((ОКСИБИС(ЭТАН-2,1-ДИИЛ))БИС(ОКСИ))БИС(ЭТАН-2,1-ДИИЛ)БИС(ПИРЕН-1-КАРБОКСИЛАТ) - МОНОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ НИТРОАЛИФАТИЧЕСКИХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2024 года по МПК C07C69/753 G01N33/22 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к люминесцентным органическим соединениям на основе полиэтиленгликолевых эфиров пирен-1-карбоновой кислоты. Изобретения представляет собой флуорофор, пригодный для применения в качестве мономолекулярного оптического сенсора типа «turn-off», работающего за счет тушения флуоресценции в присутствии следовых количеств нитроалифатических взрывчатых веществ (нитро-ВВ) в водно-органическом растворе.

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.

2. Уровень техники

Поиск нитросодержащих аналитов необходим для целей экомониторинга, медицины и противодействия терроризму в связи с тем, что они представляют собой компоненты взрывчатых веществ, медицинских препаратов, пестицидов, инсектицидов, гербицидов и различных экотоксикантов, т.о. это является одной из актуальных проблем современности. В настоящее время обнаружение нитросоединений осуществляется с использованием ряда физических методов: хроматографических методов [J.A. Mathis, B.R. McCord, The analysis of high explosives by liquid chromatography/electrospray ionization mass spectrometry: multiplexed detection of negative ion adducts, Rapid Commun. Mass Spectrom. 19 (2005) 99-104. https://doi.org/10.1002/rcm.1752], в частности высокоэффективной жидкостной хроматографии [S. Kraus, A. Basch, Y. Bamberger, Trace Analysis of Explosives by Hplc-Electron Capture Detection (Hplc-Ecd) 18, Anal. Lett. 14 (1981) 1363-1376. https://doi.org/10.1080/00032718108081465], рамановской спектроскопии [R. Glenn, M. Dantus, Single Broadband Phase-Shaped Pulse Stimulated Raman Spectroscopy for Standoff Trace Explosive Detection, J. Phys. Chem. Lett. 7 (2016) 117-125. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5b01894; Y. Huang, W. Liu, Z. Gong, W. Wu, M. Fan, D. Wang, A.G. Brolo, Detection of Buried Explosives Using a Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) Substrate Tailored for Miniaturized Spectrometers, ACS Sensors. 5 (2020) 2933-2939. https://doi.org/10.1021/acssensors.0c01412], терагерцовой спектроскопии [A.G. Davies, A.D. Burnett, W. Fan, E.H. Linfield, J.E. Cunningham, Terahertz spectroscopy of explosives and drugs, Mater. Today. 11 (2008) 18-26. https://doi.org/10.1016/S1369-7021(08)70016-6], масс-спектрометрии [J. Yinon, Detection of explosives by mass spectrometry, in: Counterterrorist Detect. Tech. Explos., Elsevier, 2007: pp. 41-59. https://doi.org/10.1016/B978-044452204-7/50021-3; T.P. Forbes, E. Sisco, Recent advances in ambient mass spectrometry of trace explosives, Analyst. 143 (2018) 1948-1969. https://doi.org/10.1039/c7an02066j], фотоакустической спектроскопии [L.S. Marcus, E.L. Holthoff, P.M. Pellegrino, Standoff Photoacoustic Spectroscopy of Explosives, Appl. Spectrosc. 71 (2017) 833-838. https://doi.org/10.1177/0003702816654168], иммуноанализа [J.C. Bart, L.L. Judd, A.W. Kusterbeck, Environmental immunoassay for the explosive RDX using a fluorescent dye-labeled antigen and the continuous-flow immunosensor, Sensors Actuators, B Chem. 39 (1997) 411-418. https://doi.org/10.1016/S0925-4005(97)80244-4; M. Mirasoli, A. Buragina, L.S. Dolci, M. Guardigli, P. Simoni, A. Montoya, E. Maiolini, S. Girotti, A. Roda, Development of a chemiluminescence-based quantitative lateral flow immunoassay for on-field detection of 2,4,6-trinitrotoluene, Anal. Chim. Acta. 721 (2012) 167-172. https://doi.org/10.1016/j.aca.2012.01.036] и электрохимических методов [A. Dettlaff, P. Jakóbczyk, M. Ficek, B. Wilk, M. Szala, J. Wojtas, T. Ossowski, R. Bogdanowicz, Electrochemical determination of nitroaromatic explosives at boron-doped diamond/graphene nanowall electrodes: 2,4,6-trinitrotoluene and 2,4,6-trinitroanisole in liquid effluents, J. Hazard. Mater. 387 (2020) 121672. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.121672; A.M. O’Mahony, J. Wang, Nanomaterial-based electrochemical detection of explosives: A review of recent developments, Anal. Methods. 5 (2013) 4296-4309. https://doi.org/10.1039/c3ay40636a]. Все вышеперечисленные методы являются лабораторными и также имеют своими недостатками необходимость использования дорогостоящего аналитического оборудования и наличия специально обученного персонала. Особенно следует отметить сложность обнаружения нитроалифатических низколетучих соединений, например, транитропентаэритрита (ТЭН). Данные соединения трудно обнаруживаемы обычными методами; рентгеновский анализ и тренированные собаки также являются неэффективными. Данная проблема лишь частично решается тагантами - пахучими добавками к ВВ, на которые тренируются служебные собаки.

В качестве альтернативы перспективным является применение химических сенсоров, в частности флуоресцентных, в виду их дешевизны, простоты использования, высокой чувствительности, а также возможности использования в полевых условиях.

Среди флуоресцентных химических сенсоров (хемосенсоров) хорошо себя показали хемосенсоры-флуорофоры на базе полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), а именно: нафталина, пирена, антрацена, за счет их интенсивной эмиссии, склонности к формированию эксимеров [B. Stevens, Evidence for the photo-association of aromatic hydrocarbons in fluid media, Nature. 192 (1961) 725-727. https://doi.org/10.1038/192725a0], а также из-за фотоиндуцированного переноса электронов (PET) при контакте с электрон-дефицитными молекулами, к коим относятся и нитросодержащие аналиты, что визуально проявляется в тушении флуоресценции ПАУ [M.S. Meaney, V.L. McGuffin, Investigation of common fluorophores for the detection of nitrated explosives by fluorescence quenching, Anal. Chim. Acta. 610 (2008) 57-67. https://doi.org/10.1016/j.aca.2008.01.016].

Из литературных данных известно, что фрагменты полиэтиленгликоля являются основой для замкнутых (макро)циклических [C.J. Pedersen, Cyclic Polyethers and Their Complexes with Metal Salts, J. Am. Chem. Soc. 89 (1967) 7017-7036. https://doi.org/10.1021/ja01002a035] и «открытых» псевдоциклических лигандов [V.E. Weber, F. Vögtle, Kristalline 1:1-alkalimetallkomplexe nichtcyclischer neutralliganden, Tetrahedron Lett. 16 (1975) 2415-2418. https://doi.org/10.1016/0040-4039(75)80025-6], координирующих катионы металлов, преимущественно щелочных и щелочно-земельных. Помимо комплексообразующих свойств, данные фрагменты могут сообщать молекуле гибкость, а также гидрофильность. Функционализация полиэтиленгликолевого линкера фрагментами ПАУ широко представлена в литературе [Y. Kakizawa, T. Akita, H. Nakamura, Syntheses and Complexing Behavior of New Fluorescent Reagents for Alkaline Earth Metal Ions, Chem. Lett. 22 (1993) 1671-1674. https://doi.org/10.1246/cl.1993.1671; T. Anada, T. Kitaoka, H. Ota, Y. Kakizawa, T. Akita, T. Morozumi, H. Nakamura, Complexation behaviors of polyether-type fluorescent reagents having anthracene units at their terminals, Bunseki Kagaku. 48 (1999) 1107-1114. https://doi.org/10.2116/bunsekikagaku.48.1107; J. Kawakami, Y. Komai, S. Ito, Fluorescence spectrophotometric determination of Ca²⁺ and Ba²⁺ based on 1,n-Bis(1-naphthylcarboxy)oxaalkanes, Chem. Lett. (1996) 617-618. https://doi.org/10.1246/cl.1996.617] и осуществляется для придания лигандам сенсорных свойств, а именно для визуализации комплексообразования, т.о. успешное координирование катиона металла проявляется в виде увеличения/уменьшения интенсивности флуоресценции фрагментов ПАУ, либо изменении соотношения мономерной/эксимерной эмиссий как следствие изменения перекрывания фрагментов ПАУ.

Несмотря на большое количество представленных в литературе примеров функционализированных фрагментами ПАУ лигандов, содержащих полиэтиленгликолевые линкеры, примеры использования подобных соединений в качестве хемосенсоров-флуорофоров для обнаружения нитросодержащих аналитов в научной и патентной литературе отсутствуют. Единственным наиболее близким по структуре примером, описанным в литературе, является синтез и сенсорные свойства по отношению к нитросодержащему взрывчатому веществу - 2,4,6-тринитротолуолу (ТНТ) - 1,3-бис(пирен-1-илметокси)пропана [S.B. Kim, E.B. Lee, J.H. Choi, D.G. Cho, Simple fluorescent chemosensors for TNT: One-step synthesis, Tetrahedron. 69 (2013) 4652-4656. https://doi.org/10.1016/j.tet.2013.03.108]. Данное соединение показало себя как эффективный хемосенсор по отношению к ТНТ в системе растворителей ацетон:вода [2:8 (об. %)], константа связывания (Ka) для которого составила 2.66×10⁵ M^-1.

Так как в обозримой литературе нами не было найдено подобия соединения 1 с совпадающими признаками, нами предлагается ((оксибис(этан-2,1-диил))бис(окси))бис(этан-2,1-диил)бис(пирен-1-карбоксилат) - оптический химический сенсор для обнаружения нитроалифатических взрывчатых веществ.

3. Сущность изобретения

Сущность изобретения составляет ((оксибис(этан-2,1-диил))бис(окси))бис(этан-2,1-диил)бис(пирен-1-карбоксилат) 1, растворимый в органических растворителях флуорофор, способный уменьшать интенсивность эмиссии, вызванную фотовозбуждением, при контакте с нитроалифатическими взрывчатыми веществами, что делает его “turn-off” хемосенсором на присутствие нитро-взрывчатых веществ.

Представляемое изобретение демонстрирует тушение при обнаружении нитроалифатических ВВ в водных растворах, а также пригодно для качественной оценки присутствия последних с пределом обнаружения 4 ppb для тетранитропентаэритрита (ТЭН, PETN).

4. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

4.1. Описание способа получения сенсора 1

В подтверждение возможности осуществления изобретения нами приводится методика синтеза соединения 1:

Пирен-1-карбоновую кислоту 2 (0.772 ммоль, 2.5 экв.) суспендировали в 20 мл дихлорэтана, добавили тионилхлорид (0.86 мл, 11.584 ммоль, 37.5 экв.), смесь кипятили до растворения осадка и полного превращения в хлорангидрид пирен-1-карбоновой кислоты 2a. Растворитель упарили в вакууме. Остаток растворили в 10 мл сухого ТГФ. Тетраэтиленгликоль (0.309 ммоль, 1 экв.) растворили в 20 мл сухого ТГФ и добавили триэтиламин (0.258 мл, 1.85 ммоль, 15 экв.). К полученному раствору добавили раствор хлорангидрида пирен-1-карбоновой кислоты 2а и смесь оставили при постоянном перемешивании при 50°С на 2 часа. Растворитель упарили в вакууме. Продукт очищали флеш-колоночной хроматографией с использованием оксида алюминия. Примеси элюировали дихлорметаном, продукт элюировали этилацетатом. Растворитель упарили в вакууме.

((Оксибис(этан-2,1-диил))бис(окси))бис(этан-2,1-диил)бис(пирен-1-карбоксилат) (Тетраэтиленгликоля бис (пирен-1-карбоксилат)) (1). Выход 70%. ¹H ЯМР (400 МГц, CDCl₃, δ, м.д.) 3.75 (с., 8H, -C(=O)-O-(СН₂)₂-(СН₂)₄-(СН₂)₂-O-(C=O)-), 3.91-3.93 (м, 4H, -C(=O)-O-СН₂-СН₂-), 4.61-4.63 (м, 4H, -C(=O)-O-СН₂-), 7.98-8.02 (м, 4H, протоны пирен-1-ильных заместителей), 8.07-8.10 (м, 4H, протоны пирен-1-ильных заместителей), 8.16-8.22 (м , 6H, протоны пирен-1-ильных заместителей), 8.59 (д, J³ = 8.03 Гц, 2H, Н-3 протоны пирен-1-ильных заместителей), 9.21 (д, J³ = 9.54 Гц, 2H, Н-2 протоны пирен-1-ильных заместителей). ¹³C ЯМР (101 МГц, CDCl₃, δ, м.д.) 30.88, 64.23, 69.31, 70.77, 99.96, 123.38, 124.01, 124.07, 124.63, 124.68, 124.85, 126.07, 126.17, 127.05, 128.45, 129.33, 129.50, 130.28, 130.90, 131.06, 134.24, 167.87. EI-MS (m/z (%)): 650 (18) [M⁺], 246 (56), 229 (85), 201 (100), 45 (20). ИК-спектр, ν_max см^-1: 3041 (=C-H пирен); 2870, 2918 (CH₂); 1705 (C=O); 1589, 1596, 1626 (C=C пирен); 1229, 1250 (=С-О-С); 1049, 1085, 1130, 1145 (C-O-C); 819, 846 (C-H пирен).

Соединение представляет собой темно-желтое масло, растворимое в хлороформе, ацетонитриле и тетрагидрофуране; не растворимое в воде.

4.2. Флуориметрическое титрование сенсора 1 тетранитропентаэритритом (ТЭН) в среде H₂O:ТГФ [99.99:0.01 (об. %)]

В подтверждение возможности осуществления изобретения нами приводится флуориметрическое титрование заявляемого соединения 1 нитроалифатическим аналитом:

Процедура флуориметрического титрования соединения 1 проводилась с использованием модели статического тушения Штерна-Фольмера с целью определения константы тушения. Раствор сенсора 1 в H₂O:ТГФ [99.99:0.01 (об. %)] (С = 1×10^-7 М) помещали в кварцевую кювету и добавляли к нему последовательно 10-15 аликвот объемом по 3 мкл ацетонитрильного раствора ТЭН (С = 2×10^-5 M). Анализ изменения интенсивности излучения раствора и оценка эффективности тушения проводили на основе уравнения статического тушения Штерна-Фольмера:

где I₀, I - интенсивности флуоресценции до и после добавления нитротушителя (quencher); Q - концентрация нитротушителя, моль/л; K_sv - значение константы тушения, (моль/л)^-1.

Показано, что графическая зависимость изменения интенсивности эмиссии от концентрации тушителя имеет линейный характер (на Фиг. 1 приведен график зависимости тушения флуоресценции от концентрации тетранитропентаэритрита). Константа тушения (K_sv) флуоресценции соединения 1, как тангенс угла наклона линейного графика Штерна-Фольмера, составила 0.97×10⁶ M^-1 (Таблица 1).

Таблица 1. Значения константы тушения флуоресценции соединения 1 Тушитель K_SV соединения 1, M^-1 ТЭН 0.97×10⁶

4.3. Подтверждение сенсорных свойств соединения 1 и порога обнаружения тетранитропентаэритрита (ТЭН) путем флуориметрического титрования соединения 1 в среде H₂O:ТГФ [99.99:0.01 (об. %)]

Предел обнаружения (LOD) соединения 1 был вычислен на основании данных флуориметрического 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. 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 соединения 1 нитро-ВВ:

LOD (ТЭН) = 3×1655.74/3.81E11 = 1.30398E-08 = 13 нМ = 4 ppb.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что соединение 1 может использоваться в качестве химического сенсора на ТЭН. Вычисленный порог обнаружения тетранитропентаэритрита (ТЭН) является низким для данного класса соединений.

4.4. Подтверждение флуоресцентных свойств соединения 1

Таблица 2. Фотофизические свойства соединения 1 в H₂O:ТГФ [99.99:0.01 (об. %)] при 296 К. Поглощение, λ_max, нм Эмиссия, λ_max, нм Φ_EM, % 234, 242, 265, 276, 326, 341, 386 375, 395, 417, 521 7.41

Ф - квантовый выход фотолюминесценции

Исследованы спектрально-абсорбционные и спектрально-люминесцентные свойства соединения 1 в H₂O:ТГФ [99.99:0.01 (об. %)] при 296 К (Фиг. 2). Электронные спектры поглощения регистрировали с использованием стандартной программы UVProbe на двулучевом спектрофотометре Shimadzu UV-1800 (Япония) в диапазоне 230 - 450 нм с точностью установки длины волны ± 0,1 нм. Наибольшее поглощение наблюдалось при λ_abs ^max = 242 нм (Фиг. 2). Спектры испускания регистрировали на спектрофлуориметре Horiba FluoroMax-4, в качестве импульсного источника возбуждения которого использовалась ксеноновая лампа, с точностью установки длины волны ±0.5 нм. Установлено, что максимум флуоресценции сенсора при возбуждении излучением с длиной волны 342 нм, находится при 375 нм (Фиг. 2).

Измерение величины абсолютного квантового выхода проводилось в H₂O:ТГФ [99.99:0.01 (об. %)] при 296 К с использованием спектрофлуориметра Horiba-Fluoromax-4 и интегрирующей сферы Quanta-Phi и составило 7.41% (Табл. 2).

Опираясь на данные таблицы 2 и рисунка 2, наличие одновременно как мономерной, так и эксимерной эмиссий характеризует соединение 1, как весьма перспективный флуорофор.

Изобретение относится к применению ((оксибис(этан-2,1-диил))бис(окси))бис(этан-2,1-диил)бис(пирен-1-карбоксилата) в качестве мономолекулярного оптического сенсора для обнаружения нитроалифатических взрывчатых веществ. Изобретение обеспечивает обнаружение нитроалифатических взрывчатых веществ и может найти применение в системах безопасности, в быту и сельском хозяйстве. 2 ил., 2 табл.

Применение ((оксибис(этан-2,1-диил))бис(окси))бис(этан-2,1-диил)бис(пирен-1-карбоксилата) в качестве мономолекулярного оптического сенсора для обнаружения нитроалифатических взрывчатых веществ.