2-(9-антрилметил)амино-1-[3-(диметиламино)пропил]бензимидазол, обладающий свойствами флуоресцентного хемосенсора на катионы h+

Формула изобретения

1. 2-(9-Антрилметил)амино-1-[3-(диметиламино)пропил]бензимидазол формулы I:

2. 2-(9-Антрилметил)амино-1-[3-(диметиламино)пропил]бензимидазол по п.1, обладающий свойствами флуоресцентного хемосенсора на катионы Н⁺.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к новым производным ряда 9-антрилметилзамещенных бензимидазолов, а именно к 2-(9-антрилметил)амино-1-[3-(диметиламино)пропил]бензимидазолу формулы I

обладающему свойствами флуоресцентного хемосенсора на катионы H⁺.

В настоящее время достаточно большое количество соединений, представленных как эффективные сенсоры на катионы водорода (M.Montaiti, L.Prodi, N.Zaccheroni, Luminescent Chemosensors for Metal Ions. In Handbook of Photochemistry and Photobiology (Ed. Nalwa H.S.), ASP, CA; Stevenson Ranch, 2003, P.271; Molecular and supramolecular photochemistry. Vol.7. Optical sensors and switches (Ed. V.Ramamurthy, K.S.Schanze), Marcel Dekker; NY, 2001, 534 p; C.McDonagh, C.S.Burke, B.D.MacCraith, Optical chemical sensors, Chem. Rev., 2008, № 2, 400-422), содержат рецептор, комплексообразующий фрагмент, ответственный за избирательное связывание субстрата, и флуорофор (ионофор, хромофор), так называемый «сигнальный» фрагмент молекулы сенсора, оптические свойства которого меняются при взаимодействии рецептора с субстратом. Функцию рецепторов в протонных хемосенсорах выполняют различные азотсодержащие структуры - азагетероциклы, азакраунэфиры, борфторидные комплексы диаза-s-индаценов, азаподанды и др.

В большинстве случаев в этих системах проявляется так называемый РЕТ-эффект (Photoinduced Electron Transfer) - фотоиндуцируемый перенос электрона (N.J.Turro, V.Ramamurthy, J.С.Scaiano, Principles of molecular photochemistry: an introduction, University Science Books, 2009, 495 p.). Рецептор у сенсора, основанного 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.

Особый практический интерес вызывают ионактивные структуры и материалы для контроля pH среды различных физиологических объектов (Y.Tian, F.Su, W.Weber, V.Nandakumar, B.R.Shumway, Y.Jin, X.Zhou, M.R.Holl, R.H.Johnson, D.R.Meldrum, A series of naphthalimide derivatives as intra and extracellular рН sensors, Biomaterials, 2010, № 29, 7411-7422; M.W.Reed, L.M.Barker, E.J.Klip, Methods and apparatus for sterility testing. Патент США № 2009325220, 2009). Вместе с тем диалкиламиноаклильные производные бензимидазол-2-амина и антрацена интересны с точки зрения собственной биологической активности (M.Kozurkova, D.Sabolova, H.Paulikova, L.Janovec, P.Kristian, M.Bajdichova, J.Busa, D.Podhradsky, J.Imrich, DNA binding properties and evaluation of cytotoxic activity» of 9,10-bis-N-substituted (aminomethyl)anthracenes, Int. J. Bio. Macromolecules, 2007, № 4, 415-422; M.P.Gajewski, H.Beall, M.Schnieder, S.M.Stranahan, M.D.Mosher, K.C.Rider, N.R.Natale, Bis-anthracenyl isoxazolyl amides have enhanced anticancer activity, Bio. Med. Chem. Lett., 2009, № 15, 4067-4069; V.A.Anisimova, V.V.Osipova, T.A.Kuzmenko, D.-H.Caignard, P.Renard, D.Manechez, Nouveaux derives tricycliques du benzimidazole, leur procede de preparation et les compositions pharmaceutiques qui les contiennent, патент Франции № 2765223, 1998 г.; 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-a]бензимидазолов и галогениды 1-замещенных 3-галогенфенацил-2-аминобензимидазолия, а также их композиции, обладающие гемореологическими свойствами, патент № 2290404, 2006 г.).

В 2003 году 2-метил-6-(4-метил-1-пиперазинил)бензо[de]изохинолин-1,3-дион был предложен авторами (J.Gana, K.Chena, C.-P.Changb, H.Tiana, Luminescent properties and photo-induced electron transfer ofnaphthalimides with piperazine substituent, Dyes and Pigments, 2003, p.21-28) как эффективный флуоресцентный сенсор на катионы H⁺ . При взаимодействии данного соединения с кислотой происходит увеличение исходной флуоресценции в 76 раз. Селективность сенсора не исследовалась.

Одним из наиболее эффективных флуоресцентных сенсоров на катионы H⁺ является этил 4-(5-(4-(диметиламино)фенил)-1-(перфторфенил)-4,5-дигидро-3-пиразолил)бензоат (С.J.Fahmi, 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 катионам.

В качестве эффективных сенсоров на катионы H⁺, работающих в широком диапазоне pH, предложены борфторидные комплексы замещенных диаза-s-индаценов (M.Tian, J.Wang, Y.Yuan, F.Feng, S.Meng, Y.Bai, Strong acid type ph fluorescent probe based on fluoro-boron fluorescent dye, патент Китая, № 101424641, 2009; N.Tetsuo, G.Yu, U.Yasuteru, Fluorescent Probe. Заявка на патент США, № 2010120160, 2010). Они способны функционировать в интервале pH от 0,5 до 12 в зависимости от заместителей. Основной сложностью использования данных систем является то, что при варьировании кислотности среды изменяется не только интенсивность (квантовый выход) флуоресценции, но и происходит достаточно сильное видоизменение структуры спектра (в зависимости от рН наблюдается или гипсохромный, или батохромный сдвиг полосы максимума флуоресценции, появление новых полос).

В ряду флуорофорсодержащих бензимидазолов известен 3-[2-диэтиламино)этиламино]бензимидазо[2,1-a]бенз[de]изохинолин-7-он, проявляющий хемосенсорную активность по отношению к катионам H⁺ - при протонировании происходит изменение квантового выхода флуоресценции в зависимости 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 aminoalkyi side chains, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2, 1993, p.1611-1616).

Ближайшим аналогом предлагаемого соединения является - 2-(9-антрилметил)амино-1-[2-(1 -пирролидинил)этил]бензимидазол, который может быть использован в качестве эффективного флуоресцентного сенсора на катионы H⁺ (И.Е.Толпыгин, В.А.Анисимова, Ю.В.Ревинский, А.Д.Дубоносов, В.А.Брень, В.И.Минкин. 2-(9-Антрилметил)амино-1-[2-(1-пирролидинил)этил]бензимидазол - флуоресцентный хемосенсор на катионы H⁺. Патент РФ № 2371434, 2009). Было показано, что при добавлении трихлоруксусной кислоты происходит разгорание флуоресценции в 480 раз, также была доказана его высокая селективность по отношению к другим катионам (при добавлении смеси катионов отклонение интенсивности флуоресценции раствора пирролидинэтилпроизводного от раствора этого же сенсора с добавлением только трихлоруксусной кислоты составляет порядка 2%).

Техническим результатом изобретения является повышение хемосенсорной активности по отношению к катионам H⁺ в ряду 2-(9-антрилметил)амино-1-замещенных бензимидазолов.

Технический результат достигается соединением формулы I.

Синтез соединения заключается во взаимодействии 2-амино-1-[3-(диметиламино)пропил]бензимидазола с 9-антральдегидом и восстановлением полученного 2-(9-антрилметилен)амино-1-[3-(диметиламино)пропил]бензимидазола борогидридом натрия до 2-(9-антрилметил)амино-1-[3-(диметиламино)пропил]бензимидазола (I).

Строение синтезированного соединения доказано элементным анализом, данными ИК- и ЯМР Н¹ -спектров. В ИК-спектре соединения I, снятого в вазелиновом масле, имеется полоса валентных колебаний вторичной аминогруппы при 3330 см^-1. В спектре ЯМР ¹H амина I присутствуют сигналы протонов CH₃-групп (синглет, 1.17) диалкиламинового заместителя и CH₂-группы (дублет, 5.70, J 4.0 Гц), непосредственно связанной с антраценовым фрагментом. В спектре ЯМР ¹³C бензимидазола I присутствуют все сигналы от углеродных атомов скелета молекулы (атомы углерода, принадлежащие 1 и 3 ароматическому кольцу антрацена и входящие в диметиламиногруппу, эквивалентны).

Масс-спектрометрическое исследование показало полное соответствие структуры соединения I (брутто-формула, молекулярная масса) и массы молекулярного иона [M]⁺ (m/z 408). Также было установлено, что в спектре присутствуют сигналы от фрагментов [C₁₄H ₉CH₂ ⁺] (m/z 191) и [Me₂NCH₂ ]⁺ (m/z 58).

Ниже приведен пример синтеза предлагаемого соединения.

2-(9-Антрилметил)амино-1-[3-(диметиламино)пропил]-1Н-бензимидазол (I). Смесь 2.06 г (10 ммоль) 9-антральдегида и 2.18 (10 ммоль) 2-амино-1-[3-(диметиламино)пропил]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-аминоалкилбензимидазолов. Авторское свидетельство № 1149592, 1984 г.) в 50 мл этанола кипятили в течение 8 часов. Реакционную смесь упаривали при пониженном давлении досуха, остаток 2-(9-антрилметилен)амино-1-[3-(диметиламино)пропил]бензимидазола растворяли 50 мл этанола и при перемешивании и умеренном нагревании в течение 30 минут прибавляли к полученному раствору 0.95 г (25 ммоль) борогидрида натрия. После прибавления раствор перемешивали в течение 2 часов, разбавляли горячей водой и оставляли на ночь. Выпавший осадок отфильтровывали, промывали водой и сушили на воздухе. Выход 3.70 г (90%). Т.пл. 155-156°C (ацетонитрил). ИК-спектр, , см^-1: 3330, 1465, 1365. Спектр ЯМР ¹ H (CDCl₃), , м.д.: 1.17 с (6H, 2CH₃); 1.74-2.04 м (4Н, 2CH₂); 3.76-3.95 м (2Н, CH₂); 5.70 д (2H, CH₃, J 4.0 Гц); 7.00-8.60 м (14H, H_Ar+NH). Спектр ЯМР ¹H (ДМСО-d₆), , м.д.: 25.9; 38.9; 38.9; 44.1; 54.6; 107.4;115.2; 118.5; 120.3; 124.5; 125.1; 126.1; 127.2; 128.8; 130.2; 130.2; 131.1; 134.9; 142.7; 155.0. Спектр флуоресценции в ацетонитриле, _max, нм (C=5×10^-5 моль/л): 415. Найдено, %: C 79.44; H 6.87; N 13.69. C₂₇H₂₈ N₄. Вычислено, %: C 79.38; H 6.91; N 13.71. m/z 408 [M]⁺.

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 (C=5×10^-7 моль/л) добавляли расчетный пятикратный мольный избыток трифторуксусной кислоты или ацетата металла (Zn ²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺, Hg²⁺) или их смеси и перемешивали раствор до полного растворения соли. Затем проводили съемку спектров флуоресценции на длине волны _флуор=415 нм ( _возб=365 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 H⁺.

Хемосенсор I вследствие проявления РЕТ-эффекта обладает весьма слабой флуоресценцией антраценового типа в нейтральных растворах ацетонитрила при возбуждении светом _возб 365 нм (три индивидуальных максимума в области 390-440 нм и плечо 460-470 нм). В спектре испускания этого соединения также наблюдается полоса при 480-600 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 =1400) (рис.1 - относительное изменение интенсивности флуоресценции (I/I₀) диамина (I) (C=5×10^-7 моль/л) в ацетонитриле при добавлении различных катионов (C=2,5×10 ^-6 моль/л)).

Селективность данного сенсора была показана при добавлении к исходному раствору амина I смеси катионов (каждый из катионов был взят в пятикратном мольном избытке относительно соединения I). В этом случае происходит увеличение относительной интенсивности флуоресценции (разгорание) в 1380 раз. Таким образом, отклонение интенсивности флуоресценции раствора соединения I с добавлением смеси катионов от раствора соединения I с добавлением только трихлоруксусной кислоты составляет ~1,5%, что свидетельствует о высокой избирательности данного флуоресцентного хемосенсора по отношению к ионам H⁺. Реверсивность процесса протонирования и возможность повторного использования данного соединения были доказаны добавлением триэтиламина, взятого в эквивалентном количестве (по отношению к добавленной кислоте), к кислому ацетонитрильному раствору амина I, приводящего к полному восстановлению исходной интенсивности флуоресценции.

Таким образом, соединение I превосходит по чувствительности полученный ранее 2-(9-антрилметил)амино-1-[2-(1-пирролидинил)этил]бензимидазол в ~2.9 раза (увеличение интенсивности флуоресценции в 1400 для I и в 480 для пирролидинилэтилпроизводного) при сравнимой селективности при добавлении смеси катионов (отклонение интенсивности флуоресценции в ~1.5% для I и в ~2% для пирролидинилэтилпроизводного).