N-([1,1'-БИФЕНИЛ]-3-ИЛ)-4-ФЕНИЛ-1-(ПИРИДИН-2-ИЛ)-6,7-ДИГИДРО-5H-ЦИКЛОПЕНТА[C]ПИРИДИН-3-АМИН - МОНОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ НИТРОАРОМАТИЧЕСКИХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
N-([1,1'-BIPHENYL]-3-YL)-4-PHENYL-1-(PYRIDINE-2-YL)-6,7-DIHYDRO-5H-CYCLOPENTA[C]PYRIDINE-3-AMINE - MONOMOLECULAR OPTICAL SENSOR FOR DETECTING NITROAROMATIC EXPLOSIVES

1. Область техники, к которой относится изобретение
H
Изобретение относится к люминесцентным органическим соединениям на основе 1-(пиридин-2-ил)-6,7-дигидро-5-циклопента[c]пиридина. Изобретения представляет собой флуорофор, пригодный для применения в качестве мономолекулярного оптического сенсора типа «turn-off», работающего за счет тушения эмиссии в присутствии следовых количеств нитросодержащих взрывчатых веществ (нитро-ВВ) в 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, а также в быту и сельском хозяйстве.
2. Уровень техники
Одним из современных направлений в области органической химии является создание синтетических химических сенсоров для обнаружения различных аналитов. Это связано с их значением в биомедицинском анализе, охране окружающей среды и безопасности населения. Нитроароматические соединения в ряду аналитов часто встречаются во всем мире, как используемые химические вещества в качестве взрывчатых веществ, а также пестицидов, инсектицидов, гербицидов [K.S. Ju, R.E. Parales, Nitroaromatic compounds, from synthesis to biodegradation, Microbiol. Mol. Biol. Rev. 250-272; G.W. Ware, The pesticide book, 4th ed., Thompson Publications, Fresno, CA,1994], в различных фармацевтических материалах.
Химические сенсоры с флуоресценцией в качестве выходного сигнала, обычно называемые флуоресцентными хемосенсорами, демонстрируют существенное преимущество по сравнению с традиционными аналитическими методами, такими как масс-спектрометрия [A. Popov, H. Chen, O. N. Kharybin, E. N. Nikolaev and R. G. Cooks, Chem. Commun., 2005, 1953.], рамановская спектроскопия [K. Vijayarangamuthu and S. Rath, Int. J. Appl. Ceram. Technol., 2015,12, 790], электрохимический анализ [J. C. Chen, J. L. Shih, C. H. Liu, M. Y. Kuo and J. M. Zen, Anal. Chem., 2006, 78, 3752], спектроскопия подвижности ионов [K. M. Roscioli, E. Davis, W. F. Siems, A. Mariano, W. Su, S. K. Guharay and H. H. Hill, Jr, Anal. Chem., 2011, 83, 5965.], рентгеновская визуализация [R. D. Luggar, M. J. Farquharson, J. A. Horrocks and R. J. Lacey, X-Ray Spectrom., 1998, 27, 87] и пр. Это связано с тем, что флуоресцентные сигналы могут обеспечивать высокую чувствительность и селективность, быстрое измерение, низкую стоимость, анализ на месте, а иногда даже обнаружение «невооруженным глазом» [Zyryanov, G. V., Kopchuk, D. S., Kovalev, I. S., Nosova, E. V., Rusinov, V. L., & Chupakhin, O. N. (2014). Chemosensors for detection of nitroaromatic compounds (explosives). Russian Chemical Reviews, 83(9), 783-819. DOI 10.1070/RC2014v083n09ABEH004467].
Свойство нитроароматических соединений с высоким уровнем дефицита электронов способствует эффективному фотоиндуцированному переносу электронов (PET) от электрон избыточных π-конъюгированных флуорофоров [Meaghan E. Germain and Michael J. Knapp, Optical explosives detection: from color changes to fluorescence turn-on, Chem.Soc.Rev.,2009, 38, 2543-2555]. Существует значительное количество низкомолекулярных полиароматических хромофоров, таких как пирен, перилен, флуоресцеин, трифенилен, иптицены и пр., которые используются в качестве основы традиционных хемосенсоров для обнаружения ВВ.
Среди большинства молекулярных сенсоров, содержащих азотсодержащие гетероциклы, наиболее широко применяются пиридины [Ma Y, Zhang Y, Liu X, Zhang Q, Kong L, Tian Y, Li G, Zhang X, Yang J. AIE-active luminogen for highly sensitive and selective detection of picric acid in water samples: pyridyl as an effective recognition group. Dyes Pigments 2019;163:1-8], хинолин [Jiang K, Luo S-H, Pang C-M, Wang B-W, Wu H-Q, Wang Z-Y. A functionalized fluorochrome based on quinoline-benzimidazole conjugate: from facile design to highly sensitive and selective sensing for picric acid. Dyes Pigments 2019;162: 367-76], хиноксалины [Gupta, S., Milton, M. D. (2021). Y-shaped AIEE active quinoxaline-benzothiazole conjugate for fluorimetric sensing of nitroaromatics in aqueous media. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 419, 113444. doi.org/10.1016/j.jphotochem.2021.113444; Moshkina, T. N., Nosova, E. V., Kopotilova, A. E., Lipunova, G. N., Valova, M. S., Sadieva, L. K., … Charushin, V. N. (2020). Synthesis and photophysical studies of novel V-shaped 2,3-bis{5-aryl-2-thienyl}(dibenzo[f,h])quinoxalines. Asian Journal of Organic Chemistry. doi:10.1002/ajoc.202000038] в качестве акцепторных фрагментов π-сопряженных флуорофоров с явно выраженным внутренним переносом заряда (ICT) или “push-pull” характером.
3
2+
Известно, что 2,2'-бипиридиновый домен является не только хелатирующим бидентатным лигандом, координирующим катион металла, благодаря своей сильной окислительно-восстановительной стабильности и легкой функционализации [C. Kaes, A. Katz and M. W. Hosseini, Chem. Rev., 2000, 100, 3553-3590;], но и не менее многообещающей акцепторной системой для построения высокоэффективных π-конъюгированных флуорофоров различного назначения [Y. Liu, Q. Miao, S. W. Zhang, X. B. Huang, L. F. Zheng and Y. X. Cheng, Macromol. Chem. Phys., 2008, 209, 685-694]. Производные 2,2'-бипиридинов могут выступать в качестве проб на катионы металлов [J. Pei, A. L. Ding, W. L. Yu and Y. H. Lai, Macromol. Rapid Commun., 2002, 23,21-25], основы различных функциональных полимерных материалов для обнаружения нитросодержащих ВВ [T. Hosomi, H. Masai, T. Fujihara, Y. Tsuji and J. Terao, Angew. Chem., Int. Ed., 2016, 55, 13427-13431; S. He, A. A. Buelt, J. M. Hanley, B. P. Morgan, A. G. Tennyson and R. C. Smith, Macromolecules, 2012, 45, 6344-6352], фотосенсибилизаторов красителей в фотоэлектрохимических ячейках [Li, Y. Zhu, F. Li, G. Liu, S. Xu, L. Sun, Dye-sensitized photoanode decorated with pyridine additives for efficient solar water oxidation, Chinese J. Catal. 42 (8) (2021) 1352-1359], исходных материалов в органических светоизлучающих диодах [. Chen, P. Rajamalli, F. Tenopala-Carmona, C.L. Carpenter-Warren, D.B. Cordes, C.-M. Keum, A.M.Z. Slawin, M.C. Gather, E. Zysman-Colman, Bipyridine- containing host materials for high performance yellow thermally activated delayed fluorescence-based organic light emitting diodes with very low efficiency roll-off, Adv. Opt. Mater. 8 (1) (2020) 1901283] и других функциональных материалов [P. Dong, Y. Zhou, J. Wang, J.-J. Zhu, Electrogenerated chemiluminescence resonance energy transfer between Ru(bpy) electrogenerated chemiluminescence and gold nanoparticles/graphene oxide nanocomposites with graphene oxide as coreactant and its sensing application, Anal. Chem. 88 (10) (2016) 5469-5475].
Несмотря на столь обширную сферу использования 2,2'-бипиридинового домена сведения об использовании в качестве хемосенсоров для обнаружения нитросодержащих аналитов флуорофоров на основе 2,2'-бипиридинового лиганда в научной и патентной литературе отсутствуют. Наиболее близким по структуре является 2,2':6',2''-терпиридиновый лиганд, в структуре которого присутствует дополнительный пиридильный цикл в положении C6' бипиридинового домена. В литературе имеются данные о синтезе и исследовании серии новых высокоэффективных сопряженных ариленвиниленовыми фрагментами 4'-(4-{2-[арил]-этенил}фенил)-2,2':6',2''-терпиридинов (арил = 4-метилфенил, 4-фторфенил , 1-нафтил и 9-антралил). При этом в случае (поли)ароматических заместителей на арилен-виниленовой единице, полученные терпиридиновые хромофоры могли действовать как эффективные “turn off” хемосенсоры для обнаружения нитроароматических соединений как в растворе, так и в твердом состоянии [Sil A, Giri D, Patra SK. Arylene-vinylene terpyridine conjugates: highly sensitive, reusable and simple fluorescent probes for the detection of nitroaromatics. J Mater Chem C 2017; 5(42):11100-10]. В продолжение темы исследования арилвиниленовых терпиридиновых флуорофоров, анализ их граничных молекулярных орбиталей показал, что фотоиндуцированный перенос электронов (PET) является основным механизмом тушения флуоресценции терпиридиновых хемосенсоров при обнаружении тринитрофенола [Lu M, Zhang X, Zhou P, Tang Z, Qiao Y, Yang Y, Liu J. Theoretical insights into the sensing mechanism of a series of terpyridine-based chemosensors for TNP. Chem Phys Lett 2019, 725, 45-51].
1
Так как в обозримой литературе нами не было найдено подобия соединения  с совпадающими признаками, нами предлагается N-([1,1'-бифенил]-3-ил)-4-фенил-1-(пиридин-2-ил)-6,7-дигидро-5h-циклопента[c]пиридин-3-амин - оптический химический сенсор для обнаружения нитроароматических взрывчатых веществ.
3. Сущность изобретения
N
H
c
1
Сущность изобретения составляет -([1,1'-бифенил]-3-ил)-4-фенил-1-(пиридин-2-ил)-6,7-дигидро-5-циклопента[]пиридин-3-амин , растворимый в органических растворителях флуорофор, способный уменьшать интенсивность эмиссии, вызванную фотовозбуждением, при контакте с нитроароматическими взрывчатыми веществами, что делает его “turn-off” хемосенсором на присутствие нитро-взрывчатых веществ.
Представляемое изобретение демонстрирует тушение при обнаружении нитроароматических ВВ в растворах, а также пригодно для качественной оценки присутствия последних с пределом обнаружения 64.92 и 248.49 ppm для 2,4,6-тринитротолуола (TNT) и пикриновой кислоты (PA) соответственно.
4. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
4.1. Описание способа получения сенсора 1
1
В подтверждение возможности осуществления изобретения нами приводится методика синтеза соединения :
N
2
f
В круглодонной колбе, оснащенной магнитной мешалкой, обратным холодильником и линией подачи инертного газа, смешали 130 мг (0.33 ммоль) -([1,1'-бифенил]-3-ил)-6-фенил-3-(пиридин-2-ил)-1,2,4-триазин-5-амин  и 0,26 мл (1.62 ммоль) 1-морфолиноциклопентена. Колбу вакуумировали и заполнили инертным газом, реакционную массу перемешивали при 200° в течение 2 часов, охладили до комнатной температуры. К смеси добавили 0.13 мл (0.81 ммоль) 1-морфолиноциклопентена. Колбу вакуумировали и заполнили инертным газом, а находящуюся в ней смесь перемешивали при 200° в течение 1 часа, после чего охладили до комнатной температуры. Полученную реакционную смесь разделили колоночной флэш-хроматографией на силикагеле с использованием дихлорметана (R = 0.6). Дихлорметан отогнали при пониженном давлении. Полученный остаток перекристаллизовали из этанола, отфильтровали при пониженном давлении. Остаток высушили в вакуум-камере при 100 °С в течение 4 ч.
N
-([1,1
-бифенил]-3-ил)-4-фенил-1-(пиридин-2-ил)-6,7-дигидро-5
H
-циклопента[
c
]пиридин-3-амин 1.
H ЯМР
C NMR
d
1
13
6
2
2
2
3
'Выход89 мг (63 %).(400 МГц, DMSO-, δ, м.д.): 2.02 (м, 2H, CH-6), 2.67 (т, 2H, 7.9 Hz, CH-7), 3.44 (т, 2H, 7.9 Hz, CH-5), 6.88 (с, 1H, NH), 7.11 (д, 8.0Hz, 1H, Ph), 7.24-7.33 (м, 3H, Ph), 7.36-7.48 (м, 6H, Ph, H-5(Py)), 7.51-7.57 (м, 2H, Ph), 7.58-7.63 (м, 2H, Ph), 7.77 (ддд, 7.6Hz, 7.6Hz, 1.6Hz, H-4(Py)), 8.13 (t, 1.6 Hz, Ph), 8.33 (d, 8.0 Hz, H-3(Py)), 8.65 (d, 4Hz, H-6(Py)).  (100 MHz, CDCl) δ 158.74, 155.84, 150.33, 148.46, 141.82, 141.79, 141.59, 136.17, 135.97, 131.06, 129.62, 129.46, 129.00, 128.58, 128.21, 127.24, 127.16, 122.99, 122.37, 120.64, 119.82, 117.31, 117.27, 33.16, 32.35, 25.51.
Соединение представляет собой бесцветные кристаллическое вещество, растворимое в хлороформе, толуоле, ацетонитриле и тетрагидрофуране; не растворимое в воде.
4.2. Флуориметрическое титрование сенсора 1 2,4,6-тринитротолуолом (TНT) и пикриновой кислотой (PA) в среде ТГФ
1
В подтверждение возможности осуществления изобретения нами приводится флуориметрическое титрование заявляемого соединения  нитроароматическими аналитами:
1
1
-5
-4
Процедура флуориметрического титрования соединения  проводилась с использованием модели Штерна-Фольмера с целью определения константы тушения. Раствор сенсора  в ТГФ (с = 10М) помещали в кварцевую кювету и добавляли к нему последовательно 10-15 аликвот объемом по 10 мкл ацетонитрильного раствора аналита (с =2×10 M). Анализ изменения интенсивности излучения раствора и оценка эффективности тушения проводили на основе уравнения Штерна-Фольмера:
0
sv
I/I = 1 + K*[Q],
0
где I, I - интенсивность флуоресценции до и после добавления нитроароматического соединения (quencher); Q - концентрация нитроароматического соединения, моль/л; Ksv - значение константы, (моль/л)-1.
Показано, что графическая зависимость изменения интенсивности эмиссии от концентрации тушителя имеет линейный характер (на Фиг. 1 и 2 приведены графики зависимости тушения флуоресценции от концентрации 2,4,6-тринитротолуола и пикриновой кислотой, соответственно). Константа связывания (Ksv) аддукта соединения 1-TNT, как тангенс угла наклона линейного графика Штерна-Фольмера, составила 6.83×104 M-1, аддукта соединения1-PA - 5.36×104 M-1 (Таблица 1).
Таблица 1. Значения констант тушения флуоресценции соединения 1
<b>Тушитель</b>
<b>K</b><sub><b>SV</b></sub><b> соединения 1, M</b><sup><b>-1</b></sup>
TNT
6.83×10<sup>4</sup>
PA
5.36×10<sup>4</sup>
4.3. Подтверждение сенсорных свойств соединения 1 и порога обнаружения 2,4,6-тринитротолуола (TNT) и пикриновой кислоты (PA) путем флуориметрического титрования соединения 1 в среде ТГФ
Предел обнаружения соединения 1 был вычислен на основании данных флуориметрического титрования (см п. 4.2) 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. 2 (2011) 21. https://doi.org/10.4103/2229-5186.79345], согласно которой были построены графические зависимости между интенсивностью флуоресценции и концентрации нитроаналита 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.
Расчет значений LOD при титровании соединения 1 нитро-ВВ:
LOD (TNT) = 3⋅353.91/3712200000 = 2,86⋅10-7 M = 64.92 мг/л = 64.92 ppm
LOD (PA) = 3⋅5350.95/1137020000 = 1.26⋅10-6 M = 248.49 мг/л = 248.49 ppm
1
Полученные результаты свидетельствуют о том, что соединение  может использоваться в качестве химического сенсора на TNT и PA. Вычисленный порог обнаружения тринитротолуола (TNT) и пикриновой кислоты (PA) является высоким для данного класса соединений.
4.4. Подтверждение флуоресцентных свойств соединения 1
Таблица 2. Фотофизические свойства соединения <b>1</b> в ТГФ при 296 К.
Поглощение,λ<sub>max</sub>, нм
Эмиссия, λ<sub>max</sub>, нм
Стоксов сдвиг, нм
Φ<sub><i>EM</i></sub>, %
251, 356
443
87
49,1
Ф
- квантовый выход фотолюминесценции
-1
-1
max
abs
Исследованы спектрально-абсорбционные и спектрально-люминесцентные свойства соединения 1 в растворе ТГФ при 296 К (Фиг. 3). Электронные спектры поглощения регистрировали с использованием стандартной программы Shimadzu Scan на двулучевом спектрофотометре UV-2600 (“Shimadzu”, Япония) в диапазоне 230 - 450 нм с точностью установки длины волны ± 0,1 нм. Сенсор характеризуется высокой поглощательной способностью: наибольшее поглощение с молярным коэффициентом экстинкции 83700 M cm наблюдалось при λ =251 нм (Фиг. 3, Табл. 2). 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 сенсора при возбуждении излучением с длиной волны 356 нм, находится при 443 нм (Фиг. 3, Табл. 2).
1
Измерение абсолютного квантового выхода проводилось в ТГФ при 296 К с использованием спектрофлуориметра Horiba-Fluoromax-4 в интегрирующей сфере Quanta-Phi и составило 49,1% (Табл. 2). Опираясь на данные таблицы 2, значение абсолютного квантового выхода выше среднего как эффективности преобразования поглощенного света в излучаемый (>30%) характеризуют соединение , как весьма эффективный флуорофор.