一種含1,3,4‑噁二唑核的螢光染料、製備方法及應用與流程
2023-06-10 16:56:56 4
本發明涉及一種噁二唑核螢光染料、製備方法及應用，具體地說是一種含1,3,4-噁二唑核和Salen型配位基的螢光染料及其製備方法，同時該螢光染料在螢光傳感器中的應用以及用於檢測鐵離子（Fe3+或Fe2+），屬於單光子螢光傳感器領域。
背景技術：
螢光傳感器是指能與待測的分析物發生作用並通過螢光信號的改變為信號表現形式的分子器件。由於其具有眾多優點，例如選擇性好、靈敏度高、響應速度快等優點，被廣泛應用於生物化學、醫藥、工業和環境監測等一系列領域。基於小分子的螢光傳感器由於結構簡單易於修飾的特點，研究得更為深入。鐵離子是生物體內最基本的金屬離子之一，在多種生物化學過程中起著關鍵的作用，攝入過多或者不足都會引起生物體的生理異常，例如，貧血，肝臟和腎臟的損害，心力衰竭，糖尿病等。設計合成能夠選擇性檢測鐵離子的螢光傳感器具有重要的實用價值。
技術實現要素：
本發明旨在提供一種含1,3,4-噁二唑核螢光染料及其製備方法，還包括其在傳感器特別是檢測鐵離子（Fe3+或Fe2+）方面的應用；本發明含1,3,4-噁二唑核和Salen配位基的螢光傳感器具有很好的選擇性，靈敏度很高，通過螢光猝滅法可以檢測鐵離子（Fe3+或Fe2+），其中，含1,3,4-噁二唑核螢光染料中的Salen配位基與鐵離子1：1配位絡合。
為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：
一種含1,3,4-噁二唑核的螢光染料，其結構式為：
。
一種含1,3,4-噁二唑核的螢光染料的製備方法，包括以下步驟：
(1) 按物質的量比為2∶1稱取水楊醛、二乙烯三胺分別加入無水甲醇中，混合均勻，室溫攪拌1h，緊接著加熱回流1h，冷卻靜置，滴加稀鹽酸，有淺黃色片狀晶體沉澱生成，然後過濾，得到中間體水楊醛縮二乙烯三胺：
；
(2) 含1,3,4-噁二唑核的螢光染料2a的合成：按物質的量比為1∶1∶0.02∶0.02∶2.25稱取水楊醛縮二乙烯三胺、對溴硝基二芳基1,3,4-噁二唑、（±）BINAP、醋酸鈀、碳酸銫加入N-甲基吡咯烷酮（NMP）中混合均勻；將反應液置於微波反應器中，氮氣保護，無水無氧條件，設置微波反應器條件為：功率600W，反應溫度180 oC，反應時間1.5 h；反應停止後，冷卻至室溫；將反應液轉移到分液漏鬥，加去離子水洗去無機鹽，乙酸乙酯萃取，靜置，分層，取上層有機相，乾燥；過濾除去乾燥劑，濃縮，粗產物通過矽膠柱層析純化，得到目標產物2a；
含1,3,4-噁二唑核的螢光染料2b的合成：按物質的量比為1∶1∶0.024∶0.024∶1.7稱取水楊醛縮二乙烯三胺1、對溴叔丁基二芳基1,3,4-噁二唑、（±）BINAP、醋酸鈀、叔丁醇鉀加入N-甲基吡咯烷酮（NMP）中混合均勻；將反應液置於微波反應器中，氮氣保護，無水無氧條件，設置微波反應器條件：功率600 W，反應溫度180 oC，反應時間2 h；反應停止後，冷卻至室溫；將反應液轉移到分液漏鬥，加去離子水洗去無機鹽，乙酸乙酯萃取，靜置，分層，取上層有機相，乾燥；過濾除去乾燥劑，濃縮，粗產物通過矽膠柱層析純化，得到目標產物2b。
進一步地，一種含1,3,4-噁二唑核的螢光染料的製備方法，步驟（2）中2a矽膠柱層析純化採用VPE：VEtOAc =1∶2→1∶4梯度洗脫；步驟（2）中2b矽膠柱層析純化採用VPE ∶VEtOAc= 4∶1→3∶1梯度洗脫。
進一步地，一種含1,3,4-噁二唑核的螢光染料的製備方法，中間體水楊醛縮二乙烯三胺的合成在空氣氣氛下進行，中間體1與對溴二芳基1,3,4-噁二唑的Buchwald–Hartwig偶聯反應採用微波技術在乾燥的氮氣氛圍下進行，產物的提純在空氣氣氛下進行。
一種含1,3,4-噁二唑核的螢光染料，應用於螢光傳感器。
一種含1,3,4-噁二唑核的螢光染料，用於檢測鐵離子Fe3+或Fe2+。
一種含1,3,4-噁二唑核的螢光染料識別金屬離子的方法，包括以下步驟：將所述含1,3,4-噁二唑核的螢光染料溶於四氫呋喃中，濃度為1×10-4mol/L，對不同濃度的金屬離子進行檢測。
與已有技術相比，本發明的有益效果體現在：
本發明製備的螢光染料合成簡單，結構得到核磁、紅外的表徵證實，具有較高的螢光量子產率，在均相體系中可高靈敏、高選擇性地實現對鐵離子（Fe3+或Fe2+）的檢測。
附圖說明
圖1是螢光染料2a與不同金屬離子的螢光響應曲線圖；
圖2是Fe3+離子滴定2a的THF溶液螢光強度變化圖；
圖3是常見的金屬離子對Fe3+識別幹擾的相對螢光強度變化圖；
圖4是螢光染料2b與不同金屬離子的螢光響應曲線圖；
圖5是Fe3+離子滴定2b的THF溶液螢光強度變化圖；
圖6是Fe2+離子滴定2b的THF溶液螢光強度變化圖；
圖7常見的金屬離子對Fe3+、Fe2+識別幹擾的相對螢光強度變化圖。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明做進一步詳細說明。
Salen指的是由兩個相同的醛分子和一個二胺分子縮合而成的螯合席夫鹼。在其分子中心位置有O、N、N、O四個原子，可以作為某些金屬的配體，起到配位的作用。利用Salen配合物的N、O與金屬離子配位選擇性的特性，這類化合物在分子識別領域已經引起了廣泛的關注。1,3,4-噁二唑及其衍生物具有重要的生物活性，廣泛應用於醫藥、農藥等領域。並且這類化合物是優良的電子傳輸材料，耐熱性好，有較強的電子親和勢。有研究發現一些取代的1,3,4-噁二唑具備激發態分子內質子轉移性質，能有產生大stokes位移的螢光。為此，我們通過Buchwald–Hartwig偶聯反應將1,3,4-噁二唑基團和Salen配位基連接起來製備1,3,4-噁二唑核的螢光傳感器。並以此傳感器檢測鐵離子(Fe3+或Fe2+)。
本發明合成路線如下：
實施例1：
1、中間體1的合成
水楊醛12.2 g（0.1 mol），二乙烯三胺5.15 g（0.05 mol）加入無水甲醇（100 mL）中。混合均勻，磁力攪拌1 h，然後再加熱回流1 h。反應結束後，冷卻至室溫，向反應體系中滴加稀鹽酸溶液，有大量淡黃色片狀晶體析出。過濾，得到淡黃色的水楊醛縮二乙烯三胺中間體10.2 g，產率為66%。
1H NMR (400MHz, CDCl3, ppm) δ 8.34 (s, 2H), 7.30-7.26 (m, 2H), 7.23 (dd, 2H), 6.86 (m, 2H), 4.33 (s, 2H)，3.65 (t, 4H)，2.98 (t, 1H)，1.23 (t, 1D).
2、螢光染料2a的合成
中間體水楊醛縮二乙烯三胺0.622 g（2 mmol），對溴硝基二芳基噁二唑0.692 g（2 mmol），（±）BINAP 0.0249 g（2 mol%），醋酸鈀0.0090 g（2 mol%），碳酸銫1.466 g（4.5 mmol）加入到溶劑N-甲基吡咯中，磁力攪拌，混合均勻；將反應液置於微波反應器中，氮氣保護，無水無氧條件，設置微波反應器條件為：功率600W，反應溫度180 oC，反應時間1.5 h；反應停止後，冷卻至室溫；將反應液轉移到分液漏鬥，加去離子水洗去無機鹽，乙酸乙酯萃取，靜置，分層，取上層有機相，乾燥；過濾除去乾燥劑，減壓濃縮除去溶劑，粗產物通300-400目矽膠柱層析，得到淡黃色固體0.77 g，產率67％。目標產物記為2a，結構如下：
1H NMR (400 MHz, CDCl3, ppm) δ 12.8 (t, 2H), 8.71 (s, 2H), 8.54 (s, 2H), 8.40 (m, 2H), 8.23 (s, 2H), 7.65 (m, 2H), 7.37 (s, 9H), 7.29 (m, 2H), 5.87 (t, 4H), 4.95 (s, 2H), 3.02 (s, 2H), 1.28 (s, 9H).
實施例2：
1、中間體1的合成
水楊醛12.2 g（0.1 mol），二乙烯三胺5.15 g（0.05 mol）加入無水甲醇（100 mL）中。混合均勻，磁力攪拌1 h，然後再加熱回流1 h。反應結束後，冷卻至室溫，向反應體系中滴加稀鹽酸溶液，有大量淡黃色片狀晶體析出。過濾，得到淡黃色的水楊醛縮二乙烯三胺中間體10.2 g，產率為66%。
1H NMR (400MHz, CDCl3, ppm) δ 8.34 (s, 2H), 7.30-7.26 (m, 2H), 7.23 (dd, 2H), 6.86 (m, 2H), 4.33 (s, 2H)，3.65 (t, 4H)，2.98 (t, 1H)，1.23 (t, 1D).
2、螢光染料2b的合成
中間體1水楊醛縮二乙烯三胺0.13 g（0.42 mmol），對溴叔丁基二芳基噁二唑0.15 g（0.42 mmol），（±）BINAP 0.0063 g（2.4 mol%），醋酸鈀0.0022 g（2.4 mol%），叔丁醇鉀0.08 g（0.7 mmol）加入到溶劑N-甲基吡咯中，磁力攪拌，混合均勻；將反應液置於微波反應器中，氮氣保護，無水無氧條件，設置微波反應器條件為：功率600 W，反應溫度180 oC，反應時間2 h；反應停止後，冷卻至室溫；將反應液轉移到分液漏鬥，加去離子水洗去無機鹽，乙酸乙酯萃取，靜置，分層，取上層有機相，乾燥；過濾除去乾燥劑，減壓濃縮除去溶劑，粗產物通300-400目矽膠柱層析，得到淡黃色固體0.22g，產率88%。目標產物記為2b，結構如下：
1H NMR (400 MHz, CDCl3, ppm) δ 9.38 (s, 2H)，8.25 (s, 2H),8.12 (m, 2H)，7.81 (m, 2H)，7.58 (m, 2H)，7.41 (m, 2H)，7.23 (m, 2H)，5.87 (t, 4H)，4.95 (s, 2H)，1.34 (s, 9H).
實施例3：傳感器2a在溶液狀態下對金屬離子的螢光響應和對Fe3+的檢測
如圖1所示，螢光傳感器2a與不同金屬離子的螢光響應曲線，2a濃度為1×10-4 mol/L，金屬離子濃度分別為2.00×10-2 mol/L，加入Fe3+後，2a的螢光強度變化明顯，發生螢光猝滅。加入其他金屬離子，螢光強度變化很少，可忽略不計。傳感器2a的響應離子為Fe3+。如圖2所示，隨著Fe3+濃度的增加，傳感器2a的螢光強度逐漸減弱，當Fe3+濃度達到4×10-4 mol/L時，出現螢光猝滅現象，Fe3+起到猝滅劑的作用。其他金屬離子對其沒有幹擾作用，如圖3所示。1：2a+Fe3++Na+，2：2a+Fe3++Zn2+，3：2a+Fe3++Mn2+，4：2a+Fe3++Al3+，5：2a+Fe3++Cu2+，6：2a+Fe3++Fe3+，7：2a+Fe3++Fe2+，8：2a+Fe3++Ba2+，9：2a+Fe3++Ni2+，10：2a+Fe3++Mg2+，11：2a+Fe3++Cr3+，12：2a+Fe3++Ca2+（各離子濃度為Fe3+濃度的十倍）
因此2a可以通過螢光猝滅法檢測Fe3+離子。激發波長330 nm，狹縫寬度均為1.5 nm。
實施例4：傳感器2b在溶液狀態下對金屬離子的螢光響應和對Fe3+、Fe2+的檢測
如圖4所示，螢光傳感器2b與不同金屬離子的螢光響應曲線，2b濃度為1.01×10-4mol/L，金屬離子濃度分別為2.00×10-2 mol/L，加入Fe3+或Fe2+後，2b的螢光強度顯著降低。加入其他金屬離子，螢光強度變化很少，可忽略不計。傳感器2b的響應離子為Fe3+或Fe2+。如圖5所示，隨著Fe3+濃度的增加，傳感器2b的螢光強度逐漸減弱，當Fe3+濃度達到4×10-4mol/L時，出現螢光猝滅現象，Fe3+起到猝滅劑的作用。如圖6所示，隨著Fe2+的濃度不斷增加，傳感器2b的螢光強度會逐漸減弱。其他金屬離子對Fe3+和Fe2+的檢測沒有明顯的幹擾作用，可忽略。如圖7所示，1：2a+Fe3++Fe2++Na+，2：2a+Fe3++Fe2++Zn2+，3：2a+Fe3++Fe2++Mn2+，4：2a+Fe3++Fe2++Al3+，5：2a+Fe3++Fe2++Pb2+，6：2a+Fe3++Fe2++Ba3+，7：2a+Fe3++Fe2++Fe3+，8：2a+Fe3++Fe2++Fe2+，9：2a+Fe3++Fe2++Ni2+，10：2a+Fe3++Fe2++Mg2+，11：2a+Fe3++Fe2++Cr3+，12：2a+Fe3++Fe2++Ca2+（各離子濃度為Fe3++Fe2+濃度的十倍）
因此2b可以通過螢光猝滅法檢測Fe3+、Fe2+離子。激發波長335 nm，狹縫寬度均為1.5 nm。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明的範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等同物界定。