CN108164495B - 一类水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠及制备方法和应用 - Google Patents

一类水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠及制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一类水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠及其制备方法和应用，该化合物的结构式为式中R1代表H、OCH3或OH，R2代表H或OH。本发明以3,4‑苯并香豆素羧酸类化合物为原料，在温和条件下进行磺化反应，即得含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠；该类化合物具有较强的光致发光性能，较大的荧光量子产率及stoke位移，是一种新型的水溶性光致发光材料；同时该类化合物对Fe3+具有较好的选择性，较高的抗干扰性，可作为水溶液中Fe3+的荧光检测探针。

Description

一类水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠及制备方法和应用
技术领域
本发明属于杂环化合物的合成技术领域，具体涉及到杂环不氢化的含六节环，有氧原子作为环杂原子，与其它环稠合的杂环化合物。
背景技术
香豆素是以苯并吡喃酮为母体的结构化合物，其衍生物在临床上具有抗肿瘤、抗HIV病毒、抗抑郁、抗乙酰胆碱酯酶、降血糖等多种生物活性，在医药领域具有广泛的应用前景。天然产物香豆素分子结构中存在着C＝C、C＝O双键以及特殊的内酯结构，形成较大π共轭体系(π电子流动性较好，在紫外光激发下引起分子内电荷转移，而致电子密度重新分配)及较为刚性的平面结构，因而使得香豆素类化合物具有良好的光学特性。如具有合适的最大激发和发射波长，较高的荧光量子产率，可以有效降低细胞组分和生理液体的背景荧光，被广泛用于制作荧光增白剂、激光染料及荧光探针等光学材料。
荧光探针用于重金属和过渡金属离子的检测，具有方法简单、灵敏度高、选择性好及响应速度快等优点，此外还可透过细胞壁实现对活细胞和生物体内的金属离子的显影跟踪，近年来已成为化学工作者研究的热点。香豆素(Coumarin)类荧光基团具有苯并α-吡喃酮母核结构，是最早发现具有荧光性质的物质之一，其功能取决于香豆素环上各位置取代基的性质。香豆素的母体结构在常温下没有荧光，但是当7-位上含推电子取代基或3-位和4-位上含拉电子取代基时，将导致其吸收光谱和发射光谱发生变化。这类化合物是合成荧光探针的优秀前体，其性能可通过对香豆素母体上推拉电子基团的修饰来实现，具有荧光量子产率高、荧光发射波长适中、Stokes位移大和光稳定性好等优点，近年来此类化合物被广泛关注并成为重金属和过渡金属离子荧光探针研究的热点。但是，由于天然香豆素类化合物脂溶性和水性较差，不易透过生物膜，其应用大受限制。因此，开发溶解性能优异的香豆素衍生物，使之成为药物和荧光探针的重要中间体，具有较高的医药和经济价值。目前，提高化合物溶解度的常用的合成法有两种：(1)物理增溶法，使用助溶剂或环糊精包合、微囊化等技术；(2)化学修饰法，通过底物分子引入适宜官能团，如羧基、磺酸基、酯基等提高溶解度。
发明内容
本发明的目的在于提供一类具有光致发光性能的水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠。
本发明的另一个目的在于提供一种以3,4-苯并香豆素羧酸为原料制备水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠的方法。
本发明的进一步目的在于为水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠提供一种新的应用。
本发明水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠的化学结构式如下所示：
式中R1代表H、OCH3或OH，R2代表H或OH。
本发明水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠优选式a～d中的任意一种：
上述的水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠的制备方法为：向式I所示的3,4-苯并香豆素羧酸类化合物中加入质量浓度为80％～98％的硫酸，在40～80℃搅拌反应0.5～6小时，反应结束后冷却至常温，倒入饱和NaCl水溶液中，析出的沉淀加水溶解后进行盐析，得到水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠纯品，具体反应方程式如下所示：
上述3,4-苯并香豆素羧酸类化合物根据文献“Syntheses of benzo[c]coumarincarboxylic acids and fluorescence properties in the solid state,Z.Kristallogr.2017；232(10):719–727.”中公开的方法合成。
上述制备方法中，所述3,4-苯并香豆素羧酸类化合物与硫酸的质量体积比为1g:3～6mL。
上述制备方法中，优选在50～70℃搅拌反应1～2小时。
上述制备方法中，硫酸具有溶剂和磺化剂的双重作用，优选硫酸的质量浓度为90％～98％。
本发明水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠作为荧光探针在检测水溶液中Fe3+中的应用，具体检测方法为：将水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠溶于水中，配制成1.0×10-5mol/L的水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠溶液；然后向其中加入不同浓度的Fe3+标准样品，检测体系的荧光强度，绘制不同浓度Fe3+对应体系的最大荧光强度随Fe3+浓度变化的标准曲线；然后测试加入待测Fe3+样品溶液时体系的荧光强度，根据荧光强度结合标准曲线方程即可确定Fe3+的含量。
本发明的有益效果如下：
1、本发明含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠的制备方法具有以下优点：(1)反应条件温和，易于操作；(2)原料利用率高，产品纯化后处理工艺简单；(3)反应过程无溶剂、无添加剂；(4)所用设备简单，生产成本低。
2、本发明含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠具有光致发光现象，其能够发射荧光与分子结构有着密切关系，化合物中的3,4-苯并结构扩大了分子的共轭体系；—COOH有利于羧酸二聚体结构的形成，—OH、—SO3H等基团的引入利于形成推拉电子结构共轭体系，有益于化合物具备较强的光致发光性能。它们在λex＝350～390nm激发可发射λem＝440～490nm的蓝紫色荧光，且具有较大的Stokes位移，Stokes位移值为81～110nm。故本发明化合物在长波方向有强的光致发光现象，是较好的光致发光材料，可作为荧光或光致变色材料。
3、本发明含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠具有较好的水溶性、较高量子产率，对Fe3+的荧光检测具有较好选择性，较高灵敏度，较宽pH适用范围以及较大Stokes位移，可作为水溶性离子探针用于水样中Fe3+的荧光检测。
附图说明
图1是本发明化合物a在水中的荧光光谱图。
图2是本发明化合物b在水中的荧光光谱图。
图3是本发明化合物c在水中的荧光光谱图。
图4是本发明化合物d在水中的荧光光谱图。
图5是本发明化合物a的固体荧光光谱图。
图6是本发明化合物b的固体荧光光谱图。
图7是本发明化合物c的固体荧光光谱图。
图8是本发明化合物d的固体荧光光谱图。
图9是化合物b的荧光强度随Fe3+浓度变化的荧光光谱图。
图10是化合物b的荧光强度随Fe3+浓度变化的线性关系图。
图11是本发明化合物b对不同金属离子的荧光响应图。
图12是本发明化合物b的对金属离子的选择性试验图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1
制备化合物a～d
向25mL反应釜中加入7-羟基-6-氧代-6H-苯并[c]苯并吡喃-8-羧酸0.5g，并缓慢滴加质量浓度为98％的硫酸2.0mL，滴加完后在60℃下反应2h，待反应完全后，冷却，倒入饱和NaCl水溶液中，析出浅黄色沉淀，将此沉淀过滤后，盐析纯化，得到化合物a的纯品。
本实施例中，用相同质量的7-羟基-3-甲氧基-6-氧代-6H-苯并[c]苯并吡喃-8-羧酸、3,7-二羟基-6-氧代-6H-苯并[c]苯并吡喃-8-羧酸、1,7-二羟基-6-氧代-6H-苯并[c]苯并吡喃-8-羧酸分别替换实施例1中的7-羟基-6-氧代-6H-苯并[c]苯并吡喃-8-羧酸，其他步骤与实施例1相同，依次得到化合物b、c、d。
表1化合物a～d的取代基和化学名称及产率
化合物a为浅黄色粉末，熔点﹥300℃，易溶于水，微溶于甲醇、乙醇等有机溶剂，结构表征结果为：1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ:8.31(s,1H),8.22–8.10(m,2H),7.75(d,J＝8.5Hz,1H),6.89(s,1H)；13C NMR(151MHz,DMSO-d6)δ:165.20,163.2,152.7,139.7,138.3,137.4,129.6,123.4,122.9,115.1,109.9,109.0,106.2,103.9.IR(cm-1,KBr)ν:3081(m),1730(s),1605(s),1422(m),1246(s),1179(s),1038(m),712(m),663(m)cm-1；HRMS(m/z):理论值C14H7NaO8S[M+Na]+380.9657,实测值:380.9655.
化合物b为浅黄色粉末，熔点﹥300℃，易溶于水，微溶于甲醇、乙醇等有机溶剂，结构表征结果为：1H NMR(600MHz,DMSO-d6)δ:8.45(s,1H),8.21(d,J＝8.4Hz,1H),7.56(d,J＝8.5Hz,1H),7.02(s,1H),3.89(s,3H)；13C NMR(151MHz,DMSO-d6)δ:169.6,164.5,160.6,159.8,153.5,140.9,138.3,133.6,124.5,114.7,111.3,108.6,107.0,100.7,56.8；IR(cm-1,KBr)ν:3090(m),1722(s),1579(m),1430(s),1278(s),1178(s),1029(m),696(m)cm-1；HRMS(m/z):理论值C15H9NaO9S[M+Na]+410.9763,实测值:410.9760.
化合物c为浅黄色粉末，熔点﹥300℃，易溶于水，微溶于甲醇、乙醇等有机溶剂，结构表征结果为：1H NMR(300MHz,DMSO-d6)δ:11.01(s,1H),8.25–8.12(m,2H),7.25(d,J＝8.3Hz,1H),6.73(s,1H)；13C NMR(151MHz,DMSO-d6)δ:169.2,163.6,161.1,151.8,144.5,140.1,138.6,130.0,121.9,116.5,112.7,108.2；IR(cm-1,KBr)ν:3448(m),1730(s),1622(s),1430(m),1355(s),1271(s),1171(s),1071(m),820(m),705(m),705(m)cm-1；HRMS(m/z):理论值C14H7NaO8S[M+Na]+396.9606,实测值:396.9604.
化合物d为浅黄色粉末，熔点﹥300℃，易溶于水，微溶于甲醇、乙醇等有机溶剂，结构表征结果为：1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ:12.56(s,1H),8.65(d,J＝8.7Hz,1H),8.22(d,J＝8.7Hz,1H),7.71(d,J＝8.6Hz,1H),6.91(d,J＝8.6Hz,1H)；13C NMR(150MHz,DMSO-d6):δ168.2,161.4,153.5,152.8,139.8,137.8,129.6,127.4,116.6,111.6,107.2,107.0,106.3；IR(cm-1,KBr)ν:3423(m),1765(s),1605(s),1412(m),1246(s),1179(m),1046(m),829(m),679(m),546(m)；HRMS(m/z):理论值C14H7NaO8S[M+Na]+396.9606,实测值:396.9682.
采用PE LS55型荧光分光光度计对化合物a～d进行了光致变色性能试验，试验条件为：在狭缝Emission/Excitation Slit Width为5nm/5nm，扫描速度为1200nm/min，所得荧光光谱见图1～8。由图1～4可见，化合物a的液态荧光：λex＝349nm、λem＝449nm，化合物b的液态荧光：λex＝358nm、λem＝446nm，化合物c的液态荧光：λex＝363nm、λem＝444nm，化合物d的液态荧光：λex＝352nm、λem＝456nm。由图5～8可见，化合物a的固态荧光：λex＝386nm、λem＝488nm，化合物b的固态荧光：λex＝369nm、λem＝485nm，化合物c的固态荧光：λex＝369nm、λem＝450nm，化合物d的固态荧光：λex＝370nm、λem＝480nm。试验结果表明本发明化合物以λex＝369～386nm激发时，在400～500nm范围内能够发射荧光(λem＝450～488nm)，Stokes位移为81～110nm，具有强的光致发光性能。
以硫酸奎宁为荧光标准品，测定化合物a～d的液体荧光量子产率，具体测试方法为：室温下，分别配制浓度为10-6mol/L的化合物a～d的水溶液和硫酸奎宁水溶液，用366nm的光激发，测吸光度A、扫描荧光光谱。根据下述公式计算化合物a～d的荧光量子产率：
式中ФFL表示待测物在溶液中的相对量子产率，Фs为366nm的光激发时硫酸奎宁的量子产率为0.55，A为吸光度、F为荧光强度积分面积，S和FL分别代表样品和标准品。测试结果见表2。
表2化合物a～d的量子产率
化合物 a b c d
量子产率 0.63 0.74 0.55 0.65
实施例2
本实施例中，质量浓度为98％的硫酸的滴加量为3.0mL，其他步骤与实施例1相同，得到化合物a～d，各化合物的产率见表3。
表3料液比为1g:6mL时化合物a～d的产率
化合物a 化合物b 化合物c 化合物d
70％ 58％ 43％ 51％
实施例3
本实施例中，质量浓度为98％的硫酸的滴加量为1.5mL，其他步骤与实施例1相同，得到化合物a～d，各化合物的产率见表4。
表4料液比为1g:3mL时化合物a～d的产率
化合物a 化合物b 化合物c 化合物d
66％ 53％ 33％ 48％
实施例4
本实施例中，在80℃下反应2h，其他步骤与实施例1相同，得到化合物a～d，各化合物的产率见表5。
表5反应温度为80℃时化合物a～d的产率
化合物a 化合物b 化合物c 化合物d
62％ 41％ 40％ 43％
实施例5
本实施例中，在40℃下反应2h，其他步骤与实施例1相同，得到化合物a～d，各化合物的产率见表6。
表6反应温度为40℃时化合物a～d的产率
实施例6
本实施例中，在60℃下反应6h，其他步骤与实施例1相同，得到化合物a～d，各化合物的产率见表7。
表7反应6小时后化合物a～d的产率
化合物a 化合物b 化合物c 化合物d
68％ 49％ 39％ 47％
实施例7
本实施例中，在60℃下反应4h，其他步骤与实施例1相同，得到化合物a～d，各化合物的产率见表8。
表8反应4小时后化合物a～d的产率
化合物a 化合物b 化合物c 化合物d
70％ 57％ 45％ 51％
实施例8
本实施例中，在60℃下反应0.5h，其他步骤与实施例1相同，得到化合物a～d，各化合物的产率见表9。
表9反应0.5小时后化合物a～d的产率
化合物a 化合物b 化合物c 化合物d
55％ 37％ 39％ 40％
实施例9
本实施例中，所用硫酸质量浓度为80％，其他步骤与实施例1相同，得到化合物a～d，各化合物的产率见表10。
表10 80％硫酸时化合物a～d的产率
化合物a 化合物b 化合物c 化合物d
62％ 43％ 31％ 40％
实施例10
本实施例中，所用硫酸质量浓度为90％，其他步骤与实施例1相同，得到化合物a～d，各化合物的产率见表11。
表11 90％硫酸反应时化合物a～d的产率
化合物a 化合物b 化合物c 化合物d
69％ 49％ 40％ 43％
实施例11
本实施例中，所用硫酸质量浓度为95％，其他步骤与实施例1相同，得到化合物a～d，各化合物的产率见表12。
表12 95％硫酸反应时化合物a～d的产率
化合物a 化合物b 化合物c 化合物d
72％ 57％ 46％ 52％
实施例12
化合物b作为荧光探针在检测水溶液中Fe3+中的应用，具体方法如下：
将3mL1.0×10-5mol/L化合物b的水溶液加入4mL比色皿中，向其中加入Fe3+标准样品，分别使所得混合液中Fe3+的浓度为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5μmol/L。采用荧光光谱仪测量不同浓度Fe3+对应体系的荧光光谱(见图9)，并绘制在440nm处不同浓度Fe3+对应体系的荧光强度随Fe3+浓度变化的标准曲线。
由图9可见，化合物b的荧光强度受Fe3+浓度的影响变化很明显，伴随着Fe3+浓度的增加，体系的荧光强度逐渐减小。由图10可见，Fe3+的浓度在0～1.5μmol/L时，荧光强度与Fe3+浓度呈线性关系，线性方程为：
y＝4132.8x+377.8
式中y为荧光强度，x为Fe3+浓度，相关系数R2为0.9857。由此可见荧光强度与Fe3+浓度的线性关系很好。利用最低检出限的公式计算最低检出限，化合物b对Fe3+的检测灵敏度很高，检出限达到了1.72μmol/L。
为了证明化合物b对Fe3+检测的选择性，发明人分别采用化合物b对Fe3+、Cu2+、Na+、K+、Ni2+、Al3+、Zn2+、Mg2+、Ag+、Cd2+、Pb2+、Ca2+(其中化合物b浓度为1.0×10-5mol/L，以水为溶剂配制而成，检测体系中金属离子浓度为1.0×10-4mol/L)进行了测试，结果见图11。由图可见，当加入Fe3+时，检测体系的荧光淬灭效应最强，而其他离子几乎无荧光淬灭效应，说明本发明化合物能够高选择性的检测Fe3+。
为了检验化合物b对Fe3+检测的抗干扰性能，向3mL 1.0×10-5mol/L化合物b的水溶液中加入Fe3+后，分别加入干扰金属离子Cu2+、Na+、K+、Ni2+、Al3+、Zn2+、Mg2+、Ag+、Cd2+、Pb2+、Ca2+，使检测体系中干扰金属离子和Fe3+的浓度均为1.0×10-4mol/L。由图12的测试数据可见，在其它干扰离子存在的条件下，本发明化合物b对Fe3+仍然具有很好荧光猝灭识别能力，表明本发明化合物对Fe3+的检测具有很好的抗干扰性。

Claims (7)

1.一类水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠，其特征在于该化合物的结构式如下所示：
式中R1代表H、OCH3或OH，R2代表H或OH。
2.根据权利要求1所述的水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠，其特征在于该化合物为式a～d中的任意一种：
3.一种权利要求1所述的水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠的制备方法，其特征在于：向式I所示的3,4-苯并香豆素羧酸类化合物中加入质量浓度为80％～98％的硫酸，在40～80℃搅拌反应0.5～6小时，反应结束后冷却至常温，倒入饱和NaCl水溶液中，析出的沉淀加水溶解后进行盐析，得到水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠纯品；
4.根据权利要求3所述的水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠的制备方法，其特征在于：所述3,4-苯并香豆素羧酸类化合物与硫酸的质量-体积比为1g:3～6mL。
5.根据权利要求3所述的水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠的制备方法，其特征在于：在50～70℃搅拌反应1～2小时。
6.根据权利要求3所述的水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠的制备方法，其特征在于：所述硫酸的质量浓度为90％～98％。
7.权利要求1所述的水溶性含羧基羟基苯并香豆素磺酸钠作为荧光探针在检测水溶液中Fe3+中的应用。
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