6-МЕТОКСИБЕНЗО[DE]НАФТО[1,8-GH]ХИНОЛИН - ХИМИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НИТРОСОДЕРЖАЩИХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2022 года по МПК C07D221/18 G01N33/22 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области люминесцентных соединений с поли(гетеро)ароматическим ядром - бензо[de]нафто[1,8-gh]хинолинов. Изобретение проявляет себя как химический сенсор, реагируя в растворе на присутствие нитросодержащих взрывчатых веществ (нитро-ВВ) тушением эмиссии при ее фотовозбуждении. Изобретение может быть использовано в системах безопасности в дополнение к служебным собакам для предотвращения террористических актов, в качестве средства обнаружения ВВ в составе сенсорного материала флуоресцентных детекторов ВВ, а также в армии и на флоте.

2. Уровень техники

Использование флуорофоров в качестве сенсоров для обнаружения взрывчатых веществ является одним из наиболее типичных и в то же время перспективных способов их применения. Флуоресцентный метод обнаружения нитро-ВВ основан на явлении изменения квантового выхода флуоресценции (или фосфоресценции) или времени жизни возбужденного состояния флуорофора (донора) за счет электронного переноса или переноса энергии (полного или частичного) при контакте с нитро-ВВ (акцепторами). На сегодняшний день в литературе описано большое количество органических хемосенсоров для обнаружения различных типов взрывчатых веществ и поли(гетеро)ароматические соединения в этой связи представляют особый интерес.

В литературе представлено достаточно много примеров хемосенсоров, являющимися представителями данной группы соединений. Так, в работе [Kachwal et all New J. Chem., 2018, 42, 1133] синтезирован и описан флуорофор на основе пирена – 2-(пирен-1-ил)пиридина. Полученное соединение охарактеризовано как высокоселективный, чувствительный и многофункциональный «turn-off» сенсор, который демонстрирует флуоресцентный отклик на пикриновую кислоту (PA), H⁺ и Al³⁺ с наблюдаемой чувствительностью (LOD): 56 нМ (12,82 ppb) для PA; 2,4 нМ (0,27 ppb) для трифторуксусной кислоты и 2,3 нМ (0,86 ppb для Al³⁺).

Кроме того, в работе [Sadieva et all Russ. Chem. Bull., Int. Ed., Vol. 70, No. 6, 1174-9] впервые охарактеризованы моноэфиры три- и тетрагликоля и 1-пиренкарбоновой кислоты как сенсоры на нитро-ВВ в водной среде. Наивысшее значения константы тушения флуоресценции Штерна — Фольмера (Ksv) составило 1,13•10⁴ M^-1 для 2,4,6-тринитротолуола (TNT).

Автором [Doganci et all Polym. Int. 2021; 70: 202–211] описан новый полилактидный полимер, содержащий боковые 5-(пирено-1-ил)-1H-1,2,3-триазоловые заместители (PLA), который применяется в качестве химического сенсора для определения нитроароматических соединений (1,2-динитробензол, 2,4-динитротолуол, 2,4,6-тринитрофенол, PA, 4-нитрофенол (4-NP), 2,4-динитрофенол (2,4-DNP), TNT, 4-нитротолуол) и ионов тяжелых металлов (Zn²⁺, Hg²⁺, Mn²⁺, Pb²⁺, Cd²⁺, Co²⁺). Среди всех аналитов наибольшая эффективность тушения была достигнута в присутствии PA (94,03%), 4-NP (91,11%) и 2,4-DNP (89,08%). При этом Ksv тушения PLA раствором пикриновой кислоты составила 2367 M^-1, что является весьма низким значением для данного нитро-ВВ.

В качестве примеров с более совпадающими признаками стоит отметить применение производных перилена. Например, авторами [Hussain et all Talanta 207 (2020) 120316] для флуоресцентного обнаружения PA разработан метод, основанный на тушении эмиссии мономеров и эксимеров бензо[ghi]перилена и коронена. Диапазон обнаружения составляет 0,1–120 мкМ (22,9–27,5 ppm). Для быстрого, портативного и селективного обнаружения нитро-ВВ были получены образцы флуоресцентной индикаторной бумаги на основе данных сенсоров, которая позволяет обнаруживать и количественно определять нитро-ВВ до 0,1 мкМ. Авторы утверждают, что благодаря высокой селективности сенсоров в процессе измерения отсутствуют часто встречающиеся помехи, такие как летучие органические соединения (ЛОС), кислоты, основания, кислород и солевые растворы.

Также в публикации [Geng et all Analytica Chimica Acta 1011 (2018) 77-85] сообщается о синтезе сопряженный микропористый полимер на основе бисимида перилентетраангидрида (DP2A2). Авторами обнаружено, что DP2A2 демонстрирует высокую чувствительность и селективность обнаружения о-нитрофенола (о-NP) в ТГФ с константой Ksv = 2,00 • 10⁴ M^-1 и пределом обнаружения (LOD) от 1,50 • 10^-9 М.

Среди описанных в литературе поли(гетеро)ароматических флуорофоров наиболее совпадающие признаки имеют незамещённый бензо[de]нафто[1,8-gh]хинолин, а также его 6-циано- и 6-оксизамещённые аналоги, синтезированные Grico и соавторами [Grico et all J. Org. Chem. 2010, 75, 1297–1300]. Данные соединения обладают перспективными флуоресцентными характеристиками: так, максимумы эмиссии расположены в зелёной области диапазоном 456 – 561 нм, а квантовые выходы достигают 90 %. Однако, более подробного изучения фотофизических и хемосенсорных свойств данных флуорофоров описано не было, поэтому нами предложен новый гетероароматический сенсор на нитро-ВВ - 6-метоксибензо[de]нафто[1,8-gh]хинолин.

3. Сущность изобретения

Сущность изобретения составляет растворимый в органических растворителях 6-метоксибензо[de]нафто[1,8-gh]хинолин, который способен уменьшать интенсивность эмиссии, вызванную фотовозбуждением, при контакте с нитро-ВВ, что делает его “turn-off” хемосенсором на присутствие нитро-взрывчатых веществ.

Представляемое изобретение демонстрирует хорошие результаты при обнаружении нитро-ВВ в растворах, а также пригодно для качественной оценки присутствия нитро-ВВ с пределом обнаружения 22.4, 12.5 и 1.4 ppm для 1,3,5-тринитро-1,3,5-триазациклогексана (RDX), 2,4-динитротолуола (DNT) и пикриновой кислоты (PA) соответственно.

4. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

4.1. Описание способа получения сенсора 6-метоксибензо[de]нафто[1,8-gh]хинолина

В круглодонной колбе, оснащённой магнитной мешалкой, обратным холодильником и линией подачи инертного газа растворили 300 мг 6,7-диметоки-1-(нафтален-1-ил)-3,4-изохинолина 2 [Tóth J, et all 1,7-Electrocyclization reactions of stabilized α,β:γ,δ-unsaturated azomethine ylides. Tetrahedron. 2006, 62, 5725–35] (1,05 ммоль) в сухом толуоле (25 мл); затем добавляли 421 мг калия (10,5 ммоль). Колбу вакуумировали, заполнили инертным газом и перемешивали находящийся в ней раствор при 95 °C при в течение 6 часов, а затем охладили до комнатной температуры. В получившийся раствор чёрного цвета добавили 25 мл изопропилового спирта (ИПС) для гашения непрореагировавшего остатка калия, после чего отфильтровали получившийся раствор с помощью флэш-хроматографии на силикагеле и упарили при пониженном давлении. Полученный остаток промыли в делительной воронке с этилацетатом (3•20 мл), органический слой высушили безводным сульфатом натрия и упарили при пониженном давлении. Остаток очистили колоночной хроматографией на силикагеле, смесью гексан:ИПС 20:1, (R_f = 0.9). Элюент отогнали при пониженном давлении, остаток растворили в 20 мл смеси дихлорметан:гексан 1:1, выдержали в течение 4 ч при при -18 °C, отфильтровали полученный осадок под вакуумом, а фильтрат упарили при пониженным давлением. Остаток высушили в вакуум-камере при 100 °С в течение 4 ч.

6-Метоксибензо[de]нафто[1,8-gh]хинолин. Выход 99 мг (33 %). ¹H ЯМР (400 МГц, CDCl₃, δ, м.д.): 3.56 (с, 3H), 7.35 (д, J = 7.2 Гц, 1H), 7.46 – 7.49 (м, 2H), 7.63 (д, J = 5.6 Гц, 1H), 7.85 (д, J = 8.9 Гц, 1H), 7.94 – 8.02 (м, 2H), 8.53 (д, J = 6.8 Гц, 1H), 8.60 (д, J = 6.5 Гц, 1H). ESI-MS, m/z: 284.10 [M+H]⁺. Найдено, %: C 84.82, H 4.66, N 4.84. C₂₀H₁₃NO. Вычислено, %: C 84.87, H 4.62, N 4.94.

Соединение представляет собой кристаллическое вещество жёлто-зелёного цвета, растворимое в хлороформе, 1,2-дихлорэтане и толуоле, нерастворимое в воде.

4.2. Флуориметрическое титрование сенсора 1 1,3,5-тринитро-1,3,5-триазациклогексаном (RDX), 2,4-динитротолуолом (DNT) и пикриновой кислотой (PA) в среде ацетонитрила

Была исследована возможность использования 6-метоксибензо[de]нафто[1,8-gh]хинолина 1 для фотохимического обнаружения компонентов нитро-ВВ. Фотофизические характеристики заявленного в патенте соединения и перилена указаны в Таблице 1. Нормализованные спектры абсорбции/эмиссии соединения 1 изображены на Фигуре 1.

Таблица 1. Фотофизические характеристики соединения 1

Соединение Максимумы абсорбции, λ_max, нм Максимумы эмиссия, λ_max, нм Абсолютный квантовый выход Φ Перилен 387, 407, 434 437, 466, 498 0.72 1 226, 417, 441 457,482 0.54

Изучение взаимодействия соединения 1 с нитроароматическими соединениями проводили в растворе сухого ацетонитрила с концентрацией сенсора 5•10^-5 М. Флуоресцентное титрование проводили, используя растворы нитроароматических соединений в сухом ацетонитриле с концентрациями: 1,3,5-тринитро-1,3,5-триазациклогексаном (RDX), 2,4-динитротолуол (DNT), 5·10^-3 М; пикриновая кислота (PA), 5·10^-4 М. Критерием для оценки эффективности заявленного соединения являлось значение константы Штерна-Фольмера - константы тушения, она же константа ассоциации полученного комплекса соединения 1 и нитроароматических соединений, которая выражается уравнением

I₀/I=1+K_sv*[Q],

где I₀, I – интенсивность флуоресценции до и после добавления нитроароматического соединения (quencher); Q – концентрация нитроароматического соединения, моль/л; K_sv – значение константы, (моль/л)^-1.

Показано, что флуоресцентное титрование раствора соединения 1 растворами нитроароматических соединений приводит к интенсивному тушению интенсивности флуоресценции 1. Тушение флуоресценции 1 при добавлении аликвот (10 мкл) растворов нитро-ВВ развивается по линейному закону (на Фигурах 2, 3, 4 приведены графики зависимостей тушения флуоресценции от концентраций нитро-ВВ: RDX, DNT, PA соответственно.). По результатам флуоресцентного титрования были определены константы Штерна-Фольмера (тушения), указанные в таблице 2. Полученные данные соответствуют значениям констант, описанных в литературе для большинства гетероциклических химических сенсоров.

Таблица 2. Значения констант тушения флуоресценции соединения 1

Тушитель K_SV соединения 1, M^-1 K_SV перилена, M^-1 RDX 853 ~ 0 DNT 1773 297 PA 21587 4386

4.3. Подтверждение сенсорных свойств сенсора 1 и порога обнаружения 1,3,5-тринитро-1,3,5-триазациклогексана (RDX), 2,4-динитротолуола (DNT) и пикриновой кислоты (PA) путем флуориметрического титрования сенсора 1 в среде ацетонитрила

Предел обнаружения сенсора 1 был вычислен на основании данных флуоресцентного титрования (см. п. 4.2) по описанной методике [A. Shrivastava, V. Gupta, Methods for the determination of limit of detection and limit of quantitation of the analytical methods, Chronicles Young Sci. 2 (2011) 21. https://doi.org/10.4103/2229-5186.79345], согласно которой были построены графические зависимости между интенсивностью флуоресценции и концентрации нитроаналита для получения линейного уравнения регрессии. Далее предел обнаружения рассчитывался по формуле:

,

где LOD – предел обнаружения нитро-ВВ, М; σ - стандартное отклонение интенсивности флуорофора в отсутствие аналита, полученное с помощью функции «СТОШYX» в MS Excel; k – коэффициент уравнения кривой регрессии.

Расчёт значений LOD при титровании анализируемого сенсора нитро-ВВ:

LOD (RDX)=3•1305.9/49482200=7.92•10^-5 M=17.58 мг/л=22.4 ppm

LOD (DNT)=3•2223.79/123633000=5.39•10^-5 M=12.54 мг/л=12.5 ppm

LOD (PA)=3•5350.95/3290560000=4.88•10^-6 M=14.27 мг/л=1.4 ppm

Полученные результаты свидетельствуют о том, флуорофоры ряда бензо[de]нафто[1,8-gh]хинолинов являются перспективными сенсорами для визуального обнаружения нитроароматических соединений. Следует указать на низкий порог обнаружения пикриновой кислоты (PA) данным сенсором. Также у представляемого изобретения имеется отклик на трудно обнаруживаемый RDX, в то время как у перилена отклик на RDX отсутствует.

Изобретение относится к области люминесцентных соединений с поли(гетеро)ароматическим ядром, а именно к 6-метоксибензо[de]нафто[1,8-gh]хинолину. Данное соединение проявляет себя как оптический сенсор для обнаружения нитровзрывчатых веществ (нитро-ВВ) и может быть использовано в системах безопасности в дополнение к служебным собакам для предотвращения террористических актов в качестве средства обнаружения ВВ в составе сенсорного материала флуоресцентных детекторов ВВ, а также в армии и на флоте. 4 ил., 2 табл.

6-Метоксибензо[de]нафто[1,8-gh]хинолин – мономолекулярный оптический сенсор для обнаружения нитровзрывчатых веществ.