ГИДРАЗОН ФЛУОРЕСЦЕИНА И 4-МЕТИЛТИАЗОЛ-5-КАРБАЛЬДЕГИДА, ПРОЯВЛЯЮЩИЙ ИНДИКАТОРНЫЕ СВОЙСТВА К ИОНАМ Hg2+ В РАСТВОРЕ Российский патент 2024 года по МПК C07D491/107 G01N31/22 G01N21/64 

Изобретение относится к области аналитической химии и предназначено для определения ионов Hg²⁺ методом спектрофлуориметрии. Оно может быть применено в бытовых или промышленных системах очистки воды для контроля уровня ионов Hg²⁺ в воде.

Известно использование соединений, флуоресценция которых в растворе усиливается в присутствии определяемых катионов, в качестве индикаторов ионов Hg²⁺ в растворе [Chiou, Y.-R.; Wan, C.-F.; Wu, A.-T. A Selective Colorimetric and Turn-on Fluorescent Chemosensor for Hg2+ in Aqueous Solution. J. Fluoresc. 2017, 27, 317-322, doi:10.1007/s10895-016-1960-7; Kang, H.; Xu, H.; Fan, C.; Liu, G.; Pu, S. A New Sensitive Symmetric Fluorescein-Linked Diarylethene Chemosensor for Hg2+ Detection. J. Photochem. Photobiol. Chem. 2018, 367, 465-470, doi:10.1016/j.jphotochem.2018.09.001; Huang, L.; Sun, Y.; Zhao, G.; Wang, L.; Meng, X.; Zhou, J.; Duan, H. A Novel Fluorescein-Based Fluorescent Probe for Detection Hg2+ and Bioimaging Applications. J. Mol. Struct. 2022, 1255, 132427, doi:10.1016/j.molstruc.2022.132427; Erdemir, S. Fluorometric Dual Sensing of Hg2+ and Al3+ by Novel Triphenylamine Appended Rhodamine Derivative in Aqueous Media. Sens. Actuators B Chem. 2019, 290, 558-564, doi:10.1016/j.snb.2019.04.037; Wang, S.; Ding, H.; Wang, Y.; Fan, C.; Liu, G.; Pu, S. Novel Multi-Responsive Fluorescence Switch for Hg2+ and UV/Vis Lights Based on Diarylethene-Rhodamine Derivative. Tetrahedron 2019, 75, 1517-1524, doi:10.1016/j.tet.2019.01.071; Mohammad, H.; Islam, A.S.M.; Prodhan, C.; Ali, M. A Fluorescein-Based Chemosensor for “Turn-on” Detection of Hg2+ and the Resultant Complex as a Fluorescent Sensor for S2- in Semi-Aqueous Medium with Cell-Imaging Application: Experimental and Computational Studies. New J. Chem. 2019, 43, 5297-5307, doi:10.1039/C8NJ05418E.; Rathod, R.V.; Bera, S.; Maity, P.; Mondal, D. Mechanochemical Synthesis of a Fluorescein-Based Sensor for the Selective Detection and Removal of Hg²⁺ Ions in Industrial Effluents. ACS Omega 2020, 5, 4982-4990, doi:10.1021/acsomega.9b03885].

Наиболее близким структурным аналогом является гидразон флуоресцеина и 2-(пиридин-2-илметокси)-нафтлен-1-карбальдегида, который позволяет селективно определять Hg²⁺ ионы с концентрацией больше либо равной 1,24 мкмоль/л. Для качественного и количественного определения Hg²⁺ ионов в растворе при помощи спектрофлуориметра к анализируемому раствору, содержащему Hg²⁺ ионы, добавляли раствор индикатора гидразона флуоресцеина и 2-(пиридин-2-илметокси)-нафтлен-1-карбальдегида в HEPES буфере, pH 7,2 и фиксировали усиление флуоресценции при 520 нм и увеличение квантового выхода флуоресценции [Mohammad, H.; Islam, A.S.M.; Prodhan, C.; Ali, M. A Fluorescein-Based Chemosensor for “Turn-on” Detection of Hg²⁺ and the Resultant Complex as a Fluorescent Sensor for S²- in Semi-Aqueous Medium with Cell-Imaging Application: Experimental and Computational Studies. New J. Chem. 2019, 43, 5297-5307, doi:10.1039/C8NJ05418E].

Задачей изобретения является поиск нового соединения, обладающего более высокой чувствительностью по сравнению с аналогом для селективного качественного и количественного флуориметрического определения Hg²⁺ ионов в растворе с пределом обнаружения менее 1,24 мкмоль/л.

Задача решена гидразоном флуоресцеина и 4-метилтиазол-5-карбальдегида структурной формулы:

,

проявляющим индикаторные свойства к ионам Hg²⁺ в растворе.

Для осуществления изобретения используют:

- гидразид флуоресцеина (масс. доля ≥ 98%) - BLD Pharm, Индия;

- 4-метилтиазол-5-карбальдегид (масс. доля ≥ 95%) - BLD Pharm, Индия;

- этанол (масс. доля ≥ 94.4%) - ООО «Константа-Фарм М», Россия;

- ацетон (масс. доля ≥ 99%) - ЭКОС-1, Россия;

- дистиллированная вода (κ=3.6 мкС/см, pH=6.6).

Синтез заявляемого вещества

Заявляемое вещество получают в ходе реакции конденсации гидразида флуоресцеина и 4-метилтиазол-5-карбальдегида:

Растворы 4-метилтиазол-5-карбальдегида (0,1281 г в 20 мл этанола) и гидразида флуоресцеина (0,3466 г в 50 мл этанола) смешивают в колбе. Полученную смесь нагревают до кипения и перемешивают в течение 6 часов. После охлаждения до комнатной температуры образуется мелкодисперсный бледно-серый осадок. Полученный кристаллический продукт отфильтровывают, промывают этанолом и ацетоном и высушивают при 40°C до постоянной массы. Выход составил 0,3097 г (68 %).

¹H ЯМР, δ, млн. д., (DMSO-d6): 9.95с (2H, OH), 9.08s (1H, H₂), 8.94с (1H, H₆), 7.92д (³J = 7.4 Гц, 1H, H₈), 7.66т (³J = 7.0 Гц, 1H, H₁₀), 7.61т (³J = 7.0 Гц, 1H, H₉), 7.14д (³J = 7.4 Гц, 1H, H₁₁), 6.65д (⁴J = 1.1 Гц, 2H, H₁₈), 6.48д (⁴J = 1.1 Гц, 4H, H_15,16), 2.29с (3H, H_4’). ¹³C ЯМР, δ, млн. д. DMSO-d6: 164.0 (C=O), 159.2 (C₁₇), 155.7 (C₂), 154.7 (C₁₉), 152.7 (C₄), 150.8 (C₁₂), 141.2 (C₆), 134.6 (C₇), 129.7 (C₁₀), 129.3 (C₁₅), 128.6 (C₅), 128.6 (C₈), 124.4 (C₁₁), 123.7 (C₉), 112.9 (C₁₆), 110.1 (C₁₄), 102.8 (C₁₈), 65.7 (C₁₃), 15.5 (C_4’). m/z = 456.55 [1+H⁺], теорер. m/z = 456.49 [1+H⁺]. ИК, (KBr) см^-1: 3422с, 2921ср, 2851с, 1701с, 1669с, 1614с, 1505с, 1446с, 1390ср, 1312 ср, 1269 с, 1172с, 1113с, 994ср, 849ср, 758 ср, 692ср, 625сл, 475сл.

Изобретение поясняется чертежами.

Фиг. 1 - структура нового флуоресцентного индикаторного соединения, флуоресценция которого значительно усиливается в присутствии Hg²⁺ ионов; фиг. 2 - видимая невооруженным глазом флуоресценция растворов, содержащих индикатор и Hg²⁺ ионы, по сравнению с растворами, содержащими индикатор и другие катионы; флуоресценция возбуждена светом с длиной волны 365 нм; растворитель - H₂O/ДМСО (8:2 об.:об.); фиг. 3 - спектры флуоресценции растворов, содержащих заявляемое соединение и различные катионы. Из спектров видно, что добавление ионов ртути(II) максимально усиливает интенсивность эмиссионного спектра. В качестве источника возбуждения использован свет с длиной волны 446 нм. Растворитель - H₂O/ДМСО (8:2 об.:об.). Фиг. 4. - интенсивность флуоресценции при 520 нм растворов, содержащих заявляемое соединение, Hg²⁺ ионы и другие катионы. Видно, что присутствие различных катионов в эквимолярном количестве не препятствует качественному обнаружению Hg²⁺ ионов. Флуоресценция возбуждена светом с длиной волны 446 нм. Растворитель - H₂O/ДМСО (8:2 об.:об.). Фиг. 5. - интенсивность флуоресценции при 520 нм растворов, содержащих заявляемое соединение, Hg²⁺ ионы и различные анионы. Видно, что присутствие различных анионов в эквимолярном количестве не препятствует качественному обнаружению Hg²⁺ ионов. Флуоресценция возбуждена светом с длиной волны 446 нм. Растворитель - H₂O/ДМСО (8:2 об.:об.). Фиг. 6. - спектры флуоресценции растворов, содержащих заявляемое соединение (50 мкмоль/л) и Hg²⁺ ионы (0-180 мкмоль/л). Флуоресценция возбуждена светом с длиной волны 446 нм. Растворитель - H₂O/ДМСО (8:2 об.:об.); фиг. 7 - линейная зависимость интенсивности флуоресценции раствора заявляемого соединения при 520 нм от концентрации Hg² ионов. Показана линейная зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации Hg²⁺ ионов в пределах их концентрации от 25 до 85 мкмоль/л. Флуоресценция возбуждена светом с длиной волны 446 нм. Растворитель - H₂O/ДМСО (8:2 об.:об.).

Общая методика применения заявляемого вещества

Качественное и количественное определение Hg²⁺ ионов осуществляют следующим образом: точную навеску индикатора растворяют в диметилсульфоксиде. Затем готовят раствор в H₂O/ДМСО (8:2 об.:об.) с концентрацией 50 мкмоль/л. К 2,7 мл полученного раствора, добавленного c помощью автоматического дозатора во флуориметрическую кювету с длиной оптического пути 1 см, сперва прибавляют несколько проб, содержащих известное количество Hg²⁺ ионов, так, чтобы итоговая концентрация была в диапазоне от 25 до 85 мкмоль/л, и строят зависимость интенсивности флуоресценции раствора при 520 нм (длина волны возбуждения 446 нм), чтобы получить градуировочный график. Далее к 2,7 мл раствора гидразона, добавленного в спектрофлуориметрическую кювету с длинной оптического пути 1 см, прибавляют исследуемую пробу воды и находят неизвестную концентрацию Hg²⁺ ионов в исследуемом образце.

Механизм усиления интенсивности флуоресценции нового гидразона, проявляющего индикаторные свойства по отношению к Hg²⁺ ионам основан на образовании координационного соединения индикатора с ионом ртути (II) в растворе.

Гидразон показывает существенное усиление интенсивности испускания при возбуждении светом с длиной волны 446 нм. В диапазоне концентраций Hg²⁺ ионов от 25 до 85 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 50 мкмоль/л от концентрации ионов Hg²⁺ ионов нашли линейный участок зависимости (от 25 до 85 мкмоль/л Hg²⁺) и определили соответствующий ему тангенс угла наклона. Предел обнаружения (limit of detection, LOD) определяется по отношению утроенной стандартной погрешности измерения интенсивности флуоресценции, деленой на этот тангенс угла наклона. Предел количественного определения (limit of quantification, LOQ) определяется по отношению удесятеренной стандартной погрешности измерения интенсивности флуоресценции, деленой на этот тангенс угла наклона. Предел качественного обнаружения составляет 0,23 мкмоль/л, предел количественного определения - 0,77 мкмоль/л для заявляемого соединения.

Пример 1

Заявленное соединение использовали для анализа количества Hg²⁺ ионов, добавленного в речную воду (река Уводь, 57°00'09.0"N 40°59'46.7"E).

К 5 мл речной воды добавляли раствор нитрата ртути(II), что соответствовало концентрации Hg²⁺ 400 мкмоль/л. Затем различное количество этого раствора добавляли к 2,7 мл 50 мкмоль/л раствора гидразона в растворе H₂O/ДМСО (8:2 об.:об) и измеряли интенсивность флуоресценции смеси при λ_ex = 446 нм и λ_em = 520 нм.

Анализируемый образец Точное содержание Hg²⁺, мкмоль/л Найденное содержание Hg²⁺, мкмоль/л Речная вода «Уводь» 30,00 28,74±2,12 40,00 37,55±2,91 60,00 54,93±3,63

Пример 2

К 5 мл речной воды добавляли раствор нитрата ртути(II), что соответствовало концентрации Hg²⁺ 400 мкмоль/л. Затем различное количество этого раствора добавляли к 2,7 мл 50 мкмоль/л раствора гидразона в растворе H₂O/ДМСО (8:2 об.:об) и измеряли интенсивность флуоресценции смеси при λ_ex = 446 нм и λ_em = 520 нм.

Анализируемый образец Точное содержание Hg²⁺, мкмоль/л Найденное содержание Hg²⁺, мкмоль/л Речная вода «Ухтохма» 30,00 29,01±1,84 40,00 37,18±2,54 60,00 57,43±2,32

Все эксперименты повторяли трижды.

Из приведенных примеров видно, что полученный индикатор позволяет проводить количественный анализ ионов ртути (II) в водном растворе с хорошей точностью.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет с более высокой чувствительностью по сравнению с аналогом качественно и количественно определять спектрофлуориметрическим методом Hg²⁺ ионы в водном растворе с пределом обнаружения 0,23 мкмоль/л. Предлагаемое индикаторное соединение на основе гидразона 4-метилтиазол-5-карбальдегида и флуоресцеина позволяет осуществлять селективный (избирательный качественный) анализ ионов ртути (II) при одновременном наличии еще ряда катионов и анионов.

Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к гидразону флуоресцеина и 4-метилтиазол-5-карбальдегида, структурной формулы

,

предназначенному для определения ионов Hg²⁺ методом спектрофлуориметрии. Предложенное соединение проявляет индикаторные свойства к ионам Hg²⁺ в растворе, обладает высокой чувствительностью и может применяться в бытовых или промышленных системах очистки воды для контроля уровня ионов Hg²⁺ в воде. 7 ил., 2 пр.

Гидразон флуоресцеина и 4-метилтиазол-5-карбальдегида структурной формулы:

,

проявляющий индикаторные свойства к ионам Hg²⁺ в растворе.