Design of fluorescent probes for the detection of ions and models of drugs of abuse in urine: synthesis, sensing studies and chemometric analysis

Abstract

Atualmente, existem muitos sensores químicos óticos baseados em moléculas orgânicas, porém os derivados de 4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indaceno, comummente conhecidos como BODIPYs, e os derivados de dicianovinilo representam duas classes de fluoróforos que têm ganhado considerável interesse em uma ampla variedade de aplicações. As propriedades fotofísicas e versatilidade química destes compostos explicam o seu exponencial crescimento, destacando a sua aplicação como sensores óticos para o reconhecimento e deteção de espécies químicas iónicas e neutras. A aplicação de métodos quimiométricos a dados espetrais é cada vez mais utilizada como uma grande ferramenta para desenvolver modelos de quantificação para diferentes tipos de analitos com grande capacidade preditiva. O objetivo deste trabalho foi o design, síntese e caracterização de novos derivados de BODIPY, funcionalizados com diferentes grupos substituintes nas posições 2 e 4'' do núcleo de BODIPY e do substituinte meso, e a caracterização de derivados dicianovinilo com diferentes unidades aromáticas, visando diversificar as propriedades fotofísicas e as propriedades sensoras dos compostos face a diversos analitos. Numa segunda fase, foi realizado o estudo da capacidade dos derivados de BODIPY e de dicianovinilos como sensores óticos de iões, com relevância em áreas como a saúde e o ambiente, e aminas e álcoois, como modelos de fármacos de abuso como a codeína e o fentanyl. Na sequência do estudo preliminar que revelou a seletividade/sensibilidade a certos iões, foram realizadas titulações espetrofotométricas e espetrofluorimétricas na presença de F- , CN- , Cu2+ e Fe3+ . O comportamento como sensor do tipo quimiodosímetro dos derivados dicianovinílicos foi verificado por meio de uma titulação de RMN de 1H com o ião cianeto. No caso dos álcoois e aminas modelo, o teste preliminar revelou seletividade de alguns dos compostos testados para álcoois e aminas, complementada com a avaliação dos efeitos dos meios, pH e sais utilizados. Em termos da análise quimiométrica, foram aplicados modelos SLR, PLS e PCR apresentando os melhores resultados para quantificação de CN- e Fe3+, com coeficiente de determinação superior a 95%.

Currently, there are many optical chemical sensors based on organic molecules, however 4,4-difluoro-4- bora-3a,4a-diaza-s-indacene derivatives, commonly known as BODIPYs, and dicyanovinyl derivatives represent two classes of fluorophores which have been gaining considerable interest in a wide variety of applications. The photophysical properties and chemical versatility of these compounds explain their exponential growth, highlighting their application as optical sensors for the recognition and detection of ionic and neutral chemical species. The application of chemometric methods to spectral data has been a great tool to develop quantification models for different types of analytes with great predictive capacity. The aim of this work was the design, synthesis and characterization of new BODIPY derivatives functionalized with different substituent groups at position 2 and 4’’ of the BODIPY core and the meso substitute, and the characterization of dicyanovinyl derivatives with different aromatic moieties, intending to diversify these compounds’ photophysical and sensing properties for varied analytes. In a second stage, the study on the ability of BODIPY and dicyanovinyl derivatives as optical sensors for ions with medical and environmental relevance, and amines and alcohols, as models for drugs of abuse such as codeine and fentanyl. As a result of the preliminary study which revealed the selectivity/sensitivity towards certain ions, spectrophotometric and spectrofluorimetric titrations were carried out in the presence of F - , CN- , Cu2+ and Fe3+. The behaviour as a chemodosimeter of dicyanovinyl derivatives was verified through a 1H NMR titration with the cyanide ion. In the case of the model amines and alcohols, the preliminary test revealed selectivity of some of the testes compounds towards alcohols and amines, complemented with the evaluation of the effect of media, pH and salts. In terms of chemometric analysis, LR, PLS and PCR models were applied showing the best results for quantification of CN- and Fe3+, with coefficient of determination superior to 95 %.