CN104844475B

CN104844475B - 荧光探针分子及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN104844475B
Application number: CN201510176221.9A
Authority: CN
Inventors: 李灵芝; 秦安军; 唐本忠; 孙景志
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2035-04-15
Also published as: CN104844475A

Abstract

本发明公开了一类荧光探针分子，结构式如式(Ⅰ)所示；本发明还公开了所述荧光探针分子的制备方法，经铃木反应，依次制备中间产物1、中间产物2和中间产物3，结构式如下式(Ⅱ)～(Ⅳ)所示；再将中间产物3、丙二睛与无水乙醇混合，氮气气氛下加热回流，得到所述的荧光探针分子；该荧光探针分子可以实现对水体中微量肼及甲烷氯化法生产四氯化碳过程中氯代甲烷中间体的特异性检测，具有灵敏度高、响应速度快、操作简便的特点；式(I)、(Ⅲ)和(Ⅳ)中，R选自如下所示基团的一种：

Description

荧光探针分子及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及荧光探针检测的技术领域，特别涉及一类荧光探针分子及其制备方法和应用。

背景技术

荧光探针技术是一种利用探针化合物的光物理和光化学特征，在分子水平上研究某些体系的物理、化学过程和检测某种特殊环境材料的结构及物理性质的方法，其基本特点是具有高度灵敏性和极宽的动态时间响应范围。因此，荧光探针技术不仅可用于对某些体系的稳态性质进行研究，而且还可对某些体系的快速动态过程如某种新物种的产生和衰变等进行监测。

肼，化学式为N₂H₄，是一种无色发烟的、具有腐蚀性和强还原性的液体化合物，肼吸湿性强，易溶于水形成水合肼。正由于肼具有高的反应活性及还原性，因此在工业制药，发泡剂等方面起着很重要的作用。此外，肼还是一种用于军工的火箭助推系统与导弹系统中很重要的燃料。但是，肼也是毒性很强的物质，被美国环境保护组织(U.S.EnvironmentalProtectin Agency)划为人类致癌物质，且规定了水体环境中肼的极限浓度为10ppb。而肼在运输及应用过程中极易对环境造成污染，且被人体吸入，将对人体肺和肾脏等器官造成巨大伤害，甚至可能会致癌，因此，对微量肼的检测具有极其重要的意义。与传统肼的检测方法，如气相色谱法、高分辨液相色谱法等相比，荧光技术具有快速、灵敏度高、操作简单等特点。

四氯化碳，化学式为CCl₄，是一种能溶解脂肪、油漆等多种物质，易挥发、不易燃的无色液体。也正由于以上特性，可以使其在灭火剂、纤维脱脂剂、有机溶剂、织物干燥剂等方面有着广泛的应用。在四氯化碳的工业生产中，甲烷热氯化法最为普遍和成熟，通过甲烷和氯气混和在高温下发生自由基取代反应，可以使原料逐渐从一取代氯甲烷、二取代氯甲烷和三取代氯甲烷中间体向目标产物四氯化碳过渡。然而，这种常用生产四氯化碳的方法也会造成未反应完全的中间体的残留，因此检测四氯化碳生产中未反应完全的氯代甲烷中间体对于探测实际生产中四氯化碳的纯度有着非常重要的意义。传统用于检测化合物纯度的方法有液相色谱法、气相色谱法和电位分析法等等，但是这些方法操作都需要比较费时地处理，且对于仪器的要求也比较高。相比之下，分子探针在检测时具有反应快速，操作便捷以及成本低廉等优点，因此近年来得到普遍关注。但关于用分子探针来检测四氯化碳生产中氯甲烷中间体的残留国、内外均未有报道。

发明内容

本发明提供了一种基于四苯基苯的荧光探针分子，该荧光探针分子可以实现对水体中微量肼及甲烷氯化法生产四氯化碳过程中氯代甲烷中间体的特异性检测，具有灵敏度高、响应速度快、操作简便的特点。

一类荧光探针分子，为基于四苯基苯的二苯氨基和二氰乙烯基取代的衍生物，结构式如下：

式(I)中，R选自如下所示基团的一种：

本发明还公开了所述的荧光探针分子的制备方法，步骤如下：

(1)经铃木反应，依次制备中间产物1、中间产物2和中间产物3，结构式如下式(Ⅱ)～(Ⅳ)所示；

式(III)和(IV)中，R选自如下所示基团的一种：

(2)将中间产物3、丙二睛与无水乙醇混合，氮气气氛下加热回流，得到所述的荧光探针分子。

具体为：

(1)向反应器中加入1,4-二溴-2,5-二碘苯、苯硼酸和四(三苯基膦)钯，抽真空换氮气多次后注入无水无氧四氢呋喃和碳酸钾的水溶液，70～80℃下回流5～10h后经提纯得到2,5-二溴-1,4-二苯基苯，即中间产物1(结构式如式(Ⅱ))；

(2)将中间产物1、部分化合物4和四(三苯基膦)钯混合，抽真空换氮气多次后再加入无水无氧四氢呋喃和碳酸钾水溶液,70～80℃下反应5h，再在5h内分三次加入剩余化合物4，反应后经提纯得到中间产物2(结构式如式(Ⅲ))；

化合物4的结构如下式中的一种，当替换不同的化合物4时，可以分别得到不同的分子探针；

(3)将中间产物2，4-醛基苯硼酸和四(三苯基膦)钯混合，抽真空换氮气多次后，加入无水无氧甲苯、乙醇以及碳酸钾水溶液，105～115℃下回流反应5～10h，再经提纯得到中间产物3(结构式如式(Ⅳ))；

(4)将中间产物3和丙二睛，抽真空换氮气多次后注入干燥的无水乙醇，75～80℃回流36～48h后经提纯得到所述的荧光探针分子。

反应方程式如下：

作为优选，步骤(1)中，所述的1,4-二溴-2,5-二碘苯、苯硼酸和四(三苯基膦)钯的投料摩尔比为1：2～3：0.04～0.06；

加入的无水无氧四氢呋喃和碳酸钾水溶液的体积比为2：1，碳酸钾水溶液的浓度为2mol/L；

步骤(1)所述的提纯过程具体为：将产物用二氯甲烷萃取水洗，收取的有机相经减压蒸馏除去溶剂，再用石油醚进行柱层析提纯。

作为优选，步骤(2)中，化合物4与四(三苯基膦)钯的投料摩尔比为1:0.5～1.0:0.04～0.06，首次加入的化合物4的投料摩尔数为总加入量的1/2；

作为优选，步骤(3)中，所述的中间产物2、4-醛基苯硼酸和四(三苯基膦)钯的投料摩尔比为1：1～2：0.04～0.06；

无水无氧甲苯、乙醇和碳酸钾水溶液的体积比为2：1：1，碳酸钾浓度为2mol/L；

步骤(3)所述的提纯过程具体为：将产物用二氯甲烷萃取水洗，收取的有机相经减压蒸馏除去溶剂，再用石油醚与乙酸乙酯混合溶剂进行柱层析提纯。

作为优选，步骤(4)中，所述中间产物3和丙二腈的投料摩尔比为1：1～2；

步骤(4)所述的提纯过程具体为：将产物经减压蒸馏除去溶剂，再用石油醚与乙酸乙酯混合溶剂进行柱层析提纯。

本发明还公开了所述的荧光探针分子的两种应用：

一种是将所述的荧光探针分子用于水体中微量肼的检测，具体过程为：

将所述的荧光探针分子与二甲基亚砜混合，得到浓度为10^-4～10^-6mol/L的荧光探针分子/二甲基亚砜溶液，再与待测水溶液混合，检测是否产生荧光以判断水体中是否含有肼。

作为优选，所述二甲基亚砜与含肼的待测水溶液的体积比为9:1。

经研究发现，该类荧光探针分子对肼响应的基团为四苯基苯衍生物中的二腈基乙烯基，四苯基苯衍生物在体积比为9:1的DMSO/H₂O混合溶液中几乎不发射荧光，随着肼的加入，该荧光探针分子与肼反应后体系发射强烈的蓝绿光，因此可用于实际检测水相中的微量肼；并随着肼的加入，在483nm处的荧光发射峰逐渐增强，呈现为从暗场向蓝绿光转变的现象。

该类荧光探针分子对肼的检测响应速度极快，1当量的肼可与1当量的荧光探针分子快速反应，该检测在3分钟内即可完成；

该类荧光探针分子对肼的检测选择性好，当水体中包含多种阴离子，如CN^-、F^-、SO₄ ^2-、Cl^-、NO₃ ^-、Br^-、HSO₄ ^-、I^-、H₂PO₄ ^2-；以及阳离子，如Zn²⁺、Pb²⁺、Pb²⁺、Na⁺、Mn²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Fe³⁺等等，仍可以实现对肼的专一性相应。

该类荧光探针分子对肼的检测灵敏度高，当水体中肼的浓度仅为0.025～0.5ppm时，即可采用该荧光探针分子实现有效地检测，有望用于军工和医药等领域水体中肼的检测。

与现有技术相比，本荧光探针分子对肼的检测具有以下优点和效果：

1.本发明制备的具有AIE性能的荧光探针分子对肼的响应灵敏度高，专一选择性好；

2.本发明制备的荧光探针分子在非检测状态下不发光，背景噪音小，加入肼之后出现明显的蓝绿光，开关比大；

3.本发明制备的荧光探针分子对肼的检测可在短时间内完成，具有实际应用价值。

一种是将所述的荧光探针分子用于甲烷氯化法生产四氯化碳过程中氯代甲烷中间体的检测。

作为优选，所述荧光探针分子的浓度为10^-4～10^-6mol/L。

作为优选，所述的氯代甲烷中间体为三氯甲烷和/或二氯甲烷。

经研究发现，该类荧光探针分子在四氯化碳中发射513nm的绿光，而在三氯甲烷和二氯甲烷中不发光，通过在含有该荧光探针分子的四氯化碳溶液中三氯甲烷或二氯甲烷加入量的增加，发射光谱和发射光颜色发生红移，最大红移达90nm，检测最低含量为1％，因此可以实现对四氯化碳生产中氯代甲烷中间体的检测，并用于实际四氯化碳生产中检测其纯度。

当氯代甲烷中间体为二氯甲烷时，该检测方法的有效检测范围为1～40％；

当氯代甲烷中间体为三氯甲烷时，该检测方法的有效检测范围为1～70％。

与现有技术相比，本荧光探针分子对甲烷氯化法生产四氯化碳过程中氯代甲烷中间体的检测具有以下优点和效果：

1、本发明制备的荧光探针分子用于检测四氯化碳的纯度时，响应时间极短，立竿见影；

2、本发明制备的荧光探针分子在检测时可以通过人眼来辨别发射光的颜色，操作便捷；

3、本发明制备的荧光探针分子可检测氯代甲烷中间体的浓度极限低。

附图说明

图1为实施例1制备的荧光探针分子(10μM)与不同当量比的肼在体积比为9:1的二甲亚砜/水溶液中反应的荧光强度随时间变化的曲线；

图2为实施例1制备的荧光探针分子(10μM)与不同当量比的肼(0～1当量)在体积比为9:1的二甲亚砜/水溶液中反应15分钟后的荧光曲线；

图3为实施例1制备的荧光探针分子(10μM)与不同当量比的肼(0～2当量)在体积比为9:1的二甲亚砜/水溶液中反应15分钟后，荧光强度与肼含量的关系图(插图为肼含量为0～1当量的荧光强度与肼含量关系曲线)；

图4为实施例1制备的荧光探针分子(10μM)与1当量的肼与20种阴阳离子在体积比为9:1的二甲亚砜/水溶液中反应15分钟后的荧光曲线图；

图5为实施例1制备的荧光探针分子(10μM)与1当量的肼与20种阴阳离子在体积比为9:1的二甲亚砜/水溶液中反应15分钟后的荧光强度：

1：空白，2：肼，3：CN^-，4：F^-，5：SO₄ ^2-，6：Cl^-，7：NO₃ ^-，8：Br^-，9：HSO₄ ^-，10：I^-，11：H₂PO₄ ^2-，12：Zn²⁺，13：Pb²⁺，14：Pb²⁺，15：Na⁺，16：Mn²⁺，17：Mg²⁺，18：Fe³⁺，19：Cu²⁺，20：Co²⁺，21：Ni²⁺，22：Fe³⁺；

图6为实施例1制备的荧光探针分子在不同二氯甲烷含量(从左到右体积分数分别为1％，2％，3％，4％，5％，7.5％，10％，15％，20％，25％，30％，35％，40％)的四氯化碳中的荧光发射光谱曲线，探针浓度：5μM，激发波长：410nm；

图7为实施例1制备的荧光探针分子在二氯甲烷/四氯化碳混合溶剂中发射波长相对于二氯甲烷体积分数的谱图(插图为波长相对于二氯甲烷体积分数为1～5％的谱图)；

图8为实施例1制备的荧光探针分子在不同氯仿含量(从左到右体积分数分别为1％，2％，3％，4％，5％，7.5％，10％，20％，30％，40％，50％，60％，70％)的四氯化碳中的荧光发射光谱，探针浓度：5μM，激发波长：410nm；

图9为实施例1制备的荧光探针分子在氯仿/四氯化碳混合溶剂中发射波长相对于氯仿体积分数的谱图(插图为波长相对于氯仿体积分数为1～5％的谱图)。

具体实施方式

下面的实施是对本发明的进一步说明，而非限定本发明的范围。

实施例1

三联苯二溴代衍生物(式如下)的合成：

100mL双口瓶中加入1,4-二溴-2,5-二碘苯974.5mg(2mmol)，苯硼酸609.5mg(5mmol)，四(三苯基膦)钯115.6mg(0.1mmol)，抽真空换氮气三次后注射加入无水无氧四氢呋喃20mL和碳酸钾的水溶液10mL(2mol/L)，在74℃下回流8h，反应结束用DCM萃取，并用盐水洗涤三次后有机相用无水硫酸钠干燥，过滤后旋干，用纯石油醚过柱分离提纯，得到白色粉末2,5-二溴-1,4-二苯基苯，产率为63.7％，即中间产物1。产物表征数据如下：

¹H NMR(400MHz,CDCl₃):δ(TMS,ppm)7.64(s,2H),7.44(m,10H).13C NMR(100MHz,CDCl₃):δ(TMS,ppm)142.95,135.49,129.31,128.15,121.38.

三苯基苯溴代衍生物的合成(式如下)：

在100mL双口瓶中加入中间产物1(385.9mg,1mmol)，4-硼酸酯三苯胺(186mg,0.05mmol)和催化剂四(三苯基膦)钯46.2mg(0.04mmol)，抽真空换氮气三次后注射加入20mL无水无氧四氢呋喃20mL和碳酸钾水溶液10mL(2M)，反应5h后，用2mL四氢呋喃溶解4-硼酸酯三苯胺(186mg,0.05mmol)，然后分三次在5h内注射加入反应体系，反应继续回流过夜后，用二氯甲烷萃取盐水洗涤后有机相用无水硫酸钠干燥，过滤后有机相旋干过柱分离，淋洗剂为石油醚/二氯甲烷＝20:1，得到产物，产率为65.7％，即中间产物2。产物表征数据如下：

¹H NMR(400MHz,acetone-d₆):δ(TMS,ppm)7.66(m,4H),7.50(d,1H),7.45(t,2H),7.36(t,1H),7.20(m,10H).¹³C NMR(100MHz,CDCl₃):δ(TMS,ppm)141.5,141.7,141.0,140.6,139.6,131.2,130.0,129.9,129.5,128.9,127.5,127.2,126.7,126.6,126.2.

四苯基苯醛基取代衍生物(式如下)的合成：

将中间产物2(361mg,0.66mol)，4-醛基苯硼酸(147.3mg,0.99mmol)和催化剂四(三苯基膦)钯(30.1mg,0.0027mmol)加入到100mL双口瓶中，抽真空换氮气三次后，注射加入无水无氧甲苯20mL，乙醇10mL以及碳酸钾水溶液10mL(2mol/L)，在110℃回流八小时后反应结束，将反应溶剂旋干后，用DCM溶解，萃取并用盐水洗涤，有机相用无水硫酸钠干燥后过滤，滤液旋干过柱分提纯，用石油醚/乙酸乙酯＝40:1做淋洗剂，得到黄色固体，产率为85.8％，即中间产物3。表征数据如下：

¹H NMR(400MHz,d-DMSO):δ(TMS,ppm)¹H NMR(400MHz,CDCl₃):δ(TMS,ppm)9.97(s,1H),7.80(d,2H),7.46(d,4H),7.27(m,14H),7.12(d,2H),7.04(t,2H).7.00(t,4H),6.86(d,2H).¹³C NMR(100MHz,CDCl₃):δ(TMS,ppm)191.98,147.59,146.61,140.79,140.43,140.28,139.84,139.77,137.94,134.56,132.83,132.68,130.63,130.54,129.85,129.43,129.20,128.19,128.00,127.00,126.85,124.37,123.07,122.87

荧光探针分子TPB-ADCV(式如下)的合成：

中间产物3(90mg,0.156mmol)和丙二睛(30.8mg,0.23mmol)加入到100mL双口瓶中，抽真空换氮气三次后注射加入用无水硫酸钠干燥的无水乙醇20mL，在78℃回流48h后，将溶剂旋干，过柱分离提纯，淋洗剂为石油醚：乙酸乙酯＝1:40，得到黄绿色固体物质,产率为63.3％。表针数据如下：

¹H NMR(400MHz,d-DMSO):δ(TMS,ppm)8.47(s,1H),7.87(d,2H),7.49(d,4H),7.31(m,14H),7.13(d,2H),7.05(t,2H).7.01(t,4H),6.86(d,2H).¹³C NMR(100MHz,CDCl₃):δ(TMS,ppm)159.29,148.16,147.62,146.78,140.78,140.30,140.09,139.89,137.27,134.38,133.00,132.63,131.05,130.59,129.85,129.24,128.35,128.07,127.26,126.97,124.45,123.06,81.92.

HRMS(MALDI-TOF):m/z 625.2482([M]⁺,calcd for C₄₆H₃₁N₃625.2518).

以下各实施例中均采用实施例1中制备得到的荧光探针分子。

实施例2荧光探针分子对肼的时间响应

向9mL的荧光探针分子/二甲亚砜溶液中加入1mL肼含量不同的水溶液(荧光探针分子浓度为10μM)，使其当量比分别为1:0.1、1:0.3和1:0.5，测试该三种条件下荧光强度随时间变化(0～15分钟)的荧光光谱，见图1，由图1可知，肼与荧光探针分子混合后，随着时间延长，荧光强度增强，说明该荧光探针分子对肼检测有荧光增强的响应且该检测的反应在3分钟即可完全结束。

实施例3荧光探针分子对肼的浓度响应

向9mL的荧光探针探针分子/DMSO溶液中加入1mL肼含量不同的水溶液(荧光探针分子浓度为10μM)，使肼与荧光探针分子的当量比为0～2之间，用涡旋振荡器震荡三秒，15分钟后测定其荧光曲线，分别见图2、3，由图2可知，荧光强度随着肼含量增加而逐渐增强，由图3可知，荧光增强在肼与荧光探针分子当量比为1:1时达到饱和，说明1当量肼可与1当量探针分子完全反应。图2、3均说明该荧光探针分子对肼检测灵敏度极高。

实施例4荧光探针分子对肼的专一性响应

向9mL的荧光探针分子/DMSO溶液中加入1mL含有肼及多种阴、阳离子的水溶液(荧光探针探针分子浓度为10μM)，荧光探针分子与离子的当量比为1:1，震荡三秒，静置15分钟后测其荧光曲线，分别见图4、5，由图4可知，只有肼的加入能使荧光增强，其余的阴离子及阳离子等都不能使荧光增强；由图5可知，肼使荧光增强达到130倍，而其余离子均不能是荧光有增强的响应。图4、5均说明该荧光探针分子对肼的检测具有选择专一性。

实施例5荧光探针分子对四氯化碳中二氯甲烷的检测

配置荧光探针分子浓度为50μM的溶液，溶剂为二氯甲烷，取1mL该溶液于菌种瓶中，将溶剂吹干后，加入总体积为10mL的不同体积比的四氯化碳与二氯甲烷(探针分子整体浓度为5μM)，使二氯甲烷的体积分数分别为1％，2％，3％，4％，5％，7.5％，10％，15％，20％，25％，30％，35％，40％，混合均匀后测荧光曲线，见图6、7，由图6可知，随着混合溶剂中二氯甲烷体积分数的增加，发射波长逐渐红移；由图7可知，二氯甲烷体积分数从0增加到40％，荧光红移达90nm，且在二氯甲烷体积分数为0～5％时，荧光红移与其体积分数成线性增加关系。

实施例6荧光探针分子对四氯化碳中三氯甲烷的检测

配置荧光探针分子浓度为50μM的溶液，溶剂为二氯甲烷，取1mL该溶液于菌种瓶中，将溶剂吹干后，加入总体积为10mL的不同体积比的四氯化碳与三氯甲烷(探针分子整体浓度为5μM)，使三氯甲烷的体积分数分别为1％，2％，3％，4％，5％，7.5％，10％，20％，30％，40％，50％，60％，70％，混合均匀后测荧光曲线，见图8、9，由图8可知，随着混合溶剂中三氯甲烷体积分数的增加，发射波长逐渐红移；由图9可知，三氯甲烷体积分数从0增加到70％，荧光红移达90nm，且在三氯甲烷体积分数为0～5％时，荧光红移与其体积分数成线性增加关系。

Claims

1.一类荧光探针分子，其特征在于，结构式如下：

式(I)中，R选自如下所示基团的一种：

2.一种根据权利要求1所述的荧光探针分子的制备方法，其特征在于，步骤如下：

式(III)和(IV)中，R选自如下所示基团的一种：

3.一种根据权利要求1所述的荧光探针分子用于水体中微量肼的检测。

4.根据权利要求3所述的荧光探针分子用于水体中微量肼的检测，其特征在于，将所述的荧光探针分子与二甲基亚砜混合，得到浓度为10^-4～10^-6mol/L的荧光探针分子/二甲基亚砜溶液，再与待测水溶液混合，检测是否产生荧光以判断水体中是否含有肼。

5.根据权利要求4所述的荧光探针分子用于水体中微量肼的检测，其特征在于，所述二甲基亚砜与含肼的待测水溶液的体积比为9:1。

6.一种根据权利要求1所述的荧光探针分子用于甲烷氯化法生产四氯化碳过程中氯代甲烷中间体的检测，其特征在于，所述的氯代甲烷中间体为三氯甲烷和/或二氯甲烷。

7.根据权利要求6所述的荧光探针分子用于甲烷氯化法生产四氯化碳过程中氯代甲烷中间体的检测，其特征在于，所述荧光探针分子的浓度为10^-4～10^-6mol/L。