CN110526946B

CN110526946B - 一种吡啶桥联的多重应答受体分子及其合成方法和应用

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Publication number: CN110526946B
Application number: CN201910677116.1A
Authority: CN
Inventors: 郭佃顺; 郭玉双; 赵梅; 卢小帆
Original assignee: Shandong Normal University
Current assignee: Shandong Normal University
Priority date: 2019-07-25
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2022-02-08
Anticipated expiration: 2039-07-25
Also published as: CN110526946A

Abstract

本发明提供了一种吡啶桥联的多重应答受体分子及其合成方法和应用，该受体分子为罗丹明B螺内酰胺与二茂铁通过吡啶桥联结构连接，吡啶桥联结构的一端与罗丹明B螺内酰胺中酰胺基团的氮连接，吡啶桥联结构的另一端与二茂铁的碳连接，所述吡啶桥联基团的结构式为：

本发明提供的受体分子具有电化学、紫外、荧光、比色多重响应功能，实现了通过循环伏安、紫外可见和荧光光谱等方法选择性快速检测水相中Hg²⁺离子，最低检出限为4.14×10^‑7M，具有广阔的应用前景。

Description

一种吡啶桥联的多重应答受体分子及其合成方法和应用

技术领域

本发明属于汞离子检测技术领域，具体涉及一种吡啶桥联的多重应答受体分子及其合成方法和应用。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明有关的背景信息，而不必然构成现有技术。

重金属汞是一种剧毒元素，汞及其化合物是全球范围内最引人关注的环境污染物之一，广泛分布于环境中，直接对土壤，空气和水体造成严重的污染，特别是流入水体中的无机汞可进一步转化为毒性更大的有机汞，经食物链进入人体不断蓄积，通过主要与巯基结合，导致相关细胞色素氧化酶、丙酮酸激酶、琥珀酸脱氢酶等失去活性，阻碍细胞生物活性和正常代谢，严重损害神经系统、肾脏和肝脏等器官，威胁人类的健康。

传统检测汞离子的方法主要有仪器分析法、荧光探针法，其中，仪器分析存在检测设备昂贵、样品预处理繁琐、无法实现汞离子定位检测等缺陷，而荧光探针法存在检测手段相对单一的问题，而将荧光探针和电化学探针组合后设计成具有光电多重应答功能受体分子，可满足不同条件下通过多种方式高效监测汞离子的目的。

发明内容

罗丹明类染料具有荧光量子产率高、摩尔吸光系数大、光学稳定性好等优点，尤其是易于形成独特的螺环结构，可以广泛用于设计荧光探针。二茂铁具有独特的夹心结构和优异的电化学性质，是构建电化学探针的首选结构单元。目前，以罗丹明和二茂铁为光、电活性中心，用于检测汞离子的光电多通道受体分子，主要是基于席夫碱结构将二茂铁和罗丹明连接而成，不仅结构单一，而且受体分子的稳定性差，限制了其应用。为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种吡啶桥联的多重应答受体分子及其合成方法和应用，本发明提供的吡啶桥联的多重应答受体分子稳定性好，具有高选择性检测水中Hg²⁺离子的功能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

本发明的第一方面，提供了一种吡啶桥联的多重应答受体分子，罗丹明B螺内酰胺与二茂铁通过吡啶桥联结构连接，吡啶桥联结构的一端与罗丹明B螺内酰胺中酰胺基团的氮连接，吡啶桥联结构的另一端与二茂铁的碳连接，所述吡啶桥联基团的结构式如下：

本发明提供的受体分子突出特点是吡啶桥与电化学响应中心二茂铁和荧光响应中心罗丹明B通过酰胺基团键合在一起，实现了对水体中Hg²⁺离子的选择性识别及其光电响应信号的有效输出。受体分子化学稳定性好，合成简单，对Hg²⁺离子响应快(<5min)，最低检出限为4.14×10^-7M。与现有技术相比，本发明的受体分子通过改变桥联基团，实现了对水体中微量Hg²⁺离子的选择性高效检测，具有检测手段多样，选择性好等特点，具有广阔的应用前景。

本发明的第二方面，提供了一种上述吡啶桥联的多重应答受体分子的制备方法，该方法包括罗丹明B螺内酰胺吡啶衍生物与二茂铁甲酰氯进行取代反应形成所述受体分子。

本发明的第三方面，提供了一种上述吡啶桥联的多重应答受体分子在检测水相中Hg²⁺离子的应用，检测机理是受体分子特异性与Hg²⁺离子配位，打开罗丹明B螺内酰胺环引起荧光和电化学性质的响应，其配位模式如下式所示：

本发明的有益效果为：

本发明设计出了结构和功能独特的吡啶桥，通过组合连接技术将电化学探针和荧光探针连接成新型的光电多通道应答受体分子，可方便地通过简单的酰化反应进行合成。受体分子集成了电化学探针和荧光探针的优点，尤其是吡啶桥的引入，既保证了分子识别光电信号的有效输出，又增加了结合位点，提高了对Hg²⁺离子的检测效果。受体分子可高选择性检测水相中的Hg²⁺离子，其检出下限可达4.14×10^-7M，对Hg²⁺离子响应快(<5min)。本发明的受体分子化学稳定性好，对检测环境中的微量Hg²⁺离子具有重要意义。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例2基于实施例1制备的受体分子及其与不同待测离子作用的紫外可见光谱；

图2为本发明实施例3基于实施例1制备的受体分子及其与不同浓度Hg²⁺离子作用的紫外可见光谱，其中，插图表示567nm处与不同浓度Hg²⁺离子作用的紫外可见吸收强度；

图3为本发明实施例4基于实施例1制备的受体分子及其与不同待测离子作用的荧光光谱；

图4为本发明实施例5基于实施例1制备的受体分子及其与不同浓度Hg²⁺离子作用的荧光光谱，其中，插图表示590nm处与不同浓度Hg²⁺离子作用的荧光发射光谱强度；

图5为本发明实施例6基于实施例1制备的受体分子及其与不同浓度Hg²⁺离子作用的循环伏安谱；

图6为本发明实施例6基于实施例1制备的受体分子及其与不同待测金属离子作用的溶液颜色照片，图中编号1-17依次代表Na⁺,K⁺,Cs⁺,Mg²⁺,Ca²⁺,Pb²⁺,Zn²⁺,Cd²⁺,Cu²⁺,Ag⁺,Co² ⁺,Ni²⁺,Hg²⁺,Nd³⁺,La³⁺,Ce³⁺,Eu³⁺。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明所述的受体分子是基于分子识别原理与底物进行特异性结合的一类配体，这种特异性结合可以通过内在的化学信号响应进行输出。

鉴于目前亟需研究各种新型桥联结构将二茂铁和罗丹明组合成新型的光电活性受体分子，提升受体分子的化学稳定性和对汞离子的多通道检测效率，本发明提出了一种吡啶桥联的多重应答受体分子及其合成方法和应用。

本发明的一种典型实施方式，提供了一种吡啶桥联的多重应答受体分子，罗丹明B螺内酰胺与二茂铁通过吡啶桥联结构连接，吡啶桥联结构的一端与罗丹明B螺内酰胺中酰胺基团的氮连接，吡啶桥联结构的另一端与二茂铁的碳连接，所述吡啶桥联基团的结构式如下：

本发明提供的受体分子突出特点是吡啶桥与电化学响应中心二茂铁和荧光响应中心罗丹明B通过酰胺基团连接在一起，实现了对水体中Hg²⁺离子的选择性识别及其光电响应信号的有效输出。受体分子化学稳定性好，合成简单，对Hg²⁺离子响应快(<5min)，最低检出限为4.14×10^-7M。与现有技术相比，本发明的受体分子通过改变桥联基团，提升了受体分子的化学稳定性，实现了对水体中微量Hg²⁺离子的选择性高效检测，具有检测手段多样，选择性好等特点，具有广阔的应用前景。

本发明采用电化学探针和荧光探针组合连接技术，将具有优良电化学功能的二茂铁和具有优异荧光性能的罗丹明B通过吡啶桥连接成新型光电活性受体分子，目的是提高受体分子的化学稳定性和多通道检测效率。

该实施方式的一种或多种实施例中，所述吡啶桥联结构的羰基碳与二茂铁的碳连接。

该系列实施例中，受体分子的结构式为：

本发明的另一种实施方式，提供了一种上述吡啶桥联的多重应答受体分子的制备方法，包括罗丹明B螺内酰胺吡啶衍生物与二茂铁甲酰氯进行取代反应。

其中，罗丹明B螺内酰胺吡啶衍生物以及二茂铁甲酰氯为本领域技术人员可通过常规的方法进行制备得到的现有物质，在此并不需要特别的限定。

罗丹明B螺内酰胺吡啶衍生物的结构式为：

二茂铁甲酰氯的结构式为：

例如，罗丹明B螺内酰胺吡啶衍生物(Li,H.M.；Wang,C.L.；She,M.Y.；Zhu,Y.L.；Zhang,J.D.；Yang,Z.；Liu,P.；Wang,Y.Y.；Li,J.L.Anal.Chim.Acta.2015,900,97-102.)和二茂铁甲酰氯(Lau,H.H.；Hart,H.J.Org.Chem.1959,24,280-283.)均按照文献提供的方法制备得到。

该实施方式的一种或多种实施例中，将罗丹明B螺内酰胺吡啶衍生物和碱溶于有机溶剂中，然后滴加二茂铁甲酰氯溶于有机溶剂的溶液，在搅拌下反应，薄层层析跟踪反应，反应结束后分离得目标受体分子。

该系列实施例中，所述有机溶剂为二氯甲烷。当采用干燥的二氯甲烷时，反应效果更好。

该系列实施例中，所述碱为三乙胺。

该实施方式的一种或多种实施例中，取代反应的温度为0～30℃。当温度为25℃时，反应效果较好。

该实施方式的一种或多种实施例中，罗丹明B螺内酰胺吡啶衍生物与二茂铁甲酰氯的摩尔比为1:1.5～2.5。

本发明的第三种实施方式提供了一种上述吡啶桥联的多重应答受体分子在检测水相中Hg²⁺离子的应用。

该实施方式的一种或多种实施例中，检测方法为紫外可见光谱法、荧光光谱法、比色法和/或电化学法。

该实施方式的一种或多种实施例中，以紫外可见光谱法选择性检测水相中Hg²⁺的步骤为：

(1)所述受体分子与待测离子水溶液充分接触，以形成含有经受体分子和Hg²⁺离子配位得到的配合物的检测体系；

(2)测量所述检测体系的紫外可见吸收光谱，以确定待测离子水溶液中Hg²⁺离子的含量。

该实施方式的一种或多种实施例中，以荧光光谱法选择性检测水相中Hg²⁺的步骤为：

(2)测量所述检测体系的荧光发射光谱，以确定待测离子水溶液中Hg²⁺离子的含量。

该实施方式的一种或多种实施例中，以比色法选择性检测水相中Hg²⁺的步骤为：

(2)通过比较或测量所述检测体系颜色改变程度来确定待测水溶液中Hg²⁺离子的含量。

该实施方式的一种或多种实施例中，以电化学法选择性检测水相中Hg²⁺的步骤为：

(2)测量所述检测体系的电化学性质，以确定待测水溶液中Hg²⁺离子的含量。

该系列实施例中，电化学法测定采用标准单室三电极体系，以n-Bu₄NClO₄为支持电解质，在室温条件下利用循环伏安(CV)进行测定所述体系的电化学性质。本发明所述室温是指室内环境的温度，一般为15～30℃。

检测条件对检测结果存在一定的影响，从检测结果的灵敏性和准确性来讲，该系列实施例中，通过紫外可见光谱法、荧光光谱法、比色法检测时所用的溶剂为水和DMF的混合溶液；优选的体积比为8:1～10:1(v:v)，进一步优选为9:1(v:v)；受体分子与Hg²⁺离子配位前后的溶液颜色由浅黄色变为粉红色。电化学测定所用的溶剂为乙腈、THF和二氯甲烷中的一种或两种组合，优选的溶剂为乙腈和二氯甲烷的混合溶液，优选的体积比为9:1(v:v)。

经过大量实验分析验证，受体分子检测水相中Hg²⁺离子时，至少不受下列离子的干扰：Na⁺,K⁺,Cs⁺,Mg²⁺,Ca²⁺,Pb²⁺,Zn²⁺,Cd²⁺,Cu²⁺,Ag⁺,Co²⁺,Ni²⁺,Nd³⁺,La³⁺,Ce³⁺,Eu³⁺，表明选择性好。

受体分子的应用：本发明所合成的吡啶桥联的多重应答受体分子，其检测性能采用以下过程进行评价：

紫外可见光谱法评价：首先分别配制一定浓度的受体分子DMF溶液和一定浓度的待测离子的水溶液，然后取等摩尔量的受体分子溶液与待测离子溶液混合后用水稀释至5.0×10^-5M，分别测定其紫外可见吸收强度。结果表明，只有加入Hg²⁺离子，受体分子的紫外可见吸收才发生明显的变化，在567nm处呈现新的强吸收峰，说明受体分子可高选择性与Hg²⁺离子配位。

荧光光谱法评价：首先分别配制一定浓度的受体分子DMF溶液和一定浓度的待测离子的水溶液，然后取等摩尔量的受体分子溶液与待测离子溶液混合后用水稀释至2.5×10^-5M，在567～690nm范围内分别测定其荧光发射强度(激发波长为563nm)。结果表明，受体分子仅对Hg²⁺离子具有荧光响应，在590nm处出现强的荧光发射峰，而对其他离子均无响应。说明受体分子可作为特异性检测Hg²⁺离子的荧光探针。

在此基础上，通过荧光光谱滴定测得受体分子与Hg²⁺离子的配位常数为2.8×10⁵M^-1，最低检出下限为4.14×10^-7M。

电化学法评价：电化学测定采用标准单室三电极体系，以n-Bu₄NClO₄作为支持电解质、MeCN/DCM(9:1,v/v)为溶剂，在室温下利用循环伏安(CV)测定了受体分子及其在Hg²⁺离子存在下的电化学性质。结果表明，受体分子具有准可逆的电化学性质，其半波电位(E_1/2)为664mV，满足电化学传感器的要求；在受体分子溶液中加入Hg²⁺离子以后，其半波电位向负极移动了45mV，说明受体分子可以电化学识别Hg²⁺离子。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

受体分子的合成

在氮气氛下，将二茂铁甲酰氯(0.298g，1.2mmol)的二氯甲烷(10.0mL)溶液缓慢滴加到含有罗丹明B螺内酰胺吡啶衍生物(0.320g，0.6mmol)和三乙胺(1.0mL)的二氯甲烷(10.0mL)溶液中，滴加完毕，室温反应12h。反应结束后，将反应液倒入冰水中，分出有机相，依次用饱和碳酸氢钠和食盐水洗涤，无水硫酸镁干燥，过滤并减压蒸出溶剂，剩余物柱层析分离(乙酸乙酯/石油醚，1:2，v/v，R_f＝0.5)，得黄色固体0.260g，产率58％，m.p.224-226℃)。IR(cm^–1):v_max 1697(C＝O).¹H NMR(400MHz,CDCl₃)？8.27(d,J＝7.8Hz,1H),8.02(m,1H),7.92(s,1H),7.75(d,J＝7.7Hz,1H),7.58(d J＝8.1Hz,1H),7.53(m,2H),7.17(m,1H),6.48(d,J＝2.6,2H),6.43(s,1H),6.41(s,1H),6.16(dd,J＝8.9,2.6Hz,2H),4.95(s,2H),4.52(s,2H),4.31(s,5H),3.28(q,J＝7.0Hz,8H),1.10(t,J＝7.0Hz,12H).¹³CNMR(100MHz,CDCl₃)？168.5,167.9,153.8,153.3,148.6,139.5,133.8,130.7,128.3,124.4,123.1,110.3,109.0,107.0,96.8,71.2,70.0,68.1,66.1,53.3,44.2,12.7.HR-MS:m/z[M]⁺:calcd.for C₄₄H₄₃FeN₅O₃:746.2794；found:747.2786([M+H]⁺).

实施例2

紫外可见光谱检测实施例1中受体分子对各种待测离子识别作用

在10mL容量瓶中配制5.0×10^-4M的受体分子标准溶液，在10mL容量瓶中分别配制5.0×10^-3M的不同待测离子水溶液；在比色管中分别移取400μL 5.0×10^-4M的受体分子标准溶液与200μL上述待测离子水溶液，用H₂O/DMF(9:1,v:v)定容至4mL，分别测定其紫外可见吸收强度。

结果如图1所示，表明只有加入Hg²⁺离子，受体分子的紫外可见吸收才发生明显的变化，在567nm处呈现新的强吸收峰，说明受体分子可高选择性与Hg²⁺离子配位。

实施例3

紫外可见滴定评价实施例1中受体分子对Hg²⁺的识别作用

在10mL容量瓶中配制5.0？10^-4M的受体分子标准溶液，在10mL容量瓶中配制5.0×10^-3M的Hg(ClO₄)₂水溶液；在比色管中分别移取400μL 5.0×10^-4M的受体分子标准溶液与40，80，120，160，200，240，280，320，360，400，480，560，640，720，800μL上述Hg(ClO₄)₂水溶液，并用H₂O/DMF(9:1,v:v)定容至4mL后，测定紫外可见吸收强度，结果如图2所示。

实施例4

荧光光谱检测实施例1中受体分子对各种待测离子的识别作用

在10mL容量瓶中配制5.0×10^-4M的受体分子标准溶液，在10mL容量瓶中分别配制5.0×10^-3M的不同待测离子水溶液；在比色管中分别移取200μL 5.0×10^-4M的受体分子标准溶液与100μL上述待测离子水溶液，用H₂O/DMF(9:1,v:v)定容至4mL，在576～690nm范围内分别测定其荧光发射强度(激发波长为563nm)。

结果如图3所示，表明受体分子仅对Hg²⁺离子具有荧光响应，在590nm处出现强的荧光发射峰，而对其他离子均无响应。说明受体分子可作为特异性检测Hg²⁺离子的荧光探针。

实施例5

荧光光谱滴定评价实施例1中受体分子对Hg²⁺的识别作用

在10mL容量瓶中配制5.0×10^-4M的受体分子标准溶液，在10mL容量瓶中配制5.0×10^-3M的Hg(ClO₄)₂水溶液；在比色管中分别移取200μL 5.0×10^-4M的受体分子标准溶液与20，40，60，80，100，120，140，160，180，200，240，280，360μL上述Hg(ClO₄)₂水溶液，并用H₂O/DMF(9:1,v:v)定容至4mL，以563nm为激发波长，在576～690nm范围测量荧光发射光谱强度。

结果如图4所示，通过荧光光谱滴定技术测得受体分子与Hg²⁺离子的结合常数为2.8×10⁵M^-1，最低检出下限为4.14×10^-7M。

实施例6

电化学评价实施例1中受体分子对Hg²⁺的识别作用

在10mL容量瓶中配制5.0×10^-3M的受体分子标准溶液，在10mL容量瓶中配制5.0×10^-2M的Hg(ClO₄)₂水溶液；在10mL容量瓶中分别移取1.0mL 5.0×10^-3M的受体分子标准溶液与50，100μL上述Hg(ClO₄)₂水溶液，并用MeCN/DCM(9:1,v:v)定容后，以0.10M n-Bu₄NClO₄作为支持电解质，在100mV s^-1的扫描速度下测定循环伏安谱。

结果如图5所示，表明受体分子具有准可逆的电化学性质，其半波电位(E_1/2)为664mV，满足电化学传感器的要求；在受体分子溶液中加入Hg²⁺离子以后，其半波电位向负极移动了45mV，说明受体分子可以电化学识别Hg²⁺离子。

图6为受体分子及其与不同待测金属离子作用的溶液颜色照片，编号13是本发明受体分子与Hg²⁺相互作用呈现出粉红色(由于图片为黑白图片所以色彩未显示出来)，区别于其它金属离子。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种吡啶桥联的多重应答受体分子，其特征是，罗丹明B螺内酰胺与二茂铁通过吡啶桥联结构连接，吡啶桥联结构的一端与罗丹明B螺内酰胺中酰胺基团的氮连接，吡啶桥联结构的另一端与二茂铁的碳连接，所述吡啶桥联基团的结构式如下：

所述吡啶桥联的多重应答受体分子的结构式为：

2.如权利要求1所述的吡啶桥联的多重应答受体分子，其特征是，所述吡啶桥联结构的羰基碳与二茂铁的碳连接。

3.一种权利要求1或2所述的吡啶桥联的多重应答受体分子的制备方法，其特征是，罗丹明B螺内酰胺吡啶衍生物与二茂铁甲酰氯进行取代反应。

4.如权利要求3所述的吡啶桥联的多重应答受体分子的制备方法，其特征是，将罗丹明B螺内酰胺吡啶衍生物和碱溶于有机溶剂中，然后滴加二茂铁甲酰氯溶于有机溶剂的溶液，在搅拌下反应，薄层层析跟踪反应，反应结束后分离得目标受体分子。

5.如权利要求4所述的吡啶桥联的多重应答受体分子的制备方法，其特征是，所述有机溶剂为二氯甲烷；所述碱为三乙胺。

6.如权利要求3所述的吡啶桥联的多重应答受体分子的制备方法，其特征是，取代反应的温度为0～30℃。

7.如权利要求6所述的吡啶桥联的多重应答受体分子的制备方法，其特征是，取代反应的温度为25℃。

8.如权利要求3所述的吡啶桥联的多重应答受体分子的制备方法，其特征是，罗丹明B螺内酰胺吡啶衍生物与二茂铁甲酰氯的摩尔比为1:1.5～2.5。

9.一种权利要求1或2所述的吡啶桥联的多重应答受体分子在检测水相中Hg²⁺的应用。

10.如权利要求9所述的吡啶桥联的多重应答受体分子在检测水相中Hg²⁺的应用，其特征是，检测方法为紫外可见光谱法、荧光光谱法、比色法和/或电化学法。

11.如权利要求9所述的吡啶桥联的多重应答受体分子在检测水相中Hg²⁺的应用，其特征是，电化学法测定采用标准单室三电极体系，以n-Bu₄NClO₄为支持电解质，在室温条件下利用循环伏安进行测定所述体系的电化学性质。

12.如权利要求9所述的吡啶桥联的多重应答受体分子在检测水相中Hg²⁺的应用，其特征是，通过紫外可见光谱法、荧光光谱法、比色法检测时所用的溶剂为水和DMF的混合溶液。

13.如权利要求12所述的吡啶桥联的多重应答受体分子在检测水相中Hg²⁺的应用，其特征是，水和DMF的体积比为8:1～10:1。

14.如权利要求13所述的吡啶桥联的多重应答受体分子在检测水相中Hg²⁺的应用，其特征是，水和DMF的体积比为9:1。

15.如权利要求9所述的吡啶桥联的多重应答受体分子在检测水相中Hg²⁺的应用，其特征是，电化学测定所用的溶剂为乙腈、THF和二氯甲烷中的一种或两种组合。

16.如权利要求9所述的吡啶桥联的多重应答受体分子在检测水相中Hg²⁺的应用，其特征是，电化学测定所用的溶剂为乙腈和二氯甲烷的混合溶液。

17.如权利要求16所述的吡啶桥联的多重应答受体分子在检测水相中Hg²⁺的应用，其特征是，乙腈和二氯甲烷的体积比为9:1。