CN108586459B - 一种基于鸟嘌呤的方酸菁探针及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于化学分析测试领域，具体涉及一种基于鸟嘌呤的方酸菁探针及其制备方法和应用。先将苯并甲吲哚半方酸化合物和5‑羧基‑2,3,3‑三甲基‑1‑辛基‑3H‑吲哚，以正丁醇和甲苯作为混合溶剂，在氮气的保护下加热回流。随后将产物和鸟嘌呤与N,N'‑二环己基碳二亚胺(DCC)和4‑二甲氨基吡啶(DMAP)在常温下反应，所得粗品通过薄层色谱法分离，得到最终产物。本发明得到的方酸菁探针具有优良的光学性能和离子选择性，有利于对镉离子的检测。

Description

一种基于鸟嘌呤的方酸菁探针及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于化学分析测试领域，具体涉及一种基于鸟嘌呤的方酸菁探针及其制备方法和应用。

背景技术

镉不是人体的必须元素，过度摄入镉离子会发生中毒。自然界中，镉的化合物具有不同的毒性，氧化镉、氯化镉、硫酸镉毒性较高。全球每年2.2万吨镉进入土壤，通过食物链进入人体内。镉引起人中毒的剂量平均为100mg，急性中毒症状主要表现为恶心、流涎、呕吐、腹痛、腹泻，继而引起中枢神经中毒症状，严重者可因虚脱而死亡。环境受到镉污染后，镉可在生物体中富集。因此，有必要对自然环境和生物体内的镉离子进行检测。

设计与合成对镉离子具有选择性识别功能的化学传感器近年来备受关注，已经成为化学科学、环境科学和生命科学等领域的研究热点。常见的镉离子检测方法有原子吸收光谱法、离子选择性电极法、示波极谱法等。但是，原子吸收光谱法不能多元素同时分析，对难溶元素的灵敏度不高，精密度比分光光度法差。离子选择性电极法选择性差，对溶液的pH要求严格。示波极谱法灵敏度不高，检测下限只能到5～10mol/L。因此，急需快速简便、灵敏度好的检测镉离子的试剂和方法。

发明内容

本发明提供了一种基于鸟嘌呤的方酸菁探针，该探针的结构式为：

本发明还提供了一种基于鸟嘌呤的方酸菁探针的制备方法：

(1)将苯并甲吲哚半方酸化合物(中间体1)和5-羧基-2,3,3-三甲基-1-辛基-3H-吲哚(中间体2)，在正丁醇和甲苯做溶剂(体积比：1:1),氮气保护的情况下110～120℃加热反应12～15小时，反应结束后除去溶剂，用展开剂过硅胶柱，得到蓝色固体；其中，展开剂为体积比为10:1的二氯甲烷和甲醇的混合溶液；中间体1与中间体2的摩尔当量比为1:1

(2)将步骤(1)中得到的蓝色固体(中间体3)与鸟嘌呤首先按1:2的摩尔当量比在4-二甲氨基吡啶(DMAP)的二氯甲烷溶液中室温搅拌1小时，然后加入N,N'-二环己基碳二亚胺(DCC)常温反应27～30小时，其中，DCC与DMAP的当量比为1.5:2，最后通过薄层色谱法提纯得到最终产品4。其中，DCC与DMAP的摩尔当量比为1.5:2，展开剂为体积比为25:1的二氯甲烷和甲醇的混合物。

以上制备方法的化学反应为：

本发明还提供了一种上述染料探针的应用：所制备的基于鸟嘌呤的方酸菁探针在十二烷基硫酸钠(SDS)作为溶液的条件下，快速简便、选择性高的检测镉离子。

具体应用方法为：向96孔板中分别加入2uL的离子溶液(每个孔中的离子分别为K⁺、Zn²⁺、Li⁺、Fe³⁺、Hg²⁺、Cd²⁺、Fe²⁺、Ag⁺、Co²⁺、Na⁺、Ca²⁺、Cu²⁺，浓度为1×10^-2mol/L)、196uL的4mM十二烷基硫酸钠(SDS)溶液和2uL的基于鸟嘌呤的方酸菁探针(浓度为4×10^-3mol/L)，同时以不加离子的含有方酸菁探针的溶液作为对比。将每孔的溶液混合均匀，测出每孔中溶液的荧光强度。结果显示：含Cd²⁺的溶液的荧光强度在670nm处是无离子溶液的27倍；而该探针对于其他离子无特别明显的荧光变化，从而显示出在4mM SDS溶剂中探针对于Cd²⁺的选择性识别作用。

本探针中采用了5-羧基-2,3,3-三甲基-1-辛基-3H-吲哚作为分子内电子的给体，增大了分子的共轭，有利于电子在分子内的传导，使荧光波长发生红移至670nm左右。化合物中间体3是一种共轭的荧光基团，收到特定波长的激发能够产生强的荧光。当特异性的能够识别Cd²⁺的鸟嘌呤与化合物中间体3通过酰胺键链接后，形成了最终方酸菁探针。它在识别Cd²⁺后，荧光强度有显著了的增强，而对于其他离子没有相同的效果，从而达到了检测Cd^{2 +}的目的。

所制备的探针的结构中，鸟嘌呤上的羰基有孤对电子，可以与缺电子的金属离子通过氢键作用配位；同时鸟嘌呤结构的氮杂六元环中的氮原子也可提供孤对电子，提供配位；探针结构中，以鸟嘌呤作为离子识别的靶点。鸟嘌呤氮杂六元环中的氮原子与羰基之间形成的半开放式的环状结构，一定的空间孔径使其只能在一定溶剂作用下配位特定大小的离子，对金属离子具有选择性。探针对不同离子的选择作用是由离子的半径大小、不同离子与染料探针鸟嘌呤氮杂六元环上氮原子和羰基的共同配位能力、以及不同的溶剂环境提供的氢键作用的强弱所决定的。

本技术解决了在不同的溶剂体系中探针对Cd²⁺选择性识别的问题，从反应现象上看，加入Cd²⁺络合后能引起探针的荧光增强。

本发明的有益效果在于：本发明原料容易获得，合成方法较为简单，反应条件易于控制，反应结束后通过简单的后处理就能够得到纯的产物；作为Cd²⁺检测的化学传感器，基于鸟嘌呤的方酸菁探针灵敏度高、选择性好、能够在不同的溶剂中选择性地识别出Cd²⁺，例如在4×10^-3mol/L的十二烷基硫酸钠(SDS)中可以识别镉离子，检测限为30uM。

附图说明

图1为实施例1制备的探针以4×10^-3mol/L浓度在SDS中与不同离子作用后的荧光光谱图。

图2为实施例1制备的探针以4×10^-3mol/L的浓度在SDS中与不同浓度的镉离子作用后的荧光光谱图。

图3为实施例1制备的探针的氢谱。

图4为实施例1制备的探针的碳谱。

具体实施方式

本发明下面结合实施例作进一步详述：

实施例1：

(1)将中间体1(0.1903g，0.6mmol)、中间体2(0.1806g，0.6mmol)溶于15mL正丁醇和15mL甲苯的混合溶液，在氮气下110℃回流12小时，反应结束后除去溶剂，用二氯甲烷和甲醇的展开剂(体积比10:1)过硅胶柱，得到蓝色固体0.19g中间体3。

(2)将步骤(1)中得到的中间体3(0.0630g，0.1mmol)与2-氨基-1,7-二氢-6H-嘌呤-6-酮(0.0333g，0.2mmol)溶解于4-二甲氨基吡啶(0.0252g，0.2mmol)的二氯甲烷溶液中常温搅拌1小时，随后加入二环己基碳二亚胺(0.0315g，0.15mmol)继续反应27小时，减压除去溶剂后得到蓝色固体，薄层色谱法(展开剂体积比：二氯甲烷：甲醇＝25:1)分离提纯后得到最终产品0.0606g。

图1为实施例1制备的探针以4×10^-3mol/L浓度在SDS中与不同离子作用后的荧光光谱图。图中显示，滴加浓度为1×10^-2mol/L的不同离子溶液后，探针的荧光强度变化情况，当逐滴加入1×10^-2mol/L的镉离子溶液时，探针在670nm处的荧光强度发生了显著的升高(箭头所指曲线)；而该探针在SDS溶剂中，对于其他离子无特别明显的荧光的变化，从而显示出在该体系中探针对于Cd²⁺的选择性识别作用；(注：图1中，由于镉离子配成的溶液浓度很小，在这种情况下，镉离子的溶液都为无色透明溶液，反应溶液为蓝色)。

图2为实施例1制备的探针以4×10^-3mol/L的浓度在SDS中与不同浓度的镉离子作用后的荧光光谱图。图中显示，随着镉离子浓度的降低，探针的荧光强度逐渐减弱。在其最终浓度为30umol/L时，在670nm处的荧光峰仍能与不加镉离子的背景荧光曲线区别，得出该探针对Cd²⁺的检测线为30umol/L。

图3为实施例1制备的基于鸟嘌呤的方酸菁探针的氢谱。¹H NMR(400MHz,CDCl₃):δ0.79(s,3H),1.17(s,12H),1.40(d,J＝8.88Hz,3H),1.72(s,6H),1.98(s,6H),3.39(t,J＝5,4.84Hz,2H),3.86(s,2H),4.08(s,1H),4.17(d,J＝9.04Hz,2H),5.91(s,1H),6.03(d,J＝16.04,2H),6.84(d,J＝11.4,1H),7.25(t,J＝11.76,10.32Hz,1H),7.37(d,J＝10.12,1H),7.48(s,3H),7.82(t,J＝8.52,3.32Hz,2H),8.11(d,J＝11.2,1H).

图4为实施例1制备的基于鸟嘌呤的方酸菁染料探针的碳谱。¹³C NMR(100MHz,CDCl₃):δ176.84,172.84,170.70,167.63,154.46,144.83,141.90,138.54,134.96,131.39,131.14,129.77,129.57,128.38,127.60,127.30,124.56,122.40,121.05,109.89,108.30,87.24,86.53,57.10,51.52,49.40,48.40,43.37,38.80,33.78,32.15,31.54,30.73,29.48,29.16,28.95,27.05,26.84,26.71,26.34,26.05,25.12,24.19,22.40,13.90,12.34.

实施例2

(1)将中间体1(0.3806g，1.2mmol)、中间体2(0.3612g，1.2mmol)溶于30mL正丁醇和30mL甲苯的混合溶液，在氮气下110℃回流12小时，反应结束后除去溶剂，用二氯甲烷和甲醇的展开剂(体积比＝10:1)过硅胶柱，旋干得到蓝色固体0.38g中间体3。

(2)将步骤(1)中得到的化合物3(0.1260g，0.2mmol)与2-氨基-1,7-二氢-6H-嘌呤-6-酮(0.0666g，0.4mmol)溶解于4-二甲氨基吡啶(0.0504g，0.4mmol)的二氯甲烷溶液中常温搅拌1小时，随后加入二环己基碳二亚胺(0.0630g，0.3mmol)继续反应27小时，减压除去溶剂后得到蓝色固体，薄层色谱法(展开剂体积比：二氯甲烷：甲醇＝25:1)分离提纯后得到最终产品0.1209g。

实施例3

(1)将中间体1(0.3806g，1.2mmol)、中间体2(0.3612g，1.2mmol)溶于30mL正丁醇和30mL甲苯的混合溶液，在氮气下120℃回流13小时，反应结束后除去溶剂，用二氯甲烷和甲醇的展开剂(体积比＝10:1)过硅胶柱，旋干得到蓝色固体0.41g中间体3。

(2)将步骤(1)中得到的化合物3(0.2520g，0.4mmol)与2-氨基-1,7-二氢-6H-嘌呤-6-酮(0.1332g，0.8mmol)溶解于4-二甲氨基吡啶(0.1008g，0.8mmol)的二氯甲烷溶液中常温搅拌1小时，随后加入二环己基碳二亚胺(0.1260g，0.6mmol)继续反应30小时，减压除去溶剂后得到蓝色固体，薄层色谱法(展开剂体积比：二氯甲烷：甲醇＝25:1)分离提纯后得到最终产品0.2365g。

对比实施例1

(1)将中间体1(0.1903g，0.6mmol)、中间体2(0.1806g，0.6mmol)溶于15mL正丁醇和15mL甲苯的混合溶液，在氮气下110℃回流12小时，反应结束后除去溶剂，用二氯甲烷和甲醇的展开剂(体积比10:1)过硅胶柱，得到蓝色固体0.19g中间体3。

(2)将步骤(1)中得到的中间体3(0.0630g，0.1mmol)、2-氨基-1,7-二氢-6H-嘌呤-6-酮(0.0333g，0.2mmol)与二环己基碳二亚胺(0.0315g，0.15mmol)溶解于4-二甲氨基吡啶(0.0252g，0.2mmol)的二氯甲烷溶液中，常温搅拌27小时，减压除去溶剂后得到蓝色固体，薄层色谱法(展开剂极性体积比：二氯甲烷：甲醇＝25:1)分离提纯后得到最终产品0.0386g。

对比实施例2

(1)将中间体1(0.3806g，1.2mmol)、中间体2(0.3612g，1.2mmol)溶于30mL正丁醇和30mL甲苯的混合溶液，在氮气下110℃回流12小时，反应结束后除去溶剂，用二氯甲烷和甲醇的展开剂(体积比＝10:1)过硅胶柱，除去溶剂，得到蓝色固体0.38g中间体3。

(2)将步骤(1)中得到的化合物3(0.1260g，0.2mmol)、2-氨基-1,7-二氢-6H-嘌呤-6-酮(0.0666g，0.4mmol)与二环己基碳二亚胺(0.0630g，0.3mmol)溶解于4-二甲氨基吡啶(0.0504g，0.4mmol)的二氯甲烷溶液中，常温搅拌27小时，减压除去溶剂后得到蓝色固体，薄层色谱法(展开剂极性体积比：二氯甲烷：甲醇＝25:1)分离提纯后得到最终产品0.0689g。

Claims (6)

1.一种基于鸟嘌呤的方酸菁探针，其特征在于：所述探针的结构式为：

2.一种如权利要求1所述的基于鸟嘌呤的方酸菁探针的制备方法，其特征在于：所述的制备方法为：

(1)将化合物1和化合物2溶于溶剂中，在氮气保护的情况下加热反应，反应结束后除去溶剂，上硅胶柱，用展开剂洗脱，得到化合物3；

其中，化合物1的结构式为

化合物2的结构式为

化合物3的结构式为

(2)将步骤(1)中得到的化合物3与鸟嘌呤首先在4-二甲氨基吡啶(DMAP)的二氯甲烷溶液中搅拌1小时，然后加入N,N'-二环己基碳二亚胺(DCC)进行反应，最后通过薄层色谱法提纯得到基于鸟嘌呤的方酸菁探针。

3.如权利要求2所述的基于鸟嘌呤的方酸菁探针的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的化合物1和化合物2的摩尔当量比为：1:1；所述的溶剂为正丁醇与甲苯的混合溶剂，其体积比为1:1。

4.如权利要求2所述的基于鸟嘌呤的方酸菁探针的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述加热反应为110-120℃加热12-15小时，展开剂为体积比为10:1的二氯甲烷和甲醇的混合溶剂。

5.如权利要求2所述的基于鸟嘌呤的方酸菁探针的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述反应为常温反应，化合物3与鸟嘌呤的摩尔当量比为：1:2，N,N'-二环己基碳二亚胺与4-二甲氨基吡啶的摩尔当量比为1.5:2，反应时间为27-30小时；薄层色谱法提纯所用展开剂为体积比为25:1的二氯甲烷和甲醇的混合物。

6.一种如权利要求2所述方法制备的基于鸟嘌呤的方酸菁探针的应用，其特征在于：所述基于鸟嘌呤的方酸菁探针在十二烷基硫酸钠作为溶液的条件下检测镉离子。