ХИМИЧЕСКИЙ ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ СЕНСОР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ФТОРИД- И ГИДРОКСИД-ИОНОВ В РАСТВОРАХ Российский патент 2024 года по МПК G01N21/51 C02F1/28 

Изобретение относится к области флуоресцентного обнаружения фторид- и гидроксид-ионов с использованием химического сенсора – полимера класса ароматических поликарбамидов и может быть использовано в целях санитарного контроля и стандартизации продуктов питания, лекарственных препаратов, товаров народного потребления, питьевой и водопроводной воды, в системах экологического мониторинга прилегающих почв и сточных вод промышленных предприятий.

Определение ионов в различных средах представляет значительную важность и востребованность ввиду их ключевой роли в физиологических процессах животных и человека, а также в процессах роста и жизнедеятельности растений. Кроме того, в промышленности существует потребность в аналитических системах для обнаружения и/или мониторинга ионов в потенциальных источниках загрязнения для раннего предупреждения об утечках опасных отходов. За последние несколько десятилетий был достигнут значительный прогресс в области распознавания ионов и сообщалось о широком разнообразии синтетических рецепторов различной геометрии и мест связывания. В литературе имеются многочисленные примеры ионных молекулярных зондов, например амиды, карбаматы или толуолсульфонамиды, способные к связыванию галогенидов; макроциклы каликс[4]арена, для создания вогнутых сайтов связывания для бидентатных ионов, таких как цетатилибензоат; а также тиомочевины, содержащие ксантен, которые по данным авторов проявляют выраженную селективность в отношении дигидрофосфата.

Среди многообразия молекулярных рецепторов именно сенсоры, несущие фрагменты мочевины и тиомочевины, являются наиболее привлекательными, благодаря наличию направленных ядер связывания для ионов, а также их способностью к образованию водородных связей в нейтральных и физиологических условиях. Благодаря наличию двух симметричных групп -NH в качестве доноров водородных связей на каждом фрагменте тиомочевины сенсоры данного ряда демонстрируют широкий практический потенциал к эффективному связыванию ионов, в том числе имитируя естественный процесс связывания в живых клетках. В области супрамолекулярной химии тиомочевины оказались наиболее эффективными для распознавания как однозарядных ионов, таких как ионы галогенов, в том числе фторид-ионы, так и многозарядных ионов различной геометрии, включая ионы на основе аминокислот при физиологических значениях pH, а также некоторых биологически активных карбоксилатов.

В качестве отдельной группы хемосенсоров стоит выделить сопряженные полимеры, которые находят широкое применение для детекции различных аналитов. По сравнению с сенсорами на основе одиночных молекул, конъюгированные полимеры, получаемые в соответствие с общепринятой концепцией т.н. «молекулярного провода» обеспечивают больше мест связывания по основной цепи, что приводит к усилению сенсорного отклика за счёт полимерной цепи в целом. Также, благодаря развитым механическим свойствам полимеры могут быть включены в сенсорную мембрану или любую другую подложку. Например, недавно сообщалось о конъюгированном полимере с включенным орто-азонафтолом для логометрического зондирования фторид-ионов. В результате депротонирования ОН-группы азонафтолового фрагмента в присутствии ионов F^- наблюдалась хромовая и флуорогенная составляющая с пределами обнаружения 0,96 мкМ и 2,55 мкМ соответственно. В качестве другого примера сообщалось о сопряженном полимере на основе дикетопирролопиррола как хемосенсоре на фторид-ион, в присутствии которого происходило депротонирование с последующим блокированием электронного переноса энергии (ЭПЭ). Также в 2008 году сообщалось о спиральном поли(фенилацетилене) с остатками мочевины и присоединенным к ним фрагментам L-лейцина. Авторами отмечена сильная колориметрическая реакция на AcO-, а также на другие ионы, в том числе сферические F⁻, Cl⁻, B⁻, I⁻ и многомерные HSO₄⁻, NO₃⁻ и N₃⁻.

В последние десятилетия механосинтез стал привлекательным инструментом органического синтеза и более экологичной альтернативой традиционным методикам, осуществляемым на основе растворителей для проведения химических реакций. В основе данной методологии лежит использование энергии трения для инициирования химических взаимодействий твёрдых смесей. Яркими примерами таких взаимодействий являются реакции полимеризации по типам «solvent-less» или «solvent-free» для получения функциональных полимеров, включая процессы построения координационных и супрамолекулярных полимеров в механохимических условиях, обычно с использованием шаровых мельниц. Использование данного метода отличается многочисленными преимуществами, такими как полный отказ от растворителя или снижение его расхода, доступность новых структур и устранение проблем, связанных с низкой растворимостью мономера и быстрым осаждением.

В качестве прототипа выбран сенсор на основе поли[(Е)-6-метил-1-((4'-метил-2',5'-бис(октилокси)-[1,1'-бифенил]-4-ил)диазенил)нафталин-2-ол] используемый для визуального и флуоресцентного обнаружения галогенид- и ацетат- и дигидрофосфат ионов [Веб-ресурс: https://web.archive.org/web/20221103142839/https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0032386122009090, дата публикации: 18.11.2022 г.].

Недостатком прототипа является то, что для синтеза описанного соединения необходимо осуществить технологически сложный процесс кросс-сочетания по Сузуки с использованием труднодоступных исходных соединений, таких как (2,5-бис(октилокси)-1,4-фенилен)дибороновая кислота и (Е)-6-бром-1-((4-бромфенил)диазенил)нафталин-2-ол. Следует также отметить, что у данного сенсора отсутствует селективность между ионами и соответственно - флуоресцентный отклик и селективность по отношению к фторид- и гидроксид- ионам в растворах. Ввиду существующих недостатков требуется разработка нового решения в данной области техники.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в расширении арсенала существующих химических флуоресцентных сенсоров.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в создании эффективного и промышленно доступного химического флуоресцентного сенсора на основе поли[1,1'-([1,1'-бифенил]-2,2'-диил)бис(3-(2'-(((E)-4-(диметиламино)бензилиден)амино)-[1,1'-дифенил]-2-ил)мочевины)], имеющего выраженный флуоресцентный отклик и селективность по отношению к фторид- и гидроксид- ионам в растворах.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Химический флуоресцентный сенсор для обнаружения фторид- и гидроксид-ионов в растворах, характеризуется тем, что выполнен на основе поли[1,1'-([1,1'-бифенил]-2,2'-диил)бис(3-(2'-(((E)-4-(диметиламино)бензили-ден)амино)-[1,1'-дифенил]-2-ил)мочеви-ны)] и имеет следующую структурную формулу:

где Me – метильная группа.

Измельчение смеси до порошкообразного состояния могут осуществлять любым устройством для измельчения, преимущественно шаровой мельницей с диаметром стальных шаров составляющем 10 мм. Скорость вращения шаровой мельницы при этом может составлять 500 об/мин, а время измельчения может составлять 4 часа. Промывку полученного раствора могут осуществлять последовательно с применением воды, этанола и ацетона.

Изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Изобретение характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, описывающих предложенный химический флуоресцентный сенсор, чувствительный на фторид- и гидроксид- ионы и полученный путём механохимической поликонденсации. Данный сенсор функционирует по принципу изменения его флуоресцентных свойств при контакте с соответствующими ионами в растворе, а именно, увеличения интенсивности и батохромного сдвига эмиссии.

Изменение фотофизических свойств полимера в присутствии F^- и OH^- обусловлены депротонированием NH-групп карбамидных фрагментов с локализацией на них избыточного отрицательного заряда, что приводит к появлению новой полосы эмиссии с высокой интенсивностью. Полученный сенсор обладает выраженным флуоресцентным откликом и селективностью по отношению к фторид- и гидроксид-ионам в растворах при концентрациях последних от 6×10^-6 М.

Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в создании эффективного и промышленно доступного химического флуоресцентного сенсора на основе поли[1,1'-([1,1'-бифенил]-2,2'-диил)бис(3-(2'-(((E)-4-(диметиламино)бензилиден)амино)-[1,1'-дифенил]-2-ил)мочевины)], имеющего выра-женный флуоресцентный отклик и селективность по отношению к фторид- и гидроксид- ионам в растворах, тем самым расширяя арсенал существующих химических флуоресцентных сенсоров.

Изобретение обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».

Однако из уровня техники не известен химический флуоресцентный сенсор на основе поли[1,1'-([1,1'-бифенил]-2,2'-диил)бис(3-(2'-(((E)-4-(диметиламино)бензили-ден)амино)-[1,1 '-дифенил]-2-ил)мочевины)] для обнаружения фторид- и гидроксид-ионов в растворах и способ его получения.

Ввиду этого изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется следующими фигурами.

Фиг. 1 — Схема синтеза химического флуоресцентного сенсора для обнаружения фторид- и гидроксид-ионов в растворах.

Фиг. 2 — Визуальное различие химических флуоресцентных сенсоров при наличии F^- и OH^-.

Фиг. 3а — График зависимости длины волны от поглощения ультрафиолетового излучения химическим флуоресцентным сенсором при наличии F^-.

Фиг. 3б — График зависимости длины волны от излучения химического флуоресцентного сенсора при наличии F^-.

Фиг. 4а — График зависимости длины волны от поглощения ультрафиолетового излучения химическим флуоресцентным сенсором при наличии OH^-.

Фиг. 4б — График зависимости длины волны от излучения химического флуоресцентного сенсора при наличии OH^-.

Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути изобретения ниже представлен вариант его осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.

Для синтеза химического флуоресцентного сенсора на основе поли[1,1'-([1,1'-бифенил]-2,2'-диил)бис(3-(2'-(((E)-4-(диметиламино)бензилиден)амино)-[1,1'-дифенил]-2-ил)мочевины)] берут трифосген (242 мг, 0,81 ммоль, 1,5 экв.), 4-N,N-диметиламинобензальдегид (16 мг, 0,08 ммоль, 0,15 экв.) и K₂CO₃ (540 мг, 3,8 ммоль, 7 экв.) и измельчают в шаровой мельнице в сосуде из нержавеющей стали емкостью 25 мл с 4 шарами из нержавеющей стали диаметром 10 мм при 500 об/мин в течение 4 часов. После этого полученную смесь выливают в 10%-ный водный раствор HCl, фильтруют и промывают водой, этанолом и ацетоном. Химический флуоресцентный сенсор: ¹H ЯМР (ДМСО-d₆, 400 МГц) δ, м.д.: 3.00 (с, 0.06H, CH3-концевая группа), 6.97–7.58 (м, 4H, Ph), 8.79 (с, 1H, NH-). Выход продукта составил 165 мг (80%) в виде светло-жёлтого порошка.

Химический флуоресцентный сенсор на основе поли[1,1'-([1,1'-бифенил]-2,2'-диил)бис(3-(2'-(((E)-4-(диметиламино)бензилиден)амино)-[1,1 '-дифенил]-2-ил)мочевины)] работает следующим образом.

Для подтверждения сенсорных свойств химического флуоресцентного сенсора по отношению к F^- и OH^- проводят визуальные и фотофизические исследования его раствора в диметилсульфооксиде (ДМСО) при взаимодействии последнего с тетрабутиламмоний цианидом и тетрабутиламмоний гидроксидом (ТБАF и ТБАOH). Так, при добавлении к раствору сенсора с концентрацией 10^-3 М растворов ТБАF и ТБАОН с теми же концентрациями наблюдается значительное усиление интенсивности флуоресценции, а также её батохромный сдвиг из фиолетовой в жёлто-зелёную область эмиссии в отличие от добавления аналогичных растворов других ионов (Фиг. 3).

Далее проводят УФ- и флуоресцентное титрование раствора сенсора в ДМСО с концентрацией 2.2×10^-5 М растворами ТБАF и ТБАОН в том же растворителе и диапазонах концентраций 0–5.4×10^-5 М с шагом 6×10^-6 М. В результате проведённых экспериментов было обнаружено, что при добавлении возрастающих количеств TBAF и ТБАОН в растворах ДМСО в УФ-спектрах не наблюдалось существенных изменений интенсивности и форм полос поглощения (Фиг. 3а, 4а). Однако, в спектрах флуоресценции, измеренных на длине волны возбуждения 365 нм в растворе ДМСО, с увеличением концентрации TBAF и ТБАОН в обоих случаях наблюдалось тушение максимума флуоресценции при 430 нм (Фиг. 3б, 4б), а также появление новой разгорающейся полосы эмиссии с максимумом равным 530 нм и соответствующим батохромным сдвигом в 100 нм.

Появление данной полосы поглощения фиксируется при концентрациях фторид- и гидроксид-ионов от 6×10^-6 М. Кроме того, следует отметить, что новый максимум эмиссии в присутствии ТБАF (530 нм) в конечной точке титрования демонстрирует примерно вдвое меньшую интенсивность по сравнению с интенсивностью первоначальной полосы эмиссии (430 нм), наблюдаемой при отсутствии иона в анализируемом растворе сенсора (Фиг. 3б). Противоположная ситуация наблюдается в случае эмиссии комплекса полимера с ТБАОН, где новая полоса эмиссии вдвое превышает интенсивность полосы эмиссии равной 430 нм (Фиг. 4б). Это обуславливает визуальную разницу результирующей флуоресценции раствора сенсора в присутствии F^- и OH^- (Фиг. 2) и подтверждает его селективность в отношении указанных выше ионов.

Таким образом обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в создании эффективного и промышленно доступного химического флуоресцентного сенсора на основе поли[1,1'-([1,1'-бифенил]-2,2'-диил)бис(3-(2'-(((E)-4-(диметиламино)бензилиден)амино)-[1,1'-дифенил]-2-ил)мочевины)], имеющего выраженный флуоресцентный отклик и селективность по отношению к фторид- и гидроксид-ионам в растворах, тем самым расширяя арсенал существующих химических флуоресцентных сенсоров.

Изобретение относится к области флуоресцентного обнаружения фторид- и гидроксид-ионов с использованием химического сенсора и может быть использовано в целях санитарного контроля и стандартизации продуктов питания, лекарственных препаратов, товаров народного потребления, питьевой и водопроводной воды. Химический флуоресцентный сенсор для обнаружения фторид- и гидроксид- ионов в растворах выполнен на основе поли[1,1'-([1,1'-бифенил]-2,2'-диил)бис(3-(2'-(((E)-4-(диметиламино)бензилиден)амино)-[1,1'-дифенил]-2-ил)мочевины)] и имеет следующую структурную формулу: где Me - метильная группа. Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении эффективности обнаружения фторид- и гидроксид-ионов в растворах. 6 ил.

Химический флуоресцентный сенсор для обнаружения фторид- и гидроксид- ионов в растворах, характеризующийся тем, что выполнен на основе поли[1,1'-([1,1'-бифенил]-2,2'-диил)бис(3-(2'-(((E)-4-(диметиламино)бензилиден)амино)-[1,1'-дифенил]-2-ил)мочевины)] и имеет следующую структурную формулу:

где Me - метильная группа.