Οργανική σύνθεση νέων αζα-μακροκυκλικών και φαινανθρολινικών φθορισμομετρικών δεικτών ενισχυμένης μεταλλοδεσμευτικής ικανότητας τοξικών μεταλλοϊόντων και υψηλής κβαντικής απόδοσης

Abstract

In this thesis, the synthesis and the fluorescence profile of a series of potential fluorescent heavy metal ion probes is described. All seven probes incorporate in their structure the coumarin moiety as fluorophore. For the first three probes, the 1-aza-15-crown-5 moiety, for the next two, the picolylamine, whereas for the last two ones, the 1,4,8,11-tetraazatetradecane (cyclam) group were chosen as ionophores. The fluorescence response of these probes to increasing concentrations of Zn2+, Cd2+, Hg2+ and Pb2+ ions is described in the next section. The monoazacrown ether probes where the ionophore and fluorophore are bridged with a methylene group, respond to increasing concentrations of Zn2+and Cd2+ ions. The former exhibits weaker binding to Zn2+ ions with a dissociation constant Κd = 8.7 μΜ and stronger binding for Cd2+ ions (Κd = 16 nΜ). These Kd values imply that the compound may used as a cadmium ions sensor in the presence of higher levels of zinc ions. The probe where the ionophore, 1-aza-15-crown-5, is coupled with the fluorophore (a 7-(4-methyl)coumarin analog) through a carbamide linker, has a strong response to Hg2+ ions. Its Kd was calculated as low as 13.14 μM. The tri-BOC-cyclam analog of compound mentioned before, is also an efficient mercury ion sensor with a calculated Κd = 35.48 μM. The indicator, where the bis-(2-picolyl)amine ionophore is linked to 7-(4-methyl)coumarin with a carbamide spacer, responds to nanomolar levels of cadmium ions and to milimolar levels of lead ions. Ion competition studies indicate that the probe is Pb2+-selective however, the mode of its response to increasing Pb2+ concentrations does not allow for the calculation of an accurate Kd value. The 2-picolyl analog, with the ionophore directly connected to 7-amino-(4-methyl)coumarin, is in turn, zinc-selective with a Κd = 25.17 μΜ. Finally a series of synthetic studies, aiming to incorporate the 5-amino-1,10-phenanthroline moiety as the probes’ fluorophore, led to the conclusion that, due to electronic factors, this heteroaromatic compound is not a suitable synthon for the construction of heavy metal ion fluorescent probes.

Στην παρούσα ερευνητική εργασία πραγματοποιήθηκε η σύνθεση επτά φθοριζόντων δεικτών μεταλλοϊόντων, οι οποίοι εμπεριέχουν υποκατεστημένες κουμαρίνες ως χρωμοφόρες ομάδες. Οι τρεις πρώτοι δείκτες περιέχουν ως ιονοφόρο το μόριο 1-aza-15-crown-5, οι επόμενοι δύο το μόριο της πικολυλαμίνης, ενώ οι άλλοι δύο το 1,4,8,11-τετρααζαδεκατετράνιο (cyclam). Διεξήχθησαν προκαταρκτικές μελέτες φθορισμού με πρότυπα διαλύματα Zn2+, Cd2+, Hg2+ και Pb2+. Oι δύο δείκτες με ιονοφόρο το 1-aza-15-crown-5 και χρωμοφόρο τμήμα την 7-κουμαρίνυλοομάδα συζευγμένα με μεθυλενικό σύνδεσμο, παρουσιάζουν απόκριση σε μεταβαλλόμενες συγκεντρώσεις των ιόντων Zn2+, Cd2+, και για τον ένα από αυτoύς επετεύχθη η εξαγωγή σταθερών διάστασης : Κd = 8.7 μΜ για ιόντα Zn2+ και Κd = 16 nΜ για ιόντα Cd2+. Οι παραπάνω τιμές υποδεικνύουν ότι πιθανώς υπάρχει δυνατότητα χρήσης του συγκεκριμένου δείκτη για επιλεκτική ανίχνευση των ιόντων Cd2+ παρουσία μεγαλύτερων συγκεντρώσεων ιόντων Zn2+. Ο δείκτης με ιονοφόρο το 1-aza-15-crown-5 και χρωμοφόρο τμήμα την 7-(4-μεθυλο)κουμαρίνυλοομάδα συζευγμένα με θειοκαρβαμιδικό σύνδεσμο παρουσιάζει πολύ μεγάλη και επιλεκτική απόκριση για το ιόν του υδραργύρου, ενώ η σταθερά διάστασής του για τον Hg2+ υπολογίστηκε να είναι Κd = 13.14 μM. Ο δείκτης με ιονοφόρο το tri-BOC-cyclam και χρωμοφόρο τμήμα την 7-(4-μεθυλο)κουμαρίνυλοομάδα συζευγμένα με θειοκαρβαμιδικό σύνδεσμο παρουσιάζει επίσης πολύ μεγάλη και επιλεκτική απόκριση για το ιόν του υδραργύρου, ενώ η σταθερά διάστασής του για τον Hg2+ δεν διαφέρει πολύ από αυτή του προηγούμενου δείκτη και υπολογίστηκε ως Κd = 35.48 μM. Ο δείκτης με ιονοφόρο τη δι-(2-πικολυλο)αμίνη και χρωμοφόρο τμήμα την 7-(4-μεθυλο)κουμαρίνυλοομάδα συζευγμένα με θειοκαρβαμιδικό σύνδεσμο παρουσιάζει απόκριση σε μεταβαλλόμενες συγκεντρώσεις Cd2+ σε επίπεδα nM, και απόκριση σε συγκεντρώσεις ιόντων Pb2+ σε επίπεδα μΜ. Μελέτη ανταγωνισμού μεταξύ 5 μετάλλων δείχνει ότι ο συγκεκριμένος δείκτης είναι μάλλον επιλεκτικός για μόλυβδο, ωστόσο δεν κατέστη δυνατή η εξαγωγή της σταθεράς διάστασης. Ο δείκτης με ιονοφόρο τη 2-πικολυλο-ομάδα συζευγμένη με το χρωμοφόρο τμήμα της 7-αμινο-(4-μεθυλο)κουμαρίνυλοομάδας παρουσιάζει απόκριση σε μικρό εύρος συγκεντρώσεων Zn2+, με σταθερά διάστασης Κd = 25.17 μΜ. Τέλος, μία μεγάλη σειρά προσπαθειών ενσωμάτωσης της 5-αμινο-1,10-φαινανθρολίνης σαν ιονοφόρο στα συστήματα των δεικτών που προαναφέρθηκαν έδωσε ισχυρές ενδείξεις ότι η ετεροαρωματική αυτή ομάδα, για στερεοηλεκτρονικούς λόγους, δεν ενδείκνυται ως κατάλληλο συνθετικό ενδιάμεσο για την παρασκευή φθοριζόντων δεικτών.