Бисаза-18-краун-6-содержащие диеноны в качестве оптических молекулярных сенсоров для определения катионов щелочных, щелочноземельных металлов и диаммония и способ их получения

Изобретение относится к органической химии и химии материалов, а именно к новому типу соединений общей формулы I:

где n=0-2;

Полученные соединения и композитные материалы на их основе могут быть использованы в составе оптических хемосенсоров для колориметрического и люминесцентного определения катионов щелочных, щелочноземельных металлов и диаммония, например, для определения микроколичеств указанных ионов в биологических жидкостях, в промышленных водах и стоках, для мониторинга окружающей среды. Изобретение относится также к способу получения таких соединений.

Указанный тип соединений, их свойства и способ получения в литературе не описаны.

Заявляемый новый тип соединений имеет структуру, не относящуюся ни к одному из известных типов структур. Предложенный тип соединений содержит неизвестное ранее сочетание фрагментов симметричного кросс-сопряженного диенона и двух аза-18-краун-6-эфиров, конденсированных таким образом, что атомы азота макрогетероциклов находятся в сопряжении с бензольными циклами и в пара-положениях к этиленовым группам, что предопределяет их спектральные свойства и позволяет отнести эти соединения к новому типу диенонов.

Известны диеноны [Conney А.Н., Zhang K., Wei X., Zheng X., Du Z.-Y. Патент WO 2012021692 A1, 2012; Dibella E.P., Патент US 3389986 A, 1968; Singh N., Pandey J., Yadav A., Chaturvedi V., Bhatnagar S., Gaikwad A.N., Sinha S.K., Kumar A., Shukla P.K., Tripathi R.P., Eur. J. Med. Chem., 2009, 44, 1705. Yu W., Xiu-Mei C., Li-Ling P., Rui M., Cai-Hui Y., Rui Y., Wei L., Wei Y., Rong-Cheng В., Hui W., Synthetic Commun., 2010, 40, 2320], особенностью строения которых является наличие симметричного кросс-сопряженного диенонового фрагмента. Эти диеноны не способны к комплексообразованию с катионами металлов и аммония, поскольку не имеют макрогетероциклического фрагмента.

В литературе описаны симметричные кросс-сопряженные диеноны, в которых диеноновый фрагмент соединен с атомами кислорода, входящими в состав двух фрагментов краун-эфиров, находящихся в сопряжении с бензольными циклами в пара- и мета-положениях к двойным связям [Нуриев В.Н., Зюзькевич Ф.С., Вацадзе С.З., Ведерников А.И., Громов С.П., Патент 2568614 РФ, Бюл. 2015, №32; Захарова Г.В., Зюзькевич Ф.С., Гутров В.Н., Гаврилова Г.В., Нуриев В.Н., Вацадзе С.З., Плотников В.Г., Громов С.П., Чибисов А.К., Химия высоких энергий, 2017, 51, 121]. Для них характерны наличие поглощения в видимой области спектра и выраженная способность к комплексообразованию с катионами металлов и аммония. Однако поглощение и флуоресценция таких красителей сдвинуты в коротковолновую область спектра по сравнению с диенонами на основе аза-15-краун-5-эфира, а ионохромный эффект не превышает 20 нм. Это сильно ограничивает применение таких красителей в качестве оптических молекулярных сенсоров на катионы металлов и аммония.

В литературе описаны симметричные кросс-сопряженные диеноны, в которых диеноновый фрагмент соединен через углерод-азотные связи с двумя остатками аза-15-краун-5-эфиров, атомы азота которых находятся в сопряжении с бензольными циклами [Дорошенко А.О., Григорович А.В., Посохов Е.А., Пивоваренко В.Г., Демченко А.П., Шейко А.Д., Изв. АН, Сер. хим., 2001, 386; Жмуд Б.В., Голуб А.А., Пивоваренко В.Г., Неорганические материалы, 2004, 40, 1145]. Для них характерны наличие поглощения в спектральной области 500-550 нм и способность к комплексообразованию с катионами щелочных и щелочноземельных металлов. Однако, константы устойчивости таких комплексов с катионами металлов невысоки из-за недостаточного количества донорных атомов кислорода в макроциклах для эффективной координации катионов металла и аммония. Это не позволяет использовать диеноны с остатками аза-15-краун-5-эфиров в качестве эффективных оптических молекулярных сенсоров на катионы металлов и аммония.

Таким образом, известные оптические молекулярные сенсоры на основе кросс-сопряженных диенонов имеют ряд недостатков, а именно:

- имеют слабый оптический отклик на комплексообразование, поэтому визуальное определение катионов щелочных, щелочноземельных металлов и аммония затруднено;

- имеют низкие константы устойчивости комплексов, что делает невозможным определение микроколичеств указанных катионов;

Целью настоящего изобретения является новый тип соединений - симметричные кросс-сопряженные бисаза-18-крун-6-содержащие диеноны, в которых атомы азота, входящие в состав двух остатков аза-18-краун-6-эфиров, находятся в сопряжении с бензольными циклами в пара-положениях к этиленовым группам. Задачей изобретения является также разработка способа получения целевых продуктов, доказательство их строения и изучение их комплексообразующих, ионохромных и ионофлуорохромных свойств.

Поставленная цель достигается структурой заявляемого нового типа диенонов общей формулы I и способом их получения, заключающимся в том, что циклоалканоны общей формулы II:

где n имеет указанные выше значения для формулы I;

подвергают взаимодействию с формильным производным фенилаза-18-краун-6-эфира общей формулы III:

Процесс проводят в смеси органического растворителя с водой или в среде органического растворителя, например, спирта, в присутствии оснований, таких как, например, гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид лития или гидроксид тетрабутиламмония при температурах 0-50°С.

Конденсация указанных циклоалканонов общей формулы II с формильным производным фенилаза-18-краун-6-эфира общей формулы III до настоящего времени не была известна. Согласно предлагаемому способу синтез диенонов общей формулы I осуществляют конденсацией активированных в циклоалканонах II α-метиленовых групп с карбонильными группами двух формильных производных фенилаза-18-краун-6-эфира общей формулы III с образованием двух двойных углерод-углеродных связей.

Строение полученных соединений общей формулы I доказано с помощью спектроскопии ЯМР ¹Н и ¹³С, электронной и ИК-спектроскопии, масс-спектрометрии, а также данными элементного анализа (примеры 1, 2). Все эксперименты проводили при красном свете.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. ((2Е,4Е)-2,4-бис(4-(1,4,7,10,13-пентаокса-16-азациклооктадекан-16-ил)бензилиден)циклобутанон.

В колбе объемом 3 мл к 38.5 мг (0.11 ммоля) 4'-формилфенилаза-18-краун-6-эфира приливают 3.5 мг (0.05 ммоля) циклобутанона в 0.2 мл этанола, затем добавляют по каплям при перемешивании 50 мкл 3%-ного раствора NaOH в смеси этанол - вода (4:1). Реакционную смесь оставляют при комнатной температуре на 96 ч (контроль ТСХ), подкисляют 0.5 М раствором соляной кислоты до рН=6-7, разбавляют 5 мл воды, экстрагируют хлороформом (5×4 мл). Экстракты упаривают в вакууме, остаток очищают методом колоночной хроматографии на окиси алюминия (Type Т, Basisch, 63-200 мкм, Merck), элюируя бензолом, смесью растворителей бензол - MeCN (100:1), бензол - MeCN (8:1), бензол - MeCN (1:1). Получают 19 мг (выход 50%) бисаза-18-краун-6-содержащего диенона в виде буро-красного масла. R_ƒ 0.63 (EtOH - EtOAc, - 1:10, DC-Alufolien Aluminiumoxid 60 F₂₅₄ neutral, Merck).

Спектр ЯМР ¹Н (500 МГц, в MeCN-d₃, 27°С): 3.58 (м, 32 Н, 16 CH₂O); 3.66 (м, 16 Н, 4 CH₂CH₂N); 3.74 (м, 2 Н, С(3)Н₂); 6.78 (д, 4 Н, 2 С(3)Н, 2 С(5)Н, J=8.8 Гц); 7.01 (с, 2 Н, 2 С(1)Н); 7.49 (д, 4 Н, 2 С(2)Н, 2 С(6)Н, J=8.8 Гц).

Спектр ЯМР ¹³С (125 МГц, в MeCN-d₃, 30°С): 34.35 (С(3)Н₂); 50.37 (4 CH₂N); 67.58 (4 CH₂CH₂N); 69.66, 69.71, 69.81, 69.86 (16 CH₂O); 111.23 (2 С(3)Н, 2 С(5)Н); 121.83 (2 С(1)); 125.17 (2 С(1)Н); 131.06 (С(2), С(6)); 141.12 (С(2), С(4)); 148.92 (2 С(4)); 188.95 (С=O).

ИК-спектр (KBr): 1702 см^-1 (С=O).

УФ-спектр (С=1×10^-5 моль⋅л^-1, MeCN), нм: 268 (ε=19299), 416 (ε=28088), 474 (ε=32820).

Флуоресценция (С=1×10^-5 моль⋅л^-1, MeCN): λ_ех 470 НМ, 573 нм.

Масс спектр (m/z): 769.43 [М+Н]⁺, 791.41 [М+Na]⁺.

Найдено, %: С 65.75; Н 7.79; N 3.72.

C₄₂H₆₀N₂O₁₁.

Вычислено, %: С 65.60; Н 7.86; N 3.64.

Пример 2. (2Е,5Е)-2,5-бис[4-(1,4,7,10,13-пентаокса-16-азациклооктадекан-16-ил)бензилиден)циклопентанон.

В колбе объемом 3 мл к 20 мг (0.055 ммоля) 4'-формилфенилаза-18-краун-6-эфира приливают 2.1 мг (0.025 ммоля) циклопентанона в 0.3 мл этанола, затем добавляют по каплям при перемешивании 120 мкл 40%-ного раствора KОН. Реакционную смесь выдерживают в течение 1.5 ч при комнатной температуре (контроль ТСХ), подкисляют 1 М раствором соляной кислоты до рН=6-7, разбавляют 5 мл воды, экстрагируют бензолом (3×4 мл) и горячим бензолом (2×4 мл). Экстракты упаривают в вакууме, остаток очищают методом колоночной хроматографии на окиси алюминия (Туре Т, Basisch, 63-200 мкм, Merck), элюируя бензолом, смесью растворителей бензол - этилацетат (3:1), бензол - этилацетат (1:2), бензол - этилацетат (1:4). Получают 17 мг (выход 87%) бисаза-18-краун-6-содержащего диенона в виде светло-красного масла. R_ƒ 0.67 (EtOH - EtOAc, 1:10, DC-Alufolien Aluminiumoxid 60 F₂₅₄ neutral, Merck).

Спектр ЯМР ¹H (500 МГц, в MeCN-d₃, 27°С): 3.03 (уш. с, 4 Н, С(3)Н₂, С(4)Н₂); 3.59 (м, 32 Н, 16 CH₂O); 3.66 (м, 16 Н, 4 CH₂CH₂N); 6.79 (д, 4 Н, 2 С(3)Н, 2 С(5)Н, J=9.2 Гц); 7.34 (с, 2 Н, 2 С(1)Н); 7.51 (д, 4 Н, 2 С(2)Н, 2 С(6)Н, J=9.2 Гц).

Спектр ЯМР ¹³С (125 МГц, в MeCN-d₃, 30°С): 27.22 (С(3)Н₂, С(4)Н₂); 51.85 (4CH₂N); 69.10 (4 CH₂CH₂N); 71.16, 71.21, 71.31, 71.36 (16 CH₂O); 112.63 (2 С(3)Н, 2 С(5)Н); 124.52 (2 C(1)); 133.27 (2 С(1)Н); 133.55 (2 С(2)Н, 2 С(6)Н); 134.43 (С(2), С(5)); 149.90 (2 С(4)); 195.86 (С=O).

ИК-спектр (ваз. масло): 1678 см^-1 (С=O).

УФ-спектр (С=1×10^-5 моль⋅л^-1, MeCN), нм: 275 (ε=18700), 466 (ε=66300).

Флуоресценция (С=1×10^-5 моль⋅л^-1, MeCN): λ_ех 460 нм, 562 нм.

Масс спектр (m/z): 783.44 [М+Н]⁺, 805.43 [М+Na]⁺, 821.40 [М+K]⁺.

Найдено, %: С 65.45; Н 8.24; N 3.43.

C₄₃H₆₂N₂O₁₁⋅0.5H₂O

Вычислено, %: С 65.21; Н 8.02; N 3.54.

Пример 3. (2Е,6Е)-2,6-бис(4-(1,4,7,10,13-пентаокса-16-азациклооктадекан-16-ил)бензилиден)циклогексанон.

В колбе объемом 3 мл к 44.8 мг (0.12 ммоля) 4'-формилфенилаза-18-краун-6-эфира приливают 4.9 мг (0.05 ммоля) циклогексанона в 0.2 мл этанола, затем добавляют по каплям при перемешивании 0.25 мл 5%-ного раствора NaOH в смеси этанол - вода (2:1). Реакционную смесь кипятят в течение 4 ч (контроль ТСХ), подкисляют 0.5 М раствором соляной кислоты до рН=6-7, разбавляют 5 мл воды, экстрагируют горячим бензолом (3×4 мл) и горячим этил ацетатом (3×4 мл). Экстракты упаривают в вакууме, остаток очищают методом колоночной хроматографии на окиси алюминия (Type Т, Basisch, 63-200 мкм, Merck), элюируя бензолом, смесью растворителей бензол - этилацетат (100:1), бензол - этилацетат (50:1), бензол - этилацетат (10:1). Получают 28 мг (выход 70%) бисаза-18-краун-6-содержащего диенона в виде буро-красного масла. R_ƒ 0.73 (EtOH - EtOAc, - 1:10, DC-Alufolien Aluminiumoxid 60 F₂₅₄ neutral, Merck).

Спектр ЯМР ¹H (500 МГц, в MeCN-d₃, 27°С): 1.80 (м, 2 Н, С(4)Н₂); 2.92 (м, 4 Н, С(3)Н₂, С(5)Н₂); 3.58 (м, 32 Н, 16 CH₂O); 3.65 (м, 16 Н, 4 CH₂CH₂N); 6.77 (д, 4 Н, 2 С(3)Н, 2 С(5)Н, J=8.9 Гц); 7.43 (д, 4 Н, 2 С(2)Н, 2 С(6)Н, J=8.9 Гц); 7.60 (с, 2 Н, 2 С(1)Н).

Спектр ЯМР ¹³С (125 МГц, в MeCN-d₃, 30°С): 23.95 (С(4)Н₂); 29.47 (С(3)Н₂, С(5)Н₂); 51.89 (4 CH₂N); 69.19 (4 CH₂CH₂N); 71.23, 71.28, 71.37, 71.41 (16 CH₂O); 112.36 (2С(3)Н, 2 С(5)Н); 124.50 (2 С(1)Н); 133.32 (2 С(1)); 133.50 (2 С(2)Н, 2 С(6)Н); 136.94 (С(2), С(6)); 149.49 (2 С(4)); 189.45 (С=O).

ИК-спектр (ваз. масло): 1651 см^-1 (С=O).

УФ-спектр (С=1×10^-5 моль⋅л^-1, MeCN), нм: 272 (ε=19900), 439 (ε=48900).

Флуоресценция (С=1×10^-5 моль⋅л^-1, MeCN): λ_ех 435 нм, 563 нм.

Масс спектр (m/z): 797.46 [М+Н]⁺.

Найдено, %: С 66.41; Н 8.11; N 3.51.

C₄₄H₆₄N₂O₁₁.

Вычислено, %: С 66.31; Н 8.09; N 3.51.

Изучены комплексообразующие, ионохромные и ионофлуорохромные свойства полученных диенонов I из примеров 2 и 3 в MeCN.

Результаты исследования полученных диенонов представлены на фигурах:

Фиг. 1. Спектры поглощения диенонов I из примеров 2 и 3 (С=1×10^-5 моль⋅л^-1, 1, 3) и их комплексов с Ва(ClO₄)₂ (С=2.2×10^-4 моль⋅л^-1, 2, 4 соответственно) в MeCN.

Фиг. 2. Спектры поглощения диенонов I из примеров 2 и 3 (С=1×10^-5 моль⋅л^-1, 1, 3) и их комплексов с NH₃⁺(CH₂)₁₂NH₃⁺2ClO₄^- (С=1.4×10^-4 моль⋅л^-1, 2, 4 соответственно) в MeCN.

Фиг. 3. Спектры люминесценции диенона I из примера 2 (С=1×10^-5 моль⋅л^-1, 1) и его комплексов с Ва(ClO₄)₂ (С=2.2×10^-4 моль⋅л^-1, 2) и с NH₃⁺(CH₂)₁₂NH₃⁺2ClO₄^- (С=1.4×10^-4 моль⋅л^-1, 3) в MeCN.

Полученные данные, представленные на фиг.1-3 убедительно свидетельствуют о том, что новые симметричные бисаза18-краун-6-содержащие диеноны способны действовать не только как колориметрические молекулярные сенсоры, но и как флуоресцентные молекулярные сенсоры.

Предварительные результаты исследования симметричных бисаза-18-краун-6-содержащих диенонов общей формулы I показали, что в апротонной среде они способны с хорошим оптическим откликом связывать катионы щелочных, щелочноземельных металлов и диаммония, то есть проявляют свойства оптических молекулярных сенсоров. Эти свойства позволяют создать на основе полученных диенонов оптические хемосенсорные материалы.

Таким образом, получен новый тип симметричных диенонов - бисаза-18-краун-6-содержащие диеноны, имеющие неизвестное ранее сочетание фрагментов симметричного кросс-сопряженного диенона и двух аза-18-краун-6-эфиров, конденсированных таким образом, что атомы азота макрогетероциклов находятся в сопряжении с бензольными циклами в пара-положениях к этиленовым группам, и обнаружена их выраженная способность к связыванию катионов щелочных, щелочно-земельных металлов и диаммония, характеризующаяся существенными изменениями в спектрах поглощения и испускания. Эти свойства позволяют использовать заявленные соединения в составе оптических хемосенсоров для колориметрического и флуоресцентного определения катионов щелочных, щелочно-земельных металлов и диаммония, например, в составе полимерных пленок и мембран для определения микроколичеств указанных ионов в биологических жидкостях, а также для определения микроколичеств указанных ионов в промышленных водах и стоках, в том числе для мониторинга окружающей среды. Разработан также способ получения заявленных соединений высокой степени чистоты и с хорошими выходами (до 87%).