Флуоресцентные зонды на фторид-ион на основе 1,3-дизамещенных по нижнему ободу тиакаликс[4]аренов, содержащих антрахиноновые фрагменты

УДК 547.241:547.471.

Флуоресцентные зонды на фторид-ион на основе

1,3-дизамещенных по нижнему ободу тиакаликс[4]аренов, содержащих антрахиноновые фрагменты

© 1, 1,

1, 1

и 1,2*+

1 Кафедра органической химии. Химический институт им. . Казанский (Приволжский) федеральный университет. Ул. Кремлевская, 18. г. Казань, 420008. Республика Татарстан. Россия. Тел.: [phone]. E-mail: ivan. *****@***ru

2 Казанский институт биохимии и биофизики КНЦ РАН. Ул. Лобачевского, 2/31. г. Казань, 420111. Республика Татарстан. Россия.

_______________________________________________

*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку

Ключевые слова: тиакаликс[4]арены, синтез, флуоресцентная спектроскопия.

Аннотация

Синтезированы новые 1,3-дизамещенные по нижнему ободу тиакаликс[4]арены, содержащие 1- и 2-амидоантрахиноновые фрагменты. Комплексообразующие свойства полученных соединений по отношению к ряду анионов (F-, Cl-, Br-, I-, CH3CO2-, H2PO4-) изучены с помощью флуоресцентной спектроскопии. Найдены селективные флуоресцентные зонды на фторид-ион.

Введение

Одним из интенсивно развивающихся направлений в органической химии является моделирование и синтез макроциклических структур, способных к селективному распознаванию определенного вида субстратов. Дизайн флуоресцентных зондов имеет большое значение в аналитической химии, клинической биохимии, медицине и охране окружающей среды. Для создания флуоресцентных сенсоров необходимо наличие как флуорофорного фрагмента, обеспечивающего детектирование комплексообразования спектрофотометрическим методом, так и соответствующих функциональных групп для связывания субстрата. п-Трет-бутилтиакаликс[4]арен является удобной макроциклической платформой для создания таких систем [1-5], что обусловлено его уникальной трехмерной структурой, а также возможностью разнообразной функционализации макроциклической платформы [6]. Флуоресцентно активный амидоантрахиноновый фрагмент [7, 8] содержит полярную NH группу, способную к взаимодействию с анионами. В связи с этим целью настоящей работы явился синтез 1,3-дизамещенных по нижнему ободу тиакаликс[4]аренов, содержащих амидоантрахиноновые фрагменты, и изучение комплексообразования полученных соединений по отношению к ряду анионов (F-, Cl-, Br-, I-, CH3CO2-, H2PO4-) с помощью флуоресцентной спектроскопии.

Экспериментальная часть

Спектры ЯМР 1Н записывали на спектрометре Varian XL-300 на рабочей частоте 300.0 МГц, а спектры ЯМР 13С - на спектрометре Bruker Avance II на рабочей частоте 125.0 МГц. Химические сдвиги определяли относительно сигналов остаточных протонов дейтерированного растворителя (СDCl3). Концентрация анализируемых растворов составляла 3-5%.

ИК-спектры (в пленке вазелинового масла) регистрировали на Фурье-спектрометре Tensor 27 (Bruker).

Масс-спектры были зафиксированы на масс-спектрометре MALDI-TOF Dynamo Finnigan. В качестве матрицы был использован 5-нитрохинолин-8-ол.

Температуру плавления веществ определяли на нагревательном столике "Boetius".

Элементный анализ кристаллических образцов выполняли на приборе Perkin Elmer 2400 Series II.

Спектры флуоресценции регистрировали на люминесцентном спектрометре Fluorolog 3 (Horiba Jobin Yvon). Длины волн возбуждения были выбраны 410 и 370 нм для соединений 2 и 3 соответственно, диапазон сканирования длин волн эмиссии – 450-700 нм. Щели возбуждения и испускания были выбраны по 4 нм. Использовались кварцевые кюветы с длиной оптического пути 10 мм. Корректировка спектров эмиссии проводилась автоматически (программой “Fluoressence”). Готовились смеси тиакаликсаренов с концентрацией С=10-5M в присутствии 200-кратного избытка соответствующей соли тетрабутиламмония, спектры записывали после 10-минутного выдерживания. Эксперимент проводили при 25 оС.

Соединения 2-3 были получены по модифицированной методике [9] из п-трет-бутилтиакаликс[4]арена 1 и 2-бром-N-(9’,10’-диоксо-9’,10’-дигидроантрацен-1’-ил)ацетамида или 2-бром-N-(9’,10’-диоксо-9’,10’-дигидроантрацен-2’-ил)ацетамида.

5,11,17,23-Тетра-трет-бутил-25,27-дигидрокси-26,28-бис[N-(9’,10’-диоксо-9’,10’-дигидроантрацен-1’-ил)-карбамоилметокси]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен (2). Выход 40%. Т. пл. 273°С. Спектр ЯМР 1H (CDCl3, d, м. д., J/Гц): 0.94 (с, 18H, (CH3)3C), 1.35 (с, 18H, (CH3)3C), 4.71 (c, 4H, - O-CH2-C(O)-NH), 7.10 (с, 4H, Ar-H), 7.71 (с, 4H, Ar-H), 7.45 – 8.81 (м, 14H, Ar’-H), 8.13 (с, 2H, OH), 13.32 (с, 2H, NH). Спектр ЯМР 13С (CDCl3, d, м. д.): 30.88; 34.22; 34.26; 75.01; 117.35; 122.54; 125.42; 128.14; 131.98; 132.78; 133.23; 140.69; 142.67; 148.52; 155.81; 155.95; 167.76; 181.63; 186.52. ИК спектр (вазелиновое масло, ν/см-1): 3410 (OH), 3185 (NH), 1649, 1590 (C(O)-NH), 1668 (C(O)-NH). Масс-спектр (MALDI-TOF): вычислено [M+] m/z = 1246.4, найдено [М+Н]+ m/z = 1247.4, [М+Na]+ m/z = 1269.3, [М+К]+ m/z = 1285.3. Элементный анализ. Найдено (%): С, 69.22; Н, 5.10; N, 2.27, S, 10.29. Вычислено для C72H66N2O10S4 (%): С, 69.32; Н, 5.33; N, 2.25, S, 10.28.

5,11,17,23-Тетра-трет-бутил-25,27-дигидрокси-26,28-бис[N-(9’,10’-диоксо-9’,10’-дигидроантрацен-2’-ил)-карбамоилметокси]-2,8,14,20-тетратиакаликс[4]арен (3). Выход 45%. Т. пл. 245°С. Спектр ЯМР 1H (CDCl3, d, м. д., J/Гц): 1.16 (с, 18H, (CH3)3C); 1.30 (с, 18H, (CH3)3C); 4.83 (c, 4H, - O-CH2-C(O)-NH); 7.62 (с, 4H, Ar-H); 7.77 (с, 4H, Ar-H); 7.78 – 8.37 (м, 14H); 9.12 (с, 2H, OH); 10.64 (с, 2H, NH). ИК спектр (вазелиновое масло), ν/см-1 3372 (OH), 3323 (NH), 1675, 1591 (C(O)-NH), 1668 (C(O)-NH). Масс-спектр (MALDI-TOF): вычислено m/z = 1246.6, найдено m/z = 1248.7 (М+H+). Элементный анализ. Найдено (%): С, 69.13; Н, 5.76; N 2.65; S, 10.37. Вычислено для C72H66N2O10S4 (%):С, 69.32; Н, 5.33; N, 2.25, S, 10.28.

Результаты и их обсуждение

Для создания рецепторных структур на различные типы субстратов, в том числе и на анионы, широко используется макроциклическая платформа п-трет-бутилтиакаликс[4]арена [5, 10]. Данная платформа привлекательна тем, что на ее основе возможно получение стереоизомеров (конус, частичный конус, 1,2-альтернат и 1,3-альтернат) с различным расположением функциональных групп в пространстве. Актуальной задачей на сегодняшний день является региоселективный синтез частично замещенных производных п-трет-бутилтиакаликс[4]арена, дальнейшая функционализация которых ведет к получению различно замещенных тиакаликс[4]аренов с заданным расположением связывающих фрагментов в пространстве.

Для региоселективного синтеза 1,3-дизамещенных по нижнему ободу производных тиакаликса[4]арена нами были выбраны алкилирующие реагенты, содержащие амидоантрахиноновый фрагмент. 2-Бром-N-(9’,10’-диоксо-9’,10’-дигидроантрацен-1’-ил)ацетамид и 2-бром-N-(9’,10’-диоксо-9’,10’-дигидроантрацен-2’-ил)ацетамид содержат полярную NH группу, способную взаимодействовать с анионами, а также хромофорный фрагмент, необходимый для детектирования комплексообразования спектрофотометрическим методом. Кроме того, антрахиноновая группировка способна к флуоресценции, что позволит определять возможность связывания анионов с помощью флуоресцентной спектроскопии.

Для введения в нижний обод тиакаликс[4]арена амидоантрахиноновых фрагментов была изучена реакция исходного макроцикла 1 с 2-бром-N-(9’,10’-диоксо-9’,10’-дигидроантрацен-1’-ил)ацетамидом и 2-бром-N-(9’,10’-диоксо-9’,10’-дигидроантрацен-2’-ил)ацетамидом в присутствии карбоната натрия в ацетоне. Соотношение реагентов п-трет-бутилтиакаликс[4]арен 1:алкилирующий реагент:карбонат натрия было выбрано 1:2:2. В результате реакции были выделены 1,3-дизамещенные по нижнему ободу тиакаликсарены 2 и 3 с выходами 40% и 45% соответственно.

Схема 1. Синтез соединений 2 и 3 [9].

Структура полученных соединений была подтверждена методами ЯМР 1Н, 13С, ИК спектроскопии и масс-спектрометрии (MALDI-TOF). Спектр ЯМР 1Н соединения 2 представлен на рисунке 1.

Рис. 1. спектр ЯМР 1Н соединения 2 (растворитель CDCl3, при 25о, Varian-XL-300).

В спектре ЯМР 1Н соединения 2 синглетные сигналы в области 0.94 и 1.35 м. д. относятся к протонам трет-бутильных групп, а в области 7.30 и 7.70 м. д. – к ароматическим протонам макроциклической платформы. Сигналы оксиметиленовых, гидроксильных и амидных протонов наблюдаются в виде синглетов в области 4.70, 8.13 и 13.33 м. д. соответственно (рис.1). Протоны антрахинонового фрагмента проявляются в спектре ЯМР 1Н соединения 2 в виде мультиплетов в области 7.45-8.82 м. д. (рис.1). Химические сдвиги, мультиплетность и интегральная интенсивность сигналов протонов в спектрах ЯМР 1Н хорошо согласуются с предложенной структурой п-трет-бутилтиакаликс[4]арена 2.

В качестве примера на рисунке 2 представлен масс-спектр 1,3-дизамещенного по нижнему ободу п-трет-бутилтиакаликс[4]арена 2. В MALDI-TOF масс-спектре соединения 2 (M(C72H66N2O10S4)=1246.4) присутствуют пики молекулярного иона (m/z(M+H+)=1247.4) и макроцикла с катионами натрия (m/z(M+Na+)=1269.3) и калия (m/z(M+К+)=1285.3).

Рис. 2. MALDI-TOF масс-спектр соединения 2.

ИК-спектры полученных соединений хорошо согласуются с предложенными структурами 1,3-дизамещенных тиакаликс[4]аренов 2 и 3. В спектрах сохраняются полосы поглощения валентных колебаний гидроксильных групп (ν, 3410 и 3372 см-1 соответственно), а также появляются полосы поглощения амидных (ν, 3185 и 3323 см-1 соответственно), что свидетельствует о неполном замещении нижнего обода исходного макроцикла 1 (табл.1).

Таблица 1. Характеристические полосы в ИК-спектрах тиакаликс[4]аренов 2 и 3 (ν/см-1).

Группы атомов	2	3
-OH	3410	3372
-NH	3185	3323
-C(O)-N-	1649, 1590	1675, 1591
-C(O)-NH-	1668	1668

Известно, что антрахиноновая группа является флуорофорной [7, 8], в связи с чем нами были исследованы рецепторные свойства полученных макроциклов 2 и 3 с помощью флуоресцентной спектроскопии. Оказалось, что наиболее значительные изменения в спектрах испускания при взаимодействии изученных макроциклов 2 и 3 с избытками некоторых анионов (F-, Cl-, Br-, I-, CH3CO2-, Н2РО4-) наблюдаются при их взаимодействии с фторид-анионом (рис. 3).

λ, нм

Рис. 3. Изменения спектров флуоресценции соединений 2 и 3 при добавлении солей н-Bu4NX (X = F-, Cl-, Br-, I-, СН3СО2-, Н2РО4-, CHCl3, С2 = 10-5M, С3 = 10-5M, Сн-Bu4NX = 2.0∙10-3M).

Следует отметить, что при взаимодействии макроцикла 2 с н-Bu4NF наблюдается значительный гиперхромный эффект. При взаимодействии макроцикла 3 с н-Bu4NF также наблюдается сложный характер изменений в спектре испускания. Процесс сопровождается гипсохромным сдвигом полосы испускания при 590 нм на 100 нм и сильным гиперхромным эффектом.

Заключение

Таким образом, в результате проведенных исследований впервые были синтезированы новые 1,3-дизамещенные по нижнему ободу тиакаликс[4]арены, содержащие антрахиноновые фрагменты, структура которых установлена методами ЯМР 1Н, 13С, ИК спектроскопии и масс-спектрометрии (MALDI-TOF). Полученные спектральным методом результаты свидетельствуют о перспективности применения синтезированных макроциклов в качестве флуоресцентных зондов на фторид-ион.

Выводы

1.  Синтезированы новые 1,3-дизамещенные по нижнему ободу тиакаликс[4]арены, содержащие антрахиноновые фрагменты, которые охарактеризованы методами ЯМР 1Н, 13С, ИК-спектроскопии и масс-спектрометрии (MALDI-TOF).

2.  Комплексообразующие свойства полученных макроциклов по отношению к ряду анионов (F-, Cl-, Br-, I-, CH3CO2-, Н2РО4-) исследованы с помощью флуоресцентной спектроскопии. Найдены селективные флуоресцентные зонды на фторид-ион.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (ГК №16.552.11.7008) и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № П1295 от 09 июня 2010г.).

Литература

[1]  N. Iki, C. Kabuto, T. Fukushima, H. Kumagai, H. Takeya, S. Miyanari, T. Miyashi, S. Miyano, Synthesis of p-tert-butylthiacalix[4]arene and its inclusion property. Tetrahedron. 2000. Vol.56. P.1437-1443.

[2]  M. W. Hosseini, Z. Asfari, J. Vicens, Eds., Thia-, Mercapto-, and Thiamercapto-calix[4]arenes. Calixarenes 2001. Kluwer Academic Publishers. 2001. P.110-129.

[3]  P. Lhoták, Chemistry of thiacalixarenes. Eur. J. Org. Chem. 2004. No 8. P.1675-1692.

[4]  I. Stibor, Anion Sensing. Springer. 2005. 233 p.

[5]  P. Zlatuskova, I. Stibor, M. Tkadlecova, P. Lhotak, Novel anion receptors based on thiacalix[4]arene derivatives. Tetrahedron. 2004. Vol.60. P.11383-11390.

[6]  A. F. Danil de Namor, R. M. Cleverley, M. L. Zapata-Ormachea, Thermodynamics of calixarene chemistry. Chem. Rev. 1998. Vol.98. P.2495-2525.

[7]  D. Y. Han, J. M. Kim, J. Kim, H. S. Jung, Y. H. Lee, J. F. Zhang, J. S. Kim, ESIPT-based anthraquinonylcalix[4]crown chemosensor for In3+. Tetrahedron Letters. 2010. Vol.51. P.1947–1951.

[8]  M. Formica, V. Fusi, L. Giorgi, M. Micheloni, New fluorescent chemosensors for metal ions in solution. Coordination Chemistry Reviews. 2012. Vol. 256. P.170–192.

[9]  H. S. Jung, H. J. Kim, J. Vicens, J. S. Kim, A new fluorescent chemosensor for F - based on inhibition of excited-state intramolecular proton transfer. Tetrahedron Letters. 2009. Vol.50. P. 983–987.

[10]  I. I. Stoikov, V. A. Smolentsev, I. S. Antipin, W. D. Habicher, M. Gruner, A. I. Konovalov, Array of fluorescent chemosensors for the molecular recognition of halide anions on the basis of the stereoisomers of thiacalix[4]arene tetranaphthylamides. m. 2006. Vol.16. P.294-297.

Fluorescent probes for fluoride ion based on 1,3-disubstituted at the lower rim thiacalix[4]arenes containing anthraquinone fragments

© Alena Artemovna Vavilova1, Olga Alexandrovna Mostovaya1,

Roman Valerievich Nosov1, Anna Nikolaevna Yagarmina1

and Ivan Ivanovich Stoikov1,2*+

1 Organic Chemistry Department. A. M.Butlerov Chemical Institute. Kazan (Volga Region) Federal University.

Kremlevskaya st., 18. Kazan, 420008. Tatarstan Republic. Russia.

Tel.: [phone]. E-mail: ivan. *****@***ru

2 Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics, Russian Academy of Sciences. Lobachevskogo, 2/31. Kazan, 420111. Tatarstan Republic. Russia.

Keywords: thiacalix[4]arenes, synthesis, fluorescence spectroscopy.

Abstract

New thiacalix[4]arenes 1,3-disubstituted at the lower rim containing 1- and 2-amidoanthraquinone fragments were plexation properties of obtained compounds in relation to a number of anions (F-, Cl-, Br-, I-, CH3CO2-, H2PO4-) were studied using fluorescence spectroscopy. Selective fluorescent probes for fluoride ion were found.