CN103193765B

CN103193765B - 一种1,8-萘酰亚胺衍生物、其制备方法及应用

Info

Publication number: CN103193765B
Application number: CN201310135687.5A
Authority: CN
Inventors: 徐冬梅; 杨亮
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2033-04-18
Also published as: CN103193765A

Abstract

本发明公开了一种1,8-萘酰亚胺衍生物、其制备方法及应用。具体的制备方法为将BEN、三聚氯氰、缚酸剂加入到有机溶剂中溶解，冰浴下搅拌反应一段时间后升温，继续搅拌反应；再次升温，最后搅拌反应24～48h；冷却至室温，经过过滤，水洗，干燥，硅胶柱分离，得到浅黄色粉末，记为TBEN；然后在N₂保护条件下，将TBEN与N,N-二甲基乙二胺加热反应，反应完毕后冷却至室温，加入去离子水沉淀，经过过滤，滤饼真空干燥，再用丙酮洗涤，得橘黄色粉末，即1,8-萘酰亚胺衍生物，可用作Fe³⁺离子荧光分子探针。本发明获得的1,8-萘酰亚胺衍生物可用于很宽的pH值范围以及水相体系，对Fe³⁺的响应选择性好、灵敏度高、快速而稳定。

Description

一种1,8-萘酰亚胺衍生物、其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种荧光材料，具体涉及一种1,8-萘酰胺衍生物及其制备方法与应用，属于有机合成领域。

背景技术

金属离子广泛存在于水体、土壤等自然环境中，不能被生物降解，却能在食物链的生物放大作用下富集，最后进入人体，超过一定浓度后会对人体有害，甚至会严重威胁生命，其与生命科学、环境科学以及医学有着密不可分的联系，因此有效检测金属离子可以控制污染和预防诊断疾病，在分析化学中占有重要地位。迄今能够用于金属离子检测的方法有原子吸收/发射光谱、紫外/可见光发射光谱、离子选择电极、电感耦合等离子体质谱、溶出伏安法以及荧光探针法，其中荧光分子探针检测法不仅方法简便，而且在灵敏度、选择性、响应时间、原位测定以及利用光纤进行远距离检测方面均有突出优点，并且用样量少、具有实用价值而成为检测金属离子的重要手段。

荧光法检测金属离子的基本原理是基于受体分子对重金属离子的识别，荧光基团起信号转换作用，通过将受体分子的识别信息转换为光信号，并以荧光基团的物理性质表达，最终实现对重金属离子的检测。重金属离子荧光探针包含识别基团、荧光基团和连接基团三部分，1,8-萘酰亚胺结构光稳定性好、荧光强烈、荧光量子产率高、斯托克斯位移大以及容易修饰，是荧光探针的典型荧光基团。

另外，铁是人体必需的微量元素，缺铁引起的贫血是世界上最常见的营养缺乏症，但过量的铁，特别是Fe³⁺，对人体有毒，所以对Fe³⁺离子的分析检测非常必要。

2007年，Grabchev所在课题组设计合成了一个含有两个萘酰亚胺荧光团，二乙烯三胺为连接基，N,N-二甲基乙二胺为识别基团的Fe³⁺离子荧光增强型探针，但是由于Fe³⁺离子能使荧光增强6.3倍，Cr³⁺离子也能是荧光增强5.7倍，而导致此探针对Fe³⁺离子检测不准确；之后该课题组还用1,8-萘酰亚胺修饰树枝状聚(酰胺胺)和聚(丙烯亚胺)得到了一系列含有4～16个1,8-萘酰亚胺单元的荧光分子，并将其用于识别金属离子和质子，但是大多数荧光分子对金属离子缺乏好的选择性和灵敏度，荧光团的利用效率比较差；2008年，Hee报道了一个对Fe³⁺离子有较好选择性的比率荧光探针，但在探针与Fe³⁺离子摩尔比为大于1∶88之后才出现明显的新荧光峰，而此时原来的荧光已接近完全淬灭，导致该探针的灵敏性较差(参见：Desislava Staneva, Ivo Grabchev, Jean-Philippe Soumillion, Vladimir Bojinov. A new fluorosensor base on bis-1,8-naphthalimide for metal cations and protons. J.Photochem. Photobiol., A:Chem, 2007(189):192；Grabchev I, Dumas S, Chovelon JM, and Nedelcheva A. First generation poly(propyleneimine) dendrimers functionalized with 1,8-naphthalimide units as fluorescence sensors for metal cations and protons. Tetrahedron, 2008, 64(9):2113；Ivo Grabcheva, Paula Bosch, Mark McKenna, D.Staneva. A new colorimetric and fluorimetric sensor for metal cations based on poly(propylene amine)dendrimer modified with1,8-naphthalimide. Chemistry, 2009(201):75；Hee Jung, Narinder Singh, Doo Ok Jang. Highly Fe³⁺selective ratiometric fluorescent probe base on imine-linked benzimidazole. Tetrahedron Letters, 2008(49):2960)。

同时，作为荧光分子探针，不仅要具有较好的荧光性能，而且要具有高选择性和高灵敏度，还需要能够适用于水相体系和较宽的pH值范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种1,8-萘酰亚胺衍生物及其制备方法，所制得的1,8-萘酰亚胺衍生物荧光强度高、荧光团利用率高，具有良好的荧光性能、优异的选择性和灵敏度、快的响应速度以及宽的pH值应用范围，并且可以应用于水相体系。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有式Ⅰ结构的1,8-萘酰亚胺衍生物：

式Ⅰ。

上述1,8-萘酰亚胺衍生物的制备方法如下：

（1）将4-正丁基-N-(2'-N,N-二乙基氨基)乙基-1,8-萘酰亚胺(BEN)、三聚氯氰(CNC)、缚酸剂按照（3.0～3.3）∶1∶（3.0～3.3）的摩尔比加入到溶剂中溶解，冰浴下搅拌反应2～6h；升温至25～55 ℃，搅拌反应10～20 h；升温至75～95℃，搅拌反应24～48h；冷却至室温，过滤，水洗，干燥，硅胶柱分离，得到浅黄色粉末，记为TBEN；

所述缚酸剂为NaOH、二异丙基乙胺（DIPEA）或K₂CO₃；所述溶剂为四氢呋喃/二氧六环混合溶液或者甲醇/二氧六环混合溶液。

（2）在N₂保护条件下，以摩尔比为1∶（20～40）的TBEN、N,N-二甲基乙二胺为反应物，于75～90℃反应24～60h，冷却至室温，加入去离子水沉淀，过滤，滤饼真空干燥，再用丙酮洗涤，得橘黄色粉末，即为所述的1,8-萘酰亚胺衍生物，记为TMNET。

上述技术方案中，所述步骤(2)中硅胶柱分离时的洗脱剂为甲醇和氯仿混合液，其中VCH₃OH∶VCHCl₃=1∶25～80；优选为1∶50。

上述技术方案中，所述干燥时的温度为25 ℃～60 ℃。

上述技术方案中，所述步骤（1）的反应条件优选为冰浴下搅拌反应4h；升温至45℃，搅拌反应15h；升温至85℃，搅拌反应24～48h。

本发明的另一目的是公开了上述1,8-萘酰亚胺衍生物作为Fe³⁺离子荧光分子探针的应用。

采用的溶剂体系为：DMF和水，体积比为9∶1。

本发明中，原料BEN的合成属于现有技术，已经被Qian公开（参见：Qian JH, Xu XF, and Qian XH. Effects of anionic surfactant SDS on the photophysical properties of two fluorescent molecular sensors. J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 2008, 200(2-3):402）。

现有的1,8-萘酰亚胺衍生物大多只含有一个1,8-萘酰亚胺单元，本发明将多个含有(((N,N-二甲基)氨基)乙基)氨基识别基团的1,8-萘酰亚胺结构单元通过三聚氯氰连接方式组合到一个分子中，得到的荧光探针因具有恰当的结合位点、敏感的微环境和多个荧光团，而具有更好的选择性和更高的灵敏度。

上述制备方法可表示如下：

。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点:

1．本发明利用的三聚氯氰是一个应用广泛的活泼中间体，其结构中的三个氯原子容易跟氨基、羟基等含活泼氢的基团反应，有利于新型1,8-萘酰亚胺衍生物的制备；并且1,3,5-三嗪环结构的平面性和刚性影响其周围各部分的微环境，从而提高了探针的选择性；

2．本发明的合成工艺简单，反应条件温和；

3．本发明制备的产物荧光强度高、荧光团利用率高，具有良好的荧光性能，作为金属离子荧光探针使用时具有高选择性、高灵敏度，特别能够快速准确的检测Fe³⁺离子，同时可以应用于很宽的pH值范围以及水相体系，从而具有良好的应用前景。

附图说明

图1是实施例十一中不同金属离子对TMNET的荧光增强图；

图2是实施例十二中含有不同浓度Fe³⁺的TMNET溶液的荧光强度图；

图3是实施例十三中共存离子对TMNET/Fe³⁺溶液荧光强度的影响图；

图4是实施例十四pH值对TMNET和TMNET/Fe³⁺荧光强度的影响图；

图5是TMNET对Fe³⁺的时间响应性图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一中间体BEN的制备

以无水乙醇为溶剂，4-溴-1,8-萘酐与乙二胺为反应物（两者摩尔比为1∶1.5），75℃搅拌反应3h，停止反应，将溶液过滤，滤液旋除溶剂后，加入去离子水沉淀，再收集淡黄色沉淀物，过滤，然后将滤饼真空干燥，得到淡黄色固体产物，记为BEN。收率：56.3%；熔点：151.8～153.6 ℃，与理论值符合。

实施例二中间体TBEN的制备

将实施例一中的BEN、三聚氯氰、NaOH按摩尔比为3.0:1:3.0加入到THF/二氧六环溶剂中，冰浴下搅拌反应2h；升温至25℃，搅拌反应10h；升温至75℃，搅拌反应24h；冷却至室温，过滤，水洗，干燥，硅胶柱分离，洗脱剂为甲醇和氯仿混合液（VCH₃OH:VCHCl₃=1:50），得到浅黄色粉末中间体TBEN，收率25.0%。

IR (KBr) cm^-1: 3388 (NH), 3062 (ArH), 2964, 2931 (CH₃, CH₂), 1703, 1664 (C=O), 1612, 1570, 1507, 1367, 1340, 1236 (ArH), 1043 (C-N).¹H NMR (CDCl₃, 300 MHz): δ ppm 7.75-8.76 (m, overlapping, 15H, ArH), 6.32 (s, b, 3H, NH), 4.08-4.30 (m, 6H, NHCH₂), 3.46-3.62 (t, J=5.1 Hz, 6H, NCH₂). LC-MS m/z calcd. For C₄₅H₃₀Br₃N₉O₆:1031.98 [M+H]⁺, found: 1031.99; Anal.Calcd. For C₄₅H₃₀Br₃N₉O₆ (1030.98): C, 52.35; H, 2.93; N, 12.21; found: C, 52.13; H, 2.92; N, 12.28。

实施例三中间体TBEN的制备

将实施例一中的BEN、三聚氯氰、DIPEA按摩尔比为3.2:1:3.0加入到THF/二氧六环溶剂中，冰浴下搅拌反应6h；升温至55℃，搅拌反应20h；升温至95℃，搅拌反应48h；冷却至室温，过滤，水洗，干燥，硅胶柱分离，洗脱剂为甲醇和氯仿混合液（VCH₃OH:VCHCl₃=1:80），得到浅黄色粉末中间体TBEN，收率28.2%。

实施例四中间体TBEN的制备

将实施例一中的BEN、三聚氯氰、K₂CO₃按摩尔比为3.2:1:3.2加入到甲醇溶剂中，冰浴下搅拌反应4h；升温至45℃，搅拌反应15h；升温至85℃，搅拌反应24h；冷却至室温，过滤，水洗，干燥，硅胶柱分离，洗脱剂为甲醇和氯仿混合液（VCH₃OH:VCHCl₃=1:25），得到浅黄色粉末中间体TBEN，收率28.9%。

实施例五中间体TBEN的制备

将实施例一中的BEN、三聚氯氰、NaOH按摩尔比为3.3:1:3.3加入到THF/二氧六环溶剂中，冰浴下搅拌反应4h；升温至45℃，搅拌反应15h；升温至85℃，搅拌反应48h；冷却至室温，过滤，水洗，干燥，硅胶柱分离，洗脱剂为甲醇和氯仿混合液（VCH₃OH:VCHCl₃=1:50），得到浅黄色粉末中间体TBEN，收率28.9%。

实施例六 TMNET的制备

在N₂保护条件下，以摩尔比为1∶20的TBEN、N,N-二甲基乙二胺为反应物，于75℃反应60h，冷却至室温，加入去离子水沉淀，过滤，滤饼真空干燥，再用丙酮洗涤，得橘黄色粉末，即为TMNET，收率57.8%。

IR (KBr) cm^-1: 3383 (NH), 2949, 2858, 2825, 2769 (CH₃, CH₂), 1691, 1647 (C=O), 1641, 1585, 1385, 1367, 1244 (ArH), 1051 (C-N).¹H NMR (CDCl₃, 400 MHz): δ ppm 8.49-8.61 (d, J=8.4 Hz, 3H, ArH), 8.28-8.36 (d, J=8.4 Hz, 3H, ArH), 8.12-8.23 (d, J=8.8 Hz, 3H, ArH), 7.55-7.62 (m, 3H, ArH), 7.28-7.39 (d, J=8.8 Hz, 3H, ArH), 6.68 (s, b, 3H, NH), 6.21 (s, b, 3H, NH), 4.12-4.26 (m, J=5.1 Hz, 6H, CH₂), 3.44-3.50 (m, 12H, CH₂), 2.57-2.65 (t, J=5.1 Hz, 6H, CH₂), 2.25 (s, 18H, CH₃); ¹³C NMR (CDCl₃, 300 MHz) δ: 165.8, 164.0, 163.2, 150.3, 137.7, 134.0, 130.4, 128.2, 124.2, 122.0, 120.1, 108.0, 103.7, 56.9, 45.3, 39.5. LC-MS m/z calcd. For C₅₇H₆₃N₁₅O₆:1054.51 [M+H]⁺, found: 1054.51; Anal.Calcd. For C₅₇H₆₃N₁₅O₆ (1053.51): C, 64.94; H, 6.02; N, 19.93; found: C, 64.07; H,6.01; N, 19.70。

实施例七 TMNET的制备

在N₂保护条件下，以摩尔比为1∶25的TBEN、N,N-二甲基乙二胺为反应物，于75℃反应24h，冷却至室温，加入去离子水沉淀，过滤，滤饼真空干燥，再用丙酮洗涤，得橘黄色粉末，即为TMNET，收率64.8%。

实施例八 TMNET的制备

在N₂保护条件下，以摩尔比为1∶25的TBEN、N,N-二甲基乙二胺为反应物，于85℃反应48h，冷却至室温，加入去离子水沉淀，过滤，滤饼真空干燥，再用丙酮洗涤，得橘黄色粉末，即为TMNET，收率71.4%。

实施例九 TMNET的制备

在N₂保护条件下，以摩尔比为1∶30的TBEN、N,N-二甲基乙二胺为反应物，于90℃反应48h，冷却至室温，加入去离子水沉淀，过滤，滤饼真空干燥，再用丙酮洗涤，得橘黄色粉末，即为TMNET，收率70.3%。

实施例十 TMNET的制备

在N₂保护条件下，以摩尔比为1∶40的TBEN、N,N-二甲基乙二胺为反应物，于90℃反应60h，冷却至室温，加入去离子水沉淀，过滤，滤饼真空干燥，再用丙酮洗涤，得橘黄色粉末，即为TMNET，收率69.5% 。

实施例十一 TMNET对Fe³⁺的选择性和灵敏度

在DMF和水（9:1，体积比）中，加入TMNET以及金属离子Na⁺、 K⁺、 Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cr³⁺、Pb²⁺、Ni²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Co²⁺、Cd²⁺和Hg²⁺，其中TMNET的浓度为10μM，金属离子的浓度为100μM，测定加入离子前后的荧光光谱，测试条件为：激发波长：438nm, 发射波长：516nm，狭缝宽度：3nm，温度：25℃。

附图1为不同金属离子对TMNET的荧光增强图，参见附图1发现只有Fe³⁺可使TMNET的荧光大大增强，其荧光增强指数达到19.1倍；除此之外，Cr³⁺使TMNET的荧光略有增强，但其荧光增强指数仅为4.3倍，表明在DMF和水（9:1，体积比）中TMNET对Fe³⁺有高的选择性和灵敏度。

实施例十二 TMNET对Fe³⁺的线性范围和检测限

在DMF和水（9:1，体积比）中，加入TMNET以及不同浓度的Fe³⁺离子，测定不同浓度的Fe³⁺离子的荧光光谱，测试条件为：激发波长：438nm, 发射波长：516nm，狭缝宽度：3nm，温度：25℃。

附图2为最大荧光强度与Fe³⁺离子浓度的关系图，可以看出在Fe³⁺浓度为55～90μM时，TMNET的最大荧光强度随Fe³⁺浓度呈现出较好的线性关系，线性方程为最大荧光强度I= -4404690+847573[Fe³⁺]，相关系数R=0.9917，根据滴定实验和空白实验估算的TMNET对Fe³⁺的检测限为3.92×10^-8 mol/L。

实施例十三共存离子对TMNET检测Fe³⁺的影响

在DMF和水（9:1，体积比）中，加入TMNET以及金属离子Na⁺、 K⁺、 Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cr³⁺、Pb²⁺、Ni²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Co²⁺、Cd²⁺和Hg²⁺，其中TMNET的浓度为10μM，Fe³⁺离子的浓度为100μM，Pb²⁺、Ni²⁺、以及Mn²⁺离子的浓度为50μM，其余金属离子的浓度为100μM，测定不同金属离子与Fe³⁺离子共存时的荧光光谱，测试条件为：激发波长：438nm, 发射波长：516nm，狭缝宽度：3nm，温度：25℃。

附图3为不同金属离子与Fe³⁺离子共存时的荧光强度图，从中可以看出在DMF和水（9:1，体积比）中，Fe³⁺（100 μM）的加入可使TMNET（10 μM）的荧光显著增强，而Na⁺，K⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，Zn²⁺，Cu²⁺，Cr³⁺，Fe²⁺，Co²⁺，Cd²⁺和Hg²⁺（100 μM），Pb²⁺，Ni²⁺和Mn²⁺（50 μM）分别与Fe³⁺共存时，对TMNET/Fe³⁺体系的荧光强度影响很小；结果表明，在DMF和水（9:1，体积比）中，TMNET是可靠的高选择性和高灵敏度Fe³⁺荧光探针。

实施例十四：TMNET的pH敏感性

在DMF和水（9:1，体积比）中，加入浓度为10μM的TMNET以及浓度为100μM的Fe³⁺离子，用NaOH和HCl水溶液调节pH值，测定不同pH值下的体系的荧光光谱，测试条件为：激发波长：438nm, 发射波长：516nm，狭缝宽度：3nm，温度：25℃。

附图4为pH值与TMNET以及TMNET/ Fe³⁺离子体系荧光强度关系图，可以看出TMNET荧光随pH值变化表现出典型4-烷氨基-1,8-萘酰亚胺的“on-off”型，在pH 2～11范围内，总体上TMNET荧光较弱，有利于TMNET通过荧光增强检测金属离子；当有Fe³⁺存在时，在pH 3.5～8.5范围内，TMNET/ Fe³⁺体系的荧光要显著强于对应的TMNET体系的荧光。可见TMNET可以用于很宽的pH范围内检测Fe³⁺，完全可以用于环境和生物体系中的Fe³⁺检测。

实施例十五：TMNET对Fe³⁺的响应速度

在DMF和水（9:1，体积比）中，加入浓度为10μM的TMNET以及浓度为100μM的Fe³⁺离子，测定不同体系的荧光光谱，测试条件为：激发波长：438nm, 发射波长：516nm，狭缝宽度：3nm，温度：25℃。

附图5为TMNET以及TMNET/Fe³⁺离子体系的荧光强度与时间的关系图，可以看出TMNET本身的荧光强度在1 h内基本保持在很低的水平，加入Fe³⁺后，体系荧光瞬时急剧增强，并在10min内达到饱和，然后，在1 h内保持稳定，说明TMNET是一个快速响应而且可靠的Fe³⁺荧光探针。

Claims

1.一种具有式Ⅰ结构的1,8-萘酰亚胺衍生物：

Figure 2013101356875100001DEST_PATH_IMAGE001

式Ⅰ。

2.一种权利要求1所述的1,8-萘酰亚胺衍生物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将N-(2-氨基乙基)-4-溴-1,8-萘酰亚胺、三聚氯氰、缚酸剂按照（3.0～3.3）∶1∶（3.0～3.3）的摩尔比加入到溶剂中溶解，冰浴下搅拌反应2～6h；升温至25～55 ℃，搅拌反应10～20 h；升温至75～95℃，搅拌反应24～48h；冷却至室温，过滤，水洗，干燥，硅胶柱分离，得到浅黄色粉末，记为TBEN；

所述缚酸剂为NaOH、二异丙基乙胺或K₂CO₃；所述溶剂为四氢呋喃/二氧六环混合溶液或者甲醇/二氧六环混合溶液；

3. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中硅胶柱分离时的洗脱剂为甲醇和氯仿混合液，其中VCH₃OH∶VCHCl₃=1∶（25～80）。

4. 根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述VCH₃OH∶VCHCl₃=1∶50。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述干燥时的温度为25 ℃～60 ℃。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中冰浴下搅拌反应4h；升温至45℃，搅拌反应15h；升温至85℃，搅拌反应24～48h。

7.权利要求1所述的1,8-萘酰亚胺衍生物作为Fe³⁺离子荧光分子探针的应用。

8. 根据权利要求7所述的应用，其特征在于，采用的溶剂体系为：DMF和水，体积比为9∶1。