CN103435603A - 一类香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明一类香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂及其制备和应用，属有机合成和分析化学领域，本发明分别合成了两种香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂，化学名称a：7,15,23-三叔丁基-25,26,27-三{1-[N-(7-香豆素氧乙基)-1,2,3-三氮唑]-4-甲氧基}-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃；b：7,15,23-三乙氧羰基-25,26,27-三{1-[N-(7-香豆素氧乙基)-1,2,3-三氮唑]-4-甲氧基}-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃，并公开了合成方法和工艺条件，本发明将两种香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂用于检测三价铁离子，具有高选择性、高灵敏特点，可作定性和定量分析。

Description

一类香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明属有机合成和分析化学领域，具体地说是一类香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂及其制备和应用。

背景技术

分子识别和分子水平的微观检测及研究具有重要的科学意义和应用价值。荧光探针是一类能将分子识别过程通过荧光信号有效表达的分子，它广泛应用于阳离子、阴离子、中性分子等目标物质的荧光识别检测。在众多的分析方法中，荧光探针技术具有灵敏度高、选择性好、响应时间短、可直接观察等优点，因此近年来受到化学、生物学和医学等诸多领域的广泛关注。

荧光探针是建立在分子识别和荧光技术两者有机结合的基础上，通过选择性结合，实现分子的识别并得到分子的信息，随之通过相应的荧光信号传导机制将分子结合信息转换为易于检测的荧光信号，从而实现在分子水平上的原位实时检测。荧光探针通常是由荧光基团和识别基团两部分组成。荧光基团是探针分子最基本组成部分，其作用是对目标分子的识别信息转化为荧光信号。荧光信号识别基团，必须含有一定共轭度的共轭π键才能发出强而稳定的辐射。香豆素、罗丹明、萘、蒽、芘、对苯二醌、苯并杂环及含有呫吨酮的基团等是常见的荧光团。有机荧光分子若本身具有对金属离子的配位能力并表现出显著的荧光变化，这些荧光分子可直接作为探针。识别基团则用于选择性的与目标分子进行作用，其特性对探针分子的性能影响很大，决定了荧光探针识别的选择性和灵敏性。部分探针与金属离子的选择性结合主要由氧，硫，氮等杂原子与金属离子的配位作用及识别的空间匹配性决定。识别基团结构和空腔及杂原子的不同，表现出对不同的金属离子显著的选择性。探针的设计还必须遵循刚性与柔性的平衡，它关系到识别过程的动力学特性。其结构的稳定性需要刚性的分子结构，但是识别过程中的变换、调控、协同及变构过程需要一定的柔性。荧光探针中常用的识别基团的结构有大环化合物杯芳烃、冠醚、环糊精、及小分子的三角架型、分子钳型、直链型等多种结构形式。

杯芳烃作为第三代超分子化合物，具有空腔可调、构象灵活多变、易修饰等优点，特别是其优良的识别配位性能而备受关注。用氧原子取代经典杯芳烃的桥联亚甲基所得的氧杂杯芳烃拥有比经典杯芳烃更优越的络合能力、更易于化学修饰、更加灵活的空腔结构和立体构型。因此，氧杂杯芳烃及其衍生物与经典杯芳烃相比较，对金属离子具有更好的识别性能。基于氧杂杯芳烃作为分子识别平台构筑的荧光探针有着广阔的应用前景。在溶液中香豆素及其衍生物具有大的Stokes（斯托克斯）位移和高的荧光量子产率，并且通过对其母体进行修饰，所得衍生物就可实现在可见光区域连续的波长变化，光化学和光物理性质可调以及光稳定性好等优点，是荧光探针设计中比较受欢迎的候选荧光基团。鉴于它们具有结构易修饰的等特点及特殊的光物理化学的优点，将二者引入荧光探针的设计，通过合理设计合成一些结构新颖，性能良好的荧光探针。

铁是维持生命的主要物质，是制造血红素和肌血球素、促进维生素 B 族代谢的必要物质，因此研究能用于铁离子检测的化学传感器具有重要意义。目前，检测Fe³⁺的香豆素-氧杂杯[3]荧光探针并不多见，且仅能检测三价铁离子而不受铜离子和钴离子干扰的荧光探针研究极为有限。因此，开发结构简单、合成方法简便、价格低廉、灵敏度和选择性优越的荧光探针试剂在多领域具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于合成了2种高灵敏、高选择性的检测微量三价铁离子香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂，研究合成方法并应用于微量三价铁离子测定。

本发明是一类香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂，是分别以对叔丁基氧杂杯[3]芳烃或乙氧基羰基氧杂杯[3]芳烃为结构平台，在两种杯芳烃的下沿连接三个丙炔基，通过点击化学中的1,3-偶极环加成反应引入香豆素三氮唑基团，得到两种香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂，化学名称a：7,15,23-三叔丁基-25,26,27-三{1-[N-(7-香豆素氧乙基)-1,2,3-三氮唑]-4-甲氧基}-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃；b：7,15,23-三乙氧羰基-25,26,27-三{1-[N-(7-香豆素氧乙基)-1,2,3-三氮唑]-4-甲氧基}-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃；化学结构式为

化合物a（7,15,23-三叔丁基-25,26,27-三{1-[N-(7-香豆素氧乙基)-1,2,3-三氮唑]-4-甲氧基}-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃）

分子式：C₇₈H₈₁N₉O₁₅

分子量：1383

熔点：  112.3-114.0℃

溶解性：能溶于氯仿、二氯甲烷、四氢呋喃、乙腈、乙醇

光谱性质：在二甲基亚砜溶液中的荧光激发波长是321nm，发射波长是403nm，最大吸收波长是321nm

化合物b（7,15,23-三乙氧羰基-25,26,27-三{1-[N-(7-香豆素氧乙基)-1,2,3-三氮唑]-4-甲氧基}-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃）

分子式：C₇₅H₆₉N₉O₂₁

分子量：1431

熔点：   105.6-106.8℃

溶解性： 能溶于氯仿、二氯甲烷、乙醇、四氢呋喃、乙腈

光谱性质：在二甲基亚砜溶液中的荧光激发波长是324nm，发射波长是406nm，最大吸收波长是324nm。

本发明一类香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂的制备方法，是以对叔丁基氧杂杯[3]芳烃或对乙氧基羰基氧杂杯[3]芳烃，3-溴丙炔为原料，以四氢呋喃为溶剂，首先合成杯[3]芳烃中间体1a（7,15,23-三叔丁基-25,26,27-三丙炔-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃）或1b（7,15,23-三乙氧羰基-25,26,27-三丙炔-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃）；同时以7-羟基香豆素，1,2-二溴乙烷，叠氮化钠为原料，分别以丙酮，N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，合成7-(2-叠氮乙氧基)香豆素；再分别由中间体1a（7,15,23-三叔丁基-25,26,27-三丙炔-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃）或1b（7,15,23-三乙氧羰基-25,26,27-三丙炔-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃）与7-(2-叠氮乙氧基)香豆素在四氢呋喃和水的混合溶剂中合成得到目标化合物，合成经三步反应制得：        

    第一步：将对叔丁基氧杂杯[3]芳烃或乙氧基羰基氧杂杯[3]芳烃的三个酚羟基与3-溴丙炔连接，得到中间体1a和1b；第二步：以7-羟基香豆素和1,2-二溴乙烷为原料反应得到7-(2-溴乙氧基)香豆素；再用7-(2-溴乙氧基)香豆素与叠氮化钠反应得到7-(2-叠氮乙氧基)香豆素；第三步：在碘化亚铜的催化作用下，中间体1a和1b分别与7-(2-叠氮乙氧基)香豆素反应得到a或b两种香豆素-氧杂杯[3]芳烃化合物，合成路线如下：

第一步：

第二步：

第三步：

上述一类香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂的制备方法，各化合物制备的具体工艺条件为：

（1）中间体1a（7,15,23-三叔丁基-25,26,27-三丙炔-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃）和1b（7,15,23-三乙氧羰基-25,26,27-三丙炔-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃）的合成：

氮气保护下，于三口圆底烧瓶中，对叔丁基氧杂杯[3]芳烃和碳酸铯按摩尔比为1:10的比例溶于干丙酮中，搅拌加热回流1小时，冷却，按与对叔丁基氧杂杯[3]芳烃的摩尔比为1:10的比例再加入3-溴丙炔，继续回流反应结束，冷却至室温， 减压蒸出丙酮，用10%盐酸和二氯甲烷萃取，无水硫酸镁干燥，过滤，蒸出溶剂，柱层析洗脱，得中间体1a，产品为无色固体：

反应温度：回流（56℃）

反应时间：19h

反应溶剂：丙酮

洗脱剂：氯仿:石油醚（V:V=2:1）

氮气保护下，于三口圆底烧瓶中，将乙氧基羰基氧杂杯[3]芳烃和碳酸铯按摩尔比为1:6的比例溶于干丙酮中，搅拌加热回流1小时，冷却，按乙氧基羰基氧杂杯[3]芳烃与3-溴丙炔的摩尔比为1:6的比例再加入3-溴丙炔，继续回流反应结束，冷却至室温，减压蒸出丙酮，用10%盐酸和二氯甲烷萃取，无水硫酸镁干燥，过滤，蒸出溶剂，柱层析洗脱，得中间体1b，产品为无色固体：

反应温度：回流（56℃）

反应时间：17h

反应溶剂：丙酮

洗脱剂： 乙酸乙酯 : 氯仿石 : 油醚 （V:V:V =1:4:4）。

（2）叠氮乙氧基香豆素的制备

7-(2-溴乙氧基)香豆素的合成

氮气保护下，于三口圆底烧瓶中，将7-羟基香豆素和无水碳酸钾按摩尔比为1:1.5的比例溶于干丙酮中，搅拌加热回流1小时，冷却，再按7-羟基香豆素和1,2-二溴乙烷的摩尔比为1:10的比例快速加入1,2-二溴乙烷，继续回流反应，冷却反应液，减压蒸干溶剂，二氯甲烷和蒸馏水洗涤萃取，合并有机相，饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，过滤，蒸干得7-(2-溴乙氧基)香豆素，产品为白色固体：

反应温度：回流（56℃）

反应时间：24h

反应溶剂：丙酮

7-(2-叠氮乙氧基)香豆素的合成

氮气保护下，于三口圆底烧瓶中，将7-(2-溴乙氧基)香豆素溶于干N,N-二甲基甲酰胺中，按7-(2-溴乙氧基)香豆素和叠氮化钠的摩尔比为1:5的比例加入叠氮化钠，搅拌加热，反应结束，冷却，将反应物倒入大量冰水中，析出白色晶体，静置过夜，抽滤，蒸干得7-(2-叠氮乙氧基)香豆素：

反应温度： 60℃

反应时间： 5h

反应溶剂： N,N-二甲基甲酰胺。

（3）两种香豆素-氧杂杯[3]芳烃化合物a与b的合成

氮气保护下，于三口圆底烧瓶中，将中间体1a和7-(2-叠氮乙氧基)香豆素按摩尔比为1:3的比例溶于四氢呋喃和水的混合溶剂中，再加入催化剂碘化亚铜，搅拌加热回流，反应结束冷却至室温，减压蒸出溶剂，析出绿色固体，抽滤，滤液用氯仿萃取，有机层用无水亚硫酸钠干燥，过滤，滤液蒸干，柱层析洗脱得到化合物a，产品为淡黄色固体：

反应温度：65℃

反应时间：18h

反应溶剂：四氢呋喃/水（V:V=10:1）

洗脱剂：乙酸乙酯:丙酮（V:V=4:1）

氮气保护下，于三口圆底烧瓶中，将中间体1b和7-(2-叠氮乙氧基)香豆素按摩尔比为1:3的比例溶于四氢呋喃和水的混合溶剂中，再加入催化剂碘化亚铜，搅拌加热回流，反应结束冷却至室温，减压蒸出溶剂，析出绿色固体，抽滤，滤液用氯仿萃取，有机层用无水亚硫酸钠干燥，过滤，滤液蒸干，柱层析洗脱得到化合物b，产品为淡黄色固体：

反应温度：65℃

反应时间：20h

反应溶剂：四氢呋喃:水（V:V=10:1）

洗脱剂：乙酸乙酯:丙酮（V:V=3:1）

本发明一类香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂的应用，是用荧光光谱或紫外-可见吸收光谱作为检测三价铁离子的荧光探针，用该类试剂荧光法检测三价铁离子浓度线性范围达可达2个数量级，检测限低至10^-8 mol·L^-1 。

本发明合成的两种香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂，化合物结构的核磁共振氢谱数据列于表1，化合物的核磁共振碳谱数据列于表2，化合物的质谱数据列于表3，化合物的红外特征峰光谱数据列于表4。

表1 化合物的核磁共振氢谱数据

表2 化合物的核磁共振碳谱数据

 表3 化合物的质谱数据

表4 化合物的红外特征峰光谱数据

 本发明专利的关键技术是对氧杂杯[3]芳烃下沿的酚羟基进行修饰，通过1,3-偶极环加成反应引入三个香豆素三氮唑基团，得到了一类结构新颖地香豆素-氧杂杯[3]芳烃化合物，合成的方法简单，成本低廉，产率较高。将香豆素基团引入到氧杂杯[3]芳烃下沿大大提高了探针分子识别位点及性能，同时，利用氧杂杯[3]芳烃上沿取代基的不同开发出这类香豆素基取代的氧杂杯[3]芳烃化合物。化合物不仅结构新颖，而且通过控制不同的溶剂介质，可作为检测特定微量金属离子的荧光试剂。荧光法检测三价铁离子浓度线性范围达可达2个数量级，检测限低至10^-8 mol·L^-1，可作为检测微量三价铁离子的荧光探针。

本发明利用杯芳烃具有空腔可调、构象可变、易修饰等独特的结构特点和优良的识别配位性能，能在分子识别、分子组装、酶模拟、化学传感器和光电材料等的应用的特点；利用香豆素荧光基团与氧杂杯芳烃结合构建的荧光探针可兼顾两者的性能，获得对特定的离子、分子具有良好识别性能的新型氧杂杯芳烃荧光探针的特点，开发出一类香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂，应用到微量三价铁离子的测定，获得了高灵敏、高选择检测微量三价铁离子的效果。

附图说明

图1 浓度为1.00×10^-5 mol·L^-1化合物a的二甲基亚砜与水体积比为1:1，pH为7.04的混合溶液中，分别不加金属离子或加入2.00×10^-4mol·L^-1金属离子Al³⁺，Cr³⁺，Fe³⁺，Hg²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Ba²⁺，Ag⁺，K⁺，Na⁺，Li⁺后的荧光光谱，Fe³⁺的加入使荧光显著减弱。激发波长为321nm，发射波长为403 nm。

图2 浓度为1.00×10^-5 mol·L^-1化合物a的二甲基亚砜与水体积比为1:1，pH为7.04的混合溶液中，分别不加金属离子或加入2.00×10^-4mol·L^-1金属离子Al³⁺，Cr³⁺，Fe³⁺，Hg²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Ba²⁺，Ag⁺，K⁺，Na⁺，Li⁺后的可见吸收光谱。Fe³⁺的加入使321nm处的吸收峰显著增强。

图3 共存金属离子对化合物 a 荧光法检测Fe³⁺的影响

在浓度为1.00×10^-5 mol·L^-1荧光化合物a的二甲基亚砜与水体积比为1:1，pH为7.04的混合溶液中，加入2.00×10^-4mol·L^-1的Fe³⁺溶液后荧光显著减弱。再分别向a-Fe³⁺溶液中加入同等量的其它金属离子：Al³⁺，Cr³⁺，Fe³⁺，Cu²⁺，Hg²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Ba²⁺，Ag⁺，K⁺，Na⁺, Li⁺后的荧光强度变化。灰色条表示在化合物a中加入不同金属离子的发射强度。黑色条表示在a-Fe³⁺溶液再加入其它共存金属离子后的荧光强度变化。表明化合物a检测Fe³⁺的荧光不受其它常见共存金属离子的影响。

图4 共存金属离子对化合物 a 紫外光谱法检测Fe³⁺的影响

在浓度为1.00×10^-5 mol·L^-1荧光化合物a的二甲基亚砜与水体积比为1:1，pH为7.04的混合溶液中，加入2.00×10^-4mol·L^-1的Fe³⁺溶液后紫外显著增强。再分别向a-Fe³⁺溶液中加入同等量的其它金属离子：Al³⁺，Cr³⁺，Fe³⁺，Cu²⁺，Hg²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Ba²⁺，Ag⁺，K⁺，Na⁺，Li⁺后的紫外吸收变化。灰色条表示在化合物a中加入不同金属离子的吸光度。黑色条表示在a-Fe³⁺溶液再加入其它共存金属离子后的吸光度变化。表明化合物a检测Fe³⁺的紫外不受其它常见共存金属离子的影响。

图5 浓度为1.00×10^-5 mol·L^-1化合物b的二甲基亚砜与水体积比为1:4，pH为7.04的混合溶液中，分别不加金属离子或加入2.00×10^-4mol·L^-1金属离子Al³⁺，Cr³⁺，Fe³⁺，Hg²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Ba²⁺，Ag⁺，K⁺，Na⁺，Li⁺后的荧光光谱。Fe³⁺的加入使荧光显著减弱。激发波长为324，发射波长为406nm。

图6 浓度为1.00×10^-5 mol·L^-1化合物b 的二甲基亚砜与水体积比为1:4，pH为7.04的混合溶液中，分别不加金属离子或加入2.00×10^-4mol·L^-1金属离子Al³⁺，Cr³⁺，Fe³⁺，Hg²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Ba²⁺，Ag⁺，K⁺，Na⁺，Li⁺后的可见吸收光谱。Fe³⁺的加入使324nm处的吸收峰显著增强。

图7 共存金属离子对化合物b荧光法检测Fe³⁺的影响

在浓度为1.00×10^-5 mol·L^-1荧光化合物b的二甲基亚砜与水体积比为1:4，pH为7.04的混合溶液中，加入2.00×10^-4mol·L^-1的Fe³⁺溶液后荧光显著减弱。再分别向b-Fe³⁺溶液中加入同等量的其它金属离子：Al³⁺，Cr³⁺，Fe³⁺，Hg²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Ba²⁺，K⁺，Na⁺，Li⁺后的荧光强度变化。灰色条表示在化合物b中加入不同金属离子的发射强度。黑色条表示在b-Fe³⁺溶液再加入其它共存金属离子后的荧光强度变化。表明化合物b检测Fe³⁺的荧光不受其它常见共存金属离子的影响。

图8 共存金属离子对化合物 b 紫外光谱法检测Fe³⁺的影响

在浓度为1.00×10^-5 mol·L^-1荧光化合物b的二甲基亚砜与水体积比为1:4，pH为7.04的混合溶液中，加入2.00×10^-4mol·L^-1的Fe³⁺溶液后紫外显著增强。再分别向b-Fe³⁺溶液中加入同等量的其它金属离子：Al³⁺，Cr³⁺，Fe³⁺，Cu²⁺，Hg²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Ba²⁺，Ag⁺，K⁺，Na⁺，Li⁺后的紫外吸收变化。灰色条表示在化合物b中加入不同金属离子的吸光度。黑色条表示在b-Fe³⁺溶液再加入其它共存金属离子后的吸光度变化。表明化合物b检测Fe³⁺的紫外不受其它常见共存金属离子的影响。

具体实施方式

实施例一：

（1）中间体1a（7,15,23-三叔丁基-25,26,27-三丙炔-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃）和1b（7,15,23-三乙氧羰基-25,26,27-三丙炔-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃）的合成

氮气保护下，0.3g (0.52 mmol) 对叔丁基氧杂杯[3]芳烃和1.69g (5.2 mmol) 碳酸铯溶于15mL干丙酮中，搅拌加热回流1h，再加入3-溴丙炔 (0.62g，5.2 mmol) 和干丙酮 (10mL)，继续回流18h。反应结束冷却至室温，减压蒸出丙酮，用10% 盐酸和二氯甲烷萃取，无水硫酸镁干燥，过滤，蒸出溶剂，柱层析（氯仿:石油醚 V:V=2:1）洗脱得到0.16g无色固体1a，产率44.6%。m.p. 105.8-108.2°C; ¹H-NMR (400MHz, CDCl₃), δ(ppm): 1.30 (s, 18H,  tBu), 1.36 (s, 9H,  tBu), 1.99 (t, 1H, J=2.4Hz, -CC-H), 2.42 (t, 2H,  J=2.4 Hz, -CC-H), 2.85 (d, 2H, J=2.0Hz, ArO-CH₂-CC), 4.19–5.00 (m,16H,  ArO-CH₂-CC 和 -CH₂-O-CH₂-), 7.28 (d, 2H,  J = 2.4 Hz, Ar-H), 7.32 (d, 2H, J = 2.4 Hz, ArH), 7.37 (s, 2H, ArH); IR(cm^-1): 3289, 2961, 2905, 2866, 2122, 1704, 1610, 1481, 1363; ESI- MS: m/z 713.3 [M+Na]⁺。

氮气保护下，4.0g (6.4 mmol) 乙氧基羰基氧杂杯[3]芳烃和12.6g (38.4 mmol) 碳酸铯溶于150mL干丙酮中，搅拌加热回流1h，再加入3-溴丙炔(4.56g，38.4 mmol)和干丙酮(10mL)，继续回流16h。反应结束冷却至室温，减压蒸出丙酮，用10%盐酸和二氯甲烷萃取，无水硫酸镁干燥，过滤，蒸出溶剂，柱层析(乙酸乙酯:氯仿石:油醚 V:V:V =1:4:4) 洗脱得到2.24g无色固体1b，产率47.3%。m.p. 67.8-69.5℃; ¹H-NMR (400MHz, CDCl₃), δ(ppm): 1.26 (t, 3H, J=7.2Hz, CH₂CH ₃), 1.40 (t, 6H, J=7.2Hz, CH₂CH ₃), 2.05 (s, 1H, -CC-H), 2.44 (s, 2H, -CC-H), 3.45 (s, 2H, ArO-CH₂-CC), 4.08–5.06 (m, 22H,  ArO-CH₂-CC, CH ₂CH₃ 和 -CH ₂-O-CH ₂-), 7.91 (s, 2H, ArH), 8.00 (d, 2H, J=4.0 Hz, Ar-H), 7.32 (d, 2H, J=4.4 Hz, ArH); IR (cm^-1): 3292, 2980, 2936, 2870, 2122, 1715, 1607, 1466, 1367; ESI-MS: m/z 761.2 [M+Na]⁺。

（2）7-(2-叠氮乙氧基)香豆素的合成

7-(2-溴乙氧基)香豆素的合成

氮气保护下，于500 mL圆底烧瓶中，加入7-羟基香豆素 5.0 g (30.85 mmol)，无水碳酸钾6.39g (46.28mmol)及200mL干丙酮。搅拌加热回流30min，快速加入58.0g (308.5mmol)1,2-二溴乙烷，继续反应24h。冷却反应液，减压蒸干溶剂，二氯甲烷和蒸馏水洗涤萃取产品3次，合并有机相，饱和食盐水洗涤后无水硫酸钠干燥。过滤，蒸干得7.26g白色固体，产率88.8%。m.p. 139.5-140.5℃; ¹H-NMR (400MHz, CDCl₃), δ(ppm): 3.68 (t, 2H, J=6.0Hz , OCH₂CH ₂), 4.35 (t, 2H, J=6.0Hz , OCH ₂CH₂), 6.28 (d, 1H, J=9.6Hz, 香豆素-H), 6.82 (d, 1H, J=2.4Hz, 香豆素-H), 6.88 (dd, 1H, J=8.4, 2.4Hz , 香豆素-H), 7.40 (d, 1H, J=8.8Hz, 香豆素-H), 7.65 (d, 1H, J=9.2Hz, 香豆素-H); IR (cm^-1): 3075, 1734, 1611, 1509, 1460; ESI-MS: m/z 269.0 [M]⁺。 

7-(2-叠氮乙氧基)香豆素的合成

氮气保护下，4.96g (18.5mmol) 7-(2-溴乙氧基)香豆素溶于100mL干N,N-二甲基甲酰胺，再加入叠氮化钠6.00g (92.4mmol)，搅拌加热至60℃反应5h，反应结束，冷却，将反应物倒入大量冰水中，析出白色晶体，静置过夜，抽滤，蒸干得4.03g白色固体，产率94.1%。m.p. 106.8-108.1℃; ¹H-NMR (400MHz, CDCl₃), δ(ppm): 3.66 (t, 2H, J=4.8Hz , OCH₂CH ₂), 4.21 (t, 2H, J=4.8Hz , OCH ₂CH₂), 6.28 (d, 1H, J=9.6Hz, 香豆素-H), 6.83 (d, 1H, J=2.4Hz, 香豆素-H), 6.88 (dd, 1H, J=8.4, 2.4Hz, 香豆素-H), 7.40 (d, 1H, J=8.8Hz, 香豆素-H), 7.65 (d, 1H, J=9.2Hz, 香豆素-H); IR (cm^-1): 3076, 2129, 1731, 1619, 1508, 1402; ESI-MS: m/z 232.1 [M+H]⁺。

（3）两种香豆素-氧杂杯[3]芳烃化合物a与b的合成

氮气保护下，552mg (0.8 mmol) 中间体1a和554mg (2.4 mmol) 7-(2-叠氮乙氧基)香豆素溶于40mL (V:V=10:1)四氢呋喃/水，再加入碘化亚铜114mg (0.6 mmol)，搅拌加热回流18h，反应结束冷却至室温，减压蒸出四氢呋喃，析出绿色固体，抽滤，滤液用氯仿萃取3次，有机层用无水亚硫酸钠干燥，过滤，滤液蒸干，柱层析（乙酸乙酯:丙酮 V:V=4:1）洗脱得到769mg淡黄色固体a，产率68.7%。m.p. 112.3-114.0℃; ¹H-NMR(400MHz, CDCl₃), δ(ppm): 1.10 (s, 27H, tBu), 4.32 (d, 6H, J=12.8Hz, -CH ₂-O-CH ₂-), 4.48 (t, 6H, J =5.2Hz, 三唑-CH ₂ -CH₂-O ), 4.59 (d, 6H, J=12.8Hz, -CH ₂-O-CH ₂-), 4.75 (t, 6H, J=9.6Hz, 三唑-CH₂-CH ₂-O ), 4.62 (s, 6H,  ArO-CH₂-三唑), 6.24 (d, 3H, J = 9.6Hz, 香豆素-H), 6.79 (dd, 3H, J=8.8, 2.4Hz, 香豆素-H ), 6.86 (d, 3H, J = 2.0Hz, 香豆素-H), 6.95 (s, 6H, Ar-H), 7.32 (d, 3H, J =8.4 Hz, 香豆素-H), 7.59 (d, 3H, J =9.2 Hz, 香豆素-H), 7.79 (s, 3H, 三唑-H); IR (cm^-1): 3143, 3086, 2958, 2870, 1733, 1615, 1558, 1508, 1479, 1399, 1358; ESI-MS: m/z 1406.6 [M+Na]⁺。

氮气保护下，221mg (0.3 mmol) 中间体1b和208mg (0.9 mmol) 7-(2-叠氮乙氧基)香豆素溶于20mL（V:V=10:1四氢呋喃/水，再加入碘化亚铜44mg (0.23mmol)，搅拌加热回流20h，反应结束冷却至室温，减压蒸出四氢呋喃，析出绿色固体，抽滤，滤液用氯仿萃取3次，有机层用无水亚硫酸钠干燥，过滤，滤液蒸干，柱层析（乙酸乙酯:丙酮 V:V=3:1）洗脱得到300mg淡黄色固体b，产率69.9%。m.p. 105.6-106.8℃; ¹H-NMR(400MHz, CDCl₃), δ(ppm): 1.35 (t, 9H, J=7.2Hz, CH₂CH ₃), 4.28 (q, 6H, J=7.2Hz, CH ₂CH₃), 4.39 (d, 6H, J=13.2Hz, -CH ₂-O-CH ₂-), 4.48 (t, 6H, J =5.2Hz, 三唑-CH ₂-CH₂-O ), 4.61 (d, 6H, J=13.2Hz, -CH ₂-O-CH ₂-), 4.81 (s, 6H, 三唑-CH₂-Ar-O), 4.82 (t, 6H, J=5.2Hz, 三唑-CH₂-CH ₂-O ), 6.24 (d, 3H, J=9.2Hz, 香豆素-H), 6.82-6.80 (m, 6H, 香豆素-H ), 7.36 (d, 3H, J = 9.2Hz, 香豆素-H), 7.54 (s, 6H, Ar-H), 7.61 (d, 3H, J =9.2 Hz, 香豆素-H), 7.93 (s, 3H, 三唑-H); IR (cm^-1): 3140, 3086, 2936, 2877, 1714, 1614, 1558, 1508, 1463, 1399, 1367; ESI-MS: m/z 1454.2 [M+Na]⁺。

实施例二：

在10.0 mL 容量瓶中加入化合物a 二甲基亚砜储备液(1.00×10^-4 mol·L^-1， 1.0mL)，金属离子Fe³⁺(2.00×10^-3 mol·L^-1，1.0mL)，三羟甲基氨基甲烷-盐酸（Tris-HCl ）缓冲溶液(1.00×10^-3 mol×L^-1，1.0 mL)，二次水(3mL)，用二甲基亚砜溶液稀释至刻度，摇匀，室温放置10min，移入1cm的石英比色皿进行荧光光谱和紫外-可见吸收光谱测定。荧光光谱测定的激发和发射波长为321/403 nm。

所用试剂为分析纯试剂，试验用水为二次蒸馏水。

所用荧光分光光度计型号为 Cary Eclipse荧光分光光度计，美国VARIAN公司制造。紫外-可见分光光度计型号为UV-vis TU-1901，北京普析通用仪器公司制造。

在二甲基亚砜与水体积比为1:1，pH为7.04的混合溶液中，化合物a本身具有较强的荧光发射，激发波长为321nm，发射波长为403 nm，在365nm紫外灯下观察到发射强的蓝色荧光。加入三价铁离子后，观察到其荧光发射强度显著降低（猝灭率82.75%），其它金属离子Al³⁺，Cr³⁺，Hg²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Ba²⁺，Ag⁺，K⁺，Na⁺，Li⁺对化合物均无明显的响应信号（如图1）。同时加入铁离子后，在321nm处对吸收峰明显增强（如图2），其它金属离子均无影响。表明该化合物a对Fe³⁺具有识别检测性能。

化合物a检测Fe³⁺的荧光（如图3）及紫外（如图4）不受其它共存金属离子Al³⁺，Cr³⁺，Hg²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Ba²⁺，Ag⁺，K⁺，Na⁺，Li⁺的影响。其它常见共存金属离子在浓度与测试离子相当时，对检测的荧光强度和吸光度影响的相对偏差都在5%以内，均不干扰测定。

在二甲基亚砜与水体积比为1:1，pH为7.04的混合溶液中，以321/403nm为荧光激发波长和发射波长，以321nm为最大吸收波长，测定Fe³⁺浓度变化与化合物a的荧光发射和吸光度变化的校准曲线。通过校正曲线的斜率和测定10次空白值的标准偏差，测定并计算得到线性范围和检出限列于表5。

 

实施例三：

在10.0 mL 容量瓶中加入化合物b 二甲基亚砜储备液（1.00×10^-4 mol·L^-1， 1.0mL），金属离子Fe³⁺（2.00×10^-3 mol·L^-1，1.0mL），Tris-HCl 缓冲溶液(1.00×10^-3 mol×L^-1，1.0 mL)，二次水（6.0mL）。用二甲基亚砜溶液稀释至刻度，摇匀，室温放置15min，移入1cm的石英比色皿进行荧光光谱和紫外-可见吸收光谱测定。荧光光谱测定的激发和发射波长为324/406nm。

在二甲基亚砜与水体积比为1:4，pH为7.04的混合溶液中，化合物b本身具有较强的荧光发射，激发波长为324nm，发射波长为406 nm，在365nm紫外灯下观察到发射强的蓝色荧光。加入三价铁离子后，观察到其荧光发射强度显著降低（猝灭率73.52%），其它金属离子Al³⁺，Cr³⁺，Hg²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Ba²⁺，Ag⁺，K⁺，Na⁺，Li⁺对化合物均无明显的响应信号（如图5）。同时加入铁离子后，在324nm处对吸收峰明显增强（如图6），其它金属离子均无影响。表明该化合物b对Fe³⁺具有识别检测性能。

化合物b检测Fe³⁺的荧光（如图7）及紫外（如图8）不受其它共存金属离子Al³⁺，Cr³⁺，Hg²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Ba²⁺，Ag⁺，K⁺，Na⁺，Li⁺的影响。其它常见共存金属离子在浓度与测试离子相当时，对检测的荧光强度和吸光度影响的相对偏差都在5%以内，均不干扰测定。

在二甲基亚砜与水体积比为1:4，pH为7.04的混合溶液中，以324/406nm为荧光激发波长和发射波长，以324nm为最大吸收波长，测定Fe³⁺浓度变化与化合物b的荧光发射和吸光度变化的校准曲线。通过校正曲线的斜率和测定10次空白值的标准偏差，测定并计算得到线性范围和检出限列于表6。

 

Claims (5)

1.一类香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂，其特征是分别以对叔丁基氧杂杯[3]芳烃或乙氧基羰基氧杂杯[3]芳烃为结构平台，在两种杯芳烃的下沿连接三个丙炔基，通过点击化学中的1,3-偶极环加成反应引入香豆素三氮唑基团，得到两种香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂，化学名称a：7,15,23-三叔丁基-25,26,27-三{1-[N-(7-香豆素氧乙基)-1,2,3-三氮唑]-4-甲氧基}-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃；b：7,15,23-三乙氧羰基-25,26,27-三{1-[N-(7-香豆素氧乙基)-1,2,3-三氮唑]-4-甲氧基}-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃；化学结构式为：

化合物a（7,15,23-三叔丁基-25,26,27-三{1-[N-(7-香豆素氧乙基)-1,2,3-三氮唑]-4-甲氧基}-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃）

分子式：C₇₈H₈₁N₉O₁₅

分子量：1383

熔点：  112.3-114.0℃

溶解性：能溶于氯仿、二氯甲烷、四氢呋喃、乙腈、乙醇

光谱性质：在二甲基亚砜溶液中的荧光激发波长是321nm，发射波长是403nm，最大吸收波长是321nm

化合物b（7,15,23-三乙氧羰基-25,26,27-三{1-[N-(7-香豆素氧乙基)-1,2,3-三氮唑]-4-甲氧基}-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃）

分子式：C₇₅H₆₉N₉O₂₁

分子量：1431

熔点：   105.6-106.8℃

溶解性： 能溶于氯仿、二氯甲烷、乙醇、四氢呋喃、乙腈

光谱性质：在二甲基亚砜溶液中的荧光激发波长是324nm，发射波长是406nm，最大吸收波长是324nm。

2.根据权利要求1所述的一类香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂，其特征是以对叔丁基氧杂杯[3]芳烃或乙氧基羰基氧杂杯[3]芳烃，3-溴丙炔为原料，以四氢呋喃为溶剂，首先合成杯[3]芳烃中间体1a（7,15,23-三叔丁基-25,26,27-三丙炔-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃）或1b（7,15,23-三乙氧羰基-25,26,27-三丙炔-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃）；同时以7-羟基香豆素，1,2-二溴乙烷，叠氮化钠为原料，分别以丙酮，N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，合成7-(2-叠氮乙氧基)香豆素；再分别由中间体1a（7,15,23-三叔丁基-25,26,27-三丙炔-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃）或1b（7,15,23-三乙氧羰基-25,26,27-三丙炔-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃）与7-(2-叠氮乙氧基)香豆素在四氢呋喃和水的混合溶剂中合成得到目标化合物，合成经三步反应制得：        

    第一步：将对叔丁基氧杂杯[3]芳烃或乙氧基羰基氧杂杯[3]芳烃的三个酚羟基与3-溴丙炔连接，得到中间体1a和1b；第二步：以7-羟基香豆素和1,2-二溴乙烷为原料反应得到7-(2-溴乙氧基)香豆素；再用7-(2-溴乙氧基)香豆素与叠氮化钠反应得到7-(2-叠氮乙氧基)香豆素；第三步：在碘化亚铜的催化作用下，中间体1a和1b分别与7-(2-叠氮乙氧基)香豆素反应得到a或b两种香豆素-氧杂杯[3]芳烃化合物，合成路线如下：

第一步：

第二步：

第三步：

。

3.按照权利要求1或2所述的一类香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂，具体的合成工艺如下：

（1）中间体1a（7,15,23-三叔丁基-25,26,27-三丙炔-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃）和1b（7,15,23-三乙氧羰基-25,26,27-三丙炔-3,11,19-三氧杂杯[3]芳烃）的合成：

氮气保护下，于三口圆底烧瓶中，对叔丁基氧杂杯[3]芳烃和碳酸铯按摩尔比为1:10的比例溶于干丙酮中，搅拌加热回流1小时，冷却，按与对叔丁基氧杂杯[3]芳烃的摩尔比为1:10的比例再加入3-溴丙炔，继续回流反应结束，冷却至室温， 减压蒸出丙酮，用10%盐酸和二氯甲烷萃取，无水硫酸镁干燥，过滤，蒸出溶剂，柱层析洗脱，得中间体1a，产品为无色固体：

反应温度：回流（56℃）

反应时间：19h

反应溶剂：丙酮

洗脱剂：氯仿:石油醚（V:V=2:1）

氮气保护下，于三口圆底烧瓶中，将乙氧基羰基氧杂杯[3]芳烃和碳酸铯按摩尔比为1:6的比例溶于干丙酮中，搅拌加热回流1小时，冷却，按乙氧基羰基氧杂杯[3]芳烃与3-溴丙炔的摩尔比为1:6的比例再加入3-溴丙炔，继续回流反应结束，冷却至室温，减压蒸出丙酮，用10%盐酸和二氯甲烷萃取，无水硫酸镁干燥，过滤，蒸出溶剂，柱层析洗脱，得中间体1b，产品为无色固体：

反应温度：回流（56℃）

反应时间：17h

反应溶剂：丙酮

洗脱剂： 乙酸乙酯 : 氯仿石 : 油醚 （V:V:V =1:4:4）

（2）叠氮乙氧基香豆素的制备

7-(2-溴乙氧基)香豆素的合成

氮气保护下，于三口圆底烧瓶中，将7-羟基香豆素和无水碳酸钾按摩尔比为1:1.5的比例溶于干丙酮中，搅拌加热回流1小时，冷却，再按7-羟基香豆素和1,2-二溴乙烷的摩尔比为1:10的比例快速加入1,2-二溴乙烷，继续回流反应，冷却反应液，减压蒸干溶剂，二氯甲烷和蒸馏水洗涤萃取，合并有机相，饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，过滤，蒸干得7-(2-溴乙氧基)香豆素，产品为白色固体：

反应温度：回流（56℃）

反应时间：24h

反应溶剂：丙酮

7-(2-叠氮乙氧基)香豆素的合成

氮气保护下，于三口圆底烧瓶中，将7-(2-溴乙氧基)香豆素溶于干N,N-二甲基甲酰胺中，按7-(2-溴乙氧基)香豆素和叠氮化钠的摩尔比为1:5的比例加入叠氮化钠，搅拌加热，反应结束，冷却，将反应物倒入大量冰水中，析出白色晶体，静置过夜，抽滤，蒸干得7-(2-叠氮乙氧基)香豆素：

反应温度： 60℃

反应时间： 5h

反应溶剂： N,N-二甲基甲酰胺

（3）两种香豆素-氧杂杯[3]芳烃化合物a与b的合成

氮气保护下，于三口圆底烧瓶中，将中间体1a和7-(2-叠氮乙氧基)香豆素按摩尔比为1:3的比例溶于四氢呋喃和水的混合溶剂中，再加入催化剂碘化亚铜，搅拌加热回流，反应结束冷却至室温，减压蒸出溶剂，析出绿色固体，抽滤，滤液用氯仿萃取，有机层用无水亚硫酸钠干燥，过滤，滤液蒸干，柱层析洗脱得到化合物a，产品为淡黄色固体：

反应温度：65℃

反应时间：18h

反应溶剂：四氢呋喃/水（V:V=10:1）

洗脱剂：乙酸乙酯:丙酮（V:V=4:1）

氮气保护下，于三口圆底烧瓶中，将中间体1b和7-(2-叠氮乙氧基)香豆素按摩尔比为1:3的比例溶于四氢呋喃和水的混合溶剂中，再加入催化剂碘化亚铜，搅拌加热回流，反应结束冷却至室温，减压蒸出溶剂，析出绿色固体，抽滤，滤液用氯仿萃取，有机层用无水亚硫酸钠干燥，过滤，滤液蒸干，柱层析洗脱得到化合物b，产品为淡黄色固体：

反应温度：65℃

反应时间：20h

反应溶剂：四氢呋喃:水（V:V=10:1）

洗脱剂：乙酸乙酯:丙酮（V:V=3:1）。

4.按照权利要求1所述的一类香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂的应用，其特征是用荧光光谱或紫外吸收光谱作为检测三价铁离子的高选择、高灵敏的荧光探针试剂。

5.按照权利要求4所述的一类香豆素-氧杂杯[3]芳烃荧光试剂的应用，其特征是两种香豆素-氧杂杯[3]芳烃化合物可作为检测三价铁离子的荧光探针，荧光法检测浓度线性范围达可达2个数量级，检测限低至10^-8 mol·L^-1 。

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