CN105400506A - 基于[2、2]环仿类罗丹明Hg2+荧光探针材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于[2.2]环仿类的罗丹明类荧光探针材料及其制备方法，本发明将两种功能性结构单元氨基[2.2]环仿类化合物和罗丹明B有效结合，形成了一类基于[2.2]环仿类的罗丹明类荧光探针分子。本发明的制备方法合成路线简便快捷，易合成和提纯；本发明提供的荧光探针可以用于废水和生物细胞中Hg²⁺的检测，可作为有机荧光染料用于肺腺癌细胞荧光成像；在活细胞成像、荧光传感器、生物荧光标记等领域具有极其重要的应用价值。

Description

基于 [2 、 2] 环仿类罗丹明 Hg2+ 荧光探针材料及其制备方法

技术领域

本发明属于有机发光荧光探针材料技术领域，具体涉及一种[2.2]环仿类的罗丹明类荧光探针材料的制备方法和应用。

背景技术

荧光探针材料具有高效灵敏，选择性好，易操作，响应时间短，快速便捷检测，成本低等优点而成为检测Hg²⁺的常用手段。因此，设计开发具有高灵敏度，选择性好的汞离子荧光探针材料，对于环保及生物细胞检测领域的研究与应用是十分迫切和必要的，同时也是一项极具挑战性和重要意义的工作。

目前罗丹明类荧光探针敏感器材料近年才得到了广泛发展。但其研究的一个热点问题是如何改进该类材料的适用性，使其在荧光检测，裸眼可视及生物细胞成像中都可得到较好的应用效果。所以研究开发新型的具有可适用性的罗丹明类荧光探针材料成为当前光电材料领域一个极为重要的课题。

[2.2]环仿类化合物是一类重要的功能化合物(如中国专利 CN103613618A)，广泛应用于医药、电致发光器件、激光染料等方面，其在荧光探针染料方面的应用还很少。罗丹明类荧光探针由于光稳定性好，荧光量子收率高，激发和发射波长长，灵敏度高和选择性好等优点，在Hg²⁺荧光探针敏感器中吸引力最大。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种新型的基于[2.2]环仿的罗丹明类荧光探针敏感器材料，提供上述基于[2.2]环仿的罗丹明类荧光探针敏感器材料的制备方法及应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种新型的基于[2.2]环仿的罗丹明类荧光探针敏感器材料的结构式如式Ⅰ所示。

本发明的另一目的是提供上述荧光探针材料的制备方法。

本发明所述的荧光探针敏感器材料的制备方法，包括如下步骤：一种如权利要求1所述的[2.2]环仿类的罗丹明类荧光探针材料的制备方法，其特征在于：

（1）氮气保护下，氨基[2.2]环仿(1 mmol)，三乙胺(3 mmol) 溶于1毫升四氢呋喃中，反应物先在0 ^oC下搅拌反应15分钟，二硫化碳(1 mmol)通过注射器分三次加入，该反应混合物室温搅拌反应24小时，后二硫化碳(1 mmol)和三乙胺(2 mmol)连续加入，反应混合物再继续室温搅拌反应24小时，反应混合物用冰浴冷却，加入对甲苯磺酰氯(3.3 mmol)，反应冷却到室温，反应结束后，用二氯甲烷萃取及柱色谱提纯，得到[2.2]环仿异腈酸酯为白色固体，64-79%的产率；

(2)氮气保护下，[2.2]环仿异腈酸酯(0.68 mmol)和罗丹明B-酰腈(0.68 mmol) 溶于3 mL无水乙腈中，回流反应48小时，反应终止后，溶剂真空旋干，粗产品经柱层析得[2.2]环仿类的罗丹明类荧光探针材料，产率35%-49%。

本发明所述的罗丹明类荧光探针材料的应用。

本发明所述的罗丹明类荧光探针材料在废水Hg⁺检测方面的应用。

本发明的有益效果： 本发明将基于[2.2]环仿功能化合物与罗丹明荧光团通过合成硫脲相连，得到了一种新型的新型的基于[2.2]环仿的罗丹明类荧光探针敏感器材料，该材料在现有技术中未见报道。本发明荧光探针材料针检测Hg²⁺，使其在荧光检测，裸眼可视及生物细胞成像中都可得到较好的应用效果。发展的新型的罗丹明类荧光探针敏感器，并将其用废水和人肺腺癌细胞中Hg²⁺的检测，将具有广阔的应用前景。

附图说明

图1 是[2.2]环仿的罗丹明类荧光探针分子Ia 在HEPES-乙醇溶液中(水与乙醇的体积比1 : 1，Ia 荧光分子的浓度为1 × 10^{− 5} M)，分别加入不同种类金属离子(Hg²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Cd²⁺, Ca²⁺, K⁺, Na⁺, Mn²⁺, Ag⁺, Al³⁺, Fe³⁺, Pb²⁺和 Mg²⁺， 金属离子浓度均为2 × 10^{− 5} M)的吸收光谱。

图2是[2.2]环仿的罗丹明类荧光探针分子Ia 在HEPES-乙醇溶液中(水与乙醇的体积比1 : 1，Ia 荧光分子的浓度为1 × 10^{− 5} M)，分别加入不同种类金属离子(Hg²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Cd²⁺, Ca²⁺, K⁺, Na⁺, Mn²⁺, Ag⁺, Al³⁺, Fe³⁺, Pb²⁺和 Mg²⁺， 金属离子浓度均为2 × 10^{− 5} M)的荧光光谱。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明做更进一步地解释，下列实例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。

化合物[2.2]环仿异腈酸酯的制备

三种化合物[2.2]环仿异腈酸酯的合成路线如下：

氮气保护下，氨基[2.2]环仿(1 mmol)，三乙胺(3 mmol) 溶于1毫升四氢呋喃中，反应物先在0 ^oC下搅拌反应15分钟。二硫化碳(1 mmol)通过注射器分三次加入，该反应混合物室温搅拌反应24小时。后二硫化碳(1 mmol)和三乙胺(2 mmol)连续加入，反应混合物再继续室温搅拌反应24小时。反应混合物用冰浴冷却，加入对甲苯磺酰氯(3.3 mmol)，反应冷却到室温。反应结束后，用二氯甲烷萃取及柱色谱提纯，得到[2.2]环仿异腈酸酯为白色固体，64-79%的产率。

分析所得化合物2a: ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 6.93 (dd, J = 7.8, 1.8 Hz, 1H), 6.52 (dd, J = 7.8, 1.7 Hz, 2H), 6.49 – 6.46 (m, 2H), 6.43 (dd, J = 7.8, 1.8 Hz, 1H), 6.14 (d, J = 1.3 Hz, 1H), 3.43 – 3.31 (m, 1H), 3.19 – 2.92 (m, 6H), 2.78 (ddd, J = 13.7, 10.2, 6.3 Hz, 1H). ¹³C NMR (101 MHz, CDCl₃) δ 141.97, 139.85, 139.50, 139.47, 137.18, 135.15, 133.83, 133.26, 132.49, 131.88, 131.82, 129.39, 35.93, 35.47, 35.07, 34.63, 32.94.

分析所得化合物2b:(white solid): yield: 79%. ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 6.73 (s, 1H), 6.63 – 6.48 (m, 4H), 6.42 (s, 1H), 3.63 (ddd, J = 25.2, 13.2, 3.3 Hz, 2H), 3.18 – 2.82 (m, 6H). ¹³C NMR (101 MHz, CDCl₃) δ 141.93, 141.58, 138.97, 136.50, 135.32, 135.09, 133.69, 133.66, 132.02, 131.88, 127.39, 127.31, 126.89, 35.72, 33.78, 33.64, 32.87.

分析所得化合物2c: (white solid): yield: 69%. ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 6.98 (s, 1H), 6.89 (s, 1H), 6.61 – 6.46 (m, 4H), 3.45 (ddd, J = 33.7, 30.5, 8.8 Hz, 2H), 3.21 – 2.91 (m, 4H), 2.90 – 2.65 (m, 2H). ¹³C NMR (101 MHz, CDCl₃) δ 141.09, 141.05, 138.43, 136.08, 135.79, 135.29, 134.96, 132.20, 131.97, 130.32, 130.21, 123.69, 34.97, 34.69, 34.53, 30.65, 29.61.

化合物[2.2]环仿罗丹明荧光探针材料的制备

三种化合物[2.2]环仿类罗丹明类荧光探针材料的合成路线如下：

氮气保护下，[2.2]环仿异腈酸酯(0.68 mmol)和罗丹明B-酰腈(0.68 mmol) 溶于3 mL无水乙腈中，回流反应48小时，反应终止后，溶剂真空旋干。粗产品经柱层析得[2.2]环仿类的罗丹明类荧光探针材料。产率35%-49%。

分析所得化合物4a (186 mg, 38 %). ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 8.11 (d, J = 7.6 Hz, 1H), 7.70 (t, J = 7.5 Hz, 1H), 7.63 (t, J = 7.5 Hz, 1H), 7.37 – 7.28 (m, 2H), 6.93 (s, 1H), 6.81 (d, J = 8.7 Hz, 1H), 6.56 (d, J = 8.5 Hz, 1H), 6.50 – 6.38 (m, 7H), 6.34 – 6.26 (m, 2H), 5.42 (s, 1H), 4.12 (q, J = 7.2 Hz, 1H), 3.58 – 3.26 (m, 8H), 3.11 – 2.65 (m, 7H), 1.26 (ddd, J = 7.2, 5.6, 1.5 Hz, 8H), 1.16 (t, J = 7.0 Hz, 6H).

¹³C NMR (101 MHz, CDCl₃) δ 182.22, 171.26, 167.27, 154.80, 154.48, 150.48, 149.61, 149.53, 140.82, 140.13, 138.85, 137.58, 136.20, 135.57, 134.52, 134.11, 133.43, 131.77, 131.48, 130.06, 129.38, 129.26, 127.68, 127.58, 127.36, 125.09, 124.13, 108.60, 108.52, 105.79, 103.76, 99.29, 98.53, 67.05, 60.54, 44.68, 44.57, 35.46, 34.88, 34.12, 33.82, 29.87, 14.38, 12.97, 12.76.

HRMS (ESI) m/z: [M+H] calcd for C₄₅H₄₈N₅O₂S⁺ [M]⁺, 722.3529, Found: 722.3686.

分析所得化合物4b (white solid): yield: 49%. ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 8.10 (d, J = 7.4 Hz, 1H), 7.67 – 7.59 (m, 3H), 7.28 (d, J = 7.6 Hz, 1H), 6.95 (s, 1H), 6.87 (s, 1H), 6.70 (s, 1H), 6.57 – 6.46 (m, 5H), 6.46 – 6.37 (m, 3H), 6.36 – 6.27 (m, 2H), 3.74 – 3.27 (m, 10H), 3.11 – 2.70 (m, 6H), 1.59 (s, 1H), 1.20 (tt, J = 13.7, 7.0 Hz, 11H).

¹³C NMR (101 MHz, CDCl₃) δ 180.84, 167.00, 154.48, 154.41, 151.00, 149.58, 149.54, 143.43, 139.98, 138.13, 137.63, 136.08, 135.76, 135.18, 134.52, 132.50, 132.22, 129.34, 128.97, 128.48, 128.04, 126.02, 125.30, 124.95, 124.02, 108.73, 108.64, 104.36, 103.56, 98.75, 98.55, 67.06, 44.67, 44.62, 35.34, 34.45, 33.47, 33.01, 12.92, 12.84. HRMS (ESI) m/z: [M+H] calcd for C₄₅H₄₇BrN₅O₂S⁺ [M]⁺, 800.2634, Found: 800.2623.

分析所得化合物4c (white solid): yield: 35%. ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ 8.13 (s, 1H), 8.05 (d, J = 7.7 Hz, 1H), 7.68 (t, J = 7.6 Hz, 1H), 7.60 (t, J = 7.3 Hz, 1H), 7.33 (d, J = 7.5 Hz, 1H), 7.10 (s, 1H), 6.90 (s, 1H), 6.60 (s, 1H), 6.56 – 6.46 (m, 5H), 6.42 (d, J = 15.1 Hz, 3H), 6.30 (s, 1H), 5.49 (s, 1H), 3.64 – 3.38 (m, 6H), 3.34 (d, J = 6.9 Hz, 4H), 2.92 (dd, J = 39.8, 29.4 Hz, 6H), 1.28 (t, J = 6.9 Hz, 6H), 1.17 (t, J = 6.9 Hz, 6H).

¹³C NMR (101 MHz, CDCl₃) δ 183.48, 167.23, 155.01, 154.68, 150.44, 149.99, 149.77, 141.10, 139.95, 139.05, 137.90, 137.71, 135.77, 135.63, 135.26, 133.98, 133.00, 132.52, 130.09, 129.46, 129.20, 129.09, 127.60, 125.10, 124.27, 123.77, 108.85, 108.45, 106.54, 99.69, 99.11, 67.20, 44.70, 44.56, 35.43, 34.94, 34.92, 31.54, 13.00, 12.77. HRMS (ESI) m/z: C₄₅H₄₇BrN₅O₂S⁺ [M]⁺, 800.2634, Found: 800.2594.

由图1可知：在470-630nm波段得到的化合物4a分子与Hg²⁺有明显的吸收峰，而与Cu²⁺吸收峰较弱，与其它离子( Ni²⁺, Co²⁺, Cd²⁺, Ca²⁺, K⁺, Na⁺, Mn²⁺, Ag⁺, Al³⁺, Fe³⁺, Pb²⁺和 Mg²⁺)吸收峰不明显。

由图2可知：在发射波长568nm下，在470-630nm，4a分子与Hg²⁺有明显的发射峰，与其它离子(Cu²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Cd²⁺, Ca²⁺, K⁺, Na⁺, Mn²⁺, Ag⁺, Al³⁺, Fe³⁺, Pb²⁺和 Mg²⁺)发射峰不明显。

4a 可作为裸眼荧光探针检测Hg²⁺，在白天和在紫外光照射(365nm)照射下，4a与Hg²⁺均能引起可见荧光发射。

结果说明，该类化合物在溶液中可检测出Hg²⁺，具有荧光检测，裸眼可见等检测优点。该类化合物不仅提供了一种获得荧光探针材料的新途径，而且也通过荧光及裸眼检测得到了一种Hg²⁺荧光探针材料。因此，该类化合物能够成为一种新型的分子骨架，用于开发新型高效的荧光探针材料。

Claims (4)

1.一种式I所示的[2.2]环仿类的罗丹明类荧光探针材料，如下结构式构成：

Ⅰ。

2.一种如权利要求1所述的[2.2]环仿类的罗丹明类荧光探针材料的制备方法，其特征在于：

（1）氮气保护下，氨基[2.2]环仿(1 mmol)，三乙胺(3 mmol) 溶于1毫升四氢呋喃中，反应物先在0 ^oC下搅拌反应15分钟，二硫化碳(1 mmol)通过注射器分三次加入，该反应混合物室温搅拌反应24小时，后二硫化碳(1 mmol)和三乙胺(2 mmol)连续加入，反应混合物再继续室温搅拌反应24小时，反应混合物用冰浴冷却，加入对甲苯磺酰氯(3.3 mmol)，反应冷却到室温，反应结束后，用二氯甲烷萃取及柱色谱提纯，得到[2.2]环仿异腈酸酯为白色固体，64-79%的产率；

(2)氮气保护下，[2.2]环仿异腈酸酯(0.68 mmol)和罗丹明B-酰腈(0.68 mmol) 溶于3 mL无水乙腈中，回流反应48小时，反应终止后，溶剂真空旋干，粗产品经柱层析得[2.2]环仿类的罗丹明类荧光探针材料，产率35%-49%。

3.根据权利要求1所述的罗丹明类荧光探针材料的应用。

4.根据权利要求1所述的罗丹明类荧光探针材料在废水Hg⁺检测方面的应用。