CN104788344A - 一类以蒽为母体的双功能荧光探针、制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一类具有通式I的结构的以蒽为母体的双功能荧光探针。制备方法为：由9-蒽甲胺经过异氰酸酯化或异硫氰酸酯化，再亲核加成反应制备得到。本发明提供的荧光探针对铁离子具有很好的荧光检测效果，同时由该类探针和铁离子构成的体系对氟离子具有选择性荧光增强的检测作用。

Description

一类以蒽为母体的双功能荧光探针、制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一类以蒽为母体的双功能荧光探针化合物及其制备方法和用途，属于精细化工领域中离子的检测。

背景技术

铁元素是人体必要的元素之一，其作用是不可替代的。它是生物酶的辅因子，对于氧气的传输以及新陈代谢起着至关重要的作用。如果铁元素含量异常，将导致很多疾病，比如：胃肠道恶性肿瘤、肝炎以及老年痴呆症等。所以检测生命体中铁的含量具有非常重要的意义。传统检测铁离子含量的方法有原子吸收光谱法、共振电离质谱同位素稀释法以及色谱法等。近些年，因为荧光检测法具有高灵敏度以及快速响应等优点而受到了研究者广泛关注(Chem.Rev.2013,113,192-270；Anal.Chim.acta.2014,812,145-151)。

阴离子普遍存在于生命体中，具有很重要的作用，其中氟离子是人体不可缺少的微量元素之一。氟是骨骼和牙齿的重要的且必需的组成部分。适量的氟离子可以有效地防止龋齿疾病的发生，所以在牙膏含有微量的氟离子。如果大量的摄入氟离子可能导致氟中毒，随即产生骨质疏松和尿石症等疾病；严重者可能会影响儿童的智力及生理系统。日常生活饮用水都含有微量的氟离子。所以氟离子的检测尤为重要和关键。(Chem.Rev.2014,114,5511-5571；Chem.Commun.2009,2809-2829；Chem.Soc.Rev.2010,39,3746-3771)。

检测氟离子的方法有电化学法、¹⁹F-NMR分析法、紫外分析法以及荧光分析法。前三种方法都有一定的局限性，比如：设备昂贵、无法实时检测等。而利用荧光分析法具有高灵敏度、实时检测、超低浓度检测以及细胞内检测等优势，所以近年来利用荧光法检测氟离子受到研究者的青睐。

目前，利用同一个荧光探针分别实现铁离子和氟离子的检测鲜有报道。基于芘、6,13-五并苯醌、萘、喹啉和苯并咪唑的荧光探针可以很好地实现铁离子和氟离子的荧光检测(Tetrahedron Lett.2010,51,5559-5562；Talanta,2013,105,152-157；Tetrahedron,2011,67,7909-7912；Supramol.Chem.2015,27,224-232；Sens.Actuators,B 2013,186,657-665)，而基于蒽的具有该功能的荧光探针还未见报道。所以开展基于蒽双功能荧光探针研究具有一定的创新和价值。

发明内容

本发明目的在于提供一类具有优良性能的检测铁离子和氟离子的以蒽为母体的双功能荧光探针。所述以蒽为母体的双功能荧光探针具有通式I的结构：

其中，X为氧原子或者硫原子。

本发明另一方面提供所述以蒽为母体的双功能荧光探针的制备方法，包括以下步骤：

⑴异氰酸酯化或异硫氰酸酯化：将9-蒽甲胺与三光气或硫光气反应，得到中间体9-蒽甲基异氰酸酯或9-蒽甲基异硫氰酸酯；

⑵加成反应：将中间体9-蒽甲基异氰酸酯或9-蒽甲基异硫氰酸酯与氨气溶液进行反应，反应温度为0～40℃，反应时间为1～48小时，得到荧光探针；所述氨气溶液为氨气的甲醇溶液、氨气的乙醇溶液、氨气的四氢呋喃溶液或氨气的1,4-二氧六环溶液中的一种。

所述方法的步骤⑴中，中间体9-蒽甲基异氰酸酯的制备方法，是将9-蒽甲胺与三光气按照常规异氰酸酯化反应制备。

所述方法的步骤⑴中，中间体9-蒽甲基异硫氰酸酯的制备方法，是将9-蒽甲胺与硫光气加入到二氯甲烷与水的混合溶剂中，加入傅酸剂碳酸钙，于0～50℃反应1～24小时。所述硫光气与9-蒽甲胺的物质的量之比为1:1-2:1；所述碳酸钙与9-蒽甲胺的物质的量之比为2:1-3:1。所述二氯甲烷与水的体积比为0.5:1-2:1。

本发明所述以蒽为母体的双功能荧光探针的制备方法，步骤⑵中，氨气溶液优选为氨气的四氢呋喃溶液，浓度为0.2–2mol/L。

再一方面，本发明还提供上述以蒽为母体的荧光探针在铁离子和氟离子检测中的应用。

本发明提供的荧光探针在二甲基亚砜和水的混合溶剂中可以快速、准确、实时、选择性地实现对铁离子的荧光检测；同时通过含有铁离子和荧光探针的体系可以选择性实现对氟离子荧光增强检测。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)所述的荧光探针原料相对廉价，合成步骤相对简单；

(2)所述的荧光探针对离子检测的选择性好，荧光滴定实验操作简单，荧光变化敏锐；而且在可见光下离子对荧光探针具有明显的颜色变化，易于肉眼观察。

附图说明

图1a为可见光下荧光探针1与Fe³⁺以及F^-作用后的颜色变化；其中，

1号为荧光探针1；2号为荧光探针1与Fe³⁺的作用；3号为荧光探针1-Fe³⁺体系与F^-的作用；

图1b为紫外灯-365nm下荧光探针1与Fe³⁺以及F^-作用后的颜色变化；其中，

1号为荧光探针1；2号为荧光探针1与Fe³⁺的作用；3号为荧光探针1-Fe³⁺体系与F^-的作用；

图2荧光探针1与不同量的Fe³⁺作用荧光光谱谱图；

图3荧光探针2与不同量的Fe³⁺作用荧光光谱谱图；

图4荧光探针1与不同金属离子作用荧光光谱谱图；

图5荧光探针1-Fe³⁺体系与不同量的F^-作用荧光光谱谱图；

图6荧光探针2-Fe³⁺与不同量的F^-作用荧光光谱谱图；

图7荧光探针1-Fe³⁺与不同阴离子作用荧光光谱谱图。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明，但下面的实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

实施例1制备荧光探针1

(1)9-蒽甲基异氰酸酯的合成

室温下将828mg 9-蒽甲胺溶解在80mL二氯甲烷中，然后向其中滴加含有1.2g三光气的二氯甲烷溶液8mL，室温搅拌1小时；随后滴加含808mg三乙胺的二氯甲烷溶液8mL，反应24小时；向其中加入饱和碳酸氢钠调节pH至中性，分液，以二氯甲烷萃取水层，分液，水洗有机层，硫酸镁干燥有机层，旋蒸后得到中间体9-蒽甲基异氰酸酯800mg，收率85％。

¹H-NMR(400MHz,CDCl₃),8.51(s,1H),8.27(d,2H,J＝8.0Hz),8.06(d,2H,J＝8.0Hz),7.62(t,2H,J＝8.0Hz),7.52(t,2H,J＝8.0Hz),5.36(s,2H,CH₂)；

HRMS:Calcd for[M-NCO]⁺,191.0861；Found,191.0852.

(2)荧光探针1的合成

将上一步得到的9-蒽甲基异氰酸酯800mg溶解在80mL氨气(0.7mol/L)的四氢呋喃溶液中室温反应24小时，抽滤，少量四氢呋喃洗涤滤饼，滤饼晾干后得到800mg荧光探针1，收率93％。

¹H-NMR(400MHz,DMSO-d⁶),8.60(s,1H),8.43(d,2H,J＝8.0Hz),8.11(d,2H,J＝8.0Hz),7.56(m,4H),6.42(s,1H),5.42(br,2H),5.18(s,2H)；¹³C-NMR(100MHz,DMSO-d⁶),158.7,131.8,131.6,129.3,126.7,125.7,125.0,36.7；

HRMS:Calcd for[M+H]⁺,251.1184；Found,251.1176.

实施例2制备荧光探针2

(1)9-蒽甲基异硫氰酸酯的合成

将414mg 9-蒽甲胺溶解在20mL二氯甲烷中，随后加入520mg碳酸钙和20mL水，最后加入322mg硫光气，室温反应12小时。向反应液中加入饱和碳酸氢钠溶液调节pH至中性，二氯甲烷萃取，分液，水洗有机层，硫酸镁干燥有机层，旋蒸后得到中间体9-蒽甲基异硫氰酸酯380mg，收率76％。

¹H-NMR(400MHz,CDCl₃),8.54(s,1H),8.24(d,2H,J＝8.0Hz),8.07(d,2H,J＝8.0Hz),7.64(t,2H,J＝8.0Hz),7.54(t,2H,J＝8.0Hz),5.60(s,2H).

(2)荧光探针2的合成

将上一步得到的9-蒽甲基异硫氰酸酯260mg溶解在30mL氨气(0.7mol/L)的四氢呋喃溶液室温中反应48小时，旋蒸除去反应溶剂，然后通过柱层析分离得到160mg荧光探针2，收率58％。

¹H-NMR(400MHz,DMSO-d⁶),8.65(s,1H),8.42(d,2H,J＝8.0Hz),8.14(d,2H,J＝8.0Hz),7.93(s,1H),7.60(m,4H),6.95(br,2H),5.57(s,2H)；¹³C-NMR(100MHz,DMSO-d⁶),182.6,131.0,130.0,128.9,127.6,126.5,125.3,124.4,40.5；

HRMS:Calcd for[M+H]⁺,267.0956；Found,267.0951.

实施例3.可见光及365nm下荧光探针1与Fe³⁺和F^-作用

准确秤量25mg荧光探针1溶解于10mL二甲基亚砜中，取其中1mL溶于99mL体积比为1:1的二甲基亚砜与水的混合溶液中，制成浓度为10^-4mol/L的测试液1。每次准确量取3mL测试液1依次于1号、2号和3号共3个样品瓶中，随后向2号和3号样品瓶中分别加入30μL浓度为0.01mol/L的三氯化铁的二甲基亚砜溶液，最后向3号样品瓶中加入浓度30μL浓度0.01mol/L的四丁基氟化铵的二甲基亚砜溶液，将1号、2号和3号3个样品瓶摇晃均匀，在可见光下即可得到图1a所示的结果；在紫外365nm下即可得到图1b所示的结果。

实施例4.铁离子的量对荧光探针1荧光发射的影响

取10mL实施例3中浓度为10^-4mol/L的测试液1溶于90mL二甲基亚砜与水的混合溶液中(二亚甲基砜与水的体积比为4:5)，制成浓度为10^-5mol/L的测试液2。每次取3mL测试液2于比色皿中，依次加入0.1当量、1当量、10当量、30当量、50当量、100当量以及200当量的三氯化铁的二甲基亚砜溶液，在370nm激发光作用下，测试其荧光发射光谱，得到图2所示的结果。从图中可以看出随着铁离子量的增加，荧光发射强度明显减弱。

同样的方法可以得到铁离子的量对荧光探针2荧光发射的影响的结果，如图3所示。

实施例5.不同金属离子对荧光探针1荧光发射的影响

每次取3mL实施例3中浓度为10^-5mol/L的测试液2于比色皿中，依次加入100当量的Fe³⁺、Ca²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺、Fe²⁺、K⁺、Li⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Na⁺、Ni²⁺以及Zn²⁺，在370nm激发光作用下，测试其荧光发射光谱，得到图4所示的结果。从图中可以看出，荧光探针1可以很好地选择性识别铁离子。

实施例6.氟离子的量对荧光探针1-Fe³⁺的体系的荧光发射的影响

每次取3mL实施例3中浓度为10^-5mol/L的测试液2于比色皿中，首先加入100当量三氯化铁的二甲基亚砜溶液，然后依次加入1当量、5当量、10当量、20当量、50当量、100当量、101当量、102当量、200当量以及300当量的四丁基氟化铵的二甲基亚砜溶液，测试其荧光发射光谱，得到图5所示的结果。从图中可以看出，随着氟离子量的增加，体系的荧光明显的增强。

同样的方法可以得到氟离子的量对荧光探针2-Fe³⁺体系的荧光发射的影响结果，如图6所示。

实施例7.不同阴离子对荧光探针1-Fe³⁺的体系的荧光发射的影响

每次取3mL实施例3中浓度为10^-5mol/L的测试液2于比色皿中，首先加入100当量三氯化铁的二甲基亚砜溶液，然后依次加入100当量的F^-、Br^-、Cl^-、H₂PO₄ ^-、HSO₄ ^-、CH₃COO^-、CNS^-、CO₃ ^2-、HCOO^-和I^-，在370nm激发光作用下，测试其荧光发射光谱，得到图7所示的结果。从图中可以看出，体系可以选择性识别氟离子。

Claims (7)

1.一类以蒽为母体的双功能荧光探针，其特征在于：具有通式I的结构，

其中，X为氧原子或者硫原子。

2.权利要求1所述的以蒽为母体的双功能荧光探针的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

⑴异氰酸酯化或异硫氰酸酯化：将9-蒽甲胺与三光气或硫光气反应，得到中间体9-蒽甲基异氰酸酯或9-蒽甲基异硫氰酸酯；

⑵加成反应：将中间体9-蒽甲基异氰酸酯或9-蒽甲基异硫氰酸酯与氨气溶液进行反应，反应温度为0～40℃，反应时间为1～48小时，得到荧光探针；所述氨气溶液为氨气的甲醇、乙醇、四氢呋喃或1,4-二氧六环溶液中的一种。

3.根据权利要求2所述的以蒽为母体的双功能荧光探针的制备方法，其特征在于步骤⑴中9-蒽甲基异硫氰酸酯的制备方法为：将9-蒽甲胺与硫光气加入到二氯甲烷与水的混合溶剂中，加入缚酸剂碳酸钙，于0～50℃反应1～24小时。

4.根据权利要求3所述的以蒽为母体的双功能荧光探针的制备方法，其特征在于：硫光气与9-蒽甲胺的物质的量之比为1:1-2:1；碳酸钙与9-蒽甲胺的物质的量之比为2:1-3:1。

5.根据权利要求3所述的以蒽为母体的双功能荧光探针的制备方法，其特征在于：所述二氯甲烷与水的体积比为0.5:1-2:1。

6.根据权利要求2所述的以蒽为母体的双功能荧光探针的制备方法，其特征在于：步骤⑵中，氨气溶液为氨气的四氢呋喃溶液，浓度为0.2–2mol/L。

7.权利要求1所述的以蒽为母体的荧光探针在铁离子和氟离子检测中的应用。