2+
-
N',N"'-((5-Гидрокси-4,7-диметил-2-оксо-2Н-хромен-6,8-диил)бис(метанилилиден))бис(4-бромбензогидразид)-амбидентатный хромогенный и флуоресцентный хемосенсор на Hg и F
N',N"'-((5-HYDROXY-4,7-DIMETHYL-2-OXO-2H-CHROME-6,8-DIYL)BIS(METHANYLYDENE))BIS(4-BROMBENZOHYDRAZIDE)-AMBIDENTATE CHROMOGENIC AND FLUORESCENT CHEMOSENSOR ON HG2+ AND F-

Изобретение относится к новым производным ряда 5-гидрокси-4,7-диметил-2-оксо-2H-хромен-6,8-дикарбальдегида, а именно к N',Nʺ'-((5-гидрокси-4,7-диметил-2-оксо-2H-хромен-6,8-диил)бис(метанилилиден))бис(4-бромбензогидразиду) формулы 1, обладающему свойствами амбидентатного хромогенного и флуоресцентного хемосенсора на катионы ртути (II) и фторид-анионы.
Хромогенные, флуоресцентные и электрохимические хемосенсорные системы находят широкое применение в органической, биологической, медицинской химии и экологических науках для мониторинга катионов и анионов (Chemosensors: Principles, Strategies, and Applications (Wiley Series in Drug Discovery and Development Series), eds. B. Wang, E.V. Anslyn, Wiley, Hoboken N.J., 2011; M. Saleem, K.H. Lee, Optical sensor: a promising strategy for environmental and biomedical monitoring of ionic species, RSC Adv., 2015, vol. 5, N 88, p. 72150-72287; N. Kaur, S. Kumar, Colorimetric metal ion sensors, Tetrahedron, 2011, vol. 67, N 48, 9233-9264; M. Formica, V. Fusi, L. Giorgi, M. Micheloni, New fluorescent chemosensors for metal ions in solution, Coord. Chem. Rev., 2012, vol. 256, N 1-2, 170-192; E. Santos-Figueroa, M.E. Moragues, E. Climent, A. Agostini, R. Martinez-Manez, F. Sancenon, Chromogenic and fluorogenic chemosensors and reagents for anions. A comprehensive review of the years 2010-2011, Chem. Soc. Rev., 2013, vol. 42, N 8, p. 3489-3613). Особой эффективностью обладают флуорогенные сенсоры, которые используют флуоресценцию для детектирования различных аналитов, позволяют производить измерения in situ и in vivo и отличаются чрезвычайно высокой чувствительностью и селективностью (В. Valeur, M.N. Berberan-Santos, Molecular Fluorescence: Principles and Applications, 2nd edn., Wiley-VCH, Weinheim, 2012; H. Kobayashi, M. Ogawa, R. Alford, P.L. Choyke, Y. Urano, New Strategies for Fluorescent Probe Design in Medical Diagnostic Imaging, Chem. Rev., 2010, vol. 110, N 5, 2620-2640). Перспективным научным направлением в хемосенсорике является дизайн и исследование мульти- и бифункциональных (амбидентатных) сенсоров, способных к независимому распознаванию двух и более видов ионов-«гостей» благодаря специфическим спектральным откликам через один и тот же или разные каналы (L. Yu, S. Wang, K. Huang, Z. Liu, F. Gao, W. Zeng, Fluorescent probes for dual and multi analyte detection, Tetrahedron, 2015, vol. 71, N 29, 4679-4706).
Бифункциональные хемосенсоры для определения биологически важных и/или токсичных катионов и анионов представляет значительный интерес для медицины и экологии, в особенности, если их действие основано на визуально различимых хромогенных и/или флуоресцентных эффектах. В этом случае отпадает необходимость использования дорогостоящего аналитического оборудования, а простота использования таких систем позволяет проводить экспресс-анализ практически в любых условиях.
2+
-
Одним из первых бифункциональных хемосенсоров можно считать тиакаликс[4]ареновую структуру, содержащую две дансильные (1-диметиламинонафтил-5-сульфонильные) группы (V. Bhalla, R. Kumar, М. Kumar, A. Dhir, Bifunctional fluorescent thiacalix[4]arene based chemosensor for Cu and F ions, Tetrahedron, 2007, vol. 63, p. 11153-1159). Добавление катионов Сu приводит к образованию комплекса металл-лиганд 1:1, обладающего интенсивной флуоресценцией в области 433 нм. В присутствии F селективно происходит тушение флуоресценции дансильных групп в области 504 нм за счет депротонирования амидного мостикового фрагмента. Однако хромогенный эффект (изменение окраски раствора) не был зафиксирован.
2+
-
2+
-
Имидное производное перилена было предложено в качестве бифункционального и колориметрического сенсора для определения катионов Cu и анионов F (Y. Wang, L. Zhang, G. Zhang, Y. Wu, S. Wu, J. Yu, L. Wang, A new colorimetric and fluorescent bifunctional probe for Cu and F ions based on perylene bisimide derivatives, Tetrahedron Lett., 2014, vol. 55, N 21, p. 3218-3222). В присутствии катионов меди (II) появляется новая полоса поглощения в области >531 нм без выраженного максимума, что сопровождается изменением окраски раствора с розово-красной на красно-фиолетовую. Одновременно происходит значительное тушение флуоресценции при 596 нм. Добавление анионов фтора приводит к появлению нового поглощения в районе 692 нм, а интенсивность флуоресценции при 596 нм резко уменьшается и остаточная эмиссия приобретает светло-зеленую окраску.
2+
-
2+
Для селективного определения катионов Pb и анионов F был получен флуорогенный сенсор на основе каликс[4]триазакраун-5, содержащий две пиренамидные группы (J.Y. Lee, S.K. Kim, J.H. Jung, J.S. Kim, Bifunctional Fluorescent Calix[4]arene Chemosensor for Both a Cation and an Anion, J. Org. Chem., 2005, vol. 70, N 4, 1463-1466). Катион Pb вызывает тушение мономерной и эксимерной флуоресценции в области 448 нм. Фторид-анион практически полностью тушит эксимерную составляющую полосы испускания, но в меньшей степени влияет на мономерную составляющую. В то же время, хромогенные эффекты не были зафиксированы.
+
-
+
-
2
2
3
Интересным примером бифункционального хемосенсора на катионы K и анионы F является каликс[4]-краун-5, содержащий два триарилборановых фрагмента, присоединенных через алкинильные спейсеры, и характеризующийся интенсивной полосой поглощения с максимумом 342 нм, а также ярко-голубой флуоресценцией в области 430 нм (X. He, V.W. Yam, A Highly Selective Bifunctional Luminescence Probe for Potassium and Fluoride Ions, Org. Lett. 2011, vol. 13, N 9, 2172-2175). Добавление K к раствору этого сенсора в смеси CHCl/CHOH (1:1) вызывает возрастание интенсивности поглощения, а также значительно гасит излучение в сочетании с гипсохромным сдвигом на 20 нм. В то же время присутствие аниона F приводит к исчезновению исходной полосы поглощения и появлению новой - с максимумом при 300 нм. Этот эффект также сопровождается тушением испускания.
2+
-
2+
В литературе отсутствуют данные о бифункциональных хемосенсорах на Hg и F, однако известен пример такого бифункционального хемодозиметра (Е. Ganapathi, S. Madhu, Т. Chatterjee, R. Gonnade, M. Ravikanth, Synthesis, structure, spectral, electrochemical and sensing properties of 3-amino boron-dipyrromethene and its derivatives, Dyes Pigments, 2014, vol. 102, 218-227). Добавление Hg вызывает десульфуризацию сенсора, которой сопутствует постепенное уменьшение интенсивности полосы флуоресценции 543 нм. Напротив, фторид-анион увеличивает интенсивность эмиссии без возникновения новой полосы испускания, тогда как другие анионы не оказывают существенного влияния.
-
Известны данные о хемосенсорах на катионы или анионы на основе кумарина (хромен-2-она). Так, 7-диэтиламино-3-[(4-нитрофенил)гидразонометил]хромен-2-он проявляет селективные хемосенсорные свойства по отношению к анионам F, наблюдается хромогенный эффект и батохромный сдвиг максимума поглощения на 145 нм с изменением окраски раствора со светло-желтой на светло-синюю (X. Zhuang, W. Liu, J. Wu, H. Zhang, P. Wang, A novel fluoride ion colorimetric chemosensor based on coumarin, Spectrochim. Acta A, 2011, vol. 79, N 5, p. 1352-1355). Активность данного сенсора по отношению к катионам отсутствует.
2-{2-[2-(1H-Индол-3-ил)винил]хромен-4-илиден}малононитрил (S.H. Kim, Y.A. Son, J.S. Bae, D.H. Lee, Novel compound and detection method of fluoride ion or pH measurement method using the same, патент KR №10-1223301, C07D 405/06, G01N 33/15, G01N 33/52, 2013 г.) проявляет хорошо выраженные хромогенные свойства на фторид-ион, выражающиеся в смещении максимума поглощения на 137 нм и изменении цвета раствора с оранжево-розового на темно-синий. Однако и этот сенсор не способен к детектированию катионов.
-
Наиболее близкими по структуре к заявляемому соединению являются арилдиимины 5-гидрокси-4,7-диметил-6,8-диформилбензопиран-2-она (хромогенный хемосенсор на CN-анионы) (В.И. Минкин, А.Д. Дубоносов, В.А. Брень, О.Г. Николаева, А.В. Цуканов, О.Н. Буров, А.Ю. Федянина Краунсодержащие фенилимины орто-гидроксикарбальдегидов бензопиранонового ряда, Журн. орган. хим., 2013, т. 49, №3, стр. 387-391), один из которых обладает свойствами неселективного хромогенного сенсора на катионы щелочноземельных металлов.
Техническим результатом настоящего изобретения является новое производное ряда 5-гидрокси-4,7-диметил-2-оксо-2H-хромен-6,8-дикарбальдегида, обладающее свойствами селективного и эффективного хромогенного и флуоресцентного хемосенсора на катионы ртути (II) и фторид-анионы.
Технический результат достигается веществом формулы 1, синтез которого заключается в конденсации 5-гидрокси-4,7-диметил-2-оксо-2Н-хромен-6,8-дикарбальдегида 2 с гидразидом 4-бромбензойной кислоты 3 с образованием N',Nʺ'-((5-гидрокси-4,7-диметил-2-оксо-2H-хромен-6,8-диил)бис(метанилилиден))бис(4-бром-бензогидразида) 1.
1
-1
1
6
Строение синтезированного бисгидразида 1 установлено при помощи данных ЯМР H, ИК и элементного анализа. В ИК спектрах соединения 1 наблюдаются полосы колебаний карбонильных групп кумаринового фрагмента и гидразонных заместителей, а также полосы колебаний групп C=N в области 1720, 1648-1677 и 1608 см соответственно. В спектре ЯМР H в ДМСО-d содержатся два трехпротонных синглетных сигнала при 2.62 и 2.72 м.д., соответствующие метальным группам в положениях 4 и 7 кумарина, и однопротонный синглетный сигнал в области 6.20 м.д., принадлежащий протону Н(3) кумаринового фрагмента. При 8.80 и 8.98 м.д., а также при 12.06 и 12.38 м.д. наблюдаются по два однопротонных синглетных сигнала групп CH и NH соответственно.
Ниже приведен пример получения предлагаемого соединения.
-1
1
Ar
6
Ar
Ar
Ar
Ar
27
20
2
4
5
Пример 1. N',Nʺ'-((5-гидрокси-4,7-диметил-2-оксо-2H-хромен-6,8-диил)бис(метанилилиден))бис(4-бромбензогидразид) (1). Смесь 5-гидрокси-4,7-диметил-2-оксо-2H-хромен-6,8-дикарбальдегида 2 (R.M. Naik, V.M. Thakor, Formylation of Benzopyrones. I. Formylation of Hydroxycoumarins with Hexamethylenetetramine, J. Org. Chem., 1957, vol. 22, N 12, 1626-1629) (1 ммоль, 0.25 г) и (2 ммоль, 0.43 г) гидразида 4-бромбензойной кислоты 3 в 50 мл 2-пропанола кипятили в течение 1.5 ч. Выпавший осадок отфильтровывали, промывали 2-пропанолом и перекристаллизовывали из ДМФА. Выход 0.35 г (55%), т. пл. 205-207°C. ИК спектр, ν, см: 3253, 3147, 2930, 2867, 1720 (C=O), 1677 (C=O), 1648 (C=O), 1608 (C=N), 1570 (C=C). Спектр ЯМР H (300 МГц, DMSO-d) δ: 2.62 (с, 3H, Me), 2.72 (с, 3H, Me), 6.20 [с, 1H, H(3)], 7.70-7.67 (д, 2H, H, J 8.4 Гц), 7.75-7.72 (д, 2H, H, J 8.4 Гц), 7.85-7.82 (д, 2H, H, J 8.4 Гц), 7.88-7.85 д (д, 2H, H, J 8.4 Гц), 8.80 (с, 1H, CH), 8.98 (с, 1H, CH), 12.06 (с, 1H, NH), 12.38 (ш. с, 1H, NH). Найдено (%): C, 50.78; H, 3.25; N, 8.61. Вычислено для CHBrNO (%): C, 50.65; H, 3.15; N, 8.75.
Исследование хемосенсорных свойств
Методы исследования
-5
2+
2+
2+
+
-
-
-
-
-
4
Оценку хемосенсорной способности бисгидразида 1 проводили по данным электронных спектров поглощения и испускания. Для этого к раствору соединения 1 в ацетонитриле (5⋅10 М) добавляли расчетный пятикратный мольный избыток перхлоратов Zn, Ni и Hg (или их смеси) или тетрабутиламмониевых солей (NBuA, где A-F, CN и AcO) (или их смеси) и перемешивали растворы до полного растворения твердых частиц. Затем проводили съемку электронных спектров поглощения и испускания исходного раствора и растворов, содержащих помимо соединения 1 добавленные соли. Съемка спектров поглощения проводилась на спектрофотометре Varian Cary 100, спектры флуоресценции сняты на спектрофлуориметре Varian Cary Eclipse.
Результаты испытаний
2+
-
-1
-1
+
+
+
2+
2+
2+
2+
2+
-1
-1
1) Катионы. Исследование спектральных свойств бисгидразида 1 показало, что он обладает высокой сенсорной активностью по отношению к катионам Hg и анионам F. Электронный спектр поглощения соединения 1 в ацетонитриле характеризуется длинноволновыми максимумами в области 309 и 372 (плечо) нм с молярными коэффициентами экстинкции 16200 и 4150 и л⋅моль⋅см соответственно. Соединение 1 обладает также флуоресценцией в области 519 нм. Добавление к данному раствору катионов металлов Li, Na, K, Mg и Ca в виде перхлоратов практически не влияет на интенсивность и положение наиболее длинноволновой полосы поглощения максимума, тогда как катионы Zn, Ni и Hg вызывают батохромный сдвиг указанного максимума на 37-79 нм (табл. 1). Этот сдвиг достигает максимального значения в случае катионов ртути (II), при этом наблюдается отчетливый «naked-еуе» эффект (N. Kaur, S. Kumar, Colorimetric metal ion sensors, Tetrahedron, 2011, vol. 67, N 48, 9233-9264) и происходит характерное изменение окраски раствора с бледно-желтой на ярко-оранжевую. Молярный коэффициент экстинкции полосы 6220 л⋅моль⋅см. Одновременно происходит практически полное тушение исходной флуоресценции раствора.
2+
Селективность хемосенсора 1 была установлена при добавлении к исходному раствору смеси катионов (каждый из катионов был взят в пятикратном мольном избытке относительно соединения 1). Отклонение величины максимума поглощения раствора соединения 1 при добавлении смеси катионов от соответствующего параметра для раствора соединения 1 с добавлением только перхлората ртути (II) составляет ~1%, что свидетельствует о высокой селективности данного хромогенного хемосенсора по отношению к катиону Hg.
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-1
-1
3
2
4
4
4
2) Анионы. Добавление к раствору бисгидразида 1 анионов Cl, CN, SCN, NO, HPO, ClO, HSO и AcO в виде тетрабутиламмониевых солей не вызывает существенных изменений в спектрах поглощения, тогда как добавление анионов F приводит к появлению нового максимума поглощения 483 нм (табл. 2) и сопровождается изменением окраски раствора с бледно-желтой на красно-фиолетовую. Молярный коэффициент экстинкции полосы 14130 л моль⋅см. Одновременно наблюдается значительное уменьшение интенсивности исходной флуоресценции (в 23.5 раза), тогда как для других анионов этот параметр меняется незначительно.
-
Селективность хемосенсора 1 была установлена при добавлении к исходному раствору смеси анионов (каждый из анионов был взят в пятикратном мольном избытке относительно соединения 1). Отклонение величины максимума поглощения раствора соединения 1 при добавлении смеси анионов от соответствующего параметра для раствора соединения 1 с добавлением только тетрабутиламмоний фторида составляет ~1%, что указывает на высокую селективность данного хромогенного хемосенсора по отношению к анионам F.
2+
-
Проведенные исследования показали, что N',Nʺ'-((5-гидрокси-4,7-диметил-2-оксо-2H-хромен-6,8-диил)бис(метанилилиден))бис(4-бромбензогидразид) 1 представляет собой амбидентатный высокочувствительный хемосенсор для селективного детектирования ионов Hg и F, действие которого основано на сочетании хромогенного «naked-еуе» эффекта и тушении флуоресценции.