CN102702154A - 用于比色检测铜离子的受体化合物及其制备和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于比色检测铜离子的受体化合物，该化合物为以氨基硫脲为结合位点,硝基苯基和香豆素基为信号报告基团的铜离子识别受体。受体的阳离子比色识别性能研究表明，该受体在含水的DMSO体系中对Cu²⁺具有专一选择性比色识别能力；紫外滴定实验表明，该受体对Cu²⁺有较强的络合能力（络合常数为1.50×10⁴），而且该受体对Cu²⁺的检测灵敏度很高，最低检测限可达到1.6×10^-7mol·L^-1，而且对其它金属离子具有很强的抗干扰能力。另外，本发明还制作了基于该受体化合物的铜离子比色检测试纸，可以高效、方便、快捷的检测铜离子。

Description

用于比色检测铜离子的受体化合物及其制备和应用

技术领域

本发明涉及一种用于比色检测铜离子的受体化合物；本发明还涉及该用于比色检测铜离子的受体化合物的制备方法；本发明还涉及该受体化合物在制备铜离子检测试纸中的应用。

背景技术

铜元素是动植物生长所必需的微量元素，在生物体生命过程中起着非常重要的作用。但过量的铜不仅会给动植物生长带来毒害，还会在环境中累积，食物链中富集，最终危害人体健康。因此，对于铜离子的检测成为环境监测中的重要指标。目前检测铜离子的常用方法有原子发射光谱法、原子吸收光谱法、电化学方法和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS)等等，然而这些方法往往操作复杂，且需要昂贵的实验设备，不能实现在现场的快速检测。因此如何快速检测污水、饮用水、河流以及生物体中铜离子的含量就显得十分重要和迫切。故开发能方便、快捷、高效且低成本的检测铜离子的方法受到了广泛的关注。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种用于比色检测铜离子的受体化合物——1-（香豆素-3-甲酰基）-4（2,4-二硝基苯基）氨基硫脲。

本发明的另一目的是同时还涉及一种用于比色检测铜离子的受体化合物的制备方法。

本发明还有一个目的，就是提供一种基于比色检测铜离子受体化合物的铜离子检测试纸及其制备和应用。

（一）用于比色检测铜离子的受体化合物

本发明用于比色检测铜离子的受体化合物——1-（香豆素-3-甲酰基）-4（2,4-二硝基苯基）氨基硫脲，是以氨基硫脲为结合位点，硝基苯基和香豆素基为信号报告基团的铜离子识别受体，其结构式如下：

（二）用于比色检测铜离子的受体化合物的制备

本发明用于比色检测铜离子的受体化合物的制备方法，包括以下工艺步骤：

（1）香豆素-3-甲酰基异硫氰酸酯的合成：以二氯甲烷为溶剂，N,N-二甲基甲酰胺为催化剂，香豆素-3-甲酸与固体光气以1:0.3~1:0.8的摩尔比，于30~60℃回流3~5小时，得淡黄色澄清液；回流完毕后在反应液中加入硫酸氢钾粉末和相转移催化剂 PEG-400， 室温搅拌反应2~6小时，得橙黄色浑浊液，即为香豆素-3-甲酰基异硫氰酸酯溶液。

N,N-二甲基甲酰胺的加入量为香豆素-3-甲酸摩量的0.1%~1%；

硫酸氢钾粉末的加入量为香豆素-3-甲酸摩量的1~2倍；

相转移催化剂 PEG-400的加入量为香豆素-3-甲酸摩量的1%~5%。

（2）目标产物的合成：在香豆素-3-甲酰基异硫氰酸酯溶液中加入香豆素-3-甲酸摩量0.8~1.2倍的2,4-二硝基苯肼，于室温搅拌反应3~6小时，蒸除2/3溶剂，冷却，静置，析出沉淀；抽滤后用质量浓度75~95 %的乙醇溶液洗涤，然后依次用DMF、无水乙醇重结晶，得淡黄色粉末即为目标产物——1-（香豆素-3-甲酰基）-4（2,4-二硝基苯基）氨基硫脲。

其合成路线如下：

制得的受体化合物的表征数据如下：

m.p. 273-276 ºC; ¹H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ 10.79 (s, 1H, NH), 10.33(s, 1H, NH), 8.91 (s, 2H, NH, ArH), 8.36-8.32 (d, J =16, 1H, ArH), 8.05-8.03 (d, J =8, 1H, ArH), 7.83-7.79 (m, 1H, ArH), 7.58-7.35 (m, 4H, ArH); 13C NMR (DMSO-d6, 100 MHz) δ 161.64, 159.34, 154.07, 148.24, 148.11, 137.04, 134.64, 130.43, 130.00, 125.34, 123.09, 118.69, 118.21, 116.32, 115.89; IR (KBr, cm-1) v: 3235 (N-H), 1721, 1674 (C=O), 1159 (C=S); Anal. Calcd. for C17H11N5O7S: C, 47.55; H, 2.58; N, 16.31; Found: C, 47.58; H, 2.56; N, 16.33。

（三）受体化合物的阳离子识别实验

1、受体的阳离子比色识别性能研究

分别移取0.50 mL受体的DMSO溶液（2×10^-4 mol·L^-1）于一系列10 mL比色管中，再分别移取0.5mL的pH=7的HEPES（4-羟乙基哌嗪乙磺酸; N-(2-羟乙基)哌嗪-N'-2-乙烷磺酸）缓冲溶液于上述比色管中，然后再分别加入Fe³⁺，Hg²⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Pb²⁺，Cd²⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺的高氯酸盐的DMSO溶液（1×10^-3 mol·L^-1） 0.5 mL。用DMSO稀释至5mL，此时受体浓度为2×10^-5mol·L^-1，阳离子浓度为受体浓度的5倍。混合均匀后放置30分钟左右，观察各个阳离子对受体的响应。结果显示，当在受体的DMSO溶液中分别加入上述阳离子的DMSO溶液时，Cu²⁺的加入使受体的DMSO溶液显著变化：由红褐色变为墨绿色。在其相应的紫外光谱中（见图1），Cu²⁺的加入使受体在453nm处的吸收峰显著增强。其余阳离子的加入对受体的DMSO溶液颜色和紫外光谱无明显影响，证明该受体能够选择性比色识别Cu²⁺。

大量实验证明，本发明比色检测铜离子的受体化合物在水与DMSO的混合体系中（水与DMSO的体积比为1:8~1:10），对铜离子具有明显的单一比色识别能力。

2、受体的紫外滴定实验

我们通过紫外滴定法测定了受体化合物结合铜离子的络合常数（Ks）（见图2），根据㏑(A₀λ-Aeλ/Aeλ-A∞λ)=㏑K_S+n㏑C_G，取454nm处数据代入公式得到Ks=1.50×10⁴，说明本发明合成的受体化合物与铜离子作用形成了稳定的配合物。

3、抗干扰性能检测

在两根10ml比色管中分别移取0.50 mL受体化合物的DMSO溶液（2×10^-4mol·L^{− 1}），然后在第一个比色管中加入Cu²⁺的DMSO溶液（2×10^-3mol·L^{− 1}），在第二个比色管中加入Fe³⁺，Hg²⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Pb²⁺，Cd²⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺ 十二种阳离子的DMSO溶液（2×10^-3mol·L^{− 1}）均0.25ml，再分别移取0.50mL的pH=7的HEPES缓冲溶液于上述两根比色管中，然后用DMSO定容至5mL。在第三根比色管只移取0.50ml受体化合物和0.50mL的pH=7的HEPES缓冲溶液，用DMSO定容至5mL。将上述三个比色管中的溶液混合均匀后放置30分钟后进行观察。结果显示，第一，二个比色管中溶液颜色均变成墨绿色，第三根比色管中溶液为受体化合物的颜色。在紫外-可见光谱图（图3）中，第一、二个比色管中（溶液中含有铜离子），受体在453nm处的吸收峰就显著增强，并且其他Fe³⁺，Hg²⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Zn²⁺，Pb²⁺，Cd²⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺等十一种离子对Cu²⁺的检测均无干扰。也就是说，本发明受体化合物对Cu的检测不受其它阳离子的影响。

4、受体化合物对Cu²⁺最低检测限的测定

在25℃时，利用紫外-可见吸收光谱法和比色法作了受体检测铜离子的最低检测限：在五支比色管中分别加入1ml受体化合物的DMSO溶液（2×10^-5 mol·L^-1），然后在其中四支比色管分别加入0.5ml铜离子浓度依次为：4×10^-4，4×10^-5，4×10^-6，4×10^-7 mol·L^-1的高氯酸盐的DMSO溶液，放置30分钟后进行观察。结果显示，加入铜离子的浓度为4×10^-4，4×10^-5，4×10^-6的试管中，溶液的颜色变为绿色，而未加入铜离子及加入铜离子浓度为4×10^-7 mol·L^-11的试管中，溶液的颜色不变，即溶液为受体化合物的颜色。表明受体化合物对铜离子的最低检测限为1.0×10^-6 mol·L^{− 1}。用紫外分光光度法通过3s_B/S计算所得，受体化合物对铜离子的最低检测限为1.6×10^-7 mol·L^{− 1}。上述最低检测限研究结果表明，本发明受体化合物对铜离子有很高的识别灵敏度。

综上所述，本发明受体化合物在含水的DMSO体系中对Cu²⁺有专一选择性比色识别能力。加入Cu²⁺后，受体的颜色由红褐色变为墨绿色，其他离子的加入对受体的颜色没有任何改变，且其他离子与铜离子共存时对铜离子的检测没有干扰。通过紫外滴定实验表明，该受体对Cu²⁺有着很强的络合能力，Ks=1.50×10⁴。而且，该受体对Cu²⁺的检测灵敏度很高，最低检测限可达到1.6×10^-7 mol·L^-1。因此，该受体化合物可用于铜离子的比色检测。

（四）铜离子检测试纸的制作及应用

1、滤纸的处理：将滤纸在用0.1~0.5 mol·L^-1的稀盐酸浸泡0.5~1小时，用蒸馏水洗涤，直至滤出液为中性为止；吸滤除去水后，将滤纸置于真空干燥箱中干燥；

2、试纸的制备：将受体化合物溶解在DMSO溶液中，配制成浓度为0.001~0.01 mol·L^-1的DMSO溶液，再滴加到经处理的滤纸上，使受体化合物的DMSO溶液均匀吸附于滤纸上；然后将滤纸置于真空干燥箱中干燥，最后剪成0.5 cm ×3cm 的试纸条，即得铜离子检测试纸。

3、铜离子试纸对铜离子的检测

配制浓度为4×10^-3 mol·L^-1的Fe³⁺，Hg²⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Pb²⁺，Cd²⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺金属离子的高氯酸盐的DMSO溶液，取13条上述制备的试纸，用滴管在第一条试纸上滴加一滴DMSO（空白），在其它试纸上分别滴加上述金属离子的DMSO溶液。结果显示：当在试纸上滴加DMSO后，由于DMSO的溶剂化作用，试纸由浅黄色变为红棕色；当在试纸上滴加Cu²⁺的DMSO溶液时，试纸颜色由浅黄色变为墨绿色；当在试纸上滴加Fe³⁺，Hg²⁺的DMSO溶液时，试纸颜色变为浅棕色；当在试纸上滴加Ag⁺，Ca²⁺， Zn²⁺，Pb²⁺，Cd²⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺的DMSO溶液时，试纸的颜色变化与空白（滴加纯DMSO）一致，即这些离子对该试纸无响应。

纵观上述实验，只有铜离子的加入能使试纸变为墨绿色，其它离子对该试纸没有显著的颜色响应，因此该试纸能选择性比色识别铜离子。更为显著的是，当对分别滴加了各种金属离子的DMSO溶液的试纸静置一小时后，随着溶剂DMSO的挥发，其余试纸均变为试纸本来的颜色（浅黄色），只有滴加铜离子的试纸颜色仍是墨绿色。从试纸颜色的变化看出受体化合物对铜离子展现出了单一选择性比色识别效果，这说明了该试纸可以高效、方便、快捷的检测铜离子。

附图说明

图1为受体化合物（2×10^-5 mol·L^-1）在溶液（DMSO/H₂O）中与各种金属离子（5eqv）相互作用时的紫外可见光谱图；

图2为受体化合物 (2×10^-5 mol·L^-1)对Cu²⁺的紫外滴定曲线（DMSO/H₂O (9:1v/v)溶液)；

图3为受体化合物对Cu²⁺的抗干扰曲线（DMSO/H₂O （9:1v/v）溶液）。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明受体化合物的制备及铜离子检测试纸的制备和应用进行详细的说明。

实施例1、受体化合物的合成

（1）香豆素-3-甲酸的合成：将4.88 g（0.04 mol） 水杨醛和4.36 g（0.042 mol ）丙二酸置于100毫升圆底烧瓶中，加入6毫升乙醇，于水浴上加热使之溶解；加入4.92 g（0.05 mol）苯胺；在15分钟内溶液固化成结晶性物质。将反应物放置过夜，晶体呈桔红色，随着反应时间的加长晶体颜色逐渐变淡，转为黄色。将黄色香豆素-3-甲酸的苯胺盐置于研钵中加40毫升水研磨，然后转移到100毫升三角瓶中，加8毫升浓盐酸，于水浴上加热到50℃左右，保持10min，冷却后将粗酸吸滤，水洗，干燥；最后用乙醇/DMF重结晶，得到7g香豆素-3-甲酸白色结晶，产率92%，熔点191~192 ℃（文献值187 ℃）。

（2）豆素-3-甲酰基异硫氰酸酯的合成：将香豆素-3-甲酸3 mmol溶于20 ml二氯甲烷中，再加入1.5 mmol 固体光气（BTC），滴加0.05ml左右的DMF作催化剂，在45℃下回流3小时，得淡黄色澄清液。回流完毕后在反应液中加入4.5 mmol 干燥的硫酸氢钾粉末，滴加 0.15ml左右的PEG-400做相转移催化剂，室温搅拌3小时，得橙黄色浑浊液。抽滤除去无机盐，得黄绿色澄清液，其为香豆素-3-甲酰基异硫氰酸酯溶液。

（3）受体化合物的合成：将2.4 mmol的2,4-二硝基苯肼加入上述香豆素-3-甲酰基异硫氰酸酯溶液中，室温下搅拌5小时，蒸出2/3溶剂，冷却静置，析出沉淀。抽滤后用质量浓度75 %的乙醇溶液润洗，得橙黄色粉末固体粗产品；粗产品用DMF和无水乙醇重结晶得淡黄色粉末固体，即为目标受体化合物。产率为 80%。

经IR，¹H NMR，¹³C NMR，元素分析表征其结构正确。具体表征数据同前述。

实施例2、受体化合物的合成

（1）同实施例1

（2）豆素-3-甲酰基异硫氰酸酯的合成：将香豆素-3-甲酸3 mmol溶于20 ml二氯甲烷中，再加入0.9 mmol 固体光气（BTC），滴加0.1ml左右的DMF作催化剂，在60℃下回流2小时，得淡黄色澄清液。回流完毕后在反应液中加入3 mmol 干燥的硫酸氢钾粉末，滴加0.15ml左右的PEG-400做相转移催化剂，室温搅拌6小时，得橙黄色浑浊液。抽滤除去无机盐，得黄绿色澄清液，其为香豆素-3-甲酰基异硫氰酸酯溶液。

（3）受体化合物的合成：将3 mmol的2,4-二硝基苯肼加入上述香豆素-3-甲酰基异硫氰酸酯溶液中，室温下搅拌3小时，蒸出2/3溶剂，冷却静置，析出沉淀。抽滤后用质量浓度95%的乙醇溶液润洗，得橙黄色粉末固体粗产品；粗产品用DMF和无水乙醇重结晶得淡黄色粉末固体，即为目标受体化合物。产率为78%。

具体表征数据同前述。

实施例3、受体化合物的合成

（1）同实施例1

（2）豆素-3-甲酰基异硫氰酸酯的合成：将香豆素-3-甲酸3 mmol溶于20 ml二氯甲烷中，再加入2.4 mmol 固体光气（BTC），滴加0.15ml左右的DMF作催化剂，在30℃下回流6小时，得淡黄色澄清液。回流完毕后在反应液中加入6 mmol 干燥的硫酸氢钾粉末，滴加0.10ml左右的PEG-400做相转移催化剂，室温搅拌6小时，得橙黄色浑浊液。抽滤除去无机盐，得黄绿色澄清液，其为香豆素-3-甲酰基异硫氰酸酯溶液。

（3）受体化合物的合成：将3.6 mmol的2,4-二硝基苯肼加入上述香豆素-3-甲酰基异硫氰酸酯溶液中，室温下搅拌6小时，蒸出2/3溶剂，冷却静置，析出沉淀。抽滤后用质量浓度85%的乙醇溶液润洗，得橙黄色粉末固体粗产品；粗产品用DMF和无水乙醇重结晶得淡黄色粉末固体，即为目标受体化合物。产率为73%。

具体表征数据同前述。

实施例4、铜离子检测试纸的制作

（1）滤纸的处理：将滤纸剪成8 cm×8 cm 的正方形，用0.5 mol·L^-1的稀盐酸浸泡1小时。用蒸馏水洗涤多次后，在布氏漏斗上边吸滤边用蒸馏水洗涤，直至滤出液为中性为止。吸滤除去水，将洗好的滤纸置于真空干燥箱中干燥。

（2）铜离子检测试纸的制作：将受体化合物溶解在DMSO溶液中，配制成浓度为0.01 mol·L^-1的DMSO溶液；将处理好的滤纸平放于10cm 平皿中，用滴管在滤纸的中心位置滴加受体化合物的DMSO溶液，控制好滴加速度，第一滴在滤纸上扩散完后再加第二滴，直至滤纸均匀的吸附受体化合物的DMSO溶液。将试纸置于真空干燥箱中干燥；彻底干燥后，将滤纸剪成0.5 cm ×3cm 的试纸条，置于干净、干燥的容器中备用。

实施例5、用铜离子试纸检测铜离子

配制浓度为4×10^-3 mol·L^-1的Fe³⁺，Hg²⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Pb²⁺，Cd²⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺金属离子的高氯酸盐的DMSO溶液，分别取13条试纸，用滴管在第一条试纸上滴加一滴DMSO（空白），在其它试纸上分别滴加上述金属离子的DMSO溶液。若试纸颜色由浅黄色变为墨绿色，则滴加的是铜离子的DMSO溶液。

Claims (10)

1.用于比色检测铜离子的受体化合物，其结构式如下：

。

2.如权利要求1所述用于比色检测铜离子的受体化合物的制备方法，包括以下工艺步骤：

（1）香豆素-3-甲酰基异硫氰酸酯的合成：以二氯甲烷为溶剂，N,N-二甲基甲酰胺为催化剂，香豆素-3-甲酸与固体光气以1:0.3~1:0.8的摩尔比，于30~60℃回流3~5小时，得淡黄色澄清液；回流完毕后在反应液中加入硫酸氢钾粉末和相转移催化剂 PEG-400， 室温搅拌反应2~6小时，得橙黄色浑浊液，即为香豆素-3-甲酰基异硫氰酸酯溶液；

（2）目标产物的合成：在香豆素-3-甲酰基异硫氰酸酯溶液中加入香豆素-3-甲酸摩量0.8~1.2倍的2,4-二硝基苯肼，于室温搅拌反应3~6小时，蒸除2/3溶剂，冷却，静置，析出沉淀；抽滤后用质量浓度75~95 %的乙醇溶液洗涤，然后依次用DMF、无水乙醇重结晶，得淡黄色粉末即为目标产物。

3.如权利要求1所述用于比色检测铜离子的受体化合物的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述N,N-二甲基甲酰胺的加入量为豆素-3-甲酸摩量的0.1%~1%。

4.如权利要求1所述用于比色检测铜离子的受体化合物的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述硫酸氢钾粉末的加入量为香豆素-3-甲酸摩量的1~2倍。

5.如权利要求1所述用于比色检测铜离子的受体化合物的制备方法，其特征在于：步骤 （2）所述相转移催化剂 PEG-400的加入量为香豆素-3-甲酸摩量的1%~5%。

6.如权利要求1所述用于比色检测铜离子的受体化合物在水与DMSO的混合体系中单一比色识别铜离子的应用。

7.如权利要求6所述用于比色检测铜离子的受体化合物在水与DMSO的混合体系中单一比色识别铜离子的应用，其特征在于：所述水与DMSO的混合体系中，水与DMSO的体积比为1:8~1:10。

8.一种基于如权利要求1所述比色检测铜离子受体化合物的铜离子检测试纸。

9.如权利要求8所述基于比色检测铜离子受体化合物的铜离子检测试纸的制备方法，包括以下工艺步骤：

（1）滤纸的处理：将滤纸在用0.1~0.5 mol·L^-1的稀盐酸浸泡0.5~1小时，用蒸馏水洗涤，直至滤出液为中性为止；吸滤除去水后，将滤纸置于真空干燥箱中干燥；

（2）试纸的制备：将受体化合物溶解在DMSO溶液中，配制成浓度为0.001~0.01 mol·L^-1的DMSO溶液，再滴加到经处理的滤纸上，使受体化合物的DMSO溶液均匀吸附于滤纸上；然后将滤纸置于真空干燥箱中干燥，最后剪成0.5 cm×3cm 的试纸条，即得铜离子检测试纸。

10.如权利要求8所述基于比色检测铜离子受体化合物的铜离子检测试纸的检测方法，其特征在于：先分别配制浓度为1×10^-3~5×10^-3 mol·L^-1的Fe³⁺，Hg²⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Pb²⁺，Cd²⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Cr³⁺，Mg²⁺金属离子的高氯酸盐的DMSO溶液，并分别用滴管滴加在试纸上；若试纸颜色由浅黄色变为墨绿色，则为Cu²⁺。

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