CN104804466A

CN104804466A - 一种氧醚链修饰的近红外方酸染料及其制备和应用

Info

Publication number: CN104804466A
Application number: CN201510235574.1A
Authority: CN
Inventors: 傅南雁
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2015-05-11
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2035-05-11
Also published as: CN104804466B

Abstract

本发明公开了一种氧醚链修饰的近红外方酸染料及其制备和应用，其制备方法包括以下步骤：（1）将氧醚链连接的具有N,N-二正丁基侧链的二苯胺衍生物和方酸混合，溶于适当的溶剂，接上分水器，N₂保护下回流数小时；（2）将步骤（1）所得的反应混合物冷却至室温，减压除去溶剂，得粗产品；（3）粗产品经硅胶柱层析纯化，得氧醚链修饰的近红外方酸染料产物。该类方酸染料稳定性好，光学性能优异，经氧醚链修饰后能够有效地提高染料在水溶液中的溶解性，且冠醚常被应用于捕获金属离子，故该染料可作为检测金属离子的荧光探针。

Description

一种氧醚链修饰的近红外方酸染料及其制备和应用

技术领域

本发明属于有机化学领域，具体涉及一种氧醚链修饰的近红外方酸染料及其制备和应用。

背景技术

重金属及过渡金属广泛地存在于自然界中，这些金属元素对人们的生活和工业生产有着各种各样的影响和作用。因此建立快速、高效的重金属和过渡金属检测方法在生命科学、环境科学、医学科学以及农业生产等方面都具有重要的意义（孟祥明, 刘磊, 郭庆祥. 铅、汞、镉离子的荧光传感器研究进展. 化学进展 2005, 17(1): 45-54.）。荧光化学传感器由于具有高灵敏度及相对简单的操作方式，同时能够实现实时检测及化学物质定量检测等特点，使得设计和研究能够用于金属离子检测的具有高选择性和高灵敏性的荧光化学传感器在环境和生物领域具有广泛的应用前景（Danjou, P.-E.; Lyskawa, J.; Delattre, F.; Becuwe, M.; Woised, P.; Ruellan, S.; Fourmentin, S.; Cazier-Dennin, F. New fluorescent and electropolymerizable N-azacrown carbazole as a selective probe for iron (III) in aqueous media.Sens. Actuators B: Chem. 2012, 171: 1022-1028.）。

方酸染料是由方酸与富电子芳基化合物或胺类化合物缩合生成的1,3-二取代衍生物，是一类具有共振稳定的两性离子型结构的染料（Ajayaghosh, A. Chemistry of squaraine-derived materials: near-IR dyes, low band gap systems, and cation sensors. Acc. Chem. Res. 2005, 38(6): 449-459.）。该类化合物的显著特征是在可见光区至近红外光区（620-670 nm）有窄而强的吸收带和较高的荧光量子产率，摩尔吸光系数大于10⁵ L·mol^-1·cm^-1。这种光电特性主要来源于分子内强烈的供体-受体-供体（donor-acceptor-donor）间的电荷迁移作用。由于其兼有优异的荧光发射性能和电化学性能，良好的光学稳定性，易修饰等特点，在新一代化学小分子探针的设计上具有广阔的应用前景。

但像大多数近红外染料一样，它们有一个低的HOMO-LUMO能带，因此中心四元环的1,3-位容易受亲核试剂进攻而褪色；另外，方酸染料的平面结构使其在极性溶剂中容易聚集，从而引起吸收带展宽和荧光猝灭。这两个特征限制了它在含水体系中的应用。通过化学修饰，向方酸染料引入醚链不仅可以提高方酸染料的水溶性和稳定性，改善染料的光学性能，同时利用冠醚对金属离子有很强的选择配位能力，实现对金属离子的选择性检测。

冠醚基团自1967年被Pedersen 首次合成以来（Pedersen, C. J. Cyclic polyethers and their complexes with metal salts.J. Am. Chem. Soc. 1967, 89(26): 7017-7036.），冠醚化学已得到了广泛的发展，并取得了很多令人瞩目的成就。它不仅是配位化学、分析化学、有机化学和生物无机化学的重要研究内容，而且与生命科学、信息科学、材料科学等都有着密切的联系。由于其具有亲水的内腔可以选择性地与金属离子发生结合，同时具有低毒性、易于回收等特性，常被用于设计成捕获金属离子的工具。这些冠醚基团实际上是“硬碱”，能够高效地结合如金属离子之类的“硬酸”。因此，冠状化合物的分子设计、合成，尤其是对金属离子的选择性键合一直是化学领域的研究热点之一。

铁对于很多生物体的生存是必不可少的，可以提供多种生物功能，如在负责给身体器官和组织输送氧气的红血球里，铁元素是必不可少的成分。作为生物系统中重要的必需微量元素之一的铁，在细胞水平的生物化学中担当了一个重要的角色（Lee, J.-W.; Helmann, J. D. The PerR transcription factor senses H₂O₂ by metal-catalysed histidine oxidation. Nature 2006, 440(7082): 363-367.）。身体内铁的过多摄入和癌症及一些器官（如心脏、胰腺、肝脏等）功能障碍有着密不可分的联系（Galaris, D.; Skiada, V.; Barbouti, A. Redox signaling and cancer: the role of “labile” iron. Cancer Lett. 2008, 266(1): 21-29.）。

铅离子浓度超标是一种典型的重金属污染形式，铅离子一旦进入人体，就会产生神经毒素，影响大脑的发育，减慢神经传导速度，从而引发行为障碍（Araki, S.; Sato, H.; Yokoyama, K.; Murata, K. Subclinical neurophysiological effects of lead: a review on peripheral, central, and autonomic nervous system effects in lead workers. Am. J. Ind. Med. 2000, 37(2): 193-204.）。因此，发展简便、选择性高的铅离子检测方法具有重要意义。

本发明涉及一系列以氧醚链修饰的方酸染料的制备，其合成方法简单，反应条件容易控制，通过柱层析可获得高纯度的产物。该类方酸染料荧光探针稳定性好，光学性能优异，氧醚链的引入有效地提高染料在水溶液中的溶解性和稳定性，并赋予染料对金属离子的选择配位能力，从而获得对金属离子的特异响应。其中氧醚链修饰的近红外方酸染料Ⅰ可成功地应用于含水体系中Fe³⁺的检测，而苯并氧醚链修饰的近红外方酸染料Ⅱ可以成功地应用于含水体系中Pb²⁺的检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氧醚链修饰的近红外方酸染料及其制备和应用，该类方酸染料稳定性好，光学性能优异，氧醚链的引入有效地提高了染料在含水体系中的溶解性和稳定性，并赋予染料对金属离子的选择配位能力，从而获得对金属离子的特异响应。其中氧醚链修饰的近红外方酸染料Ⅰ可成功地应用于含水体系中Fe³⁺的检测，而苯并氧醚链修饰的近红外方酸染料Ⅱ可以成功地应用于Pb²⁺的检测。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

氧醚链基修饰的近红外方酸染料，其通式为以下两种中的一种：

（Ⅰ），或

（Ⅱ）。

通过向苯胺侧链的氮接入正丁基，可以调节染料的溶解性能和聚集行为，从而影响染料的光物理性质。通过氧醚链的引入，可以改善它们在水中的溶解性，而且形成的类冠醚结构可用于金属离子的捕获，可作为离子响应的荧光探针。

氧醚链修饰的近红外方酸染料具有如下特征：染料的最大吸收位于640-660 nm，具有很高的摩尔吸光系数和荧光量子产率。在甲酸溶液中，由于方酸染料中心四元环上的氧原子及两端苯胺上的氮原子同时被质子化，体现在吸收光谱上，在400-600 nm间形成了小丘陵的宽峰；而由于乙酸的酸性较弱，其吸收峰仍然保持在640-660 nm波段内。同时该近红外方酸染料具有较好的水溶性。其中氧醚链修饰的近红外方酸染料Ⅰ在DMSO/水混合溶液中，随着含水量的增加，染料的吸光强度略有降低，当含水量增至80%时，染料的吸收才会出现明显的突降。当含水量为100%时，吸收峰展宽，表明体系中有聚集态的生成。苯并氧醚链修饰的近红外方酸染料Ⅱ在乙腈/水混合溶液中也表现出与氧醚链基修饰的近红外方酸染料Ⅰ类似的聚集行为。

所述的氧醚链修饰的近红外方酸染料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将氧醚链连接的N,N-二正丁基取代的二苯胺衍生物和方酸混合，溶于溶剂，接上分水器，N₂保护下回流；

（2）将步骤（1）所得的反应混合物冷却至室温，减压除去溶剂，得粗产品；

（3）粗产品经硅胶柱层析纯化，得氧醚链修饰的近红外方酸染料。

步骤（1）中溶剂为甲苯和正丁醇，N₂保护，回流时间为12小时；步骤（3）中硅胶柱层析所用的洗脱剂成分为：先用二氯甲烷和乙酸乙酯，体积比10:1~6:1进行梯度淋洗，然后再用二氯甲烷和甲醇，体积比为30:1洗脱剂分离。

步骤（1）中所述的N,N-二正丁基取代的二苯胺衍生物的合成方法包括如下步骤：

（1）将氧醚链连接的二苯胺衍生物，溴代正丁烷，无水碳酸钠，溶于异丙醇-水溶液（1:1, v/v）溶液中，加热回流反应过夜；

（2）反应结束后冷却至室温，用二氯甲烷萃取反应液三次，合并有机层，有机相用饱和食盐水洗涤两次，无水硫酸镁干燥，过滤，减压除去溶剂得到粗产品；

（3）将粗产品经硅胶柱纯化，得。

所述的氧醚链连接的二苯胺衍生物的合成方法包括如下步骤：

（1）将活性炭和三氯化铁悬浮于少量甲醇溶液中，50℃温度下加热回流20分钟，加入，N₂保护下缓慢加入水合肼，反应回流5小时，反应结束后冷却至室温，过滤除去活性炭，减压除去甲醇，得到含产品的水合肼反应液；

（2）往反应液中加入适量二次水，用二氯甲烷萃取，无水硫酸镁干燥，过滤；

（3）减压除去溶剂得到粗产品；

（4）将粗产物经硅胶柱纯化，得。

所述的的合成方法包括如下步骤：

（1）将3-硝基苯酚和二乙二醇双(2-氯乙基)醚溶于乙腈溶液中，再加入KI和K₂CO₃，加热回流12小时，反应停止后，冷却，减压抽滤除去固体；

（2）减压除去溶剂后得粗产物；

（3）将粗产物经硅胶柱纯化，得。

所述的苯并氧醚链修饰的近红外方酸染料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将苯并氧醚链连接的具有N,N-二正丁基侧链的二苯胺衍生物和方酸混合，溶于溶剂，接上分水器，减压，加热回流；

（3）粗产品经硅胶柱层析纯化，得苯并氧醚链修饰的近红外方酸染料。

步骤（1）中溶剂为正庚醇，减压至76 mmHg，反应温度为133℃，回流时间为12小时；步骤（3）中硅胶柱层析所用的洗脱剂成分为：先用二氯甲烷和乙酸乙酯，体积比10:1~6:1进行梯度淋洗，然后再用二氯甲烷和甲醇，体积比为30:1洗脱剂分离。

步骤（1）中所述的苯并氧醚链连接的具有N,N-二正丁基侧链的二苯胺衍生物的合成方法包括如下步骤：

（1）将苯并氧醚链连接的二苯胺衍生物，溴代正丁烷，无水碳酸钠，溶于异丙醇-水溶液（1:1, v/v）溶液中，加热回流反应过夜；

（3）将粗产品经硅胶柱纯化，得。

所述的苯并氧醚链连接的二苯胺衍生物的合成方法包括如下步骤：

（3）减压除去溶剂得到粗产品；

（4）将粗产品经硅胶柱纯化，得。

（1）将3-硝基苯酚和溶于乙腈溶液中，再加入KI和K₂CO₃，加热回流12小时，反应停止后，冷却，减压抽滤除去固体；

（2）减压除去溶剂后得粗产物；

（3）将粗产物经硅胶柱纯化，得。

所述的的合成方法包括如下步骤：

（1）将四正丁基溴化铵用水溶解，再加二氯乙基醚，70℃加热搅拌5分钟；

（2）将邻苯二酚和KOH先用水混合溶解，然后滴加到（1）中的反应液中，N₂保护，回流反应12小时；

（3）反应结束后，冷却至室温，用二氯甲烷萃取，无水硫酸镁干燥，过滤，减压除去溶剂得粗产品；

（4）将粗产物经硅胶柱纯化，得。

所述的氧醚链修饰的近红外方酸染料Ⅰ可成功地应用于含水体系中Fe³⁺的检测，而苯并氧醚链修饰的近红外方酸染料Ⅱ可以成功地应用于含水体系中Pb²⁺的检测。

本发明的显著优点在于：

该类方酸染料荧光探针稳定性好，光学性能优异，通过氧醚链的引入，可以改善它们在水中的溶解性，而且形成的冠醚状结构可用于金属离子的捕获，可用作离子响应的荧光探针。

附图说明

图1是浓度为2.5 μM的氧醚链修饰的方酸染料Ⅰ在不同比例的DMSO/H₂O的吸收光谱变化图；

图2是浓度为2.5 μM的苯并氧醚链修饰的方酸染料Ⅱ在不同比例的MeCN/H₂O的吸收光谱变化图；

图3是浓度为2.5 μM的苯并氧醚链修饰的方酸染料Ⅱ在不同比例的MeCN/H₂O的荧光光谱变化图；

图4是不同浓度的氧醚链修饰的方酸染料Ⅰ在DMSO/H₂O (20:80, v/v)溶液中的荧光光谱变化图；

图5是浓度为2.5 μM的氧醚链修饰的方酸染料Ⅰ在DMSO/H₂O (20:80, v/v)溶液中在波长为676 nm处1小时内的荧光强度变化图；

图6是浓度为2.5 μM的氧醚链修饰的方酸染料Ⅰ在DMSO/H₂O (20:80, v/v)溶液中对不同金属离子响应的荧光光谱变化图；

图7是浓度为2.5 μM的苯并氧醚链修饰的方酸染料Ⅱ在MeCN/H₂O (90:10, v/v)溶液中对不同金属离子响应的荧光光谱变化图；

图8是浓度为2.5 μM的氧醚链修饰的方酸染料Ⅰ在DMSO/H₂O (20:80, v/v)溶液中对不同浓度三价铁离子响应的荧光光谱变化图；

图9是浓度为2.5 μM的苯并氧醚链修饰的方酸染料Ⅱ在MeCN/H₂O (90:10, v/v)溶液中对浓度铅离子响应的荧光光谱变化图。

具体实施方式

本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。

实施例 1

的制备：

在100 mL的圆底烧瓶中，将3-硝基苯酚（1.57 g, 11.3 mmol），二乙二醇双(2-氯乙基)醚（1.16 g, 5.02 mmol），加入到30 mL无水乙腈中，再加入无水碳酸钾（1.66 g, 12.0 mmol）和催化量的碘化钾，70℃加热反应12小时。反应完冷却至室温，过滤除去无机盐，减压除去溶剂，然后硅胶柱层析分离，洗脱剂为石油醚:乙酸乙酯（4:1, v/v），得到淡黄色油状液体1.25 g，产率57%。IR (KBr): υ_max 3098, 2874, 1620, 1581, 1530, 1483, 1455, 1352, 1288, 1250, 1110, 1056, 962, 872, 803, 738, 673 cm^-1; ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 7.80 (d, J = 8.1 Hz, 2H), 7.74 (s, 2H), 7.41 (t, J = 8.2 Hz, 2H), 7.24 (d, J = 8.3 Hz, 2H), 4.21 (t, J = 4.7 Hz, 4H), 3.89 (t, J = 4.7 Hz, 4H), 3.75–3.69 (m, 8H); ¹³C NMR (101 MHz, CDCl₃) δ 159.35, 149.07, 129.92, 121.67, 115.79, 108.99, 70.87, 70.64, 69.44, 68.17; ESI-MS: m/z 459.1 ([M+Na]⁺)。

的制备：

在100 mL的圆底烧瓶中，将活性炭和三氯化铁悬浮于10 mL甲醇溶液中，50℃温度下加热回流20分钟，加入（1.25 g, 2.86 mmol），在N₂保护下缓慢加入20 mL水合肼，反应回流5小时。反应结束后，冷却至室温，过滤除去活性炭，减压除去甲醇。加入20 mL二次水，用10 mL的二氯甲烷萃取三次，合并有机层，有机相用饱和食盐水洗涤两次，无水硫酸镁干燥，过滤，减压除去溶剂，然后硅胶柱层析分离，洗脱剂为二氯甲烷:甲醇（80:1, v/v），得到淡黄色油状液体0.87 g，产率81%。 IR (KBr): υ_max 3453, 3363, 3229, 3024, 2875, 1601, 1496, 1456, 1351, 1293, 1191, 1162, 979, 840, 767.37, 689, 612, 527, 466 cm^-1; ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 7.04 (t, J = 8.0 Hz, 2H), 6.33 (d, J = 8.3 Hz, 2H), 6.29 (d, J = 8.9 Hz, 2H), 6.26 (s, 2H), 4.08 (t, J = 4.8 Hz, 4H), 3.83 (t, J = 4.8 Hz, 4H), 3.75–3.67 (m, 8H), 3.56 (s, 4H); ¹³C NMR (101 MHz, CDCl₃) δ 159.92, 147.95, 130.05, 108.13, 104.58, 101.83, 70.76, 70.66, 69.75, 67.23; ESI-MS: m/z 377.2 ([M+H]⁺)。

的制备：

在50 mL的圆底烧瓶中，加入（0.87 g, 2.31 mmol），溴代正丁烷（1.90 g, 13.9 mmol），溶于30 mL异丙醇-水溶液（1:1, v/v），再加入无水碳酸钠（0.73 g, 6.89 mmol），70℃反应回流24小时。反应结束后冷却至室温，用10 mL二氯甲烷萃取反应液三次，合并有机层，有机层用饱和食盐水洗涤两次，无水硫酸镁干燥，过滤，减压除去溶剂，然后硅胶柱层析分离，洗脱剂为石油醚:乙酸乙酯（10:1, v/v），得到淡黄色油状物0.55 g，产率40%。 IR (KBr): υ_max 2956, 2872, 1614, 1574, 1499, 1456, 1368, 1292, 1244, 1198, 1140, 1069, 953, 825, 746.50, 687 cm^-1; ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 7.07 (t, J = 8.1 Hz, 2H), 6.26 (d, J = 8.5 Hz, 2H), 6.21 (s, 2H), 6.18 (d, J = 8.2 Hz, 2H), 4.10 (t, J = 4.9 Hz, 4H), 3.83 (t, J = 4.9 Hz, 4H), 3.74–3.66 (m, 8H), 3.22 (t, J = 7.6 Hz, 8H), 1.59–1.51 (m, 8H), 1.38–1.29 (m, 8H), 0.94 (t, J = 7.3 Hz, 12H); ¹³C NMR (101 MHz, CDCl₃) δ 160.10, 149.62, 129.73, 105.22, 100.52, 99.09, 70.78, 70.70, 69.90, 67.10, 50.84, 29.50, 20.39, 14.06; ESI-MS: m/z 601.5 ([M+H]⁺)。

氧醚链修饰的近红外方酸染料（Ⅰ）的制备：

在100 mL的圆底烧瓶中加入（200 mg, 0.33 mmol），方酸（38.0 mg, 0.33 mmol）溶于30 mL甲苯-正丁醇（1:1, v/v）中，接上分水器，在N₂保护下加热分水回流12小时，TLC监测至反应完全。反应结束后冷却至室温，减压除去溶剂，然后硅胶柱层析分离，先用二氯甲烷:乙酸乙酯（10:1~6:1, v/v）除去低极性的杂质，再用二氯甲烷:甲醇（30:1, v/v）为淋洗剂洗脱，得到绿色的固体56 mg，产率25%。IR (KBr): υ_max 2928, 1618, 1589, 1401, 1357, 1307, 1279, 1253, 1218, 1163, 1108, 806, 767 cm^-1; ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 8.68 (d, J = 9.2 Hz, 2H), 6.34 (d, J = 9.2 Hz, 2H), 6.01 (s, 2H), 4.24–4.22 (m, 8H), 3.92 (t, J = 4.6 Hz, 4H), 3.76 (t, J = 4.6 Hz, 4H), 3.38 (t, J =7.7 Hz, 8H), 1.67–1.59 (m, 8H), 1.43–1.34 (m, 8H), 0.98 (t, J = 7.3 Hz, 12H); ¹³C NMR (101 MHz, CDCl₃) δ 187.58, 180.90, 162.34, 154.96, 133.81, 112.35, 106.25, 94.49, 71.05, 70.86, 69.40, 69.13, 51.22, 29.67, 20.24, 13.90; ESI-MS: m/z 701.4 ([M+Na]⁺)。

实施例 2

的制备：

在100 mL的圆底烧瓶中，加入四正丁基溴化铵（0.10 g, 0.31 mmol），加入5 mL二次水溶解，再加入二氯乙基醚（3.57 g, 25.0 mmol），70℃加热搅拌5分钟，称取邻苯二酚（1.10 g, 10.0 mmol）和KOH（1.40 g, 25.0 mmol），用20 mL二次水溶解，溶液呈墨绿色，将此混合液滴加到烧瓶中的反应液中，N₂保护下回流反应12小时。反应结束后冷却至室温，用10 mL的二氯甲烷萃取三次，合并有机层，无水硫酸镁干燥，过滤，减压除去溶剂，然后硅胶柱层析分离，洗脱剂为石油醚:乙酸乙酯（10:1~3:1, v/v），得到淡黄色油状液体2.72 g，产率85%。IR (KBr): υ_max 2874, 1594, 1503, 1455, 1430, 1363, 1300, 1258, 1220, 1129, 1045, 929, 747, 667 cm^-1; ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 6.89 (s, 4H), 4.11 (t, J = 4.8 Hz, 4H), 3.83 (t, J = 4.7 Hz, 4H), 3.79 (t, J = 5.8 Hz, 4H), 3.62 (t, J = 5.8 Hz, 4H); ¹³C NMR (101 MHz, CDCl₃) δ 148.94, 121.76, 114.89, 71.51, 69.82, 68.94, 43.00.

的制备：

在100 mL的圆底烧瓶中，加入3-硝基苯酚（2.75 g, 19.8 mmol），（2.90 g, 8.97 mmol），溶于30 mL无水乙腈中，再加入无水碳酸钾（3.70 g, 26.8 mmol）和催化量的碘化钾，70℃加热反应12小时，TLC跟踪至反应完全。反应结束后，冷却至室温，过滤除去无机盐，减压蒸馏除去溶剂，然后硅胶柱层析分离，洗脱剂为石油醚:乙酸乙酯（9:1~4:1, v/v），得到淡黄色油状液体2.40 g，产率51%。IR (KBr): υ_max 3097, 2927, 2874, 1620, 1592, 1575.49, 1505, 1483, 1455, 1351, 1287, 1252, 1131, 1056, 963, 929, 872, 804, 737, 672 cm^-1; ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 7.79 (d, J = 8.1 Hz, 2H), 7.72 (s, 2H), 7.39 (t, J = 8.2 Hz, 2H), 7.22 (d, J = 8.3 Hz, 2H), 6.94–6.89 (m, 4H), 4.20 (t, J = 4.5 Hz, 8H), 3.97 (t, J = 4.6 Hz, 4H), 3.93 (t, J = 4.8 Hz, 4H); ¹³C NMR (101 MHz, CDCl₃) δ 159.31, 149.14, 148.90, 129.93, 121.81, 121.74, 115.91, 114.91, 108.92, 70.12, 69.68, 68.96, 68.25; ESI-MS: m/z 551.2 ([M+Na]⁺), 529.2 ([M+H]⁺)。

的制备：

在100 mL的圆底烧瓶中，将活性炭和三氯化铁悬浮于10 mL甲醇溶液中，50℃温度下加热回流20分钟，加入（2.40 g, 4.54 mmol），在N₂保护下缓慢加入20 mL水合肼，反应回流5小时。反应结束后，冷却至室温，过滤除去活性炭，减压除去甲醇。加入20 mL二次水，用10 mL的二氯甲烷萃取三次，合并有机层，有机相用饱和食盐水洗涤两次，无水硫酸镁干燥，过滤，减压除去溶剂，然后硅胶柱层析分离，洗脱剂为二氯甲烷:甲醇（80:1, v/v），得到淡黄色油状液体1.78 g，产率84%。IR (KBr): υ_max 3459, 3361, 3226, 3061, 2928, 2875, 1600, 1558, 1539, 1496, 1455, 1359, 1331, 1291, 1254, 1191, 1161.84, 1123, 1054, 979, 930, 840, 749, 688, 603, 526 cm^-1; ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 7.05 (t, J = 8.0 Hz, 2H), 6.99–6.91 (m, 4H), 6.34 (d, J = 8.2 Hz, 2H), 6.30 (d, J = 7.9 Hz, 2H), 6.27 (s, 2H), 4.21 (t, J = 4.9 Hz, 4H), 4.10 (t, J = 4.9 Hz, 4H), 3.95–3.91 (m, 8H), 3.17 (s, br, 4H); ¹³C NMR (101 MHz, CDCl₃) δ 159.93, 149.05, 147.86, 130.05, 121.75, 115.07, 108.11, 104.65, 101.83, 69.96(2C), 69.06, 67.31; ESI-MS: m/z 469.2 ([M+H]⁺)。

的制备：

在50 mL的圆底烧瓶中，加入（1.00 g, 2.13 mmol），溴代正丁烷（1.73 g, 12.6 mmol），溶于30 mL异丙醇-水溶液（1:1, v/v）中，再加入无水碳酸钠（0.67 g, 6.32 mmol），70℃反应回流24小时。反应结束后冷却至室温，10 mL二氯甲烷萃取三次，合并有机层，有机相用饱和食盐水洗涤两次，无水硫酸镁干燥，过滤，减压除去溶剂，然后硅胶柱层析分离，洗脱剂为石油醚:乙酸乙酯（10:1, v/v），得到淡黄色油状物0.51 g，产率35%。IR (KBr): υ_max 2956, 2871, 1611, 1570, 1506, 1456, 1368, 1328, 1290, 1199, 1136, 1059, 953, 823, 744.53, 688 cm^-1; ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 7.06 (t, J = 8.1 Hz, 2H), 6.91–6.87 (m, 4H), 6.26 (d, J = 8.6 Hz, 2H), 6.22 (s, 2H), 6.18 (d, J = 8.2 Hz, 2H), 4.17 (t, J = 4.8 Hz, 4H), 4.10 (t, J = 4.7 Hz, 4H), 3.90 (t, J = 4.8 Hz, 8H), 3.21 (t, J = 7.5 Hz, 8H), 1.58–1.51(m, 8H), 1.37–1.28 (m, 8H), 0.93 (t, J = 7.3 Hz, 12H); ¹³C NMR (101 MHz, CDCl₃) δ 160.13, 149.62, 149.08, 129.77, 121.77, 115.10, 105.25, 100.49, 99.12, 70.13, 69.96, 69.03, 67.19, 50.85, 29.52, 20.41, 14.10; ESI-MS: m/z 693.5 ([M+H]⁺)。

苯并氧醚链修饰的近红外方酸染料（Ⅱ）的制备：

在100 mL的圆底烧瓶中加入（200 mg, 0.29 mmol），方酸（33.0 mg, 0.29 mmol）和30 mL正庚醇，接上分水器，减压至76 mmHg左右，加热到133℃分水回流12小时，TLC监测至反应完全。反应结束后冷却至室温，减压除去溶剂，然后硅胶柱层析分离，先用二氯甲烷:乙酸乙酯（10:1~6:1, v/v）除去低极性的杂质，再用二氯甲烷:甲醇（30:1, v/v）为淋洗剂洗脱，得到亮红色的固体69 mg，产率31%。IR (KBr): υ_max 2924, 1590, 1514, 1456, 1403, 1346, 1220, 1173, 807, 764 cm^-1; ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 8.69 (d, J = 9.1 Hz, 2H), 6.90–6.87 (m, 4H), 6.34 (d, J = 9.2 Hz, 2H), 6.03 (s, 2H), 4.34 (t, J = 4.9 Hz, 4H), 4.23 (t, J = 5.0 Hz, 4H), 4.16 (s, 8H), 3.38 (t, J = 7.6 Hz, 8H), 1.67–1.59 (m, 8H), 1.43–1.34 (m, 8H), 0.98 (t, J = 7.3 Hz, 12H); ¹³C NMR (101 MHz, CDCl₃) δ 187.02, 181.57, 162.26, 155.04, 149.11, 133.83, 121.56, 114.65, 112.29, 106.36, 94.66, 70.30, 69.79, 69.71, 69.00, 51.23, 29.69, 20.25, 13.91; ESI-MS: m/z 793.5 ([M+Na]⁺)。

方酸染料在水溶液中易发生自聚集，溶剂的极性和溶剂的成分对染料的光谱性质具有很大的影响。水具有较大的介电常数，能有效地减少分子聚集堆积时同种电荷的排斥，有利于染料分子的聚集。聚集会引起染料紫外吸收光谱的变化及荧光的猝灭。在正丁基侧链修饰的方酸染料的基础上，再引入氧醚链形成一个跨环，不仅能实现对金属离子的响应，还能提高方酸染料的稳定性，提高其在水溶液中的溶解性，调节其在溶液中的聚集行为。图1为2.5 μM的氧醚链修饰的方酸染料Ⅰ在不同含水量的DMSO溶液中的吸收光谱。由谱图可以看出，当DMSO中的水含量增加至70%，吸收峰不发生移动，吸收强度几乎没有变化。当水含量继续增加至80%-90%时，吸收强度明显下降，吸收峰略有蓝移，当水含量为100%时，吸收峰呈“小丘陵”型宽峰。图2为2.5 μM的苯并氧醚链修饰的方酸染料Ⅱ在不同含水量的乙腈溶液中的吸收光谱。由谱图可以看出，当乙腈中水含量增加至70%，吸收峰位置略有红移，吸收强度略有下降。当水含量继续增加至80%时，染料在644 nm处的吸收强度发生突降并红移至652 nm，说明此时有聚集体的形成，当水含量继续增加至90%-100%时，吸收峰呈“小丘陵”型宽峰。染料的聚集行为也可以体现在荧光猝灭这个性质上，这里列举了2.5 μM苯并氧醚链修饰的方酸染料Ⅱ在不同含水量的乙腈溶液中的荧光光谱变化（测试条件：Ex=645, Slit: 5/5, PMT Volts: 600），如图3所示，即使在乙腈中水含量为10%时，染料的荧光猝灭明显，当水含量继续增加至70%时，荧光慢慢小幅度下降，说明在10%-70%含水量的乙腈溶液中，单体和聚集体同时存在。而含水量增至80%时，荧光完全猝灭了，染料以聚集态的形式存在。

荧光分子本身浓度增大使其荧光猝灭的现象称为浓度猝灭或自猝灭。为了避免染料浓度太大而引起自猝灭现象对测试体系荧光的影响，需要选择合适的染料浓度作为体系的测试浓度。这里列举了不同浓度的氧醚链修饰的方酸染料Ⅰ在DMSO/H₂O (20:80,v/v)溶液中的荧光光谱变化图（测试条件：Ex=650, Slit: 10/5, PMT Volts: 680），如图4所示。染料每次以0.5 μM的浓度递增，由谱图可以看出，随着浓度的增加，染料自身的荧光逐渐增强，且增强的幅度逐渐减小。当浓度增至5.0 μM时，荧光强度开始逐渐降低，且降低的幅度逐渐增大。故对于检测体系，染料的浓度选择在2.5 μM是比较理想的。在测试时同时要考虑染料本身荧光在该实验体系中的稳定性，避免染料自身荧光的不稳定对测试可靠性产生干扰。这里列举了2.5 μM的氧醚链修饰的方酸染料Ⅰ在DMSO/H₂O(20:80,v/v)溶液体系中在波长为676 nm处1小时内的荧光强度变化（测试条件：Ex=650, Slit: 10/5, PMT Volts: 680），如图5所示，染料在1小时内是相对稳定的，这保证了在测试时间内可以获得更灵敏真实的测试结果。

选择性是评价化学传感器性能优异与否的一项指标。图6 是浓度为2.5 μM的氧醚链修饰的方酸染料Ⅰ在DMSO/H₂O(20:80,v/v)溶液中对不同金属离子响应的荧光光谱变化图（测试条件：Ex=650, Slit: 10/5, PMT Volts: 680）。从谱图上可以看出，2.5 μM氧醚链修饰的方酸染料在该体系中显示出强的荧光发射，在加入50 μM的Ag⁺, Hg²⁺, Li⁺, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Al³⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Mn²⁺, Ag⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, Co²⁺等离子后，体系的荧光没有变化，而加入50 μM Fe³⁺后，约60%荧光猝灭，从而与其它离子明显地区分开来，达到识别三价铁离子的目的。图7是2.5 μM的苯并氧醚链修饰的方酸染料Ⅱ在MeCN/H₂O(90:10,v/v)溶液中对不同金属离子响应的荧光光谱变化图（测试条件：Ex=645, Slit: 5/5, PMT Volts: 600）。从谱图上可以看出2.5 μM的苯并氧醚链修饰的方酸染料在该体系中表现出强的荧光发射，在加入50 μM的Ag⁺, Li⁺, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, Mn²⁺, Ag⁺, Zn²⁺, Co²⁺, Al³⁺, Hg²⁺, Fe³⁺等离子后，体系的荧光没有变化，加入等当量的Cu²⁺后，荧光完全猝灭了，而加入50 μM的Pb²⁺后，体系荧光强度是染料自身荧光强度的4倍，从而与其它离子明显地区分开来，达到检测铅离子的目的。

为了进一步研究氧醚链修饰的方酸染料Ⅰ对Fe³⁺的定量检测，我们进行了Fe³⁺的荧光滴定实验（测试条件：Ex=650, Slit: 10/5, PMT Volts: 680），如图8所示，在DMSO/H₂O(20:80,v/v)溶液体系中，随着Fe³⁺浓度的不断增加，体系的荧光强度也随之降低，在滴定50 μM Fe³⁺后，体系的荧光强度逐渐趋于平稳。因此，氧醚链修饰的方酸染料Ⅰ可以高效地选择性识别溶液中的Fe³⁺。同时也进一步研究了苯并氧醚链修饰的方酸染料Ⅱ对Pb²⁺的滴定实验（测试条件：Ex=645, Slit: 5/5, PMT Volts: 600）。如图9所示，在MeCN/H₂O(90:10, v/v)溶液体系中，随着Pb²⁺浓度的增加，体系的荧光强度随着Pb²⁺浓度的增加而呈现明显的上升趋势，当Pb²⁺浓度增至50 μM时，荧光增强几乎达到饱和，因此，苯并氧醚链修饰的方酸染料Ⅱ可以高效地选择性识别溶液中的Pb²⁺。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种氧醚链修饰的近红外方酸染料，其特征在于：所述的近红外方酸染料通式为：

（Ⅰ），或

（Ⅱ）。

2.一种制备如权利要求1所述的氧醚链修饰的近红外方酸染料的方法，其特征在于：化合物Ⅰ的制备包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的氧醚链修饰的近红外方酸染料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中溶剂为甲苯和正丁醇，N₂保护，回流时间为12小时；步骤（3）中硅胶柱层析所用的洗脱剂成分为：先用二氯甲烷和乙酸乙酯，体积比10:1~6:1进行梯度淋洗，然后再用二氯甲烷和甲醇，体积比为30:1洗脱剂分离。

4.根据权利要求2所述的氧醚链修饰的近红外方酸染料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的N,N-二正丁基取代的二苯胺衍生物的合成方法包括如下步骤：

（1）将氧醚链连接的二苯胺衍生物，溴代正丁烷，无水碳酸钠，溶于异丙醇-水溶液（1:1, v/v）中，加热回流反应过夜；

（3）将粗产品经硅胶柱纯化，得。

5.根据权利要求4所述的氧醚链修饰的近红外方酸染料的制备方法，其特征在于：所述的氧醚链连接的二苯胺衍生物的合成方法包括如下步骤：

（1）将活性炭和三氯化铁悬浮于甲醇溶液中，50℃下加热回流20分钟，加入，N₂保护下缓慢加入水合肼，反应回流5小时，反应结束后冷却至室温，过滤除去活性炭，减压除去甲醇，得到含产品的水合肼反应液；

（2）往反应液中加入二次水，用二氯甲烷萃取，无水硫酸镁干燥，过滤；

（3）减压除去溶剂得到粗产品；

（4）将粗产品经硅胶柱纯化，得；

所述的的合成方法包括如下步骤：

（2）减压除去溶剂后得粗产物；

（3）将粗产物经硅胶柱纯化，得。

6.一种制备如权利要求1所述的苯并氧醚链修饰的近红外方酸染料的方法，其特征在于：化合物Ⅱ的制备包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的苯并氧醚链修饰的近红外方酸染料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中溶剂为正庚醇，减压至76 mmHg，反应温度为133℃，回流时间为12小时；步骤（3）中硅胶柱层析所用的洗脱剂成分为：先用二氯甲烷和乙酸乙酯，体积比10:1~6:1进行梯度淋洗，然后再用二氯甲烷和甲醇，体积比为30:1洗脱剂分离。

8.根据权利要求6所述的苯并氧醚链修饰的近红外方酸染料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的苯并氧醚链连接的具有N,N-二正丁基侧链的二苯胺衍生物的合成方法包括如下步骤：

（1）将苯并氧醚链连接的二苯胺衍生物，溴代正丁烷，无水碳酸钠，溶于异丙醇-水溶液（1:1, v/v）中，加热回流反应过夜；

（2）反应结束后冷却至室温，用二氯甲烷萃取反应液三次，合并有机层，有机层用饱和食盐水洗涤两次，无水硫酸镁干燥，过滤，减压除去溶剂得到粗产品；

（3）将粗产品经硅胶柱纯化，得。

9.根据权利要求8所述的苯并氧醚链修饰的近红外方酸染料的制备方法，其特征在于：所述的苯并氧醚链连接的二苯胺衍生物的合成方法包括如下步骤：

（1）将活性炭和三氯化铁悬浮于甲醇溶液中，50℃温度下加热回流20分钟，加入，N₂保护下缓慢加入水合肼，反应回流5小时，反应结束后冷却至室温，过滤除去活性炭，减压除去甲醇，得到含产品的水合肼反应液；

（3）减压除去溶剂得到粗产品；

（4）将粗产品经硅胶柱纯化，得；

所述的的合成方法包括如下步骤：

（2）减压除去溶剂后得粗产物；

（3）将粗产物经硅胶柱纯化，得；

所述的的合成方法包括如下步骤：

（1）将四正丁基溴化铵用水溶解，再加入二氯乙基醚，70℃加热搅拌5分钟；

（4）将粗产品经硅胶柱纯化，得。

10.一种如权利要求1所述的氧醚链修饰的近红外方酸染料的应用，其特征在于：用于含水体系中金属离子的检测；其中，化合物Ⅰ用于含水体系中Fe³⁺的检测，化合物Ⅱ用于含水体系中Pb²⁺的检测。