2-(9-антрилметил)амино-1-[2-(1-пирролидинил)этил]бензимидазол - флуоресцентный хемосенсор на катионы н+

Формула изобретения

2-(9-Антрилметил)амино-1-[2-(1-пирролидинил)этил]бензимидазол формулы I

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к новым производным ряда 1,2-дизамещенных 2-аминобензимидазола бензимидазолов, а именно к 2-(9-антрилметил)амино-1-[2-(1-пирролидинил)этил]бензимидазолу формулы I:

обладающему свойствами флуоресцентного хемосенсора на катионы Н⁺.

В настоящее время достаточно большое количество соединений, представленных авторами как эффективные хемосенсоры на катионы водорода (J.F.Callan, A.P.de Silva, D.C.Magri. Luminescent sensors and switches in the early 21st century. Tetrahedron, 2005, № 36, p.8551-8558; B.A.Брень. Флуоресцентные и фотохромные хемосенсоры. Успехи химии, 2001, № 12, с.1152-1174; В. Valeur, I. Leray. Design principles of fluorescent molecular sensors for cation recognition. Coord. Chem. Rev., 2000, v.205, № 1, p.3-40), содержат рецептор, комплексообразующий фрагмент, ответственный за избирательное связывание субстрата, и флуорофор, так называемый «сигнальный» фрагмент молекулы хемосенсора, оптические свойства которого меняются при взаимодействии рецептора с субстратом. Функцию рецепторов в протонных хемосенсорах выполняют различные азотсодержащие структуры - азагетероциклы, азакраунэфиры, азаподанды, каликсарены. В большинстве случаев в этих системах проявляется так называемый РЕТ-эффект (Photoinduced Electron Transfer) - фотоиндуцируемый перенос электрона (G.J.Kavarnos. Fundamentals of Photoinduced Electron Transfer. NY, Wiley-VCH, 1993, 359 p.). Рецептор у сенсора, основанный на РЕТ-эффекте, является донором электронов, а флуорофор - акцептором. При возбуждении молекулы происходит перенос электрона с высшей занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) флуорофора на низшую свободную молекулярную орбиталь (НСМО). Это позволяет осуществиться электронному переходу с ВЗМО донора-рецептора на ВЗМО акцептора-флуорофора, тем самым вызывая тушение флуоресценции последнего. При комплексообразовании происходит резкое снижение уровня энергии ВЗМО рецептора, приводящее к тому, что перенос электрона на ВЗМО флуорофора становится энергетически невыгодным. Происходит свободный переход возбужденного электрона с НСМО на ВЗМО флуорофора и сенсор начинает флуоресцировать. Эффективность таких хемосенсоров оценивается двумя факторами - степенью изменения исходной интенсивности флуоресценции при добавлении субстрата и селективностью обнаружения определенного катиона.

Высокий интерес к хемосенсорным системам для определения содержания катионов Н⁺ вызван возможностью их использования для определения основности различных физиологических объектов (X.Gao, Y.Zhang, В.Wang. New boronic acid fluorescent reporter. Compounds. 2. A naphthalene-based on-off sensor functional at physiological pH, Org. Lett., 2003, № 24, p.4615-4618). Вместе с тем диалкиламиноаклильные производные бензимидазол-2-амина и антрацена интересны с точки зрения собственной биологической активности (С.Wang, J.-G.Delcros, J.Biggerstaff, О.Phanstiel. Molecular requirements for targeting the polyamine transport system. Synthesis and biological evaluation of polyamine-anthracene conjugates. J. Med. Chem., 2003, № 13, p.2672-2682; R.A.Gardner, J.-G.Delcros, F.Konate, F.Breitbeil, B.Martin, M.Sigman, M.Huang, O.Phanstiel. N¹-Substituent effects in the selective delivery of polyamine conjugates into cells containing active polyamine transporters. J. Med. Chem., 2004, № 24, р.6055-6069; В.А.Анисимова, И.Е.Толпыгин, В.И.Минкин, А.А.Спасов, А.В.Степанов, Н.В.Арькова, Л.В.Науменко, В.И.Петров. Соли 9-замещенных 2-галогенфенилимидазо[1,2-а]бензимидазолов и галогениды 1-замещенных 3-галогенфенацил-2-аминобензимидазолия, а также их композиции, обладающие гемореологическими свойствами. Патент РФ № 2290404, 2006 г.).

В 2003 году 2-метил-6-(4-метил-1-пиперазинил)бензо[de]изохинолин-1,3-дион был предложен авторами (J.Gan, K.Chen, C.-P.Chang, H.Tian, Luminescent properties and photo-induced electron transfer of naphthalimides with piperazine substituent. Dyes and Pigments, 2003, p.21-28) как эффективный флуоресцентный сенсор на катионы H⁺ . При взаимодействии данного соединения с кислотой (однако авторы в данной статье умалчивают, какая именно кислота была использована) происходит увеличение исходной флуоресценции в 76 раз. Селективность сенсора не исследовалась.

Синтезированный и исследованный хемосенсор на катионы H⁺ - 2,7-бис(4-диметиламинофенил)-9-(циклогептатриенилиден)флуорен (Z.Wang, G.Zheng, P.Lu. 9-(Cycloheptatrienylidene)fluorene derivative: remarkable ratiometric pH sensor and computing switch with NOR logic gate. Org. Lett., 2005, № 17, p.3669-3672) - представляет собой очень интересный с точки зрения сенсорной динамики класс соединений. При изменении рН раствора (использовалась серная кислота), содержащего данный сенсор, от 7,06 до 4,00 происходит гашение флуоресценции в более чем четыре раза, а дальнейшее подкисление до рН 0,97 приводит к разгоранию флуоресценции в 27 раз при рН 4,00 и в 6,5 раз при рН 7,06. Подобное «включение-выключение» флуоресценции под действием рН заявлено авторами как основа для возможной записи информации.

Одним из наиболее эффективных флуоресцентных сенсоров на катионы Н⁺ является этил 4-(5-(4-(диметиламино)фенил)-1-(перфторфенил)-4,5-дигидро-3-пиразолил)бензоат (С.J.Fahrni, L.Yang, D.G.VanDerveer. Tuning the photoinduced electron-transfer thermodynamics in 1,3,5-triaryl-2-pyrazoline fluorophores: X-ray structures, photophysical characterization, computational analysis and in vivo evaluation. J. Am. Chem. Soc., 2003, № 13, p.3799-3812). При протонировании однонормальной серной кислотой происходит разгорание исходной флуоресценции в 160 раз. Однако в этом случае авторами также не исследовано взаимодействие полученного сенсора с другими катионами.

В ряду флуорофорсодержащих бензимидазолов известен 3-[2-диэтила-мино)этиламино]бензимидазо[2,1-a]бенз[de]изохинолин-7-он, проявляющий хемосенсорную активность по отношению к катионам Н⁺. При протонировании происходит изменение квантового выхода флуоресценции в зависимости от рН среды (А.Р. de Silva, H.Q.N.Gunaratne, P.L.M.Lynch, A.J.Patty, G.L.Spence. Luminescence and charge transfer. Part 3. The use of chromophores with ICT (internal charge transfer) excited states in the construction of fluorescent PET (photoinduced electron transfer) pH sensors and related absorption pH sensors with aminoalkyl side chains. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2, 1993, p.1611-1616).

В ряду 1,2-дизамещенных 2-аминобензимидазола известны соединения, обладающие различными типами биологической активности, например антигистаминным действием (M.Menzer, G.Laban, H.-G.Kazmirowski, P.Meisel, E.Kretzschmar. Verfahren zur herstellung von 2-amino-benzimidazol-derivaten. DD 281383, 1990), противовирусной (F.M.Sommen, K.J.L.M.Andries, J.E.G.Guillemont, K.P.M.-J.Meersman, J.F.A.Lacrampe, F.E.Janssens. Respiratory syncytial virus replication inhibitors. WO 0100611, 2001) и др.

Наиболее близким по структуре является 1-(4-фторбензил)-2-(4-пиперидил)аминобензимидазол - препарат Norastemizole, проявляющий антигистаминную активность (Y.Hong, R.P.Bakale, C.H.Senanayake. Methods for synthesizing 2-substituted imidazoles. WO 98/46571, 1998; D.A.Handley, Y.Hong, R.P.Bakale, C.H.Senanayake. Norastemizole. Drugs of the Future. 1998, vol.23, № 9, p.966).

Техническим результатом изобретения является новое производное в ряду 1,2-дизамещенных 2-аминобензимидазола, проявляющее новое для этого ряда свойство высокоэффективного флуоресцентного хемосенсора на катионы Н⁺.

Технический результат достигается соединением формулы I, синтез которого заключается во взаимодействии 2-амино-1-[2-(1-пирролидинил)этил]-

бензимидазола с 9-антральдегидом и восстановлением полученного 2-(9-ан-трилметилен)амино-1-[2-(1-пирролидинил)этил]бензимидазола боргидридом натрия до 2-(9-антрилметил)амино-1-[2-(1-пирролидинил)этил]бензимидазола (I).

Строение всех синтезированных соединений доказано элементным анализом, данными ИК- и ЯМР ¹Н спектров. В ИК-спектре соединения I, снятого в вазелиновом масле, имеется полоса валентных колебаний вторичной аминогруппы при 3320 см^-1. В спектре ЯМР ¹Н амина I присутствуют сигналы от протона аминогруппы в виде уширенного сигнала ( 8,68), а также дублет от СН₂-группы ( 5,60, J 3,3 Гц), непосредственно связанной с антраценовым фрагментом.

Ниже приведена методика синтеза предлагаемого соединения.

Пример 1. 2-(9-Антрилметил)амино-1-[2-(1-пирролидинил)этил]-бензимидазол (I)

Смесь 2,06 г (10 ммоль) 9-антральдегида и 2,30 (10 ммоль) 2-амино-1-[2-(1-пирролидинил)этил]бензимидазола (В.А.Анисимова, Ю.В.Кощиенко, Б.М.Пятин, Н.И.Авдюнина, О.А.Самсонов, В.К.Рыков, М.К.Старовойтов. Способ получения производных 2-амино-1-аминоал-килбензимидазолов. Авторское свидетельство № 1149592, 1984 г.) в 70 мл этанола кипятят в течение 6 часов. К раствору 2-(9-антрилметилен)амино-1-[2-(1-пирролидинил)этил]бензимидазола в этаноле после нагревания прибавляют 0,95 г (25 ммоль) боргидрида натрия. Раствор перемешивают, разбавляют водой и избыток боргидрида нейтрализуют уксусной кислотой. Выпавший осадок отфильтровывают, промывают водой и сушат на воздухе. Выход 3,50 г (83,2%). Т _пл=170-171° (ацетонитрил). ИК-спектр, , см^-1: 3320, 1460, 1355. Спектр ЯМР ¹ Н, , м.д.: 0,91-1,12 (4Н, м, CH₂CH₂); 1,80-2,00 (4Н, м, N(CH₂)₂);2,60-2,73 (2Н, м, NCH₂); 3,80-3,92 (2Н, м, НСH₂; 5,60 (2Н, д, СН₂, J 3,3 Гц); 6,96-8,54 (13Н, м, аром. Н); 8,68 (2Н, ушир. с, NH). Найдено, %: С 79,89; Н 6,75; N 13,36. C₂₈H₂₈N₄. Вычислено, %: С 79,97; Н 6,71; N 13,32.

Исследование хемосенсорных свойств

Методы исследования. Оценку сенсорной способности соединения I проводили по данным спектров флуоресценции в области локальной флуоресценции антрацена. Для этого к раствору соединения I (с=5×10^-7 моль/л) добавляли расчетный пятикратный мольный избыток трифторуксусной кислоты, или ацетата металла (Zn²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺,

Со²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺, Hg²⁺ ), или их смеси и перемешивали раствор до полного растворения соли. Затем проводили съемку спектров флуоресценции на длине волны _флуор=414 нм

( _возб=360 нм): исходного раствора и растворов, содержащих помимо соединения I другие катионы. Съемка спектров люминесценции проводилась на спектрофлуориметре Hitachi 650-60.

Расчет относительного изменения интенсивности флуоресценции проводили по формуле: ОИИФ=I/I₀, где

I₀ - исходная интенсивность флуоресценции раствора соединения I;

I - интенсивность флуоресценции раствора соединения I после добавления пятикратного мольного избытка катиона.

Результаты испытаний

Исследование спектральных свойств амина I выявило его высокую сенсорную активность по отношению к катионам Н⁺.

Хемосенсор I вследствие проявления РЕТ-эффекта обладает весьма слабой флуоресценцией антраценового типа в нейтральных растворах ацетонитрила при возбуждении светом _возб.=360 нм (три индивидуальных максимума в области 390-440 нм и плечо 460-470 нм). В спектре испускания этого соединения также наблюдается полоса при 470-600 нм, соответствующая образованию эксимера.

Комплексообразование с различными катионами за счет использования электронной плотности атомов азота существенно видоизменяет термодинамику РЕТ-эффекта, что приводит к изменению интенсивности флуоресценции. Добавление ацетатов Cu²⁺, Со²⁺, Ni²⁺, Pb ²⁺, Hg²⁺ к раствору сенсора I вызывает незначительное затухание интенсивности флуоресценции, тогда как ионы H⁺ резко увеличивают интенсивность флуоресценции (I/I₀ =480) (см. чертеж).

Селективность данного сенсора была показана при добавлении к исходному раствору амина I смеси катионов: Н⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Cu ²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺, Hg²⁺ (каждый из катионов был взят в пятикратном мольном избытке относительно соединения I). В этом случае происходит увеличение относительной интенсивности флуоресценции (разгорание) в 470 раз. Как видно, отклонение интенсивности флуоресценции раствора соединения I с добавлением смеси катионов (H⁺ , Zn²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺, Co²⁺ , Ni²⁺, Pb²⁺, Hg²⁺) от раствора соединения I с добавлением только трихлоруксусной кислоты (Н ⁺) является незначительным и свидетельствует о высокой избирательности данного флуоресцентного хемосенсора по отношению к ионам Н⁺. Добавления триэтиламина, взятого в эквивалентном количестве (по отношению к добавленной кислоте), к кислому ацетонитрильному раствору амина I приводит к полному восстановлению исходной интенсивности флуоресценции, что свидетельствует об обратимости процесса протонирования сенсора I и возможности его повторного использования.

Проведенные исследования показали, что 2-(9-антрилметил)амино-1-[2-(1-пирролидинил)этил]бензимидазол (I) является высокочувствительным селективным флуоресцентным сенсором на катионы H⁺.