CN109111384B - 基于识别汞离子的1,2位对称的方酸菁探针及其制备方法和应用 - Google Patents

基于识别汞离子的1,2位对称的方酸菁探针及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于化学分析测试领域,具体涉及一种基于识别汞离子的1,2位对称的方酸菁探针及其制备方法和应用。具体制备方法包括:首先以N‑(4‑硝基苯基)二乙醇胺和对甲苯磺酰氯为单体制备化合物2,然后将化合物2与巯基乙酸甲酯制得化合物3经水合肼还原后制得带有硫醚,酯基的化合物4、化合物5和三乙胺以乙醇为溶剂环境,室温下搅拌反应,通过抽滤分离,得到最终产品基于识别汞离子的1,2位对称的方酸菁探针。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,有利于对汞离子的检测。

Description

基于识别汞离子的1,2位对称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,具体涉及一种基于识别汞离子的1,2位对称的方酸菁探针及其制备方法和应用。
背景技术
随着工业的快速发展,在带来巨大经济效益的同时,也造成了严重的环境污染。其中,环境汞污染就对人群健康造成了严重的危害。汞污染具有持久性、易迁移性、高度的生物富集性、强毒性等生物特性。并且环境中任何形式的汞均可在一定条件下转化为剧毒的甲基汞,因此对人体健康造成了极大危害,同时汞具有长程跨界污染的属性,已被联合国环境规划署列为全球性污染物,是除了温室气体外唯一一种对全球范围产生影响的化学物质。
基于这些情况,环境和工业样品中汞离子的测定非常重要。常见测定汞离子的方法有原子吸收光谱(AAS),电感耦合等离子体质谱(ICP-MS),电感耦合等离子体发射光谱仪光谱法(ICP-OES)等。这些方法都需要使用大型仪器,成本昂贵,而且检测时间长,而近年来迅速发展的荧光探针具有检测简便,精准度高,快速响应的特点,满足了发展的需求,成为了检测离子的首选方法。
发明内容
本发明提供了一种基于汞离子识别的1,2位对称酯基方酸菁探针,该探针的结构式为:
Figure BDA0001796639170000011
本发明还提供了上述基于识别汞离子的1,2位对称酯基方酸菁探针的制备方法:
(1)将N-(4-硝基苯基)二乙醇胺(化合物1)和对甲苯磺酰氯(TsCl)以1:1~1:3的摩尔比在反应溶剂中反应得到化合物2(化合物1的对甲苯磺酰基衍生物)。反应溶剂可以为三乙胺、吡啶或其它混合溶剂,N-(4-硝基苯基)二乙醇胺的水溶性好,TsCl脂溶性好,混合溶剂可以使反应物更好溶解,提高收率,其中优选四氢呋喃(THF)和水的混合物作溶剂,四氢呋喃(THF)和水的体积比为2:1~1:2。
(2)将步骤(1)得到的化合物2缓慢滴入已加有巯基乙酸甲酯和碳酸铯(Cs2CO3)的无水N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,50~70℃反应温度下回流反应2~3天,经分离纯化得到化合物3(化合物1的乙基硫烷基-乙酸甲酯衍生物)。作为优选,化合物2和巯基乙酸甲酯的摩尔比为1:2~1:4,Cs2CO3的用量为化合物2摩尔质量的10%~30%。化合物2缓慢滴入是为了减少副产物,也可以选择逐滴滴加。
(3)以Pb/C作催化剂,水合肼作还原剂,将步骤(2)得到的化合物3在乙醇溶剂中于45~50℃的反应温度下反应2~3小时,反应结束后经减压抽滤干燥,再经分离纯化得到化合物4。作为优选,Pb/C催化剂的质量为化合物3的质量的5%~10%,水合肼的摩尔量为化合物3摩尔量的2~4倍。
(4)以三乙胺为碱性催化剂,将化合物4和化合物5在乙醇中室温搅拌反应8~16小时;减压除去溶剂后得到黄色固体化合物6,经分离纯化后得到基于识别汞离子的1,2位对称的方酸菁探针分子(本文所述方酸菁探针分子)。作为优选,以大过量的三乙胺作为碱性催化剂。为保证反应平稳进行且收率最大化,进一步优选的,步骤(1)中所述的溶剂为四氢呋喃和水的混合物,四氢呋喃与水的体积比为1:1;N-(4-硝基苯基)二乙醇胺和对甲苯磺酰氯的摩尔比为1:2,所述反应是在室温下进行。
为保证原料进行反应且产率最大化,优选的,步骤(2)中所述化合物2和巯基乙酸甲酯的摩尔比为1:2,碳酸铯用量为化合物2物质的量的20%,反应温度为60℃。
为保证反应简单且产率最大,进一步优选的,步骤(3)中所述Pb/C用量为化合物3的质量的5%,水合肼纯度为80%,其用量与化合物3摩尔比2.5:1,化合物3和化合物4摩尔比为2:1。
为使产率最大化,进一步优选的,步骤(4)中所述三乙胺与化合物5的摩尔比为4:1,化合物4和化合物5的摩尔比为2:1。
以上制备方法的化学反应为:
Figure BDA0001796639170000031
上述反应式中的1、2、3、4、5、6对应的结构式分别对应化合物1、化合物2、化合物3、化合物4、化合物5、化合物6。
本发明还提供了一种上述方酸菁探针的应用:该探针用于选择性识别汞离子。
用于选择性识别汞离子的具体方法为:向96孔板中分别加入2μL的离子水溶液(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)、196μL的HEPES(浓度为1×10-2mol/L,pH为7.1)和2μL的方酸菁探针溶液(浓度为1×10-2mol/L),同时以不加离子的含有方酸菁探针的HEPES溶液作为对比。将每孔的溶液混合均匀,测出每孔中溶液的吸光度。结果显示:含Hg2+的方酸菁HEPES溶液的吸收峰在385nm处出现了明显减弱,并且发生了红移,孔板中混合物的颜色从淡黄色变成了橘黄色;而该探针对于其他离子虽然也有吸光度变化,但无明显颜色变化,从而显示出在HEPES缓冲溶液中探针对于Hg2+的选择性识别作用。
本发明探针的设计和合成中,制备了识别位点为酯基和硫醚的方酸菁探针,本方酸菁探针的识别位点分布于方酸环的1,2位,距离较近,两边结构的硫原子和氧原子同时提供孤对电子,形成了较大的半封闭环,分别与汞离子形成了配位键,多个配位氢键致使电子转移受到抑制,甚至被固化,能量传递减弱,使得吸收减弱甚至淬灭,也导致了吸收峰的红移;探针结构中,离子半径过大过小都不能进入环中形成配位,只有汞离子能络合,这体现了对离子的选择性。探针对不同离子的选择性是由离子的半径大小、不同离子与方酸菁探针氧原子和硫原子的配位能力、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对汞离子选择性识别的问题,从反应现象上看,加入汞离子络合后引起探针染料吸收峰减弱、红移和染料颜色变化。
本发明的有益效果在于:本发明选择带有硝基的化合物1作为反应物,这与直接使用带氨基的化合物1反应情况不同,使用带硝基的化合物1不仅使反应速度加快,而且后处理简单,反应收率高,反应物较纯;作为汞离子检测的化学传感器,该方酸菁探针灵敏度高、选择性好、能够在HEPES缓冲溶液中选择性地识别出汞离子。化合物4作为离子的识别位点,能与汞离子发生氢键耦合。当汞离子与探针中靶点结合后,在HEPES缓冲溶液环境中吸收峰减弱并且红移,在颜色上由淡黄色变成橘黄色,而该探针对于其他离子没有明显颜色变化的现象,从而达到了该探针特异性识别汞离子的目的。
附图说明
图1为实施例1制备的基于识别汞离子的1,2位对称酯基方酸菁探针以1×10-6mol/L的浓度在HEPES中与不同离子作用后的吸光度谱图。
图2为实施例1制备的基于识别汞离子的1,2位对称酯基方酸菁探针的氢谱。
具体实施方式
实施例1
(1)将化合物1(N-(4-硝基苯基)二乙醇胺,1.13g,5mmol)和对甲苯磺酰氯(TsCl)(1.9g,10mmol)充分分散在5ml的四氢呋喃(THF)和5ml的水的混合物中,在室温下反应2h得到化合物2(化合物1的对甲苯磺酰基衍生物),经柱层析分离纯化得到2.0g,产率为74.5%;
(2)将化合物2(2g,3.7mmol)逐滴滴加到加有巯基乙酸甲酯(0.8g,7.4mmol)和碳酸铯(Cs2CO3,0.26g,0.74mmol)的无水N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,其中无水N,N-二甲基甲酰胺的用量为15ml,在60℃反应温度下反应2天,经柱层析分离纯化得到化合物3(化合物1的乙基硫烷基-乙酸甲酯衍生物)1.2g,产率80%;
(3)以Pb/C(0.06g,5%)作催化剂,水合肼(0.45ml,7.5mmol)作还原剂,将化合物3(1.2g,3.0mmol)在8ml的乙醇溶剂中50℃反应温度下反应2小时,经减压抽滤干燥,柱层析分离纯化得到产物化合物4,共1.0g,产率为83.3%;
(4)以三乙胺(0.69ml,5.0mmol)为碱性催化剂,将化合物4(1.0g,2.50mmol)和化合物5(0.18ml,1.25mmol)在5ml的乙醇中室温搅拌8小时;减压除去溶剂后得到黄色固体化合物6(本文所述方酸菁探针分子),经分离纯化后得到纯品基于识别汞离子的1,2位对称的方酸菁探针分子0.71g,产率为65%;
图1为实施例1制备的基于识别汞离子的1,2位对称的方酸菁探针分子以1×10- 6mol/L的浓度在HEPES溶液中与不同离子作用后的吸光度谱图,图中显示,逐滴加入1×10- 6mol/L的不同离子溶液后,探针的吸光度变化情况,该探针在HEPES中,对于其他离子无特别明显的吸光度的变化(曲线a至k),从而显示出在该体系中探针对于汞离子的选择性识别作用;
图2为实施例1制备的基于识别汞离子的1,2位对称的方酸菁探针分子的氢谱。
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ(ppm)7.23(d,J=7.9Hz),6.60(d,J=8.4Hz),4.18(q,J=7.1Hz),3.51(s),3.25(d,J=6.8Hz),2.78(t,J=7.3Hz),1.27(t,J=7.1Hz)..
实施例2
(1)将化合物1(N-(4-硝基苯基)二乙醇胺(3.2g,14mmol)和对甲苯磺酰氯(TsCl)(5.3g,28mmol)溶于10ml四氢呋喃(THF)和10ml水的混合物中,在室温下反应4h得到化合物2(化合物1的对甲苯磺酰基衍生物)经柱层析分离纯化得到5.4g,产率为71.3%;
(2)化合物2(5.4g,10mmol)缓慢滴加到加有巯基乙酸甲酯(2.16g,20mmol)和碳酸铯(Cs2CO3,1.1g,2mmol)的无水N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,其中无水N,N-二甲基甲酰胺的用量为25ml,在60℃反应温度下反应3天,经柱层析分离纯化得到化合物3(化合物1的乙基硫烷基-乙酸甲酯衍生物)2.62g,产率65.2%;
(3)以Pb/C(0.18g,5%)作催化剂,水合肼(1ml,8.2mmol)作还原剂,将化合物3(2.6g,6.8mmol)在10ml的乙醇溶剂中50℃反应温度下反应3小时,经减压抽滤干燥,柱层析分离纯化得到产物化合物4,共2.4g,产率为87.5%;
(4)以三乙胺(1.66ml,12.0mmol)为碱性催化剂,将化合物4(2.4g,6mmol)和化合物5(0.43ml,3mmol)在10ml的乙醇中室温搅拌16小时;减压除去溶剂后得到黄色固体化合物6(本文所述方酸菁探针分子),经分离纯化后得到纯品基于识别汞离子的1,2位对称的方酸菁探针分子1.45g,产率为55%。

Claims (7)

1.一种基于识别汞离子的1,2位对称的方酸菁探针,其特征在于:所述探针的结构式为:
Figure FDA0002624553750000011
2.一种如权利要求1所述的基于识别汞离子的1,2位对称的方酸菁探针的制备方法,其特征在于:所述的制备方法包括如下步骤:
(1)将N-(4-硝基苯基)二乙醇胺和对甲苯磺酰氯以1:1~1:3的摩尔比在溶剂中反应得到化合物2,化合物2的结构式为
Figure FDA0002624553750000012
(2)将步骤(1)得到的化合物2逐滴加入已加有巯基乙酸甲酯和碳酸铯的无水N,N-二甲基甲酰胺中,搅拌条件下,于50~70℃的反应温度下回流反应2~3天,经分离纯化得到化合物3,化合物3的结构式为
Figure FDA0002624553750000013
(3)以Pb/C作催化剂,水合肼作还原剂,将步骤(2)得到的化合物3在乙醇溶剂中于45~50℃的反应温度下反应2~3小时,反应结束后经减压抽滤干燥,再经分离纯化得到化合物4,化合物4的结构式为
Figure FDA0002624553750000014
(4)以三乙胺为碱性催化剂,将化合物4和化合物5在乙醇中室温搅拌反应8~16小时;减压除去溶剂后得到黄色固体化合物6,经分离纯化后得到基于识别汞离子的1,2位对称的方酸菁探针分子,化合物6的结构式为
Figure FDA0002624553750000021
化合物5的结构式为
Figure FDA0002624553750000022
3.如权利要求2所述的基于识别汞离子的1,2位对称的方酸菁探针的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述的溶剂为四氢呋喃和水的混合物,四氢呋喃与水的体积比为1:1;N-(4-硝基苯基)二乙醇胺和对甲苯磺酰氯的摩尔比为1:2,所述反应是在室温下进行。
4.如权利要求2所述的基于识别汞离子的1,2位对称的方酸菁探针的制备方法,其特征在于:步骤(2)中所述化合物2和巯基乙酸甲酯的摩尔比为1:2,碳酸铯用量为化合物2物质的量的20%,反应温度为60℃。
5.如权利要求2所述的基于识别汞离子的1,2位对称的方酸菁探针的制备方法,其特征在于:步骤(3)中所述Pb/C用量为化合物3总质量的5%,水合肼纯度为80%,其有效用量与化合物3的摩尔比为2.5:1。
6.如权利要求2所述的基于识别汞离子的1,2位对称的方酸菁探针的制备方法,其特征在于:步骤(4)中所述三乙胺与化合物5的摩尔比为4:1,化合物4和化合物5的摩尔比为2:1。
7.一种如权利要求1所述的基于识别汞离子的1,2位对称的方酸菁探针的应用,其特征在于:所述探针用于选择性识别汞离子。
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