6,7-ДИФТОР-2-(ПИРИДИН-2-ИЛ)-9H-ПИРИДО[2,3-b]ИНДОЛ - ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ 2,4,6-ТРИНИТРОФЕНОЛА (ПИКРИНОВОЙ КИСЛОТЫ) Российский патент 2024 года по МПК C07D471/04 G01N33/22 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области люминесцентных соединений с гетероциклическим 6,7-дифтор-2-(пиридин-2-ил)-9H-пиридо[2,3-b]индольным ядром. Предлагаемый флуоресцентный химический сенсор - 6,7-дифтор-2-(пиридин-2-ил)-9H-пиридо[2,3-b]индол 1 (Фиг. 1) является чувствительным "turn-off" химическим сенсором на 2,4,6-тринитрофенол (пикриновую кислоту, ПК) и может найти применение в качестве рабочего тела сенсорных материалов и в составе флуоресцентных детекторов ВВ в армии, на флоте и в силовых структурах.

2. Уровень техники

В последние несколько десятилетий террористические угрозы стали актуальной проблемой во всем мире, и эти угрозы в основном связаны с применением боевых отравляющих веществ или взрывных устройств против гражданского транспорта и/или объектов гражданской инфраструктуры. Поэтому подходы к дистанционному обнаружению боевых отравляющих веществ и взрывчатых веществ пользуются большим спросом. Что касается последнего, то использование служебных собак считается наиболее эффективным и применимым инструментом обнаружения взрывчатых веществ [Lazarowski, L.; Waggoner, L.P.; Krichbaum, S.; Singletary, M.; Haney, P.; Rogers, В.; Angle, C. Selecting Dogs for Explosives Detection: Behavioral Characteristics. Front. Vet. Sci. 2020, 7, 597]. Однако использование собак для этой цели имеет ряд недостатков. Прежде всего, собаки не могут работать самостоятельно, а действуют только в паре с кинологом, который несет полную ответственность за правильную оценку поведения собаки во время поиска взрывчатых веществ. Во-вторых, с собаками нельзя работать так же интенсивно, как с устройством (не более получаса). В-третьих, собаки также уязвимы к отвлечению внешними факторами, такими как новое окружение, яркий свет и громкий шум, усталость и даже манящие запахи, оставленные представителями собак противоположного пола. Поэтому ведутся исследования по использованию других млекопитающих/грызунов, таких как свиньи [Sigler, N.M. The Theoretical Application and Comparison of the Olfactory Sensory Organs in Swine vs. Canines for Accelerant and Explosives Detection. Honors Theses 390. 2016.] или крысы [Webb, E.K.; Saccardo, C.C.; Poling, A.; Cox, C.; Fast, C.D. Rapidly training African giant pouched rats (Cricetomys ansorgei) with multiple targets for scent detection. Behav. Process. 2020, 174, 104085; Corcelli, A.; Lobasso, S.; Lopalco, P.; Dibattista, M.; Araneda, R.; Peterlin, Z.; Firestein, S. Detection of explosives by olfactory sensory neurons. J. Hazard. Mater. 2010, 175, 1096 1100]. Некоторые другие исследования связаны с изучением насекомых/биоустройств на основе насекомых для обнаружения взрывчатых веществ [Trained Wasps May Be Used to Detect Bombs, Bugs, Bodies and More. Science Daily, 21 October 2005; Detecting Explosives with Honeybees: Experts Develop Method to Train Air Force of Bomb-Sniffing Bees. Science Daily, 29 November 2006; Hall, M. Scientists recruit wasps for war on terror. USA Today, 26 December 2005; Saha, D.; Mehta, D.; Altan, E.; Chandak, R.; Traner, M.; Lo, R.; Gupta, P.; Singamaneni, S.; Chakrabartty, S.; Raman, B. Explosive sensing with insect-based biorobots. Biosens. Bioelectron. X 2020, 6, 100050].

Другие подходы к обнаружению взрывчатых веществ включают использование физических методов, таких как масс-спектрометрия [Yinon, J. Chapter 2 - Detection of Explosives by Mass Spectrometry. In Counterterrorist Detection Techniques of Explosives; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2007, 41-59], спектрометрия дифференциальной подвижности [Eiceman, G.A.; Schmidt, H.; Cagan, A.A. Chapter 3 - Explosives Detection Using Differential Mobility Spectrometry. In Coun-terterrorist Detection Techniques of Explosives; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2007; 61-90], электрохимические методы [Wang, J. Chapter 4- Electrochemical Sensing of Explosives. In Counterterrorist Detection Techniques of Explosives; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2007; pp. 91-107], микрокантилеверные устройства [Senesac, L.; Thundat, T. Chapter 5 - Explosive Vapor Detection Using Micro cantilever Sensors. In Counterterrorist Detection Techniques of Explosives; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2007; pp. 109-130], нейтронные методы [Lanza, R.C. Chapter 6 - Neutron Techniques for Detection of Explosives. In Counterterrorist Detection Techniques of Explosives; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2007; pp. 131-155], методы ядерного квадрупольного резонанса [Miller, J.B. Chapter 7 - Nuclear Quadrupole Resonance Detection of Explosives. In Counterterrorist Detection Techniques of Explosives; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2007; pp. 157-198], рентгеновские дифракционные методы [Harding, G.; Harding, A. Chapter 8 - X-ray Diffraction Imaging for Explosives Detection. In Counterterrorist Detection Techniques of Explosives; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2007; pp. 199-235], миллиметровые [Sheen, D.M.; McMakin, D.L.; Hall, Т.Е. Chapter 9 - Detection of Explosives by Millimeter-wave Imaging, hi Counterterrorist Detection Techniques of Explosives; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2007; pp. 199-235] или терагерцовые методы визуализации [Federici, J.F.; Gary, D.; Barat, R.; Michalopoulou, Z.-H. Chapter 11 - Detection of Explosives by Terahertz Imaging. In Counterterrorist Detection Techniques of Explosives; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2007; pp. 323-366] и, наконец, лазерные методы обнаружения [Munson, С.A.; Gottfried, J.L.; De Lucia, F.C.; McNesby, K.L.; Miziolek, A.W. Chapter 10 - Laser-based Detection Methods of Explosives. In Counterterrorist Detection Techniques of Explosives; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2007; pp. 279-321]. Основными недостатками этих методов являются отсутствие портативности, необходимость специальных алгоритмов перевода сенсорного отклика в считываемый сигнал, заметная временная задержка, высокая стоимость оборудования и, в большинстве случаев, случаях требуется эксплуатация высококвалифицированным персоналом. В этом отношении использование колориметрических [Adegoke, О.; Nic Daeid, N. Colorimetric optical nanosensors for trace explosive detection using metal nanoparticles: Advances, pitfalls, and future perspective. Emerg. Top.Life Sci. 2021, 5, 367-379; Almog, J.; Zitrin, S. Chapter 4- Colorimetric Detection of Explosives. In Aspects of Explosives Detection; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2009; pp. 41-58] или флуоресцентных методов [Sun, X.; Wang, Y.; Lei, Y. Fluorescence based explosive detection: From mechanisms to sensory materials. Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 8019-8061] представляется более удобным из-за их дешевизны, простоты эксплуатации, быстрого времени отклика и видимой невооруженным глазом сенсорной реакции. Что касается флуоресцентных методов, в литературе уже сообщалось о большом разнообразии флуоресцентных материалов, таких как низкомолекулярные флуорофоры, флуорофоры/материалы с агрегационной эмиссией и супрамолекулярные системы [Sun, X.; Wang, Y.; Lei, Y. Fluorescence based explosive detection: From mechanisms to sensory materials. Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 8019-8061]. Такие материалы привлекают внимание благодаря простоте получения, возможностям тонкой настройки свойств и отличным сенсорным характеристикам, а также их способности распознавать взрывчатые вещества с помощью различных механизмов обнаружения и их комбинаций.

В литературе представлено большое разнообразие в используемых хемосенсоров для детектирования нитроароматических взрывчатых веществ, среди которых можно выделить флуорофоры азагетероциклического ряда [E.V. Verbitskiy, G.L. Rusinov, O.N. Chupakhin, V.N. Charushin. Dyes and Pigments, 2020, 180, 108414], демонстрирующие ряд преимуществ по отношению к полициклическим углеводородным каркасам (модифицируемость химической структуры, простота изготовления, наличие термо-, хемо-, фотоустойчивости и пр.).

Несмотря на хорошую изученность свойств и областей применения производных 2-(пиридин-2-ил)-9H-пиридо[2,3-b]индола [Zhen-E Chen, Xu-Feng Zang, Mei Yang, Hai Zhang, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy Volume 234, 15 June 2020, 118236; Yimin Hu, Houguang Shi, Mingwei Zhou, et al. J. Med. Chem. 2020, 63, 17, 9623-9649], использование их в качестве хемосенсоров на нитроароматические взрывчатые вещества (нитро-ВВ) или селективно на ПК не представлено. Так как нами не было найдено в научной литературе подобия разработанного нами химического сенсора с наиболее совпадающими признаками, нами предлагается новый гетероциклический сенсор на ПК - 6,7-дифтор-2-(пиридин-2-ил)-9H-пиридо[2,3-b]индол 1 (Фиг. 1).

3. Сущность изобретения

Сущность изобретения составляет растворимый в органических растворителях флуорофор 6,7-дифтор-2-(пиридин-2-ил)-9H-пиридо[2,3-b]индол 1, способный снижать интенсивность собственной флуоресцентной эмиссии, вызванной фотовозбуждением, при контакте с 2,4,6-тринитрофенолом (пикриновой кислотой, ПК), что делает его "turn-off" хемосенсором на присутствие 2,4,6-тринитрофенола.

Представляемое изобретение демонстрирует тушение флуоресценции при обнаружении ПК в растворах с константой K_SV=1.91×10⁴ М^-1, а также пригодно для качественной оценки присутствия ПК с пределом обнаружения 1295 ppm.

4. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

4.1. Описание способа получения сенсора 1

Для подтверждения возможности осуществления изобретения приводится синтез сенсора 1. Схематически синтез представлен на Фиг. 1.

В круглодонную колбу объемом 100 мл последовательно добавили 7,8-дифтор-3-(пиридин-2-ил)-5H-[1,2,4]триазино[5,6-b]индол 2 (248 мг, 0.88 ммоль), 2,5-норборнадиен 3 (0.71 мл, 7 ммоль) и 20 мл 1,2-дихлорбензола. Полученную смесь перемешивали при 215°С в атмосфере аргона в течение 24 часов. 1,2-Дихлорбензол отогнали при пониженном давлении. Полученный твердый остаток подвергли колоночной хроматографии с использованием смеси этилацетата и хлороформа в соотношении 1:5 в качестве элюента. Для сенсора 1 значение Rf=0.5.

6,7-Дифтор-2-(пиридин-2-ил)-9H-пиридо[2,3-b]индол 1. Выход 86% (211 мг, 0.75 ммоль). ¹H ЯМР (400 МГц, CDCl₃, δ, м.д.): 7.14-7.21 (м, 1H), 7.30-7.38 (м, 1H), 7.76-7.90 (м, 2Н), 8.28-8.39 (м, 2Н), 8.42 (д, J=8.0 Гц, 1Н), 8.75 (д, J=4.0 Гц, 1Н), 9.13 (с, 1Н).

¹⁹F ЯМР (400 МГц, CDCl₃, δ, м.д.): 135.97, 146.23.

¹³С NMR (100 MHz, CDCl₃, δ, м.д.): 109.61, 112.13, 121.40, 122.19, 123.01, 123.22, 124.23, 128.72, 128.98, 129.31, 129.57, 130.16, 130.34, 131.18, 133.50, 144.02.

Соединение представляет собой желтоватый кристаллический порошок, растворимый в хлороформе, толуоле, этаноле, ацетонитриле и тетрагидрофуране (ТГФ); не растворимый в воде.

4.2. Подтверждение флуоресцентных свойств соединения 1

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 200-600 нм с точностью установки длины волны ±0,1 нм. Сенсор характеризуется высокой поглощательной способностью: наибольшее поглощение с молярным коэффициентом экстинкции 31500 М^-1 cm^-1 наблюдалось при λ_abs^max=326 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 326 нм, находится при 400 нм (Фиг. 2, Табл. 1).

4.3. Флуориметрическое титрование сенсора 1 пикриновой кислотой (ПК) 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=326 нм, а измерение интенсивности флуоресценции провели на длине волны λ_эм=400 нм. Концентрация раствора соединения 1 составляла 1×10^-5 М. Базовая концентрация ПК составляла 2×10^-3 М в растворе ТГФ. Объем аликвоты ПК составлял 10 мкл, концентрация ПК в аликвоте составляла 2×10^-3 М.

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

4.4. Подтверждение сенсорных свойств соединения 1 и порога обнаружения пикриновой кислоты (ПК) путем флуориметрического титрования соединения 1 в среде ТГФ

Для оценки и сравнения эффективности тушения сенсоров и проб обычно используют математическую модель Штерна-Фольмера. Если имеет место статический механизм тушения, константа тушения (константа Штерна-Фольмера), K_SV, должна увеличиваться линейно с концентрацией тушителя, как описано уравнением Штерна-Фольмера (уравнение 1):

где I₀ и I - интенсивность флуоресценции до и после добавления нитроароматического соединения (тушителя); [Q] - концентрация тушителя, моль/л (М); K_SV - значение константы тушения (константы Штерна-Фольмера), М^-1.

Согласно уравнению (1), график зависимости I₀/I от [Q] или так называемый график Штерна-Фольмера должен представлять собой прямую линию с наклоном, равным K_SV.

Сенсорные свойства соединения 1 по отношению к ПК 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 ПК составила 1.91×10⁴ М^-1 при линейности R²=0.95 (Фиг. 4).

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 уравнению 2:

где LOD - предел обнаружения нитро-ВВ, М; σ - стандартное отклонение интенсивности флуорофора в отсутствие аналита, полученное с помощью функции «CTOIIIYX» в MS Excel; k - коэффициент уравнения кривой регрессии. Расчет значений LOD при титровании соединения 1 нитро-ВВ:

LOD (ПК)=3⋅8066.15/4277543381=5.65⋅10^-6 М=1295 ppm

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

Изобретение относится к области люминесцентных соединений, а именно к 6,7-дифтор-2-(пиридин-2-ил)-9H-пиридо[2,3-b]индолу, применяемому как оптический сенсор для обнаружения 2,4,6-тринитрофенола. Технический результат - 6,7-дифтор-2-(пиридин-2-ил)-9H-пиридо[2,3-b]индол, применяемый как люминесцентный химический сенсор для обнаружения 2,4,6-тринитрофенола. 4 ил., 1 табл., 4 пр.

6,7-Дифтор-2-(пиридин-2-ил)-9H-пиридо[2,3-b]индол – мономолекулярный оптический сенсор для обнаружения 2,4,6-тринитрофенола.