2-(4-МЕТОКСИФЕНИЛ)-5-(4-(4-(ПИРЕН-1-ИЛ)-1H-1,2,3-ТРИАЗОЛ-1-ИЛ)ФЕНИЛ)-1,3,4-ОКСАДИАЗОЛ-МОНОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ СЕНСОР НА НИТРОАЛИФАТИЧЕСКОЕ ВЗРЫВЧАТОЕ ВЕЩЕСТВО ТЕТРАНИТРОПЕНТАЭРИТРИТ Российский патент 2024 года по МПК C07D413/10 G01N21/64 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к люминесцентным органическим соединениям на основе аза-аналога 1,4-бис(5-фенил-2-оксазолил)бензола (POPOP). Изобретения представляет собой флуорофор, пригодный для применения в качестве мономолекулярного оптического сенсора типа «turn-off», работающего за счет тушения флуоресценции в присутствии следовых количеств нитроалифатического взрывчатого вещества тетранитропентаэритрит (ТЭН) 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

1,4-Бис(5-фенил-2-оксазолил)бензол (POPOP) - известный органический флуорофор (Фиг. 1), который обычно используется в качестве сместителя спектра, в том числе в виде сцинтилляционного экрана многослойного типа для визуализации невидимого для человеческого глаза излучения [Adadurov, A.F.; Zhmurin, P.N.; Lebedev, V.N.; Titskaya, V.D. Optimizing concentration of shifter additive for plastic scintillators of different size. Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. A Accel. Spectrometers, Detect. Assoc. Equip. 2009, 599, 167-170. doi: 10.1016/j.nima.2008.11.014.; Patterson, M.S.; Greene, R.C. Measurement of Low Energy Beta-Emitters in Aqueous Solution by Liquid Scintillation Counting of Emulsions. Anal. Chem. 1965, 37, 854-857. doi: 10.1021/ac60226a017.]. Благодаря своим превосходным фотофизическим свойствам, особенно высокому квантовому выходу (до 97,5 % в циклогексане или 91 % этаноле [Mardelli, M.; Olmsted, J. Calorimetric determination of the 9,10-diphenyl-anthracene fluorescence quantum yield. J. Photochem. 1977, 7, 277-285. doi: 10.1016/0047-2670(77)85005-3.]), POPOP успешно используется в лазерах на парах красителей [Shank, C.V. Physics of dye lasers. Rev. Mod. Phys. 1975, 47, 649-657. doi: 10.1103/RevModPhys.47.649.; Basov, N.G.; Logunov, O.A.; Startsev, A.V.; Stoilov, Y.Y.; Zuev, V.S. Vapour phase dye lasers of the visible range. J. Mol. Struct. 1982, 79, 119-123. doi: 10.1016/0022-2860(82)85041-2.]. С другой стороны, аза-аналоги POPOP, такие как 1,3,4-оксадиазолы, представляют большой интерес, как в связи с многообещающей биологической активностью оксадизолов [Desai, N.; Monapara, J.; Jethawa, A.; Khedkar, V.; Shingate, B. Oxadiazole: A highly versatile scaffold in drug discovery. Arch. Pharm. (Weinheim) 2022, 355, 2200123. doi: 10.1002/ardp.202200123.; Luczynski, M.; Kudelko, A. Synthesis and Biological Activity of 1,3,4-Oxadiazoles Used in Medicine and Agriculture. Appl. Sci. 2022, 12, 3756. doi: 10.3390/app12083756; Siwach, A., Verma, P.K. Therapeutic potential of oxadiazole or furadiazole containing compounds. BMC Chem. 2020, 14, 70. doi:10.1186/s13065-020-00721-2.], так и в связи с интересными фотофизическими свойствами [Li, Z.; Li, W.; Keum, C.; Archer, E.; Zhao, B.; Slawin, A.M.Z.; Huang, W.; Gather, M.C.; Samuel, I.D.W.; Zysman-Colman, E. 1,3,4-Oxadiazole-based Deep Blue Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitters for Organic Light Emitting Diodes. J. Phys. Chem. C 2019, 123, 24772-24785. doi: 10.1021/acs.jpcc.9b08479; Mayder, D.M.; Tonge, C.M.; Hudson, Z.M. Thermally activated delayed fluorescence in 1,3,4-oxadiazoles with π-extended donors. J. Org. Chem. 2020, 85, 11094-11103. doi: 10.1021/acs.joc.0c00908; Zhou, J.-A.; Tang, X.-L.; Cheng, J.; Ju, J.-H.; Yang, L.-Z.; Liu, W.-S.; Chen, C.-Y.; Bai, D.-C. An 1,3,4-oxadiazole-based OFF-ON fluorescent chemosensor for Zn2+ in aqueous solution and imaging application in living cells. Dalt. Trans. 2012, 41, 10626-10632. doi: 10.1039/c2dt30852e; Lakowicz, J.R.; Gryczynski, I.; Malak, H.; Gryczynski, Z. Fluorescence spectral properties of 2,5-diphenyl-1,3,4-oxadiazole with two-color two-photon excitation. J. Phys. Chem. 1996, 100, 19406-19411. doi: 10.1021/jp962114w.].

Материалы и устройства для дистанционного обнаружения взрывчатых веществ, в том числе на основе флуоресценции, востребованы в связи с высокой угрозой террористических актов во всем мире [Thomas III, S.W.; Joly, G.D.; Swager, T.M. Chemical Sensors Based on Amplifying Fluorescent Conjugated Polymers. Chem. Rev. 2007, 107, 1339-1386. doi: 10.1021/cr0501339; Shaw, P.E.; Burn, P.L. Real-time fluorescence quenching-based detection of nitro-containing explosive vapours: what are the key processes? Phys. Chem. Chem. Phys. 2017, 19, 29714-29730. doi: 10.1039/C7CP04602B; Curnrning, C.; Fisher, M.; Sikes, J. Amplifying fluorescent polymer arrays for chemical detection of explosives. In: Gardner, J.W.; Yinon, J. (eds) Electronic Noses & Sensors for the Detection of Explosives. NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry, vol 159. Springer, Dordrecht. https://doi.org/10.1007/1-4020-2319-7_4]. Известно, что производные пирена, в том числе азольные, проявляют хорошо выраженную реакцию «выключения» флуоресценции на обычные нитроароматические аналиты [Salinas, Y.; Agostini, A.; Pérez-Esteve, É.; Martínez-Máñez, R.; Sancenón, F.; Marcos, M.D.; Soto, J.; Costero, A.M.; Gil, S.; Parra, M.; Amorós, P. Fluorogenic detection of Tetryl and TNT explosives using nanoscopic-capped mesoporous hybrid materials. J. Mater. Chem. A. 2013, 1, 3561-3564. doi: 10.1039/c3ta01438j; Turhan, H.; Tukenmez, E.; Karagoz, B.; Bicak, N. Highly fluorescent sensing of nitroaromatic explosives in aqueous media using pyrene-linked PBEMA microspheres. Talanta. 2018, 179, 107-114. doi: 10.1016/j.talanta.2017.10.061; Bal, M.; Köse, A.; Özpaça, Ö.; Köse, M. Pyrene, Anthracene, and Naphthalene-Based Azomethines for Fluorimetric Sensing of Nitroaromatic Compounds. J. Fluoresc. 2023, 1-13. doi: 10.1007/s10895-023-03155-w; Zyryanov, G.V.; Kopchuk, D.S.; Kovalev, I.S.; Nosova, E.V.; Rusinov, V.L.; Chupakhin, O.N. Chemosensors for detection of nitroaromatic compounds (explosives). Russ. Chem. Rev. 2014, 83, 783-819. doi: 10.1070/rc2014v083n09abeh004467; Verbitskiy, E.V.; Baranova, A.A.; Lugovik, K.I.; Shafikov, M.Z.; Khokhlov, K.O.; Cheprakova, E.M.; Rusinov, G.L.; Chupakhin, O.N.; Charushin, V.N. Anal. Bioanal. Chem. 2016, 408, 4093-4101. doi: 10.1007/s00216-016-9501-4; Kovalev, I.S.; Sadieva, L.K.; Taniya, O.S.; Yurk, V.M.; Minin, A.S.; Santra, S.; Zyryanov, G.V.; Charushin, V.N.; Chupakhin, O.N.; Tsurkan, M.V. Computer vision vs. spectrofluorometer-assisted detection of common nitro-explosive components with bola-type PAH-based chemosensors. RSC Adv. 2021. 11, 25850-25857. doi: 10.1039/D1RA03108B], а также на некоторые нитроалифатические компоненты взрывчатых веществ [Khasanov, A.F.; Kopchuk, D.S.; Kovalev, I.S.; Taniya, O.S.; Giri, K.; Slepukhin, P.A.; Santra, S.; Rahman, M.; Majee, A.; Charushin, V.N.; Chupakhin, O.N. Extended cavity pyrene-based iptycenes for the turn-off fluorescence detection of RDX and common nitroaromatic explosives. New J. Chem. 2017, 41, 2309-2320. doi: 10.1039/C6NJ02956F; Kovalev, I.S.; Taniya, O.S.; Sadieva, L.K.; Volkova, N.N.; Minin, A.S.; Grzhegorzhevskii, K.V.; Gorbunov, E.B.; Zyryanov, G.V.; Chupakhin, O.N.; Charushin, V.N.; Tsurkan, M.V. Bola-type PAH-based Fluorophores/Chemosensors: Synthesis via an Unusual Clemmensen Reduction and Photophysical Studies. J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 2021, 420, 113466. doi: 10.1016/j.jphotochem.2021.113466]. В обозримой научной литературе, нами не было найдено близкого подобия представленному изобретению, таким образом, нами предлагается 2-(4-метоксифенил)-5-(4-(4-(пирен-1-ил)-1H-1,2,3-триазол-1-ил)фенил)-1,3,4-оксадиазол - мономолекулярный химический сенсор на нитроалифатическое взрывчатое вещество тетранитропентаэритрит.

3. Сущность изобретения

Сущность изобретения составляет растворимый в органических растворителях флуорофор - 2-(4-метоксифенил)-5-(4-(4-(пирен-1-ил)-1H-1,2,3-триазол-1-ил)фенил)-1,3,4-оксадиазол 1, способный уменьшать интенсивность собственной флуоресцентной эмиссии, вызванной фотовозбуждением, при контакте с тетранитропентаэритритом (ТЭН), что делает его “turn-off” хемосенсором на его присутствие.

Представляемое изобретение демонстрирует тушение флуоресценции при обнаружении ТЭН в органических растворителях, а также пригодно для качественной оценки присутствия нитро-ВВ с пределом обнаружения (LOD) 183 частей на миллиард (ppb) и константой Штерна-Фольмера 1.4×10⁴ М^-1.

4. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

4.1. Описание способа получения сенсора 1

В колбу на 50 мл последовательно добавили 2-(4-азидофенил)-5-(4-метоксифенил)-1,3,4-оксадиазол (1 экв.), бромид меди (I) (0,20 экв.), триэтиламин ( 2 экв.), 1-этинилпирен (1,05 экв.), 5 мл ДМФА. РМ нагревали в течение 10 часов при 100°С в атмосфере аргона. После окончания реакции (контроль ТСХ) реакционную массу разбавили 10% водным раствором NH₄OH (10 мл), суспензию отфильтровали. Полученный осадок сушили на воздухе.

Выход 143 мг, 50%. ¹H NMR в DMSO-d₆, ppm: 3.91 (s, 3H, CH₃O-C₆H₄), 7.14 (m, 2H, CH₃O- C₆H₄), 8.07-8.14 (m, 3H, Ph + Pyr + C₆N₃H₄), 8.16-8.32 (m, 5H, Ph+ Pyr + C₆N₃H₄), 8.34-8.46 (m, 4H, C₆H₄), 8.34-8.46 (m, 2H, CH₃O-C₆H₄),8.96 (d, 1H, Pyr), 9.55 (s, 1H, C₂N₃H). ¹³C NMR в DMSO-d₆, ppm: 55.5 (1C), 95.3 (1C), 115 (1C), 115.3 (1C), 115.5 (1C), 121 (1C), 123 (1C), 123.4 (1C),124 (1C), 124.2 (1C), 124.5 (1C), 125 (1C), 125.1 (1C), 125.3 (1C), 126 (1C), 126.5 (1C), 127.3 (1C), 128 (1C), 128.3 (1C), 129(1C), 130.3 (1C), 131 (1C),138 (1C),139 (1C),147.4 (1C), 162.2 (1C), 163 (1C), 164.2(1C). EI-MS, m/z (I, %): [M-N₂]⁺ =491 (12).

4.2. Подтверждение флуоресцентных свойств соединения 1

Таблица 1. Фотофизические свойства соединения 1 в ТГФ при 296 К.

Поглощение,
λ_max, нм Молярный коэффициент экстинции, ε_М, M^-1 cm^-1 Эмиссия, λ_max, нм Стоксов сдвиг, нм 289 47099 445 156

Исследованы спектрально-абсорбционные и спектрально-люминесцентные свойства соединения 1 в растворе ТГФ при 296 К. Электронные спектры поглощения были зарегистрированы с использованием стандартной программы Shimadzu Scan на двулучевом спектрофотометре UV-2600 (“Shimadzu”, Япония) в диапазоне 220 - 600 нм с точностью установки длины волны ± 0,1 нм. Сенсор характеризуется высокой поглощательной способностью: наибольшее поглощение с молярным коэффициентом экстинкции 47099 M^-1 cм^-1 наблюдалось при λ_abs ^max =289 нм (Фиг.2, Табл. 1). Спектры излучения измеряли 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 соединения 1 при возбуждении излучением с длиной волны 289 нм, находится при 445 нм (Фиг.2, Табл. 1).

4.3. Подтверждение сенсорных свойств соединения 1 и порога обнаружения тетранитропентаэритритом (ТЭН) путем флуориметрического титрования соединения 1 в среде ТГФ

Сенсорные свойства соединения 1 по отношению к тетранитропентаэритриту (ТЭН) были количественно оценены с использованием модели тушения Штерна-Фольмера (Фиг. 3 и 4) на основании данных флуориметрического титрования. Оценка эффективности использования соединения 1 в качестве сенсора для определения нитроароматических взрывчатых веществ основана на оценке значения константы тушения флуоресценции Штерна-Фольмера (K_SV). Величина K_SV для соединения 1 при использовании ТЭН составила 1.4×10⁴ M^-1 (Фиг. 3.).

Предел обнаружения соединения 1 был вычислен на основании данных флуориметрического титрования 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. 2021, 2, 21. https://doi.org/10.4103/2229-5186.79345], согласно которой были построены графические зависимости между интенсивностью флуоресценции соединения 1 и концентрации нитро-ВВ 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 тетранитропентаэритритом (ТЭН):

LOD (ТЭН) = 3•2430,41/12620300000 = 5,78•10^-7 M = 183 ppb

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

Изобретение относится к люминесцентным органическим соединениям на основе аза-аналога 1,4-бис(5-фенил-2-оксазолил)бензола (POPOP), а именно к 2-(4-метоксифенил)-5-(4-(4-(пирен-1-ил)-1H-1,2,3-триазол-1-ил)фенил)-1,3,4-оксадиазолу формулы

,

оптическому химическому сенсору для обнаружения нитроалифатического взрывчатого вещества тетранитропентаэритрита. Техническим результатом изобретения является создание флуорофора, пригодного для применения в качестве мономолекулярного оптического сенсора типа «turn-off», работающего за счет тушения флуоресценции в присутствии следовых количеств нитроалифатического взрывчатого вещества тетранитропентаэритрита (ТЭН) в водно-органическом растворе. 3 ил., 1 табл.

2-(4-Метоксифенил)-5-(4-(4-(пирен-1-ил)-1H-1,2,3-триазол-1-ил)фенил)-1,3,4-оксадиазол – ,

оптический химический сенсор для обнаружения нитро-алифатического взрывчатого вещества тетранитропентаэритрита.