ФОТОХИМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕТЕКТОРА ЛЕТУЧИХ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕ ФЛУОРОФОРОВ - ПРОИЗВОДНЫХ АКРИДИНА (ВАРИАНТЫ)
PHOTOCHEMICAL METHOD OF MAKING DETECTOR OF VOLATILE CHEMICAL COMPOUNDS BASED ON FLUOROPHORES - ACRIDINE DERIVATIVES (VERSIONS)

Область техники
Изобретение относится к химии ароматических гетероциклических соединений, в частности касается замещенных акридиновых красителей, являющихся флуорофорами, и способа получения детектора летучих химических соединений на их основе при действии УФ и видимого света на смеси исходных компонентов в полимерных матрицах. Также изобретение относится к области экологии и охраны здоровья человека, так как полученные детекторы могут применяться в качестве сенсорных слоев, которые могут быть использованы для определения содержания различного рода летучих химических веществ на предприятиях в рабочей зоне, на природных объектах повышенной опасности, в зонах выброса химических веществ, а также для целей неинвазивной медицинской диагностики заболеваний человека и животных по анализу выдыхаемого воздуха или испарений с кожи.
Уровень техники
В последнее время, в связи с постоянно ухудшающейся экологической обстановкой, тема мониторинга загрязнений окружающей среды стала весьма актуальной. Также актуальна и проблема быстрого определения наличия опасных концентраций органических загрязнений в воздухе при выбросах и авариях на различных промышленных и других объектах повышенной опасности. Актуально и предварительное оперативное диагностирование заболеваний людей, которое можно провести посредством контакта сенсорного датчика с кожей человека или его выдохом.
Во всех известных датчиках такого типа используются трудоемкие и длительные способы регистрации и последующей расшифровки полученных показаний. В данном изобретении удобство и новшество заключается в простоте получения сенсорного материала и его использовании.
Известен способ получения детектора летучего соединения - аммиака - путем приготовления смеси метилметакрилата, триэтиленгликольдиметакрилата и октана, растворения в этой смеси красителя бромкрезолового пурпурного, после чего полученный раствор вакуумируют и заливают между двумя силикатными стеклами, поверхность одного из них предварительно обрабатывают раствором диметилхлорсилана в гептане. Осуществляют полимеризацию при температуре 80°С и получают индикатор, представляющий собой пластинку из силикатного стекла с нанесенным не нее слоем твердого сополимера, содержащего молекулярно растворенный краситель - бромкрезоловый пурпурный. При помещении индикатора в газовую или водную среду, содержащую аммиак, окраска его меняется от желтой к синей (RU 2052191 С1, опубл. 10.01.1996).
Полученный известным способом детектор имеет ограниченную область применения, поскольку предназначен для обнаружения одного соединения - аммиака. Кроме того, определение концентрации аналита осуществляется по изменению оптического поглощения образца, что не позволяет достичь достаточно высокой чувствительности сенсорного материала.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание нового способа получения детектора широкого спектра летучих химических соединений на основе флуоресцентного сенсорного материала с помощью света непосредственно перед употреблением. Флуоресцентные методы детектирования аналитов по чувствительности превосходят на порядки методы, основанные на абсорбционной спектроскопии. Поэтому полученный предлагаемым способом детектор позволит измерять гораздо более низкие концентрации широкого класса аналитов.
Поставленная задача решается способом получения детектора летучих химических соединений на основе флуорофоров акридинового ряда путем осуществления реакции дифениламина или его производного с замещенным галогенметаном, в котором согласно изобретению указанную реакцию осуществляют при облучении раствора указанных реагентов ультрафиолетовым или видимым светом в диапазоне длин волн 305-600 нм.
В первом варианте способа для получения сенсорного материала указанный раствор исходных реагентов предварительно смешивают с раствором полимера в органическом растворителе и наносят на подложку, полученную пленку высушивают и облучают светом (для получения производных акридина).
Во втором варианте полученный раствор уже готового производного акридина смешивают с раствором полимера в органическом растворителе, наносят на подложку и высушивают.
В третьем варианте предварительно наносят раствор дифениламина или его производного с замещенным галогенметаном на подложку с частицами оксида кремния и осуществляют облучение.
2
Положенная в основу предложенного способа фотоинициированная реакция протекает при 20°С и ниже при облучении ультрафиолетовым и видимым светом раствора смеси исходных компонентов. Кроме того, данная реакция протекает на частицах оксида кремния (SiO) и в полимерных материалах, что делает возможным использование акридиновых красителей в составе сенсорного слоя, который образуется непосредственно сразу в материале-носителе при облучении светом. Таким образом, предложен способ на основе фотохимического синтеза акридинов различного строения в мягких условиях, позволяющий получать флуоресцентный сенсорный материал с помощью света непосредственно перед употреблением.
Изменение люминесценции акридинов при действии паров химических, в частности органических веществ, легко регистрируется с помощью современных малогабаритных оптоволоконных спектрометров, а иногда даже непосредственно визуально (по изменению свечения или окраски слоя).
2
Настоящее изобретение относится к новому способу синтеза красителей акридинового ряда, являющихися флуорофорами, на частицах оксида кремния (SiO) и в полимерных материалах и к их применению в качестве детекторов летучих химических соединений.
В основу настоящего изобретения положено получение замещенных акридиновых красителей общей формулы (I)
где каждый из радикалов R, R1-R8 представляет собой водород, или
незамещенный или замещенный алкил, или
незамещенный или замещенный циклоалкил, или
незамещенный или замещенный арил, или
незамещенный или замещенный гетероарил, или
незамещенный или замещенный гетероциклил, или
незамещенный или замещенный алкиларил, или
незамещенный или замещенный алкилгетероарил, или
незамещенный или замещенный алкилциклоалкил, или
незамещенный или замещенный алкилгетероциклил, или
радикал из ряда амино, моноалкиламино, диалкиламино,
моноариламино, диариламино,
моноалкилариламино, диалкилариламиногалоген, или
алкил, замещенный одним или более атомов галогена, предпочтительно фтором, или
циано, цианоалкил с простой или разветвленной цепью, или
алкилкарбонил, или
карбоксил, или алкоксикарбонил, или карбоксиалкил, или алкоксикарбонилалкил,
гидрокси,
алкокси,
арилалкокси, предпочтительно бензилокси, алкоксикарбониламино,
алкоксикарбониламиноалкил,
нитро.
Термин «алкил» в настоящем описании означает ациклические, насыщенные или ненасыщенные углеводороды, содержащие от 1 до 20 атомов углерода и которые являются разветвленными или неразветвленными, незамещенными или моно- или полизамещенными.
Термин «циклоалкил» означает циклические углеводороды, содержащие 3-12 атомов углерода и которые являются насыщенными или ненасыщенными, незамещенными или моно- или полизамещенными.
Термин «арил» означает ароматические углеводороды, содержащие 6-14 атомов углерода и которые являются незамещенными или моно- или полизамещенными, причем заместители в арильной группе являются одинаковыми или различными и присутствуют в любом требуемом и доступном положении арильной группы.
Термин «гетероарил» означает 5-, 6- или 7-членный циклический ароматический радикал, содержащий по крайней мере 1, по выбору также 2, 3, 4 или 5 гетероатомов, причем гетероатомы являются одинаковыми или различными, а гетероцикл является незамещенными или моно- или полизамещенными. Заместители в гетероарильной группе являются одинаковыми или различными и находятся в любом требуемом и доступном положении гетероарильной группы. Предпочтительные гетероатомы включают азот, кислород и серу.
Термин «гетероциклил» означает 3-, 4-, 5-, 6- 7- или 8-членный циклический органический радикал, содержащий по крайней мере 1, по выбору также 2, 3, 4 или 5 гетероатомов, причем гетероатомы являются одинаковыми или различными, а циклический радикал является насыщенным или ненасыщенным, но не ароматическим, является незамещенным или моно- или полизамещенным. Предпочтительные гетероатомы включают азот, кислород и серу.
1
8
Термины «алкилциклоалкил», «алкилгетероциклил», «алкиларил» или «алкилгетероарил» означают, что алкил и циклоалкил, гетероциклил, арил и гетероарил имеют значения, указанные выше, а циклоалкил, гетероциклил, арил или гетероарил присоединены к соединению общей формулы I через C-C алкильную группу.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
3
2
3
2
Термин «замещенный алкил» в настоящем описании означает, что атом водорода замещен на следующую группу: F, Cl, Br, I, CN, NH, NH-алкил, NH-циклоалкил, NH-арил, NH-гетероарил, NH-алкиларил, NH-алкилгетероарил, NH-гетероциклил, NH-алкил-ОН, N(алкил), N(алкиларил), N(алкилгетероарил), N(гетероциклил), N(алкил-ОН), NO, NO, SH, S-алкил, S-циклоалкил, S-арил, S-гетероарил, S-алкиларил, S-алкилгетероарил, S-гетероциклил, S-алкил-OH, S-алкил-SH, S-S-алкил, S-S-циклоалкил, S-S-арил, S-S-гетероарил, S-S-алкиларил, S-S-алкилгетероарил, S-S-гетероциклил, S-S-алкил-ОН, S-S-алкил-SH, S-S-алкил-С(O)-NH-гетероциклил, ОН, O-алкил, O-циклоалкил, O-арил, O-гетероарил, O-алкиларил, O-алкилгетероарил, O-гетероциклил, O-алкил-ОН, СНО, С(O)-алкил, С(S)-алкил, С(O)-арил, C(S)-арил, С(O)-алкиларил, С(S)-алкиларил, С(O)-гетероциклил, С(O)-гетероарил, С(O)-алкилгетероарил, С(S)-гетероциклил, COH, CO-алкил, CO-циклил, CO-гетероциклил, CO-арил, CO-гетероарил, CO-алкиларил, C(O)-NH, С(O)NH-алкил, C(O)NH-арил, C(O)NH-гетероциклил, С(O)NH-алкилгетероциклил, С(O)N(алкил), С(O)N(алкиларил), С(O)N(алкилгетероарил), С(O)N(гетероциклил), SO-алкил, SO-алкил, SONH, SOH, алкил, циклоалкил, арил, гетероарил или гетероциклил, причем термин «полизамещенный радикал» означает или полизамещенный радикал, например ди- или тризамещенный по различным атомам или по одному атому, например тризамещенный по одному атому углерода, как в случае CF, -CHCF, или замещенный в различных положениях, как в случае -СН(ОН)-СН=СН-CHCl. Полизамещенные группы могут содержать одинаковые или различные заместители.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
3
Моно- или полизамещенные арил, гетероциклил, гетероарил, алкиларил и циклоалкил означают, например, ди-, три- или тетразамещенные один или более атомов водорода в циклической системе, которые замещены следующими группами: F, Cl, Br, I, CN, NH, NH-алкил, NH-арил, NH-гетероарил, NH-алкиларил, NH-алкилгетероарил, NH-гетероциклил, NH-алкил-ОН, N(алкил), NC(O)алкил, N(алкиларил), N(алкилгетероарил), N(гетероциклил), N(алкил-ОН), NO, NO, SH, S-алкил, S-арил, S-гетероарил, S-алкиларил, S-алкилгетероарил, S-гетероциклил, S-алкил-ОН, S-алкил-SH, ОН, O-алкил, O-арил, O-гетероарил, O-алкиларил, O-алкилгетероарил, O-гетероциклил, O-алкил-ОН, O-С(O)-алкил, СНО, С(O)-алкил, С(S)-алкил, С(O)-арил, С(S)-арил, С(O)-алкиларил, С(S)-алкиларил, С(O)-гетероциклил, С(S)-гетероциклил, СОН, CO-алкил, CO-алкиларил, C(O)-NH, С(O)NH-алкил, C(O)NH-арил, C(O)NH-гетероциклил, С(O)N(алкил), С(O)N(алкиларил), С(O)N(алкилгетероарил), С(O)N(гетероциклил), SO-алкил, SO-алкил, SO-арил, SO-гетероарил, SONH, SOH, CF, СНО, CHS, алкил, циклоалкил, арил, гетероарил и/или гетероциклил, причем заместители по выбору расположены у одного атома или у различных атомов (а один заместитель по выбору может быть также замещен). Полизамещенные группы в этом случае могут содержать одинаковые или различные заместители.
Если соединения общей формулы I по настоящему изобретению содержат по крайней мере один асимметрический центр, то они могут существовать в форме их рацематов, в форме чистых энантиомеров и/или диастереомеров или в форме смесей указанных энантиомеров и/или диастереомеров, как в случае соединений в свободной форме, так и в случае солей указанных соединений. Смеси могут содержать стереоизомеры в любом требуемом соотношении.
Соединения по настоящему изобретению могут присутствовать в форме таутомеров, если они возможны.
Синтез соединений общей формулы (I).
3
При облучении растворов дифениламинов (ДФА) общей формулы (II) с замещенными галогенметанами общей формулы RCHal (III) (где R=Н, Ph, Hal; Hal=Cl, Br), протекает реакция циклизации и образуются производные акридина (АК) общей формулы (I).
Соединения (I) по настоящему изобретению синтезируют согласно следующей схеме:
2
2
Та же самая реакция протекает на частицах оксида кремния (SiO) и в полимерных материалах, таких как полистирол (ПС), полиметилметакрилат (ПММА) и этилцеллюлоза (ЭЦ), с заранее введенными исходными компонентами (II, III), при облучении их ультрафиолетовым и белым светом. Этот способ получения акридинов непосредственно на носителе является новым. Фотохимический способ получения акридинов позволяет осуществить оригинальный способ иммобилизации флуоресцентных молекул-индикаторов в полимерных матрицах путем их контролируемого фотосинтеза в нужном месте пленки и в нужном количестве под действием света. Следует заметить, что в растворах, на частицах оксида кремния (SiO) и в полимерных пленках производные акридина получаются в виде соли и дальнейшая обработка зависит от того, как планируется их использовать.
Получение детектора летучих химических соединений на основе соединений общей формулы (I).
2
Опробованы полимерные хемосенсорные материалы: полистирол (ПС), полиметилметакрилат (ПММА) и этилцеллюлоза (ЭЦ), с полученными непосредственно в них солями производных акридина, обнаружен и зарегистрирован люминесцентный отклик на пары аммиака, пиридина, толуола, этанола, ацетона, хлорсодержащих органических растворителей и др. Те же результаты достигнуты при использовании в качестве носителя частиц оксида кремния (SiO).
Примеры осуществления изобретения.
1
Перечисленные выше соединения получают по описанной ниже общей методике. Ниже представлены конкретные химические названия указанных соединений. Соединения по настоящему изобретению характеризуют по температуре плавления или по данным H-ЯМР-спектрометрии и/или масс-спектрометрии.
Для синтеза используют коммерческие реактивы и растворители, полученные на известных фирмах-производителях (Acros, Avocado, Aldrich, Sigma, Fluka, Lancaster, Merck и т.п.), или их синтезировали специально.
Настоящее изобретение подробно описано с помощью примеров, которые не ограничивают объема изобретения.
Для получения соединений 1-8 по настоящему изобретению используют следующую общую методику.
Общая методика.
Метод А. Раствор 0,001 моля амина в 10 мл хлороформа облучали светом лампы ДРШ-500 в течение 4-6 ч через фильтры УФС-5 и ЖС-3 (λ=365 нм). Упаривали растворитель, обрабатывали раствором соды для нейтрализации, экстрагировали бензолом, концентрировали бензольные вытяжки. Полученный неочищенный продукт очищают перекристаллизацией или хроматографией на колонке.
Метод Б. Раствор 0,03 моля амина и 0,05 моля бромоформа в 150 мл гексана облучали светом лампы ДРШ-1000 в течение 4-6 ч. Осадок отфильтровывали и экстрагировали горячей водой. Водный раствор подщелачивали до рН=9-10, экстрагировали бензолом, концентрировали бензольные вытяжки. Полученный неочищенный продукт очищают перекристаллизацией или хроматографией на колонке.
Метод В. Раствор 0,001 моля амина и 0,001 моля трибромтолуола в 20 мл гексана облучали и обрабатывали аналогично методу А.
Метод Г. Раствор 9,55 моля амина и 1 моля тетрабромметана в толуоле облучали полным светом лампы ДРШ-1000 в течение 4 ч. Упаривали растворитель, обрабатывали раствором соды для нейтрализации, экстрагировали бензолом, концентрировали бензольные вытяжки. Полученный неочищенный продукт очищают перекристаллизацией или хроматографией на колонке.
Пример 1
Акридин
Температура плавления 111°С.
Синтезирован по методу А и Б.
Пример 2
9-Фенилакридин
Температура плавления 183°С.
Синтезирован по методу В.
Пример 3
2,7-Диметилакридин
Температура плавления 175°С.
Синтезирован по методу А и Б.
Пример 4
2,7-Дибромоакридин
Температура плавления 252°С.
Синтезирован по методу А.
Пример 5
2,7-Диметил-9-фенилакридин
Температура плавления 172°С.
Синтезирован по методу В.
Пример 6
N,N-Дифенилакридин-9-амин
MC: m/e=346, 1464.
Температура плавления 225°С.
Синтезирован по методу Г.
Пример 7
2,7-Диметил-N,N-ди-p-толилакридин-9-амин
Температура плавления 261°С (возг.)
Синтезирован по методу Г.
Пример 8
2,7-Бис(2-фенилпропан-2-ил)-N,N-бис(4-(2-фенилпропан-2-ил)фенил)акридин-9-амин
Температура плавления 179°С.
Синтезирован по методу Г.
Пример приготовления полимерных слоев.
6
5
2
2
3
3
n
6
7
2
3-х
2
5
х
n
В качестве полимерных матриц были использованы непластифицированные полистирол (ПС), полиметилметакрилат (ПММА) и этилцеллюлоза (ЭЦ). Структурные формулы и средние молекулярные веса соответственно: [СН-СН-СН] М=2800000; [-СН-С(СН)(СООСН)-] M=350000; [СНO(ОН)-(ОСН)]. Для приготовления полимерных образцов раствор исходных компонентов (II, III) или готового красителя (I) соединение 7 (9-ДТАА) в толуоле смешивали с 10% раствором полимера в ацетоне или толуоле, наносили дозатором на стеклянную подложку и высушивали. Средняя толщина полученных таким образом пленок равнялась 20-40 мкм.
Спектры поглощения и флуоресценции регистрировали с помощью оптоволоконного прибора фирмы Ocean Optics, Inc. Источником света для фотолюминесценции служил светодиод с длиной волны 375 нм. Чтобы наблюдать изменение спектров флуоресценции соединения 7 (9-ДТАА) в присутствии паров растворителей, а также в жидких смесях растворителей, были использованы покровные стекла с углублением посередине. Покровное стекло с полимерной пленкой, содержащей краситель, накладывалось на кювету с растворителем, а люминесцентный сигнал считывался с противоположной стороны стеклянной подложки. При изучении растворов подложка переворачивалась, раствор заливался в углубление, а сигнал считывался с нижней стороны подложки.
254
Пример получения производных акридина на частицах оксида кремния (в качестве которых использовали пластинки алюминия для тонкослойной хроматографии (ТСХ пластинки) марки DC-Alufolien Kieselgel 60 F с нанесенными на них частицами оксида кремния).
-1
Раствор исходных компонентов (производные дифениламинов (ДФА) и тетрабромметан) в толуоле, концентрации 10 М, наносился на ТСХ пластинку, после высыхания пластинку облучали светом в диапазоне λ=350-600 нм. Пластины приобретали сине-зеленую окраску, что свидетельствовало об образовании акридиновых производных непосредственно на носителе после облучения светом.
Далее на пластины действовали парами аммиака, ацетона и этилового спирта. В зависимости от действующего аналита окраска пластин всегда изменялась по-разному и легко детектировалась визуально.
Ниже приводится таблица, демонстрирующая результаты проведенных экспериментов, на примере производного акридина 7 (9-ДТАА), подтверждающие возможность использования производных акридина в качестве детекторов на химические летучие соединения.
Изначально фотосинтезированный 9-ДТАА в полимере имеет солевую форму (протонированная по атому азота молекула 9-ДТАА с «+» и противоион - галоген
+
-
с «-» (АКНHal)), в таком виде он является детектором на органические основания, такие как аммиак или пиридин. При их действии солевая форма 9-ДТАА переходит в нейтральную и становится детектором на ряд полярных и неполярных растворителей и других химических соединений. Также перевести солевую форму в нейтральную можно просто нагрев пленку с 9-ДТАА (галогенводород испаряется). Получить снова солевую форму можно при действии на пленку паров тетрагалогенметана.
Таблица 1 показывает значения максимумов длин волн в спектре флуоресценции и интенсивность им соответствующую, на примере производного акридина 7 (9-ДТАА) настоящего изобретения, при действии различных аналитов и в различных полимерных матрицах (полистирол (ПС), полиметилметакрилат (ПММА) и этилцеллюлоза (ЭЦ)). Данные приводятся в сравнении с флуоресценцией чистого 9-ДТАА (в солевой или нейтральной форме).
Аналит
Длина максимума волны, нм
Интенсивность флуоресценции, отн. Ед.
ПС
ПММА
ЭЦ
ПС
ПММА
ЭЦ
Отсутствует*
630 (красная)
-
-
800
-
-
Аммиак
518
-
-
1800
-
-
Пиридин
520
-
-
2600
-
-
Отсутствует**
518 (зеленая)
522
524
1500
1800
1500
Толуол
537
518
555
800
1700
700
Бензол
530
-
-
700
-
-
Ацетонитрил
540
-
-
600
-
-
Тетрагидрофуран (ТГФ)
560
-
-
500
-
-
Ацетон
558
556
563
400
300
300
Этанол
527
520
565
1200
1700
200
Хлороформ
564
-
-
200
-
-
Дихлорметан
574
-
-
200
-
-
Четыреххлористый углерод***
518
-
-
200
-
-
* Солевая форма 9-ДТАА.
** Нейтральная форма 9-ДТАА.
*** При длительном облучении (>10 мин) происходит полное тушение зеленой флуоресценции и разгорание красной с максимумом 630 нм, что свидетельствует о переходе 9-ДТАА в солевую форму. При действии аммиака происходит обратная реакция.