Artigo de método

A identificação qualitativa dos ácidos carboxílicos, ácidos borónicos e aminas Usando fluoróforos cruciforme

DOI:

10.3791/50858

⸱

19 de agosto de 2013

 ,  ,  ,  ,  , 
1Organisch-Chemisches Institut, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, 2Department of Chemistry, University of Houston

Neste artigo

Resumo

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Fluoróforos cruciformes cruzada conjugados baseados em 1,4-distyryl-2 ,5-bis (arylethynyl) benzeno e núcleos benzobisoxazolo pode ser utilizado para identificar qualitativamente diverso de Lewis ácido de Lewis e analitos básicos. Este método baseia-se nas diferenças de cores de emissão dos cruciforms que são observados aquando da adição do analito. Estruturalmente espécies estreitamente relacionadas podem ser distinguidas umas das outras.

Resumo

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Cruciforms moleculares são sistemas em forma de X em que dois eixos se cruzam em conjugação de um núcleo central. Se um eixo dessas moléculas é substituído com elétron-doadores, e outro com elétron-receptores, HOMO cruciforms 'vai localizar ao longo do elétron-rico e LUMO ao longo do eixo elétron-pobre. Este isolamento espacial da fronteira orbitais moleculares cruciforms '(FOM) é essencial para a sua utilização como sensores, uma vez que a ligação ao analito cruciforme, invariavelmente, muda a sua abertura HOMO-LUMO e as propriedades ópticas associadas. Utilizando este princípio, Bunz e grupos Miljanić desenvolvido 1,4-distyryl-2 ,5-bis (arylethynyl) benzeno e benzobisoxazolo cruciforms, respectivamente, que funcionam como sensores fluorescentes para iões metálicos, ácidos carboxílicos, ácidos borónicos, fenóis, aminas, e ânions. As cores de emissão observada quando estes são misturados com cruciforme analitos são altamente sensíveis aos detalhes da estrutura do analito e - devido cruciforms 'carga setembroestados excitados radas - para o solvente no qual a emissão é observada. Estruturalmente espécies estreitamente relacionadas podem ser distinguidas qualitativamente em diferentes classes de analitos: (a) ácidos carboxílicos, (b) ácidos borónicos, e (c) metais. Usando um sistema de detecção de híbridos de composto cruciforms benzobisoxazolo e aditivos de ácido borónico, que também foram capazes de discernir entre estruturalmente semelhantes: (d) as pequenas aniões orgânicos e inorgânicos, e (e) aminas, e (f) fenóis. O método utilizado para esta distinção qualitativa é extremamente simples. Soluções diluídas (geralmente 10 -6 M) de cruciforms em vários solventes off-the-shelf são colocados em frascos de UV / Vis. Em seguida, os analitos de interesse forem adicionados, quer directamente na forma de sólidos ou em soluções concentradas. Alterações de fluorescência ocorre quase instantaneamente e podem ser gravadas através da fotografia digital padrão usando uma câmera digital semi-profissional em um quarto escuro. Com manipulação gráfica mínima,cut-outs de fotografias coloridas de emissão representativo podem ser organizadas em painéis que permitem distinguir a olho nu rápida entre os analitos. Para fins de quantificação, os valores de vermelho / verde / azul pode ser extraído a partir dessas fotografias e os dados numéricos obtidos podem ser processados ​​estatisticamente.

Introdução

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Cruciforms moleculares são definidos como X-forma cruzada moléculas de conjugados em que dois circuitos de conjugação se cruzam num núcleo central. 1,2,3 Com substituição dador-aceitador adequado, estas moléculas podem localizar espacialmente suas orbitais moleculares de fronteira (FOM), de modo que a maior orbital molecular ocupada (HOMO) reside predominantemente ao longo do eixo rico em electrões da molécula, enquanto que o menor desocupado molecular orbital (LUMO) tem a maior parte da sua densidade posicionada ao longo do braço pobre em electrões da molécula. Tal isolamento espacial FMO é essencial em aplicações destes cruciforms como sensores para as moléculas pequenas, uma vez que a ligação ao analito cruciforme, invariavelmente, muda a sua abertura HOMO-LUMO e as propriedades ópticas associadas. Este comportamento tem sido demonstrada em cruciforms baseado em 1,4-distyryl-2 ,5-bis-benzeno (arylethynyl), 1,2,4,5 1-tetrakisethynylbenzene, 4 e 5,6 benzobisoxazolo estruturalmotivos. Uma vez que todas as três classes de moléculas são inerentemente fluorescente, este método permite a sua utilização como sensores de pequenas moléculas. Em todos os três exemplos, cruciforms foram substituídos com piridina de base de Lewis e grupos dialquilanilina e eram, portanto, sensíveis ao ácido de Lewis, tais como analitos protões e iões metálicos. 1,4,5,7,8,9

Em 2011, Bunz e colaboradores demonstraram que as 10 respostas de fluorescência de 1,4-distyryl-2 ,5-bis (arylethynyl) benzeno cruciforms 1 - 3 (Figura 1) variou dramaticamente dependendo da estrutura do ácido carboxílico utilizado para induzir protonação do cruciforme. Subsequentemente, Miljanić et ai. Demonstraram que benzobisoxazolo cruciforms tal como 4 (Figura 1) também mostram respostas altamente específicas de emissão de fluorescência para os ácidos carboxílicos estruturalmente relacionados, e esta distinção semelhante pode ser observada entre os ácidos organoboronic muito semelhantes, também. 11 origens destamudanças de cor de emissão são altamente selectivos actualmente incerto, e é mais provável complexo - como a extinção de fluorescência por analitos electrões pobres, fluorescência residual do analito, e protonação induzidas deslocamento de cruciforms 'emissão máximos todos presumivelmente desempenhar um papel. No entanto, a capacidade de discriminar entre os analitos estruturalmente relacionados é significativa, especialmente desde distinção estatisticamente relevantes podem ser obtidas sem a necessidade de realizar exaustiva UV / Vis a absorção ou fluorescência caracterização da resposta óptica de cruciforms aos analitos. Em vez disso, as fotografias simples de cor emissão são suficientemente distintos para permitir a discriminação entre os analitos estruturalmente estreitamente relacionadas, especialmente se as fotografias são tiradas em diferentes solventes, com mais de um sensor cruciforme. Usando esta metodologia rápida, dezenas de analitos podem ser rapidamente analisados ​​em uma tarde (ver painéis nas Figuras 3-5), enquanto que a mesma análise exigiriasemanas se foi empregado espectroscopia rigoroso. Além disso, uma vez que os ácidos borónicos são espécies dinâmicas que podem coordenar nucleófilos através boro do vazio p-orbital, Miljanić usado este recurso para desenvolver sensores híbridos compostos de benzobisoxazolo cruciforme 4 simples e não-fluorescente borónico aditivos B1 e B5 (Figura 4). 11, 12 A metodologia opera como se segue: 4 cruciforme e ácidos borónicos complexos num complexo transiente 4 · n B1 (ou 4 · n B5), a estrutura precisa deste complexo é actualmente desconhecida, mas a sua fluorescência difere daquele do cruciforme puro . Se esta solução for exposto a Lewis analitos básicos, eles podem substituir um ou ambos os grupos-OH do ácido borónico, 13, alterando assim de forma significativa as propriedades electrónicas de boro e, por sua vez, a fluorescência de todo o complexo. Usando esta metodologia "vicário sensing", sentindo de fenóis, aminas orgânicas e uréias, bemcomo de pequenos aniões orgânicos e inorgânicos, pode ser alcançada.

Neste artigo, apresentamos um tutorial sobre o uso de ambos metodologia de detecção indireta direta e rapidamente qualitativamente distinguir estruturalmente relacionadas (a) ácidos carboxílicos (Figura 3), (b) ácidos borónico (Figura 4) e, vicariamente, ( c) aminas orgânicas (Figura 5). Para ilustrar a aplicabilidade ampla dos protocolos relatados, cruciforms de Bunz foram utilizados para detectar os ácidos carboxílicos, enquanto que os compostos da Miljanić foram utilizados para a detecção de ácidos borónicos e, através de um sensor de híbrido, pequenas aminas orgânicas. Nós presumimos que esses sensores podem ser facilmente trocados sem maiores conseqüências para a qualidade de discriminação analito.

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Protocolo

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1. A detecção de ácidos carboxílicos usando Distyrylbis (arylethynyl) benzeno Cruciforms

  1. Prepara-se uma solução de reserva fresca de cruciforms 1-3 com uma concentração de 1,0 x 10 -3 mole / L em DCM. Não é necessário o uso de solventes de qualidade espectroscópica; ACS grau de pureza de reagente é suficiente.
  2. Usando as soluções de estoque de 1,1 a preparação de 100 ml cada uma de 2,0 x 10 -6 M de solução de 1-3 em diclorometano (DCM), acetato de etilo (EtOAc), acetonitrilo (AN), N, N-dimetilformamida (DMF), álcool isopropílico (i PrOH) e metanol (MeOH). Não é necessário o uso de solventes de qualidade espectroscópica; ACS grau de pureza de reagente é suficiente.
  3. Pesar 0,65 mmol (88,2-124,2 mg) do analito carboxílico A1 - A10 em 5 ml frascos dram, adicionar 5 ml das soluções preparadas em 2.1 e agite o frasco. Se heterogénea, a solução correspondente deve ser deixada a assentar (filtração é desnecessária). Isto conduz a um total de concentração de 0,13 M (31 g / L) do ácido carboxílico.
  4. Captura de fotografias digitais de fluorescência em um quarto escuro, na ausência de luz ambiente. A instalação fotográfica (Figura 2) inclui uma câmera digital (Canon EOS 30D), equipado com um objetivo (EFS lente zoom 18-55 mm) e duas lâmpadas UV (comprimento de onda de excitação 365 nm). Os frascos estreantes devem ser posicionados de acordo com as duas lâmpadas UV para a exposição máxima a uma distância de 60 cm entre a lente da câmera e frascos de amostra. Os tempos de exposição foram variadas para cada solução para produzir imagens que reflectem a cor de emissão (0,25-15 segundos).

2. Detecção de ácidos Borônicos Usando benzobisoxazolo Cruciforms

  1. Prepara-se uma solução de 10 -4 M de 1,0 x 4 cruciforme em DCM. Não é necessário o uso de solvente de qualidade espectroscópica; ACS grau de pureza de reagente é suficiente.
  2. Preparar cinco soluções individuais para cada analito ácido borónico, por dissolução de 50 mg (0,24-0,41 mmole)do analito em 3 ml de cada vez de acetonitrilo (AN), o 1,2,4-triclorobenzeno (TCB), diclorometano (DCM), ciclo-hexano (CH), e clorobenzeno (CB). Isto deve resultar em aprox. Soluções de 16,7 g / L, com respeito a cada analito. Não é necessário o uso de solventes de qualidade espectroscópica; ACS grau de pureza de reagente é suficiente.
  3. Transferir 1,8 ml de cada uma das soluções de analito preparadas de 2,2 x 10 em cinco cuvetes de quartzo de 10 mm separados (vulgarmente utilizados para a espectroscopia UV / Vis). Em seguida, adicionar 20 ul da solução preparada em cruciforme 2,1 em cada um dos cinco cuvetes, e agita-se as duas soluções para homogeneizar. Se qualquer precipitação é observada, a solução correspondente deveria simplesmente ser deixado para resolver (filtração é desnecessário).
  4. Colocar todos os cinco cuvetes numa placa de vidro e irradiar-los por uma lâmpada de UV de mão (365 nm), a partir do topo. A lâmpada UV deve ser posicionado de uma forma que assegura a igualdade de irradiação para todos os cinco frascos.
  5. Certifique-se de que o quarto é dark (desligar luzes, bloco de janelas e outras fontes de luz natural e artificial) e tomar imediatamente uma fotografia digital das cores de emissão das soluções. Miljanić et ai. usaram dois modelos de câmera digital: Fujifilm FinePix S9000 ea Canon EOS Rebel T3i, com uma distância de 45 cm entre a lente da câmera e as cuvetes de amostra. Velocidade do obturador foi de 0,5 seg.

3. Detecção de analitos Amine Usando Cruciform benzobisoxazolo / Ácidos Borônicos Sistema de Detecção híbrido

  1. Prepare a (pelo menos) de 80 ml ​​cada uma de 1,0 x 10 -6 M de soluções cruciforme 4 em acetonitrilo (AN), o 1,2,4-triclorobenzeno (TCB), ciclo-hexano (CH), diclorometano (DCM), e clorofórmio (CF ).
  2. Dissolve-B1 (152,6 mg, 0,80 mmol) em 40 ml de cada uma das soluções preparadas em 3.1.
  3. Dissolver B5 (97,6 mg, 0,80 mmol) em 40 ml de cada uma das soluções preparadas em 3.1.
  4. Imediatamente após as soluções descritas em 3.2 e 3.3 estão preparados, utilize om (2 ml cada), para dissolver a substância a analisar amina desejada (40 mg, 0,19-0,47 mmol). Para cada analito amina, dez soluções devem ser preparadas: cinco com B1 e cinco com B5 como aditivos. Não é necessário o uso de solventes de qualidade espectroscópica; ACS grau de pureza de reagente é suficiente.
  5. Para cada substância a analisar, as alíquotas dos dez preparados analito / ácido borónico / cruciforme quatro soluções em cuvetes de quartzo de dez separadas de transferência. Colocar estes dois conjuntos de cinco cuvetes (um para 4/B1, um para 4/B5) numa placa de vidro, irradiar a 365 nm de uma lâmpada de UV de mão, e imediatamente fotografia usando as definições descritas em 2.5 acima.

4. Processamento de Imagem e Numeric Discriminação Analyte

  1. Utilizando o Adobe Photoshop ou um programa de processamento de imagem similar, cortar um segmento representativo praça das fotografias digitais das cores de emissão de cada recipiente fotografado. Organizar estes recortes nos painéis semelhantes aos descritos no Figuras 3B, 4 e 5 . Estes painéis em muitos casos, permitir uma rápida discriminação a olho nu entre analitos.
  2. Se a quantificação das diferenças na emissão de cor é desejada, os valores de R / G / B podem ser extraídas a partir dos painéis de 4,1 e, em seguida, tratados estatisticamente. Livremente transferível Analisador Cor Contraste 14 pode ser utilizado para este fim. Para obter os desvios-padrão relativos de cores de emissão de um analito em relação ao outro (por exemplo, compostos B1 e B2, a figura 4), ​​a equação seguinte é utilizado:
    figure-protocol-1
  3. A equação de 4,2 é também utilizada para identificar os analitos desconhecidos ácidos carboxílicos. Por isso, todo o desvio é determinado entre o analito desconhecido para todas as substâncias que o conjunto de dados de calibração. O menor desvio indica a substância correspondente.

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Resultados

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Para ilustrar o potencial de fluoróforos cruciformes na detecção e discriminação analitos estreitamente relacionadas, são apresentados três classes de resultados. Em primeiro lugar, 1,4-distyryl-2 ,5-bis (arylethynyl) benzeno cruciforms 1-3 (Figura 1) são usadas para discriminar entre ácidos carboxílicos estruturalmente relacionados A1-A10 mostrados na Figura 3. Em seguida, com base cruciforme benzobisoxazolo 4 (Figura 1) foi usado para analisar os ácidos borónicos B1-B...

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Discussão

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Os protocolos para a discriminação qualitativa descrito neste artigo e vídeo têm um potencial significativo em análises de rotina de qualidade, onde até mesmo um operador minimamente treinado pode discernir as diferenças na composição, ou desvios de uma fórmula bem definida. Praticidade desta técnica poderia ser melhorada usando câmeras de celulares simples, que, em combinação com o software padrão e de reconhecimento de imagem, como o Google Goggles, poderia coincidir com as cores de emissões gravadas no banco de dados...

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Divulgações

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Não temos nada a divulgar.

Agradecimentos

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Trabalho no laboratório de Bunz no Instituto de Tecnologia da Geórgia foi apoiado em parte pela National Science Foundation (NSF-CHE 07502753) eo trabalho na Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg foi financiado pelo "Struktur und Innovationsfond des Landes Baden-Württemberg". Trabalho no laboratório de Miljanić na Universidade de Houston foi financiado pelo programa National Science Foundation CARREIRA (CHE-1151292), a Fundação Welch (concessão não. E-1768), da Universidade de Houston (UH) e seu programa pequeno Grant, e Centro Texas para Supercondutividade em UH.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Ciclohexano (CH)Mallinckrodt4878-02
Clorobenzeno (CB)JT Baker9179-1
1,2,4-Triclorobenzeno (TCB)Alfa Aesar19390
Diclorometano (DCM) - MiljanićMallinckrodt4879-06
Acetonitrila (AN)Mallinckrodt2856-10
Clorofórmio (CF)Mallinckrodt4440-19
Diclorometano (DCM) - BunzSigma Aldrich24233
Acetato de etila (EtOAc)Brenntag10010447Destilação adicional
Acetonitrila (AN)Sigma Aldrich34851
Dimetilformamida (DMF)Sigma Aldrich38840
2-Propanol (iPrOH)Ruprecht-Karls Universitä t Heidelberg, Zentralbereich Neuenheimer Feld69595
Metanol (MeOH)VWR20847.295
Ácido 4-Hidroxibenzóico (A1)Fluka54630
(4-Hidroxifenil)Ácido Acético (A2)Sigma AldrichH50004
Ibuprofeno (A3)ABCRAB125950
Aspirina (A4)Sigma AldrichA5376
Ácido fenilacético (A5)Sigma AldrichP16621
Ácido 4-clorofenilacético (A6)Sigma Aldrich139262
Ácido benzóico (A7)Merck8222571000
Ácido 3,5-dihidroxibenzóico (A8)Sigma AldrichD110000
Ácido 2,4-diclorobenzóico (A9)Sigma Aldrich139572
Ácido 2-hidroxi-5-iodobenzóico (A10)Sigma AldrichI10600
Ácido 2,6-diclorofenilborônico (B1)TCID3357
Ácido 3,5-bis(trifluorometil)fenilborônico (B2)Sigma Aldrich471070
Ácido 4-mercaptofenilborônico (B3)Sigma Aldrich524018
Ácido 4-metoxifenilborônico (B4)TCIM1126
Ácido benzenobeborônico (B5)Alfa AesarA14257
Ácido ciclohexilborônico (B6)Sigma Aldrich556580
Ácido 3-piridilborônico (B7)Sigma Aldrich512125
Ácido 4-nitrofenilborônico (B8)Sigma Aldrich673854
Ácido pentafluorofenilborônico (B9)Sigma Aldrich465097
Trietilamina (N1)Alfa AesarA12646
Piperidina (N2)JT Baker2895-05
Piperazina (N3)AldrichP45907
1,4-Diaminobenzeno (N4)Alfa AesarA15680
1,3-Diaminobenzeno (N5)Eastman
1,2-Diaminobenzeno (N6)TCIP0168
4-metoxianilina (N7)Alfa AesarA10946
Anilina (N8)Acros22173-2500
4-nitroanilina (N9)Alfa AesarA10369
N,N-difenilureia (N10)Alfa AesarA18720
N,N-dimetilureia (N11)Alfa AesarB21329
Uréia (N12)Mallinckrodt8648-04
Canon EOS 30D (objetiva EFS 18-55 mm zoom lente)Canon
Canon EOS Rebel T3i (objetiva EFS 18-55 mm zoom lente)Canon
FujiFilm FinePix S9000Fuji

Referências

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