CN101643517B - 萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物及其制备和应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物及其制备方法与应用，该化合物的化学式为：C₇₃H₁₁₈N₂O₃₄S，结构及示意图如附图所示。其由环糊精的胺基衍生物与异硫氰酸萘酯的反应简便而高产率地制得。由于汞的高亲硫性，该化合物对汞离子的识别具有高选择性和高灵敏度。在水相中，向该化合物中加入二价汞离子，荧光在短时间内就有较大幅度的上升，检测限为50ppb，而加入其他离子如Li⁺，Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Ba²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Ce²⁺，Co²⁺，Cu²⁺，Ni²⁺，Pb²⁺，Sr²⁺，Zn²⁺等离子则没有明显的变化。提供了一种快速地在较宽的pH范围(3-12)内适用的高选择性高灵敏度的荧光增强的测试环境中和生物体内汞离子的水溶性的试剂和方法。

Description

萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物及其制备和应用方法 

【技术领域】：

本发明属于材料化学与应用化学领域，涉及一种萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物及制备方法和应用在水相中宽pH(3-12)适用范围内的对二价汞离子(Hg²⁺)高选择性快速地识别方法和荧光传感机制。

【背景技术】：

汞是一种具有很大的生理毒性的元素，由于其具有高度的生物富集性，并且在工业中又使用的很广，它的毒性已引起了全世界的关注。以无机盐形式存在的二价汞离子被认为是最危险和毒性最大的无机金属离子之一，由于它能被水中微生物转化为毒性更大的甲基汞并且可以通过生物富集而损害人类中枢神经系统，从而二价汞离子的检测成为了化学，生物化学，环境科学，医学科学等诸多学科共同关心的大课题((a)www.epa.gov(b)de Silva，A.P.；Gunaratne，H.Q.N.；Gunnlaugsson，T；Huxley，A.J.M.；McCoy，C.P.；Rademacher，J.T.；Rice，T.E.Chem.Rev.1997，97，1515.(c)Boening，D.W.Chemosphere 2000，40，1335.(d)Benoit，J.M.；Ritzgerld，W.F.；Damman，A.W.Environ.Res.1998.78.118)。现在识别汞的方法有了长足的发展，很多科学家包括美国的Lippard课题组，韩国的Chang课题组等在这个领域做出了卓越的贡献。((a)Nolan，E.M.；Lippard，S.J.Chem.Rev.2008，108，3443.(b)Cho.D.-G.；Sessler，J.L.Chem.Soc.Rev.2009，38，1647.(c)Song，K.-C.；Kim，J.-S.；Park，S.-M.；Chung，K.-C.；Ahn，S.；Chang，S.-K.Org.Lett.2006，8，3413，(d)Lee，H.；Lee，S.-S.Org.Lett.，2009.11.1393(e)Lee，M.-H.，Lee，S.-W.，Kim，S.H.；Chang，C.；Kim，J.-S.Org.Lett.2009.11.2101)。

然而，上述报道的识别汞的方法很多都具有合成路线复杂；产率低；水溶性不好，需要加辅助的有机溶剂；响应时间长；或灵敏度不高等等不十分令人满意之处，由于环糊精具有很好水溶性，而基于环糊精修饰的衍生物用于汞离子识别方面的研究还鲜有报道。环糊精(Cyclodextrins，通常简称为CD)，是一类由D型吡喃葡萄糖单元以1，4糖苷键首尾相连的截锥状大环分子，具有疏水的空腔和亲水的表面。环糊精习惯上用一个希腊字母表示其葡萄糖单元数目，其中最常见的是α-、β-和γ-环糊精，分别拥有6、7和8个葡萄糖单元(J.Szejtli.Chem.Rev.1998，98，1743-1753.)。环糊精及其衍生物广泛地应用在客体分子的识别和超分子组装体的构筑((a)Y.Liu，Y.Chen.Acc.Chem.Res.2006，39，681-691；(b)A.Harada，Acc.Chem.Res.2001，34，456-464.)以及药物分子的包结和传输体系中((a)K.Uekama，F.Hirayama，T.Irie.Chem.Rev.1998，98，2045-2076；(b)J.Zhang，P.X.Ma.Angew.Chem.Int.Ed.2009，48，964-968.(c)M.E.Davis，M.E.Brewstev.Nat.Rev.Drug.Discov.2004，3，1023-1035.)。

基于以上各方面的考虑，我们设计并合成了一种可用于汞离子识别的萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物。

【发明内容】：

本发明目的是提供一种在水相中宽pH范围内快速高选择性高灵敏度地检测二价汞离子的化合物及其检测方法。为实现本发明的目的，本发明公开了一种新型的在水相中宽pH范围内快速高选择性灵敏度地检测二价汞离子的化合物，采用以环糊精作为增加水溶性基团，硫脲基作为识别位点，萘基作为响应位点，其化学式为：C₇₃H₁₁₈N₂O₃₄S，分子量为1598.7g/mol，结构式及示意图如图1。

本发明还公开了一种新型汞离子荧光探针的制备方法，它的合成路线如图2.

萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物作为一种新型汞离子荧光探针的制备方法，在氮气氛围下，6-脱氧-6-胺基-全甲基化-β-环糊精与异硫氰酸-1-萘酯反应，洗脱后得到白色的萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物。

包括以下步骤：

在氮气氛围下，6-脱氧6-胺基-全甲基化-β-环糊精与异硫氰酸-1-萘酯按物质的量比为1∶(1～30)在干燥二氯甲烷溶液中电磁搅拌室温下反应24小时，旋蒸除去溶剂，所得固体用硅胶柱分离，洗脱剂为乙酸乙酯，得到白色的萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物。

该化合物在环境中及生物体内的汞离子的检测及环境保护方面具有重要的应用价值。

本发明中所得产品经核磁，元素分析及质谱等手段进行了表征。

本发明具体描述如下：

(1)选择性实验

荧光光谱实验中称取一定量的萘基硫脲修饰的全甲基化β-糊精衍生物置于100mL容量瓶中，用二次水溶解并定容，配成5×10^-5M的水溶液储备液，金属离子选用相应离子的高氯酸盐，配成溶液，最终将测试溶液配成环糊精衍生物的浓度为5×10^-6M，不同离子的浓度为环糊精衍生物的200当量，平衡后进行实验，测其荧光光谱。向5×10^-6M环糊精的衍生物二次水溶液中加入200当量的高氯酸汞溶液后，荧光探针溶液的荧光发生了大幅升高，而加入其他的离子没有引起明显的变化，这是由于在二价汞的催化下硫脲的衍生物反应生成脲的衍生物，使原来由于硫脲上的硫原子淬灭的荧光有较大程度的增强，从而荧光探针荧光有大幅度的上升，同时由于硫化汞是最 难溶的硫化物，使其在检测过程排除了其他离子的干扰。

(2)干扰离子实验

分别向环糊精的衍生物的溶液中加入200当量的各种干扰离子，然后各加入20当量的汞离子，定容，平衡后，测定其荧光变化。290nm激发。

(3)环糊精的衍生物对汞离子的滴定曲线和平衡。

(4)pH对环糊精的衍生物检测汞离子的影响。

本发明的优点和积极效果：

本发明中所设计的水溶性的汞离子荧光探针，合成路线简单，反应条件温和，后处理简单方便，产率高，检测迅速，选择性高，灵敏度好，可以在较宽的pH范围内使用，适于放大合成和实际生产应用。对造成环境污染的重金属离子的识别操作也极其简单，并且识别结果用荧光光谱易于监测。本发明作为汞离子的荧光探针，阐明了对二价汞离子的识别机制，具有广阔的应用前景。

【附图说明】：

图1是本发明的化合物萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物的结构式及示意图。

图2本发明的化合物的合成路线

图3本发明识别过程中荧光增强机理示意图

图4本发明的化合物在水相中对汞离子的高选择性识别：不同离子的荧光强度。

图5本发明的化合物在水相中加入不同离子后290nm激发在380nm处观察的荧光强度比较。

图6本发明的化合物在水相中对汞离子的滴定曲线及平衡曲线。

图7本发明的化合物与二价汞离子的Job曲线。

图8本发明的化合物对汞离子的识别中EDTA的影响。

图9识别机理研究的证据：加汞离子后溶液的ESI质谱。

图10推测的识别机理示意图。

图11干扰离子实验光谱。

图12干扰离子实验中不同离子对识别的影响(在290nm激发，380nm处观察加入不同离子后的荧光强度)。

图13pH对本发明的化合物检测汞离子的影响。

图14本发明化合物在加入二价汞离子后荧光强度随时间的变化曲线。

【具体实施方式】：

实施例1：

萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物的合成

合成路线如图2

合成步骤如下：

在氮气氛围下，将1.0mmol6-脱氧-6-胺基-全甲基化-β-环糊精与3.0mmol异硫氰酸-1-萘酯在干燥二氯甲烷溶液中电磁搅拌室温下反应24小时，旋蒸除去溶剂，所得固体用硅胶柱分离，洗脱剂为乙酸乙酯，得到白色的萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物，产率85％，分子量为1598.7g/mol。

实施例2：

萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物的合成

合成路线如图2

合成步骤如下：

在氮气氛围下，将1.0mmol6-脱氧-6-胺基-全甲基化-β-环糊精与30.0mmol异硫氰酸-1-萘酯在干燥二氯甲烷溶液中电磁搅拌室温下反应24小时，旋蒸除去溶剂，所得固体用硅胶柱分离，洗脱剂为乙酸乙酯，得到白色的萘基硫脲修饰的全甲基化-β-环糊精衍生物，产率86％，分子量为1598.7g/mol。

实施例3

化合物的表征

本发明涉及的萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物的核磁，元素分析和质谱表征：

¹HNMR(400MHz，D₂O，ppm)，δ3.06-3.66(m，101H，H of C-3，C-5，C-6，C-2，C-4，O-C)，5.06-5.34(m，7H，H of C-1)，7.58-7.60(m，4H，H of naphthalene)，7.92-7.99(m，3H，H of naphthalene)。C₇₃H₁₁₈N₂O₃₄S：实测值：C，54.50％；H，7.76％；N，1.72％。理论值：C，54.81％；H，7.43％；N，1.75％。ESI-MS：1599.6[M+H]⁺，1621.7[M+Na]⁺。

实施例4

选择性实验

荧光光谱实验中称取一定量的萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物置于100mL容量瓶中，用二次水溶解并定容，配成5×10^-5M的水溶液储备液，金属离子选用相应离子的高氯酸盐，配成溶液，最终将测试溶液配成环糊精衍生物的浓度为5×10^-6M，不同离子的浓度为环糊精衍生物的200当量，平衡后进行实验，测其应光谱图。结果见附图4。向5×10^-6M环糊精的衍生物二次水溶液中加入200当量的高氯酸汞溶液后，荧光探针溶液的荧光发生了大幅升高，而加入其他的离子没有引起明显的变化，这是由于在二价汞的催化下硫脲的衍生物反应生成脲的衍生物，使原来由于硫脲上的硫原子淬灭的荧光有较大程度的增强，从而荧光探针荧光有较大程度的上升，同时由于硫化汞是最难溶的硫化物，使其在检测过程排除了其他离子的的干扰。参考附图3和10。

实施例5

干扰离子实验

分别向萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物的溶液中加入200当量的各种干扰离子，然后各加入20当量的汞离子，定容，平衡后，测定其荧光变化。290nm激发。

Claims (6)

1.一种萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物，其特征在于，结构式为：C₇₃H₁₁₈N₂O₃₄S，分子量为1598.7g/mol，结构为：

结构示意为

2.一种权利要求1所述的萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物的合成方法，其特征在于在氮气氛围下，6-脱氧-6-胺基全甲基化-β-环糊精与异硫氰酸-1-萘酯反应，洗脱后得到白色的萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物。

3.如权利要求2所述的萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物的合成方法，其特征在于，6-脱氧-6-胺基-全甲基化-β-环糊精与异硫氰酸-1-萘酯按物质的量比为1∶(1～30)。

4.如权利要求2所述的萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物的合成方法，其特征在于，在干燥二氯甲烷溶液中电磁搅拌室温下反应24小时，旋蒸除去溶剂，所得固体用硅胶柱分离。

5.如权利要求2所述的萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物的合成方法，其特征在于，洗脱剂为乙酸乙酯。

6.一种权利要求1所述的萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物的应用方法，在水相中选择性识别二价汞离子及其在重金属离子检测中的应用，萘基硫脲修饰的全甲基化β-环糊精衍生物作为探针，在水相中对二价汞离子的高选择性和灵敏度的荧光上升的光学传感，作为一种荧光传感器。

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