U. Akkaya, Signal ratio Amplification via modulation of resonance energy transfer: proof of principle in an emission ratiometric Hg(II) sensor, J. Am. Chem. Soc., 2006, 45, p.14474-14475). При комплексообразовании с ионами Hg²⁺ в тетрагидрофурановом растворе (С_{сенсора}=1×10^-6 моль/л, C_Hg(II)=5×10^-5 моль/л) происходит 35-кратное разгорание флуоресценции. Другие исследованные металлы не вызывают каких-либо существенных изменений флуоресценции. Данные по исследованию селективности и эффективности полученного сенсора по отношению к смеси катионов авторами не представлены.

Примером высокоэффективного флуоресцентного и хромогенного сенсора может служить 1-(4-метоксибензилиден)-2-(пирен-1-илметилен)гидразин (A.Caballero, R.Martinez, V.Lloveras, I.Ratera, J.Vidal-Gancedo, K.Wurst, A.Tarraga, P.Molina, J.Veciana, Highly selective chromogenic and redox or fluorescent sensors of Hg²⁺ in aqueous environment based on 1,4-disubstituted azines, J. Am. Chem. Soc., 2005, 45, 15666-15667). В результате проведенных исследований в водно-ацтонитрильном растворе (3:7) с использованием широкой группы катионов: Li⁺, Na⁺, К⁺, Mg²⁺, Са²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺, Sm³⁺, Eu³⁺, Yb³⁺, Hg²⁺ было показано, что синтезированное соединение проявляет высокую хемосенсорную активность по отношению только к ионам Hg²⁺ с разгоранием флуоресценции в 157 раз. При этом происходит батохромный сдвиг полосы флуоресценции на 51 нм и изменение цвета раствора - от бледно-желтого (исходный азин) до темно-оранжевого (комплекс азина с Hg²⁺).

Известно применение N-(2-аминофенил)-N-(9-антрилметил)амина формулы II (полученного алкилированием 1,2-фенилендиамина в сухом пиридине 9-хлорметилантраценом с выходом 65%) как эффективного молекулярного сенсора на оксид азота. В результате взаимодействия N-(2-аминофенил)-N-(9-антрилметил)амина с оксидом азота происходит образование 1-(9-антрилметил)-1Н-1,2,3-бензотриазола, приводящее к разгоранию исходно слабой флуоресценции (M.J.Plater, I.Greig, M.H.Helfrich, S.H.Ralston, The synthesis and evaluation of o-phenylenediamine derivatives as fluorescent probes for nitric oxide detection, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 2001, p.2553-2559).

Техническим результатом настоящего изобретения является новое соединение в ряду производных N-(2-аминофенил)-N-(9-антрилметил)амина, проявляющее новые для данного ряда соединений селективные хемосенсорные свойства по отношению к ионам Hg²⁺, обладающий высокой эффективностью.

Технический результат достигается соединением формулы I, синтез которого заключается во взаимодействии 1,2-фенилендиамина с 9-антральдегидом восстановлением полученного N-(9-антрилметилен)бензол-1,2-диамина боргидридом натрия до N-(2-аминофенил)-N-(9-антрилметил)амина (II) и взаимодействием полученного амина с 2-гидрокси-1-нафтальдегидом с образованием конечного азометина I

Состав и строение всех синтезированных соединений доказаны элементным анализом, данными ИК- и ЯМР Н¹ спектров. В спектре ЯМР ¹Н соединения I присутствуют характерные сигналы двух протонов метиленовой группы при 5,23 м.д. в виде дублета, NH-протона при 4,85 м.д. в виде триплета, а также сигналы от CH и ОН групп в виде синглетов при 9,50 и 14,50 м.д., соответственно.

Ниже приведена методика синтеза предлагаемого соединения.

Пример 1. Стадия 1. N-(2-аминофенил)-N-(9-антрилметил)амин (II). В трехгорлой колбе на 100 мл, снабженной механической мешалкой и обратным холодильником, растворяли 2,38 г (22 ммоль) 1,2-фенилендиамина в 40 мл толуола, вносили 0,5 мл СН₃СООН и при перемешивании и нагревании добавляли по каплям в течение 10 минут раствор 4,12 г (20 ммоль) 9-антральдегида в 20 мл толуола. Реакционную смесь кипятили 2 часа, растворитель удаляли в вакууме водоструйного насоса, остаток кристаллизовали из 1-бутанола. Выход 5,83 (98.4%).

Полученный таким образом азометин растворяли в 100 мл смеси этанол-ДМФА (3:2) и при нагревании и перемешивании прибавляли небольшими порциями 1,9 г (50 ммоль) боргидрида натрия. Смесь перемешивали 2 часа, разбавляли 200 мл теплой воды и разлагали избыток боргидрида натрия разбавленной уксусной кислотой. Выпавший осадок отфильтровывали, промывали водой и сушили на воздухе. N-(2-аминофенил)-N-(9-антрилметил)амин (II) кристаллизовали из 1-бутанола с применением активированного угля (10% от массы вещества). Выход 5,36 г (81,7%), т.пл. 183-184°С (1-бутанол). ИК спектр, ν, см^-1: 1595, 1500, 1460, 1435. Спектр ЯМР ¹Н (CDCl₃), δ, м.д.: 3,38 (3Н, м., NH+NH₂); 5,17 (2Н, с., СН₂); 6,65-8,53 (13Н, м., аром.). Спектр флуоресценции в ацетонитриле, λ_max, нм (с=5×10^-5 моль/л): 416. Найдено, %: С 84,5; Н 6,0; N 9,5. C₂₁H₁₈N₂. Вычислено, %: С 84,5; Н 6,1; N 9,4.

Стадия 2. 1-[2-(9-антрилметиламино)фенилиминометил]-2-нафтол (I). Растворяли 2,98 г (10 ммоль) N-(2-аминофенил)-N-(9-антрилметил)амина (II) в 5 мл 1-бутанола, прибавляли несколько капель ледяной уксусной кислоты и 1,72 г (1 ммоль) 2-гидрокси-1-нафтальдегида. Смесь нагревали 15 минут, охлаждали, осадок отфильтровывали и кристаллизовали из толуола. Выход 3,94 г (87,1%), т.пл. >220°С (разл., толуол). ПК спектр, ν, см^-1: 1600, 1467, 1387. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д.: 4,85 (1Н, т., J_HH 3,2 Гц, NH); 5,23 (2Н, д., J_HH 5,5 Гц, СН₂); 6,77-8,60 (18Н, м., аром.); 9,50 (1Н, с., СН); 14,50 (1Н, с., ОН). Спектр флуоресценции в ацетонитриле, λ_max, нм (с=5×10^-5 моль/л): 418. Найдено, %: С 84,8; Н 5,3; N 6,2. С₃₂Н₂₄N₂О. Вычислено, %: С 84,9; Н 5,4; N 6,2.

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 (с=5×10^-7 моль/л) в ацетонитриле 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=375 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 (ОИ-ИФ) 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 Hg²⁺. Хемосенсор I вследствие проявления РЕТ-эффекта обладает весьма слабой флуоресценцией антраценового типа в нейтральных растворах ацетонитрила при возбуждении светом λ_возб. 375 нм (три индивидуальных максимума в области 390-440 нм и плечо 460-470 нм).

Комплексообразование с различными катионами за счет связывания неподеленной электронной пары азота существенно видоизменяет термодинамику РЕТ-эффекта, что приводит к изменению интенсивности флуоресценции. Добавление ацетатов таких катионов как Zn²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺ к раствору сенсора I вызывает затухание флуоресценции, тогда как ионы Hg²⁺ резко увеличивают интенсивность флуоресценции (I/I₀=900)(чертеж). Все исследования проводились в нейтральной среде.

Селективность данного сенсора была показана при добавлении к исходному раствору азометина 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 880 раз. Таким образом, отклонение интенсивности флуоресценции раствора соединения I с добавлением смеси катионов от раствора соединения I с добавлением только ацетата ртути составляет около 2%, что свидетельствует о высокой избирательности данного флуоресцентного хемо-сенсора по отношению к ионам Hg²⁺ в нейтральной среде.

I/I0

0,6

0,8

0,6

1,8

0,6

0,8

900

880

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

Таким образом, по уровню хемосенсорной активности и селективности по отношению к ионам Hg²⁺ 1-[2-(9-антрилметиламино)фенилиминометил]-2-нафтол (I) превосходит описанные ранее флуоресцентные сенсоры на катионы Hg²⁺.

1-[2-(9-антрилметиламино)фенилиминометил]-2-нафтол формулы I: