זיהוי איכותי של חומצות קרבוקסיליות, חומצות boronic, ואמיני שימוש fluorophores הצלב
Summary
Distyryl-2-1,4 בנזן (arylethynyl) ,5-BIS וגרעיני benzobisoxazole יכולים לשמש fluorophores צורת הצלב חוצה מצומדות מבוסס על לזהות איכותי מגוון לואיס חומצי וanalytes הבסיסי לואיס. שיטה זו מסתמכת על ההבדלים בצבעי פליטה של cruciforms כי הם נצפו על בנוסף אנליטי. ניתן להבחין בין מינים מבחינה מבנית הקשורים באופן הדוק מזה.
Abstract
cruciforms המולקולרי הם מערכות בצורת X שבו שני צירים מצטלבים בנטיית ליבה מרכזית. אם ציר אחד של מולקולות אלה מוחלף עם אלקטרונים, ותורמים אחרים עם האלקטרונים acceptors, ההומו 'cruciforms יהיה למקם יחד אלקטרון עשיר וLUMO לאורך אלקטרונים עניי הציר. בידוד זה המרחבית של אורביטלים מולקולרי הספר 'cruciforms (FMOs) הוא חיוני לשימוש בם כחיישנים, שכן אנליטי מחייב לצלב תמיד משנה את הפער שלה הומו LUMO ואת התכונות האופטיות הכרוכות בכך. שימוש בעיקרון זה, וקבוצות Bunz Miljanić פיתחה 1,4-distyryl-2 ,5-BIS בנזן (arylethynyl) וcruciforms benzobisoxazole, בהתאמה, אשר פועל כחיישני ניאון ליונים של מתכות, חומצות קרבוקסיליות, חומצות boronic, פנולים, אמינים, ו אניוני. את צבעי הפליטה נצפו כאשר הצלב אלה מעורבבים עם analytes רגיש מאוד לפרטים של המבנה ואנליטי – בגלל cruciforms "תשלום בספטמצבים מעוררים arated – לממס שבו פליטה הוא ציין. מינים מבני הקשורים באופן הדוק יכולים להיות איכותי נבדלים בתוך כמה כיתות אנליטי: (א) חומצות קרבוקסיליות, (ב) חומצות boronic, ו (ג) מתכות. באמצעות מערכת חישה היברידית המורכבת מcruciforms benzobisoxazole ותוספי boronic חומצה, שהיינו גם מסוגל להבחין בין דומה מבחינה מבנית: (ד) אניונים קטנים אורגניים ולא אורגניים, (ה) ואמינים, (ו) פנולים. השיטה משמשת להבחנה איכותית זה היא מאוד פשוט. לדלל פתרונות (בדרך כלל 10 -6 מ ') של cruciforms בכמה ממסים המדף-ממוקמים בבקבוקוני UV / יס. ואז, analytes עניין נוסף, באופן ישיר או כמוצקים בפתרון מרוכז. שינויי הקרינה מתרחשים כמעט באופן מיידי וניתן להקליט באמצעות צילום דיגיטלי רגיל משתמש במצלמה דיגיטלית חצי מקצועית בחדר חשוך. עם מניפולציה גרפית מינימאלית,מגזרות של תצלומי צבע פליטת נציג ניתן לארגן לפנלים המאפשרים הבחנה בעין בלתי מזוינת מהירה בקרב analytes. לצורך כימות, ניתן לחלץ ערכים אדומים / ירוק / כחול מהתצלומים האלה ואת הנתונים המספריים המתקבלים יכולים להיות מעובד סטטיסטי.
Introduction
cruciforms המולקולרי מוגדר כמולקולות צולבות מצומדות בצורת X שבו שני מעגלים מצטלבים בנטיית ליבה מרכזית. 1,2,3 עם החלפת התורם acceptor המתאימה, מולקולות אלה מרחבית יכולות למקם אורביטלים מולקולרי גבולם (FMOs), כך ש מסלולית המולקולרית הכבושה הגבוהה ביותר (חד) מתגוררת דומיננטית לאורך ציר אלקטרונים העשיר של המולקולה, ואילו המולקולרי מסלולית פנוי הנמוכה ביותר (LUMO) יש את חלק הארי של הצפיפות שלה ממוקם לאורך אלקטרונים עניי הזרוע של המולקולה. בידוד המרחבי כזה של FMOs חיוני ביישומים של cruciforms אלה כחיישנים למולקולות קטנות, שכן אנליטי מחייב לצלב תמיד משנה את הפער שלה הומו LUMO ואת התכונות האופטיות הכרוכות בכך. התנהגות זו הודגמה בcruciforms מבוסס על 1,4-distyryl-2 בנזן ,5-BIS (arylethynyl), 1 1,2,4,5-tetrakisethynylbenzene, 4 וbenzobisoxazole 5,6 המבנימוטיבים. מכיוון שכל שלושת הסוגים של מולקולות הם מטבע ניאון, מתודולוגיה זו אפשרה את השימוש בם כחיישני מולקולות קטנות. בכל שלוש דוגמאות, cruciforms היה להחליף עם לואיס הבסיסי פירידין וקבוצות dialkylaniline וכך היו מגיב לanalytes חומציים לואיס, כגון פרוטונים ויונים של מתכות. 1,4,5,7,8,9
בשנת 2011, ועמיתים לעבודה Bunz הראו 10 שאת תגובות הקרינה של 1,4-distyryl-2 בנזן ,5-BIS (arylethynyl) cruciforms 3 – 1 (איור 1) השתנה באופן דרמטי בהתאם למבנה של החומצה קרבוקסילית שימוש כדי לגרום protonation של הצלב. כתוצאה מכך, Miljanić et al. הוכיח כי benzobisoxazole cruciforms כגון 4 (איור 1) מראה גם תגובות פליטת הקרינה ספציפיות ביותר לחומצות קרבוקסיליות הקשורים מבני, וכי הבחנה דומה ניתן לראות בין חומצות organoboronic דומות מאוד, יותר מדי. זה 11 מקורותשינויי צבע פליטה סלקטיבית ביותר הם בהווה לא ברור, והם מורכבים סביר ביותר – כמו מרווה הקרינה על ידי analytes אלקטרונים העניים, הקרינה אנליטי שיורי, וprotonation-Induced הסטה של 'cruciforms פליטת מקסימום כל תפקיד יש להניח. עם זאת, את היכולת להבחין בין analytes הקשורים מבני היא משמעותית, במיוחד משום שניתן להשיג הבחנה סטטיסטית רלוונטית, ללא צורך בביצוע UV הממצה / קליטת Vis או אפיון הקרינה של התגובה האופטית של cruciforms לanalytes. במקום זאת, תמונות פשוטות של צבע פליטה נבדלות במידה מספקת כדי לאפשר את האפליה בין analytes מבני הקשורים באופן הדוק, במיוחד אם את התמונות נלקחות בממסים שונים או באמצעות חיישן צלב אחד או יותר. שימוש במתודולוגיה זה מהר, עשרות analytes ניתן לנתח במהירות בשעתי אחר הצהריים (ראה לוחות באיורים 3-5), ואילו באותו הניתוח ידרוששבועות אם ספקטרוסקופיה קפדני הועסקה. יתר על כן, מאחר שחומצות boronic הן מינים דינמיים שיכול לתאם נוקלאופילים דרך P-מסלולית של בורון ריק, Miljanić השתמש בתכונה זו כדי לפתח חיישנים היברידיים מורכבים מbenzobisoxazole צלב 4 וB1 פשוט לא פלורסנט boronic חומצת תוספים וB5 (איור 4). 11, 12 מתודולוגיה זו פועלת באופן הבא: 4 צלב וחומצות boronic מורכב למתחם ארעי 4 · N B1 (או 4 · B5 n); את המבנה המדויק של מתחם זה הוא בהווה ידוע, אך הקרינה שלה שונה מזה של הצלב הטהור . אם הפתרון הזה חשוף לanalytes הבסיסי לואיס, הם יכולים להחליף אחד או שתי קבוצות-OH על חומצת boronic, ובכך לשנות באופן משמעותי את 13 המאפיינים האלקטרוניים של בורון, בתורו, את הקרינה של כל המכלול. שימוש במתודולוגיה זו "עקיפה חישה", חישה של פנולים, אמינים אורגני וureas, כמו גםכשל אניוני האורגני האורגני קטן, יכול להיות מושגת.
במאמר זה, אנו מציגים הדרכה על השימוש ישיר ועקיפה במהירות המתודולוגיה חישה כדי להבדיל בין איכותי בנושא מבני (א) חומצות קרבוקסיליות (איור 3), (ב) חומצות boronic (איור 4), וגם, בעקיפין, ( ג) אמינים אורגניים (איור 5). כדי להמחיש את תחולתה הרחבה של הפרוטוקולים המדווחים, cruciforms של Bunz שמשו כדי לזהות חומצות קרבוקסיליות, ואילו התרכובות של Miljanić הועסקו לזהות חומצות boronic, ובאמצעות חיישן היברידי, אמינים אורגניים קטנים. אנו מניחים כי חיישנים אלה יכולים להיות בקלות להחלפה ללא השלכות משמעותיות לאיכות של האפליה אנליטי.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקולים לאפליה איכותית המתואר במאמר והסרטון הזה להחזיק פוטנציאל משמעותי בניתוחי איכות שגרתיות, שבו אפילו מפעיל מאומן מינימאלי יכול להבחין בהבדלים בהרכב, או סטיות מנוסחה מוגדרת היטב. מעשיות של טכניקה זו יכולה להיות עוד יותר משופרות באמצעות מצלמות סלולריות פשוט?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
העבודה במעבדה של Bunz במכון טכנולוגי של ג'ורג'יה נתמכת בחלקו על ידי הקרן הלאומית למדע (NSF-מל"ג 07,502,753) והעבודה בRuprecht-Karls-Universität היידלברג מומנה על ידי "לנדס באדן וירטמברג Struktur und Innovationsfond des". עבודה במעבדה של Miljanić באוניברסיטת יוסטון מומנה על ידי תכנית קרן המדע הלאומית קריירה (מל"ג-1,151,292), קרן וולש (מענק לא. E-1768), אוניברסיטת יוסטון (UH) ותכנית המענק הקטן שלה, ו מרכז טקסס למוליכות בUH.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| 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 |
Riferimenti
- Zucchero, A. J., McGrier, P. J., Bunz, U. H. F. Cross-conjugated cruciform fluorophores. Acc. Chem. Res. 43 (3), 397-408 (2010).
- 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).
- Galbrecht, F., Bünnagel, T., Bilge, A., Scherf, T. J. J., Müller, U. H. F., Bunz, . Functional Organic Materials. , 83 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lim, J., Miljanić, O. &. #. 3. 5. 2. ;. Benzobisoxazole fluorophore vicariously senses amines, ureas, anions. Chem. Commun. 48 (83), 10301-10303 (2012).
- 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).
- Schwaebel, T., Trapp, O., Bunz, U. H. F. Digital photography for the analysis of fluorescence responses. Chem. Sci. 4 (3), 273-281 (2013).
