CN106188014A

CN106188014A - 一种中性的c-h键阴离子识别受体的制备及应用

Info

Publication number: CN106188014A
Application number: CN201510226098.7A
Authority: CN
Inventors: 宋相志; 吴娜娜
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2015-05-06
Filing date: 2015-05-06
Publication date: 2016-12-07

Abstract

本发明公开了一种可以用于检测识别氯离子的新型化合物，具体涉及一种中性的C-H键阴离子识别受体的制备及应用，属于超分子化学分子识别技术领域。该受体化合物结构式如下：。这种基于中性C-H键的嘧啶类受体化合物对阴离子的识别性能有极大的改善，且与氯离子形成1：1的稳定络合物。该化合物选择性好，结合能力强，灵敏度高，可用于生物或环境样品中的氯离子的检测识别，具有很好的应用前景。

Description

一种中性的 C-H 键阴离子识别受体的制备及应用

技术领域

本发明涉及的是化学分析检测技术领域，具体涉及一种中性C-H键阴离子识别受体的制备方法以及该受体化合物在检测氯离子方面的应用。

背景技术

氯离子这种无机阴离子在日常生活及生物环境中占据极其重要的作用，如氯离子是细胞外液主要的阴离子，可以维持细胞外液渗透压平衡，进而维持人体内环境的平衡；氯离子和碳酸氢离子通过在血浆及红细胞之间进行离子交换来调节电荷以及酸碱平衡；氯离子是胰淀粉酶以及唾液淀粉酶的激活剂等。因此，氯离子的识别和检测具有不可忽视的研究意义。因此合成一种高灵敏度，高选择性，能够快速检测生态环境及样品内的氯离子识别受体具有重要意义和实用价值。

发明内容

本发明目的之一是提供一种合成简单、反应条件温和、成本较低的阴离子识别受体合成方法；目的之二是提供一种灵敏度高、选择性好，结合能力强，能够实现荧光法检测氯离子的阴离子识别受体化合物。

本发明使用荧光法检测氯离子，以嘧啶基团作为刚性骨架基团，以1,3-二取代咪唑的2-位C-H质子以及嘧啶2-位C-H质子作为识别位点。

本发明解决问题采取的技术方案为，一种用荧光滴定法检测氯离子的受体化合物，其分子结构式为，。该阴离子识别受体的合成路线如下，

具体制备方法包括以下步骤：1) 将咪唑，溴代十二烷，无水碳酸钾置于圆底烧瓶中，加入丙酮搅拌溶解，混合溶液加热回流7 h。旋转蒸发除去丙酮溶剂之后进行柱层析分离，减压旋蒸并真空干燥，得到提纯后的N-十二烷基咪唑。2) 将苯甲脒盐酸盐，丙二酸二乙酯溶于无水乙醇中；将甲醇钠溶于甲醇中，将甲醇钠的甲醇溶液用恒压滴液漏斗缓慢加至无水乙醇反应液中，加热回流3 h。待反应结束后，小心加入盐酸溶液将体系pH调节至3~4，有白色沉淀物析出，将析出的沉淀过滤并用水洗涤数次得到中间产2直接进行下一步反应。3) 将中间产物2加至圆底烧瓶中，小心加入三氯氧磷，油浴110 ℃进行反应，薄层色谱分析法检测反应进度。3 h后反应结束，小心滴加冰水直至析出沉淀不再增加为止，将冷却至室温后的反应体系减压抽滤，所得的沉淀粗产物在乙醇中重结晶提纯得到浅黄色固体3。4) 称取化合物3以及1置于三颈烧瓶中，加入甲苯搅拌溶解，加热回流24 h。反应结束后，使其自然冷却至室温，有沉淀析出，减压抽滤得到白色粗产物。然后用二氯甲烷进行重结晶白色蜡状固体，即为双咪唑嘧啶的盐酸鎓盐，直接用于下一步的离子交换。4) 将上步反应产物溶于甲醇中，逐滴滴加硼氟化锂的水溶液，反应混合物室温搅拌30 min。将析出的白色沉淀抽滤并用乙酸乙酯洗涤数次，得到离子交换后的产物为白色蜡状固体，在本说明书的实施例中更详细地说明了该受体化合物的合成和检测方法。

本发明的阴离子识别受体化合物的使用方法如下，将该化合物分子溶解在干燥的二氯甲烷中中，室温下进行测试。当加入氯离子时，由于该化合物的氢键识别位点可以与氯离子形成氢键，使荧光产生不同程度的猝灭。识别受体分子与氯离子作用原理如下，

本发明的氯离子识别受体化合物的具体特征如下：在非极性非质子性溶剂二氯甲烷溶液中受体化合物对氯离子有强的识别能力和结合强度，结合常数达1.6×10⁸ M^-1。加入氯离子后，体系的最大发射波长由l = 361 nm蓝移至l = 350 nm左右，而体系的荧光强度发生不同程度的猝灭。Job曲线表明化合物与各种阴离子（F^-, Cl^-，Br^-, I^-, H₂PO₄ ^-, HSO₄ ^-, AcO^-）均可形成1：1的稳定络合物。

本发明所述的受体化合物分子合成简单，成本较低，对氯离子的选择性好、结合强度高、响应速度快使得该氯离子识别受体在生物化学，环境科学等领域具有实际的应用价值。

附图说明

图1为本发明阴离子识别受体对氟离子的识别状况，受体分子 (5.0×10^-6mol/L) 在二氯甲烷溶液中，加入不同浓度的氟离子之后体系的荧光光谱以及在最大发射波长（361 nm）处的散点图，内置图为Job曲线。

图2为本发明阴离子识别受体对氯离子的识别状况，受体分子 (5.0×10^-6 mol/L) 在二氯甲烷溶液中，加入不同浓度的氯离子之后体系的荧光光谱以及在最大发射波长（361 nm）处的散点图，内置图为Job曲线。

图3为本发明阴离子识别受体对溴离子的识别状况，受体分子 (5.0×10^-6mol/L) 在二氯甲烷溶液中，加入不同浓度的溴离子之后体系的荧光光谱以及在最大发射波长（361 nm）处的散点图，内置图为Job曲线。

图4为本发明阴离子识别受体对碘离子的识别状况，受体分子 (5.0×10^-6

mol/L) 在二氯甲烷溶液中，加入不同浓度的碘离子之后体系的荧光光谱以及在最大发射波长（361 nm）处的散点图，内置图为Job曲线。

图5为本发明阴离子识别受体对醋酸根离子的识别状况，受体分子 (5.0×10^-6mol/L) 在二氯甲烷溶液中，加入不同浓度的醋酸根离子之后体系的荧光光谱以及在最大发射波长（361 nm）处的散点图，内置图为Job曲线。

图6为本发明阴离子识别受体对硫酸氢根离子的识别状况，受体分子 (5.0×10^-6mol/L) 在二氯甲烷溶液中，加入不同浓度的硫酸氢根离子之后体系的荧光光谱以及在最大发射波长（361 nm）处的散点图，内置图为Job曲线。

图7为本发明阴离子识别受体对磷酸二氢根离子的识别状况，受体分子 (5.0×10^-6mol/L) 在二氯甲烷溶液中，加入不同浓度的磷酸二氢根离子之后体系的荧光光谱以及在最大发射波长（361 nm）处的散点图，内置图为Job曲线。

图8为本发明阴离子识别受体对各种阴离子（F^-, Cl^-，Br^-, I^-, H₂PO₄ ^-, HSO₄ ^-, AcO^-）的结合常数，结合常数Ks是由受体化合物在二氯甲烷中的荧光滴定计算而得，相关系数R²是通过最小二乘法对荧光滴定曲线进行非线性拟合所得。

具体实施方式

实施例 1 ：化合物 1 的合成

称取咪唑1（0.68 g, 10 mmol），溴代十二烷（2.5 g, 10 mmol），无水碳酸钾（2.76 g, 20 mmol）置于50 mL圆底烧瓶中，加入20 mL丙酮搅拌溶解，混合溶液加热回流7h。旋转蒸发除去丙酮溶剂之后进行柱层析分离（乙酸乙酯为洗脱剂），减压旋蒸除去乙酸乙酯溶剂，并真空干燥，得到提纯后的N-十二烷基咪唑2.12 g, 产率为90%。化合物1表征如下: ¹HNMR (400 MHz, CDCl3) δ(ppm): 0.81 (t, 3H), 1.22 (s (br), 18H), 1.70 (m, 2H), 3.85 (t, 2H), 6.86 (s, 1H), 6.99 (s, 1H), 7.42 (s, 1H).

实施例 2 ：化合物 2 的合成

称取苯甲脒盐酸盐（3.92 g, 25 mmol），丙二酸二乙酯（4.28 g, 27 mmol）置于100 mL洁净圆底烧瓶中，加入40 mL无水乙醇搅拌溶解；称取甲醇钠（5.61 g, 91 mmol）溶于24 mL甲醇中。将甲醇钠的甲醇溶液用恒压滴液漏斗缓慢加至无水乙醇反应液中，加热回流3 h。待反应结束后，小心加入盐酸溶液将体系pH调节至3~4，有白色沉淀物析出，将析出的沉淀过滤并用水洗涤数次得到中间产物直接进行下一步反应。

实施例 3 ：化合物 3 的合成

将中间产物（1.75 g, 9.30 mmol）加至100 mL圆底烧瓶中，小心加入三氯氧磷（3.57 g, 23.23 mmol），油浴110 ℃进行反应，薄层色谱分析法检测反应进度。3 h后反应结束，小心滴加冰水直至析出沉淀不再增加为止，将冷却至室温后的反应体系减压抽滤，所得的沉淀粗产物在乙醇中重结晶提纯得到浅黄色固体5为1.79 g, 产率为86.06%。化合物3表征如下：¹HNMR (400 MHz, CDCl3) δ(ppm): 8.40 (m, 2H), 7.54 (m, 3H), 7.30 (s, 1H).

实施例 4 ：识别受体分子的合成

称取化合物3（1.13 g, 5 mmol）以及1（2.60 g, 11 mmol）置于100 mL三颈烧瓶中，加入40 mL甲苯搅拌溶解，氩气保护下加热回流24 h。反应结束后，使其自然冷却至室温，有沉淀析出，减压抽滤得到白色粗产物。然后用二氯甲烷进行重结晶得到1.98 g白色蜡状固体，即为双咪唑嘧啶的盐酸鎓盐，直接用于下一步的离子交换，产率56.9%。中间产物表征如下：¹HNMR (400 MHz, CDCl3): δ (ppm) 11.65 (s, 2H), 9.66 (s, 1H), 9.37 (s, 1H), 8.55 (s, 2H), 7.64 (s, 2H),7.45(s, 2H) 4.48 (t, J = 7.2 Hz, 4H), 2.11−2.04 (m, 4H), 1.46−1.20 (m, 36H), 0.87 (t, J =7.2 Hz, 6H)

称取上步反应产物0.70 g (1 mmol) 溶于20 mL甲醇中，逐滴滴加硼氟化锂（0.21 g, 2.21 mmol）的水溶液（10 mL），反应混合物室温搅拌30 min。将析出的白色沉淀抽滤并用乙酸乙酯洗涤数次，得到离子交换后的产物P2 为白色蜡状固体，称量得0.74 g, 产率92.5%。识别受体化合物表征如下：¹HNMR (400 MHz, d6-DMSO): δ (ppm) 10.52(s, 2H), 8.80(d, 2H), 8.71(d, 2H), 8.63(s, 1H), 8.22(d, 2H)7.70(m, 3H), 4.40(t, 4H), 1.95(s, 4H), 1.30(d, 36H), 0.84(d, 6H). ¹³CNMR (100MHz, DMSO-d6): δ (ppm) 164.6, 156.5, 136.8, 134.4, 133.7, 129.4, 124.9, 119.7, 97.7, 50.5, 31.7, 29.6, 29.5, 29.4, 29.4, 29.3, 29.1, 28.9, 26.0, 22.5, 14.4.

实施例 5 ：本发明苯硫酚荧光探针的应用

将阴离子识别受体化合物溶于干燥的二氯甲烷中配制成5.0×10^-6 mol/L的溶液，分别称取相应质量的阴离子（F^-, Cl^-，Br^-, I^-, H₂PO₄ ^-, HSO₄ ^-, AcO^-）的四丁基铵盐，加入稀释后的主体化合物溶液溶解，配制阴离子溶度为5 × 10^-5mol/L的识别体系。用微量进样器采用累计进样法依次加入一定体积的阴离子溶液，观察并记录每次的荧光发射光谱。加入不同的阴离子后最大发射波长（l = 361 nm）均发生不同程度的蓝移，由361 nm逐渐移至350 nm左右，同时体系的荧光强度随着阴离子的加入逐渐减弱，说明形成了氢键作用的复合物。当阴离子浓度不断增加至一定量时，体系的荧光强度不变，达到平衡状态。由Job曲线得知受体化合物和各种阴离子的配位比均为1:1，利用公式对荧光滴定结果进行最小二乘法拟合可以得到相应的结合常数，其对各种阴离子结合能力的强弱顺序依次为：Cl^- > HSO₄ ^-> H₂PO₄ ^->Br^-> F^-> AcO^-> I^-。对氯离子的结合常数为1.6 × 10⁸M^-1，远远大于其他阴离子，该阴离子受体化合物对氯离子具有十分强的结合能力，并且选择性好，灵敏度高。

Claims

1.一种中性的C-H键阴离子识别受体的制备及应用，其结构为：

。

2. 如权利要求1所述的嘧啶类阴离子受体的制备方法，其特征在于按以下步骤进行制备：

(a) 将咪唑、溴代十二烷、无水碳酸钾溶于丙酮中, 加热回流7 h. 旋转蒸发除去丙酮溶剂之后进行柱层析分离, 得到产物1；

(b) 取苯甲脒盐酸盐，丙二酸二乙酯溶于无水乙醇中；甲醇钠溶于24 mL甲醇中；

将甲醇钠的甲醇溶液缓慢加至无水乙醇反应液中，加热回流3 h. 待反应结束后，小心加入盐酸溶液将体系pH调节至酸；

将析出的沉淀过滤并用水洗涤数次得到化合物2；

(c) 将化合物2加至圆底烧瓶中，小心加入三氯氧磷，油浴110 ℃进行反应， 3 h后反应结束，小心滴加冰水直至析出沉淀不再增加为止，过滤得到的粗产物在乙醇中重结晶提纯得到化合物3；

(d) 将化合物1和化合物3溶于甲苯中，氩气保护下加热回流24 h.反应结束后，室温冷却析出沉淀，然后用二氯甲烷重结晶得到化合物4；

(e) 将化合物4溶于甲醇中，逐滴滴加硼氟化锂的水溶液中；反应混合物室温搅拌30 min；

将析出的沉淀抽滤并用乙酸乙酯洗涤得到离子交换后的产物即为目标受体化合物。

3.根据权利要求1所述的阴离子识别受体的用途，其特征在于该嘧啶中性C-H键阴离子受体用于环境生物样品中氯离子的检测和分析。