Получены вещества для эффективного распознавания взрывчатки и ртути

09:28, 16 августа 2023

Технология отличается простотой, экономичностью и экологичностью [фоторепортаж]

По словам Игоря Ковалёва, новые флуорофоры экологичные, эффективные и недорогие. Фото: Родион Нарудинов

Российские ученые синтезировали два новых флуорофора, с помощью которых можно эффективно выявлять присутствие ртути и взрывчатых веществ в воде. Статья о проведенных исследования и их результатах опубликована в журнале Molecules.

В качестве исходного вещества ученые использовали полиэтиленгликоль — широко распространенный материал, который применяется, к примеру, как основа для изготовления мазей и элемент моющих средств. Выбор полиэтиленгликоля продиктован тем, что он также выступает типичным компонентом многих комплексообразующих молекул, в том числе для улавливания катионов металлов и нитровзрывчатых веществ.

Исследователи дополнительно модифицировали полиэтиленгликоль фрагментами ацетилена, это открыло возможность проведения синтеза флуорофоров путем так называемой клик-реакции азид-алкинового циклоприсоединения.

Клик-реакции направлены на быстрое, производительное и надежное получение химических продуктов путем присоединения друг к другу различных элементов, модулей. При этом в создании финального продукта задействован максимум атомов реагентов, то есть атомная эффективность стремится к стопроцентной, а количество побочных продуктов, требующих последующей утилизации, напротив, — к нулю. Таким образом, клик-реакции не только продуктивны и экономичны, но и экологичны и соответствуют принципам «зеленой химии».

В рамках проведенных исследований клик-реакцию разработал и осуществил аспирант УрФУ, уроженец Ирака Мохаммед Самир Мохаммед. Работа проведена под руководством Игоря Ковалёва, руководителя исследовательской группы по созданию сенсорных материалов, ведущего научного сотрудника лаборатории перспективных материалов, зеленых методов и биотехнологий УрФУ, и профессора УрФУ Григория Зырянова.

«В качестве самого простого катализатора клик-реакции мы использовали медный купорос в присутствии аскорбиновой кислоты, так как известно, что добавление одновалентной меди приводит к тому, что реакция ускоряется и протекает легко, при комнатной температуре, атомная эффективность достигает 100 %, и в результате образуется только один продукт», — комментирует Игорь Ковалёв.

Структурно полученные флуорофоры напоминают бола (болас, болеадорас) — метательное приспособление южноамериканских пастухов и охотников, состоящее из веревки с грузами на обоих концах и предназначенное для поимки животных. В структуре флуорофоров полиэтиленгликоль служит перемычкой между молекулами гетероциклических соединений триазола и оксадиазола, для которых характерно яркое излучение в видимой области.

«В ходе исследований мы убедились в том, что наши флуорофоры активно излучают поглощенную световую энергию, квантовый выход приближается к предельным показателям. В присутствии взрывчатых веществ, таких как 2,4-динитротолуол и 2,4,6-тринитротолуол (тротил), свечение флуорофоров гасится, причем структура бола способствует тому, что интенсивность их отклика на взрывчатые вещества удваивается. Дело в том, что при определенных внешних условиях такая структура способна сложиться пополам, ее концы, в данном случае молекулы триазола и оксадиазола, сближаются, и проникающая между ними молекула взрывчатого вещества одновременно гасит оба фрагмента, эффективность тушения флуоресценции возрастает вдвое», — объясняет Игорь Ковалёв.

По его словам, благодаря структуре бола и присутствию в ней полиэтиленгликоля синтезированные флуорофоры распознают даже тетранитропентаэритрит (ТЭН) — мощное взрывчатое вещество, используемое в составе пластических взрывчаток. ТЭН отличается слабой летучестью, плохо переходит в паровое состояние и поэтому улавливается с трудом.

«Чтобы решить эту проблему, мы использовали ТЭН в виде раствора. В этом состоянии он успешно взаимодействовал с нашими флуорофорами, вызывая их гашение», — рассказывает Игорь Ковалёв.

Более того, и полиэтиленгликоль, и триазол с оксадиазолом хорошо взаимодействуют с ртутью. Как показали эксперименты, она даже при низкой концентрации и в присутствии других металлов — меди, кобальта, кадмия, олова, цинка, никеля и марганца — вызывает резкое гашение синтезированных флуорофоров. Поэтому их можно применять в качестве высокочувствительных селективных хемосенсоров этого чрезвычайно токсичного и опасного загрязнителя природы.

Добавим, что в исследованиях приняли участие сотрудники Института органического синтеза им. И. Я. Постовского УрО РАН, Уральского государственного медицинского университета, Санкт-Петербургского государственного университета, Российского университета дружбы народов. Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (проект № 075-15-2022-1118).

Справка

Детектирование взрывчатых и токсичных веществ с помощью хемосенсоров — один из наиболее удобных методов их распознавания. Заметными преимуществами флуоресцентных технологий являются их простота, мобильность, экономичность, оперативность, возможность точной структурной настройки хемосенсора для повышения его селективности и улучшения отклика на детектируемые вещества.

Александр Задорожный