Азакраунсодержащие n-арил-1,8-нафталимиды и способ их получения

Азакраунсодержащие n-арил-1,8-нафталимиды и способ их получения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к органической и аналитической химии, а именно к новым 4-замещенным N-арил-1,8-нафталимидам, содержащим в N-арильном заместителе остаток азакраун-эфира с различной комбинацией атомов кислорода и серы, общей формулы (I),

,

где R=NH₂, NHCH₂CH=CH₂ при X=O и n=2 и R=NH₂, OMe, NHCOCH₃, NHCH₂CH=CH₂ при X=S и n=1, которые являются флуоресцентными сенсорами на катионы ряда металлов, и к способу их получения.

Заявляемые соединения и способ их получения в литературе не описаны.

Изобретение наиболее успешно может быть использовано для создания оптических хемосенсоров, позволяющих оперативно контролировать концентрации примесей в различных жидкостях, применимых на предприятиях, производящих или использующих опасные химические вещества, в пищевой промышленности, медицине и других областях, в частности для контроля за состоянием окружающей среды.

Оптические хемосенсоры - это соединения, молекулы которых состоят из двух принципиально важных частей: рецептора, который способен селективно связываться с субстратом, и сигнального фрагмента, который меняет свои спектральные характеристики при комплексообразовании.

Заявляемые соединения содержат азакраун-эфирный и 4-замещенный 1,8-нафталимидный фрагменты, связанные между собой через атомы азота 1,4-фениленовой группой.

Фотоактивной составляющей в заявляемых соединениях является N-арил-1,8-нафталимидная хромофорная система, которая представляет собой одну из наиболее популярных платформ для создания молекулярных оптических сенсоров на катионы металлов [Панченко П.А., Федорова О.А., Федоров Ю.В. Флуоресцентные и колориметрические хемосенсоры на катионы на основе производных 1,8-нафталимида: принципы дизайна и механизмы возникновения оптического сигнала. Успехи химии, 83 (2), 155-182], ионофорной составляющей, способной связывать катионы металлов, являются краун-эфирные группы.

Варьирование краун-эфирного заместителя (природы и количества гетероатомов) позволяет изменять селективность связывания, а изменение места введения краун-эфирной группы в фотоактивные производные 1,8-нафталимида - интенсивность оптического отклика при комплексообразовании. Однако в настоящее время отсутствуют подходы, позволяющие коррелировать интенсивность оптического отклика и другие свойства со структурой сенсоров на основе 1,8-нафталимидов.

Получать производные 1,8-нафталимида, содержащие краун-эфирные фрагменты, начали с конца 1990-х годов.

Так, для флуоресцентного определения катионов щелочных металлов были предложены иммобилизованные на аминомодифицированной целлюлозе 4-аралкиламино-N-(4-карбоксифенил)-1,8-нафталимиды, содержащие моноаза-15-краун-5-эфирный [патент США US 5952491 (1999)] или диазакриптандный [патент США US 6124135 (2000)] фрагмент в арильной группе заместителя при С-4.

Известны N-фенил-1,8-нафталимиды, содержащие аза-15-краун-5-эфирный или диаза-18-краун-6-эфирный рецептор, связанный атомом азота с атомом углерода в положении 4 нафталимидного ядра, и изучены их сенсорные свойства в отношении Ca²⁺ [Panchenko Р.А., Fedorov Y.V., Fedorova О.А., Jonusauskas G. Comparative analysis of the PET and ICT sensor properties of 1,8-naphthalimides containing aza-15-crown-5-ether moiety. Dyes and Pigments, 2013, 98 (3), 347-357; Ощепков A.C., Ощепков M.C., Панченко П.А., Анисимов А.В., Федоров Ю.В., Федорова О.А. Синтез и спектрально-люминесцентные свойства азакраунсодержащих нафталимидов и их комплексов с катионами металлов. Успехи в химии и химической технологии, 2011, 25, №4 (120), 69-74].

Известны 4-замещенные N-арил-1,8-нафталимиды, проявляющие свойства флуоресцентных сенсоров на катионы металлов, которые содержат краун-эфирные рецепторы в составе N-арильного фрагмента молекулы:

1) аннелированные с бензольным кольцом

,

где R=NH₂, NHAc; X=O; n=1

[Панченко П.А., Федоров Ю.В., Федорова О.А., Перевалов В.П., Йонушаускас Г. Синтез и спектрально-люминесцентные свойства 4-(ацетил)амино-N-арилнафталимидов, содержащих электронодонорные группы в N-арильном заместителе. Изв. АН. Сер. хим., 2009, №6, 1199-12064; Panchenko Р.А., Fedorov Y.V., Perevalov V.P., Jonusauskas G., Fedorova O.A. Cation-dependent fluorescent properties of naphthalimide derivatives with N-benzocrown ether fragment. J. Phys. Chem. A, 2010, 114 (12), 4118-4122; Panchenko P.A., Fedorov Y.V., Fedorova O.A., Izmailov B.A., Vasnev V.A., Istratov V.V., Makeeva E.A., Rumyantseva M.N., Gaskov A.M. Hybrid sensor materials based on tin (IV) oxide and crown-containing 4-amino-1,8-naphthalimides. Mendeleev Commun., 2011, 21 (1), 12-14]; R=1,5-дифенил-Δ²-пиразолин-3-ил; X=O; n=1 [Sergeeva A.N., Panchenko P.A., Fedorov Y.V., Fedorova O.A. Synthesis and sensor properties of crown-containing derivatives of 4-(1,5-diphenyl-Δ²-pyrazolin-3-yl)-1,8-naphthalimide. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, 2012, 48 (5), 524-533]; R=NH₂, NHAc, OMe; X=S, n=1; X=NMe, n=1,2 [RU 2515195, Бюл. №13 (2014)], и

2) связанные с бензольным кольцом связью С-N

,

где R=NH₂ [Panchenko Р.А., Fedorov Y.V., Fedorova O.A., Izmailov B.A., Vasnev V.A., Istratov V.V., Makeeva E.A., Rumyantseva M.N., Gaskov A.M. Hybrid sensor materials based on tin (IV) oxide and crown-containing 4-amino-1,8-naphthalimides. Mendeleev Commun., 2011, 21 (1), 12-14]; R=NH₂, NHAc [Panchenko P.A., Fedorov Y.V., Fedorova O.A., Jonusauskas G. Comparative analysis of the PET and ICT sensor properties of 1,8-naphthalimides containing aza-15-crown-5-ether moiety. Dyes and Pigments, 2013, 98 (3), 347-357]; R=1,5-дифенил-Δ²-пиразолин-3-ил [Sergeeva A.N., Panchenko P.A., Fedorov Y.V., Fedorova O.A. Synthesis and sensor properties of crown-containing derivatives of 4-(1,5-diphenyl-Δ²-pyrazolin-3-yl)-1,8-naphthalimide. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, 2012, 48 (5), 524-533].

Однако известные сенсоры, представляющие собой 4-замещенные N-арил-1,8-нафталимиды с краун-эфирными группами, обеспечивают лишь незначительное увеличение интенсивности флуоресценции в видимой части спектра в процессе детектирования катионов металлов и, кроме того, они не могут быть введены в состав полимерной матрицы в целях создания оптических датчиков, применимых для оперативного контроля концентраций примесей в жидкостях.

Задача изобретения - создание новых соединений, являющихся эффективными флуоресцентными сенсорами на катионы металлов, разработка способа их получения и синтез полимерных сенсоров.

Поставленная задача решается новыми соединениями общей формулы (I)

где R=NH₂, NHCH₂CH=CH₂ при X=O и n=2 и R=NH₂, OMe, NHCOCH₃, NHCH₂CH=CH₂ при X=S и n=1, которые являются флуоресцентными сенсорами на катионы щелочно-земельных, переходных и тяжелых металлов, и способом их получения, включающим ацилирование N-(4-аминофенил)аза-18-краун-6-эфира или N-(4-аминофенил)азадитиа-15-краун-5-эфира 4-нитро-1,8-нафталевым ангидридом и либо восстановление нитрогруппы в образующемся 4-нитро-1,8-нафталимиде либо ее замещение нуклеофильным реагентом, причем ацилирование проводят в 80%-ной уксусной кислоте при кипячении, восстановление нитрогруппы осуществляют гидразингидратом в присутствии никеля Ренея, а качестве нуклеофильного реагента используют метилат натрия в метаноле или аллиламин. Заявляемые соединения формулы (I), в которых R=NHCH₂CH=CH₂, могут использоваться в качестве мономеров для получения флуоресцентных сенсорных полимеров.

Схема получения азакраунсодержащих 1,8-нафталимидов по настоящему изобретению представлена ниже.

Схема

В качестве исходных соединений для получения нафталимидов формулы (I) используют 4-нитро-1,8-нафталевый ангидрид и ароматические амины формулы (II), которые содержат остаток соответствующего азакраун-эфира.

Ариламин IIa - N-(4-аминофенил)аза-18-краун-6-эфир - представляет собой известное соединение [Deveci Р., Taner B., Solak А.О., Synthesis, enhanced spectroscopic characterization and electrochemical grafting of N-(4-aminophenyl)aza-18-crown-6: Application of DEPT, HETCOR, HMBC-NMR and X-ray photoelectron spectroscopy // Journal of Molecular Structure, 2010, 982 (1-3), 162-168].

Ариламин IIb - N-(4-аминофенил)азадитиа-15-краун-5-эфир - также известное соединение [Tian М., Ihmels Н. Selective Colorimetric Detection of Hg²⁺ and Mg²⁺ with Crown Ether Substituted N-Aryl-9-aminobenzo[b]quinolizinium Derivatives // European Journal of Organic Chemistry, 2011, 2011 (22), 4145-4153].

Взаимодействие 4-нитро-1,8-нафталевого ангидрида с ариламином (IIa или IIb) проводят при 1.5-часовом кипячении в 80%-ной уксусной кислоте и получают соответствующий 4-нитро-1,8-нафталимид (Ig или Ih).

После введения азакраун-эфирного фрагмента в структуру флуорофора все последующие превращения затрагивают только заместители в положении 4 нафталимидного фрагмента.

Восстановление 4-нитро-1,8-нафталимида Ig или Ih гидразингидратом над никелем Ренея при нагревании в диоксане или этаноле приводит к образованию 4-амино-1,8-нафталимида Ia или Ib соответственно.

Из 4-аминопроизводного Ib действием хлористого ацетила в ДМФА в присутствии пиридина для связывания HCl с выходом 60% получают ацетамид Id.

4-Метокси-1,8-нафталимид Ic получают нуклеофильным замещением нитрогруппы в соединении If под действием метилата натрия в метаноле с выходом 90%.

Взаимодействие 4-нитро-1,8-нафталимида Ig или Ih с аллиламином при длительном нагревании при 60°C приводит к соответствующему 4-аллиламинопроизводному Ie или If с выходом 68-69%.

Строение всех полученных соединений доказано с помощью ЯМР- и УФ-спектроскопии, а также подтверждено данными элементного и масс-спектрометрического анализа.

Необходимые для осуществления заявляемого способа исходные соединения и реагенты, такие как 4-нитро-1,8-нафталевый ангидрид, аллиламин, гидразингидрат, метанол, металлический натрий, ацетилхлорид, уксусная кислота, сплав никеля с алюминием, N,N-диметилакриламид, персульфат аммония, тетраметилэтилендиамин, а также органические растворители и силикагель являются коммерчески доступными материалами.

Исследование спектрального поведения заявляемых азакраунсодержащих N-арил-1,8-нафталимидов Ia-If показало, что эти соединения обладают флуоресцентными свойствами (см. табл. 1) и проявляют высокую сенсорную активность по отношению к катионам металлов как в ацетонитрильном, так и в водном растворе (см. табл. 2). За счет варьирования количества и природы гетероатомов в макроцикле достигается различная селективность к катионам металлов. Так, например, неожиданно оказалось, что для азадитиакраунсодержащего ацетамида Id в ацетонитриле интенсивность флуоресценции в присутствии катионов ртути увеличивается в 861 раз, влияние катионов серебра и меди проявляется существенно в меньшей степени, тогда как в отношении других катионов флуоресцентный отклик не наблюдается. Азадитиакраунсодержащий амин Ib в ацетонитриле селективно связывается с катионами ртути, интенсивность его флуоресценции при этом возрастает в 325 раз. Метоксипроизводное Ic азадитиакраунсодержащего нафталимида в ацетонитриле взаимодействует с катионами ртути, свинца и железа (II). При этом наблюдается увеличение интенсивности его флуоресценции в 511, 415 и 248 раз соответственно. Однако в воде соединение Ic демонстрирует селективность практически только к катионам ртути: интенсивность флуоресценции возрастает в 121 раз.

Значительное изменение интенсивности флуоресценции при комплексообразовании облегчает визуальное определение присутствия катионов при концентрациях до 10^-6 моль/л.

Селективный флуоресцентный отклик нафталимидов Ia-Id на катионы двухвалентных ртути, кадмия, железа, меди, кальция, свинца и одновалентного серебра, который был неожиданно обнаружен, позволяет использовать эти соединения при разработке флуоресцентных сенсоров на перечисленные выше катионы.

Заявляемые новые флуоресцентные сенсоры обладают близкими оптическими характеристиками (значения λ_max^abs, λ_max^fl в табл. 1), но различаются величиной флуоресцентного отклика при связывании катионов различных металлов. Это позволяет использовать их для построения химических чипов для мультиионного анализа в неводных и водных средах, предполагающего наличие линейки сенсоров различной селективности, но со сходными спектральными характеристиками, поскольку сканирование флуоресцентного сигнала удобно осуществлять с использованием одной постоянной длины волны возбуждения/регистрации. Мультиионные чипы имеют хорошо разработанную техническую базу, однако требуют широкого ассортимента разнообразных по селективности и оптическому отклику флуороионофоров.

Преимуществом предлагаемых новых сенсоров является увеличение степени интенсивности флуоресценции до 860 раз в видимой области спектра, возникающее в процессе детектирования катионов металлов, что почти на два порядка выше, чем в случае известных в настоящее время флуорофорных N-арил-1,8-нафталимидных сенсоров, содержащих краун-эфирные фрагменты [RU 2515195, Бюл. №13 (2014)]. Это обстоятельство облегчает визуальный способ определения катиона металла при концентрации 10^-6 моль/л и делает его количественный анализ более точным.

Разработанные новые флуоресцентные соединения Ie, If, содержащие аллиламиногруппу в 4-м положении 1,8-нафталимидного ядра, были ковалентно введены в полимерные матрицы по реакции радикальной сополимеризации с N,N-диметилакриламидом с образованием как растворимых полимеров, так и полимерных гелей. Исследование полученных полимеров показало, что они обладают флуоресцентными свойствами и оптическим откликом на катионы металлов. В частности, образцы, полученные из соединения Ie в примере 9, демонстрируют увеличение интенсивности флуоресценции в присутствии катионов кальция в 3 раза, катионов бария - в 10 раз.

Техническим результатом настоящего изобретения являются новые азакраунсодержащие N-арил-1,8-нафталимиды, применимые в качестве флуоресцентных сенсоров на катионы щелочно-земельных, переходных и тяжелых металлов, а также в качестве мономеров для полимерных флуоресцентных сенсоров.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Получение 2-[4-(1,4-диокса-7,13-дитиа-10-азациклопентадекан-10-ил)фенил]-6-нитро-1H-бензо[d,e]изохинолин-1,3(2H)-диона (Ih). К суспензии 0.3 г (1.2 ммоль) 4-нитро-1,8-нафталевого ангидрида в 4 мл 80%-ной водной уксусной кислоты прибавляют 0.6 г (1.6 ммоль) азакраунсодержащего ариламина IIb. Реакционную массу нагревают до кипения, кипятят 1.5 ч, охлаждают до комнатной температуры. Выпавший осадок нитропроизводного N-арилнафталимида Ih отфильтровывают, промывают на фильтре 5%-ной соляной кислотой, горячим 10%-ным раствором Na₂CO₃, водой и этиловым спиртом, затем сушат при 80°C. Получают 0.53 г (76%) соединения Ih. Т. пл. 259-262°C.

Спектр ¹H ЯМР (300.13 МГц, ДМСО-d₆, 24°C), δ, м.д. (J, Гц): 2.72-2.93 (м, 8Н, ¹⁶CH₂, ¹⁷CH₂, ²²CH₂, ²³CH₂), 3.56-3.77 (м, 12Н, ¹⁵CH₂, ¹⁸CH₂, ¹⁹CH₂, ²⁰CH₂, ²¹CH₂, ²⁴CH₂), 6.71 (д, 2Н, ¹¹H, ¹³Н, ³J=8.9), 7.15 (д, 2Н, ¹⁰Н, ¹⁴Н, ³J=8.9), 8.12 (дд, 1Н, ⁶Н, ³J=7.3, ³J=6.8), 8.58 (д, 1H, ³H, ³J=8.1), 8.60 (д, 1H, ²Н, ³J=8.1), 8.63 (д, 1H, ⁷Н, ³J=7.3), 8.75 (д, 1H, ⁵Н, ³J=8.6). Спектр ¹³C ЯМР (100.62 МГц, ДМСО-d₆, 27°C), δ, м.д.: 29.01 (2×CH₂S), 30.58 (2×CH₂S), 51.36 (2×CH₂N), 70.04 (2×CH₂O), 73.01 (2×CH₂O), 111.30 (¹¹C, ¹³C), 122.84 (^4aC), 123.42 (⁹C или ⁸C), 123.47 (⁸C или ⁹С), 124.29 (³С), 127.40 (¹C), 128.71 (⁵С, ^8аС), 129.57 (²С, ¹⁰С, ¹⁴С), 130.14 (⁶С), 131.69 (⁷С), 146.53 (¹²С), 149.15 (⁴С), 162.73 (^8bC), 163.53 (^8сС). Масс-спектр (ESI), m/z: 568.04 [M+H]⁺, 590.06 [M+Na]⁺ (вычислено: M 568.16). Найдено, %: C 59.32; H 5.19; N 7.39. C₂₈H₂₉N₃O₆S₂. Вычислено, %: C 59.24; H 5.15; N 7.40.

Пример 2. Получение 6-амино-2-[4-(1,4-диокса-7,13-дитиа-10-азациклопентадекан-10-ил)фенил]-1H-бензо[d,е]изохинолин-1,3(2Н)-диона (Ib)

К раствору 0.35 ммоль нитросоединения Ih в 13 мл 1,4-диоксана, нагретого до 90°C, прибавляют 1.5 мл гидразингидрата. В полученный раствор при интенсивном перемешивании порциями в течение 30 мин вносят скелетный никелевый катализатор, приготовленный из 0.9 г сплава Ni-Al с массовой долей никеля 50%. Реакционную массу выдерживают при 90°C в течение 1 ч, затем охлаждают до комнатной температуры. Катализатор отфильтровывают, фильтрат упаривают в вакууме. Остаток хроматографируют на колонке с силикагелем, используя в качестве элюента смесь бензол - этанол (градиентное элюирование). Выход соединения Ib 37%. Т. пл. 279°C (с разл). Спектр ¹H ЯМР (300.13 МГц, ДМСО-d₆, 24°C), δ, м.д. (J, Гц): 2.68-2.94 (м, 8Н, ¹⁶CH₂, ¹⁷CH₂, ²²CH₂, ²³CH₂), 3.52-3.79 (м, 12Н, ¹⁵CH₂, ¹⁸CH₂, ¹⁹CH₂, ²⁰CH₂, ²¹CH₂, ²⁴CH₂), 6.67 (д, 2Н, ¹¹H, ¹³Н, ³J=8.7), 6.86 (д, 1H, ³Н, ³J=8.3), 7.04 (д, 2Н, ¹⁰Н, ¹⁴Н, ³J=8.7), 7.44 (уш.с, 2Н, NH₂), 7.61-7.72 (м, 1H, ⁶Н), 8.18 (д, 1H, ²Н, ³J=8.3), 8.41 (д, 1H, ⁷Н, ³J=7.3), 8.64 (д, 1H, ⁵Н, ³J=8.5). Спектр ¹³C ЯМР (100.61 МГц, ДМСО-d₆, 27°C), δ, м.д.: 29.03 (2×CH₂S), 30.56 (2×CH₂S), 51.38 (2×CH₂N), 70.05 (2×CH₂O), 73.04 (2×CH₂O), 108.02 (¹C), 108.18 (³С), 111.24 (¹¹C, ¹³C), 119.49 (^4аС), 122.39 (⁸С), 124.02 (⁶С), 124.62 (⁹С), 129.36 (⁵С), 129.81 (¹⁰С, ¹⁴С), 130.09 (^8аС), 131.10 (⁷С), 133.99 (²С), 146.09 (¹²С), 152.69 (⁴С), 163.51 (^8bC), 164.36 (^8сС). УФ-спектр (CH₃CN), λ_max, нм (lg ε): 415 (4.07). Масс-спектр (ESI), m/z: 538.08 [M+H]⁺, 560.09 [M+Na]⁺ (вычислено: М 538.18). Найдено, %: C 62.61; H 5.83; N 7.76. C₂₈H₃₁N₃O₄S₂. Вычислено, %: C 62.54; H 5.81; N 7.81.

Пример 3. Получение N-{2-[4-(1,4-диокса-7,13-дитиа-10-азациклопентадекан-10-ил)фенил]-1,3-диоксо-2,3-дигидро-1H-бензо[d,e]изохинолин-6-ил}ацетамида (Id)

К перемешиваемой при комнатной температуре суспензии 0.03 г (0.056 ммоль) 4-аминопроизводного Ib в 0.4 мл безводного пиридина прибавляют 0.1 мл раствора ацетилхлорида в ДМФА, полученного смешением 1 мл ДМФА и 0.1 мл ацетилхлорида. Через некоторое время после прибавления ацетилхлорида образуется прозрачный раствор. Перемешивание при комнатной температуре продолжают в течение 2 ч, после чего реакционную массу разбавляют 1.0 мл этанола и оставляют на несколько часов в холодильнике. Выпавший осадок отфильтровывают и подвергают очистке методом колоночной хроматографии (носитель - силикагель, элюент - градиентная смесь бензол - этанол от 100:1 к 30:1). Масса полученного продукта Id 0.2 г (выход 60%). Т. пл. 244-246°C. Спектр ¹H ЯМР (300.13 МГц, ДМСО-d₆, 21°C), δ, м.д. (J, Гц): 2.30 (с, 3H, CH₃), 2.68-2.94 (м, 8Н, ¹⁶CH₂, ¹⁷CH₂, ²²CH₂, ²³CH₂), 3.54-3.78 (м, 12Н, ¹⁵CH₂, ¹⁸CH₂, ¹⁹CH₂, ²⁰CH₂, ²¹CH₂, ²⁴CH₂), 6.69 (д, 2Н, ¹¹H, ¹³Н, ³J=8.7), 7.11 (д, 2Н, ¹⁰Н, ¹⁴Н, ³J=8.7), 7.85-7.96 (м, 1Н, ⁶Н), 8.32 (д, 1H, ³Н, ³J=8.3), 8.47 (д, 1H, ²Н, ³J=8.3), 8.52 (д, 1H, ⁷Н, ³J=7.3), 8.74 (д, 1H, ⁵Н, ³J=8.5), 10.43 (уш.с, 1H, NHCO). Спектр ¹³C ЯМР (150.93 МГц, ДМСО-d₆, 22°C), δ, м.д.: 24.11 (CH₃CO), 29.03 (2×CH₂S), 30.58 (2×CH₂S), 51.38 (2×CH₂N), 70.05 (2×CH₂O), 73.01 (2×CH₂O), 111.28 (¹¹С, ¹³С), 118.12 (¹С), 119.45 (³С), 122.96 (⁸С), 123.98 (⁹С), 124.17 (^4аС), 126.42 (⁶С), 128.73 (^8аС), 129.26 (⁵С), 129.72 (¹⁰С, ¹⁴С), 130.90 (⁷С), 131.63 (²С), 140.29 (⁴С), 146.34 (¹²С), 163.52 (^8bC), 164.08 (^8сС), 169.64 (CH₃CO). УФ-спектр (CH₃CN), λ_max, нм (lg ε): 365 (4.08). Масс-спектр (ESI), m/z: 580.13 [M+H]⁺ (вычислено: М 580.19). Найдено, %: C 62.21; H 5.78; N 7.16. C₃₀H₃₃N₃O₅S₂. Вычислено, %: C 62.15; H 5.74; N 7.25.

Пример 4. Получение 6-нитро-2-[4-(1,4,7,10,13-пентаокса-16-азациклооктадекан-16-ил)фенил]-1H-бензо[d,e]изохинолин-1,3(2H)-диона (Ig)

К суспензии 0.2 г (0.82 ммоль) 4-нитро-1,8-нафталевого ангидрида в 8 мл 80%-ной водной уксусной кислоты прибавляют 0.5 г (1.4 ммоль) ариламина IIa. Реакционную массу нагревают до кипения, кипятят 2,5 ч, охлаждают до комнатной температуры. Выпавший после добавления воды (50 мл) осадок соединения Ig отфильтровывают, промывают на фильтре горячим 10%-ным раствором Na₂CO₃, водой и этиловым спиртом. Продукт очищают колоночной хроматографией (носитель - силикагель, элюент - смесь бензол - этанол, 50:1) и получают соединение Ig в виде красноватого порошка с выходом 62%. Т. пл. 201-203°C. Спектр ¹H ЯМР (CDCl₃, 25°C), δ, м.д. (J, Гц): 3.66-3.74 (м, 24Н краун-эфирного фрагмента), 6.82 (д, 2Н, ¹¹H, ¹³Н, J=7.6), 7.13 (д, 2Н, ¹⁰Н, ¹⁴Н, J=7.6), 8.01 (дд, 1H, ⁶Н, J=6.9, J=8.6), 8.43 (д, 1H, ³Н, J=8.0), 8.73 (д, 1H, ²Н, J=8.0), 8.78 (д, 1H, ⁷Н, J=6.9), 8.87 (д, 1H, ⁵Н, J=8.6). Спектр ¹³C ЯМР (CDCl₃, 25°C), δ, м.д.: 68.1 (¹⁵С, ²⁶С), 70.4 (¹⁶С, ¹⁸С, ²³С, ²⁵С), 76.3 (²⁰С, ²¹С), 76.6 (¹⁷С, ²⁴С), 76.9 (¹⁹С, ²²С), 106.6 (¹C), 108.5 (³С), 111.4 (¹¹C), 111.5 (¹³С), 120.1 (^4аС), 123.0 (⁸С), 123.4 (⁶С), 123.5 (⁹С), 128.45 (⁵С), 129.0 (¹⁰С), 129.6 (¹⁴С), 129.7 (^8аС) 131.2 (⁷С), 132.3 (²С), 149.3 (¹²С), 157.4 (⁴С), 162.6 (^8bC), 163.4 (^8сС). Масс-спектр (ESI), m/z: 581.1 [M+H⁺]⁺ (вычислено: М 579.6). Найдено, %: C 61.14; H 6.29, N 7.05. C₃₀H₃₃N₃O₉. Вычислено, %: C 62.17; H 5.74, N 7.25.

Пример 5. Получение 6-амино-2-[4-(1,4,7,10,13-пентаокса-16-азациклооктадекан-16-ил)фенил]-1H-бензо[d,e]изохинолин-1,3(2H)-диона (Ia)

К нагретому до кипения раствору 0.1 г (0.17 ммоль) нитросоединения Ig в 20 мл этанола добавляют 0.5 мл гидразингидрата, после чего порциями при перемешивании вносят скелетный никелевый катализатор, приготовленный из 0.5 г сплава никеля с алюминием (массовая доля никеля 50%). После добавления всего катализатора реакционную массу выдерживают при кипении 2 ч, катализатор отфильтровывают, фильтрат упаривают в вакууме. Продукт Ia выделяют колоночной хроматографией (носитель - силикагель, элюент - смесь бензол - этанол, 10:1) в виде оранжево-желтого порошка с выходом 86%. Т. пл. 133-134°C. Спектр ¹H ЯМР (CDCl₃, 25°C), δ, м.д. (J, Гц): 3.63-3.71 (м, 24Н краун-эфирного фрагмента), 6.81 (д, 2Н, ¹¹H, ¹³Н, J=7.9), 6.90 (д, 1H, ³Н, J=8.2), 7.14 (д, 2Н, ¹⁰Н, ¹⁴Н, J=7.9), 7.65 (дд, 1H, ⁶Н, J=7.9), 8.24 (д, 1H, ²Н, J=8.0), 8.43 (д, 1H, ⁵Н, J=8.0), 8.62 (д, 1H, ⁷Н, J=7.9). Спектр ¹³C ЯМР (CDCl₃, 25°C), δ, м.д.: 68.6 (¹⁵С, ²⁶С), 70.7 (¹⁶С, ¹⁸С, ²³С, ²⁵С), 76.7 (²⁰С, ²¹С), 77.0 (¹⁷С, ²⁴С), 77.4 (¹⁹С, ²²С), 106.2 (¹С), 109.5 (³С), 112.0 (¹¹С), 112.2 (¹³С), 120.2 (^4аС), 123.4 (⁸С), 124.2 (⁶С), 124.8 (⁹С), 129.23 (⁵С), 130.3 (¹⁰С), 131.2 (¹⁴С), 131.8 (^8аС), 132.1 (⁷С), 134.2 (²С), 149.8 (¹²С), 150.7 (⁴С), 164.6 (^8bC), 165.2 (^8сС). Масс-спектр (ESI), m/z: 551.2 [M+H⁺]⁺ (вычислено: М 549.6). Найдено, %: C 64.43; H 6.89, N 7.45. C₃₀H₃₅N₃O₇. Вычислено, %: C 65.56; H 6.42, N 7.65.

Пример 6. Получение 2-[4-(1,4-диокса-7,13-дитиа-10-азациклопентадекан-10-ил)фенил]-6-метокси-1H-бензо[d,e]изохинолин-1,3(2H)-диона (Ic). Раствор, содержащий 2.6 ммоль метилата натрия в 5 мл метанола, прибавляют к суспензии 0.2 ммоль N-арилнитронафталимида Ih в 7 мл метанола. Реакционную массу выдерживают при кипении в течение 10 ч, затем охлаждают до комнатной температуры. Метанол отгоняют на роторном испарителе, к остатку добавляют 7 мл воды. Выпавший продукт отфильтровывают, промывают на фильтре водой и этиловым спиртом. Получают 73 мг (выход 90%) соединения Ic. Т. пл. 233-235°C.

Спектр ¹H ЯМР (600.22 МГц, ДМСО-d₆, 20°C), δ, м.д. (J, Гц): 2.84-3.11 (м, 8Н, ¹⁶CH₂, ¹⁷CH₂, ²²CH₂, ²³CH₂), 3.65-3.81 (м. 4Н, ¹⁸CH₂, ²¹CH₂), 4.06-4.14 (м, 4Н, ¹⁹CH₂, ²⁰CH₂), 4.16 (с, 3H, OCH₃), 4.22-4.31 (м, 4Н, ¹⁵CH₂, ²⁴CH₂), 6.89 (д, 2Н, ¹¹H, ¹³H, J=8.6), 7.04 (д, 1H, ²H, J=8.2), 7.08 (д, 2Н, ¹⁰Н, ¹⁴Н, J=8.6), 7.81-7.90 (м, 1H, ⁶Н), 8.47 (д, 1Н, ³Н? J=8.2), 8.52 (д, 1H, ⁷Н, J=7.3), 8.58 (д, 1H, ⁵Н, J=8.5). Спектр ¹³C ЯМР (150.93 МГц, ДМСО-d₆, 20°C), δ, м.д.: 32.30 (CH₂S), 32.40 (CH₂S), 32.73 (CH₂S), 32.75 (CH₂S), 57.02 (OCH₃), 71.64 (CH₂O), 71.69 (CH₂O), 71.95 (CH₂O), 71.97 (CH₂O), 106.88 (³С), 113.86 (¹³С), 115.05 (¹⁰С), 115.50 (¹C), 122.01 (¹⁴С), 123.00 (⁸С), 123.14 (^4аС), 127.01 (⁶С), 129.21 (⁵С), 129.97 (^8аС), 130.02 (⁹С), 131.97 (⁷С), 133.98 (²С), 147.52 (¹²С), 147.99 (¹¹С), 160.06 (⁴С), 163.03 (^8bC), 163.57 (^8сС). Масс-спектр (ESI), m/z: 580.13 [M+H]⁺ (вычислено: М 580.19). Найдено, %: C 62.21; H 5.78; N 7.16. C₃₀H₃₃N₃O₅S₂. Вычислено, %: C 62.15; H 5.74; N 7.25.

Пример 7. Получение 6-аллиламино-2-[4-(1,4,7,10,13-пентаокса-16-азациклооктадекан-16-ил)фенил]-1H-бензо[d,e]изохинолин-1,3(2H)-диона (Ie)

Суспендируют 50 мг (0.086 ммоль) нитропроизводного Ig в 5 мл аллиламина. Реакционную смесь при перемешивании нагревают до 60°C и выдерживают при этой температуре в течение 15 ч. По окончании реакции растворитель удаляют на роторном испарителе. Продукт очищают колоночной хроматографией (носитель - силикагель, элюент - смесь бензол - этанол, 10:1) и получают соединение Ie в виде оранжево-желтого вещества с выходом 0.035 г (69%). Т. пл. 174-176°C. Спектр ¹H ЯМР (500 МГц, ДМСО-d₆, 25°C), δ, м.д. (J, Гц): 3.57-3.65 (м, 24Н краун-эфирного фрагмента), 4.09 (с, 2Н, ^1'Н), 5.20 (д, 1H, цис-^3'Н, J=10.4), 5.27 (д, 1H, транс-^3'Н, J=17.2), 5.96-6.03 (м, 1Н, ^2'Н), 6.73 (д, 2Н, ¹¹H, ¹³H, J=9.2), 6.75 (д, 1H, ³Н, J=8.6), 7.02 (д, 2Н, ¹⁰Н, ¹⁴Н, J=9.2), 7.72 (дд, 1H, ⁶Н, J=8.2, J=7.6), 8.08 (уш.с, 1H, NH), 8.24 (д, 1H, ²Н, J=8.6), 8.43 (д, 1H, ⁷Н, J=7.6), 8.74 (д, 1H, ⁵Н, J=8.2). Спектр ¹³C ЯМР (500 МГц, ДМСО-d₆, 27°C), δ, м.д.: 45.4 (^1'C), 51.3 (¹⁵С, ²⁶С), 68.5 (¹⁶С, ¹⁸С, ²³С, ²⁵С), 70.5 (¹⁷С, ¹⁹С, ²⁰С, ²¹С, ²²С, ²⁴С), 104.8 (¹C), 108.9 (³C), 111.5 (¹¹C, ¹³С), 116.5 (^3'C), 120.7 (^4аС), 123.2 (⁹С или ⁸C), 124.6 (⁸C или ⁹C), 129.9 (⁵C, ^8аС), 130.2 (²С, ¹⁰С, ¹⁴С), 131.3 (⁶С), 134.4 (⁷С), 134.6 (^2'С), 147.5 (¹²С), 150.9 (⁴С), 163.9 (^8bC), 164.8 (^8сС). Масс-спектр (ESI), m/z: 591.2 [M+H⁺]⁺ (вычислено: М 589.68). Найдено, %: C 68.08; H 6.54; N 6.83. C₃₃H₃₉N₃O₇. Вычислено, %: C 67.22; H 6.67; N 7.13.

Пример 8. Получение 6-аллиламино-2-(4-(1,4-диокса-7,13-дитиа-10-азациклопентадекан-10-ил)-фенил)-1Н-бензо[d,e]изохинолин-1,3(2Н)-диона (If)

К 5 мл аллиламина добавляют при перемешивании 0.05 г (0.088 ммоль) соединения Ih. Реакционную смесь выдерживают при перемешивании и температуре 60°C в течение 15 ч, после чего растворитель удаляют на роторном испарителе. Продукт выделяют переосаждением из смеси вода - этанол (1:1) в виде желтого порошка. Выход 0.036 г (68%). Т. пл. 217- 219°C. Спектр ¹H ЯМР (600 МГц, ДМСО-d₆, 25°C), δ, м.д. (J, Гц): 2.75 (дд, 4Н, ¹⁶Н, ²³Н, J=5.4, J=5.1), 2.85 (дд, 4Н, ¹⁷Н, ²²Н, J=7.6), 3.58 (с, 4Н, ²⁰Н, ¹⁹Н), 3.62 (дд, 4Н, ¹⁸Н, ²¹Н, J=7.6), 3.71 (дд, 4Н, ¹⁵Н, ²⁴Н, J=5.4, J=5.1), 4.07 (с, 2Н, ^1'Н), 5.18 (д, 1Н, цис-^3'Н, J=10.2), 5.25 (д, 1H, транс-^3'Н, J=17.2), 5.92-6.02 (м, 1Н, ^2'Н), 6.66 (д, 2Н, ¹¹Н, ¹³Н, J=9.2), 6.73 (д, 1H, ³Н, J=8.6), 7.03 (д, 2Н, ¹⁰Н, ¹⁴Н, J=9.2), 7.70 (дд, 1H, ⁶Н, J=8.0, J=7.6), 8.07 (уш.с, 1H, NH), 8.23 (д, 1H, ²Н, J=8.6), 8.42 (д, 1H, ⁷Н, J=7.6), 8.72 (д, 1Н, ⁵Н, J=8.0). Спектр ¹³C ЯМР (600 МГц, ДМСО-d₆, 27°C), δ, м.д.: 29.3 (2×CH₂S), 30.9 (2×CH₂S), 45.2 (^1'C), 51.7 (2×CH₂N), 70.3 (2×CH₂O), 73.3 (2×CH₂O), 111.6 (¹¹C, ¹³С), 116.4 (^3'С), 120.6 (^4аС), 122.8 (⁹С или ⁸С), 124.7 (⁸С или ⁹С), 124.8 (³С), 127.0 (¹C), 128.8 (⁵С, ^8аС), 130.1 (²С, ¹⁰С, ¹⁴С), 131.1 (⁶С), 134.3 (⁷С), 134.4 (^2'С), 146.5 (¹²С), 150.8 (⁴С), 163.83 (^8bC), 164.6 (^8сС). Масс-спектр (ESI), m/z: 606.92 [M+H⁺]⁺ (вычислено: М 605.81). Найдено, %: C 65.38; H 6.52; N 6.89. C₃₃H₃₉N₃O₄S₂. Вычислено, %: C 65.43; H 6.49; N 6.94.

Пример 9. Получение флуорофорсодержащего полимера

К 200 мкл 1М раствора N,N-диметилакриламида в формамиде добавляют 600 мкл 1 мМ раствора соединения Ie в формамиде. Через полученный раствор барботируют аргон в течение 15 мин, затем раствор охлаждают на ледяной бане и вносят инициатор (80 мкл 1%-ного раствора персульфата аммония и 2,5 мкл тетраметилэтилендиамина). Плотно закрытую пробирку с реакционной массой выдерживают 24 ч при 20°C. Образовавшийся растворимый полимер очищают диализом. Полученный продукт высушивают лиофильно с помощью сублимационной установки Alpha 1_2 LD plus (Martin Christ, Германия). Выход 88%.

Пример 10. Получение флуорофорсодержащего полимерного геля

К 200 мкл 1М раствора N,N-диметилакриламида в формамиде добавляют сначала 600 мкл 1 мМ раствора соединения If в формамиде, а затем 0.00771 г N,N-метилен-бис-акриламида. Через полученный раствор барботируют аргон в течение 15 мин, затем раствор охлаждают на ледяной бане и вносят инициатор (80 мкл 1%-ного раствора персульфата аммония и 2,5 мкл тетраметилэтилендиамина). Плотно закрытую пробирку с реакционной массой выдерживают 24 ч при 20°C. Образовавшийся полимерный гель отмывают от низкомолекулярных и олигомерных фракций троекратной сменой формамида, а далее многократной сменой деионизованной воды. Полученный продукт высушивают лиофильно с помощью сублимационной установки Alpha 1_2 LD plus (Martin Christ, Германия) и затем в вакуум-эксикаторе над прокаленным гранулированным CaCl₂. Выход 79%. Степень набухания сшитой полимерной сетки: 23 г/г формамида и 30,6 г/г H₂O.

Методы исследования хемосенсорных свойств полученных азакраунсодержащих N-арил-1,8-нафталимидов

Оценку сенсорной способности соединений Ia-If по отношению к катионам Cu²⁺, Ag⁺, Hg²⁺, Ni²⁺, Fe²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Pb²⁺ проводили по зависимости спектров флуоресценции нафталимидов от концентрации катионов. Для этого к раствору исследуемого соединения формулы I (c~1×10^-6 моль/л) в ацетонитриле или воде порциями добавляли расчетное количество раствора перхлората соответствующего металла, записывая спектры флуоресценции исходного раствора и раствора после добавления соли металла в интервале длин волн 250-750 нм.

Сенсорную активность полимерного материала, полученного из нафталимида Ie, оценивали по изменению его спектра флуоресценции после выдерживания в специально приготовленных ацетонитрильных растворах перхлората кальция или бария с концентрацией 1×10^-4 и 1×10^-5 моль/л соответственно.

Возбуждение флуоресценции осуществляли светом с длиной волны 360 нм (для соединений Ic и Id) или 405 нм (для соединений Ia, Ib, Ie, If и полимера, полученного в примере 9). Съемку спектров флуоресценции проводили на спектрофлуориметре FluoroMax-3.

Для количественной оценки сенсорной активности полученных нафталимидов использовали степень увеличения интенсивности их флуоресценции FE (Fluorescence Enhancement) в ацетонитрильных и водных растворах в точке максимума при добавлении одного эквивалента катиона металла, рассчитываемую по следующей формуле:

FE=I/I_o,

где I_o - интенсивность флуоресценции исходного раствора исследуемого соединения; I - интенсивность флуоресценции раствора исследуемого соединения после добавления соли металла.

1. Соединения общей формулы (I)

,

где R=NHCH₂CH=CH₂ при X=О, n=2 и

R=ОМе, NHCH₂CH=CH₂ при X=S, n=1.

2. Соединения по п. 1 в качестве флуоресцентных сенсоров на катионы щелочно-земельных, переходных и тяжелых металлов.

3. Соединения по п. 1, в которых R=NHCH₂CH=CH₂ в качестве мономеров для получения полимерных флуоресцентных сенсоров на катионы металлов.

4. Способ получения соединений по п. 1, включающий ацилирование N-(4-аминофенил)аза-18-краун-6-эфира или N-(4-аминофенил)азадитиа-15-краун-5-эфира 4-нитро-1,8-нафталевым ангидридом и последующее замещение нитрогруппы в образовавшемся 4-нитро-1,8-нафталимиде нуклеофильным реагентом.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что ацилирование проводят в 80%-ной уксусной кислоте при кипячении.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в качестве нуклеофильного реагента используют метилат натрия в метаноле.

7. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в качестве нуклеофильного реагента используют аллиламин.