CN115181094B - 一种吡啶取代的香豆素衍生物及其制备方法和制备pH荧光探针的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了结构如式Ⅰ所述的吡啶取代的香豆素衍生物。本发明吡啶取代的香豆素衍生物与氢离子响应迅速、选择性好、抗干扰性好，克服了传统玻璃电极存在电化学干扰的缺点和普通荧光探针不能用于极酸环境(pH<4)定量检测的缺点，并且检测过程简单。本发明吡啶取代的香豆素衍生物在溶液或试纸中对氢离子有响应，对pH的响应范围为2.0～9.0，在环境监测、排污监测、生态保护、化学生产、微生物工程等领域探测酸度有广泛的应用前景。本发明还公开了所述的吡啶取代的香豆素衍生物在制备pH荧光探针的应用。本发明还公开了所述的吡啶取代的香豆素衍生物在制备pH检测试剂或pH检测试纸的应用。
Description
技术领域
本发明属于有机小分子荧光探针领域，涉及一种吡啶取代的香豆素衍生物及其制备方法和制备pH荧光探针的应用，具体涉及7-二甲氨基-4-(吡啶-4-基)香豆素及其制备方法和制备pH荧光探针的应用。
背景技术
pH值作为一个重要的指示参数，在化学生产、微生物工程、环境监测、排污监测、生态保护等领域都有至关重要的作用。在工业生产中，经常会产生大量强酸性的工业废水，准确测量其pH值，对环境保护具有重大意义。与玻璃电极法、核磁共振法、吸收光谱法、指示剂法等其他检测pH值的方法相比，荧光法具有选择性好、灵敏度高、操作简便、实时在线检测等优势。
有机小分子荧光探针是一类在紫外-可见-近红外区有特征荧光的有机物质。当进入特定的环境如不同的pH环境，或遇到特定的物质如与金属离子进行配位时，其荧光性质会发生显著的变化，从而实现定性、定量检测目标物质的作用。目前，商用的有机小分子pH荧光探针主要基于香豆素或荧光素物质发展得到。它们对质子浓度非常敏感，在质子浓度较低(即pH值在7附近时)时便产生荧光信号，但是，对于极酸性环境(pH<4)不敏感。尽管传统玻璃电极对pH值响应范围较广，但是难以克服电化学干扰。因此，开发定量、稳定的酸性敏感的有机小分子荧光探针是十分必要的。
发明内容
解决的技术问题：本发明的目的在于针对传统玻璃电极存在电化学干扰的缺点和普通荧光探针不能用于极酸环境(pH<4)定量检测的缺点，提供pH荧光探针7-二甲氨基-4-(吡啶-4-基)香豆素，实现了在pH范围为2.0～6.0的环境中对氢离子高选择性、定量检测。
技术方案：结构如式Ⅰ所述的吡啶取代的香豆素衍生物：
吡啶取代的香豆素衍生物的化学名称为：7-二甲氨基-4-(吡啶-4-基)香豆素。
本发明的另一个目的是提供一种所述的吡啶取代的香豆素衍生物的制备方法，合成路线如下：
包括如下步骤：
步骤(1)、向惰性溶剂中加入3-二甲氨基苯酚和3-氧代-3-(吡啶-4-基)丙酸乙酯，再加入催化剂，搅拌，加热回流6～10小时；
步骤(2)、反应结束后，在真空下浓缩至干，所得混合物加水，用乙酸乙酯萃取3次，合并有机相并在真空下浓缩，将残余物施加于硅胶柱上，以二氯甲烷作为洗脱剂得到粗产物，粗产物在甲醇中重结晶得到吡啶取代的香豆素衍生物。
步骤(1)中，3-二甲氨基苯酚和3-氧代-3-(吡啶-4-基)丙酸乙酯的摩尔比为1:1～1:1.5，优选为1:1.2。
所述的惰性溶剂为甲苯、1,2-二氯乙烷、二甲基亚砜或N,N-二甲基甲酰胺，优选为甲苯。
优选的，加热回流8小时。
所述的催化剂为三氟甲磺酸铒、三氟甲磺酸钪、三氟甲磺酸镱、三氟甲磺酸镧或三氟甲磺酸钇，优选为三氟甲磺酸铒。
所述的催化剂和3-二甲氨基苯酚的摩尔比为0.05:1～0.2:1，优选为0.1:1。
本发明7-二甲氨基-4-(吡啶-4-基)香豆素与氢离子响应迅速、选择性好、抗干扰性好，克服了传统玻璃电极存在电化学干扰的缺点和普通荧光探针不能用于极酸环境(pH<4)定量检测的缺点，并且检测过程简单。
因此，本发明的另一个目的是提供所述的吡啶取代的香豆素衍生物在制备pH荧光探针的应用。
本发明的另一个目的是提供所述的吡啶取代的香豆素衍生物在制备pH检测试剂或pH检测试纸的应用。
本发明所述的吡啶取代的香豆素衍生物在溶液或试纸中对氢离子有响应，对pH的响应范围为2.0～9.0，优选pH的响应范围为2.0～6.0。
本发明的有益效果：
1.本发明7-二甲氨基-4-(吡啶-4-基)香豆素与氢离子响应迅速、灵敏度高，呈现较宽的pH响应范围，且在pH2～6范围内可实现定量滴定，克服了普通荧光探针检测时不能用于极酸环境中定量的缺点。
2.本发明7-二甲氨基-4-(吡啶-4-基)香豆素的选择性好，抗干扰性强，对氢离子的响应不受其它阳离子(Na+，K+，Ga2+，Cu2+，Fe2+，Mn2+，Ba2+，Li+，Ni2+)和氨基酸(Ala，Cys，Glu，Ile，Leu，Phe，Pro，Ser，Trp)的影响，克服了传统玻璃电极存在电化学干扰的缺点，在环境监测、排污监测、生态保护、化学生产、微生物工程等领域探测酸度有广泛的应用前景。
3.与传统的Pechmann缩合反应相比，本发明使用三氟甲磺酸铒等作为催化剂，对反应条件要求低：降低了反应温度，即使在存在微量水的情况下，也能有效地进行反应。本发明制备方法具有合成工艺简单、收率高、纯度高、成本低廉等优点。
附图说明
图1为本发明pH荧光探针在不同溶剂中的紫外吸收光谱图。
图2为本发明pH荧光探针在不同溶剂中的荧光发射光谱图。
图3为本发明pH荧光探针的吸光度随pH变化的紫外吸收光谱图。
图4为本发明pH荧光探针的荧光强度随pH变化的荧光发射光谱图。
图5为本发明pH荧光探针的荧光强度随pH变化的线性关系图。
图6为本发明pH荧光探针在pH＝7.0时阳离子和氨基酸干扰下对氢离子响应的荧光强度(560nm处)柱状图。
图7为本发明pH荧光探针进行光稳定性实验的剩余紫外吸收光谱图。
图8为本发明pH荧光探针进行可逆性实验的荧光发射光谱图。
具体实施方式
本发明将通过以下具体实施例对技术方案加以说明，但并不受此实施例的限制。
实施例1
7-二甲氨基-4-(吡啶-4-基)香豆素的合成
向50mL圆底烧瓶中依次加入3-二甲氨基苯酚(137.18mg，1.0mmol)、3-氧代-3-(吡啶-4-基)丙酸乙酯(231.84mg，1.2mmol)、三氟甲磺酸铒(31.74mg，0.1mmol)和3mL甲苯，搅拌，加热回流8小时，此时TLC测定原料消失，冷却至室温，在真空下浓缩至干，所得混合物加适量水，用乙酸乙酯萃取3次，合并有机相并在真空下浓缩；将残余物施加于硅胶柱上，以二氯甲烷作为洗脱剂得到粗产物，粗产物在甲醇中重结晶得到7-二甲氨基-4-(吡啶-4-基)香豆素(黄色固体，226.35mg，产率85％)。
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.90-7.83(m,4H),7.53-7.44(m,2H),7.45(d,J＝8.4Hz,1H),7.26(d,J＝9.0Hz,1H),6.53(d,J＝2.2Hz,1H),6.48-6.43(m,1H),6.09(s,1H),2.99(s,6H)；13C NMR(100MHz,CDCl3)δ162.18,156.53,156.26,152.95,143.96,133.66,133.54,133.11,128.47,128.44,127.99,127.94,127.86,127.17,126.94,126.00,109.09,109.00,108.52,98.40,40.21；HRMS calcd for C21H17NNaO2[M+Na]+m/z 338.11515,found338.11526。
实施例2
催化剂、溶剂、反应时间和物料比对7-二甲氨基-4-(吡啶-4-基)香豆素合成产率的影响
向50mL圆底烧瓶中依次加入3-二甲氨基苯酚(137.18mg，1.0mmol)、3-氧代-3-(吡啶-4-基)丙酸乙酯(231.84mg，1.2mmol)、催化剂和3mL溶剂，搅拌回流，TLC测定至不再反应，冷却至室温，在真空下浓缩至干，所得混合物加适量水，用乙酸乙酯萃取3次，合并有机相并在真空下浓缩；将残余物施加于硅胶柱上，以二氯甲烷作为洗脱剂得到粗产物，粗产物在甲醇中重结晶得到7-二甲氨基-4-(吡啶-4-基)香豆素(黄色固体)，计算产率。
表1.催化剂、溶剂、反应时间和物料比对7-二甲氨基-4-(吡啶-4-基)香豆素合成产率的影响a
a一般反应条件：3-二甲氨基苯酚(1mmol)，3-氧代-3-(吡啶-4-基)丙酸乙酯(1.2mmol)，催化剂(0.1mmol)，溶剂(3mL)；b 3-二甲氨基苯酚和3-氧代-3-(吡啶-4-基)丙酸乙酯的摩尔比为1:1；c 3-二甲氨基苯酚和3-氧代-3-(吡啶-4-基)丙酸乙酯的摩尔比为1:1.5。
由表1可知，当3-二甲氨基苯酚和3-氧代-3-(吡啶-4-基)丙酸乙酯的摩尔比为1:1～1:1.5，催化剂为三氟甲磺酸铒、三氟甲磺酸钇、三氟甲磺酸镱，且催化剂与3-二甲氨基苯酚的摩尔比为0.05:1～0.2:1，溶剂为甲苯时，能够获得较为理想的产率。尤其是当3-二甲氨基苯酚和3-氧代-3-(吡啶-4-基)丙酸乙酯的摩尔比为1:1.2，催化剂为三氟甲磺酸铒(0.1当量)，溶剂为甲苯时，反应8小时，7-二甲氨基-4-(吡啶-4-基)香豆素的产率最高。
实施例3
不同溶剂对pH荧光探针7-二甲氨基-4-(吡啶-4-基)香豆素的光谱影响
用相应的溶剂(甲苯、乙腈、四氢呋喃、甲醇、二甲亚砜)配制浓度为10mM的pH荧光探针储备溶液。向10mL容量瓶中加入1mL储备溶液，随后加入相应溶剂(甲苯、乙腈、四氢呋喃、甲醇、二甲亚砜)9mL，摇晃均匀后测试其紫外吸收光谱和荧光光谱。
pH荧光探针在不同溶剂中的紫外吸收光谱图见图1。由图1可知，该pH荧光探针紫外吸收峰的波长并没有随着溶剂极性的变化发生明显的的移动，始终维持在385nm左右；同时紫外吸收光谱线的轮廓没有发生明显的变化。
pH荧光探针在不同溶剂中的荧光发射光谱图见图2。由图2可知，该pH荧光探针在甲苯中的最大荧光发射波长为487nm，在二甲亚砜中的最大荧光发射波长为557nm，红移了70nm，说明可能存在分子内电荷转移。
实施例4
pH荧光探针7-二甲氨基-4-(吡啶-4-基)香豆素的荧光光谱对pH的响应
采用乙醇制备浓度为125μM的pH荧光探针储备溶液。按照V(乙醇)：V(BR缓冲溶液)＝4:6的将pH荧光探针储备液与BR缓冲液配制成pH为2.0～9.0的缓冲溶液，pH2.0～4.8的间隔为0.4，pH 4.8～6.2的间隔为0.7，pH 7.0～9.0的间隔为1.0，用氢氧化钠调节。
测试条件：激发波长为400nm，狭缝宽度：5.0nm/5.0nm，电压625V。
pH荧光探针的吸光度随pH变化的紫外吸收光谱图见图3。由图3可知，随着pH的增加，该pH荧光探针在340nm处的紫外吸收峰逐渐降低，400nm处的紫外吸收峰逐渐升高，当pH为4.4时，340nm处的紫外吸收峰基本消失。
pH荧光探针的荧光强度随pH变化的荧光发射光谱图见图4。由图4可知，随着pH的减小，该pH荧光探针发生荧光淬灭。
pH荧光探针的569nm处荧光强度随pH变化的线性关系图见图5。由图5可知，pH在2.0～6.0范围内呈现较好线性，可实现定量滴定。
实施例5
pH荧光探针7-二甲氨基-4-(吡啶-4-基)香豆素在干扰离子和干扰氨基酸存在下对pH的响应
用乙醇制备浓度为125μM的pH荧光探针储备溶液。按照V(乙醇)：V(BR缓冲溶液)＝4:6将pH荧光探针储备液与BR缓冲液配制成的pH为7.0的缓冲溶液，用氢氧化钠调节pH。利用上述缓冲溶液配制浓度为10mM的Na+，K+，Ca2+，Cu2+，Fe2+，Mn2+，Ba2+，Li+，Ni2+，Ala，Cys，Glu，Ile，Leu，Phe，Pro，Ser，Trp的待测溶液，测试上述加入干扰离子、干扰氨基酸的溶液以及未加入干扰离子和干扰氨基酸的缓冲溶液的荧光光谱。测试条件：激发波长为400nm，狭缝宽度：5.0nm/5.0nm，电压625V。
pH荧光探针在pH＝7.0时阳离子和氨基酸干扰下对氢离子响应的荧光强度柱状图见图6(图6中，Blank指未加入干扰离子和干扰氨基酸)。由图6可知，当溶液pH值为7.0时，在加入金属阳离子和氨基酸前后，该pH荧光探针在560nm处的荧光强度并未发生明显变化，均保持在2300左右，表现出较强的抗干扰能力。
实施例6
pH荧光探针7-二甲氨基-4-(吡啶-4-基)香豆素的光稳定性测试
用乙腈配制浓度为50μM的pH荧光探针溶液。使用碘钨灯(500W)照射pH荧光探针溶液，样品与灯之间的距离为25cm，每间隔1小时测量一次紫外吸收光谱图。根据照射前后吸收最大值处的吸收强度变化计算剩余吸收考察pH荧光探针的光稳定性。
pH荧光探针的剩余紫外吸收光谱图见图7。由图7可知，在乙腈中照射12小时后，该pH荧光探针的剩余吸收为94.3％，表明其具有优良的光稳定性。
实施例7
pH荧光探针7-二甲氨基-4-(吡啶-4-基)香豆素的可逆性测试
用乙醇制备125μM的pH荧光探针储备溶液。按照V(乙醇)：V(BR缓冲溶液)＝4:6将pH荧光探针储备液与BR缓冲液配制成缓冲溶液，用氢氧化钠和盐酸调节pH，使溶液pH值交替达到2.0和7.0，分别记录569nm处荧光强度的变化，重复五次。
pH荧光探针的荧光发射光谱图见图8。由图8可知，随着pH的降低，pH荧光探针的荧光强度迅速下降，而快速升高至碱性条件，则导致荧光强度瞬间增强，5次循环改变pH值后，碱性条件下的荧光强度仍然成功恢复。表明该荧光探针对pH的响应具有良好的可逆性，可重复使用。
Claims (10)
1.结构如式Ⅰ所述的吡啶取代的香豆素衍生物：
2.一种权利要求1所述的吡啶取代的香豆素衍生物的制备方法，其特征在于：合成路线如下：
包括如下步骤：
步骤(1)、向惰性溶剂中加入3-二甲氨基苯酚和3-氧代-3-(吡啶-4-基)丙酸乙酯，再加入催化剂，搅拌，加热回流6～10小时；3-二甲氨基苯酚和3-氧代-3-(吡啶-4-基)丙酸乙酯的摩尔比为1:1～1:1.5；所述的惰性溶剂为甲苯、1,2-二氯乙烷、二甲基亚砜或N,N-二甲基甲酰胺；所述的催化剂为三氟甲磺酸铒、三氟甲磺酸钪、三氟甲磺酸镱、三氟甲磺酸镧或三氟甲磺酸钇；所述的催化剂和3-二甲氨基苯酚的摩尔比为0.05:1～0.2:1；
步骤(2)、反应结束后，在真空下浓缩至干，所得混合物加水，用乙酸乙酯萃取3次，合并有机相并在真空下浓缩，将残余物施加于硅胶柱上，以二氯甲烷作为洗脱剂得到粗产物，粗产物在甲醇中重结晶得到吡啶取代的香豆素衍生物。
3.根据权利要求2所述的吡啶取代的香豆素衍生物的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，3-二甲氨基苯酚和3-氧代-3-(吡啶-4-基)丙酸乙酯的摩尔比为1:1.2。
4.根据权利要求2所述的吡啶取代的香豆素衍生物的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的惰性溶剂为甲苯。
5.根据权利要求2所述的吡啶取代的香豆素衍生物的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的催化剂为三氟甲磺酸铒。
6.根据权利要求2所述的吡啶取代的香豆素衍生物的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的催化剂和3-二甲氨基苯酚的摩尔比为0.1:1。
7.权利要求1所述的吡啶取代的香豆素衍生物在制备pH荧光探针的应用。
8.权利要求1所述的吡啶取代的香豆素衍生物在制备pH检测试剂或pH检测试纸的应用。
9.根据权利要求7或8的应用，其特征在于：所述的吡啶取代的香豆素衍生物对pH的响应范围为2.0～9.0。
10.根据权利要求9的应用，其特征在于：所述的吡啶取代的香豆素衍生物对pH的响应范围为2.0～6.0。
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