2，6-二胺甲基吡啶衍生物螢光化學傳感器分子的合成及其應用的製作方法
2023-06-30 03:56:31
專利名稱：2，6-二胺甲基吡啶衍生物螢光化學傳感器分子的合成及其應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及2，6-二胺甲基吡啶衍生物及類似物螢光化學傳感器分子的合成及其在過渡金屬和重金屬離子螢光增強識別中的應用。
背景技術：
過渡金屬及重金屬廣泛地存在於自然界中，其中的許多元素在人類活動中得到大量應用。因此，它們在自然界的分布發生了顯著變化，這種改變對人類社會的可持續發展會產生不可忽視的影響。其中的一些元素在生命過程中具有不可替代的作用，而另外一些元素在很低濃度時，就對生命體具有很強的毒性。這些物質的檢測對生命、環境和醫學科學以及工、農業生產等都具有重要的意義。
螢光化學傳感器檢測技術應用於過渡金屬及重金屬離子的檢測，可實現微環境的原位、實時檢測。但通常由於過渡金屬及重金屬離子可通過自旋一軌道耦合以及電子或能量轉移使螢光團淬滅，導致檢測靈敏度下降。另外，金屬離子及螢光化學傳感器分子的識別基在水溶液中的溶劑化傾向強於有機溶劑，使螢光化學傳感器分子與目標離子的結合性能下降。但實際上，能夠在水溶液中使用的螢光化學傳感器分子才具有廣泛的實用價值。綜上所述，設計、合成能夠在水溶液中具有選擇性的，並能實現螢光增強的螢光化學傳感器分子還是一項具有挑戰性的研究工作。目前已有的少數幾個成功的範例，都是基於冠醚等大環化合物實現的。也有一些基於金屬離子誘導的化學反應實現的非冠醚化合物的螢光增強的螢光探針的例子，但這些反應不能實現快速可逆，也就是說，這種螢光探針體系不能實現實時檢測。
目前，由於現有技術中含雜原子的冠醚類大環化合物合成比較複雜，因此，設計一類結構相對簡單、易於合成的螢光化學傳感器分子化合物，在各種溶液中，特別適宜在水溶液中對過渡金屬和重金屬離子的選擇性螢光增強識別，成為本發明要解決的主要目標。
發明內容
本發明是用於過渡金屬和重金屬離子選擇性螢光增強識別檢測的2，6-二胺甲基吡啶衍生物螢光化學傳感器分子，該化合物具有以下結構通式
式中R1，R2，R3＝氫，滷素，C1-C12烷基，C1-C12烷氧基，羧基，酯基，羥基，苯基；X1，X2＝氮原子；F1，F2＝1-2個螢光發色團；Q1，Q2＝C1-C12亞烷基。
在上述通式的螢光化學傳感器分子化合物結構中，具有一定半剛性構象的開鏈結構；帶有多個氮原子的識別基，有利於識別基對特定半徑及電子組成的金屬離子的選擇性結合；分子的兩端連有螢光發色團，這兩個螢光發色團通過光誘導電子轉移(PET)受控於識別基部分的氮原子。當識別基中的氮原子與金屬離子結合時，PET過程被阻斷，兩個螢光發色團同時變亮，有利於提高識別靈敏度。當選擇連接兩個可形成基激締化合物的螢光團或能夠發生能量共振轉移的螢光團時，該螢光化學傳感器分子，不僅能表現出開關效果，同時會出現更豐富的螢光變化。以4-胺基萘醯亞胺螢光團的螢光化學傳感器分子為例，連接基則採用半剛性的哌嗪環，這是由於考慮到螢光化合物應具有適度的剛性以利於體系的電子轉移，並可能有助於減弱由於過渡金屬離子靠近化合物中的螢光團而可能發生的淬滅作用；同時具有一定柔性以便在絡合金屬離子時能作出適當的構型調整，增大絡合的能力，從而降低檢測下限。哌嗪環上與芳環相連的氨基成為螢光發色團的供電子基團，而脂肪部分則作為光誘導電子轉移的電子給體以及金屬離子結合功能基團的一部分，六元環骨架作為光誘導電子轉移的路徑。
4-胺基萘醯亞胺螢光團是一個強推-拉電子體系螢光團，具有很高的螢光量子產率和大的斯託克斯(Stokes)位移。在螢光發色團的推電子部位一側通過連接基與識別部分(被識別物的受體部分)相連，這樣的結構有利於電子授體向發色團的轉移。
4-胺基萘醯亞胺螢光團是一個易於合成多種衍生物的螢光團，萘醯亞胺氮原子上連接長鏈烷基有助於通過疏水相互作用，使識別基部分接近環狀構象，有利於識別。當然，長鏈烷基的引入會導致整個螢光化學傳感器分子的疏水性，但可通過膠束增溶實現水溶液中的應用。在萘醯亞胺氮原子上連接2-(2-羥乙氧基)乙基反應性基團，有助於整個螢光化學傳感器分子的親水性，不僅便於螢光化學傳感器分子在水溶液中的應用，而且為該分子的進一步衍生和固載提供了反應活性基團，固載於聚酯、聚醚、烯烴共聚物上做成傳感器器件。
本發明所涉及的螢光化學傳感器分子，可以方便地通過帶伯胺基、仲胺基等反應活性基團的螢光化合物與2，6-二氯甲基吡啶(2，6-二溴甲基吡啶、2，6-二(甲基磺酸酯甲基)吡啶等)及其衍生物縮合得到。
本發明的螢光化學傳感器分子可在水、有機溶劑(如甲醇，乙醇，乙丙醇，乙腈等)以及水與醇的混合溶液中對金屬離子進行測定。如實施例3合成的化合物在乙醇和水(1∶9)的混合溶劑中(0.01M的三羥甲基氨基甲烷-HCl緩衝溶液中)，在多種金屬離子如Hg2+，Cd2+，pb2+，Ag+，Zn2+，K+，Na+，Mg2+，Ca2+，Cr3+，Fe3+，Cu2+，Co2+，Ni2+等中，對Hg2+表現出極好的選擇性螢光增強識別(螢光增強約10倍)。從目前的公開報導來看，本發明的Hg2+的螢光化學傳感器分子是少數幾個最成功的範例之一，而且，是其中唯一的具有非冠醚等大環簡單識別基結構的螢光化學傳感器分子。
圖1是加入不同濃度汞離子時的螢光譜圖；其中縱座標FI為螢光強度，橫座標Em/nm為發射波長。圖2是汞離子濃度與螢光強度的關係；其中縱座標為螢光強度，橫座標[Hg2+]/10-5mol/L為汞離子濃度。圖3是共存金屬離子對汞識別的影響；其中縱座標FI為螢光強度，橫座標為共存金屬離子。
本發明設計、合成的一類2，6-二胺甲基吡啶衍生物螢光化學傳感器分子具有結構相對簡單，合成方法容易，在水溶液中對過渡金屬和重金屬離子的選擇性螢光增強識別靈敏，並可實現器件化等特點，既可將其應用在生物組織、細胞、及亞細胞器等微環境中的過渡金屬和重金屬離子檢測；還可通過螢光化學傳感器分子中的反應性基團將其固載於聚酯、聚醚、烯烴共聚物上，實現器件化。
實施例2 將198mg(0.44mmol)的化合物(3)溶於20mL乙腈，然後加入35.2mg(0.20mmol)2，6-二氯甲基吡啶。攪拌，加熱回流10小時，然後冷卻、靜置過夜。從反應混合物中濾出黃色固體，用柱色譜分離，得到產物(4)為黃色固體，收率80％，熔點122.9-123.9℃。1H NMR(CDCl3，400M)，δ0.87(t，6H，J＝6.8Hz)，1.24-1.41(m，36H，)，1.71(m，4H)，2.89(s，8H)，3.34(s，8H)，3.87(t，4H)，4.15(t，4H，j＝7.6)，7.21(d，J＝8Hz，2H)，7.43(d，J＝8Hz，2H)，7.67(t，J＝8Hz，2H)，7.72(t，J＝8Hz，1H)，8.41(d，J＝gHz，2H)，8.50(d，J＝8Hz，2H)，8.56(d，J＝8Hz，2H)。
實施例3 將163mg(0.44mmol)的化合物(5)溶於50mL乙腈，然後加入35.2mg(0.20mmol)2，6-二氯甲基吡啶。攪拌，加熱回流10小時，然後冷卻、靜置過夜。從反應混合物中濾出黃色固體，用柱色譜分離，得到產物(6)為黃色固體，收率82％，熔點115.6-117.4℃。1H NMR(CDCl3，400M)，δ2.89(s，8H)，3.35(s，8H)，3.66(s，4H)，3.68(s，4H)，3.85(t，J＝5.3，4H)，3.86(s，4H，)，4.43(t，4H，j＝5.4)，7.21(d，J＝8Hz，2H)，7.42(d，J＝8Hz，2H)，7.67(t，J＝8Hz，2H)，7.72(t，J＝8Hz，1H)，8.41(d，J＝8Hz，2H)，8.50(d，J＝8Hz，2H)，8.56(d，J＝8Hz，2H)。
實施例4實施例3中的化合物(6)溶於乙醇和水的混合溶劑(1∶9)中，配製濃度為1.0×10-5mol/L的三羥甲基氮基甲烷鹽酸鹽(0.01M)的緩衝溶液，測定其螢光激發波長為410nm，最大發射波長為540nm(圖1)。加入不同量的二價汞鹽時螢光強度隨之增加。從圖2中可以看出汞鹽濃度與螢光強度之間有比較好的線性區間，而且過量的汞鹽也沒有導致淬滅。
實施例5實施例4中的測試條件下，研究其它金屬離子對化合物(6)識別汞的幹擾情況。汞離子和化合物(6)濃度均為1.0×10-5mol/L，分別加入1.0×10-5mol/L和5.0×10-5mol/L的Zn2+，Cr3+，Ag+，Ca2+，Fe3+，pb2+，Mg2+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Cd2+，K+，通過與不加幹擾離子的對比實驗相比較發現，幹擾離子對螢光強度的影響在15％以內(圖3)。可見本發明的螢光化學傳感器分子對Hg2+，具有的良好選擇性。在其它金屬離子比Hg2+濃度過量5倍時也不產生顯著幹擾。
權利要求
1.一類由半剛性開鏈結構、識別基團和螢光發色團構成的螢光化學傳感器分子化合物，其特徵在於這類化合物具有以下結構通式 式中R1，R2，R3＝氫，滷素，C1-C12烷基，C1-C12烷氧基，羧基，酯基，羥基，苯基；X1，X2＝氮原子；F1，F2＝1-2個螢光發色團；Q1，Q2＝C1-C12亞烷基。
2.按照權利要求1所述的螢光化學傳感器分子化合物，其特徵在於可將該化合物中螢光發色團萘醯亞胺氮原子上連接的2-(2-羥乙氧基)乙基反應性基團固載於聚酯、聚醚、烯烴共聚物上做成傳感器器件。
3.一類具有權利要求1所述螢光化學傳感器分子化合物的用途，其特徵在於該類化合物可用於生物組織，細胞，亞細胞器，水，工業及生活汙水，有機溶劑，乳液，懸浮液中的過渡金屬和重金屬離子選擇性螢光增強識別檢測。
4.按照權利要求3所述螢光化學傳感器分子化合物的用途，其特徵在於有機溶劑是甲醇、乙醇，乙丙醇，乙腈以及水與醇的混合溶劑。
5.按照權利要求3所述螢光化學傳感器分子化合物的用途，其特徵在於過渡金屬和重金屬離子是Hg2+，Cd2+，Pb2+，Ag+，Zn2+，Cr3+，Fe3+，Cu2+，Co2+，Ni2+。
全文摘要
本發明合成一類2，6－二胺甲基吡啶衍生物螢光化學傳感器分子，並利用這類結構相對簡單、易於合成的化合物實現在各種溶液中，特別是在水溶液中對過渡金屬和重金屬離子的選擇性螢光增強識別。可將其應用在生物組織、細胞、及亞細胞器等微環境中的過渡金屬和重金屬離子檢測，還可用於水、汙水及水溶液、乳液、懸浮體系等中的過渡金屬和重金屬離子檢測。所述的化合物通過螢光化學傳感器分子中的反應性基團將其固載於聚合物或固體表面，實現器件化，應用於上述目的的螢光化學傳感器器件的關鍵部分。
文檔編號C07D213/127GK1477385SQ0317835
公開日2004年2月25日 申請日期2003年7月14日 優先權日2003年7月14日
發明者錢旭紅, 郭祥峰, 賈麗華 申請人:大連理工大學