CN109111471B - 一种香豆素铜配合物及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种香豆素铜配合物，所述香豆素铜配合物通过Cu²⁺与荧光香豆素化合物C1配位获得。本发明还公开了香豆素铜配合物的制备方法及其应用。本发明所用香豆素结构C1可以参考文件合成，所用原料价格便宜，C1的铜配合物制备容易，仅需简单配制香豆素和铜离子溶液并按比例混合即可；本发明的香豆素铜配合物的检测速度快、灵敏度高，抗干扰性强。

Description

一种香豆素铜配合物及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于食品、药品以及有机溶剂中微量水检测领域，具体涉及一种香豆素铜配合物及其制备方法和应用。

背景技术

水是有机溶剂中最常见的杂质，特别是在金属有机化学中，水的存在会导致金属有机化合物失活，从而降低反应产率甚至使得反应完全不能进行。而由于金属有机试剂如丁基锂的高反应活性，水的存在甚至可能导致灾难性事件，例如火灾和爆炸。另一方面，对于食品、化学品和药品的储存，水分的存在也会严重影响产品的保存时间和保存质量。因此，发展对食品和特定化学品中微量水进行定性和定量检测的方法至关重要。

目前检测微量水最经典有效的方法是Karl Fischer滴定法。该方法的检测原理是利用碘和二氧化硫的氧化还原反应，在有机碱和甲醇的环境下，与水发生定量反应。该方法通过碘消耗引起颜色的变化，从而达到对水的准确定量检测。虽然该检测方法获得了广泛的认可和使用，其仍然存在明显的缺点：1)需要用到有毒试剂如CH₃OH，I₂和SO₂；2)不适用于氧化还原活性样品；3)该方法需要进行非原位分析，不能实时对水含量进行监测。因此，开发简便、可靠的水分检测新方法仍是一个重要的研究课题。

近年，以颜色或荧光发射变化来检测目标物质的小分子荧光探针引起了化学工作者的广泛关注。相比传统的Karl Fischer滴定法，荧光探针检测技术表现出以下优点：1)操作简便、信号直观；2)荧光检测的灵敏度高；3)成本低；4)响应效率高，可以短时间内反应达到平衡；5)无毒害，便于携带。使用小分子荧光探针技术检测食品和化学品中的微量水已经引起了学术界的关注(Analytical Chemistry,2016,88,11314-11318.；ChemicalCommunications,2012,48,3933-3935.；Dalton Transactions,2017,46,7098-7105.；ACSApplied Materials&Interfaces,2017,9,15744-15757.；Nat.Commun.,2017,8,15985.)。然而，这些研究成果存在两个较为明显的共性问题：1)检测性能较差，本身几乎没有实用价值，因此并未申请国家专利保护；2)检测性能较好但是材料制备难度大，无法满足实际应用需求，仅仅停留在理论研究阶段。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供了一种简单的香豆素铜配化合物结构，其合成制备方法简单，通过和铜离子的配位，能够对有机溶剂如四氢呋喃、甲醇、乙醇、乙腈和N,N-二甲基甲酰胺中微量的水进行高灵敏检测，并能够用于糖、盐、面粉和洗衣粉等实际样品中水的检测。

本发明还要解决的技术问题是提供了该香豆素铜配化合物的制备方法。

本发明最后要解决的技术问题是通过了该该香豆素铜配化合物在水检测中的应用。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种香豆素铜配合物，所述香豆素铜配合物通过Cu²⁺与荧光香豆素化合物C1配位得到，所述荧光香豆素化合物C1的结构式如下：

其中，所述荧光香豆素化合物C1与Cu²⁺以2:1的摩尔比进行配位。

本发明内容还包括所述的香豆素铜配合物的制备方法，包括以下步骤：

1)荧光香豆素化合物C1的制备；

2)储备液1的配制：称取一水合乙酸铜溶于溶剂中，得储备液1；

3)储备液2的配制：称取荧光香豆素化合物C1，溶于溶剂中，得储备液2；

4)在溶剂中加入储备液2后继续加入储备液1即得C1-Cu²⁺配合物。

其中，所述储备液1中的Cu²⁺浓度为1-6mM。

其中，所述储备液2中的荧光香豆素化合物C1的浓度为1-3mM。

其中，所述步骤1)或2)或4)中的溶剂为超干甲醇、超干乙醇、超干DMF、超干THF或超干乙腈中的一种。

其中，所述步骤4)中的溶剂、储备液1、储备液2的体积比为300:1:3～300:6:1。

本发明内容还包括所述的香豆素铜配合物在水检测中的应用。

本发明内容还包括所述的香豆素铜配合物在有机溶剂、食品或化学品中微量水检测中的应用。

本发明的检测原理：如图7所示，荧光香豆素化合物C1本身在溶液中均有较强的荧光，当其与铜离子以2:1(L/M)的比例配位得到相应的配合物时，荧光消失。而该配合物对水敏感，在水的作用下发生分解，重新得到荧光香豆素化合物C1，从而溶液荧光恢复，达到对微量水检测的目的。并且荧光的强度和水的含量呈线性关系，从而可以根据荧光实际强度确定水的含量。

对糖、盐等实际样品中微量水检测原理：向C1-Cu²⁺配合物溶液中加入待测样品，香豆素的铜配物被水分解，发出荧光，并且荧光强度和水分的含量呈现线性关系，从而测出样品中水分的含量。

有益效果：本发明相对于现有技术，具备以下优点：

1)开发结构简单、易于合成的化合物结构，用于构建高效的微量水检测体系，避免已有方法中繁琐、难度大的材料制备过程，降低检测成本；本发明所用荧光香豆素化合物C1可以参考文献合成，所用原料价格便宜，C1的铜配合物制备容易，仅需简单配制香豆素和铜离子溶液并按比例混合即可；

2)深入理解所开发荧光探针的水检测原理，为进一步提高性能提供理论依据和实践基础；

3)所开发荧光探针能够用于常见有机溶剂、食品和药品中微量水的定量、快速、准确检测，本发明的香豆素铜配合物的检测速度快、灵敏度高，抗干扰性强。

附图说明

图1a)C1探针溶液在超干乙腈中的Cu²⁺滴定紫外-可见吸收光谱变化；1b)C1探针溶液在超干乙腈中的Cu²⁺滴定分子荧光强度变化曲线，λex＝372nm；1c)C1探针溶液的在超干乙腈中的Cu²⁺滴定络合曲线；

图2 C1-Cu²⁺在超干乙腈中的Job’s Plot曲线；

图3 C1-Cu²⁺在超干乙腈中的单晶结构；

图4a)C1-Cu²⁺探针乙腈溶液的水滴定荧光光谱变化；4b)C1-Cu²⁺探针乙腈溶液荧光强度与加入水后的线性关系工作曲线；

图5 C1-Cu²⁺探针乙腈溶液在检测水时的抗pH干扰能力；

图6 C1-Cu²⁺探针乙腈溶液在不同超干溶剂中的荧光强度在加入水之后随时间变化的趋势图；

图7 C1-Cu²⁺探针检测原理图；

图8向C1-Cu²⁺(10μM)探针乙腈溶液中滴加90μL水的荧光光谱图；

图9使用C1-Cu²⁺探针乙腈溶液检测溶剂中的水含量的工作曲线；

图10向在超干乙腈中的C1-Cu²⁺探针溶液中加入糖后的荧光光谱图；

图11使用C1-Cu²⁺探针乙腈溶液检测糖中的水含量的工作曲线；

图12a)C1-Cu²⁺探针乙醇溶液的水滴定荧光光谱变化；12b)C1-Cu²⁺探针乙醇溶液荧光强度与加入水后的线性关系工作曲线；

图13a)C1-Cu²⁺探针甲醇溶液的水滴定荧光光谱变化；13b)C1-Cu²⁺探针甲醇溶液荧光强度与加入水后的线性关系工作曲线；

图14a)C1-Cu²⁺探针DMF溶液的水滴定荧光光谱变化；14b)C1-Cu²⁺探针DMF溶液荧光强度与加入水后的线性关系工作曲线

图15a)C1-Cu²⁺探针THF溶液的水滴定荧光光谱变化；15b)C1-Cu²⁺探针THF溶液荧光强度与加入水后的线性关系工作曲线。

具体实施方式

为进一步说明本发明的详细情况，下面列举若干实施例，但本发明不应受此限制。

实施例1 C1铜离子配合物的制备

1、荧光香豆素化合物C1的制备：通过合成两种荧光香豆素化合物C1，并进一步构建其铜离子配合物，用于普通有机溶剂和实际商品中微量水的检测。所用化合物C1结构式如下，可以参考文献方法合成：

合成方法可参考：C1，Chem.Commun.,2017,53,1813-1816。

2、C1铜离子配合物的制备

储备液1的配制：称取一水合乙酸铜(7.4mg)溶于7.4mL超干乙腈中，得储备液1，Cu²⁺浓度为5mM。

储备液2的配制：取C1(2.9mg,0.014mmol)，溶于7mL超干乙腈中，得储备液2，C1的浓度为2mM。

C1-Cu²⁺配合物的制备：于比色皿中准确加入3mL超干乙腈溶液，加入15μL储备液2得C1的浓度为10μM，继续加入9.6μL储备液1，即得C1-Cu²⁺配合物乙腈溶液(探针乙腈溶液)，用于有机溶剂、食品和化学品中微量水的检测。

同时，用同等量超干甲醇、超干乙醇、超干DMF、超干THF代替超干乙腈配制储备液1和储备液2，采取上述步骤，可分别得相应C1-Cu²⁺配合物溶液(C1-Cu²⁺探针甲醇溶液、C1-Cu^{2 +}探针乙醇溶液、C1-Cu²⁺探针DMF溶液、C1-Cu²⁺探针THF溶液)，用于有机溶剂、食品和化学品中微量水的检测。

实施例2 C1铜离子配合物的表征与水检测应用

实施例1制备的C1铜离子配合物可用紫外-可见分光光度计或荧光光谱进行表征，通过C1溶液荧光的淬灭确定配合物结构的形成。

由图1a可见，在超干乙腈中，随着C1探针溶液中Cu²⁺含量的增加，溶液在423nm处的吸收明显逐步增强，而在351nm处的吸收强度逐渐降低，并且在376nm处出现等吸收点。由图1b可见，C1探针溶液的荧光强度随着Cu²⁺的加入逐渐降低，说明在Cu²⁺滴定的过程中与C1形成了配合物。9.6μL储备液1的加入使得C1的荧光被淬灭，证明了C1-Cu²⁺配合物的形成。根据分子荧光强度变化曲线用Benesi-Hildebrand方程求得C1-Cu²⁺的结合常数为9.76×10³M^-1(图1c)。

香豆素的铜离子配合物结构还可以从Job’s Plot和单晶结构得到证明。

Job’s Plot实验：将C1与Cu²⁺(乙酸铜)按照一定的比例(1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2、9:1、10:0)配制总溶液浓度为10μM的溶液，在250-600nm范围内进行紫外测试，结果如图2表示。吸收的峰值对应C1/(C1+Cu²⁺)≈0.667，表明C1与铜离子以2:1配位，该结果与后面的单晶结构一致。

C1-Cu²⁺配合物单晶结构的培养：称取C1(20.6mg，0.01mmol)和五水合硫酸铜(25.5mg,0.01mmol)于100mL干燥的单口烧瓶中，加入50mL超干乙腈溶剂进行超声溶解，室温下搅拌30min，将反应液过滤至干净的平底试管，将平底试管静置，通过溶剂缓慢挥发法进行晶体生长。单晶结构如图3所示。每个Cu²⁺通过羧酸盐O原子与两个C1配体连接，表明配体C1成功地与铜离子结合形成一个新的配合物，比例是1:2。此外，从该晶体结构中还可以看出，水分子可以在中间轴与铜离子作用。因此，大量水分子的存在可导致此铜配合物的分解。

微量水检测：于比色皿中加入3mL超干乙腈溶液，加入15μL储备液2，得C1探针溶液的浓度为10μM，加入9.6μL(1.6equiv.)储备液1，得C1-Cu²⁺配合物乙腈溶液。向此溶液中逐步滴加水，由图4a可见，溶液的荧光强度随着比色皿中水分含量的增加明显增强。将比色皿中的水分含量与对应的荧光强度关系做图，可得相应的工作曲线如图4b所示。C1-Cu²⁺探针溶液的荧光强度与水分含量呈现出非常好的线性关系，线性相关系数达到了0.996，线性范围为0-8wt％，线性方程为Y＝475990.7×X+1.901×10⁶。将待测样品直接加入C1-Cu²⁺配合物乙腈溶液中，使用Horiba Fluoromax-4荧光光谱仪测试所得溶液的荧光强度Y，代入工作曲线从而计算得出水分的含量X。

根据IUPAC定义，计算检测限(DL)和定量限(QL)，实施例1制备的C1-Cu²⁺配合物溶液(也称探针溶液)对乙腈、甲醇、乙醇、DMF和THF溶液中微量水的DL(wt％)分别为0.4917、0.2761、0.4799、0.2086、0.1605，QL(wt％)为1.6391、0.9202、1.5999、0.6952、0.5350。其中，乙腈中水滴定的工作曲线见图4，甲醇、乙醇、DMF和THF中水滴定的工作曲线见图12-15。根据IUPAC定义，DL为3σ/s；QL为10σ/s。σ指测10次空白样品所得信号的平均值；s为相应工作曲线的斜率。)

C1-Cu²⁺探针乙腈溶液对pH值为2-14水溶液的荧光响应如图5所示。结果显示C1-Cu²⁺探针溶液检测水时的荧光强度在pH 2-8范围内波动较大，而在pH 8-12时不受pH变化的干扰。因此，C1-Cu²⁺探针溶液能够满足绝大部分pH条件下检测水的需要。

通过测试发现C1-Cu²⁺探针乙腈溶液在加入水后荧光强度变化在1min内即达到平衡(图6)。这个结果说明了本发明所提出的C1-Cu²⁺探针体系用于微量水检测具有响应速度快的优点，有利于该探针的实用化推广。

此外，C1-Cu²⁺探针溶液用于水分子检测时不产生任何有害副产物，没有二次污染。综上考虑，C1-Cu²⁺探针的检测成本和检测性能明显优于已有的微量水检测荧光探针。

实验例1常见溶剂中水分的检测

称取一水合乙酸铜(7.4mg)溶于7.4mL超干乙腈中，得储备液1，Cu²⁺浓度为5mM。取C1(2.9mg,0.014mmol)，溶于7mL超干乙腈中，得储备液2，C1浓度为2mM。

于比色皿中加入3mL超干乙腈溶液，加入15μL储备液2，得C1探针溶液的浓度为10μM，加入9.6μL(1.6equiv)储备液1，得C1-Cu²⁺配合物溶液。向该C1-Cu²⁺配合物溶液中加入90μL蒸馏水，测试所得溶液的荧光光谱如图8所示。

该曲线最大发射波长处荧光强度为3674520，将该值作为Y值，代入本发明所建立的C1-Cu²⁺探针溶液检测水的工作曲线方程：Y＝475990.7×X+1.901×10⁶(图9)。可计算出X＝3.73，已知乙腈的密度为0.79mg/μL，水的密度为1mg/μL，假设水质量为x，则

求得x为92.48mg，因此可推算出样品液中水的体积为92.48μL。与实际加入水量90μL对比，该结果误差仅2.8％。说明了本发明在检测水方面的实用功能。

实验例2糖中水分的检测

称取一水合乙酸铜(7.4mg)溶于7.4mL超干乙腈中，得储备液1，Cu²⁺浓度为5mM。取C1(2.9mg,0.014mmol)，溶于7mL超干乙腈中，得储备液2，C1浓度为2mM。

于比色皿中加入3mL超干乙腈溶液，加入15μL储备液2，得C1探针溶液的浓度为10μM，并加入9.6μL储备液1，得C1-Cu²⁺配合物溶液。加入0.0691g糖，超声离心，取上清液进行分子荧光测试，同时用未加任何样品的C1-Cu²⁺配合物溶液进行荧光测试。测试的荧光强度如图10所示；

通过图10可以发现，在超干乙腈中，未添加任何样品的C1-Cu²⁺荧光强度较低，而添加了糖之后，荧光强度有明显的增强，说明糖中含有水分并且破坏了C1-Cu²⁺配合物结构使得荧光增强。

C1-Cu²⁺-Sugar曲线最大发射波长处荧光强度为2298054.42，将该值作为Y值，代入本发明所建立的探针溶液C1-Cu²⁺-H₂O的工作曲线方程：Y＝475990.7×X+1.901×10⁶(图11)。可计算出X＝0.8342，已知乙腈的密度为0.79mg/μL，水的密度为1mg/μL，假设样品液中的水质量为x，则

求得x为20.10mg，因此可以推算出糖中的含水量约为29.1％。说明了本发明对食品中微量水的实用检测功能。

Claims (8)

1.一种香豆素铜配合物，其特征在于，所述香豆素铜配合物通过Cu²⁺与荧光香豆素化合物C1配位得到，所述荧光香豆素化合物C1的结构式如下：

所述香豆素铜配合物的结构式如下所示：

2.根据权利要求1所述的香豆素铜配合物，其特征在于，所述荧光香豆素化合物C1与Cu^{2 +}以2∶1的摩尔比进行配位。

3.权利要求1或2所述的香豆素铜配合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)荧光香豆素化合物C1的制备；

2)储备液1的配制：称取一水合乙酸铜溶于溶剂中，得储备液1；

3)储备液2的配制：称取荧光香豆素化合物C1，溶于溶剂中，得储备液2；

4)在溶剂中加入储备液2后继续加入储备液1即得C1-Cu²⁺配合物；

步骤2)或3)或4)中的溶剂为超干甲醇、超干乙醇、超干DMF、超干THF或超干乙腈中的一种。

4.根据权利要求3所述的香豆素铜配合物的制备方法，其特征在于，所述储备液1中的Cu²⁺浓度为1-6mM。

5.根据权利要求3所述的香豆素铜配合物的制备方法，其特征在于，所述储备液2中的荧光香豆素化合物C1的浓度为1-3mM。

6.根据权利要求3所述的香豆素铜配合物的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中的溶剂、储备液1、储备液2的体积比为300∶1∶3或300∶6∶1。

7.权利要求1或2所述的香豆素铜配合物在水检测中的应用。

8.权利要求1或2所述的香豆素铜配合物在有机溶剂、食品或化学品中微量水检测中的应用。

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