CN111662279B - 一种萘取代咔唑-苯并噻唑基腙类化合物及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种萘取代咔唑‑苯并噻唑基腙类化合物及其制备方法和用途，其中萘取代咔唑‑苯并噻唑基腙类化合物的结构式为：

本发明萘取代咔唑‑苯并噻唑基腙类荧光探针化合物具有多功能性，可以通过紫外‑可见分光光度法和荧光光谱法实现对Co²⁺、Cu²⁺离子的识别及定量检测，在其它离子存在的情况下有很好的抗干扰性、高选择性和灵敏性。

Description

一种萘取代咔唑-苯并噻唑基腙类化合物及其制备方法和 用途

技术领域

本发明涉及一种萘取代咔唑-苯并噻唑基腙类化合物及其制备方法和用途，属于金属Co²⁺和Cu²⁺离子检测和荧光分子探针领域。

背景技术

金属离子广泛存在于我们的生活环境中，在生命体系中起着及其重要作用，与人类的身体健康息息相关。有些金属离子能够通过各种渠道进入生命体中，并且在生命体里累积起来，阻碍生命体机能的正常运转，因此检测各种金属离子在环境与人体中的含量至关重要。

钴离子在人体内参与了维生素B12的合成过程，它剂量的异常是可以引起血液和神经系统的相关疾病。过量摄入钴元素会导致中毒现象，如：潮红、血管扩张和心肌病等。迄今为止，比色识别钴离子化学探针还是比较罕见的。因此，开发更有效的比色化学探针检测生物系统或环境样品中的钴元素的含量很有必要。

铜离子在细胞中的含量仅次于铝和铁，是生命体中必不可少的微量金属元素，铜具有可变价态，在生命体中参与电子传递、氧化还原等一系列过程；在环境中过多的铜，会导致严重的环境污染，在人体中存在过量的铜，会导致严重的帕金森综合征与朊病毒疾病等；而若在人体中存在过少量的铜，则会导致人体正常的生理代谢过程发生阻碍。因此，合理的检测铜离子的含量，建立一种简便、灵敏的方法检测铜离子是很有必要的。

目前，检测金属离子的方法有原子吸收光谱、电感耦合等离子体-原子发射法、电感耦合等离子体-质谱法、电化学方法等。这些检测方法的检测灵敏度虽然很高，但是检测过程中需要很精密而且价格昂贵的实验仪器及繁琐的预处理等。

荧光探针技术因具有选择性好、灵敏度高、简单快速且不需要借助昂贵仪器的优点而被广泛地应用于各种金属离子的检测。利用紫外/荧光性能与离子浓度的关系可以对离子进行定量或定性的分析，方便、快捷，具有较高的选择性和灵敏度，非常适合于重金属离子的实时或原位检测。基于以上原因，近年来各种结构新颖、高选择性的铜离子荧光探针不断涌现。

发明内容

本发明旨在提供一种萘取代咔唑-苯并噻唑基腙类化合物及其制备方法和用途。由于荧光探针的识别性能与探针分子的空间结构及识别位点等因素有关，所以本发明以萘取代咔唑基团为荧光发色团母体，设计并合成了具有-CH＝N-NH-结构的腙类化合物，同时分子中含有S和N配位原子，可以与金属Cu²⁺或Co²⁺等离子形成配位分子，产生特定的紫外及荧光现象。

本发明萘取代咔唑-苯并噻唑基腙类化合物，结构式如下：

本发明萘取代咔唑-苯并噻唑基腙类化合物的制备方法，是由2-肼基苯并噻唑与3-醛基-6-萘-N-丁基咔唑通过缩合反应得到。具体包括如下步骤：

分别称取0.68g(1.8mmoL)3-醛基-6-萘-N-丁基咔唑与0.35g(1.8mmoL)2-肼基苯并噻唑溶于30mL无水乙醇中，搅拌使其充分溶解；将所得溶液混合后加入圆底烧瓶中，并加入0.5mL冰醋酸作催化剂，回流反应5h，反应液冷却后抽滤、洗涤、干燥，无水乙醇重结晶，干燥后得到黄色固体0.73g，即为目标产物，产率72％。

本发明合成路线如下：

本发明萘取代咔唑-苯并噻唑基腙类化合物的用途，是在定性或定量检测Co²⁺或Cu²⁺时作为检测试剂应用。

本发明萘取代咔唑-苯并噻唑基腙类化合物的应用，是在含水介质中进行紫外-可见吸收光谱测定，通过溶液颜色的变化实现对Co²⁺的定性或定量检测。

所述含水介质为DMSO和水按体积比1：1构成的混合溶液。

本发明萘取代咔唑-苯并噻唑基腙类化合物的应用，是在乙腈介质中进行荧光光谱测定，通过荧光强度的变化实现对Cu²⁺的定性或定量检测，该对细胞膜有很好的穿透能力，在细胞成像中作为荧光探针应用。

本发明目标产物中具有-CH＝N-NH-结构，含有取代咔唑基团和苯并噻唑基团，其分子结构特征是该腙类化合物结构中含有S和N配位原子，可以在含水介质中与金属Co²⁺/Cu²⁺离子结合形成配位分子，产生特定的现象。

本发明荧光探针化合物可用于Co²⁺和Cu²⁺离子的识别和检测，对多种金属离子有较强的抗干扰能力，并且本发明荧光探针化合物可与Co²⁺混合产生明显的颜色变化现象可以实现裸眼识别和比色分析。本发明化合物可以用于对真实水中的Cu²⁺离子进行检测，此外本发明化合物CNS还可以用于对生物细胞中的Cu²⁺离子进行检测。

本发明的有益效果体现在：

本发明荧光探针化合物具有多功能性，可以通过紫外-可见分光光度法和荧光光谱法分别实现对Co²⁺和Cu²⁺离子的识别。本发明荧光探针化合物可用于在含水的介质中对Co²⁺离子的快速裸眼识别、定量检测和在乙腈中对Cu²⁺的定性定量检测，而且对Co²⁺和Cu²⁺离子识别具有较高的选择性和较好的抗干扰能力，并且明显的颜色变化现象可以实现裸眼识别和比色分析。真实水样测试，说明该探针在实际水中应用具有良好前景；在生物应用方面对探针的实用性探究表明，该探针溶液可对细胞中外源性的铜离子的进行检测。上述实验结果说明我们的探针在环境监测及生物体中有良好的应用潜质。

附图说明

图1为化合物CNS在DMSO和水体积比为1：1的混合溶液中加入不同金属离子的紫外吸收光谱。其中，插图左为CNS溶液的颜色，插图右为CNS+Co²⁺的颜色变化。

图2为加入Cu²⁺离子的化合物CNS在DMSO和水体积比为1：1的混合溶液紫外-可见吸收光谱滴定光谱图。

图3为化合物CNS在DMSO和水体积比为1：1的混合溶液中的金属离子选择性和抗干扰柱状图；

代表CNS在DMSO和水体积比为1：1的混合溶液中的紫外吸收强度；

代表CNS在DMSO和水体积比为1：1的混合溶液中加入不同金属离子的紫外吸收强度；

代表CNS在DMSO和水体积比为1：1的混合溶液中加入不同金属离子和Cu²⁺离子的紫外吸收强度(λ_max＝350nm)。

图4为荧光探针化合物CNS在乙腈溶液中加入不同金属离子的荧光光谱(λ_ex＝350nm)。其中，插图为加入Cu²⁺后在紫外灯照射下CNS的颜色变化图像(左为CNS+Cu²⁺在紫外灯下的颜色，右为CNS在紫外灯下颜色)。

图5为荧光探针化合物CNS在乙腈溶液中Cu²⁺的荧光滴定光谱(λ_ex＝350nm)，其中插图为在417nm处的荧光强度。

图6为荧光探针化合物CNS在乙腈溶液中金属离子选择性和抗干扰柱状图。其中，

代表CNS在乙腈溶液中的荧光强度；

代表CNS溶液中加入不同金属离子的荧光强度；

代表在CNS乙腈溶液中加入不同金属离子和Cu²⁺离子的荧光强度(λ_em＝417nm)。

图7为图Hela细胞共聚焦显影：第一行是CNS(20μM)染色40min；第二行是CNS+Cu²⁺染色40min；从左到右依次是：明场图，暗场图，叠加图。

图8为荧光探针CNS与Cu²⁺的Job曲线测定图。

图9为荧光探针CNS与Cu²⁺的络合物质谱图。

具体实施方式

本发明可以通过以下的实施例进一步说明，但不仅仅局限于实施例。

实施例1：化合物CNS的合成

分别称取0.68g(1.8mmoL)3-醛基-6-萘-N-丁基咔唑与0.35g(1.8mmoL)2-肼基苯并噻唑溶于30mL无水乙醇中，搅拌使其充分溶解；将所得溶液混合后加入圆底烧瓶中，并加入0.5mL冰醋酸作催化剂，回流反应5h，反应液冷却后抽滤、洗涤、干燥，无水乙醇重结晶，干燥后得到黄色固体0.73g，即为目标产物，产率72％。

FT-IR(KBr，cm^-1):3056(-N-H),2956,2871(-CH₃,-CH₂),1617(-C＝N-)，1575(-Ar)，1352(-C-H),1113(-C-N),696(-N-H).

¹H NMR(400MHz,DMSO-d₆):δ(ppm)8.73(s,1H),8.57(s,1H),8.51(s,1H),8.33(t,1H),8.06(s,1H),7.98(t,1H),7.89(m,1H),7.72(m,4H),7.54(m,1H),7.43(s,1H),7.34(t,2H,),7.09(t,4H),4.45(t,2H),1.82(m,2H),1.34(m,2H),0.91(t,3H).

MS-ESI：m/z[M+H]⁺,525.21for C₃₄H₂₈N₄S_.

实施例2：化合物CNS的紫外-可见吸收光谱测定

准确称量CNS置入5mL的容量瓶中，用DMF(色谱级)定容，配成浓度为1.0×10^-3mol/L的母液备用。移取适量母液1mL至100mL容量瓶用所选定的待测溶剂稀释至1.0×10^-5mol/L制成的测试液。用二次蒸馏水和相应金属离子的硝酸盐配置各金属离子(K⁺，Na⁺，Ag⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Zn²⁺，Pb²⁺，Hg²⁺，Cd²⁺和Al³⁺)储备液待用，金属离子的储备液的浓度为1.0×10^-2mol/L。将3mL探针测试液(1.0×10^-5mol/L)加入到石英比色皿中(比色皿厚1cm)，然后分别加入3μL各种金属离子(1.0×10^-2mol/L)储备液。当溶剂为DMSO:H₂O(v/v＝1:1)时，探针CNS与17种不同金属离子(Li⁺，K⁺，Na⁺，Ag⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Fe²⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Zn²⁺，Cr³⁺，Pb²⁺，Hg²⁺，Cd²⁺和Al³⁺)作用后的吸收光谱图。由图1可见，除了Cu²⁺和Co²⁺外，其他15种金属离子加入之后，CNS的紫外光谱没有明显的改变。而Cu²⁺的的加入使得350nm处的吸收峰消失，在436nm处又出现了一个新的吸峰。Co²⁺的加入使350nm处吸收峰消失的同时315nm处的吸收峰位置发生了9nm的蓝移(移至306nm)，此外，肉眼下可见，加入Co²⁺后溶液颜色立刻发生由无色变成淡黄色的变化(图1插图)，而其它离子的加入没有类似现象。CNS在DMSO:H₂O(v/v＝1:1)溶剂中这无疑是一个对Co²⁺可裸眼识别的比色探针。

实施例3：化合物CNS的紫外-可见吸收光谱滴定实验及检测限的测定

取3mL浓度为1.0×10^-5mol/L的待测溶液于石英比色皿中，分别加入3、6、9、12、15、18、21、24、27、30μL等浓度为1.0×10^-3mol/L的Co²⁺离子水溶液，摇匀后测定溶液的紫外-可见吸收光谱(如附图图2所示)。随着Co²⁺浓度的增加350nm处吸收峰渐渐消失吸光度渐渐降低，314nm吸收峰强度降低的同时峰的位置也逐渐发生蓝移。

Co²⁺离子在1.0×10^-6～1.0×10^-5mol/L范围内，Co²⁺离子浓度与350nm处吸光度变化量呈较好的线性关系(R²＝0.977)，通过计算得出化合物CNS对Co²⁺离子的检测限为1.138×10^-6mol/L。

实施例4：比色探针化合物CNS对Co²⁺离子识别的选择性和抗干扰性

取3mL浓度为1.0×10^-6mol/L的待测溶液于石英比色皿中，加入3μL浓度为1.0×10^-2mol/L的Cu²⁺离子后，再分别加入3μL浓度为1.0×10^-2mol/L的各种金属离子(Na⁺，K⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，Pb²⁺，Li⁺，Al³⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Cr³⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Fe³⁺，Hg²⁺)溶液，摇匀，20分钟后测定其紫外吸收光谱(如附图图3所示)，结果显示加入其它金属离子如：Na⁺，K⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，Pb^{2 +}，Li⁺，Al³⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Cr³⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Fe³⁺，Hg²⁺等均对荧光探针化合物CNS的紫外吸收性能几乎没有影响，这就表明了荧光探针化合物CNS对Co²⁺离子识别具有较高的选择性和较好的抗干扰能力。

实施例5：荧光探针化合物CNS的荧光光谱测定

将CNS的溶剂更换为乙腈，进行荧光实验研究。取3mL浓度为1.0×10^-6mol/L的待测溶液于石英比色皿中，然后分别加入3μL浓度为1.0×10^-2mol/L的各种金属离子(Na⁺，K⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，Pb²⁺，Li⁺，Al³⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Cr³⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Fe³⁺，Hg²⁺)溶液，摇匀，1分钟后在λ＝350nm的激发波长下测定其荧光发射光谱(如附图图4所示)，其他金属离子的加入除了Cu²⁺和Al³⁺外没有能使CNS的荧光发生明显改变的，Cu²⁺的加入使得使发射强度增强了近10倍，且伴随着发射峰微弱的蓝移(422nm到417nm)。此外，在365nm荧光灯的照射下，可见加入Cu²⁺后荧光颜色发生明显变化，由亮蓝色变成淡蓝色如图4插图所示，而其它离子的加入没有类似现象。

实施例6：荧光探针化合物CNS的荧光光谱滴定实验

取3mL浓度为1.0×10^-5mol/L的待测溶液于石英比色皿中，分别加入3、6、9、12、15、18、21、24、27、30μL等浓度为1.0×10^-3mol/L的Cu²⁺离子水溶液摇匀，平衡后测定溶液的荧光光谱(如附图图5所示)，随着Cu²⁺的加入，如图5，在417nm处荧光强度逐渐增强，当c(Cu^{2 +})：c(CNS)＞1时，荧光强度不再出现大的波动(图5插图)，表明Cu²⁺与CNS可能形成了1：1的络合物。

实施例7：荧光探针化合物CNS对Cu²⁺离子识别的选择性和抗干扰性

取3mL浓度为1.0×10^-5mol/L的待测溶液于石英比色皿中，加入3μL浓度为1.0×10^-2mol/L的Cu²⁺离子后，再分别加入3μL浓度为1.0×10^-2mol/L的各种金属离子(Na⁺，K⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，Pb²⁺，Li⁺，Al³⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Cr³⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Fe³⁺，Hg²⁺)溶液，摇匀，20分钟后在λ＝350nm的激发波长下测定其荧光发射光谱(如图6所示)，结果显示加入其它金属离子如：Na⁺，K⁺，Ag⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，Pb²⁺，Li⁺，Al³⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Cr³⁺，Ni²⁺，Co²⁺，Fe³⁺，Hg²⁺等均对荧光探针化合物CNS的荧光强度几乎没有影响，这就表明了荧光探针化合物CNS对Cu²⁺离子识别具有较高的选择性和较好的抗干扰能力。

实施例8：在细胞中荧光探针化合物CNS对Cu²⁺离子荧光显影测试

探索探针CNS的生物成像的实用性，可以促进生物内的检测。生长良好的Hela细胞，用荧光探针CNS(20μM)处理细胞40min后，进行细胞成像测试，随后培养皿加入Cu²⁺(10μM)培养4min后，进行细胞成像测试。由附图7可知，不加探针CNS溶液前，细胞发出微弱荧光；加入探针CNS培养后，探针CNS有良好的渗透性，可以观察到细胞有较强的蓝色荧光。这些现象与光谱研究数据一致。明显的荧光变化显示探针CNS能够监测Cu²⁺在生物系统中的存在。

实施例9：荧光探针化合物CNS对Cu²⁺离子识别的机制研究

准确称量荧光探针化合物CNS溶解并配制成浓度为1.0×10^-3mol/L的乙腈溶液；保持Cu²⁺与CNS溶液的总物质的量不变，改变Cu²⁺的浓度，使得CNS待测试溶液的浓度与Cu²⁺浓度的物质的量比分别为10:0、9:1、8:2、7:3、6:4、5:5、4:6、3:7、2:8、1:9、0:10，即量取30μL、27μL、24μL、21μL、18μL、15μL、12μL、9μL、6μL、3μL、0μL CNS待测样品溶液，向其中对应滴加0μL、3μL、6μL、9μL、12μL、15μL、18μL、21μL、24μL、27μL、30μL 1.0×10^-3mol/L金属Cu²⁺溶液于PE管中，然后用乙腈将上述溶液补加到3mL。用荧光光谱的变化对Cu²⁺进行浓度滴定测试确定其Job曲线。以探针或者检测离子的摩尔比例为水平坐标，以变化的强度为竖直坐标作图，光谱变化最大的点所对应的水平坐标就是CNS探针分子与检测离子的配位比。由图8可知发现[Cu²⁺]/[CNS]+[Cu²⁺]＝0.5时，出现拐点，表明CNS与Cu²⁺离子是以1:1进行络合的，即CNS与Cu²⁺之间络合的化学计量比为1:1。图9的质谱测定结果m/z为586.50，结合Job曲线可知，荧光探针CNS与Cu²⁺是以1：1的结合方式形成络合物。

Claims (7)

1.一种萘取代咔唑-苯并噻唑基腙类化合物，其特征在于：所述萘取代咔唑-苯并噻唑基腙类化合物是具有-C＝N-NH-结构的腙类化合物，同时分子中含有S和N配位原子，能够与金属离子Co²⁺或Cu²⁺配位形成配合物，产生特定的紫外及荧光现象；

所述萘取代咔唑-苯并噻唑基腙类化合物的结构式如下所示：

2.一种权利要求1所述的萘取代咔唑-苯并噻唑基腙类化合物的制备方法，其特征在于：是由2-肼基苯并噻唑与3-醛基-6-萘-N-丁基咔唑经缩合反应制备得到目标产物。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

分别称取0.68g 3-醛基-6-萘-N-丁基咔唑与0.35g 2-肼基苯并噻唑溶于无水乙醇中，搅拌使其充分溶解；将所得溶液混合后加入圆底烧瓶中，并加入冰醋酸作催化剂，回流条件下反应5h，反应液冷却后抽滤、洗涤、干燥，无水乙醇重结晶，干燥后得到黄色固体，即为目标产物。

4.一种权利要求1所述的萘取代咔唑-苯并噻唑基腙类化合物用于制备检测试剂的用途，其特征在于：所述检测试剂能够定性或定量检测Co²⁺或Cu²⁺。

5.一种权利要求1所述的萘取代咔唑-苯并噻唑基腙类化合物用于制备检测试剂的应用，其特征在于：所述检测试剂在含水介质中进行紫外-可见吸收光谱测定，通过溶液颜色的变化实现对Co²⁺的定性或定量检测。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：

所述含水介质为DMSO和水按体积比1：1构成的混合溶液。

7.一种权利要求1所述的萘取代咔唑-苯并噻唑基腙类化合物用于制备检测试剂的应用，其特征在于：所述检测试剂在乙腈介质中进行荧光光谱测定，通过荧光强度的变化实现对Cu²⁺的定性或定量检测。

Images