Identificación cualitativa de los ácidos carboxílicos, ácidos bórico y Aminas Utilizando fluoróforos cruciformes

Resumen

Fluoróforos cruciformes Cruz-conjugados basados ​​en 1,4-diestiril-2 ,5-bis-benceno (ariletinilo) y núcleos benzobisoxazol se pueden utilizar para identificar cualitativamente diversa ácida de Lewis y Lewis analitos básicos. Este método se basa en las diferencias en los colores de emisión de los cruciformes que se observan tras la adición analito. Estructuralmente especies estrechamente relacionadas se pueden distinguir unos de otros.

Resumen

Cruciformes moleculares son sistemas en forma de X en la que dos ejes de conjugación se cruzan en un núcleo central. Si uno de los ejes de estas moléculas está sustituido con donadores de electrones, y el otro con aceptores de electrones, HOMO cruciformes 'va a localizar a lo largo de la rico en electrones y LUMO a lo largo del eje pobre en electrones. Este aislamiento espacial de orbitales moleculares de frontera cruciformes '(MOM) es esencial para su uso como sensores, ya que la unión a la cruciforme analito cambia invariablemente su brecha HOMO-LUMO y las propiedades ópticas asociadas. Utilizando este principio, Bunz y grupos Miljanić desarrollaron 1,4-diestiril-2 ,5-bis (ariletinilo) benceno y cruciformes benzobisoxazol, respectivamente, que actúan como sensores fluorescentes para iones metálicos, ácidos carboxílicos, ácidos borónicos, fenoles, aminas, y aniones. Los colores de emisión observados cuando estos cruciforme se mezclan con analitos son muy sensibles a los detalles de la estructura del analito y - porque cruciformes de "carga-Separated estados excitados - al disolvente en el que se observa la emisión. Estructuralmente especies estrechamente relacionadas pueden ser cualitativamente distinguen en varias clases de analitos: (a) los ácidos carboxílicos, (b) los ácidos bórico, y (c) los metales. El uso de un sistema de detección de híbrido compuesto de cruciformes benzobisoxazol y aditivos de ácido borónico, también hemos sido capaces de discernir entre estructuralmente similar: (d) pequeñas aniones orgánicos e inorgánicos, (e) aminas, y (f) fenoles. El método usado para esta distinción cualitativa es sumamente sencillo. Las soluciones diluidas (normalmente 10 ^-6 M) de cruciformes en varios disolventes off-the-shelf se colocaron en viales de UV / Vis. A continuación, se añaden los analitos de interés, ya sea directamente como sólidos o en solución concentrada. Cambios de fluorescencia se producen casi instantáneamente y se pueden registrar a través de la fotografía digital estándar utilizando una cámara digital semi-profesional en una habitación oscura. Con la manipulación gráfico mínimo,representante de recortes de fotografías en color de emisión se pueden organizar en paneles que permiten la rápida distinción a simple vista entre los analitos. Para efectos de cuantificación, los valores Rojo / Verde / Azul se pueden extraer de estas fotografías y los datos numéricos obtenidos pueden ser procesados ​​estadísticamente.

Introducción

Cruciformes molecular se definen como moléculas en forma de X transversal conjugados en la que dos circuitos de conjugación se cruzan en un núcleo central. ^1,2,3 Con sustitución donante-aceptor apropiado, estas moléculas pueden localizar espacialmente sus orbitales moleculares de frontera (MOM), de modo que el más alto del orbital molecular ocupado (HOMO) reside predominantemente a lo largo del eje rico en electrones de la molécula, mientras que el más bajo del orbital molecular desocupado (LUMO) tiene la mayor parte de su densidad posicionado a lo largo del brazo pobre en electrones de la molécula. Tal aislamiento espacial de MOM es esencial en las aplicaciones de estos cruciformes como sensores para moléculas pequeñas, ya que la unión a la cruciforme analito cambia invariablemente su brecha HOMO-LUMO y las propiedades ópticas asociadas. Este comportamiento ha sido demostrada en cruciformes basados ​​en 1,4-diestiril-2 ,5-bis (ariletinilo) benceno, 1,2,4,5-tetrakisethynylbenzene ^{1, 4} y ^5,6 benzobisoxazol estructuralmotivos. Dado que las tres clases de moléculas son intrínsecamente fluorescente, esta metodología permite su uso como sensores de molécula pequeña. En los tres ejemplos, cruciformes fueron sustituidos con Lewis básica piridina y grupos dialquilanilina y eran por lo tanto sensible a Lewis analitos ácidos, tales como los protones y los iones metálicos. ^1,4,5,7,8,9

En 2011, Bunz y colaboradores han demostrado ¹⁰ que las respuestas de fluorescencia de 1,4-diestiril-2 ,5-bis (ariletinilo) benceno cruciformes 1 - 3 (Figura 1) varió dramáticamente dependiendo de la estructura del ácido carboxílico utilizado para inducir protonación del cruciforme. Posteriormente, Miljanić et al. Demostró que benzobisoxazol cruciformes como 4 (Figura 1) también muestran respuestas muy específicas de emisión de fluorescencia de los ácidos carboxílicos estructuralmente relacionadas, y esa distinción similar se observa entre los ácidos organoborónicos muy similares, también. ¹¹ orígenes de estacambios de color de emisión son altamente selectivos en la actualidad poco claro, y es más probable complejo - como extinción de la fluorescencia por analitos de electrones pobres, fluorescencia analito residual, y protonación inducidos cambiantes de cruciformes 'máximos de emisión todo presumiblemente desempeñar un papel. Sin embargo, la capacidad de discriminar entre los analitos relacionados estructuralmente es significativa, especialmente desde distinción estadísticamente relevante se puede obtener sin la necesidad de realizar exhaustiva UV / Vis de absorción o fluorescencia caracterización de la respuesta óptica de cruciformes a analitos. En cambio, las fotografías simples de emisión de color son lo suficientemente distintos para permitir la discriminación entre los analitos estructuralmente estrechamente relacionadas, sobre todo si las fotografías se toman en diferentes disolventes o de más de un sensor cruciforme. Usando esta metodología rápida, docenas de analitos se pueden analizar rápidamente en una tarde (ver paneles en las figuras 3-5), mientras que el mismo análisis requeriríasemana si se emplea la espectroscopia rigurosa. Por otra parte, puesto que los ácidos borónicos son las especies dinámicos que pueden coordinar nucleófilos a través de boro de vacío orbital p, Miljanić utiliza esta característica para desarrollar sensores híbridos compuestos de benzobisoxazol cruciforme 4 y simple no fluorescente borónico aditivos B1 y B5 (Figura 4). ^{11, 12} Esta metodología funciona como sigue: cruciforme 4 y ácidos borónicos complejas en un complejo transitoria 4 · n B1 (o 4 · n B5); la estructura exacta de este complejo es desconocida en la actualidad, pero su fluorescencia difiere de la de la cruciforme pura . Si esta solución está expuesta a Lewis analitos básicos, que pueden reemplazar uno o ambos grupos-OH en el ácido borónico, ¹³ por lo tanto alterar significativamente las propiedades electrónicas de boro y, a su vez, la fluorescencia de todo el complejo. Usando esta metodología "vicaria detección", de detección de fenoles, aminas orgánicas y ureas, asícomo de pequeñas aniones orgánicos e inorgánicos, se podría lograr.

En este artículo se presenta un tutorial sobre el uso de tanto directa como método de detección indirecta de forma rápida distinguir cualitativamente entre estructuralmente relacionado (a) ácidos carboxílicos (Figura 3), (b) los ácidos bórico (Figura 4), ​​y, vicariamente, ( c) aminas orgánicas (Figura 5). Para ilustrar la amplia aplicabilidad de los protocolos reportados, se utilizaron cruciformes de Bunz para detectar ácidos carboxílicos, mientras que los compuestos de Miljanić fueron empleados para detectar ácidos borónicos, y, a través de un sensor híbrido, pequeñas aminas orgánicas. Partimos de que estos sensores pueden ser fácilmente intercambiados sin mayores consecuencias para la calidad de la discriminación analito.

Protocolo

1. La detección de los ácidos carboxílicos usando Distyrylbis (ariletinilo) benceno cruciformes

1. Preparar una solución madre fresca de cruciformes 1-3 con una concentración de 1,0 x 10 ^-3 mol / L en DCM. No es necesario el uso de disolventes de calidad espectroscópicas; pureza de grado reactivo ACS es suficiente.
2. Uso de las soluciones de stock de 1,1 preparar 100 ml de cada uno de 2,0 x 10 ^-6 M solución de 1-3 en diclorometano (DCM), acetato de etilo (EtOAc), acetonitrilo (AN), N, N-dimetilformamida (DMF), alcohol isopropílico (i PrOH) y metanol (MeOH). No es necesario el uso de disolventes de calidad espectroscópicas; pureza de grado reactivo ACS es suficiente.
3. Pesar 0,65 mmol (88,2 a 124,2 mg) del ácido carboxílico analito A1 - A10 en 5 ml viales dram, añadir 5 ml de las soluciones preparadas en 2.1 y agite el vial. Si heterogénea, la solución correspondiente se debe dejar de resolver (filtración no es necesaria). Esto lleva a un total de concentración de 0,13 M (31 g / L) del ácido carboxílico.
4. Capture fotografías digitales de la fluorescencia en una habitación oscura, en ausencia de luz ambiental. La instalación fotográfica (Figura 2) incluye una cámara digital (Canon EOS 30D) equipada con un objetivo (EFS objetivo zoom 18-55 mm) y dos lámparas UV (longitud de onda de excitación de 365 nm). Los viales destapados se deben colocar en las dos lámparas UV para la exposición máxima con una distancia de 60 cm entre la lente de la cámara y los viales de muestra. Los tiempos de exposición fueron variadas para cada solución para producir imágenes que reflejan el color de emisión (0,25 a 15 seg).

2. La detección de ácidos Borónicos Uso benzobisoxazol cruciformes

1. Preparar una solución x 10 ^-4 M 1.0 de cruciforme 4 en DCM. No es necesario el uso de calidad espectroscópica disolvente; pureza de grado reactivo ACS es suficiente.
2. Preparar cinco soluciones individuales para cada analito de ácido borónico, mediante la disolución de 50 mg (0,24-0,41 mmol)del analito en 3 ml de cada uno de acetonitrilo (AN), 1,2,4-triclorobenceno (TCB), diclorometano (DCM), ciclohexano (CH), y clorobenceno (CB). Esto debe resultar en aprox. 16.7 soluciones g / L con respecto a cada analito. No es necesario el uso de disolventes de calidad espectroscópicas; pureza de grado reactivo ACS es suficiente.
3. Transferir 1,8 ml de cada una de las soluciones preparadas de analito en 2,2 en cinco 10 x 10 mm cubetas de cuarzo separadas (comúnmente utilizado para la espectroscopía UV / Vis). A continuación, añadir 20 l de la solución cruciforme preparado en 2.1 en cada una de las cinco cubetas, y se agita la dos soluciones para homogeneizar. Si no se observa ninguna precipitación, la solución correspondiente, simplemente debe dejar de resolver (filtración no es necesaria).
4. Colocar todos los cinco cubetas sobre una placa de vidrio y irradiar ellos por una lámpara de UV de mano (365 nm) de la parte superior. La lámpara UV debe colocarse de manera que asegure la igualdad de irradiación para los cinco viales.
5. Asegúrese de que la habitación es dark (apagar las luces, bloquear ventanas y otras fuentes de luz natural y artificial) y de inmediato tomar una fotografía digital de los colores de emisión de las soluciones. Miljanić et al. han utilizado dos modelos de cámaras digitales: FujiFilm FinePix S9000 y Canon EOS Rebel T3i, con una distancia de 45 cm entre la lente de la cámara y las cubetas de muestra. Velocidad de obturación fue de 0,5 seg.

3. La detección de analitos amina usando benzobisoxazol cruciforme / Ácidos Borónicos sistema de detección de híbridos

1. Preparar (al menos) 80 ml ​​de cada uno de 1,0 x 10 ^-6 M de soluciones cruciforme 4 en acetonitrilo (AN), 1,2,4-triclorobenceno (TCB), ciclohexano (CH), diclorometano (DCM), y cloroformo (CF ).
2. Disolver B1 (152,6 mg, 0,80 mmol) en 40 ml de cada una de las soluciones preparadas en 3.1.
3. Disolver B5 (97,6 mg, 0,80 mmol) en 40 ml de cada una de las soluciones preparadas en 3.1.
4. Inmediatamente después se preparan las soluciones descritas en 3.2 y 3.3, utilizar elm (2 ml cada uno) para disolver el analito amina deseada (40 mg, 0,19 a 0,47 mmol). Para cada analito amina, diez soluciones deben ser preparadas: cinco con B1 y cinco con B5 como aditivos. No es necesario el uso de disolventes de calidad espectroscópicas; pureza de grado reactivo ACS es suficiente.
5. Para cada analito, alícuotas de transferencia de los diez preparados analito / ácido bórico / cruciforme 4 soluciones en diez cubetas de cuarzo independientes. Coloque estos dos conjuntos de cinco cubetas (una para 4/B1, uno para 4/B5) sobre una placa de vidrio, irradian a 365 nm de una lámpara de UV de mano, e inmediatamente fotografía utilizando los ajustes descritos en 2.5 anteriormente.

4. Procesamiento de imágenes y la Discriminación analito numérico

1. Uso de Adobe Photoshop o un programa de procesamiento de imágenes similares, cortar un segmento del cuadrado representante de fotografías digitales de los colores de las emisiones de cada vial fotografiado. Organizar estos recortes en los paneles similares a las de las Figuras 3B, 4, y 5 . Estos paneles, en muchos casos permiten una rápida discriminación a simple vista entre los analitos.
2. Si se desea la cuantificación de diferencias en el color de emisión, los valores de R / G / B pueden ser extraídos de los paneles en 4,1 y después se trataron estadísticamente. Libremente descargable Color Analizador de contraste ¹⁴ se puede utilizar para este propósito. Para obtener desviaciones estándar relativas de colores de emisión de un analito con respecto a otro (por ejemplo, compuestos B1 y B2, Figura 4), ​​se utiliza la siguiente ecuación:
   
3. La ecuación de 4,2 también se utiliza para identificar los analitos de ácido carboxílicos desconocidos. Por lo tanto, cada desviación se determina entre el analito desconocido para todas las sustancias del conjunto de datos de calibración. La más mínima desviación indica que la sustancia correspondiente.

Resultados

Para ilustrar el potencial de fluoróforos cruciformes en la detección y discriminación de analitos estrechamente relacionadas, se presentan tres tipos de resultados. En primer lugar, el 1,4-diestiril-2 ,5-bis (ariletinilo) benceno cruciformes 1-3 (Figura 1) se utiliza para discriminar entre ácidos carboxílicos estructuralmente relacionados A1-A10 que se muestran en la Figura 3. Entonces, benzobisoxazol basado cruciforme 4 (Figura 1) se ha utilizado para analizar á...

Discusión

Los protocolos para la discriminación cualitativa descrita en este artículo y el video tienen un potencial significativo en los análisis de rutina de calidad, donde incluso un operador mínimamente entrenado podía discernir las diferencias en la composición o desviaciones de una fórmula bien definida. Aplicación en la práctica de esta técnica podría ser mejorada aún más mediante el uso de cámaras de teléfonos celulares simples, que, en combinación con el software de dibujo y de reconocimiento de imágenes...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Cyclohexane (CH)	Mallinckrodt	4878-02
Chlorobenzene (CB)	JT Baker	9179-1
1,2,4-Trichlorobenzene (TCB)	Alfa Aesar	19390
Dichloromethane (DCM) - Miljanić	Mallinckrodt	4879-06
Acetonitrile (AN)	Mallinckrodt	2856-10
Chloroform (CF)	Mallinckrodt	4440-19
Dichloromethane (DCM) - Bunz	Sigma Aldrich	24233
Ethyl Acetate (EtOAc)	Brenntag	10010447	Additional distillation
Acetonitrile (AN)	Sigma Aldrich	34851
Dimethylformamide (DMF)	Sigma Aldrich	38840
2-Propanol (iPrOH)	Ruprecht-Karls Universität Heidelberg, Zentralbereich Neuenheimer Feld	69595
Methanol (MeOH)	VWR	20847.295
4-Hydroxybenzoic Acid (A1)	Fluka	54630
(4-Hydroxyphenyl)acetic Acid (A2)	Sigma Aldrich	H50004
Ibuprofen (A3)	ABCR	AB125950
Aspirine (A4)	Sigma Aldrich	A5376
Phenylacetic Acid (A5)	Sigma Aldrich	P16621
4-Chlorophenylacetic Acid (A6)	Sigma Aldrich	139262
Benzoic Acid (A7)	Merck	8222571000
3,5-Dihydroxybenzoic Acid (A8)	Sigma Aldrich	D110000
2,4-Dichlorobenzoic Acid (A9)	Sigma Aldrich	139572
2-Hydroxy-5-iodobenzoic Acid (A10)	Sigma Aldrich	I10600
2,6-Dichlorophenylboronic Acid (B1)	TCI	D3357
3,5-Bis(trifluoromethyl)phenylboronic Acid (B2)	Sigma Aldrich	471070
4-Mercaptophenylboronic Acid (B3)	Sigma Aldrich	524018
4-Methoxyphenylboronic Acid (B4)	TCI	M1126
Benzeneboronic Acid (B5)	Alfa Aesar	A14257
Cyclohexylboronic Acid (B6)	Sigma Aldrich	556580
3-Pyridylboronic Acid (B7)	Sigma Aldrich	512125
4-Nitrophenylboronic Acid (B8)	Sigma Aldrich	673854
Pentafluorophenylboronic Acid (B9)	Sigma Aldrich	465097
Triethylamine (N1)	Alfa Aesar	A12646
Piperidine (N2)	JT Baker	2895-05
Piperazine (N3)	Aldrich	P45907
1,4-Diaminobenzene (N4)	Alfa Aesar	A15680
1,3-Diaminobenzene (N5)	Eastman
1,2-Diaminobenzene (N6)	TCI	P0168
4-Methoxyaniline (N7)	Alfa Aesar	A10946
Aniline (N8)	Acros	22173-2500
4-Nitroaniline (N9)	Alfa Aesar	A10369
N,N-Diphenylurea (N10)	Alfa Aesar	A18720
N,N-Dimethylurea (N11)	Alfa Aesar	B21329
Urea (N12)	Mallinckrodt	8648-04
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 S9000	Fuji