Методическая статья

Качественная идентификация карбоновые кислоты, борной кислоты и аминов с использованием крестообразных Флуорофоры

DOI:

10.3791/50858

⸱

19 августа 2013 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Кросс-конъюгированные крестообразный флуорофоров на основе 1,4-distyryl-2 ,5-бис (арилэтинил) бензола и бензобисоксазол ядер может быть использована для качественно определить разнообразные кислоты Льюиса и Льюиса основных веществ. Этот метод основан на различия в выбросах цвета cruciforms, которые наблюдаются при аналита дополнение. Структурно близких видов можно отличить друг от друга.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Молекулярная cruciforms являются Х-образные системы, в которой две оси сопряжения пересекаются в центральной сердцевины. Если на одной оси этих молекул замещена донорами электронов, а другой с акцепторов электронов, HOMO cruciforms 'будет локализовать вдоль богатых электронами и LUMO вдоль электронного бедных оси. Это пространственной изоляции граничных молекулярных cruciforms 'орбиталей (предприятия группы) имеет важное значение для их использования в качестве датчиков, так как анализируемое связывания с крестообразной неизменно изменяет свое HOMO-LUMO разрыв и соответствующие оптические свойства. Используя этот принцип, Bunz и Miljanic группы разработали 1,4-distyryl-2 ,5-бис (арилэтинил) бензола и бензобисоксазол cruciforms соответственно, которые действуют в качестве флуоресцентных датчиков для ионов металлов, карбоновые кислоты, борной кислоты, фенолы, амины и анионов. Излучение цвета наблюдалось, когда эти крестообразные смешиваются с аналитов очень чувствительны к Сведения о структуре анализируемого вещества и - из-за cruciforms "заряд-Sepотделен возбужденных состояний - в растворителе, в котором излучение наблюдается. Структурно близких видов могут быть качественно отличались в пределах нескольких классов анализируемого вещества: (а) карбоновые кислоты, (б) бороновой кислоты, и (с) металлов. Использование гибридных сенсорная система состоит из cruciforms бензобисоксазол и борной кислоты добавок, мы также смогли различить среди структурно похожи: (D) небольших органических и неорганических анионов, (E) аминов и (F) фенолами. Метод, используемый для этого качественного различия чрезвычайно проста. Разбавленных растворах (обычно 10 -6 М) cruciforms в нескольких имеющийся в продаже растворители помещаются в UV / VIS флаконов. Затем интерес аналитов добавлены, либо непосредственно в виде твердых веществ или в концентрированном растворе. Флуоресценции изменения происходят практически мгновенно и могут быть записаны через стандартный цифровой фотографии, с использованием полупрофессиональной цифровой камерой в темной комнате. При минимальных графических манипуляций,Представитель вырезы фотографиях цвет свечения могут быть организованы в виде панелей, которые позволяют быстро невооруженным глазом различия между анализируемых веществ. Для количественного определения целей, красный / зеленый / синий значения могут быть извлечены из этих фотографий и полученные числовые данные могут быть обработаны статистически.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Молекулярная cruciforms определены как X-образное поперечное конъюгированных молекул, в которых две схемы сопряжения пересекаются в центральной сердцевины. 1,2,3 При соответствующем донорно-акцепторной замены, эти молекулы могут пространственно локализовать их граничных молекулярных орбиталей (предприятия группы), так что высших занятых молекулярных орбиталей (HOMO) находится преимущественно вдоль богатых электронами оси молекулы, а самый низкий незанятых молекулярных орбиталей (НСМО) имеет основную часть его плотности, расположенных вдоль электронно-плохой рукой молекулы. Такая пространственная изоляция лесозаготовительных предприятий имеет важное значение в применении этих cruciforms как датчики для малых молекул, так как связывание с анализируемым веществом крестообразной неизменно меняет свое HOMO-LUMO щели и связанных оптических свойств. Такое поведение было продемонстрировано в cruciforms на основе 1,4-distyryl-2 ,5-бис (арилэтинил) бензол, 1 1,2,4,5-tetrakisethynylbenzene, 4 и бензобисоксазол 5,6 структурныхмотивами. Поскольку все три класса молекул, по своей природе флуоресцентные, эта методика позволила их использование в качестве низкомолекулярных датчиков. Во всех трех примерах, cruciforms были заменены основные Льюис пиридина и диалкиланилин групп и таким образом реагировать на Льюиса кислых компонентов, таких, как протоны и ионы металлов. 1,4,5,7,8,9

В 2011 году Bunz с соавторами показали 10, что флуоресценция реакции 1,4-distyryl-2 ,5-бис (арилэтинил) бензол cruciforms 1 - 3 (рис. 1) значительно варьировать в зависимости от структуры карбоновой кислоты используется, чтобы вызвать протонирования крестообразной. Впоследствии Miljanic соавт. Показали, что бензобисоксазол cruciforms такие как 4 (рис. 1) также показывают весьма специфический флуоресценции ответов выброс в структурно связаны карбоновые кислоты, и что подобное различие можно увидеть среди очень похожи кислот organoboronic, тоже. 11 Происхождение этоговысоко селективным изменения цвета свечения в настоящее время неясны, и, скорее всего комплекса - как тушения флуоресценции недостаток электронов аналитов, остаточную флуоресценцию аналита и протонирования индуцированных смещение максимумы излучения cruciforms «все предположительно играют роль. Тем не менее, способность различать между структурно родственным аналитов, является значительным, тем более, что статистически существенное различие может быть получена без необходимости выполнения исчерпывающий UV / Vis поглощения или флуоресценции характеристики оптического отклика cruciforms в аналитов. Вместо простого фотографии цвета свечения достаточно различны, чтобы позволить дискриминации между структурно тесно связаны аналитов, особенно, если фотографии сделаны в различных растворителях или использованием более чем одного крестообразный датчик. С помощью этой быстрой методологии, десятки аналитов могут быть быстро проанализированы в день (см. панелей на рисунках 3-5), тогда как тот же самый анализ потребуетнедель, если строгий спектроскопии был использован. Кроме того, поскольку борной кислоты являются динамическими видами, которые могут координировать нуклеофилы через бор пусто р-орбитали, Miljanic воспользовался этим, чтобы развивать гибридные датчики состоят из бензобисоксазол крестообразной 4 и простые нефлуоресцентных борной кислоты добавки B1 и B5 (рис. 4). 11, 12 Эта методика работает следующим образом: крестообразный 4 и борной кислоты в сложный комплекс переходного 4 · н B1 (или 4 · н В5); Точная структура этого комплекса в настоящее время неизвестно, но его флуоресценции отличается от чистого крестообразный . Если этот раствор подвергается Льюиса основные аналитов, они могут заменить одну или обе группы-ОН на бороновой кислоты, 13 таким образом, значительного изменения электронных свойств бора и, в свою очередь, флуоресценцию всего комплекса. С помощью этого "субсидиарной зондирование" методология, зондирование фенолы, органические амины и мочевины, а такжекак малых органических и неорганических анионов, может быть достигнута.

В этой статье мы представляем учебник по использованию прямых и субсидиарной зондирования методология быстро качественно различать структурно родственных (а) карбоновых кислот (рис. 3), (б) борной кислоты (рис. 4), и, опосредованно, ( в) органические амины (рис. 5). Чтобы проиллюстрировать широкой применимости сообщалось протоколов cruciforms Bunz были использованы для обнаружения карбоновые кислоты, в то время как соединения Miljanic были использованы для выявления борной кислоты, а через гибридный датчик, небольшие органические амины. Мы предполагаем, что эти датчики могут быть легко поменять местами без серьезных последствий для качества анализируемого дискриминации.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Обнаружение карбоновых кислот с использованием Distyrylbis (арилэтинил) бензол Cruciforms

  1. Подготовка свежий раствор запас cruciforms 1-3 с концентрацией 1,0 × 10 -3 моль / л в ДХМ. Нет необходимости использовать спектроскопические растворители качества, ACS реагент высокой чистоты является достаточной.
  2. Использование растворов от 1,1 готовить 100 мл каждого из 2,0 × 10 -6 М раствора 1-3 в дихлорметане (ДХМ), этилацетата (EtOAc), ацетонитрил (АН), N, N-диметилформамид (ДМФ), изопропилового спирта (я ИПС) и метанола (MeOH). Нет необходимости использовать спектроскопические растворители качества, ACS реагент высокой чистоты является достаточной.
  3. Взвешивают 0,65 ммоль (88.2-124.2 мг) аналита карбоновой кислоты A1 - A10 в 5 мл флаконы, драма, добавляют 5 мл растворов, приготовленных в 2,1 и встряхнуть флакон. Если гетерогенная, соответствующее решение должно быть оставлено для урегулирования (фильтрация не требуется). Это приводит к общей концентрациирацион 0,13 М (31 г / л) карбоновой кислоты.
  4. Захват цифровых фотографий флуоресценции в темной комнате при отсутствии освещения. Фотографические установки (рис. 2) включает в себя цифровую камеру (Canon EOS 30D), оснащенных объективный (EFS 18-55 мм зум-объектив) и две УФ-лампы (длина волны возбуждения 365 нм). Раскрытый флаконы должны быть расположены в соответствии с двумя УФ-лампы для максимального воздействия на расстоянии 60 см от объектива камеры и образцы флаконов. Время экспозиции были различны для каждого раствора для получения изображений отражающий цвет излучения (0,25 - 15 с).

2. Обнаружение борной кислоты Используя бензобисоксазол Cruciforms

  1. Подготовьте 1,0 х 10 -4 М раствора крестообразных 4 в DCM. Нет необходимости использовать спектроскопические качество растворителе; ACS реагент высокой чистоты является достаточной.
  2. Подготовьте пять индивидуальных решений для каждого анализируемого борную кислоту, путем растворения 50 мг (0.24-0.41 ммоль)анализируемого вещества в 3 мл ацетонитрила (), 1,2,4-трихлорбензол (ТСВ), дихлорметан (DCM), циклогексан (СН) и хлорбензола (СВ). Это должно привести к ок. 16,7 г / л решений в отношении каждого аналита. Нет необходимости использовать спектроскопические растворители качества, ACS реагент высокой чистоты является достаточной.
  3. Передача 1,8 мл каждого анализируемого растворов, полученных в разделе 2.2 в пяти отдельных 10 х 10 мм кварцевой кюветы (обычно используется для УФ / видимой областях спектра). Затем добавляют 20 мкл раствора, приготовленного крестообразный в 2,1 в каждой из пяти кювету и перемешивали в двух растворов для гомогенизации. Если осадками, соответствующее решение должно быть просто отстаивается (фильтрация не нужно).
  4. Поместите все пять кювет на стеклянную пластинку и облучать их портативных УФ-лампы (365 нм) сверху. УФ-лампы должны быть расположены таким образом, что обеспечивает равные облучения на все пять флаконов.
  5. Убедитесь, что в комнате ДарК (выключить свет, блок окон и других источников естественного и искусственного освещения) и немедленно принять цифровую фотографию выбросов цветов решений. Miljanic соавт. использовал два цифровых камер: FujiFilm FinePix S9000 и Canon EOS Rebel T3i, с 45 см Расстояние между объективом камеры и образца кювет. Скорость затвора составляет 0,5 сек.

3. Обнаружение Амин Аналиты Использование бензобисоксазол крестообразных / борные кислоты Гибридный зондирования системы

  1. Prepare (по крайней мере) 80 мл каждого из 1,0 × 10 -6 М растворов крестообразный 4 в ацетонитриле (), 1,2,4-трихлорбензол (ТСВ), циклогексан (СН), дихлорметан (DCM) и хлороформ (CF ).
  2. Растворить B1 (152,6 мг, 0,80 ммоль) в 40 мл каждого из растворов, полученных в разделе 3.1.
  3. Растворить B5 (97,6 мг, 0,80 ммоль) в 40 мл каждого из растворов, полученных в разделе 3.1.
  4. Сразу же после решения, описанные в 3.2 и 3.3 готовят, используям (2 мл), чтобы растворить желаемый амин анализируемого вещества (40 мг, 0.19-0.47 ммоль). Для каждого анализируемого вещества амина, десять решений должны быть готовы: пять с B1 и B5 с пяти в качестве добавок. Нет необходимости использовать спектроскопические растворители качества, ACS реагент высокой чистоты является достаточной.
  5. Для каждого анализируемого вещества, передача аликвоты из десяти подготовленных анализируемого / кислотой / крестообразный 4 решения на десять отдельных кварцевых кюветах. Поместите эти два-пять кювет наборы (один для 4/B1, по одному для 4/B5) на стеклянную пластинку, облучают при 365 нм с помощью портативных УФ-лампы, и сразу же фотографии с помощью настроек, описанных в 2.5 выше.

4. Обработки изображений и числовых дискриминации Аналит

  1. С помощью Adobe Photoshop или аналогичной программа для обработки изображений, вырезать представитель квадратных сегмент от цифровых фотографий выбросов цвета каждого сфотографировали флаконе. Организовать эти вырезы в панели аналогичные показатели 3B, 4 и 5 . Эти панели во многих случаях позволяет быстро невооруженным глазом дискриминации среди анализируемых веществ.
  2. Если количественной оценки различий в выбросах цвета желательно, R / G / B значения могут быть извлечены из панелей в 4,1 и затем обрабатывали статистически. Свободно загружаемые анализатор Цвет Контраст 14 могут быть использованы для этой цели. Чтобы получить относительное стандартное отклонение излучения цветов одного анализируемого вещества по отношению к другой (например, соединения B1 и B2, рис. 4), используется следующее уравнение:
    figure-protocol-1
  3. Уравнение от 4,2 также используется для идентификации неизвестных аналитов карбоновую кислоту. Поэтому любое отклонение определяется между неизвестным анализируемого вещества ко всем веществам набор калибровочных данных. Наименьшее отклонение показывает, соответствующего вещества.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Чтобы проиллюстрировать потенциал крестообразной флуорофорам в зондирования и дискриминация тесно связанных аналитов, три класса результаты. Во-первых, 1,4-distyryl-2 ,5-бис (арилэтинил) бензол cruciforms 1-3 (рис. 1) используется для различения между структурно родственным карбоновых кислот A1-A10, представленной на фиг.3. Затем бензобисоксазол основе крестообразной 4 (рис. 1) была использована для анализа борной кислоты B1-B9 (рис. 4). Наконец, кресто...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Протоколы для качественной дискриминации описанные в этой статье и видео, имеют значительные потенциал в рутинных анализов качества, где даже минимально обученный оператор мог различить различия в составе, или отклонения от четко определенной формуле. Практичность этого метода можно было бы повысить, используя простые камеры мобильных телефонов, которые в сочетании с рисунком и система распознавания образов программного обеспечения, таких как Google Goggles, мог соответствовать цвета записанного выброс в базе данных изв...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Нам нечего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Работа в лаборатории Bunz по адресу Технологического института Джорджии была выполнена при частичной поддержке Национального научного фонда (NSF-ЧЕ 07502753) и работа на Рупрехта-Карла-Universität Heidelberg была профинансирована "Struktur унд Innovationsfond де Ланды Баден-Вюртемберг». Работа в лаборатории Miljanic в Университете Хьюстона финансировалось Национальным научным фондом Карьерная программа (CHE-1151292), Уэлч фонда (грант №. E-1768), в Университете Хьюстона (UH) и его программы малых грантов и Техас Центр Сверхпроводимость при UH.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Циклогексан (CH)Mallinckrodt4878-02
Хлорбензол (CB)JT Baker9179-1
1,2,4-трихлорбензол (TCB)Альфа Аэсар19390
Дихлорметан (DCM) - Miljaniä‡Mallinckrodt4879-06
Ацетонитрил (AN)Mallinckrodt2856-10
Хлороформ (CF)Mallinckrodt4440-19
Дихлорметан (DCM) - BunzSigma Aldrich24233
Этилацетат (EtOAc)Brenntag10010447Дополнительная дистилляция
Ацетонитрил (AN)Sigma Aldrich34851
Диметилформамид (DMF)Sigma Aldrich38840
2-пропанол (iPrOH)Университет имени Рупрехта-Карлаä t Heidelberg, Zentralbereich Neuenheimer Feld69595
Метанол (MeOH)VWR20847.295
4-гидроксибензойная кислота (A1)Fluka54630
(4-гидроксифенил)уксусная кислота (A2)Sigma AldrichH50004
Ибупрофен (A3)ABCRAB125950
аспирин (A4)Sigma AldrichA5376
Фенилуксусная кислота (А5)Сигма ОлдричP16621
4-хлорфенилуксусная кислота (А6)Сигма Олдрич139262
бензойная кислота (А7)Мерк8222571000
3,5-дигидроксибензойная кислота (А8)Сигма ОлдричD110000
2,4-дихлорбензойная кислота (А9)Сигма Олдрич139572
2-гидрокси-5-йодобензойная кислота (А10)Сигма ОлдричI10600
2,6-дихлорфенилбороновая кислота (В1)TCID3357
3,5-бис(трифторметил)фенилбороновая кислота (В2)Сигма Олдрич471070
4-меркаптофенилбороновая кислота (В3)Сигма Олдрич524018
4-метоксифенилбороновая кислота (В4)ТЦИМ1126
Бензолбороновая кислота (В5)Альфа Аезар А14257
Циклогексилбороновая кислота (В6)Сигма Олдрич556580
3-пиридилбороновая кислота (В7)Сигма Олдрич512125
4-нитрофенилбороновая кислота (В8)Сигма Олдрич673854
пентафторфенилбороновая кислота (В9)Сигма Олдрич465097
Триэтиламин (N1)Альфа Аэсар A12646
Пиперидин (N2)JT Baker2895-05
Пиперазин (N3)AldrichP45907
1,4-диаминобензол (N4)Альфа Аэсар A15680
1,3-диаминобензол (N5)Eastman
1,2-диаминобензол (N6)TCIP0168
4-метоксианилин (N7)Альфа Аэсар А10946
Анилин (Н8)Акрос22173-2500
4-Нитроанилин (Н9)Альфа Аэсар А10369
Н,Н-дифенилмочевина (Н10)Альфа Аэсар Аэсар А18720
Н,Н-диметилмочевина (Н11)Альфа АэсарВ21329
Мочевина (Н12)Маллинкродт8648-04
Canon EOS 30D (зум-объектив EFS 18-55 мм)Canon
EOS Rebel T3i (зум-объектив EFS 18-55 мм)Canon
FujiFilm FinePix S9000Fuji

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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, Functional Organic Materials. Müller, T. J. J., Bunz, U. H. F. , Wiley-VCH. Weinheim. 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. Š 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. Š 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. Š 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. Š 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. Colour Contrast Analyser 2-2 for Web Pages [Internet]. , Available from: http://www.visionaustralia.org.au/info.aspx?page=628 (2012).
  15. Schwaebel, T., Trapp, O., Bunz, U. H. F. Digital photography for the analysis of fluorescence responses. Chem. Sci. 4 (3), 273-281 (2013).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи