ДИМЕТИЛ 4-ФЕНИЛ-5-(2-ФЕНИЛ-1H-ИНДОЛ-3-ИЛ)-1-(4-ТОЛИЛ)-1H-ПИРРОЛ-2,3-ДИКАРБОКСИЛАТ - ОПТИЧЕСКИЙ ХИМИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ НИТРОАРОМАТИЧЕСКИХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2024 года по МПК G01N33/22 C07D487/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к люминесцентным органическим соединениям на основе 5-(1H-индол-3-ил)-4-фенил-1-(4-толил)-1H-пиррола (Фиг. 1).

Сущность изобретения заключается в использовании его в качестве оптического химического сенсора типа «turn-off», работающего за счет тушения эмиссии в присутствии следовых количеств нитроароматических взрывчатых веществ (нитро-ВВ) в растворе.

Изобретение может найти применение при использовании в системах безопасности в дополнение к служебным собакам во избежание террористических актов в качестве средства обнаружения ВВ в составе сенсорного материала флуоресцентных детекторов ВВ, а также в быту и сельском хозяйстве.

Уровень техники

Обнаружение взрывчатых веществ (ВВ) на важных транспортных узлах, таких как аэропорты, порты, вокзалы и пр., на стратегических объектах, а также в зоне массового скопления людей в последние годы приобрело критически важное значение для целей повышения уровня безопасности в стране и мире.

Важными представителями нитроароматических ВВ являются пикриновая кислота (ПА) и 2,4-динитротолуол (2,4-ДНТ), обнаружить которые затруднительно традиционными аналитическими методами (колориметрическими, масс-спектроскопическими и т.д.), поскольку они имеют относительно умеренное давление паров и весьма ограниченную реакционную способность. Однако, эти электронодефицитные молекулы способны образовывать π-стекинговые комплексы с электрон-избыточными флуорофорами, и это отличительное свойство широко используется для их обнаружения с помощью люминесцентных методов анализа [Y. Salinas, R. Martınez-Manez, M. D. Marcos, F. Sancenon, A. M. Costero, M. Parraad, S. Gil. Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 1261–1296]. Данный метод предпочтителен ввиду большей чувствительности и селективности люминесцентного сигнала, быстрого отклика/измерения, относительно низкой стоимости (отсутствие дорогостоящей электронной базы), экспрессности анализа в полевых условиях, а в ряде случаев - обнаружение «невооруженным глазом» [G.V. Zyryanov, D.S. Kopchuk, I.S. Kovalev, E.V. Nosova, V.L. Rusinov, O.N. Chupakhin. Russ. Chem. Rev. 2014, 83, 783].

Существует большое разнообразие в номенклатуре используемых сенсоров для определения нитро-ВВ, среди которых выделяются флуорофоры азагетероциклического ряда [E.V. Verbitskiy, G.L. Rusinov, O.N. Chupakhin, V.N. Charushin. Dyes and Pigments, 2020, 180, 108414], которые обладают рядом преимуществ в сравнении с полициклическим углеводородным каркасам (модифицируемость химической структуры, термо-, хемо-, фотоустойчивость, простота изготовления и пр.)

Мало изучено применение низкомолекулярных флуорофоров на основе пиррола в качестве хемосенсоров на нитро-ВВ несмотря на обширное и разностороннее их применение в науке и технике (Colin Welch. Pyrrole: Synthesis and Applications (Chemistry Research and Applications. Nova Science Pub Inc, 2020). При этом потенциал использования хемосенсоров на основе соединений пиррола хорошо известен благодаря супрамолекулярным каликс[4]пирролам в том числе и для обнаружения нитро-ВВ [J.S. Park, F.Le Derf, C.M. Bejger, V.M.Lynch, J.L. Sessler, K.A. Nielsen, C. Johnsen, J.O. Jeppesen. Chemistry: A European Journal, 2010, 16, 3, 848-854; Ji Yoon Lee, Harrison D. Root, Rashid Ali, Won An, Vincent M. Lynch, Steffen Bähring, In Su Kim, Jonathan L. Sessler, and Jung Su Park J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 46, 19579–19587; I. A. Rather, S. A. Wagay, M. S. Hasnain, and R. Ali, “New dimensions in calix[4]pyrrole: the land of opportunity in supramolecular chemistry,” RSC Adv., vol. 9, no. 66, pp. 38309–38344, 2019], что делает производные пиррола перспективными и многообещающими хемосенсорами.

Так как в обозримой литературе нами не было найдено подобия соединения 1, Фиг. 1, с совпадающими признаками, нами предлагается диметил 5-(1H-индол-3-ил)-4-фенил-1-(4-толил)-1H-пиррол-2,3-дикарбоксилат - оптический химический сенсор для обнаружения нитроароматических взрывчатых веществ.

Сущность изобретения

Сущность изобретения составляет растворимый в органических растворителях флуорофор - диметил 5-(1H-индол-3-ил)-4-фенил-1-(4-толил)-1H-пиррол-2,3-дикарбоксилат 1, способный уменьшать интенсивность собственной флуоресцентной эмиссии, вызванной фотовозбуждением, при контакте с нитро-ВВ, что делает его “turn-off” хемосенсором на присутствие нитро-взрывчатых веществ.

Представляемое изобретение демонстрирует тушение флуоресценции при обнаружении нитро-ВВ в органических растворителях, а также пригодно для качественной оценки присутствия нитро-ВВ с пределом обнаружения (LOD) 3.2 и 2.0 ppm для 2,4-динитротолуола (DNT) и пикриновой кислоты (PA) соответственно.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

4.1. Описание способа получения сенсора 1

В планетарной шаровой мельнице Retsch PM100, оснащенной четырьмя круглыми шарами из нержавеющей стали диаметром 10 мм, смешали фенилглиоксаль 2 (1.0 ммоль), 4-метиланилин 3 (1.0 ммоль), индол 4 (1.0 ммоль), хлорид железа(III) (20 мол.%) и ацетонитрил (1 мл). Полученную смесь перемешивали в течение 30 минут на скорости 500 об/мин при комнатной температуре. К смеси добавили диметил ацетилендикарбоксилат 5 (1 ммоль) и перемешивали в течение 3.5 часов на скорости 500 об/мин при комнатной температуре. Полученную смесь экстрагировали этилацетатом (дважды по 15 мл) и промыли водой (дважды по 10 мл). Органический слой высушили безводным сульфатом натрия. Этилацетат отогнали при пониженном давлении. Полученный остаток подвергли колоночной хроматографии с использованием смеси петролейный эфир - этилацетат в соотношении 7:3 в качестве элюента.

Диметил 4-фенил-5-(2-фенил-1H-индол-3-ил)-1-(4-толил)-1H-пиррол-2,3-дикарбоксилат 1.

Выход 0.53 ммоль (53%). ¹H ЯМР (400 МГц, CDCl₃, δ, м.д.): 2.00 (c, 3H), 3.49 (c, 3H), 3.72(c, 3H), 5.35 (с, 1Н), 6.43-6.48 (м, 2Н), 6.50-6.58 (м, 4H), 6.93-7.01 (м, 4H), 7.10-7.20 (м, 4Н), 7.22-7.39 (м, 2Н), 7.88-7.98 (м, 2Н).

¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃): 20.78, 51.05, 52.97, 83.68, 104.32, 106.62, 111.03, 120.37, 122.18, 122.46, 123.23, 125.83, 127.15, 127.87, 128.31, 128.47, 128.66, 129.14, 131.28, 135.35, 136.04, 136.19, 139.90, 146.73, 152.13, 163.47, 165.41.

Соединение представляет собой светло-жёлтое кристаллическое вещество, растворимое в хлороформе, толуоле, ацетонитриле и тетрагидрофуране (ТГФ); не растворимое в воде.

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. Флуориметрическое титрование сенсора 1 2,4-динитротолуолом (DNT) и пикриновой кислотой (PA) в среде ТГФ

Флуориметрическое титрование соединения 1 провели с использованием кварцевых кювет объемом 3 мл с длиной оптического пути 1 см на спектрофлуориметре Horiba Fluoromax-4 при возбуждении на длине волны λ_возб = 289 нм, а измерение интенсивности флуоресценции провели на длине волны λ_эм = 445 нм. Концентрация раствора соединения 1 составляла 1×10^-5 М. Объем аликвоты DNT составлял 30 мкл, объем аликвоты PA составлял 10 мкл. Концентрация DNT и PA в аликвоте составляла 2×10^-4 M в растворе ацетонитрила.

Флуориметрическое титрование провели при последовательном добавлении аликвоты DNT или PA к раствору соединения 1, с последующим фотовозбуждением при λ_возб и фиксацией интенсивности флуоресценции при λ_эм. Количество добавленных аликвот составило 9 единиц.

4.3.1. Подтверждение сенсорных свойств соединения 1 и порога обнаружения 2,4-динитротолуола (DNT) и пикриновой кислоты (PA) путем флуориметрического титрования соединения 1 в среде ТГФ

Сенсорные свойства соединения 1 по отношению к DNT и PA 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 DNT составила 34.7×10³ M^-1 при R² = 0.96, а при использовании PA – 61.4×10³ M^-1 при R² = 0.95 (Таблица 2).

Таблица 2. Значения констант тушения флуоресценции соединения 1

Тушитель K_SV соединения 1, M^-1 DNT 34.7×10³ PA 61.4×10³

Предел обнаружения соединения 1 был вычислен на основании данных флуориметрического титрования (см п. 4.3) 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 нитро-ВВ:

LOD (PA) = 3⋅6357.16/1517521507 = 1,26⋅10^-5 M = 2.877 мг/л = 3.2 ppm,

LOD (DNT) = 3⋅2923.82/874940793 = 1,00⋅10^-5 M = 1.824 мг/л = 2.0 ppm.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что соединение 1 может использоваться в качестве сенсора на DNT и PA. Вычисленный порог обнаружения динитротолуола (DNT) и пикриновой кислоты (PA) является низким для данного класса соединений.

Настоящее изобретение относится к применению диметил 5-(1H-индол-3-ил)-4-фенил-1-(4-толил)-1H-пиррол-2,3-дикарбоксилата в качестве оптического химического сенсора для обнаружения нитроароматических взрывчатых веществ (ВВ). Данное изобретение может найти применение при использовании в системах безопасности в дополнение к служебным собакам во избежание террористических актов в качестве средства обнаружения ВВ в составе сенсорного материала флуоресцентных детекторов ВВ, а также в быту и сельском хозяйстве. Технический результат – применение диметил 5-(1H-индол-3-ил)-4-фенил-1-(4-толил)-1H-пиррол-2,3-дикарбоксилата в качестве оптического химического сенсора типа «turn-off», работающего за счет тушения эмиссии в присутствии следовых количеств нитро-ВВ в растворе. 4 ил., 2 табл.

Применение диметил 5-(1H-индол-3-ил)-4-фенил-1-(4-толил)-1H-пиррол-2,3-дикарбоксилата в качестве оптического химического сенсора для обнаружения нитроароматических взрывчатых веществ