CN103409132A - 含有水溶性吲哚菁衍生物的pH指示剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一类吲哚菁衍生物的pH指示剂及其应用，本发明的指示剂能够准确测定待测体系的极小pH变化，可作为快速响应的极碱pH指示剂，应用于环境监测和工业生产和实验中。

Description

含有水溶性吲哚菁衍生物的pH指示剂及其应用

技术领域

本发明属于有机染料领域，特别涉及一类吲哚菁衍生物的pH指示剂及其应用。 

背景技术

pH指示剂在很多的领域内都发挥着重要的作用，不管是实验室还是工业生产中都离不开pH值的测定。目前最为流行和简便的是玻璃电极，但是玻璃电极存在着酸碱误差，不能够用于检测极酸和极碱的体系，并且电极受周围环境的影响较大存在系统误差，这些缺陷都限制了它的应用。基于光谱分析的新型pH指示剂，因其能够消除玻璃电极的误差而被广泛关注。

光谱分析的pH指示剂在一定程度上能够避免玻璃电极的误差，但是在作为非侵害性的pH指示剂时，也十分容易地受到周围微环境的影响。例如：光程长度、指示剂浓度、光致漂白等。为了解决上述光谱分析pH指示剂存在的问题，近年来开发了荧光比率计pH指示剂。这种指示剂同时存在两个明显的荧光发射峰，通过同时计算两个荧光峰强度的比值得到荧光比率计，它们的优点在于能够避免光学分析过程中的系统误差，使得测量更为精确。

吲哚菁染料是一类两端带有带电基团中间连有多甲川链的化合物。它们由于紫外吸收和荧光发射在近红外区，发射波长易于调节而被广泛研究，并且它们的摩尔消光系数大，是最具前景的光学分析pH指示剂之一。吲哚菁染料的pH敏感范围在5-8之间，相关的pH指示剂近年来报道甚多，但是其pH敏感范围在5-8之外的pH指示剂则鲜有报道。因此，开发pH响应范围在5-8之外的pH指示剂并将其应用到pH的测定中，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一类吲哚菁衍生物的pH指示剂，在本发明的一个优选实施方式中，提供了一类光稳定性好、水溶性好和pH敏感性的极碱pH指示剂的应用。用于本发明的吲哚菁衍生物已经记载于本发明的在先申请中，该在先申请的申请号是CN201210530801.X，该在先申请的全文并入本申请的说明书中，并作为本申请原始申请文件中的一部分。

本发明涉及一类吲哚菁衍生物的pH指示剂以及其作为pH指示剂的用途，所述的吲哚菁衍生物选自式（I）所示的化合物中的一种或者多种的组合：

                                                 

其中，

在本发明的一个优选实施方式中，所述的吲哚菁衍生物选自下列化合物中的一种或者多种的组合：

在本发明的一个优选实施方式中，所述的pH值指示剂为荧光比率计pH指示剂。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的pH值指示剂为pH值>8的pH值指示剂。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的吲哚菁衍生物如式（III）所示：

本发明另一方面还涉及一种pH值检测方法，其特征在于以上述pH值指示剂作为pH值检测指示剂。

在本发明的另一个优选实施方式中，所述的pH值检测方法还包括加入pH值指示剂之后对样品进行荧光光谱、紫外吸收光谱和/或H NMR分析。

本发明提供的吲哚菁染料，其对pH的敏感范围根据取代基团和吲哚菁染料的种类的不同而变化。该类极碱pH值的测试方法操作简便，精确度高，对待测体系的侵害性小，抗环境因素干扰。通过光学分析法来测定体系中的pH值，特别是在玻璃电极测试误差极大的极碱pH范围内，使其在工业生产和环境监测领域具有广阔的应用前景。 

附图说明

图1：本发明吲哚方酸菁的强碱pH指示剂作用原理图。在pH值8-11之间，吲哚方酸菁的共轭结构存在，溶液表观颜色为蓝色（左一），在紫外灯下为红色（左二）；在pH值大于11后，吲哚方酸菁的共轭结构被破坏，溶液表观颜色从蓝色变为无色（右一），在紫外灯下由红色变为黄色（右二）。

图2：实施例1中吲哚方酸菁1的紫外（a）和荧光光谱（b，c），pH范围8-13，间隔为1. 在pH8-11之间紫外吸收最大值基本不变，在pH大于11后紫外吸收最大峰迅速下降，并在396 nm处出现新的吸收峰；在pH8-11之间，598 nm处激发的荧光发射峰逐渐下降，396 nm处激发的荧光发射峰基本不变，在pH大于11后598 nm处激发的荧光发射峰迅速下降至淬灭而396 nm处激发的荧光发射峰逐渐增强大最大。

图3：实施例1中吲哚方酸菁1的紫外（a）和荧光光谱（b，c），pH范围10.6-13，间隔0.2；吲哚方酸菁1的紫外（d）和荧光光谱（e）最大吸收峰值的比值曲线。紫外吸收随着pH值增大，637 nm处的吸收峰逐渐减小而396 nm处的吸收峰逐渐增大；荧光发射峰随着pH值的增大，598 nm处激发的荧光强度逐渐减小而396 nm处激发的荧光强度逐渐增大。紫外吸收峰值637/396之比随着pH增大而逐渐减小，荧光强度值647/500之比亦随着pH增大而逐渐减小。

图4：实施例1中吲哚方酸菁1的加成反应核磁表征，（a）中性（pH = 7）条件下的核磁氢谱，（b）强碱（pH = 13）条件下的核磁氢谱，（c）再次恢复到中性条件下的核磁氢谱。通过吲哚啉杂环上的甲基氢以及苄基氢的分析得到氢氧根与吲哚菁染料加成的机理，以及可逆变化的证明。

图5：实施例1中吲哚方酸菁染料1在循环次数图。在染料1的体系中分别调节其pH值在8和13，如此往复循环5次得到的其在598 nm处激发的荧光发射最大峰强度的图。

图6：实施例2中吲哚方酸菁染料2的紫外（a）和荧光光谱（b，c），pH范围8-13，间隔为1. 在pH8-11之间紫外吸收最大值略有下降，在pH大于11后紫外吸收最大峰迅速下降，并在396 nm处出现新的吸收峰；在pH8-11之间，598 nm处激发的荧光发射峰逐渐下降，396 nm处激发的荧光发射峰基本不变，在pH大于11后598 nm处激发的荧光发射峰迅速下降至淬灭而396 nm处激发的荧光发射峰逐渐增强大最大。

图7：实施例2中吲哚方酸菁染料2的紫外（a）和荧光光谱（b，c），pH范围10.6-13，间隔0.2；吲哚方酸菁1的紫外（d）和荧光光谱（e）最大吸收峰值的比值曲线。紫外吸收随着pH值增大，637 nm处的吸收峰逐渐减小而396 nm处的吸收峰逐渐增大；荧光发射峰随着pH值的增大，598 nm处激发的荧光强度逐渐减小而396 nm处激发的荧光强度逐渐增大。紫外吸收峰值637/396之比随着pH增大而逐渐减小，荧光强度值647/500之比亦随着pH增大而逐渐减小。

图8：吲哚方酸菁染料2的核磁氢谱表征。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步阐述。本发明不限于这些具体的实施例。

产物结构的表征使用：核磁¹H 和 ¹³C谱 （Bruker 400），质谱（XEVO-G2QTOF (ESI) (Waters, USA)）。

产物光学性能表征使用：紫外可见光谱 (Cintra 20, GBC, Australia)，荧光光谱 (Horiba Jobin Yvon FluoroMax-4 NIR, NJ, USA)。

不同pH值缓冲溶液体系的pH值测定使用：氢离子计 (Mettler Toledo S40K)。

关于化合物的合成与表征的详细介绍请参见本申请的在先申请CN201210530801X。在本申请中将简要介绍化合物的合成与表征。

伯胺基功能化的吲哚方酸菁染料的有机合成：

1）将对羧基苯肼盐酸盐（5.66 g, 30 mmol）和3-甲基-2-丁酮（9.6 mL, 90 mmol）（摩尔比在1:3）加入反应瓶中，并加入溶剂冰醋酸20 ml。溶液在氮气气氛下加热至回流温度，反应12小时，得到3H-吲哚啉产物。

2）将3H-吲哚啉（0.82 g, 4 mmol）和对羧基苄溴（0.86 g, 4 mmol）（摩尔比在1:1）加入反应瓶中，并加入溶剂乙腈10 ml。溶液在氮气气氛下加热至回流温度，反应24小时，得到季铵化的吲哚啉衍生物。

3）将吲哚啉衍生物（836 mg, 2 mmol）和方酸（114 mg, 1 mmol）（摩尔比在1:0.5）加入反应瓶，并加入溶剂12 ml（正丁醇:甲苯:吡啶=1:1:1），在氮气气氛下回流反应24小时，得到羧基功能化的吲哚方酸菁。

4）将羧基功能化的方酸菁（301.2 mg, 0.4 mmol）、HATU（1.52 g, 4 mmol）和DIPEA（1.32 mL, 8 mmol）（摩尔比在1:10:20）加入反应瓶，并加入溶剂DMF 10 ml，在氮气气氛下室温搅拌10分钟，然后加入单端Boc保护的乙二胺（512.6 mg, 3.2 mmol）反应2小时得到Boc胺基保护功能化的吲哚方酸菁染料。

5）将Boc胺基保护功能化的吲哚方酸菁染料（264 mg, 0.2 mmol）加入反应瓶，并加入溶剂二氯甲烷 3 ml和三氟乙酸 3 ml。溶液在氮气气氛下室温搅拌2小时，得到胺基功能化的吲哚方酸菁染料。其结构式如下：

该目标化合物的核磁氢谱表征如图8所示。

叔胺基功能化的吲哚方酸菁染料的有机合成。

1）步骤1-3与伯胺基功能化的吲哚方酸菁染料的有机合成的步骤相同。

4）将羧基功能化的方酸菁（301.2 mg, 0.4 mmol）、HATU（1.52 g, 4 mmol）和DIPEA（1.32 mL, 8 mmol）（摩尔比在1:10:20）加入反应瓶，并加入溶剂DMF 10 ml，在氮气气氛下室温搅拌10分钟，然后加入N, N’-二甲基乙二胺（282 mg, 3.2 mmol）反应0.5小时得到叔胺基功能化的吲哚方酸菁染料。其结构式如下所示：

本发明中所使用的其它几个实施例化合物也可以参考上述合成方法获得。

本发明使用的优选实施实例1和实施实例2为吲哚方酸菁染料1和吲哚方酸菁染料2，其与氢氧根作用的机理和表观变化如图1所示。根据染料的表观颜色变化以及它们紫外吸收光谱和荧光发射光谱的变化，可以精确地测定溶液的pH值。

实施例1：羧酸盐功能化的吲哚方酸菁染料的极碱pH指示剂。

1）将吲哚方酸菁染料1（1×10^-6 M），其结构式如下，分别加入pH值从8到13 的Tris-HCl缓冲溶液中，充分混合后静止10分钟。分别测试其紫外吸收光谱和荧光发射光谱，如图2 所示。吲哚方酸菁染料1在pH值8-11之间表观颜色为蓝色，在紫外灯下为红色；在pH值大于11后，表观颜色逐渐由蓝色变为无色，在紫外灯下逐渐由红色变为黄色。紫外吸收光谱最大吸收峰637 nm处的吸收峰在pH值大于11时迅速降低，并在396 nm处出现一个新的吸收峰并逐渐升高；与之相对应的荧光发射强度在647 nm逐渐降低，在500 nm处逐渐升高。

2）将吲哚方酸菁染料1，分别置于pH值从10.6到13的pH缓冲溶液中（间隔为0.2个单位），测试其紫外吸收和荧光发射光谱。计算吲哚方酸菁染料1的紫外吸收和荧光发射最大峰的比值；如图3所示。通过0.2间隔的pH值变化规律，计算出荧光比率计，能够准确地测量出溶液的pH值；并且该方法还能够排除环境对测试的影响。

3）将吲哚方酸菁染料1加入强碱前后分别测试其核磁谱，证明pH响应的机理，氢氧根加成到吲哚N杂环上。如图4所示。根据可逆的变化规律，将吲哚方酸菁染料1通过调节pH值值得其能够迅速地发生荧光的增强和淬灭，该过程能够重复多次，证明染料1的可逆性和重复使用性，如图5所示。

4）根据吲哚方酸菁染料1在不同pH条件下的紫外吸收和荧光发射谱图，按照文献发表的公式计算得到吲哚方酸菁染料1的pKa值。紫外吸收峰计算公式：log[(A_max–A)/(A–A_min)]=pH–pKa；荧光发射峰计算公式：log[(F_max–F)/(F–F_min)]=pH–pKa。计算得到紫外吸收计算的pKa值为：12.31±0.01，荧光发射峰计算的pKa值为：12.28±0.04。通过pKa值的计算可以得到染料适用pH测试的范围。

实施例2：伯胺基功能化的吲哚方酸菁染料的极碱pH指示剂。

1）实施步骤1-4与实施实例1相同，吲哚方酸菁2的结构式如下所示。

染料2的紫外吸收和荧光发射谱，pH间隔为1的如图6所示。通过紫外和荧光强度的规律发现染料2与染料1有着相同的光谱变化规律。在pH间隔为0.2的10.6到13之间，染料2的突跃范围较染料1所需的pH更小，如图7所示。通过计算其pKa值，由紫外吸收光谱得到pKa值为11.29±0.01，由荧光发射谱计算得到的pKa值为11.28±0.04。结合上述染料2的光谱特性，其变色范围较染料1所需pH更小。

 

实施例3：羧酸盐功能化的吲哚菁染料的极碱pH指示剂。

1）实施步骤1-4与实施实例1相同，其吲哚菁染料3的结构式如下所示。其光谱性能变化规律与染料1基本相同，但是其pKa的值较染料1更大，因此其变色范围较染料1所需要的pH值也更大。由紫外吸收计算得到的pKa值为12.68±0.01，由荧光发射计算得到的pKa值为12.67±0.04。

 

实施实例4：叔胺功能化的吲哚菁染料的极碱pH指示剂。

1）实施步骤1-4与实施实例1相同，其吲哚菁染料4的结构式如下所示。染料4的pKa值较染料1小，但是较染料2大。由紫外吸收计算得到的pka值为11.73±0.01，由荧光发射计算得到的pKa值为11.75±0.04。

 

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一类吲哚菁衍生物的pH指示剂，所述的吲哚菁衍生物选自式（I）所示的化合物及其盐中的一种或者多种的组合：

其中，

○表示取代基与通式化合物的连接点。

2.根据权利要求1所述的pH值指示剂，所述的吲哚菁衍生物选自下列化合物中的一种或者多种的组合：

。

3.根据权利要求1或2所述的pH值指示剂，所述的pH值指示剂为荧光比率计pH指示剂。

4.根据权利要求1或2所述的pH值指示剂，所述的pH值指示剂为pH值>8的pH值指示剂，优选的，为pH值>10的pH值指示剂。

5.根据权利要求1所述的pH值指示剂，所述的吲哚菁衍生物如式（III）所示：

。

6.一种pH值检测方法，其特征在于以权利要求1-5所述的pH值指示剂作为pH值检测指示剂。

7.根据权利要求6所述的pH值检测方法，所述的pH值检测方法还包括加入pH值指示剂之后对样品进行荧光光谱、紫外吸收光谱和/或H NMR分析。

Images