CN104610381B - 二茂铁吡啶衍生物及其合成方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了两种二茂铁吡啶衍生物及其合成方法，其中，二茂铁单臂吡啶衍生物FeL1和二茂铁双臂吡啶衍生物FeL2可用于Cu²⁺和Cr³⁺的检测。

Description

二茂铁吡啶衍生物及其合成方法和应用

技术领域

本发明涉及重金属离子的检测探针，尤其涉及一种二茂铁吡啶衍生物及其合成方法和应用。

背景技术

金属离子在自然环境和生物体内广泛分布，在生命活动中起着重要作用，同时金属离子环境污染也是世界各国关注的重点。铜是重金属元素之一，当生物体内浓度过高时，则会产生对一些必须酶的抑制作用、生物氧化、还原过程异常、神经毒素等有害作用。当人体内残存了大量的重金属铜之后，极易对身体内的脏器造成负担，特别是肝和胆，当这两种器官出现问题后，维持人体内的新陈代谢就会出现紊乱，导致肝硬化、肝腹水甚至更为严重。铬具有很强的富集作用，过量会使人中毒。因此如何有效地检测铜离子和铬离子对于环境科学、生物科学以及医学中都有着重要意义。

二茂铁衍生物具有较强的细胞生物活性，可抑制癌细胞生长，有望发展为新的抗癌药物，同时由于二茂铁及其衍生物容易进行化学修饰，因此二茂铁衍生物作为金属离子探针有着很大的优势。

发明内容

有鉴于此，本发明的在于提供一种可用作金属离子探针的二茂铁吡啶衍生物及其合成方法和应用。

本发明一方面提供了一种二茂铁吡啶衍生物，其化学结构式为：

二茂铁单臂吡啶衍生物FeL1。

本发明第二方面提供了所述二茂铁单臂吡啶衍生物FeL1的合成方法，其包括：将二茂铁甲醛在三乙酰氧基硼氢化钠作用下，与2-氨基甲酸甲酯基-6-氨基吡啶反应得到。

本发明第三方面提供了一种二茂铁吡啶衍生物，其化学结构式为：

二茂铁双臂吡啶衍生物FeL2。

本发明第四方面提供了所述二茂铁双臂吡啶衍生物FeL2的合成方法，其包括：将二茂铁二甲醛在三乙酰氧基硼氢化钠作用下，与2-氨基甲酸甲酯基-6-氨基吡啶反应得到。

本发明第五方面提供了上述两种二茂铁吡啶衍生物在Cu²⁺和Cr³⁺的检测中的应用。

本发明的有益效果是：本发明提供了二茂铁吡啶衍生物FeL1和FeL2及其制备方法，并应用于Cu²⁺和Cr³⁺的检测。

附图说明

图1为实施例三的紫外滴定曲线图；

图2为实施例四的紫外滴定曲线图；

图3为实施例五的紫外滴定曲线图；

图4为实施例六的核磁氢谱滴定图；

图5为实施例七的核磁氢谱滴定图；

图6为实施例八的核磁氢谱滴定图。

具体实施方式

本发明一方面提供了一种二茂铁吡啶衍生物，其化学结构式为：

二茂铁单臂吡啶衍生物FeL1。

本发明第二方面提供了所述二茂铁单臂吡啶衍生物FeL1的合成方法，其包括：将二茂铁甲醛在三乙酰氧基硼氢化钠作用下，与2-氨基甲酸甲酯基-6-氨基吡啶反应得到。

二茂铁单臂吡啶衍生物FeL1的制备反应过程如下：

优选的，所述二茂铁单臂吡啶衍生物FeL1的制备方法包括以下步骤：

a)将二茂铁甲醛和2-氨基甲酸甲酯基-6-氨基吡啶溶于干燥的CH₂Cl₂；

b)加入三乙酰氧基硼氢化钠；

c)加入三乙胺，调节pH为5-6；

d)加热回流过夜，反应结束后冷却，旋蒸，去除CH₂Cl₂溶解残留物得到橙黄色固体粗产物；

e)硅胶柱层析纯化，干燥后得到淡黄色固体。

本发明第三方面提供了一种二茂铁吡啶衍生物，其化学结构式为：

二茂铁双臂吡啶衍生物FeL2。

本发明第四方面提供了所述二茂铁双臂吡啶衍生物FeL2的合成方法，其包括：将二茂铁二甲醛在三乙酰氧基硼氢化钠作用下，与2-氨基甲酸甲酯基-6-氨基吡啶反应得到。

二茂铁双臂吡啶衍生物FeL2的制备反应过程如下：

优选的，所述二茂铁双臂吡啶衍生物FeL2的制备方法包括以下步骤：

a)将二茂铁二甲醛和2-氨基甲酸甲酯基-6-氨基吡啶溶于干燥的CH₂Cl₂；

b)加入三乙酰氧基硼氢化钠；

c)加入三乙胺，调节pH为5-6；

d)加热回流过夜，反应结束后冷却，旋蒸，去除CH₂Cl₂溶解残留物得到橙黄色固体粗产物；

e)硅胶柱层析纯化，干燥后得到淡黄色固体。

本发明第五方面提供了上述两种二茂铁吡啶衍生物在Cu²⁺和Cr³⁺的检测中的应用。具体的，一方面，可采用紫外分光光度法检测Cu²⁺和Cr³⁺；另一方面，也可采用核磁滴定法检测Cu²⁺和Cr³⁺。优选的，所述核磁滴定法在氘代甲醇，或者氘代甲醇和DMSO-d6混合溶液中进行。

以下结合具体实施例详细介绍本发明的二茂铁吡啶衍生物的合成方法及其应用。

实施例一

二茂铁单臂吡啶衍生物FeL1的合成

将0.6mmol二茂铁甲醛和0.7mmol 2-氨基甲酸甲酯基-6-氨基吡啶搅拌溶于25ml干燥的CH₂Cl₂，加入1.9mmol三乙酰氧基硼氢化钠，用三乙胺调节pH为5-6，加热回流过夜，将反应体系冷却至室温，旋蒸，CH₂Cl₂溶解残留物依次用饱和NaHCO₃溶液，饱和NaCl溶液，H₂O洗涤有机相，无水Na₂SO₄干燥，过滤旋蒸，得到橙黄色固体粗产物，用hexene/EtOAC＝3∶1(v/v)作为淋洗剂，硅胶柱层析纯化，真空干燥后得到76.7mg淡黄色固体。

实施例二

二茂铁双臂吡啶衍生物FeL2的合成

将0.5mmol二茂铁二甲醛和1.3mmol 2-氨基甲酸甲酯基-6-氨基吡啶搅拌溶于50ml干燥的CH₂Cl₂，加入3mmol三乙酰氧基硼氢化钠，用三乙胺调节pH为5-6，加热回流夜，冷却至室温，旋蒸，CH₂Cl₂溶解残留物依次用饱和NaHCO₃溶液，饱和NaCl溶液，H₂O洗涤有机相，无水Na₂SO₄干燥，过滤旋蒸，得到橙黄色固体粗产物，用hexene/EtOAC＝3∶1(v/v)作为淋洗剂，硅胶柱层析纯化，真空干燥后得到92.3mg淡黄色固体。

本发明实施例1-2合成的新型二茂铁吡啶衍生物FeL1-2通过¹H NMR，¹³C{H}NMR和MS手段进行了结构鉴定，证实其结构为以上结构式所标示。

实施例三

二茂铁吡啶衍生物FeL1和FeL2对与Cu²⁺和Cr³⁺的选择性相互作用向10μM的二茂铁单臂吡啶衍生物FeL1的乙醇溶液中分别滴加100mM的Cu²⁺和100mM的Cr³⁺，样品分别对应标号为A和B；控制离子的Cu²⁺和Cr³⁺的最终浓度依次是0，10，20，40，60，80，100，120，150，180，200μM，样品对应标号为英文字母a到k。采用紫外分光光度法，检测滴加前后的紫外-可见光吸收光谱的变化。分别得到如图1A和B所示的紫外滴定曲线。

向10μM的二茂铁双臂吡啶衍生物FeL2的乙醇溶液中分别滴加100mM的Gu²⁺和100mM的Cr³⁺，样品分别对应标号为C和D；控制离子的Cu²⁺和Cr³⁺的最终浓度依次是0，10，20，40，60，80，100，120，150，180，200μM，样品对应标号为英文字母a到k。采用紫外分光光度法，检测滴加前后的紫外-可见光吸收光谱的变化，分别得到如图1C和D所示的紫外滴定曲线。

实施例四

混合离子对二茂铁吡啶衍生物FeL1和FeL2特异性识别Cu²⁺和Cr³⁺的干扰检测

向10μM的二茂铁单臂吡啶衍生物FeL1的乙醇溶液中滴加100mM的13种混合离子溶液，包括：k⁺，Na⁺，Ba²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Zn²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Mn²⁺，Cd²⁺，Hg²⁺，Pd²⁺，控制混合离子溶液的最终浓度依次是0，100，200，300，400，500，600μM，样品对应标号为英文字母a到g；

再继续向此溶液中分别滴加100mM的Cu²⁺和100mM的Cr³⁺，样品分别对应标号为A和B；控制离子的Cu²⁺和Cr³⁺的最终浓度依次是100，200，300，400，500μM，样品对应标号为英文字母h到1；

采用紫外分光光度法，检测滴加前后的紫外-可见光吸收光谱的变化，分别得到如图2A和B所示的紫外滴定曲线。

向10μM的二茂铁双臂吡啶衍生物FeL2的乙醇溶液中滴加100mM的13种混合离子溶液，包括：k⁺，Na⁺，Ba²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Zn²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Mn²⁺，Cd²⁺，Hg²⁺，Pd²⁺，控制混合离子溶液的最终浓度依次是0，100，200，300，400，500，600μM，样品对应标号为英文字母a到g；

向10μM的二茂铁双臂吡啶衍生物FeL2的乙醇溶液中分别滴加100mM的Cu²⁺和100mM的Cr³⁺，样品分别对应标号为C和D；控制离子的Cu²⁺和Cr³⁺的最终浓度依次是100，200，300，400，500μM，样品对应标号为英文字母h到l；

采用紫外分光光度法，检测滴加前后的紫外-可见光吸收光谱的变化，分别得到如图2C和D所示的紫外滴定曲线。

实施例五

二茂铁吡啶衍生物FeL1、FeL2特异性识别Cu²⁺和Cr³⁺的实际应用

分别取10μM的二茂铁单臂吡啶衍生物FeL1、二茂铁双臂吡啶衍生物FeL2的乙醇溶液，样品对应标号分别为A和B，向其中滴加50.25mM的15种混合离子水溶液，包括：k⁺，Na⁺，Ba²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Zn²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Mn²⁺，Cd²⁺，Hg²⁺，Pd²⁺，Cr³⁺，Cu²⁺，滴定中混合离子溶液的终浓度依次是0，50.25，100.5，150.75，201，251.25，301.5，351.75，402，452.25，502.5μM，样品对应标号为英文字母a到k。

采用紫外分光光度法，检测滴加前后的紫外-可见光吸收光谱的变化，二茂铁衍生物FeL1，FeL2，FeL3，FeL4分别得到如图3A和B所示的紫外滴定曲线。

实施例六

将3.6mg二茂铁单臂吡啶衍生物FeL1溶解在500uL氘代甲醇溶液中，逐滴加入1MCrCl₃·6H₂O氘代水储存溶液，通过核磁滴定，检测二茂铁单臂吡啶衍生物FeL1与Cr³⁺的相互作用，得到如图4所示的核磁氢谱滴定图。其中，0e和5e分别代表金属离子浓度为二茂铁单臂吡啶衍生物FeL1浓度的0倍和5倍。

实施例七

配置体积浓度比为4∶1的氘代甲醇和DMSO-d₆混合液，将二茂铁单臂吡啶衍生物FeL1溶解在氘代甲醇和DMSO-d₆混合液中，向同浓度的二茂铁单臂吡啶衍生物FeL1混合溶液中中依次滴加0-5倍的Cu²⁺，通过核磁滴定，得到如图5所示的核磁氢谱滴定图。其中，0e、0.5e和5e分别代表金属离子浓度为二茂铁单臂吡啶衍生物FeL1浓度的0倍、0.5倍和5倍。

实施例八

配置体积比为4∶1的氘代甲醇和DMSO-d₆混合液，将二茂铁双臂吡啶衍生物FeL2溶解在氘代甲醇和DMSO-d₆混合液中，向同浓度的二茂铁双臂吡啶衍生物FeL2混合溶液中依次滴加0-5倍的Cu²⁺和Cr³⁺，其中，Cu²⁺和Cr³⁺的浓度比例为1∶1，通过核磁滴定，得到如图6所示的核磁氢谱滴定图。其中，0e、0.5e和5e分别代表金属离子浓度为二茂铁双臂吡啶衍生物FeL2浓度的0倍、0.5倍和5倍。

由图1可知，Cu₂₊的加入使二茂铁吡啶衍生物FeL1和FeL2紫外曲线出现了明显的变化，在250nm处的吸光度值随着Cu²⁺加入量的增加而增大，在310nm左右的吸收峰逐渐蓝移至290nm左右。当滴加Cr³⁺后，310nm处的吸收峰迁移至317nm，并且在345nm处出现了新的紫外吸收峰，而在251nm处的吸收峰也有明显的增色效应。重要的是在滴加其它金属离子后，化合物的紫外吸收曲线没有明显变化。

结果表明，二茂铁吡啶衍生物FeL1和FeL2对两种金属离子即Cu²⁺和Cr³⁺有识别作用。

由图2可知，向10μM的FeL1乙醇溶液中滴加不包括Cu²⁺和Cr³⁺的13种混合离子混合离子(所述混合离子为不包括Cu²⁺和Cr³⁺的13种混合离子：k⁺，Na⁺，Ba²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Zn²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Mn²⁺，Cd²⁺，Hg²⁺，Pd²⁺)，当加入的离子量为FeLl量的12倍，混合离子终浓度达120μM时，并没有发现FeL1的紫外吸收曲线有明显变化，只是250nm处吸收峰有弱的增色。而当再滴加铜离子后，310nm处的吸收峰逐渐蓝移至290nm左右，同时250nm处的吸收峰出现很强的增色效应，这说明其它金属离子并不影响FeL1对铜离子的选择性识别。在相同的实验条件下，加混合离子的溶液中再加入铬离子，FeL1的紫外吸收曲线发生明显变化，310nm处的吸收峰几乎消失，同时338nm处出现了明显的新紫外吸收峰。这同样说明FeL1对铬离子有很好的选择性作用，能够应用于实际检测中去。通过同样的方法，向10μM FeL2的乙醇溶液中逐步滴加混合离子(所述混合离子为不包括Cu²⁺和Cr³⁺的13种混合离子：k₊，Na₊，Ba₂₊，Mg₂₊，Ca₂₊，Sr₂₊，Zn₂₊，Co₂₊，Ni₂₊，Mn₂₊，Cd₂₊，Hg₂₊，Pd₂₊)，FeL2的紫外吸收也没有明显变化。当加入铜离子后，310nm的紫外吸收峰逐渐蓝移至290nm左右，250nm处的吸收峰有很强的的增色效应。当加入铬离子后，310nm的吸收峰红移至315nm，并在338nm处出现一新吸收峰。

结果表明，只要有铜离子的存在，不论FeL1还是FeL2，都有共同的变化特征：即310nm的吸收峰发生蓝移至290nm左右，并且250nm处有很强的增色效应；只要有铬离子的存在，都会在338nm处出现新的吸收峰。

实际应用中的混合离子可能同时包含铜离子和铬离子。为研究这类二茂铁衍生物在实际复杂体系中的选择性，我们配制了包括铜离子和铬离子在内的15种混合离子溶液，即含k⁺，Na⁺，Ba²⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Sr²⁺，Zn²⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Mn²⁺，Cd²⁺，Hg²⁺，Pd²⁺，Cr³⁺，Cu²⁺等15种混合离子。如图3所示，当滴加入15种混合离子后，对于二茂铁吡啶单臂衍生物FeL1和二茂铁吡啶双臂衍生物FeL2，出现了两处明显变化：一是310nm处的峰蓝移至290nm左右，说明铜离子的存在；二是348nm出现一新的紫外吸收峰，说明铬离子的存在。这种变化在离子浓度低至12.56μM便可发生。

如图4所示，FeL1氘代甲醇溶液加入铬离子后，7.41ppm处的三重峰向低场迁移到7.62ppm(Δδ＝0.21ppm)，7.05和7.07的双重峰向高场迁移到6.74ppm(Δδ＝0.31和0.33)，6.22和6.24处的双重峰向低场迁移到6.42ppm(Δδ＝0.22和0.18)，3.78处单峰迁移到了3.85。结果表明，铬离子与化合物FeL1有明显的相互作用，且与铬离子配位的原子很可能是吡啶α位的氮及氨基甲酸酯基团上的氧。

在研究FeL1氘代甲醇溶液与Cu²⁺作用时，我们发现，滴加Cu²⁺后所有的核磁峰都消失了。经过分析，我们认为这可能是络合物在甲醇中溶解度过小造成的。因此，我们换用氘代甲醇和DMSO-d₆混合溶液进行检测，如图5，向同浓度的化合物FeL1中依次滴加0-5倍的Cu^{2 +}，发现7.40、7.42和7.44处的三重峰迁移到了7.21(Δδ＝0.19、0.21和0.23)，7.08和7.10的双重峰迁移到了7.04(Δδ＝0.04和0.06)，6.24和6.26处的双重峰迁移到了6.17(Δδ＝0.07和0.09)。这里氢谱峰都略向高场迁移，这说明铜离子很可能是和吡啶α位酰胺上的氮配位，从而影响了酰胺的共轭状态。

其它化合物在氘代甲醇中的溶解性都不好，因此，这些化合物的核磁滴定都选择在氘代甲醇和DMSO-d₆混合溶液中进行。

图6表明，向化合物FeL2滴加0-5倍的Cu²⁺，吡啶环上的氢谱峰都略向高场迁移.滴加Cr³⁺后，吡啶环上的a峰和b峰都略向低场迁移，而c略向高场迁移，这和FeL1与铬离子和铜离子作用的核磁迁移是一致的。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种二茂铁吡啶衍生物，其化学结构式为：

。

2.如权利要求1所述的二茂铁吡啶衍生物的制备方法，其包括：将二茂铁甲醛在三乙酰氧基硼氢化钠作用下，与2-氨基甲酸甲酯基-6-氨基吡啶反应得到。

3.如权利要求2所述的二茂铁吡啶衍生物的制备方法，其包括以下步骤：

a)将二茂铁甲醛和2-氨基甲酸甲酯基-6-氨基吡啶溶于干燥的CH₂Cl₂；

b)加入三乙酰氧基硼氢化钠；

c)加入三乙胺，调节pH为5-6；

d)加热回流过夜，冷却至室温，旋蒸，CH₂Cl₂溶解残留物依次用饱和NaHCO₃溶液，饱和NaCl溶液，H₂O洗涤有机相，无水Na₂SO₄干燥，过滤旋蒸，得到橙黄色固体粗产物；

e)硅胶柱层析纯化，干燥后得到淡黄色固体。

4.一种二茂铁吡啶衍生物，其化学结构式为：

。

5.如权利要求4所述的二茂铁吡啶衍生物的制备方法，其包括：将二茂铁二甲醛在三乙酰氧基硼氢化钠作用下，与2-氨基甲酸甲酯基-6-氨基吡啶反应得到。

6.如权利要求5所述的二茂铁吡啶衍生物的制备方法，其包括以下步骤：

a)将二茂铁二甲醛和2-氨基甲酸甲酯基-6-氨基吡啶溶于干燥的CH₂Cl₂；

b)加入三乙酰氧基硼氢化钠；

c)加入三乙胺，调节pH为5-6；

d)加热回流过夜，冷却至室温，旋蒸，CH₂Cl₂溶解残留物依次用饱和NaHCO₃溶液，饱和NaCl溶液，H₂O洗涤有机相，无水Na₂SO₄干燥，过滤旋蒸，得到橙黄色固体粗产物；

e)硅胶柱层析纯化，干燥后得到淡黄色固体。

7.如权利要求1或4所述二茂铁吡啶衍生物，其在Cu²⁺和Cr³⁺的检测中的应用。

8.如权利要求7所述二茂铁吡啶衍生物在Cu²⁺和Cr³⁺的检测中的应用，其特征在于：采用紫外分光光度法检测Cu²⁺和Cr³⁺。

9.如权利要求7所述二茂铁吡啶衍生物在Cu²⁺和Cr³⁺的检测中的应用，其特征在于：采用核磁滴定法检测Cu²⁺和Cr³⁺。

10.如权利要求9所述二茂铁吡啶衍生物在Cu²⁺和Cr³⁺的检测中的应用，其特征在于：所述核磁滴定法在氘代甲醇，或者氘代甲醇和DMSO-d₆混合溶液中进行。