CN109608644B - 苝酰亚胺衍生物及制备方法及作为氟离子荧光探针的用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了苝酰亚胺衍生物及制备方法及作为氟离子荧光探针的用途，所述苝酰亚胺衍生物，用式(Ⅳ)所示：

Description

苝酰亚胺衍生物及制备方法及作为氟离子荧光探针的用途

技术领域

本发明属于荧光探针技术领域，具体涉及一种基于苝酰亚胺衍生物的氟离子荧光探针及制备方法及应用。

背景技术

苝酰亚胺(Perylene Diimide，PDI)类化合物作为一类有机功能性染料，由于具有良好的化学、热和光稳定性，吸收光谱范围较宽以及荧光量子产率较高的特点，除了在传统的染(颜)料行业中继续发挥作用外，还被广泛应用于有机光导材料、有机电致发光材料、液晶显示材料、激光染料、太阳能电池和荧光探针等领域。

作为一种稠环芳烃化合物，苝酰亚胺衍生物具有大的平面环状共轭结构和良好的分子共平面性，使得该类化合物分子间π-π相互作用显著增强，产生荧光淬灭现象，在高浓度溶液和本体中的发光效率急剧下降。目前人们通常采用两种方法对其进行改性修饰，一种是由Langhals教授提出的，在苝酰亚胺的氮原子上引入增溶性基团；另一种方法是由BASF公司的Seybold教授提出，在PDI的湾位处引入取代基团，这不仅可以通过改善PDI主体的极性以改善其溶解度，还可以通过调节苝环上的电子云共轭密度来调节电子能级从而对其光学性质产生较大的改变。

近年来，阴离子检测备受科学研究者的关注。在各种阴离子中，氟阴离子作为最小的阴离子，具有高电荷密度，强腐蚀性和活跃的化学性质，而且是人体内的必需元素之一，目前已被广泛研究。氟离子在生理过程和环境问题中发挥重要作用，少量的氟化物有助于牙齿的发育和骨质疏松症的治疗，因此被广泛应用在牙膏、医药等领域，但是过量摄入氟离子则会引起氟斑牙，氟骨症，尿路结石等各种疾病甚至死亡。因此，发展快速有效的氟离子检测分析方法意义重大。

迄今为止，已经报道了许多用于氟阴离子检测的检测机制，例如基于化学反应的氟阴离子检测，路易斯酸碱识别，氢键识别和Si-O/Si-C键的裂解等。但是受测试方法的限制，氟离子的快速定量检测仍存在很多问题，比如灵敏度不高、选择性不佳等。因此，发展基于双重或多重检测机制的荧光探针有望实现氟离子的快速检测，具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种苝酰亚胺衍生物。

本发明的第二个目的是提供苝酰亚胺衍生物的制备方法。

本发明的第三个目的是提供苝酰亚胺衍生物作为氟离子荧光探针的用途。

本发明的技术方案概述如下：

一种苝酰亚胺衍生物，用式(Ⅳ)所示：

其中：

r为异丁基、异辛基、甲基丙烯基、缩水甘油基或苯基。

一种苝酰亚胺衍生物的制备方法，包括如下步骤：

(1)将化合物(Ⅰ)溶于二氯甲烷，冰浴降温至0℃，将发烟硝酸的二氯甲烷溶液，滴加到化合物(Ⅰ)的二氯甲烷溶液中，搅拌反应，反应结束后，倒入甲醇中，使产物析出，干燥后进行柱色谱分离得化合物(Ⅱ)；

(2)将化合物(Ⅱ)溶于四氢呋喃，加入锌粉，搅拌下滴加冰醋酸，在室温下反应，反应结束后，将反应液抽滤，收集滤液，旋蒸除去溶剂；用质量分数为5％的氢氧化钠水溶液萃取，收集有机相，倒入甲醇中，使产物析出，抽滤、干燥后进行柱色谱分离得化合物(Ⅲ)；

(3)将化合物(Ⅲ)溶于四氢呋喃，加入吡啶，得混合液；将乙酰氯的四氢呋喃溶液，逐滴加入到混合液中；冰浴下反应25-35min，移至常温继续反应12-24h；旋蒸除去溶剂，进行柱色谱分离得苝酰亚胺衍生物(Ⅳ)；

反应方程式：

其中：

r为异丁基、异辛基、甲基丙烯基、缩水甘油基或苯基；DCM为二氯甲烷的缩写；THF为四氢呋喃的缩写。

基于苝酰亚胺衍生物的氟离子荧光探针快速检测氟离子的用途。

本发明的有益效果：

(1)本发明的苝酰亚胺衍生物可以选择性地检测氟离子，并且由于双重检测机制的存在，较单重机制的氟离子荧光探针更快、更灵敏。

(2)本发明的苝酰亚胺衍生物是具有高发光性能及快速高选择性分析氟离子的荧光探针，且合成简单，有利于商业化的推广应用。

附图说明

图1为化合物Ⅳ的¹H NMR谱图；

图2为荧光探针Ⅳ在不同F^-浓度作用下的紫外-可见吸收光谱图；

图3为荧光探针Ⅳ在不同F^-浓度作用下的荧光光谱图，该光谱的激发波长为455nm；

图4为荧光探针Ⅳ与不同F^-浓度作用下波长714nm处吸光度变化的线性拟合图；

图5为荧光探针Ⅳ的四氢呋喃溶液中加入不同离子后的紫外-可见吸收光谱图；

图6为荧光探针Ⅳ的四氢呋喃溶液中加入不同离子后的荧光光谱图；

图7为荧光探针Ⅳ与F^-作用前后测得的¹H NMR谱图，所用溶剂为CDCl₃；

图8为荧光探针Ⅳ与F^-作用前后测得的²⁹Si NMR谱图，所用溶剂为CDCl₃；

具体实施方式：

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不限于此。

下列实施例目的在于进一步介绍和展示在本发明范围内的具体实施方案。因此，实施例应理解为仅用于更详细地展示本发明，而不以任何方式限制本发明的内容。

下列实施例进一步说明了本发明范围内的优选具体实施方案。这些实施例仅仅是说明性的，而不是限制本发明的范围，因为只要在不背离其实质和范围的条件下，可以对本发明进行许多变化。

采用瑞士Bruker公司生产的AVANCE III 400M型液体核磁共振谱仪来检测产物得¹H NMR和²⁹Si NMR谱图，溶剂为氘代氯仿(CDCl₃)，内标为四甲基硅烷(TMS)。利用Madapa公司生产的UV-3200型紫外可见分光光度计来测定产物的紫外吸收光谱，采用1×1cm的石英比色皿作为样品池。利用Hitachi公司生产的F-2500型荧光分光光度计来测定产物的荧光光谱，采用1×1cm的石英比色皿作为样品池，激发波长为455nm，测试收集波长范围为500-850nm，荧光光谱测试中所用的溶剂纯度均为色谱纯。

实施例1

一种苝酰亚胺衍生物的制备方法，包括如下步骤：

(1)称取30.00g咪唑于100mL圆底烧瓶中，120℃加热使咪唑全部融化成液体后，加入1.00g(2.55mmol)3,4,9,10-苝四羧酸二酐(PDA)，5.36g(6.12mmol)笼状聚倍半硅氧烷NH₂-R，加热至140℃搅拌反应4h。反应结束后，冷却至室温，将反应液倒入300mL甲醇中，充分搅拌以使咪唑充分溶于甲醇中，静置分层，使产物析出，抽滤，真空干燥。然后进行柱色谱分离提纯，所用展开剂为体积比6:1的石油醚和二氯甲烷的混合溶剂，得到化合物(Ⅰ)，产率为95％；

(2)称取1.00g化合物Ⅰ于250mL圆底烧瓶中，加入60mL二氯甲烷溶解，在冰浴下搅拌，使溶液温度降至0℃，将3mL发烟硝酸用5mL二氯甲烷稀释，得到发烟硝酸的二氯甲烷溶液，然后滴加到冷却好的化合物Ⅰ的二氯甲烷溶液中，搅拌反应1h。反应结束后，将反应液倒入400mL甲醇中搅拌终止反应，静置，析出产物。抽滤，真空干燥，进行柱色谱分离提纯，所用展开剂为体积比1:1的石油醚和二氯甲烷的混合溶剂，得到化合物Ⅱ，产率为98％；

(3)称取250mg(0.12mmol)化合物Ⅱ于100mL圆底烧瓶中，加20mL入四氢呋喃溶解，再加入160mg(2.46mmol)锌粉，搅拌下滴加140μL(2.33mmol)冰醋酸，在室温下反应24h。反应结束后，抽滤除去锌粉等固体杂质，收集滤液，旋蒸除去溶剂。用质量分数为5％的氢氧化钠水溶液萃取3次，收集下层有机相，倒入大量甲醇中，搅拌均匀，静置，使产物析出，抽滤，真空干燥，进行柱色谱分离提纯，所用展开剂为体积比1:1的石油醚和二氯甲烷的混合溶剂，得到化合物Ⅲ，产率为68％；

(4)称取200mg(0.057mmol)化合物Ⅲ于50mL圆底烧瓶中，加入8mL四氢呋喃溶解，并加入17μL(0.025mmol)吡啶得混合液，另外量取2mL四氢呋喃，向其中加入14mg(0.171mmol)乙酰氯，混合均匀后在冰浴条件下逐滴加入到盛有混合液的圆底烧瓶中。冰浴条件搅拌反应30min(也可以是25min或35min)后，将反应瓶移至常温环境下继续反应，反应时间为12h(也可以是24h)。反应结束后，旋蒸除去四氢呋喃，并进行柱色谱分离提纯，所用展开剂为体积比1:2的石油醚和二氯甲烷的混合溶剂，得到化合物Ⅳ，产率为33％；

反应方程式：

其中：

R的英文名称：Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane缩写为POSS。

r为异丁基；DCM为二氯甲烷的缩写；THF为四氢呋喃的缩写。

化合物Ⅳ的分子量为2161.5，其结构通过核磁氢谱和质谱表征：

1H NMR(400MHz,CDCl₃)δ8.93(s,1H,NHC＝O),δ8.85(s,1H,ArH),8.66-8.34(m,5H,ArH),8.11(s,1H,ArH),4.21(s,4H,-CH₂-),2.43(s,3H,-CH₃),1.86(m,18H,-CH-and-CH₂-),0.96(m,84H,-CH₃),0.83-0.69(t,4H,-CH₂-),0.61(m,28H,-CH₂-)，见图1。MALDI-TOFMS:calcd for(C₈₈H₁₄₈N₃O₂₉Si₁₆):m/z:calcd 2161.5,Found 2161.2。

证明反应生成了苝酰亚胺衍生物(Ⅳ)。

实验证明，用r＝异辛基、甲基丙烯基、缩水甘油基或苯基替代本实施例中的异丁基，其它同本实施例，可得到相应的苝酰亚胺衍生物。

实施例2

实施例1制备的苝酰亚胺衍生物Ⅳ在不同F^-浓度作用下光学性质的测定

将苝酰亚胺衍生物Ⅳ溶解在四氢呋喃中，配制成浓度为2×10^-4M的溶液，作为储备液；取10份体积为1mL的储备液，分别加入9mL四氢呋喃配成浓度为20μM的溶液，再在其中9份中分别加入0.2，0.4，0.6，0.8，1，1.2，1.4，1.6，1.8，2当量的四丁基氟化铵，测量其紫外-吸收光谱和荧光光谱。从图2的紫外-吸收光谱中可以看到，在不加氟离子的情况下，最大吸收波长在530nm左右，在490nm左右有一个肩峰。随着四丁基氟化铵的逐渐加入，530nm处的峰值逐渐降低，在437和714nm处出现两个新的峰，并且573nm和457nm处出现两个清晰的等吸光点，表明了新化合物形成。在图3的荧光光谱中可以看到，随着氟离子的加入，荧光强度逐渐降低，当加入2倍当量的氟离子时，荧光强度几乎为零。如图4所示，紫外-吸收光谱中714nm处的吸光度与F^-浓度呈线性关系，检测限为1.64×10^-8M。以上证明实施例1所合成的化合物(Ⅳ)可以用于定量检测溶液中的氟离子，且具有响应迅速，灵敏度高的优点。

实施例3

苝酰亚胺衍生物(Ⅳ)对F^-检测的选择性表征

将实施例1所合成的化合物(Ⅳ)溶于四氢呋喃中，配制成浓度为2×10^-4M的溶液，作为储备液；取7份体积为0.5mL的储备液，分别加入4.5mL四氢呋喃配成浓度为20μM的溶液，再向其中6份中分别加入四丁基氟化铵，四丁基溴化铵，四丁基氯化铵，四丁基醋酸铵，四丁基膦酸氢铵，盐酸，配成含有300μM的氟离子，溴离子、氯离子、醋酸根离子、膦酸氢根离子与氢离子的四氢呋喃溶液，观察其溶液颜色的变化，并测量其紫外-吸收光谱和荧光发射光谱。从图5的紫外-可见吸收光谱中可以看到，除了加入醋酸根离子与加入氟离子后溶液的光谱类似，加入其他离子后溶液的吸收峰与未加入任何离子的空白溶液的吸收峰基本重合，这是由于醋酸根离子引起溶液pH的增加并且醋酸根离子离子对苝酰亚胺的苝核有一定的电子亲和力所造成的。而只有加入F^-后溶液由粉色变为淡绿色。同样，在图6的荧光光谱中可以看出，加入其他离子对荧光强度基本没有影响，加入醋酸根离子后，荧光强度小幅度下降，而加入氟离子后荧光完全淬灭，在365nm紫外光照射下溶液由橙色变为无色。证明实施例1所合成的化合物(Ⅳ)对氟离子的检测具有单一响应并且肉眼可观察的性质。

实施例4：

苝酰亚胺衍生物(Ⅳ)对F^-检测机制的测定

将实施例1所合成的化合物(Ⅳ)溶于四氢呋喃中，配制成浓度为20μM的溶液，并加入四丁基氟化铵，氟离子在溶液中浓度为200μM，之后旋除四氢呋喃，将所得固体溶解在氘代氯仿中，进行核磁氢谱和硅谱测试。图7是化合物(Ⅳ)与氟离子混合前后测试的氢谱(8.2-9.7ppm)，在加入氟离子后，酰胺基团N-H上的质子峰(8.93ppm)消失，表明氟离子和N-H基之间发生质子转移；图8是化合物(Ⅳ)与氟离子混合前后测试的硅谱(65-70ppm)，在加入氟离子前，有两个明显的峰，加入氟离子后，硅谱中没有检测到相应的信号峰，这是因为氟离子对POSS的分解作用以及化合物(Ⅳ)分子间产生的严重的聚集。上述核磁氢谱和硅谱的变化证实了本发明提供的氟离子荧光探针对氟离子的识别基于质子转移和氟离子切断硅氧键的双重机制。

Claims (3)

1.一种苝酰亚胺衍生物，其特征是用式(Ⅳ)所示：

其中：

r为异丁基、异辛基、甲基丙烯基、缩水甘油基或苯基。

2.一种苝酰亚胺衍生物的制备方法，其特征是包括如下步骤：

(1)将化合物(Ⅰ)溶于二氯甲烷，冰浴降温至0℃，将发烟硝酸的二氯甲烷溶液，滴加到化合物(Ⅰ)的二氯甲烷溶液中，搅拌反应，反应结束后，倒入甲醇中，使产物析出，干燥后进行柱色谱分离得化合物(Ⅱ)；

(2)将化合物(Ⅱ)溶于四氢呋喃，加入锌粉，搅拌下滴加冰醋酸，在室温下反应，反应结束后，将反应液抽滤，收集滤液，旋蒸除去溶剂；用质量分数为5％的氢氧化钠水溶液萃取，收集有机相，倒入甲醇中，使产物析出，抽滤、干燥后进行柱色谱分离得化合物(Ⅲ)；

(3)将化合物(Ⅲ)溶于四氢呋喃，加入吡啶，得混合液；将乙酰氯的四氢呋喃溶液，逐滴加入到混合液中；冰浴下反应25-35min，移至常温继续反应12-24h；旋蒸除去溶剂，进行柱色谱分离得苝酰亚胺衍生物(Ⅳ)；

反应方程式：

其中：

r为异丁基、异辛基、甲基丙烯基、缩水甘油基或苯基；DCM为二氯甲烷的缩写；THF为四氢呋喃的缩写。

3.权利要求1的一种苝酰亚胺衍生物作为氟离子荧光探针的用途。

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