CN103130827A

CN103130827A - 一种检测氟离子的化合物及其制备方法和应用

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Publication number: CN103130827A
Application number: CN2013100883772A
Authority: CN
Inventors: 李振; 程晓红
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2033-03-19
Also published as: CN103130827B

Abstract

本发明公开了一类检测氟离子的化合物及其制备方法和用途。该化合物的结构式如下：其中，R为-COOCH₃或-CH₂OH。本发明的化合物可用作氟离子荧光传感器，且该化合物制备简易，对氟离子的灵敏度高，选择性好，有较好的水溶性和生物相容性，能够实现对无机氟离子的高效检测，尤其是能够实现活体细胞中氟离子的检测。

Description

一种检测氟离子的化合物及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种检测氟离子的化合物及其制备方法，还涉及该化合物作为氟离子荧光传感器的用途，尤其涉及该传感器用作细胞中氟离子检测方面。

背景技术

由于阴离子在生物、环境和化工等领域扮演着重要的角色，所以设计合成选择性识别阴离子的化学传感器成为当前超分子化学研究领域的重要课题，其中荧光传感器能够将分子识别的信息转换成能被感知的荧光信号，具有高度灵敏性、快速检测，检出限低等特点，可广泛应用于生物化学、细胞生物学和分析化学等相关领域。氟离子具有很多独特的生物和化学性质。氟是人体必需的微量元素之一，人体内缺少氟，会造成龋齿和骨质疏松等疾病。但是人体内摄人过量的氟会破坏胶原质、降低甲状腺的活力、造成免疫力下降等，对人体危害极大。在细胞学和生物学中，氟化钠会影响细胞信号的传输，而且高浓度的氟离子会导致哺乳动物细胞的凋亡。随着工业的发展、排氟企业的增多及生产规模的扩大，导致环境氟污染日趋严重，因此对氟离子进行选择性识别和检测具有十分重要的现实意义。

对于氟离子的检测存在一定的挑战性，因为其离子半径较小，电负性较高，有很强的溶剂化趋势，存在形式对介质酸度较为敏感，只能存在于一定的pH范围内。因此，在设计针对氟离子的传感器时，必须综合考虑全部影响因素。目前，人们已经成功设计了一系列氟离子的化学传感器，然而却存在着种种局限性：大部分的氟离子传感器只能在有机溶剂中进行，并且只能检测有机的氟离子（以四丁基氟化铵形式存在），而不能检测无机的氟化钠；一些已被报道的氟离子传感器由于存在水溶性较差、不能通过细胞膜、对细胞有毒害等局限性，不能用于细胞中氟离子的检测。

因此，设计合成水溶性好、生物相容性好、能够检测无机的氟化钠的荧光传感器仍是当务之急，并对于生物化学、环境科学以及医学等都有着重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术之不足，提供一种有较好的水溶性和生物相容性的检测氟离子的化合物。

本发明为解决上述问题提供的技术方案是：一种检测氟离子的化合物，其结构通式为：

其中，R为-COOCH₃或-CH₂OH。

本发明还提供上述检测氟离子的化合物的制备方法，包括以下步骤：

1）将结构式为

的化合物F0和氢化钠分别置于反应容器中（氢化钠与化合物F0的摩尔比为2：1），抽真空后，在氮气或氩气保护下加入新蒸的四氢呋喃做溶剂；

2）在冰浴下（0℃），将化合物F0的四氢呋喃溶液慢慢滴加到氢化钠的四氢呋喃溶液中，滴加完毕后继续搅拌5分钟，然后等体系升温至室温（18～35℃）后，加入叔丁基二苯基氯硅烷（叔丁基二苯基氯硅烷与化合物F0的摩尔比为2：1），在氮气或氩气保护下避光反应，室温下搅拌12小时，薄板层析（TLC）显示反应完全后，减压蒸馏除去溶剂，将所得到的粗产品溶解到氯仿中，用饱和盐水洗三次，用氯仿萃取，合并有机层，用无水硫酸钠或无水硫酸镁干燥，减压蒸馏除去溶剂后经柱层析分离，得到结构式为的化合物F1，上述柱层析所用的淋洗剂为二氯甲烷和石油醚按体积比2：1混合的溶剂。

本发明的制备方法还包括以下步骤：

1）将化合物F1和氢化铝锂分别置于反应容器中（氢化铝锂与化合物F1的摩尔比为1：1），抽真空后，在氮气或氩气保护下加入新蒸的四氢呋喃做溶剂；

2）在冰浴下（0℃），将氢化铝锂的四氢呋喃溶液慢慢滴加到化合物F1的四氢呋喃溶液中，滴加完毕后继续搅拌2小时，薄板层析（TLC）显示反应完全后，减压蒸馏除去溶剂，将所得到的粗产品溶解到二氯甲烷中，用5摩尔每升的盐酸溶液洗三次，用二氯甲烷萃取，合并有机层，用无水硫酸钠或无水硫酸镁干燥，减压蒸馏除去溶剂后，得到结构式为

的化合物F2。

本发明的化合物用作氟离子荧光传感器，具有很好的传感性能。在化合物F1或F2的溶液中加入微量的氟离子后，由于硅原子与F^-有很强的亲合力，可以形成Si-F键而使得原有的Si-O键发生断裂，生成含氧负基团的中间体M1，该中间体很快经过互变异构形成共轭的化合物M2。

上述化合物M1和M2的结构通式分别为：

由于氟离子的加入，使得体系中原来的非共轭结构变为共轭结构，引起分子内电荷转移情况的改变，宏观上表现为化合物的荧光发光的改变。这类传感器因为氟离子与硅有特别强的结合力而具有良好的选择性和极高的敏感度。

此外，基于该类化合物较好的水溶性和生物相容性，我们研究了化合物F1在活细胞中氟离子的检测。用化合物F1的溶液培养的HeLa细胞，加入氟离子之后，在荧光倒置显微镜下观察，有明显的绿色荧光。而对于参照组，即只用化合物F1的溶液培养的HeLa细胞，则几乎没有荧光。明场观察可以看到很好的细胞形态，证明在整个实验过程中细胞活性良好。细胞成像实验表明，化合物F1可以很好地穿透细胞膜，用作活体细胞中氟离子的检测，这对于生物化学、细胞生物学以及医学等都有着重大的意义。

因此，与现有技术相比，本发明的优点是：

1.本发明的化合物，其制备以及分离过程简易，产率较高。

2.本发明的化合物作为氟离子荧光传感器，可以用于对无机氟离子的高灵敏度、高选择性检测。

3.本发明的氟离子荧光传感器，有较好的水溶性和生物相容性，能够实现对无机氟离子的高灵敏度、高选择性检测，尤其是能够实现活体细胞中氟离子的检测。

附图说明

图1为氟离子对本发明实施例的化合物F1的荧光滴定图。

图2为氟离子对本发明实施例的化合物F2的荧光滴定图。

图3为本发明实施例的化合物F1对常见阴离子的识别响应图。

图4为本发明实施例的化合物F2对常见阴离子的识别响应图。

图5为本发明实施例的化合物F1在其它竞争阴离子存在下对氟离子的识别响应图。

图6为本发明实施例的化合物F1加入氟离子后在HeLa细胞中的荧光成像图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护内容不局限于以下。

本发明实施例所用的原料均为已知化合物，可由市场购得，或按照现有技术的方法合成得到。

实施例1：化合物F1的制备

制备路线如下所示：

将化合物F0（362mg,1.0mmol）、氢化钠（48mg,2.0mmol）分别置于两个Schlenk反应瓶中，抽真空处理后，在氩气（或氮气）保护下加入新蒸的四氢呋喃做溶剂。在冰浴下（0℃），将化合物F0的四氢呋喃溶液慢慢滴加到氢化钠的四氢呋喃溶液中。滴加完毕后，在冰浴下继续搅拌5分钟，然后待体系升温至室温（18～30℃）后，加入叔丁基二苯基氯硅烷（548.2mg,2.0mmol），在氮气或氩气保护下避光反应，室温下搅拌12小时。薄板层析（TLC）显示反应完全后，减压蒸馏除去溶剂后，将所得到的粗产品溶解到氯仿中，用饱和盐水洗三次，用氯仿萃取三次，合并有机层，用无水硫酸钠或无水硫酸镁干燥，减压蒸馏除去溶剂后，以二氯甲烷和石油醚的混合溶剂（二氯甲烷和石油醚的体积比为2：1）为淋洗剂，硅胶柱层析分离，得到浅黄色固体产物，产率为62%。经检测分析证实该产物为化合物F1。

¹H NMR(300MHz,CDCl₃):δ1.08(s,9H),3.75(s,3H),3.89(s,3H),6.10(s,1H),6.33-6.36(d,J=9.0,1H),6.47-6.50(d,J=9.0,1H),6.56(s,2H),6.70-6.73(d,J=9.0,1H),6.87-6.90(d,J=9.0,1H),7.04-7.07(d,J=9.0,1H),7.17-7.20(t,J=3.7,1H),7.30-7.42(m,6H),7.70-7.76(m,5H)。

¹³C NMR(75MHz,CDCl₃):δ19.7,26.7,38.1,52,5,55.6,101.2,107.6,110.3,115.5,117.1,117.8,126.3,128.0,129.6,129.7,130.1,130.5,130.7,132.1,132.6,133.1,135.8,148.5,151.3,151.6,155.3,159.4,169.0.MS(ESI),m/z[M+H]⁺:601.8,calcd,602.1。

实施例2：化合物F2的制备

制备路线如下所示：

将化合物F1（60mg,0.1mmol）、氢化铝锂（38mg,0.1mmol）分别置于两个Schlenk反应瓶中，抽真空处理后，在氩气（或氮气）保护下加入新蒸的四氢呋喃做溶剂。在冰浴下（0℃），将氢化铝锂的四氢呋喃溶液慢慢滴加到化合物F1的四氢呋喃溶液中。滴加完毕后，在冰浴下继续搅拌2小时。薄板层析（TLC）显示反应完全后，减压蒸馏除去溶剂，将所得到的粗产品溶解到二氯甲烷中，用5mol/L的盐酸溶液洗三次，然后用二氯甲烷萃取，合并有机层，用无水硫酸钠或无水硫酸镁干燥，减压蒸馏除去溶剂后，得到浅黄色固体产物，产率为81.7%。经检测分析证实该产物为化合物F2。

¹H NMR(300MHz,CDCl₃):δ1.01(s,9H),3.68(s,3H),4.46(s,2H),5.33(s,1H),6.23-6.26(d,J=9.0,1H),6.38-6.41(d,J=9.0,1H),6.49-6.52(m,3H),6.66-6.69(d,J=9.0,1H),7.07-7.09(m,1H),7.14-7.18(m,3H),7.29-7.35(m,5H),7.58-7.64(m,5H)。

¹³C NMR(75MHz,CDCl₃):δ19.6,26.6,37.9,52.5,55.5,101.0,107.5,110.2,115.4,117.0,117.6,126.2,128.0,129.4,129.7,130.1,130.4,130.7,132.0,132.6,132.8,132.9,135.7,148.4,151.1,151.4,155.2,159.2。

实施例3：化合物F1的溶液对F^-的检测

配制浓度为1×10^-2mol/L的NaF水溶液，在进行荧光分析时用二次蒸馏水稀释到所需浓度。

配制实施例1中制备的化合物F1的THF溶液，浓度均为1×10^-3mol/L，在进行荧光分析时用10mM的HEPES（4-羟乙基哌嗪乙磺酸）缓冲溶液稀释到5×10^-6mol/L，体系的pH为7.2。加入催化量的15-冠-5作为相转移催化剂。

在室温条件下，用荧光分光光度计分别测试化合物F1的溶液加入F^-之前和之后的荧光发射光谱。如图1所示，在520nm处从下到上的滴定曲线依次表示体系中F^-浓度（单位：10^-4mol/L）为0.0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0和10.0时体系的荧光光谱。从图1中可以看到，随着体系中F^-浓度的增加，化合物F1在520nm处的荧光强度逐渐增强。通过荧光滴定测试发现，当体系中F^-浓度低为1×10^-3mol/L时，化合物F1在520nm处的荧光强度增加了约25倍，荧光量子产率由原来的0.01增大到0.37。

以上结果表明，本发明的含叔丁基二苯基硅基团的化合物对F^-离子具有较高的灵敏度。

实施例4：化合物F2的溶液对F^-的检测

配制浓度为1×10^-2mol/L的NaF水溶液，在进行荧光分析时稀释到所需浓度。

配制实施例2中制备的化合物F2的THF溶液，浓度均为1×10^-3mol/L，在进行荧光分析时用10mM的HEPES（4-羟乙基哌嗪乙磺酸）缓冲溶液稀释到5×10^-6mol/L，体系的pH为7.2。加入催化量的15-冠-5作为相转移催化剂。

在室温条件下，用荧光分光光度计分别测试化合物F2的溶液加入F^-之前和之后的荧光发射光谱。如图2所示，在520nm处从下到上的滴定曲线依次表示体系中F^-浓度（单位：10^-4mol/L）为0.0、2.0、5.0、8.0、10.0、13.0、15.0、20.0、25.0和30.0时体系的荧光光谱。从图2中可以看到，随着体系中F^-浓度的增加，化合物F2在520nm处的荧光强度逐渐增强。通过荧光滴定测试发现，当体系中F^-浓度低为3×10^-3mol/L时，化合物F2在520nm处的荧光强度增加了约8倍。

实施例5：化合物F1和F2对其它阴离子的响应

分别配制NaOAc·3H₂O,NaNO₂,NaNO₃,Na₂SO₃,Na₂CO₃,Na₂SO₄,Na₃PO₄,NaCl,NaIO₃,KClO₃,KBr,Na₂HPO₄·12H₂O,NaHSO₃,Na₂S,Na₂S₂O₃·5H₂O,KI,KSCN,NaCN和NaOCl的水溶液，浓度均为1×10^-1mol/L。

配制实施例1或2中制备的化合物F1或F2的THF溶液，浓度均为1×10^-3mol/L，在进行荧光分析时用10mM的HEPES（4-羟乙基哌嗪乙磺酸）缓冲溶液稀释到5×10^-6mol/L，体系的pH均为7.2。加入催化量的15-冠-5作为相转移催化剂。

在室温条件下，用荧光分光光度计分别测试化合物F1（如图3所示）和化合物F2（如图4所示）的溶液加入阴离子之前和之后的荧光发射光谱，研究其对不同阴离子的响应。图3和图4中，I₀为初始荧光强度，I为加入阴离子后化合物F1或F2在520nm处的荧光强度。纵坐标I/I₀-1表示加入不同的阴离子后在520nm处溶液荧光发射强度的变化。从图3可以看出，除了次氯酸根有微弱的干扰之外，化合物F1对于除F^-离子之外的其它常见阴离子的荧光响应较小。同样，从图4可以看出，化合物F2对其它阴离子的响应也远远小于对氟离子的响应。

在室温条件下，用荧光分光光度计测试化合物F1在先加入其它阴离子再加入氟离子之后的荧光发射光谱，研究其在其它竞争离子存在的情况下对氟离子的选择性响应。图5中，I₀为初始荧光强度，I为加入阴离子后化合物F1在520nm处的荧光强度。纵坐标I/I₀-1表示加入阴离子后溶液在520nm处荧光发射强度的变化。从图5可以看出，即使在其它阴离子的存在下，化合物F1也能够高选择性地检测氟离子。

以上结果表明本发明的含叔丁基二苯基硅基团的化合物对氟离子具有较好的选择性。

实施例6：化合物F1在细胞成像中的应用

海拉细胞用含有10%胎牛血清（NBS）和1%青霉素-链霉素的DMEM培养液常规培养。将密度为5×10⁴cell/well的细胞直接接种到24-孔板中，在二氧化碳培养箱内（5%二氧化碳/95%空气），温度保持在37℃培养24小时。

用二次蒸馏水配置浓度为10mM的磷酸缓冲溶液（PBS），pH为7.02。

配置浓度为1×10^-3mol/L的化合物F1的DMSO溶液，在细胞成像实验中取该母液20μL，加入到1mL的PBS缓冲液中，得到F1最终浓度为2×10^-5mol/L。

将接种在24-孔板上的细胞用PBS洗三次，然后用上述F1的溶液培养15分钟后，加入NaF水溶液(最终浓度为1mM)继续培养15分钟。参照实验组则只用F1的溶液培养15分钟。明场成像和荧光成像用荧光倒置显微镜（OLYMPUS IX71）观测。荧光显微照片激发波长为460-490nm，收集波长为520nm。从图6a中可以看出，只用化合物F1的溶液培养的HeLa细胞，几乎没有荧光。而加入氟离子之后，在荧光倒置显微镜下观察，有明显的绿色荧光（如图6b所示）。明场观察可以看到很好的细胞形态，证明在整个实验过程中细胞活性良好（如图6c所示）。图中比例尺为5μm。

细胞成像实验表明，化合物F1可以很好地穿透细胞膜，用作活体细胞中氟离子的检测。

Claims

1.一种检测氟离子的化合物，其特征在于，所述化合物的结构通式如下：

其中，R为-COOCH₃或-CH₂OH。

2.如权利要求1所述的检测氟离子的化合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将结构式为

的化合物F0和氢化钠分别置于反应容器中，化合物F0与氢化钠的摩尔比为1：2，惰性气体保护下加入新蒸的四氢呋喃做溶剂，分别得到化合物F0的四氢呋喃溶液和氢化钠的四氢呋喃溶液；

2）冰浴条件下将化合物F0的四氢呋喃溶液慢慢滴加到氢化钠的四氢呋喃溶液中，滴加完毕后继续搅拌，待体系升温至室温后，加入叔丁基二苯基氯硅烷，化合物F0与叔丁基二苯基氯硅烷的摩尔比为1：2，惰性气体保护下避光反应，室温下搅拌12小时，反应完全后，减压蒸馏除去溶剂，洗涤、萃取、干燥，除去溶剂后经柱层析分离得到结构式为

的化合物F1。

3.根据权利要求1所述的检测氟离子的化合物的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：

1）将化合物F1和氢化铝锂分别置于反应容器中抽真空，化合物F1与氢化铝锂的摩尔比为1：1，在惰性气体保护下加入新蒸的四氢呋喃做溶剂，分别得到化合物F1的四氢呋喃溶液和氢化铝锂的四氢呋喃溶液；

2）冰浴条件下将氢化铝锂的四氢呋喃溶液慢慢滴加到化合物F1的四氢呋喃溶液中，滴加完毕后继续搅拌2小时，反应完全后，减压蒸馏除去溶剂，洗涤、萃取、干燥后除去溶剂，得到结构式为

的化合物F2。

4.如权利要求1所述的化合物F1和F2作为荧光传感器对氟离子的检测。