12-МЕТОКСИНАФТО[1,8-EF]ПЕРИМИДИН - ХИМИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НИТРОСОДЕРЖАЩИХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2023 года по МПК C07D239/70 G01N33/22 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области люминесцентных соединений с гетероцикличе-ским нафто[1,8-ef]перимидиновым ядром. Предлагаемый диазапериленовый флуоресцентный химический сенсор - 12-метоксинафто[1,8-ef]перимидин является более чувствительным “turn-off” химическим сенсором на нитровзрывчатые вещества (ВВ), чем перилен, и может найти применение в качестве рабочего тела сенсорных материалов и в составе флуоресцентных детекторов ВВ в армии, на флоте и в силовых структурах.

2. Уровень техники

В литературе присутствует значительное число примеров хемосенсоров на основе полиароматических соединений. Например, в работе [Kathiravan et all Anal. Chem. 2019, 91, 13244−13250] присутствует описание пиренопроизводного флуорофора - 3-(пирен-1-ил)-1-(пиридин-2-ил)имидазо[1,5-a]пиридина, который используется в качестве флуоресцентного хемосенсора для нитровзрывчатых веществ. Авторами утверждается, что данный хемосенсор обладает высокой селективностью по отношению к пикриновой кислоте (PA). Результаты флуоресцентного титрования с пикриновой кислотой показали, что данный флуорофор достиг предела обнаружения 63 нМ.

Кроме того, группой [Zhang et all Polyhedron 208 (2021) 115439] был представлен металлоорганический комплекс на основе цинка (II) состава [Zn₂⋅(TBAPy)⋅(H₂O)⋅(DMF)] ⋅4DMF⋅2H₂O, где TBAPy = 4,4',4'',4'''-(пирен-1,3,6,8-тетраил)тетрабензойная кислота, способный к флуоресцентному тушению в отношении нитроароматических соединений, в частности нитробензола. Хотя концентрация NB составляла всего 8,33•10^-4 М, эффективность тушения достигает 89%, а константа тушения флуоресценции Штерна — Фольмера (K_sv) составила 6430 M^-1.

Также весьма широко представлено использование полимерных соединений, содержащих пиреновые заместители и их производные для обнаружения нитро-ВВ. Так, Cao и соавторы [Cao et all Microchemical Journal 165 (2021) 106175] получили и охарактеризовали полиакрилонитрильные нановолокна, функционализированные пиреном в качестве твёрдотельных флуоресцентных сенсоров на 2,4,6-тринитротолуол (TNT) и 2,4-динитротолуол (DNT) в воде. Пределы обнаружения (LOD) данных нитроаналитов составил 8,81⋅10^-9 M (TNT) и 2,74⋅10^-8 М (DNT), а константы Ksv достигли значений 2.57⋅10⁶ М и 3.15 10⁵ М, соответственно. Кроме того, исследование селективности, проведённое авторами, показало, что другие нитросоединения оказывают незначительное влияние на детектирование TNT и DNT, что позволяет повторно использовать один и тот же образец сенсора по крайней мере 6 раз без ухудшения характеристик тушения флуоресценции.

В качестве ещё одного примера полимерного сенсора на нитро-ВВ стоит отметить работу Zhang и соавторов [Zhang et all Journal of Photochemistry & Photobiology A: Chemistry 410 (2021) 113183], в которой был получен флуорофор на тринитрофенол (PA) в результате реакции сочетания по Хеку между дивинилтетраметилдисилоксаном и 1,6-дибромпиреном. Данный полимер показал высокую селективность и чувствительность при обнаружении PA. Использование бумажного сенсора на его основе продемонстрировало диапазон обнаружения PA в пределах 0.05 – 5.43 ммоль/л.

В литературе имеется описание и других полиароматических соединений, обладающих хемосенсорными свойствами. Так, имеется несколько примеров использования производных перилена, как структур с более совпадающими признаками. Например, работа [Xi et all Chem. Eur. J. 2020, 26, 2741 – 2748] посвящена описанию флуорофоров - эфиров 3,4,9,10-перилентетракарбоновой кислоты для обнаружения пикриновой кислоты (PA), а также визуализации отпечатков пальцев. В исследованиях по детектированию PA наблюдали двойное тушение флуоресценции в растворе, что приводило к высоким значениям Ksv – до 3.28⋅10⁴ М^-1, а также к низким значениям пределов обнаружения – до 1.12⋅10^-6 М.

Так же за последнее время опубликовано значительное число примеров сенсоров – производных перилендиимида. Одним из таких является работа [Pramanik et all Chem Asian J. 2020, 15, 4291–4296], в которой описано визуальное детектирование PA в метаноле с помощью перилендиимид-пептида с низким пределом обнаружения 5,6 нМ или 1,28 ppb и константой Штерна-Фольмера равной 6,87•10⁴ M^-1. В другом примере [Li et all Anal. Methods, 2020, 12, 5353] сообщается об флуоресцентном мицеллярном сенсоре для селективного обнаружения PA на основе гидрокси-функционализированного периленмоноамида в сочетании с неионогенным ПАВ. Значение LOD для данного хемосенсора значительно ниже, чем в предыдущем случае и составляет 500 нМ, а значение Ksv, напротив, выше и достигает значения 1.85•10⁵ М.

Среди известных на данный момент поли(гетеро)ароматических флуорофоров, наиболее перспективными фотофизическими свойствами и совпадающими признаками обладают ди- три- и тетраазаперилены, полученные и опубликованные Hirono и соавторами [Hirono et all J. Phys. Chem. B 2020, 124, 9921−9930]. Максимумы эмиссии данных соединений расположены в диапазоне 430 – 520 нм с квантовыми выходами до 86 %. При этом каких-либо прикладных исследований азапериленовых флуорофоров авторами не проводилось и в литературе обнаружено не было. В связи с этим нами предлагается новый хемосенсор ряда диазаперилена для обнаружения нитро-ВВ - 12-метоксинафто[1,8-ef]перимидин.

3. Сущность изобретения

Сущность изобретения составляет растворимый в органических растворителях 12-метоксинафто[1,8-ef]перимидин, 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 6.6, 13.9, 1.9 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. Для подтверждения возможности осуществления изобретения приводится способ получения сенсора 12-метоксинафто[1,8-ef]перимидина 1

В круглодонной колбе, оснащённой магнитной мешалкой, обратным холодильником и линией подачи инертного газа растворили 300 мг 4-(2-метоксинафтален-1-ил)хиназолина 2 (1,05 ммоль) в сухом толуоле (25 мл); затем добавляли 420 мг калия (10,5 ммоль). Колбу вакуумировали, заполнили инертным газом и перемешивали находящийся в ней раствор при 95 °C в течение 6 часов, а затем охладили до комнатной температуры. В получившийся раствор чёрного цвета добавили 25 мл изопропилового спирта 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 дихлорметан:метанол=20:1, (R_f = 0.8). Элюент отогнали при пониженном давлении, остаток растворили в 20 мл смеси дихлорметан:гексан 1:1 (объемн.), 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.

12-12-метоксинафто[1,8-ef]перимидин. Выход 38 мг (16 %). ¹H ЯМР (400 МГц, CDCl₃, δ, м.д.): 3.79 (с, 3H), 7.51 – 7.54 (м, 3H), 7.86 – 7.90 (м, 2H), 8.24 (д, J = 8.4 Гц, 1H), 8.33 (д, J = 8.0 Гц, 1H), 9.02 (д, J = 8.0 Гц, 1H), 9.57 (с, 1H). ESI-MS, m/z: 285.09 [M+H]⁺. Найдено, %: C 80.29, H 4.21, N 9.79. C₁₉H₁₂N₂O. Вычислено, %: C 80.27, H 4.25, N 9.85.

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

4.2. Подтверждение флуоресцентных свойств сенсора 1 и возможности определения 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

Была исследована возможность использования 12-метоксинафто[1,8-ef]перимидина 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 1 225, 285, 307, 329, 395, 429 485(sh), 510 0.32

Изучение взаимодействия соединения 1 и перилена с нитроароматическими соединениями проводили в растворе сухого ацетонитрила с концентрацией сенсоров 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) 5·10^-3 М, 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 Фигуре 2, 3, 4 приведен график 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 и перилена

Тушитель K_SV соединения 1, M^-1 K_SV перилена, M^-1 RDX 636 ~ 0 DNT 1187 297 PA 25279 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⋅458.4/58815600 = 2.34⋅10^-5 M = 5.19 мг/л = 6.6 ppm

LOD (DNT) = 3⋅2041.2/101885000 = 6.01⋅10^-5 M = 10.94 мг/л = 13.9 ppm

LOD (PA) = 3⋅33919.6/15966900000 = 6.37⋅10^-6 M = 1.46 мг/л = 1.9 ppm

Полученные результаты свидетельствуют о том, 12-метоксинафто[1,8-ef]перимидин являются перспективным сенсором для визуального обнаружения нитроароматических соединений. Следует указать на низкий порог обнаружения пикриновой кислоты (PA) для представляемого изобретения. 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 гетероциклическим нафто[1,8-ef]перимидиновым ядром. Предлагаемый диазапериленовый флуоресцентный химический сенсор - 12-метоксинафто[1,8-ef]перимидин является более чувствительным “turn-off” химическим сенсором на нитровзрывчатые вещества (ВВ), чем перилен, и может найти применение в качестве рабочего тела сенсорных материалов и в составе флуоресцентных детекторов ВВ в армии, на флоте и в силовых структурах. 4 ил., 2 табл.

12-Метоксинафто[1,8-ef]перимидин - флуоресцентный мономолекулярный оптический сенсор для обнаружения нитровзрывчатых веществ.