JoVE Logo
Autori
Contattaci

Accedi

È necessario avere un abbonamento a JoVE per visualizzare questo. Accedi o inizia la tua prova gratuita.

In questo articolo

  • Riepilogo
  • Abstract
  • Introduzione
  • Protocollo
  • Risultati
  • Discussione
  • Divulgazioni
  • Riconoscimenti
  • Materiali
  • Riferimenti
  • Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

Fluorofori cruciformi cross-coniugati a base di 1,4-distyryl-2 ,5-bis (arylethynyl) benzene e nuclei benzobisoxazole possono essere usati per identificare qualitativamente diversa Lewis acido e Lewis analiti basici. Questo metodo si basa sulle differenze di colori di emissione degli crucimorfi che si osservano su di analita aggiunta. Specie strutturalmente strettamente connesse possono essere distinti l'uno dall'altro.

Abstract

Crucimorfi molecolari sono sistemi a forma di X in cui due assi coniugazione intersecano in un nucleo centrale. Se un asse di queste molecole è sostituito con elettron-donatori, e l'altra con accettori di elettroni, HOMO crucimorfi 'localizzerà lungo il ricco di elettroni e LUMO lungo l'asse elettron-poveri. Questo isolamento spaziale della frontiera orbitali molecolari crucimorfi '(FMO) è essenziale per il loro uso come sensori, in quanto vincolanti per l'cruciforme analita invariabilmente cambia il suo gap HOMO-LUMO e le proprietà ottiche associate. Utilizzando questo principio, Bunz e gruppi Miljanić sviluppati 1,4-distyryl-2 ,5-bis (arylethynyl) benzene e benzobisoxazole crucimorfi, rispettivamente, che fungono da sensori fluorescenti per ioni metallici, acidi carbossilici, acidi boronico, fenoli, ammine, e anioni. I colori delle emissioni osservate quando questi cruciforme sono mescolati con gli analiti sono molto sensibili ai dettagli della struttura di analiti e - a causa di crucimorfi 'carica-settembrestati eccitati divisero - al solvente in cui viene osservata emissione. Specie strutturalmente strettamente connesse possono essere qualitativamente distinti in più classi di analiti: (a) acidi carbossilici, (b) acidi bo e (c) metalli. Utilizzando un sistema di rilevamento ibrido composto da benzobisoxazole crucimorfi e additivi acidi boronici, siamo stati anche in grado di discernere tra strutturalmente simile: (d) piccoli anioni organici e inorganici, (E), ammine, e (f) fenoli. Il metodo usato per questa distinzione qualitativa è estremamente semplice. Soluzioni diluite (tipicamente 10 -6 M) di crucimorfi in diversi solventi off-the-shelf sono collocati in fiale UV / Vis. Poi, vengono aggiunti analiti di interesse, sia direttamente come solidi o in soluzione concentrata. Cambiamenti di fluorescenza si verificano praticamente istantaneo e possono essere registrati attraverso la fotografia digitale standard utilizzando una fotocamera digitale semi-professionale in una stanza buia. Con minima manipolazione grafica,ritagli di fotografie a colori di emissione rappresentativi possono essere organizzati in pannelli che consentono rapido distinguere ad occhio nudo tra analiti. A fini di quantificazione, i valori Rosso / Verde / Blu possono essere estratti da queste fotografie ed i dati numerici ottenuti possono essere elaborati statisticamente.

Introduzione

Crucimorfi molecolari sono definite come X-shaped cross-molecole coniugate in cui due circuiti di coniugazione si intersecano in un nucleo centrale. 1,2,3 Con un appropriato sostituzione donatore-accettore, queste molecole possono spazialmente localizzare i loro orbitali molecolari di frontiera (QOR), in modo che il più alto orbitale molecolare occupato (HOMO) risiede prevalentemente lungo l'asse ricco di elettroni della molecola, mentre il più basso orbitale molecolare non occupato (LUMO) presenta il grosso della sua densità posizionata lungo il braccio elettron-poveri della molecola. Tale isolamento spaziale di FMO è essenziale nelle applicazioni di questi crucimorfi come sensori per le piccole molecole, poiché legame al cruciforme analita invariabilmente cambia il proprio gap HOMO-LUMO e le proprietà ottiche associate. Questo comportamento è stato dimostrato in crucimorfi basati su 1,4-distyryl-2 ,5-bis (arylethynyl) benzene, 1 1,2,4,5-tetrakisethynylbenzene, 4 e 5,6 benzobisoxazole strutturalemotivi. Dal momento che tutte e tre le classi di molecole sono intrinsecamente fluorescente, questa metodologia ha permesso il loro uso come sensori di piccole molecole. In tutti e tre gli esempi, crucimorfi sono stati sostituiti con Lewis base piridina e gruppi dialkylaniline ed erano così sensibili alle Lewis acide analiti, come i protoni e ioni metallici. 1,4,5,7,8,9

Nel 2011, Bunz e collaboratori hanno dimostrato che le risposte 10 fluorescenza di 1,4-distyryl-2 ,5-bis (arylethynyl) benzene crucimorfi: 1 - 3 (Figura 1) varia notevolmente a seconda della struttura dell'acido carbossilico utilizzato per indurre protonazione della croce. Successivamente, Miljanić et al. Hanno dimostrato che benzobisoxazole crucimorfi come 4 (Figura 1) mostrano anche molto specifiche risposte di emissione di fluorescenza di acidi carbossilici strutturalmente correlate, e che simile distinzione può essere visto tra gli acidi organoboronici molto simili, anche. Undici origini di questaaltamente selettivi cambiamenti di colore di emissione sono al momento poco chiare, e sono probabilmente complesse - come quenching di fluorescenza da parte di elettroni analiti poveri, residuo analita fluorescenza e protonazione indotta spostamento di crucimorfi 'emissione maxima tutti presumibilmente giocare un ruolo. Ciononostante, la capacità di discriminare tra analiti strutturalmente correlate è significativo, soprattutto perché statisticamente rilevante distinzione può essere ottenuta senza la necessità di eseguire esaustivo UV / Vis assorbimento o fluorescenza caratterizzazione della risposta ottica di crucimorfi verso analiti. Invece, fotografie semplici di colore emissione sono sufficientemente distinte da consentire la discriminazione tra analiti strutturalmente strettamente legate, soprattutto se le fotografie sono prese in differenti solvente o con più di un sensore cruciforme. Usando questa metodologia pratica, decine di analiti possono essere rapidamente analizzati in un pomeriggio (vedi pannelli in figure 3-5), mentre la stessa analisi richiederebbesettimane se è stata impiegata la spettroscopia rigoroso. Inoltre, poiché acidi boronico sono specie dinamici che possono coordinare nucleofili attraverso boro del vuoto p-orbitale, Miljanić usato questa caratteristica per sviluppare sensori ibridi composti benzobisoxazole cruciforme 4 e semplice non fluorescente boronico acido additivi B1 e B5 (Figura 4). 11, 12 Questa metodologia funziona come segue: 4 cruciforme e acidi boronico complessi in un complesso transiente 4 · n B1 (o 4 · n B5), la struttura precisa di questo complesso è attualmente sconosciuto, ma sua fluorescenza differisce da quella della cruciforme puro . Se questa soluzione è esposta a Lewis analiti di base, possono sostituire uno o entrambi i gruppi-OH sulla boronico, 13 alterando significativamente le proprietà elettroniche di boro e, a sua volta, la fluorescenza del complesso. L'utilizzo di questo "vicaria sensing" metodologia di rilevamento dei fenoli, ammine organiche e uree, cosìcome di piccoli anioni organici e inorganici, potrebbe essere raggiunto.

In questo articolo presentiamo un tutorial sull'uso della diretta e vicaria metodologia di rilevamento in modo rapido qualitativamente distinguere strutturalmente correlate (a) acidi carbossilici (figura 3), (b) acidi bo (Figura 4), ​​e, indirettamente, ( c) ammine organiche (Figura 5). Per illustrare la vasta applicabilità dei protocolli riportati, crucimorfi di Bunz stati usati per rilevare acidi carbossilici, mentre i composti di Miljanić stati impiegati per rivelare acidi boronico, e, tramite un sensore ibrido, piccole ammine organiche. Si presume che questi sensori potrebbero essere facilmente scambiati senza grandi conseguenze per la qualità della discriminazione analita.

Protocollo

1. Rilevazione degli acidi carbossilici utilizzando Distyrylbis (arylethynyl) benzene crucimorfi

  1. Preparare una soluzione madre fresca di crucimorfi 1-3 con una concentrazione di 1,0 x 10 -3 mol / L in DCM. Non è necessario usare solventi qualità spettroscopica; ACS purezza per reagenti è sufficiente.
  2. Utilizzando le soluzioni stock di 1,1 preparare 100 ml ciascuna di 2,0 x 10 -6 M di soluzione 1-3 in diclorometano (DCM), acetato di etile (EtOAc), acetonitrile (AN), N, N-dimetilformammide (DMF), alcool isopropilico (i PrOH) e metanolo (MeOH). Non è necessario usare solventi qualità spettroscopica; ACS purezza per reagenti è sufficiente.
  3. Pesare 0,65 mmol (88,2-124,2 mg) dell'analita carbossilico A1 - A10 in 5 ml dram fiale, aggiungere 5 ml delle soluzioni preparate in 2.1 e agitare il flaconcino. Se eterogeneo, la soluzione corrispondente deve essere lasciata riposare (filtraggio non è necessario). Ciò porta ad un totale concentrazione di 0,13 M (31 g / L) dell'acido carbossilico.
  4. Catturare fotografie digitali della fluorescenza in una stanza buia in assenza di luce. Il setup fotografico (Figura 2) include una fotocamera digitale (Canon EOS 30D) dotata di un obiettivo (EFS 18-55 mm zoom) e due lampade UV (lunghezza d'onda di eccitazione di 365 nm). Le fiale non ridotte devono essere posizionati sotto le due lampade UV per l'esposizione massima con una distanza di 60 cm tra fotocamera e fiale campione. I tempi di esposizione sono state variate per ogni soluzione per produrre immagini che riflettono il colore di emissione (0,25-15 sec).

2. Ricerca di acidi boronico Uso Benzobisoxazole crucimorfi

  1. Preparare una soluzione M 10 x 1,0 -4 di cruciforme 4 in DCM. Non è necessario usare qualità spettroscopica solvente; ACS purezza per reagenti è sufficiente.
  2. Preparare cinque soluzioni individuali per ciascun analita acido boronico, sciogliendo 50 mg (0,24-0,41 mmol)dell'analita in 3 ml ciascuna di acetonitrile (AN), 1,2,4-triclorobenzene (TCB), diclorometano (DCM), cicloesano (CH), e clorobenzene (CB). Questo dovrebbe portare a ca. 16.7 g / L soluzioni rispetto a ciascun analita. Non è necessario usare solventi qualità spettroscopica; ACS purezza per reagenti è sufficiente.
  3. Trasferire 1,8 ml di ciascuna delle soluzioni di analita preparate in 2.2 in cinque 10 x 10 mm cuvette di quarzo separati (comunemente usato per spettroscopia UV / Vis). Quindi, aggiungere 20 ml della soluzione di cruciforme preparata in 2.1 in ciascuna delle cinque provette e mescolare le due soluzioni per omogeneizzare. Se si osserva qualsiasi precipitazione, la soluzione corrispondente dovrebbe semplicemente essere lasciata riposare (filtraggio non è necessario).
  4. Posizionare tutti i cinque cuvette su una lastra di vetro e irradiare loro da una lampada UV palmare (365 nm) dall'alto. La lampada UV deve essere posizionata in modo da assicurare un irraggiamento a tutti e cinque fiale.
  5. Assicurarsi che la stanza è dark (spegnere le luci, finestre di blocco e di altre fonti di luce naturale e artificiale) e di prendere immediatamente una fotografia digitale dei colori di emissione delle soluzioni. Miljanić et al. hanno utilizzato due modelli di fotocamere digitali: Fujifilm FinePix S9000 e Canon EOS Rebel T3i, con una distanza di 45 centimetri tra l'obiettivo della fotocamera e le cuvette del campione. Velocità otturatore era di 0,5 sec.

3. Rilevazione di analiti Amine Uso Cruciform Benzobisoxazole / boronico Acidi Sensing System Hybrid

  1. Preparare (almeno) 80 ml ​​ciascuna di 1,0 x 10 -6 M di soluzioni cruciforme 4 in acetonitrile (AN), 1,2,4-triclorobenzene (TCB), cicloesano (CH), diclorometano (DCM) e cloroformio (CF ).
  2. Sciogliere B1 (152,6 mg, 0,80 mmol) in 40 ml di ciascuna delle soluzioni preparate in 3.1.
  3. Sciogliere B5 (97.6 mg, 0.80 mmol) in 40 ml di ciascuna delle soluzioni preparate in 3.1.
  4. Subito dopo le soluzioni descritte in 3.2 e 3.3 sono preparati, utilizzare ilm (2 ml ciascuna) per sciogliere l'analita ammina desiderata (40 mg, 0,19-0,47 mmol). Per ogni analita ammina, dieci soluzioni devono essere preparate: cinque con B1 e cinque con B5 come additivi. Non è necessario usare solventi qualità spettroscopica; ACS purezza per reagenti è sufficiente.
  5. Per ogni analita, trasferire aliquote dei dieci preparati analiti / boronic acid / cruciforme 4 soluzioni in dieci cuvette di quarzo separati. Posizionare questi due set di cinque Cuvetta (uno per 4/B1, uno per 4/B5) su una lastra di vetro, irradiano a 365 nm di una lampada UV tenuto in mano, e subito fotografare usando le impostazioni descritte in 2.5.

4. Image Processing e numerico Analita discriminazione

  1. Utilizzo di Adobe Photoshop o un programma di elaborazione delle immagini simili, tagliare un segmento quadrato rappresentante di fotografie digitali dei colori di emissione di ciascun flacone fotografato. Organizzare questi ritagli in pannelli simili a quelli nelle figure 3B, 4, e 5 . Questi pannelli, in molti casi consentono una rapida discriminazione ad occhio nudo tra analiti.
  2. Se si desidera una quantificazione delle differenze di colore di emissione, i valori di R / G / B possono essere estratti da pannelli in 4.1 e poi trattati statisticamente. Liberamente scaricabile Colour Contrast Analyzer 14 può essere utilizzato per questo scopo. Avere deviazioni standard relative colori di emissione di un analita relativo ad un altro (ad esempio composti B1 e B2, figura 4), ​​la seguente equazione è utilizzato:
    figure-protocol-5922
  3. L'equazione da 4.2 viene inoltre utilizzato per identificare sconosciuti analiti acido carbossilico. Quindi ogni scostamento è determinato tra l'analita sconosciuto a tutte le sostanze del set di dati di calibrazione. La più piccola deviazione indica la sostanza corrispondente.

Risultati

Per illustrare le potenzialità di fluorofori cruciformi in rilevamento e discriminare analiti strettamente correlati, tre classi di risultati sono presentati. Prima, 1,4-distyryl-2 ,5-bis (arylethynyl) benzene crucimorfi 1-3 (Figura 1) sono usati per discriminare tra acidi carbossilici strutturalmente correlate A1-A10 mostrati in Figura 3. Poi, benzobisoxazole basata cruciforme 4 (figura 1) è stato utilizzato per analizzare acidi boronico B1-B9 (Figura 4).

Discussione

I protocolli per la discriminazione qualitativa descritta in questo documento e video detengono un potenziale significativo in analisi di qualità di routine, dove anche un operatore minimamente addestrato poteva scorgere le differenze di composizione, o deviazioni da una formula ben definita. La praticità di questa tecnica potrebbe essere ulteriormente migliorata utilizzando semplici telecamere cellulare, che, in combinazione con il software di disegno e immagine riconoscimento come Google Goggles, potrebbero corrispo...

Divulgazioni

Non abbiamo nulla da rivelare.

Riconoscimenti

Lavoro nel laboratorio di Bunz presso il Georgia Institute of Technology è stato sostenuto in parte dalla National Science Foundation (NSF-CHE 07.502.753) e il lavoro a Ruprecht-Karls-Universität di Heidelberg è stato finanziato dalla "Struktur und Innovationsfond des Landes Baden-Württemberg". Lavoro nel laboratorio di Miljanić presso l'Università di Houston è stato finanziato dal programma National Science Foundation CARRIERA (CHE-1.151.292), la Welch Foundation (concessione n. E-1768), l'Università di Houston (UH) e il suo programma Piccolo Grant, e il Centro Texas per la superconduttività a UH.

Materiali

NameCompanyCatalog NumberComments
Cyclohexane (CH)Mallinckrodt4878-02
Chlorobenzene (CB)JT Baker9179-1
1,2,4-Trichlorobenzene (TCB)Alfa Aesar19390
Dichloromethane (DCM) - MiljanićMallinckrodt4879-06
Acetonitrile (AN)Mallinckrodt2856-10
Chloroform (CF)Mallinckrodt4440-19
Dichloromethane (DCM) - BunzSigma Aldrich24233
Ethyl Acetate (EtOAc)Brenntag10010447Additional distillation
Acetonitrile (AN)Sigma Aldrich34851
Dimethylformamide (DMF)Sigma Aldrich38840
2-Propanol (iPrOH)Ruprecht-Karls Universität Heidelberg, Zentralbereich Neuenheimer Feld69595
Methanol (MeOH)VWR20847.295
4-Hydroxybenzoic Acid (A1)Fluka54630
(4-Hydroxyphenyl)acetic Acid (A2)Sigma AldrichH50004
Ibuprofen (A3)ABCRAB125950
Aspirine (A4)Sigma AldrichA5376
Phenylacetic Acid (A5)Sigma AldrichP16621
4-Chlorophenylacetic Acid (A6)Sigma Aldrich139262
Benzoic Acid (A7)Merck8222571000
3,5-Dihydroxybenzoic Acid (A8)Sigma AldrichD110000
2,4-Dichlorobenzoic Acid (A9)Sigma Aldrich139572
2-Hydroxy-5-iodobenzoic Acid (A10)Sigma AldrichI10600
2,6-Dichlorophenylboronic Acid (B1)TCID3357
3,5-Bis(trifluoromethyl)phenylboronic Acid (B2)Sigma Aldrich471070
4-Mercaptophenylboronic Acid (B3)Sigma Aldrich524018
4-Methoxyphenylboronic Acid (B4)TCIM1126
Benzeneboronic Acid (B5)Alfa AesarA14257
Cyclohexylboronic Acid (B6)Sigma Aldrich556580
3-Pyridylboronic Acid (B7)Sigma Aldrich512125
4-Nitrophenylboronic Acid (B8)Sigma Aldrich673854
Pentafluorophenylboronic Acid (B9)Sigma Aldrich465097
Triethylamine (N1)Alfa AesarA12646
Piperidine (N2)JT Baker2895-05
Piperazine (N3)AldrichP45907
1,4-Diaminobenzene (N4)Alfa AesarA15680
1,3-Diaminobenzene (N5)Eastman
1,2-Diaminobenzene (N6)TCIP0168
4-Methoxyaniline (N7)Alfa AesarA10946
Aniline (N8)Acros22173-2500
4-Nitroaniline (N9)Alfa AesarA10369
N,N-Diphenylurea (N10)Alfa AesarA18720
N,N-Dimethylurea (N11)Alfa AesarB21329
Urea (N12)Mallinckrodt8648-04
Canon EOS 30D (objective EFS 18-55 mm zoom lens)Canon
Canon EOS Rebel T3i (objective EFS 18-55 mm zoom lens)Canon
FujiFilm FinePix S9000Fuji

Riferimenti

  1. Zucchero, A. J., McGrier, P. J., Bunz, U. H. F. Cross-conjugated cruciform fluorophores. Acc. Chem. Res. 43 (3), 397-408 (2010).
  2. Feldman, A. K., Steigerwald, M. L., Guo, X., Nuckolls, C. Molecular electronic devices based on single-walled carbon nanotube electrodes. Acc. Chem. Res. 41 (12), 1731-1741 (2008).
  3. Galbrecht, F., Bünnagel, T., Bilge, A., Scherf, T. J. J., Müller, U. H. F., Bunz, . Functional Organic Materials. , 83 (2007).
  4. Marsden, J. A., Miller, J. J., Shirtcliff, L. D., Haley, M. M. Structure-property relationships of donor/acceptor-functionalized tetrakis(phenylethynyl)benzenes and bis(dehydrobenzoannuleno) benzenes. J. Am. Chem. Soc. 127 (8), 2464-2476 (2005).
  5. Lim, J., Albright, T. A., Martin, B. R., Miljanić, O. &. #. 3. 5. 2. ;. Benzobisoxazole cruciforms: heterocyclic fluorophores with spatially separated frontier molecular orbitals. J. Org. Chem. 76 (24), 10207-10219 (2011).
  6. Lirag, R. C., Le, H. T. M., Miljanić, O. &. #. 3. 5. 2. ;. L-shaped benzimidazole fluorophores: synthesis, characterization and optical response to bases, acids and anions. Chem. Commun. , (2013).
  7. Hauck, M., Schoenhaber, J., Zucchero, A. J., Hardcastle, K. I., Mueller, T. J. J., Bunz, U. H. F. Phenothiazine cruciforms: synthesis and metallochromic properties. J. Org. Chem. 72 (18), 6714-6725 (2007).
  8. Zucchero, A. J., Wilson, J. N., Bunz, U. H. F. Cruciforms as functional fluorophores: response to protons and selected metal ions. J. Am. Chem. Soc. 128 (36), 11872-11881 (2006).
  9. Wilson, J. N., Bunz, U. H. F. Switching of intramolecular charge transfer in cruciforms: metal ion sensing. J. Am. Chem. Soc. 127 (12), 4124-4125 (2005).
  10. Davey, E. A., Zucchero, A. J., Trapp, O., Bunz, U. H. F. Discrimination of organic acids using a three molecule array based upon cruciform fluorophores. J. Am. Chem. Soc. 133 (20), 7716-7718 (2011).
  11. Lim, J., Nam, D., Miljanić, O. &. #. 3. 5. 2. ;. Identification of carboxylic and organoboronic acids and phenols with a single benzobisoxazole fluorophore. Chem. Sci. 3 (2), 559-563 (2012).
  12. Lim, J., Miljanić, O. &. #. 3. 5. 2. ;. Benzobisoxazole fluorophore vicariously senses amines, ureas, anions. Chem. Commun. 48 (83), 10301-10303 (2012).
  13. Braga, D., Polito, M., Bracaccini, M., D'Addario, D., Tagliavini, E., Sturba, L. Novel organometallic building blocks for molecular crystal engineering. 2. Synthesis and characterization of pyridyl and pyrimidyl derivatives of diboronic acid, Fe(η5-C5H4 - B(OH)2)2], and of pyridyl boronic acid, [Fe(η5-C5H4-4-C5H4N)(η5-C5H4 - B(OH)2)]. Organometallics. 22 (10), 2142-2150 (2003).
  14. Schwaebel, T., Trapp, O., Bunz, U. H. F. Digital photography for the analysis of fluorescence responses. Chem. Sci. 4 (3), 273-281 (2013).

Ristampe e Autorizzazioni

Richiedi autorizzazione per utilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE

Richiedi Autorizzazione

Esplora altri articoli

ChimicaNumero 78Ingegneria Chimicaamminechimica analiticachimica organicaspettrofotometria applicazioneanalisi chimica spettroscopica applicazionecomposti eterociclicifluorescenzacruciformebenzobisoxazolealchinofarmaceuticocontrollo qualitimaging

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Riservatezza

Condizioni di utilizzo

Politiche

Contattaci

SUGGERISCI JOVE ALLA BIBLIOTECA

Newsletter di JoVE

Ricerca

Didattica

Autori

Personale delle biblioteche

CHI SIAMO

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Tutti i diritti riservati