ПИРИДОКСАЛЬ 5'-ФОСФАТ-2-МЕТИЛ-3-ФУРОИЛГИДРАЗОН, ОБЛАДАЮЩИЙ СВОЙСТВОМ ИНДИКАТОРА ИОНОВ Zn2+ В ВОДЕ И ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТАХ Российский патент 2023 года по МПК C07D405/12 A61K31/675 G01N21/64 

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к качественному и количественному анализу ионов цинка(II) методом спектрофлуориметрического анализа. Изобретение может быть использовано в пищевой и фармацевтической промышленности, например, для определения ионов цинка в воде и лекарственных препаратах.

Известно использование соединений, флуоресценция которых в растворе усиливается в присутствии определяемых катионов, в качестве индикаторов ионов Zn²⁺ в растворе [Wan H., Xu Q., Gu P., Li H., Chen D., Li N., He J., Lu J. AIE-based fluorescent sensors for low concentration toxic ion detection in water. J. Hazard. Mater. 2021, 403, 123656, doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.123656; Kundu B.K., Mandal P., Mukhopadhyay B.G., Tiwari R., Nayak D., Ganguly R., Mukhopadhyay S. Substituent dependent sensing behavior of Schiff base chemosensors in detecting Zn²⁺ and Al³⁺ ions: Drug sample analysis and living cell imaging. Sensors&Actuators B: Chem. 2019, 282, 347-358, doi: 10.1016/j.snb.2018.11.076; Shamsipur M., Poursaberi T., Hassanisadi M., Rezapour M., Nourmohammadian F., Alizadeh K. A new chelation induced enhanced fluorescence-type optical sensor based on parared immobilized in a plasticized PVC membrane for selective determination of Zn(II) ions. Sensors&Actuators B: Chem. 2012, 161, 1080-1087, doi: 10.1016/j.snb.2011.12.021; Gao L., Li S., Wang Y., Wu W., Zhao X., Li H., Xu Z. Quinoline-based hydrazone for colorimetric detection of Co²⁺ and fluorescence turn-on response of Zn²⁺. Spectrochim. Acta A: Mol. Biomol. Spec. 2020, 230, 118025, doi: 10.1016/j.saa.2020.118025; Upadhyay Y., Anand T., Babu L.T., Pair P., Crisponi G., Ashok Kumar S.K., Kumar R., Sahoo S.K. Three-in-one type fluorescent sensor based on a pyrene pyridoxal cascade for the selective detection of Zn(II), hydrogen phosphate and cysteine. Dalton Trans. 2018, 47, 742-749, doi: 10.1039/c7dt04234e; Hosseini M., Ghafarloo A., Ganjali M.R., Faridbod F., Norouzi P., Niasari M.S. A turn-on fluorescent sensor for Zn²⁺ based on new Schiff’s base derivative in aqueous media. Sensors&Actuators B: Chem. 2014, 198, 411-415, doi: 10.1016/j.snb.2014.03.061; Wang Y., Wang W., Xue W., Wu W., Zhao X., Xu Z., Fan Y., Xu Z. A simple hydrazone as a fluorescent turn-on multianalyte (Al³⁺, Mg²⁺, Zn²⁺) sensor with different emission color in DMSO and resultant Al³⁺ complex as a turn-off sensor for F⁻ in aqueous solution. J. Luminesc. 2019, 212, 191-199, doi: 10.1016/j.jlumin.2019.04.032; Chall S., Mati S.S., Konar S., Singharoy D., Bhattacharya S.C. An efficient, Schiff-base derivative for selective fluorescence sensing of Zn²⁺ ions: quantum chemical calculation appended by real sample application and cell imaging study. Org. Biomol. Chem. 2014, 12, 6447-6456, doi: 10.1039/c4ob00732h; Sethupathi M., Jayamani A., Muthusankar G., Sakthivel P., Sekar K., Gandhid S., Sengottuvelan N., Gopu G., Selvaraju C. Colorimetric and fluorescence sensing of Zn²⁺ ion and its bio-imaging applications based on macrocyclic “tet a” derivative. J. Photochem. Photobiol. B: Biol. 2020, 207, 111854, doi: 10.1016/j.jphotobiol.2020.111854; Ghosh P., Pramanik K., Paul S., Dey D., Chandra S.K., Mukhopadhyay S.K., Murmu N.C., Banerjee P. Zn²⁺ Recognition for Pathogenesis of Pick’s Disease via a Luminescent Test Kit. ChemistrySelect 2021, 6, 6733-6739, doi: 10.1002/slct.202100908; Kim S.M., Jo T.G., Yang M., Han J., Lim M.H., Kim C. A fluorescent and colorimetric Schiff base chemosensor for the detection of Zn²⁺ and Cu²⁺: Application in live cell imaging and colorimetric test kit. Spectrochim. Acta A: Mol. Biomol. Spec. 2019, 211, 39-43, doi: 10.1016/j.saa.2018.11.058; Fu J., Chang Y., Li B., Mei H., Yang L., Xu K. A novel fluorescent-colorimetric probe for Al³⁺ and Zn²⁺ ion detection with different response and applications in F^- detection and cell imaging. Analyst 2019, 144, 5706-5716, doi: 10.1039/c9an01295h; Paulpandi R.Q., Ramasamy S., Paulraj M.S., Diaz Banos F.G., Villora G., Ceron-Carrasco J.P., Perez-Sanchez H., Muthu Vijayan Enoch I.V. Enhanced Zn²⁺ ion-sensing behavior of a benzothiazole derivative on encapsulation by b-cyclodextrin. RCS Adv. 2016, 6, 15670-15677, doi: 10.1039/c6ra01202g; Anand T., Ashok Kumar S.K., Sahoo S.K. Vitamin B₆ Cofactor Derivative: A Dual Fluorescent Turn-On Sensor to Detect Zn²⁺ and CN^- Ions and Its Application in Live Cell Imaging. ChemistrySelect 2017, 2, 7570-7579, doi: 10.1002/slct.201701024].

Наиболее близким структурным аналогом является(E)-2-амино-N'-((3-гидрокси-5-(гидроксиметил)-2-метилпиридин-4-ил)метилен)бензогидразид, который позволяет селективно определить ионы Zn²⁺ с концентрацией больше либо равной 320 нмоль/л. Для качественного и количественного определения ионов цинка в растворе при помощи спектрофлуориметра к анализируемому раствору, содержащему ионы цинка, приливали раствор индикатора (E)-2-амино-N'-((3-гидрокси-5-(гидроксиметил)-2-метилпиридин-4-ил)метилен)бензогидразида в диметилсульфоксиде и фиксировали смещение полосы поглощения и увеличение квантового выхода [Anand T., Ashok Kumar S.K., Sahoo S.K. Vitamin B₆ Cofactor Derivative: A Dual Fluorescent Turn-On Sensor to Detect Zn²⁺ and CN^- Ions and Its Application in Live Cell Imaging. ChemistrySelect 2017, 2, 7570-7579, doi: 10.1002/slct.201701024].

Задачей изобретения является поиск новых соединений, обладающих высокой чувствительностью для избирательного качественного и количественного спектрофлуориметрического определения ионов цинка(II) в растворе и лекарственных препаратах с пределом обнаружения менее 320 нмоль/л.

Задача решена пиридоксаль 5'-фосфат-2-метил-3-фуроилгидразоном структурной формулы:

,

обладающим свойством индикатора обнаружения ионов Zn²⁺ в воде и лекарственных препаратах.

Для синтеза соединения используют:

- пиридоксаль-5-фосфат (масс. доля ≥ 98%) - abcr Chemie Rus, Германия;

- 2-метил-3-фуроилкарбогидразид (масс. доля ≥ 99%) - Sigma, Индия.

Синтез заявляемого вещества

Индикатор представляет собой гидразон, получаемый в ходе реакции конденсации пиридоксаль-5-фосфата и 2-метил-3-фуроилкарбогидразида.

Для синтеза к водному раствору 0.247 г (1 ммоль) пиридоксаль-5-фосфата в 25 мл дистиллированной Н₂О, нагретой до 50°С, добавляют 0.113 г (1 ммоль) 2-метил-3-фуроилкарбогидразида, растворенного в 25 мл дистиллированной Н₂О, нагретой до 50°С. Немедленно начинается образование кристаллического продукта. Реакционную смесь оставляют при комнатной температуре на 1 ч, после чего выпавшие кристаллы собирают на стеклянном фильтре, промывают ледяной дистиллированной водой и ацетоном. Высушивают на воздухе до постоянной массы.

Новое индикаторное соединение охарактеризовано методами ЯМР, ИК-спектроскопии: ¹H ЯМР (D₂O, pD ~13), δ, млн. д.: 8.58s (1H), 7.63s (1H), 7.29d (³J = 1.9 Гц, 1H), 6.51d (³J = 1.9 Гц, 1H), 4.82d (⁴J = 4.3 Гц, 2H), 2.43s (3H), 2.29s (3H). ¹³C ЯМР (D₂O, pD ~13), δ, млн. д.: 165.2, 158.0, 150.9, 146.9, 141.0, 133.5, 130.8, 130.7, 121.7, 114.3, 109.0, 62.0, 18.3, 13.0. ИК, KBr, см^-1: 3419с, 3263ср, 2923ср, 2856ср, 1685с, 1594с, 1531с, 1477с, 1384с, 1286с, 1238с, 1182ос, 1079с, 1020с, 925с, 858с, 790ср, 748ср, 642ср, 499с.

Краткое пояснение чертежей.

Фиг. 1 - структура комплекса нового индикаторного соединения с ионом Zn²⁺, в котором интенсивность флуоресценции лиганда существенно усилена; фиг. 2 - видимая невооруженным глазом люминесценция раствора, содержащего индикаторное соединение и ионы Zn²⁺, по сравнению с растворами, содержащими индикатор и другие катионы; люминесценция возбуждена светом с длиной волны 365 нм; растворитель - ДМСО (90 об. %) - водный буфер Tris-HCl (10 об. %, 0.05 m, pH 7.4); фиг. 3. - спектры испускания растворов, содержащих индикаторное соединение и катионы различных металлов. Видно, что добавление цинка максимально усиливает интенсивность эмиссионного спектра. Люминесценция возбуждена светом с длиной волны 365 нм. Растворитель - ДМСО (90 об. %) - водный буфер Tris-HCl (10 об. %, 0.05 m, pH 7.4). Фиг. 4. Интенсивность люминесценции при 501 нм растворов, содержащих новый индикатор, ионы цинка(II) и другие катионы металлов. Видно, что присутствие таких катионов как Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Ba²⁺, Cd²⁺, Hg²⁺, Pb²⁺ не препятствует обнаружению ионов Zn²⁺. Люминесценция возбуждена светом с длиной волны 365 нм. Растворитель - ДМСО (90 об. %) - водный буфер Tris-HCl (10 об. %, 0.05 m, pH 7.4). Фиг. 5. Зависимость интенсивности люминесценции раствора, содержащего новый индикатор и ионы Zn²⁺ от общей концентрации ионов Zn²⁺. Показана линейная зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации ионов Zn²⁺ в пределах их концентрации до 30 мкмоль/л.

Общая методика применения заявляемого вещества

Качественное и количественное определение ионов цинка(II) осуществляют следующим образом: точную навеску индикатора растворяют в водном буфере Tris-HCl (0.05 m, pH 7.4) и разбавляют диметилсульфоксидом до содержания ДМСО 90 об. %. К 2.7 мл полученного раствора, дозированного в спектрофлуориметрическую кювету с длиной оптического пути 1 см, сперва прибавляют несколько проб, содержащих известное количество ионов цинка(II), но так, чтобы итоговая концентрация не превышала 30 мкмоль/л, и строят зависимость интенсивности флуоресценции раствора при 501 нм (длина волны возбуждения 365 нм), чтобы получить градуировочный график. Далее к 2.7 мл раствора гидразона, дозированного в спектрофлуориметрическую кювету с длинной оптического пути 1 см, прибавляют исследуемую пробу воды или раствора/суспензии лекарственного препарата и находят неизвестную концентрацию ионов цинка(II) в исследуемом образце.

Механизм усиления интенсивности люминесценции нового индикаторного соединения в присутствии ионов Zn²⁺ заключается в образовании структурно жесткого комплекса, в котором лиганд не имеет возможности безызлучательно рассеять избыточную энергию возбужденного состояния за счет ее поглощения внутримолекулярными водородными связями. Дополнительно усиление интенсивности испускания объясняется особым взаимодействием неподеленных электронных пар, локализованных на несвязывающих молекулярных орбиталях, с вакантной атомной s-орбиталью катиона цинка(II).

Соединение показывает существенное усиление интенсивности испускания при возбуждении светом с длиной волны 365 нм. В диапазоне концентраций ионов цинка(II) до 30 мкмоль/л это усиление интенсивности люминесценции линейно связано с концентрацией аналита, что позволяет провести количественный анализ.

Предел обнаружения и количественного определения были рассчитаны следующим образом: на зависимости интенсивности флуоресценции раствора соединения концентрацией 2⋅10^-5 моль/л от концентрации ионов цинка(II) нашли линейный участок зависимости (до 30 мкмоль/л Zn²⁺) и определили соответствующий ему тангенс угла наклона. Утроенная стандартная погрешность измерения интенсивности флуоресценции, деленная на этот тангенс угла наклона, равна пределу обнаружения (limit of detection, LOD). Удесятеренная стандартная погрешность измерения интенсивности флуоресценции, деленная на этот тангенс угла наклона, равна пределу количественного определения (limit of quantification, LOQ).

Пример 1

Заявленное вещество использовали для анализа количества Zn(II), добавленного в воду («Святой источник», Россия, которая содержит мг/мл: Ca²⁺ = 0.5-130, Mg²⁺ = 0.5-50, Na⁺ = 0.2-100, K⁺ = 0.1-20, HCO^3- = 5-350, Cl^- = 0.5-200, SO₄^2- = 0.5-200. Общая минерализация: 0.05-1 г/л) В 5 мл воды «Святой источник» растворяли 9.60 мг Zn(NO₃)₂·6H₂O, что соответствует 2.11 мг Zn(II). Затем 5 мкл этой воды добавляли к 2.7 мл 17 мкМ раствора гидразона в ДМСО-Tris-HCl (9:1, об. %, буфер 0.05 m, pH 7.4) и измеряли интенсивность флуоресценции смеси при λ_ex = 365 нм и λ_em = 501 нм.

Анализируемый образец Точное содержание ионов Zn(II), мг Найденное содержание ионов Zn(II), мг Минеральная вода «Святой источник» 2.11±0.01 2.16±0.02

Пример 2

Анализ количества Zn(II) в лекарственном препарате проводили на примере (Zincteral® Teva, Польша), который содержит ZnSO₄ и следующие вспомогательные вещества: крахмал картофельный, повидон, тальк, магния стеарат, лактозы моногидрат, а также краситель азорубиновый лак (Е122) в оболочке). В случае Zincteral® Teva 1 таблетку растворяли в 0.2 л бидистиллированной воды, и также добавляли 5 мкл раствора к 2.7 мл 17 мкМ раствора гидразона в ДМСО-Tris-HCl (9:1, об. %, буфер 0.05 m, pH 7.4) и измеряли интенсивность флуоресценции смеси при λ_ex = 365 нм и λ_em = 501 нм.

Анализируемый образец Точное содержание ионов Zn(II), мг Найденное содержание ионов Zn(II), мг Zincteral® Teva таблетки 45 (заявлено производителем) 45.73±0.66

Все эксперименты повторяли трижды.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет качественно и количественно определять спектрофлуориметрическим методом ионы цинка(II) в водном растворе и лекарственных препаратах с пределом обнаружения менее 320 нмоль. Разработанное новое индикаторное соединение позволяет осуществлять селективный (избирательный качественный) анализ ионов цинка(II) при одновременном наличии еще ряда катионов, анионов и вспомогательных веществ.

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к пиридоксаль 5'-фосфат-2-метил-3-фуроилгидразону, обладающему свойством индикатора ионов Zn²⁺ в воде и лекарственных препаратах. Раскрывается пиридоксаль 5'-фосфат-2-метил-3-фуроилгидразон представленной формулы, обладающий свойством индикатора обнаружения ионов Zn²⁺ в воде и лекарственных препаратах. Изобретение обеспечивает избирательное качественное и количественное спектрофлуориметрическое определение ионов цинка(II) в растворе и лекарственных препаратах с пределом обнаружения менее 320 нмоль/л. 5 ил., 2 табл., 2 пр.

Пиридоксаль 5'-фосфат-2-метил-3-фуроилгидразон структурной формулы

,

обладающий свойством индикатора обнаружения ионов Zn²⁺ в воде и лекарственных препаратах.