CN102603756B

CN102603756B - 罗丹明b硫醚化合物及其制备方法与用途

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Publication number: CN102603756B
Application number: CN201210026339XA
Authority: CN
Inventors: 史学芳; 马媛; 常瑞祥; 郭萍; 柴璐; 瑞君君; 胡灵敏
Original assignee: Tianjin Normal University
Current assignee: Tianjin Normal University
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2032-02-07
Also published as: CN102603756A

Abstract

本发明公开了一种罗丹明B硫醚化合物及其制备方法与用途。本发明在原料罗丹明B酰胺的氮原子上，引入柔性硫醚链。化合物I在汞离子这种有害重金属离子作用下，罗丹明B内酰胺的闭合螺环能够打开，发生“off-on”结构互变的同时，溶液体系发生“无色-粉红色”的红外可见光谱变化现象，并且，在一定波长的激发光的作用下有荧光产生。化合物I具有对汞离子高选择性的裸眼显色识别和荧光识别探针的用途。

Description

罗丹明B硫醚化合物及其制备方法与用途

本发明是在天津师范大学开发基金（基金号为52XK1102）的资助下进行的。

技术领域

本明发属于化学传感技术应用领域，涉及N-[罗丹明B-9-(2-苯甲酰胺)]乙基-3-硝基苄基硫醚化合物I的制备方法，及I对汞离子高选择性的裸眼显色识别和荧光识别探针的用途。

背景技术

汞污染物广泛存在，其来源于各种各样的的人类活动，煤炭和金矿开采、贵金属冶炼、化妆品、照明用灯等。进入水体的无机汞离子可以被环境中的细菌转化为甲基汞，甲基汞通过生物链而富集，由食物链进入人体，并在人体内蓄积、造成损害。例如，甲基汞可以引起不可治愈的神经性疾病，如永久性脑损伤、意识和行动紊乱、视觉和听觉损失等。

一般的光谱方法对汞离子的检测受到限制，因为Hg²⁺对许多荧光检测试剂产生猝灭。因此，设计合成荧光增强型的Hg²⁺探针具有很大的挑战性。而罗丹明内酰胺螺环的“开环”效应为设计合成Hg2+荧光增强性探针提供相对简捷的途径。但已经报道的一些类似的化合物组成复杂、合成困难、产率较低，或使用时稳定性不佳而影响检测效果。

硫原子的引入能够对以上问题进行改进，含硫罗丹明探针在Hg2+诱导下开环、显色、产生荧光，成为快速检测Hg2+的荧光分子探针。对于罗丹明类探针分子的设计而言，当一个独立的分子中含有两个发光团时，双荧光团比单荧光团具有更好的选择性。目前已经报道的罗丹明B硫酰肼探针(Org. Lett., 2006, 8, 859-861)、罗丹明B硫代内酯探针(Chem. Commun., 2008, 1856-1858)、罗丹明B硫醇 (Spectrochimica Acta Part A, 2012, 38–42)，是含罗丹明单荧光团硫探针，而本专利的化合物I与已经报道的不同，具有硫醚结构，硫醚中硫原子两端均含有发光团，即是通过硫醚柔性链在罗丹明B中连接硝基苯基，能够与罗丹明B的氧杂蒽环一起更好地调整硫原子与汞离子的相互作用及光谱性质，并且结合罗丹明B内酰胺螺环化合物的“闭合-无色”、“开环-有色及产生荧光”的特点，对二价汞金属离子进行荧光识别。实验表明，化合物I具有对汞离子高选择性的裸眼显色识别和荧光识别探针的用途。

在氯化[罗丹明B-9-(2-苯甲酸)]化合物结构的基础上，本发明人设计了如下所示的、具有I结构特征的N-[罗丹明B-9-(2-苯甲酰胺)]乙基-3-硝基苄基硫醚。如目标化合物结构式所示，化合物I是未见报道的新化合物。

发明内容

本发明的第一个目的是提供了具有通式I的化合物及其活性成分I的制备方法。

本发明的第二个目的是提供了包含化合物I、或能够表达其性质的有效成分，用于对汞离子高选择性的裸眼显色识别和荧光识别探针的用途。

为实现上述目的问发明公开了如下的技术内容：

具有结构式I的N-[罗丹明B-9-(2-苯甲酰胺)]乙基-3-硝基苄基硫醚化合物：

本发明进一步公开了N-[罗丹明B-9-(2-苯甲酰胺)]乙基-3-硝基苄基硫醚化合物的制备方法，它是按如下的步骤进行：

（1）中间体2-(3-硝基苄硫基)乙胺的制备：

在40-45%NaOH-乙醇溶液中，将半胱胺盐酸盐和间硝基溴苄反应（其中半胱胺盐酸盐与间硝基溴苄的摩尔比为1-2.5:1），控制温度在10-40℃，反应完成后，减压旋蒸除去溶剂，经体积比为二氯甲烷/甲醇/三乙胺120:1:1, 柱色谱分离，得淡黄色液体；；

（2）罗丹明B 酰氯的制备：

将罗丹明B与三氯氧磷在100℃条件下回流2-10h（其中罗丹明B与三氯氧磷的摩尔比为1:1-3.5），点板监测进程，至原料反应完全，停止加热，减压蒸除多余的三氯氧磷，不经处理直接进行下一步反应；

（3）目标化合物的合成：

将上述步骤（2）制备的罗丹明B 酰氯溶于四氢呋喃中，缓慢滴加到2-(3-硝基苄硫基)乙胺和三乙胺四氢呋喃溶液中，氮气保护下回流18-24 h，减压除去溶剂，后处理得到结构式I的N-[罗丹明B-9-(2-苯甲酰胺)]乙基-3-硝基苄基硫醚化合物；其中罗丹明B 酰氯与2-(3-硝基苄硫基)乙胺的摩尔比为1:0.1-2。

本发明进一步公开了N-[罗丹明B-9-(2-苯甲酰胺)]乙基-3-硝基苄基硫醚化合物I在制备作为对汞离子高选择性的裸眼显色识别和荧光识别探针方面的应用。

本发明所设计的I化合物的分子结构特征在于：在I的结构中，在原料罗丹明B酰胺的氮原子上，引入柔性硫醚链；其结构及链接方式如图1。本发明设计、合成的化合物I与已经报道的硫代罗丹明不同，是在罗丹明B内酰胺的氮原子上取代有柔性链的硫醚链的硫杂原子的同时、还增加具有光谱特征的硝基苯基，这种硫醚类分子构造，能够与罗丹明B的氧杂蒽环一起更好地调整硫原子与汞离子的相互作用及光谱性质，并且结合罗丹明B内酰胺螺环化合物的“闭合-无色”、“开环-有色及产生荧光”的特点，对二价汞金属离子进行荧光识别。实验表明，化合物I具有对汞离子高选择性的裸眼显色识别和荧光识别探针的用途。

本发明公开罗丹明B硫醚化合物与现有技术相比所具有的积极效果为：

(1) 制备过程安全，不需要五硫化二磷高毒性硫化试剂；

(2) 硫醚含有双荧光团，即是通过硫醚柔性链在罗丹明B中连接硝基苯基，能够与罗丹明B的氧杂蒽环一起更好地调整硫原子与汞离子的相互作用及光谱性质，并且结合罗丹明B内酰胺螺环化合物的“闭合-无色”、“开环-有色及产生荧光”的特点，对二价汞金属离子进行荧光识别。

附图说明：

图1.为化合物I的结构式；

图2. 乙腈溶液中10 μM浓度化合物I对100 μM金属离子响应的荧光光谱；

图3为所示，乙腈溶液中含10 μM浓度化合物I对100 μM金属离子或空白(图中左侧试管) 为与Hg²⁺显色响应(图中右侧试管)对比。

具体实施方式

为了更充分的解释本发明的实施，提供下述制备方法实施实例。这些实施实例仅仅是解释、而不是限制本发明的范围。为简单和清楚的目的，以下论述中对公知的技术方法的描述、溶液的配制过程进行不再赘述。其中半胱胺盐酸盐、间硝基溴苄为试剂公司直接购买。

实施例1.

N-[罗丹明B-9-(2-苯甲酰胺)]乙基-3-硝基苄基硫醚的合成：

化合物I的合成通过以下主要反应制备：

（1）中间体2-(3-硝基苄硫基)乙胺的制备

在100mL圆底烧瓶中称取间硝基苯溴1.08 g (5 mmol) 和半胱胺盐酸盐0.57 g (5 mmol)，缓慢滴加含0.40 g NaOH (10.0 mmol) 的EtOH-H₂O溶液，控制温度在20℃范围内，于半小时之内滴加完毕。常温搅拌0.5-1.0h。反应完成后，减压旋蒸除去溶剂，经柱色谱分离(二氯甲烷/甲醇/三乙胺，120:1:1, v/v)，得淡黄色液体(收率74%)。¹H-NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 8.18(s, 1H), 8.10 (d, 1H, J=8.2 Hz), 7.66 (d, 1H, J=7.7 Hz), 7.49 (t, 1H, J=7.9 Hz), 3.79 (s, 2H), 2.68 (s, 2H), 2.53 (t, 2H, J=6.3Hz), 1.38 (s, 2H); ¹³C-NMR (101 MHz, CDCl₃)δ: 147.84, 140.44, 134.60, 129.08, 123.16, 121.65, 40.46, 35.25, 34.90 ppm. MS (ESI-MS)，m/z，212.32 [M+H]⁺。

（2）罗丹明B 酰氯的制备

将10.00g (20.9 mmol) 罗丹明B与20 mL三氯氧磷加入100 mL烧瓶中，在100℃条件下回流4-8h，点板检测进程，至原料反应完全，停止加热。减压蒸除多余的三氯氧磷，不经处理直接进行下一步反应。

（3）目标化合物I的合成

将上述步骤制备的罗丹明B 酰氯溶于140 mL四氢呋喃中，缓慢滴加到的5.6 g(26 mmol) 2-(3-硝基苄硫基)乙胺和20 mL三乙胺的80 mL四氢呋喃溶液中。氮气保护下回流24 h。减压除去溶剂，将所得混合物溶于200 mL 二氯甲烷，水洗(100 mL×2), 无水硫酸钠干燥。抽滤，减压除去溶剂，所得粗品柱色谱分离(石油醚/乙酸乙酯，10:1, v/v)，得黄色固体(1.7 g, 收率33%), mp: 165-166 ℃。

IR(KBr) ν(cm^-1) 2968, 1685, 1616, 1516, 1468, 1384, 1352, 1309, 1265, 1222, 1119, 1089. ¹H-NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 8.11 (s, 1H), 8.05 (d, 1H, J=8.2 Hz), 7.90 (dd, 1H, J=2.7 Hz, J=5.9 Hz), 7.59 (d, 1H, J=7.6 Hz), 7.44-7.40 (m, 3H), 7.07-7.05 (m, 1H), 6.43-6.36 (m, 4H), 6.25 (dd, 2H, J=2.3 Hz, J=8.9 Hz), 3.68 (s, 2H), 3.36-3.29 (m, 10H) 2.17 (t, 2H, J=8.0 Hz), 1.16 (t, 12H, J=7.0 Hz); ¹³C-NMR (101 MHz, CDCl₃)δ:167.84, 153.37, 153.14, 148.74, 148.23, 140.82, 134.88, 132.37, 130.89, 129.15, 128.74, 127.95, 123.67, 123.58, 122.68, 121.77, 108.02, 105.28, 97.61, 64.59, 44.23, 39.44, 35.05, 29.60, 12.49 ppm. MS (ESI-MS)，m/z，636.42 [M+H]⁺。

以上反应过程的合成路线如下：

实施例2：

N-[罗丹明B-9-(2-苯甲酰胺)]乙基-3-硝基苄基硫醚的合成：

化合物I的合成通过以下主要反应制备：

（1）中间体2-(3-硝基苄硫基)乙胺的制备

在100mL圆底烧瓶中称取间硝基苯溴1.08 g(5 mmol) 和半胱胺盐酸盐0.80 g (7mmol)，缓慢滴加含0.80 g NaOH (20.0mmol) 的EtOH-H2O溶液，控制温度在10-40℃范围内，于半小时之内滴加完毕。常温搅拌1.0h。反应完成后，减压旋蒸除去溶剂，经柱色谱分离(二氯甲烷/甲醇/三乙胺，120:1:1, v/v)，得淡黄色液体(收率82%)。

（2）罗丹明B 酰氯的制备

将10.00g (20.9 mmol) 罗丹明B与35 mL三氯氧磷加入100 mL烧瓶中，在100℃条件下回流10h，点板检测进程，至原料反应完全，停止加热。减压蒸除多余的三氯氧磷，不经处理直接进行下一步反应。

（3）目标化合物I的合成

将上述步骤制备的罗丹明B 酰氯溶于140 mL四氢呋喃中，缓慢滴加到的5.6 g(26 mmol) 2-(3-硝基苄硫基)乙胺和20 mL三乙胺的80 mL四氢呋喃溶液中。氮气保护下回流24 h。减压除去溶剂，将所得混合物溶于200 mL 二氯甲烷，水洗(100 mL×2), 无水硫酸钠干燥。抽滤，减压除去溶剂，所得粗品柱色谱分离(石油醚/乙酸乙酯，10:1, v/v)，得黄色固体(1.7 g, 收率35%), mp: 165-166 ℃。

实施例3.

罗丹明硫醚化合物I的识别性能：

首先是使用化合物I对金属离子进行的选择性识别。

将化合物1配制10 mL浓度为1.0×10^-3mol·L^-1的二氯甲烷溶液作为贮藏液。取1.0 mL贮藏液，真空挥发溶剂至干，将剩余化合物I配制成100 mL浓度为1.0×10^-5mol.L^-1的乙腈溶液。如法配制金属离子盐的乙腈溶液。通过荧光光谱筛选出被识别的金属离子。

具体操作是：配制100 mL浓度为1.0×10^-5 mol.L^-1的化合物I的乙腈溶液，取2.00 mL，分别加入200 μL的浓度为1.0×10^-3 mol.L^-1 的K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Mn²⁺、Ag⁺、Pb²⁺、Hg²⁺的乙腈溶液。

荧光测试表明，只有Hg²⁺使化合物I的乙腈溶液中出现以580 nm峰值的荧光光谱，其它金属离子没有引起任何明显变化(图2)；只有Hg²⁺使化合物I的乙腈溶液由无色变为淡粉红色，而其它离子没有引起明显的颜色变化(图3)。因此，对Hg²⁺具有很好的选择性。在罗丹明内酰胺的柔性链硫醚链末端引入芳香基团有利于提高对Hg²⁺的亲合性，并且芳香基团对Hg²⁺具有更好的亲和性。

实施例4

采用罗丹明硫醚化合物I检测的实际应用情况

利用实施例1制备的化合物I，配制为浓度为1.0×10^-5 mol.L^-1的化合物I的乙腈溶液，将工厂含二价汞离子污水、或含二价汞离子污泥处理液等，分别与上述罗丹明硫醚探针溶液作用，能够对2-20 ppm 的含汞离子的污染水系检测，裸眼识别出现粉红色，荧光检测在530nn激发时，在580nm有荧光光谱。

在详细说明的较佳实施例之后，熟悉该项技术人士可清楚地了解，在不脱离上述申请专利范围与精神下可进行各种变化与修改，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。且本发明亦不受说明书中所举实例实施方式的限制。

Claims

1.具有结构式I的N-[罗丹明B-9-(2-苯甲酰胺)]乙基-3-硝基苄基硫醚化合物：

I 。

2.权利要求1所述N-[罗丹明B-9-(2-苯甲酰胺)]乙基-3-硝基苄基硫醚化合物的制备方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）中间体2-(3-硝基苄硫基)乙胺的制备：

在40-45% NaOH-乙醇溶液中，将半胱胺盐酸盐和间硝基溴苄反应，控制温度在10-40^oC，反应完成后，减压旋蒸，除去溶剂，经体积比为二氯甲烷/甲醇/三乙胺120:1:1, 柱色谱分离，得淡黄色液体；其中半胱胺盐酸盐与间硝基溴苄的摩尔比为1-1.5:1；

（2）罗丹明B 酰氯的制备：

将罗丹明B与三氯氧磷在100℃条件下回流2-10h，点板检测进程，至原料反应完全，停止加热，减压蒸除多余的三氯氧磷，不经处理直接进行下一步反应；其中罗丹明B与三氯氧磷的摩尔比为1:1-3.5；

（3）目标化合物的合成：

3.权利要求1所述N-[罗丹明B-9-(2-苯甲酰胺)]乙基-3-硝基苄基硫醚化合物I在制备作为对汞离子高选择性的裸眼显色识别和荧光识别探针方面的应用。