$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Molekularne formy krzyżowe są definiowane jako cząsteczki sprzężone krzyżowo w kształcie litery X, w których dwa obwody koniugacji przecinają się w centralnym rdzeniu. 1,2,3 Przy odpowiednim podstawieniu donor-akceptor, cząsteczki te mogą przestrzennie lokalizować swoje graniczne orbitale molekularne (FMO), tak że najwyżej zajęty orbital molekularny (HOMO) znajduje się dominująco wzdłuż osi bogatej w elektrony cząsteczki, podczas gdy najniższy niezajęty orbital molekularny (LUMO) ma większość swojej gęstości umieszczonej wzdłuż ramienia cząsteczki ubogiego w elektrony. Taka izolacja przestrzenna FMO jest niezbędna w zastosowaniach tych krzyży jako czujników dla małych cząsteczek, ponieważ wiązanie analitu z kształtem krzyża niezmiennie zmienia jego szczelinę HOMO-LUMO i związane z nią właściwości optyczne. Zachowanie to wykazano w kształtach krzyżowych opartych na motywach strukturalnych 1,4-distyryl-2,5-bis(arylethynylo)benzen,1,2,4,5-tetrakisetynylobenzen,4 i benzobisoksazolu5,6. Ponieważ wszystkie trzy klasy cząsteczek są z natury fluorescencyjne, metodologia ta pozwoliła na ich zastosowanie jako czujników małocząsteczkowych. We wszystkich trzech przykładach rośliny krzyżowe zostały zastąpione zasadowymi grupami pirydyny i dialkiloniliny Lewisa, a zatem reagowały na kwaśne anality Lewisa, takie jak protony i jony metali. 1,4,5,7,8,9
W 2011 roku Bunz i współpracownicywykazali, że reakcje fluorescencyjne 1,4-distyryl-2,5-bis(arylethynylo)benzenu krzyżowego 1 - 3 (Rysunek 1) dramatycznie różniły się w zależności od struktury kwasu karboksylowego użytego do wywołania protonowania krzyża. Następnie Miljanić i in. wykazali, że benzobisoksazole krzyżowe, takie jak 4 (ryc. 1), wykazują również wysoce specyficzne reakcje emisji fluorescencji na strukturalnie pokrewne kwasy karboksylowe i że podobne rozróżnienie można zaobserwować również wśród bardzo podobnych kwasów organoboronowych. 11 Pochodzenie tej wysoce selektywnej emisji zmian koloru jest obecnie niejasne i najprawdopodobniej jest złożone - jako wygaszanie fluorescencji przez anality ubogie w elektrony, fluorescencja analitu resztkowego i wywołane protonacją przesunięcie maksymalnych emisji krzyżowców prawdopodobnie odgrywają pewną rolę. Niemniej jednak zdolność do rozróżniania strukturalnie spokrewnionych analitów jest znacząca, zwłaszcza że statystycznie istotne rozróżnienie można uzyskać bez konieczności przeprowadzania wyczerpującej absorpcji UV/Vis lub fluorescencji charakterystyki optycznej odpowiedzi krzyżowych na anality. Zamiast tego, proste fotografie barwy emisyjnej są wystarczająco wyraźne, aby umożliwić rozróżnienie między strukturalnie blisko spokrewnionymi analitami, zwłaszcza jeśli zdjęcia są wykonane w różnych rozpuszczalnikach lub przy użyciu więcej niż jednego czujnika krzyżowego. Korzystając z tej szybkiej metodologii, dziesiątki analitów można szybko przeanalizować w ciągu jednego popołudnia (patrz panele na rysunkach 3-5), podczas gdy ta sama analiza zajęłaby tygodnie, gdyby zastosowano rygorystyczną spektroskopię. Ponadto, ponieważ kwasy boronowe są gatunkami dynamicznymi, które mogą koordynować nukleofile przez pusty orbital p boru, Miljanić wykorzystał tę cechę do opracowania czujników hybrydowych składających się z benzobisoksazolu w kształcie krzyża 4 i prostych niefluorescencyjnych dodatków kwasu borowego B1 i B5 (Figura 4). 11,12 Metodologia ta działa w następujący sposób: kompleks kwasów krzyżowych 4 i boronowych w przejściowy kompleks 4·nB1 (lub 4·nB5); Dokładna struktura tego kompleksu jest obecnie nieznana, ale jego fluorescencja różni się od czystej rośliny krzyżowej. Jeśli roztwór ten zostanie wystawiony na działanie podstawowych analitów Lewisa, mogą one zastąpić jedną lub obie grupy -OH na kwasie boronowym, zmieniając w ten sposób znacząco właściwości elektronowe boru, a co za tym idzie, fluorescencję całego kompleksu. Korzystając z tej metodologii "detekcji zastępczej", można było osiągnąć wykrywanie fenoli, amin organicznych i mocznika, a także małych anionów organicznych i nieorganicznych.
W tym artykule prezentujemy tutorial na temat wykorzystania metodologii detekcji zarówno bezpośredniej, jak i zastępczej, aby szybko jakościowo rozróżnić strukturalnie powiązane (a) kwasy karboksylowe (Rysunek 3), (b) kwasy boronowe (Rysunek 4) i, zastępczo, (c) aminy organiczne (Rysunek 5). Aby zilustrować szerokie zastosowanie zgłoszonych protokołów, do wykrywania kwasów karboksylowych wykorzystano krzyżowe kształty Bunza, podczas gdy związki Miljanića wykorzystano do wykrywania kwasów borowych oraz, za pomocą czujnika hybrydowego, małych amin organicznych. Zakładamy, że czujniki te można by łatwo wymieniać bez większych konsekwencji dla jakości dyskryminacji analitów.