CN108949158A - 一种含吩噻嗪二苯酮类发光材料及其合成方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含吩噻嗪二苯酮类发光材料及其合成方法和应用,发光材料中包含的吩噻嗪基上的硫原子本身在过氧自由基或单线态氧下易被氧化成亚砜或砜,导致整个分子的发光性质发生很大的改变,裸眼轻易识别,还可通过荧光光谱的变化确定过氧化物的浓度,实现更为精确的检测。本发明的合成方法工艺简单,容易纯化,所合成的发光材料具有高的荧光量子效率,对过氧化自由基具有特异性响应,吩噻嗪基团易被活性氧自由基、单线态氧氧化改变其发光性质,适用于化学生物检测、生物成像以及防伪领域。

Description

一种含吩噻嗪二苯酮类发光材料及其合成方法和应用
技术领域
本发明涉及新材料领域,特别是含有吩噻嗪基的新型有机发光材料及其合成方法,以及在化学过氧化物检测领域的应用。
背景技术
有机过氧化物(Organic Peroxides)是指化学结构中存在二价-O-O-结构的液态或固态有机物,包括有机过氧化物的混合物。有机过氧化物化学活性高,对热、撞击或摩擦敏感,可发生放热自加速爆炸分解,易与其他物质发生危险反应。许多有机化合物在储存的过程中会产生过氧化物,过氧化物中都含有过氧化自由基(-O-O-),过氧键的结合力较弱,仅需少量的能量即可发生断裂,因此过氧基是极不稳定的结构,对热、冲击、振动或者摩擦等外界刺激均极为敏感,轻微的外界作用便可使其分解。有机过氧化物分解时,分解反应放热速度远远大于周围环境的散热速度,在极短的时间内产生大量的热量而产生爆炸。同时,有机过氧化物过氧键的活化能低于一般的爆炸物,约为80~160kj/mol,其自燃温度较低,因此大多数有机过氧化物易燃易爆,特别是在密闭空间中存放、使用时,极易受热燃烧甚至爆炸。过氧化物被人体吸收后(吸入、口服、皮肤吸收等),对眼睛、皮肤、粘膜及上呼吸道有刺激作用。吸入后可引起喉、支气管的炎症、水肿、痉挛及化学性肺炎、肺水肿。接触后可引起灼烧感、咳嗽、喘息、气短、头痛、恶心及呕吐等,可引起过敏反应。由此,研究开发精确有效的检测过氧化物浓度的方法,将有助于预防过氧化物积累对人类活动产生危害。
以醚类有机试剂为例,久藏的醚类(乙醚、二氧六环等)中会产生过氧化物,当过氧化物积累到一定量时,将会存在爆炸的可能。传统的检测醚类溶剂中是否产生过氧化物的方法是在适当浓度的淀粉碘化钾溶液中滴加乙醚溶液并振荡,根据水层是否变蓝来定性判断过氧化物的有无。若需进一步确认过氧化物的浓度,仍需要通过硫代硫酸钠溶液滴定。此种检测手段较为粗糙,检测限较高,灵敏度较差,有待进一步改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种对过氧化自由基、单线态氧等具有特异性响应的含吩噻嗪二苯酮类发光材料。
本发明的另一个目的是提供上述含吩噻嗪二苯酮类发光材料的合成方法,这些方法工艺简单,产率高,易于纯化,并可通过引入不同官能团进而调节终产物的发光波长、对过氧化自由基响应快慢等性能。
本发明的第三个目的是将上述含吩噻嗪二苯酮类发光材料应用于化学检测、生物成像、防伪等领域,主要是用于有机过氧化物的检测。
为实现上述目的,本发明提供一种含吩噻嗪二苯酮类发光材料,其分子通式如通式(1)所示:
通式(1):
Pz为含有吩噻嗪基官能团,R与Pz相同或不同,R选自烷基、卤素、烷氧基、硝基、氨基、醛基、氰基、芳香环或芳香杂环取代基。
所述的含吩噻嗪二苯酮类发光材料的合成方法,其特征在于包括:
方法(1)将吩噻嗪基衍生物与一端或两端含有氟的二苯酮衍生物通过偶联反应得到目标产物;
方法(2)将吩噻嗪基衍生物与一端或两端含有溴或碘的二苯酮衍生物通过乌尔曼反应得到目标产物;
方法(3)将对吩噻嗪基苯硼酸衍生物与一端或两端还有溴或碘的二苯酮衍生物通过Suzuki偶联反应得到目标产物。
上述含吩噻嗪二苯酮类发光材料应用于化学检测、生物成像、防伪领域。
本发明的含吩噻嗪二苯酮类发光材料是具有优异发光性能的有机发光材料,其中给受体基团的合理匹配能降低分子本身的单线态-三线态能极差(ΔEST),有利于产生热激活延迟荧光,对氧气具有特异性响应,而吩噻嗪基上的硫原子本身在过氧自由基或单线态氧下易被氧化成亚砜或砜,导致整个分子的发光性质发生很大的改变,裸眼轻易识别,还可通过荧光光谱的变化确定过氧化物的浓度,实现更为精确的检测。
本发明的合成方法工艺简单,容易纯化,所合成的发光材料具有高的荧光量子效率,对过氧化自由基具有特异性响应,吩噻嗪基团易被活性氧自由基、单线态氧氧化改变其发光性质,适用于化学生物检测、生物成像以及防伪领域。
为了能更进一步阐述本发明的特征及技术内容,请参阅以下有关本发明的附图,但附图仅为提供参考与说明,并非用于对本发明加以限制。
附图说明
下面结合附图,详细描述本发明的具体实施方式,以便能更清晰地表达本发明的技术方案及其它有益效果。
附图中,
图1为本发明实施例1-5产物的固体荧光照片;
图2为本发明实施例1产物的甲苯溶液通氧前后的荧光发射光谱;
图3为本发明实施例1产物的甲苯溶液通氧前后的荧光寿命变化;
图4为本发明实施例1产物的乙醚(久藏)溶液随放置时间增长的荧光光谱变化。
具体实施方式
本发明的含有吩噻嗪基的有机发光材料其分子通式如通式(1)所示:
通式(1):
Pz为含有吩噻嗪基官能团,R可以与Pz相同,也可以不同,R可以为烷基、卤素、烷氧基、硝基、氨基、醛基、氰基、芳香环或芳香杂环取代基。
优选的,其中所述含有吩噻嗪基官能团Pz选自以下结构:
其结构中R1可以与R2相同,R1和R2可以为氢、烷基、卤素、烷氧基、硝基、氨基、醛基、氰基、苯基、萘基、蒽基、咔唑基、二苯胺基或吩噻嗪基。
优选的,通式(1)中,R可以为烷基、卤素、烷氧基、硝基、氨基、醛基、氰基、芳香环或芳香杂环取代基,其中R为芳香环或芳香杂环取代基时选自以下结构:
其结构中R3可以与R4相同,也可以不同,R3和R4可以为氢、烷基、卤素、烷氧基、硝基、氨基、醛基、氰基、苯基、萘基、蒽基、咔唑基、二苯胺基或吩噻嗪基。
所述的含有吩噻嗪基二苯酮类有机发光材料【通式(1)】的几类合成方法:
方法(1)将吩噻嗪基衍生物与一端或两端含有氟的二苯酮衍生物通过偶联反应得到目标产物。优选由以下方法实现:提供吩噻嗪基衍生物与含氟的二苯酮衍生物,在N,N-二甲基甲酰胺溶液中,以叔丁醇钾为碱,加热回流得到目标产物。
方法(2)将吩噻嗪基衍生物与一端或两端含有溴或碘的二苯酮衍生物通过乌尔曼反应得到目标产物。优选由以下方法实现:提供吩噻嗪基衍生物、含溴或碘的二苯酮衍生物、18-冠醚-6、邻菲罗啉以及碳酸钾,在干燥的N,N-二甲基甲酰胺溶液中,以碘化亚铜为催化剂,加热回流得到目标产物。
方法(3)将对吩噻嗪基苯硼酸衍生物与一端或两端还有溴或碘的二苯酮衍生物通过Suzuki偶联反应得到目标产物。优选由以下方法实现:提供对吩噻嗪基本硼酸酯衍生物与含溴或碘的二苯酮衍生物、碳酸钾水溶液及相转移剂,在干燥的四氢呋喃溶液中,以四三苯基膦钯为催化剂,加热回流得到目标产物。
本发明的合成方法工艺简单,容易纯化,所合成的发光材料具有高的荧光量子效率,对过氧化自由基具有特异性响应,适用于有机过氧化物的检测。此外,本发明的发光材料还对氧气、单线态氧等具有特异性响应,适用应用于化学生物检测,生物成像以及防伪等领域,例如作为检测剂应用于有机过氧化物的检测,或者是作为荧光探针应用于生物成像。
以下通过具体的实施例子对本发明作进一步的阐述,但本发明并不限于此特定例子。
实施例1:
(1)中间体【4,4-二氟二苯酮】的合成
将4-氟苯甲酰氯(5.00g,31.5mmol)加入250mL干燥三颈瓶中,再加入氟苯(7.58g,78.8mmol),搅拌,加入无水氯化铝(12.6g,94.1mmol),升温至40~50℃,反应5~6h。反应结束后,在三颈瓶中加入二氯甲烷50ml溶解,缓慢加入稀盐酸,搅拌至无沉淀。然后将反应液倒入分液漏斗,用二氯甲烷萃取3次,再用稀盐酸洗2~3次至水层变为无色。将有机层用无水硫酸钠干燥,过滤,滤液在旋转蒸发仪中旋干,得到白色固体5.73g。产率83.3%。
(2)中间体【4-氟-4’-吩噻嗪基二苯酮】的合成
将吩噻嗪(1.03g,11.5mmol)加入250mL三口瓶中,加入适量DMF,在氩气环境中加入NaH(0.41g,17.2mmol)。搅拌半小时后加入4,4-二氟二苯酮(2.50g,11.5mmol),升温至110℃,反应12h。之后将反应液冷却,加入二氯甲烷和水萃取,用二氯甲烷萃取3次,再用水洗3次。将有机层用无水硫酸钠干燥,在旋转蒸发仪中旋干。然后利用硅胶柱层析的方法进行提纯,淋洗液为体积比1:2的二氯甲烷和正己烷的混合溶液。得黄白色固体1.32g,产率64.4%。
(3)目标产物实施例1的合成
参照实施例1的步骤(2),利用4-氟-4’-吩噻嗪基二苯酮代替4,4-二氟二苯酮合成4-二苯基胺-4’-吩噻嗪基二苯酮。(产率为59.3%)1H NMR(500MHz,DMSO-d6)δ7.79–7.75(m,2H),7.69–7.65(m,2H),7.42–7.36(m,4H),7.33(dd,J=7.6,1.5Hz,2H),7.30–7.26(m,2H),7.21–7.15(m,8H),7.09(td,J=7.5,1.3Hz,2H),6.91–6.86(m,4H).
本实施例产物的甲苯溶液通氧前后的荧光发射光谱如图2所示。将实施例1的产物配成1*10^-5mol/L的甲苯溶液,在365纳米紫外光激发下采集其荧光发射光谱;然后对该溶液用氧气鼓泡15分钟后,在同样的条件下再测试其荧光发射光谱。经过氧气鼓泡后的溶液在长波方向的发射峰强度明显降低,说明实施例1的发光对氧气敏感,其发光过程涉及三线态激子的参与,氧气猝灭了三线态激子,导致其发光减弱。
本实施例产物的甲苯溶液通氧前后的荧光寿命变化如图3所示。通氧后实施例1产物的长寿命消失,长寿命组分被氧气猝灭,只剩下短寿命成分。
本实施例产物的乙醚(久藏)溶液随放置时间增长的荧光光谱变化如图4所示。实施例1的产物配成1*10^-5mol/L的乙醚溶液,在365纳米紫外光激发下采集其放置不同时间时的荧光发射光谱;溶液的荧光发射光谱中在480纳米左右会产生一个新的发射峰并且随着溶液放置时间增长越来越强,说明乙醚中的过氧化物将分子逐步氧化生成新产物后导致发光不断增强,以此可用来检测乙醚中是否含有过氧化物及其过氧化物的量。
实施例2:
(1)目标产物实施例2的合成
参照实施例1的步骤(2),利用4-氟-4’-吩噻嗪基二苯酮代替4,4-二氟二苯酮合成4-咔唑基-4’-吩噻嗪基二苯酮。(产率为52.5%)1H NMR(300MHz,CDCl3)δ8.16-8.14(d,2H),8.05-8.03(d,2H),7.92-7.90(d,2H),7.72-7.70(d,2H),7.53-7.26(m,11H),7.25,7.21-7.10(t,5H).
实施例3:
(1)中间体【1-溴-4-吩噻嗪基苯】的合成
将吩噻嗪(3.00g,15.1mmol)和1-溴-4-碘苯(4.68g,16.6mmol)加入250mL三口瓶中,加入适量的DMF溶解,通氩气搅拌下分别加入一小勺碘化亚铜、18-冠醚-6及邻菲罗啉,搅拌均匀后再加入碳酸钾(6.51g,45.3mmol),加热回流搅拌12h。冷却至室温,倒入冷水中,用二氯甲烷萃取3次,水洗2次,将有机层用无水硫酸钠干燥,在旋转蒸发仪中旋干。然后利用硅胶柱层析的方法进行提纯,淋洗液为体积比1:3的二氯甲烷和正己烷的混合溶液。得白色固体2.54g,产率47.6%。
(2)中间体【4-吩噻嗪基苯硼酸酯】的合成
将1-溴-4-吩噻嗪基苯(1.50g,4.2mmol)、联硼酸频那醇酯(2.15g,8.5mmol)和醋酸钾(1.25g,12.7mmol)加入250mL三口瓶中,加入适量的二氧六环溶解,升温至90℃,通氩气搅拌30min后加入一小勺Pd(dppf)Cl2,加热回流搅拌16h。将反应液转移到单口瓶,在旋转蒸发仪中旋干。然后利用硅胶柱层析的方法进行提纯,淋洗液为体积比1:3的二氯甲烷和正己烷的混合溶液。得白色固体1.03g,产率60.6%。
(3)中间体【4-氟-4’-碘二苯酮】的合成
将4-碘苯甲酰氯(5.00g,18.8mmol)加入250mL干燥三颈瓶中,再加入氟苯(5.41g,56.3mmol),搅拌,加入无水氯化铝(3.88g,28.2mmol),升温至40~50℃,反应5~6h。反应结束后,在三颈瓶中加入二氯甲烷50ml溶解,缓慢加入稀盐酸,搅拌至无沉淀。然后将反应液倒入分液漏斗,用二氯甲烷萃取3次,再用稀盐酸洗2~3次至水层变为无色。将有机层用无水硫酸钠干燥,过滤,滤液在旋转蒸发仪中旋干,得到黄白色固体5.06g。产率83%。
(4)中间体【4-氟-4’-苯吩噻嗪基二苯酮】的合成
将4-吩噻嗪基苯硼酸酯(1.44g,3.1mmol)、4-氟-4’-碘二苯酮(1.00g,3.1mmol)和碳酸钾(1.27g,9.2mmol)加入250mL三口瓶中,加入适量四氢呋喃,在氩气环境中加入一小勺四三苯基膦钯。升温至110℃,反应12h。之后将反应液冷却,加入二氯甲烷和水萃取,用二氯甲烷萃取3次,再用水洗3次。将有机层用无水硫酸钠干燥,在旋转蒸发仪中旋干。然后利用硅胶柱层析的方法进行提纯,淋洗液为体积比1:2的二氯甲烷和正己烷的混合溶液。得黄白色固体0.95g,产率65.4%。
(5)目标产物实施例3的合成
参照实施例1的步骤(2),利用4-氟-4’-苯吩噻嗪基二苯酮代替4,4-二氟二苯酮合成4-咔唑基-4’-苯吩噻嗪基二苯酮。(产率为56.1%)
实施例4:
(1)中间体【4-碘-4’-吩噻嗪基二苯酮】的合成
参照实施例1的步骤(2),利用4-氟-4’-碘二苯酮代替4,4-二氟二苯酮合成4-碘-4’-吩噻嗪基二苯酮。(产率为54.2%)
(2)目标产物实施例4的合成
参照实施例3的步骤(4),利用4-碘-4’-吩噻嗪基二苯酮代替4-碘-4’-氟二苯酮,利用1-萘硼酸酯代替4-吩噻嗪基苯硼酸酯合成4-萘基-4’-吩噻嗪基二苯酮。(产率为60.3%)1H NMR(500MHz,CDCl3)δ7.98–7.88(m,7H),7.64–7.60(m,2H),7.58–7.50(m,2H),7.47(td,J=7.0,1.3Hz,2H),7.33(dd,J=7.7,1.5Hz,2H),7.30–7.27(m,2H),7.20(td,J=7.8,1.5Hz,2H),7.10(t,J=7.5Hz,2H),7.06–7.02(m,2H).
实施例5:
(1)目标产物实施例5的合成
参照实施例3的步骤(4),利用4-碘-4’-吩噻嗪基二苯酮代替4-碘-4’-氟二苯酮,利用1-芘硼酸酯代替4-吩噻嗪基苯硼酸酯合成4-芘基-4’-吩噻嗪基二苯酮。(产率为60.3%)1H NMR(500MHz,CDCl3)δ8.28–8.16(m,4H),8.13(s,2H),8.09–7.95(m,7H),7.79–7.74(m,2H),7.32(ddd,J=17.0,7.2,1.7Hz,4H),7.20(t,J=7.4Hz,2H),7.14–7.00(m,4H).
本发明实施例1-5产物的固体荧光照片如图1所示。
表1:实施例中终产物在溶液和固体的最大荧光发射波长
注:固体的发射光谱由Shimadzu RF-5301PC荧光分光光度计测量
综上所述,本发明的合成方法工艺简单,容易纯化,所合成的发光材料具有高的荧光量子效率,对过氧化自由基具有特异性响应,适用于有机过氧化物的检测。此外,本发明的发光材料还对氧气、单线态氧等具有特异性响应,适用应用于化学生物检测,生物成像以及防伪等领域。以上所述,本领域的普通技术人员可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其它各种相应的改变和变形,而所有这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种含吩噻嗪二苯酮类发光材料,其分子通式如通式(1)所示:
通式(1):
Pz为含有吩噻嗪基官能团,R与Pz相同或不同,R选自烷基、卤素、烷氧基、硝基、氨基、醛基、氰基、芳香环或芳香杂环取代基。
2.根据权利要求1所述的含吩噻嗪二苯酮类发光材料,其特征在于:所述含有吩噻嗪基官能团Pz选自以下结构:
其结构中R1与R2相同,R1和R2选自氢、烷基、卤素、烷氧基、硝基、氨基、醛基、氰基、苯基、萘基、蒽基、咔唑基、二苯胺基或吩噻嗪基。
3.根据权利要求1所述的含吩噻嗪二苯酮类发光材料,其特征在于:所述R为芳香环或芳香杂环取代基时选自以下结构:
其结构中R3与R4相同或不同,R3和R4选自氢、烷基、卤素、烷氧基、硝基、氨基、醛基、氰基、苯基、萘基、蒽基、咔唑基、二苯胺基或吩噻嗪基。
4.权利要求1、2或3所述的含吩噻嗪二苯酮类发光材料的合成方法,其特征在于包括:
方法(1)将吩噻嗪基衍生物与一端或两端含有氟的二苯酮衍生物通过偶联反应得到目标产物;
方法(2)将吩噻嗪基衍生物与一端或两端含有溴或碘的二苯酮衍生物通过乌尔曼反应得到目标产物;
方法(3)将对吩噻嗪基苯硼酸衍生物与一端或两端还有溴或碘的二苯酮衍生物通过Suzuki偶联反应得到目标产物。
5.根据权利要求4所述的合成方法,其特征在于:所述的方法(1),吩噻嗪基衍生物与含氟的二苯酮衍生物的偶联反应由以下方法实现:提供吩噻嗪基衍生物与含氟的二苯酮衍生物,在N,N-二甲基甲酰胺溶液中,以叔丁醇钾为碱,加热回流得到目标产物。
6.根据权利要求4所述的合成方法,其特征在于:所述的方法(2),吩噻嗪基衍生物与含溴或碘的二苯酮衍生物的乌尔曼反应由以下方法实现:提供吩噻嗪基衍生物、含溴或碘的二苯酮衍生物、18-冠醚-6、邻菲罗啉以及碳酸钾,在干燥的N,N-二甲基甲酰胺溶液中,以碘化亚铜为催化剂,加热回流得到目标产物。
7.根据权利要求4所述的合成方法,其特征在于:所述的方法(3),对吩噻嗪基苯硼酸酯衍生物与含溴或碘的二苯酮衍生物的乌尔曼反应由以下方法实现:提供对吩噻嗪基本硼酸酯衍生物与含溴或碘的二苯酮衍生物、碳酸钾水溶液及相转移剂,在干燥的四氢呋喃溶液中,以四三苯基膦钯为催化剂,加热回流得到目标产物。
8.权利要求1、2或3所述的含吩噻嗪二苯酮类发光材料应用于化学检测、生物成像、防伪领域。
9.根据权利要求8所述的应用,其特征在于:所述的化学检测为有机过氧化物、氧气或单线态氧的检测。
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