CN104327842B - 用于五元杂环化合物特异性检测的荧光材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于五元杂环化合物特异性检测的荧光材料及制备方法,属于荧光传感器领域。所述荧光材料由有机羧基配体与金属配位而成,简称TABD-MOFs,其分子式为M(C30H22O4)x(C3H7NO)y,是由金属硝酸盐的DMF溶液、TABD-COOH的DMF溶液、水和乙醇,混合均匀,于85℃下反应一段时间后,过滤洗涤而获得;所述荧光材料对五元杂环高能量密度化合物响应迅速且具有高灵敏性和高选择性,检测方法简单易操作,根据实际需要可以完全脱离对于高精仪器的依赖性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于五元杂环化合物特异性检测的荧光材料及制备方法,具体涉及一种基于聚集诱导发光原理用于五元杂环高能量密度化合物特异性检测的荧光材料,属于工艺技术领域。
背景技术
在众多重要的高能量密度材料中,五元杂环高能量密度化合物被广泛应用于化工领域。这些高氮含量的五元杂环高能量密度化合物与传统的高能化合物相比有着显著的优势,如高爆温、高密度、良好的氧平衡和对摩擦和冲击的低灵敏度。因此对这些高能量密度化合物的检测显得十分重要(Singh,R.P.,Verma,R.D.,Meshri,D.T.&Shreeve,J.M.Angew.Chem.,Int.Ed.2006,45,3584–3601;Steinhauser,G.&T.M.Angew.Chem.,Int.Ed.2008,47,3330–3347;Joo,Y.-H.&Shreeve,J.a.n.M.Angew.Chem.,Int.Ed.2009,48,564–567;Wang,R.,Xu,H.,Guo,Y.,Sa,R.&Shreeve,J.M.J.Am.Chem.Soc.2010,132,11904–11905;Zhang,J.&Shreeve,J.M.J.Am.Chem.Soc.2014,136,4437–4445)。
然而,如TNT,黑索金(RDX),奥克托今(HMX)等很容易通过荧光的办法检测出来,但是五元杂环高能量密度化合物由于其特殊的分子结构、取代基、轨道能量等导致基于能量转移的荧光方法难以实现检测的作用。以往对于高能量密度化合物检测基于以下几种理论和方法:(1)高效液相色谱法(HPLC);(2)胶束电动高效毛细管电泳法(MECE);(3)离子迁移谱(IMS);(4)表面增强拉曼散射光谱(SERS);上述理论和方法需采用较精密的设备,成本高,且检测过程中前处理复杂,耗时且耗力。
发明内容
针对目前检测五元杂环高能量密度化合物的手段需采用较精密的设备,成本高,且检测过程中前处理复杂,耗时耗力的问题,本发明的目的之一是提供一种用于五元杂环化合物特异性检测的荧光材料,所述荧光材料对五元杂环高能量密度化合物响应迅速且具有高灵敏性和高选择性,检测方法简单易操作,根据实际需要可以完全脱离对于高精仪器的依赖性;目的之二是提供一种用于五元杂环化合物特异性检测的荧光材料的制备方法,所述方法简单,产率高,原料成本低廉,具备产业化优势。
本发明的目的由以下技术方案实现:
一种用于五元杂环高能量密度化合物特异性检测的荧光材料,所述荧光材料由有机羧基配体与金属配位而成,简称TABD-MOFs,其分子式为[Mx(C30H20O4)y(C3H7NO)z]n,结构式有如下两种:
其中,n为正整数;有机羧基配体为4,4’–((1Z,3Z)-1,4-二苯基-1,3-丁二烯-1,4二取代)二苯甲酸,简称TABD-COOH;
M为金属,优选Mg、Co和Ni中的一种;M优选Ni和Co中的一种时,x=1,y=1,z=2,结构式为式I;当M优选Mg时,x=2,y=3,z=4,结构式为式II;
一种用于五元杂环高能量密度化合物特异性检测的荧光材料的制备方法,所述方法具体步骤如下:
(1)将金属硝酸盐(M(NO3)2·6H2O)加入溶剂中,得到浓度为0.02mol/L的溶液1;将TABD-COOH加入溶剂中,得到浓度为0.01mol/L的溶液2;
(2)依次将溶液1、溶液2、水和乙醇加入到反应器中,混合均匀,于85℃下反应24~48h,过滤,洗涤,得到固体a,固体a即为本发明所述荧光材料。
其中,步骤(1)所述溶剂优选N,N-二甲基甲酰胺(DMF);所述金属优选Mg、Co和Ni中的一种;
步骤(2)所述溶液1、溶液2、水和乙醇的体积比优选2:2:1:1;
步骤(2)所述洗涤优选采用DMF洗涤3次。
有益效果
(1)本发明所述荧光材料对五元杂环高能量密度化合物响应迅速。由于五元杂环高能量密度化合物上的C=N键或N=N键与荧光材料上的羧基形成配位竞争,导致荧光材料分解,从而使荧光材料中的有机配体释放出来,在滤纸及四氢呋喃/环己烷(THF/Hexane)溶液中重新形成聚集状态,基于聚集诱导发光的原理,所述荧光材料对于五元杂环高能量密度化合物具有快速荧光响应,其荧光强度在引入五元杂环高能量密度化合物的同时就会有显著的增强。
(2)本发明所述荧光材料对五元杂环高能量密度化合物选择性较高,如3-硝基-1,2,4-***-5-酮(NTO)、4-氨基-1,2,4-三氮唑(AT)、3,4-二氨基-1,2,4-三氮唑盐酸盐(DAT)、3-肼基-4-氨基-1,2,4-三氮唑盐酸盐(HAT)、5-氨基-1,2,3,4-四氮唑(ATZ),而对其他常见的多种物质如1-甲基咪唑,正己烷,N,N-二甲基甲酰胺(DMF),三乙胺,苯胺,甲苯,乙腈,二氯甲烷,丙酮,四氢呋喃和乙酸乙酯并无明显荧光识别作用。
(3)本发明所述荧光材料制备方法简单,产率高,原料成本低廉,具备产业化优势;
(4)本发明所述荧光材料对五元杂环高能量密度化合物的检测简单易操作,根据实际需要可以完全脱离对于高精仪器的依赖性。
附图说明
图1为实施例1中的TABD-MOF-1的晶体结构;
图2为实施例1中TABD-MOF-1的固体荧光及滴加NTO的四氢呋喃溶液之后的荧光光谱图;
图3为实施例1中的TABD-MOF-1随着不同浓度的NTO的荧光光谱图;
图4为实施例1中的TABD-MOF-1检测不同物质的荧光强度变化图,从左到右依次是:NTO,AT,DAT,HAT,ATZ,1-甲基咪唑,正己烷,DMF,三乙胺,苯胺,甲苯,乙腈,二氯甲烷,丙酮,四氢呋喃和乙酸乙酯;
图5为实施例2中的TABD-MOF-2的晶体结构;
图6为实施例2中的TABD-MOF-2的固体荧光及滴加NTO的四氢呋喃溶液的荧光光谱图;
图7为实施例3中的TABD-MOF-3的晶体结构;
图8为TABD-MOF-3的固体荧光及滴加NTO的四氢呋喃溶液之后的荧光光谱;
其中,I为五元杂环高能量密度化合物作用后的荧光强度,I0为空白的荧光强度,(I-I0)/I0表示荧光强度增大倍数。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来详述本发明,但不限于此。
以下实施例中提到的主要试剂信息见表1;主要仪器与设备信息见表2。
表1
表2
实施例1
(1)TABD-COOH的制备
将0.87g(4.75mmol)PdCl2和3.28g(14.25mmol)CuBr2,加入500mL圆底烧瓶中,用注射器向烧瓶中注入5mL乙腈和250mL甲苯,同时加入10.10g(99.02mmol)苯乙炔,在室温下搅拌反应24h,干燥(将溶剂乙腈、甲苯吹干),得到产物1;将产物1用二氯甲烷溶解后,用饱和氯化铵溶液洗涤,分液,将所得有机相用无水硫酸镁干燥,抽滤,旋干,得到产物2;将产物2以纯石油醚为洗脱剂,利用柱色谱分析分离,得到产物3;将产物3进行重结晶处理,得到白色针状晶体;其中,重结晶以二氯甲烷为良溶剂,石油醚为不良溶剂;重结晶的具体过程为:将产物3用极少量良溶剂二氯甲烷溶解,在搅拌下(温度为60℃),缓慢加入不良溶剂石油醚直至出现浑浊又立即溶解,冷却结晶,得到白色针状晶体;
通过核磁共振波谱仪、红外光谱仪和质谱仪表征白色针状晶体的结构,相应数据如下:
1HNMR(300MHz):δ7.69(d,4H),7.44-7.35(m,8H);IR(KBr)1606,1568,1487,1444,863,779cm-1;MS(EI):m/z=363(calcd363.93);
说明该白色针状晶体为1,4-二苯基-1,4-二溴-1,3-丁二烯,记为P1。
将P11g(2.75mmol),4-甲氧羧基苯硼酸1.48g(8.25mmol)和Pd[P(Ph)3]40.32g(0.23mmol),加入250mL的三口烧瓶里,重复抽真空、充氮气三次,注入甲苯60mL,甲醇20mL和2mol/L的K2CO3的水溶液50mL,加热回流反应24h,得到混合液a;将混合液a倒入100mL的去离子水中,析出沉淀a;离心分离,取沉淀a和上层清液分别点板,上层清夜无点,所以产物主要在固体沉淀中;将沉淀a溶解于三氯甲烷中,利用柱色谱分析(二氯甲烷/石油醚比例为1:1的混合溶剂为洗脱剂)分离,旋蒸、干燥,得到浅黄色固体粉末。
通过核磁共振波谱仪、红外光谱仪和质谱仪表征浅黄色固体粉末的结构,相应数据如下:
1HNMR(400MHz,CDCl3):δ=8.10(d,2H),7.40(d,2H),7.25(m,3H,),7.12(m,2H),6.75(s,1H),3.96(s,3H).IR(KBr):3029,2941,1716,1275,1100cm-1;MALDI-TOFMS:m/z=474.4(calcd.474.55);
说明浅黄色固体粉末为4,4’-((1Z,3Z)-1,4-二苯基-1,3-丁二烯-1,4二取代)二苯甲酸甲酯,简称为TABD-COOCH3;
向100mL圆底烧瓶中依次加入0.77gTABD-COOCH3(1.62mmol)和50mLTHF,在室温下搅拌直到所有固体完全溶解,再加入NaOH的水溶液(1.25mol/L,32.4mmol),升温至70℃,搅拌反应24h,旋蒸将THF旋干,调节pH值(向旋蒸后的溶液中加浓盐酸溶液,直至溶液pH值小于1),搅拌直至酸化完全,过滤,用去离子水冲洗,再离心分离,真空干燥,得到白色固体粉末;
通过核磁共振波谱仪、红外光谱仪和质谱仪表征白色固体粉末的结构,相应数据如下:
1HNMR(400MHz,DMSO)δ=12.54(s,1H),8.05(d,2H),7.42(d,2H),7.30(m,3H),7.08(m,2H,),6.66(s,1H);IR(KBr)3432,3019,1690,1422,1205cm-1;MALDI-TOFMS:m/z=446.4(calcd.446.49);
说明白色固体粉末为水解后的4,4’–((1Z,3Z)-1,4-二苯基-1,3-丁二烯-1,4二取代)二苯甲酸,简称TABD-COOH。
(2)TABD-MOF-1(CoC36H34N2O6)的制备
依次将0.045gTABD-COOH、10mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)加入20mL的烧杯中,加热搅拌至完全溶解,得到0.01mol/LTABD-COOH的DMF溶液S1;依次将0.029gCo(NO3)2·6H2O和5mLDMF加入到10mL的烧杯中,室温搅拌至完全溶解,得到0.02mol/LCo(NO3)2·6H2O的DMF溶液S2;
向5mL小瓶中依次加入1mL溶液S1,1mL溶液S2,0.5mL水和0.5mL乙醇,混合均匀后盖紧小瓶并放入85℃的烘箱中反应24h,过滤,用DMF洗涤3次,得到粉色片状晶体,通过X射线单晶衍射得到粉色片状晶体的晶体结构如图1,从图1可知,在此结构中金属Co为六配位结构,分别来自配体的四个羧基氧和两个来自于溶剂DMF上的氧,相邻的单核结构单元通过两个有机配体相连形成一维链状结构,说明粉色片状晶体即为TABD-MOF-1晶体。
(3)对NTO的固相检测响应
将0.1mgTABD-MOF-1置于1×3cm的滤纸上,向TABD-MOF-1上滴加10μLNTO的溶液(溶剂为THF,浓度为10-3mol/L),1min后立即利用荧光分光光度计测其荧光信号(激发波长360nm),由图2可知,NTO作用后的荧光材料的荧光强度明显增强并且发射波长发生蓝移;且在紫外光辐照时具有明显的可视化颜色变化。
(4)对NTO的液相定量检测试验
分别配置10-3mol/L,10-4mol/L,10-5mol/L,10-6mol/L,10-7mol/L,10-8mol/L,10-9mol/L的NTO溶液(溶剂为THF);各取0.3mL不同浓度的NTO溶液,分别加入不同编号的荧光池中;向所述荧光池各加入1mgTABD-MOF-1固体,搅拌1min,注入2.7mL正己烷,(v(THF):v(hexane)=1:9,[TABD-MOF-1]=0.03mg/mL),搅拌1min,得到待测液,利用荧光分光光度计测得不同浓度的待测液的荧光光谱(激发波长360nm),由图3可知,随着浓度的降低强度也在降低至10-9才无明显影响,检出限能达到10-9。
(5)选择性识别试验
分别配置浓度为10-5mol/L的NTO、AT、DAT、HAT、5-ATZ、1-甲基咪唑、正己烷、DMF、三乙胺、苯胺、甲苯、乙腈、二氯甲烷、丙酮和乙酸乙酯的THF溶液;各取0.3mL上述溶液和0.3mLTHF溶液,分别加入不同编号的荧光池中;向所述荧光池各加入1mgTABD-MOF-1固体,搅拌1min,注入2.7mL正己烷,(v(THF):v(hexane)=1:9,[TABD-MOF-1]=0.03mg/mL),搅拌1min,得到待测液,利用荧光分光光度计测得不同物质的待测液的荧光光谱(激发波长360nm),为了方便地比较不同物质的荧光检测信号的强弱,将含有不同物质的荧光试剂的荧光增强的程度(I-I0)/I0绘制成柱状图,由图4可知,TABD-MOF-1对NTO、AT、DAT、HAT、5-ATZ这几种五元杂环高能量密度化合物的都有明显影响,而对其他常见有机物质并无明显作用。
实施例2
(1)TABD-COOH的制备
按照实施例1步骤(1)的方法制备TABD-COOH。
(2)TABD-MOF-2(Mg2C102H88N4O16)的制备
依次将0.045gTABD-COOH、10mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)加入20mL的烧杯中,加热搅拌至完全溶解,得到0.01mol/LTABD-COOH的DMF溶液S1;依次将0.026gMg(NO3)2·6H2O和5mLDMF加入到10mL的烧杯中,室温搅拌至完全溶解,得到0.02mol/LMg(NO3)2·6H2O的DMF溶液S2;
向5mL小瓶中依次加入1mL溶液S1,1mL溶液S2,0.5mL水和0.5mL乙醇,混合均匀后盖紧小瓶并放入85℃的烘箱中反应48h,过滤,用DMF洗涤3次,得到白色片状晶体,通过X射线单晶衍射得到白色片状晶体的晶体结构如图5,从图5可知,在此结构中,两个六配位Mg构成次级构筑单元(SBU),每个SBU通过六个配体相连,形成二维的平面结构,其他两个配位位置被溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的两个氧占据,说明白色片状晶体即为TABD-MOF-2晶体。
(3)对NTO的固相检测响应
按照实施例1中步骤(3)的操作进行了对NTO的检测响应实验,由TABD-MOF-2与NTO作用前后的荧光光谱图(图6)可知,NTO作用后的荧光材料的发射波长发生蓝移;且在紫外光辐照时后具有明显的可视化颜色变化。
(4)对NTO的液相定量检测试验
按照实施例1中步骤(4)的操作进行了对NTO的液相定量检测试验,由TABD-MOF-2随着不同浓度的NTO的荧光光谱图可知,随着浓度的降低强度也在降低至10-7才无明显影响,检出限能达到10-7。
(5)选择性识别试验
按照实施例1中步骤(5)的操作进行了选择性识别试验,由TABD-MOF-2检测不同物质的荧光强度变化图可知该TABD-MOF-2对NTO、AT、DAT、HAT、5-ATZ这几种五元杂环高能量密度化合物的都有明显影响,而对其他常见有机物质并无明显作用。
实施例3
(1)TABD-COOH的制备
按照实施例1步骤(1)的方法制备TABD-COOH。
(2)TABD-MOF-3(C36H34N2NiO6)的制备
依次将0.045gTABD-COOH、10mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)加入20mL的烧杯中,加热搅拌至完全溶解,得到0.01mol/LTABD-COOH的DMF溶液S1;依次将0.029gNi(NO3)2·6H2O和5mLDMF加入到10mL的烧杯中,室温搅拌至完全溶解,得到0.02mol/LNi(NO3)2·6H2O的DMF溶液S2;
向5mL小瓶中依次加入1mL溶液S1,1mL溶液S2,0.5mL水和0.5mL乙醇,混合均匀后盖紧小瓶并放入85℃的烘箱中反应28h,过滤,用DMF洗涤3次,得到白色片状晶体,通过X射线单晶衍射得到白色片状晶体的晶体结构如图7,从图7可知,在此结构中,金属Ni为六配位结构,分别来自配体的四个羧基氧和两个来自于溶剂DMF上的氧,相邻的单核结构单元通过两个有机配体相连形成一维链状结构,说明绿色片状晶体即为TABD-MOF-3晶体。
(3)对NTO的固相检测响应
按照实施例1中步骤(3)的操作进行了对NTO的检测响应实验,由TABD-MOF-3与NTO作用前后的荧光光谱图(图8)可知,NTO作用后的荧光材料的荧光强度明显增强并且发射波长发生蓝移;且在紫外光辐照时具有明显的可视化颜色变化。
(4)对NTO的液相定量检测试验
按照实施例1中步骤(4)的操作进行了对NTO的液相定量检测试验,由TABD-MOF-3随着不同浓度的NTO的荧光光谱图可知,随着浓度的降低强度也在降低至10-7才无明显影响,检出限能达到10-7。
(5)选择性识别试验
按照实施例1中步骤(5)的操作进行了选择性识别试验,由TABD-MOF-1检测不同物质的荧光强度变化图可知TABD-MOF-3对NTO、AT、DAT、HAT、5-ATZ这几种五元杂环高能量密度化合物的都有明显影响,而对其他常见有机物质并无明显作用。
本发明包括但不限于以上实施例,凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进,都将视为在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于五元杂环化合物特异性检测的荧光材料,其特征在于:所述荧光材料由有机羧基配体与金属配位而成,简称TABD-MOFs,其分子式为[Mx(C30H20O4)y(C3H7NO)z]n,结构式有如下两种:
其中,n为正整数;有机羧基配体为4,4’–((1Z,3Z)-1,4-二苯基-1,3-丁二烯-1,4二取代)二苯甲酸,简称TABD-COOH;M为Mg、Co和Ni中的一种;当M为Ni和Co中的一种时,x=1,y=1,z=2,结构式为式I;当M为Mg时,x=2,y=3,z=4,结构式为式II。
2.一种如权利要求1所述的用于五元杂环化合物特异性检测的荧光材料的制备方法,其特征在于:所述方法具体步骤如下:
(1)将金属硝酸盐加入溶剂中,得到浓度为0.02mol/L的溶液1;将TABD-COOH加入溶剂中,得到浓度为0.01mol/L的溶液2;
(2)依次将溶液1、溶液2、水和乙醇加入到反应器中,混合均匀,于85℃下反应24~48h,过滤,洗涤,得到固体a,固体a即为所述荧光材料;
步骤(1)所述金属为Mg、Co和Ni中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种用于五元杂环化合物特异性检测的荧光材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。
4.根据权利要求2所述的一种用于五元杂环化合物特异性检测的荧光材料的制备方法,其特征在于:步骤(2)所述溶液1、溶液2、水和乙醇的体积比为2:2:1:1。
5.根据权利要求2所述的一种用于五元杂环化合物特异性检测的荧光材料的制备方法,其特征在于:步骤(2)所述洗涤采用N,N-二甲基甲酰胺洗涤3次。
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