CN113880851B - 一种三芴桥联的六咪唑大环化合物及其制备方法和应用 - Google Patents

一种三芴桥联的六咪唑大环化合物及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种三芴桥联的六咪唑大环化合物及其制备方法和应用，涉及有机化合物合成技术领域，三芴桥联的六咪唑大环化合物是在有机溶剂中以3,6‑双(1‑咪唑基)‑N‑乙基咔唑、1,2‑二溴乙烷和六氟磷酸铵作为原料经过一系列反应合成的大环化合物，本发明制备得到的三芴桥联的六咪唑大环化合物的荧光感光效果明显，能够用来制作荧光分子识别体系，特别是对H2PO4 ‑的荧光感光效果较强，可用作H2PO4 ‑离子的比率型荧光探针，本技术方案的三芴桥联的六咪唑大环化合物含有六个咪唑，用于捕获客体的键合点多，能够更牢固地抓住客体，使得对客体的选择性比较好。并且，这个大环化合物对H2PO4 ‑的检测具有较低的检出限。

Description

一种三芴桥联的六咪唑大环化合物及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及有机化合物合成技术领域，尤其涉及一种三芴桥联的六咪唑大环化合物及其制备方法和应用。
背景技术
咪唑是一种含有二个氮原子的杂环化合物，咪唑类化合物是重要的有机合成反应的中间体，它们具有良好的生物活性和抗蚀性，如抗癌、抗真菌、消炎、治疗低血糖和生理紊乱等，在药物化学中具有广泛的用途。咪唑衍生物也可用于模拟天然超氧化物歧化酶(SOD)的活性部位研究生物活性。咪唑衍生物可用作为环氧树脂新型固化剂、催化剂和某些金属的表面处理剂等。针对含咪唑的环状化合物，研究者开展了许多探索性的工作。通常，在进行预先的实验设计路线过程中，最常见的就是通过引入不同的桥链，来调整原先的固有特性，使其发挥自身更多优势，另外，含咪唑的环状化合物具有制备简单、荧光感光效果明显的优点，可以用来制作荧光分子识别体系，因此，含咪唑的环状化合物作为荧光分子识别中的主体有望在化学学科、生命学科和环境分析等领域得到应用。
发明内容
针对背景技术提出的问题，本发明的目的在于提出一种三芴桥联的六咪唑大环化合物，具有荧光感光效果明显的特点，特别是对H2PO4 -的荧光感光效果较强，能够用来制备H2PO4 -荧光探针，对H2PO4 -的检测具有较低的检出限。
本发明的另一目的在于提出一种三芴桥联的六咪唑大环化合物的制备方法，制备过程简洁，容易实现工业化生产。
本发明的又一目的在于提出三芴桥联的六咪唑大环化合物在荧光识别领域中的应用，能够用来制备H2PO4 -荧光探针。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种三芴桥联的六咪唑大环化合物，具有如下化学结构式：
Figure GDA0003705343200000021
一种三芴桥联的六咪唑大环化合物的制备方法，用于制备上述的三芴桥联的六咪唑大环化合物，包括以下步骤：
(1)在有机溶剂中加入3,6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑与1,2-二溴乙烷反应得到化合物1；
(2)将化合物1与3,6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑反应，得到的产物与六氟磷酸铵在甲醇溶液中进行阴离子交换，得到化合物2；
(3)将化合物2和1,2-二溴乙烷添加到有机溶剂中反应，得到的产物与六氟磷酸铵在甲醇溶液中进行阴离子交换，得到三芴桥联的六咪唑大环化合物；
其中，化合物1的化学结构式如下：
Figure GDA0003705343200000031
化合物2的化学结构式如下：
Figure GDA0003705343200000032
进一步的，在所述步骤(1)中，所述3,6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑与所述1,2-二溴乙烷的摩尔比为1：10～1：13。
进一步的，在所述步骤(2)中，所述化合物1与所述3，6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑的摩尔比为1：2。
进一步的，在所述步骤(3)中，所述化合物2与所述1,2-二溴乙烷的摩尔比为1：1～1：2。
进一步的，在所述步骤(1)和所述步骤(3)中，所述有机溶剂选自乙腈、N,N-二甲基甲酰胺和甲醇中的一种或两种。
进一步的，在所述步骤(3)具体为：将化合物2和1,2-二溴乙烷添加到有机溶剂中，在65℃～75℃的条件下搅拌反应6-8天，得到的产物与六氟磷酸铵在甲醇溶液中进行阴离子交换，得到三芴桥联的六咪唑大环化合物。
三芴桥联的六咪唑大环化合物在荧光识别领域中的应用，所述荧光识别指的是对H2PO4 -的识别。
上述技术方案具有以下有益效果：本技术方案以3,6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑、1,2-二溴乙烷和六氟磷酸铵为原材料，制备得到三芴桥联的六咪唑大环化合物，制备得到的三芴桥联的六咪唑大环化合物的荧光感光效果明显，能够用来制作荧光分子识别体系，特别是对H2PO4 -的荧光感光效果较强，可用作H2PO4 -离子荧光探针，而且，本技术方案的三芴桥联的六咪唑大环化合物对H2PO4 -的检测具有较低的检出限，检出限是5.5×10-8mol/L，而且三芴桥联的六咪唑大环化合物的整个制备过程简单，容易实现工业化生产。
附图说明
图1是本发明一个实施例的三芴桥联的六咪唑大环化合物的化学结构式；
图2是本发明一个实施例作为主体的三芴桥联的六咪唑大环化合物对客体的筛选图；
图3为本发明一个实施例的三芴桥联的六咪唑大环化合物在25℃下，在乙腈溶液中加入不同浓度的H2PO4 -的溶液的荧光光谱图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。
一种三芴桥联的六咪唑大环化合物，具有如下化学结构式：
Figure GDA0003705343200000051
具体来说，用三芴桥联的六咪唑大环化合物作为主体，用不同种类的四丁基铵盐作为客体(F-、Cl-、Br-、I-、H2PO4 -、HSO4 -、OAc-和NO3 -)，在25℃下，将主体和客体溶解在有机溶剂中，在一定浓度下，将主体溶液分别和不同的客体溶液混合，测定其荧光光谱，筛选出主体能够识别的客体。对于主体能够识别的客体，用不同的浓度的客体对主体(1.0×10-6molL-1)进行滴定，测定其荧光光谱。用微量注射器加入浓度逐渐增大的四丁基铵盐溶液(0-13.5×10-6mol L-1)，主体溶液的激发波长为327nm，发射光谱在380-422nm和423-520nm有发射峰，每次添加后，8-10分钟达到反应平衡测定相应的荧光强度，如图3所示，通过检测结果可知，本技术方案作为主体的三芴桥联的六咪唑大环化合物对H2PO4 -的荧光感光效果与对其它阴离子的荧光感光效果有明显的不同，在荧光光谱中，在387nm有明显的荧光发射降低(如图2所示)，由此可见，本技术方案合成的三芴桥联的六咪唑大环化合物可以用来制作荧光探针，特别是用来制备H2PO4 -荧光探针，在荧光检测领域具有潜在的应用前景。
进一步的说明，本技术方案合成的三芴桥联的六咪唑大环化合物为闭合的环型，结构比较容易固定，环的大小是固定的，尺寸合适的客体可以固定在环中，而且三芴桥联的六咪唑大环化合物含咪唑多，含有六个咪唑，用于捕获客体的键合点多，能够更牢固地抓住客体，使得对客体的选择性比较好，使得本技术方案合成的三芴桥联的六咪唑大环化合物单独使用便可对客体具有较强的识别能力，不需要与其他金属离子络合使用，并且，三芴桥联的六咪唑大环化合物对H2PO4 -的检测具有较低的检出限；同时，三芴桥联的六咪唑大环化合物的阴离子是PF6 -，使得在后续的荧光检测中不产生干扰，若三芴桥联的六咪唑大环化合物的阴离子是Br-，由于客体中也有Br-，会对客体的检测产生干扰。
值得说明的是，本技术方案的三芴桥联的六咪唑大环化合物的荧光感光效果明显，在测荧光时，三芴桥联的六咪唑大环化合物有较强的荧光强度。通过加不同浓度的H2PO4 -到三芴桥联的六咪唑大环化合物中，做出标准化曲线，得到三芴桥联的六咪唑大环化合物对H2PO4 -的检出限是5.5×10-8mol/L，与其它的荧光探针相比，三芴桥联的六咪唑大环化合物对H2PO4 -的检测具有较低的检出限。
具体地，所述三芴桥联的六咪唑大环化合物的分子式为C66H63N15P6F36。
一种三芴桥联的六咪唑大环化合物的制备方法，用于制备上述的三芴桥联的六咪唑大环化合物，包括以下步骤：
(1)在有机溶剂中加入3,6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑与1,2-二溴乙烷反应得到化合物1；
(2)将化合物1与3,6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑反应，得到的产物与六氟磷酸铵在甲醇溶液中进行阴离子交换，得到化合物2；
(3)将化合物2和1,2-二溴乙烷添加到有机溶剂中反应，得到的产物与六氟磷酸铵在甲醇溶液中进行阴离子交换，得到三芴桥联的六咪唑大环化合物；
其中，化合物1的化学结构式如下：
Figure GDA0003705343200000071
化合物2的化学结构式如下：
Figure GDA0003705343200000072
具体来说，步骤(1)具体的操作方法如下：将3,6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑和1,2-二溴乙烷加入到有机溶剂中，并在58～63℃下搅拌两天，形成白色沉淀物，过滤收集固体，并用乙醚洗涤三次，得到化合物1。
步骤(2)具体的操作方法如下：将3,6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑和化合物A添加到装有有机溶剂的三颈烧瓶中，得到混合物，将该混合物在75～85℃下搅拌三天，形成白色沉淀，通过过滤收集固体，并将固体溶解在甲醇中，然后加入六氟磷酸铵，反应形成白色固体，过滤收集固体，并用乙醚洗涤，得到白色粉末状态的化合物2。
由于化合物2是开链的结构，灵活性比较大，不容易固定，对客体的选择性不够好，因此，本技术的方案将开链的化合物2，进一步反应闭环，得到三芴桥联的六咪唑大环化合物。
步骤(3)具体的操作方法如下：将化合物2和1,2-二溴乙烷添加到有机溶剂中，并在65℃～75℃的条件下搅拌6-8天，形成白色沉淀，将过滤之后所得的固体溶解在甲醇中，在搅拌下加入六氟磷酸铵的甲醇溶液，反应形成白色固体，过滤收集固体，并用乙醚洗涤固体，得到白色粉末状态的三芴桥联的六咪唑大环化合物。
本技术方案以3,6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑、1,2-二溴乙烷和六氟磷酸铵为原材料，制备得到三芴桥联的六咪唑大环化合物，制备过程简单，容易实现工业化生产，制备得到的三芴桥联的六咪唑大环化合物的荧光感光效果明显，能够用来制作荧光分子识别体系，特别是对H2PO4 -的荧光感光效果较强，可用作H2PO4 -离子荧光探针。
值得说明的是，本技术方案所用原料及试剂均有市售；特别加以说明的是，制备本技术方案的起始物质3，6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑、1，2-二溴乙烷等均可以从市场上买到或容易地通过已知的方法制得。
优选的，制备本技术方案的三芴桥联的六咪唑大环化合物所用到的试剂全部来源于天津市科锐思化工有限公司，级别为分析纯，用于合成和测试的化学药品均为试剂级。
具体的，本技术方案中三芴桥联的六咪唑大环化合物的合成路线如下所示：
Figure GDA0003705343200000091
进一步的说明，在步骤(1)中，所述3,6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑与所述1,2-二溴乙烷的摩尔比为1：10～1：13。在步骤(1)的反应过程中，将1,2-二溴乙烷的含量设为过量，有利于反应的进行，能够使3,6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑完全反应，从而提高化合物1的产量。
优选的，在所述步骤(1)中，所述3,6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑与所述1,2-二溴乙烷的摩尔比为1：10。
进一步的说明，在所述步骤(2)中，所述化合物1与所述3，6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑的摩尔比为1：2。
进一步的说明，在所述步骤(3)中，所述化合物2与所述1,2-二溴乙烷的摩尔比为1：1～1：2。
在步骤(3)中，1,2-二溴乙烷的含量大于化合物2的含量，有利于提高三芴桥联的六咪唑大环化合物的产率，同时使化合物2反应完全，使生成的三芴桥联的六咪唑大环化合物更容易纯化。
优选的，在所述步骤(3)中，化合物2和1,2-二溴乙烷的摩尔比为1：1.7，此时，制备得到的三芴桥联的六咪唑大环化合物的产率较高，而且化合物2反应完全，同时可节省1,2-二溴乙烷的添加量，节约成本。
进一步的说明，在所述步骤(1)和所述步骤(3)中，所述有机溶剂选自乙腈、N,N-二甲基甲酰胺和甲醇中的一种或两种。
由于化合物1、化合物2和三芴桥联的六咪唑大环化合物在乙腈、N,N-二甲基甲酰胺和甲醇这些有机溶剂中的溶解度较好，因此本技术方案的制备过程选择其中的一种或两种作为有机溶剂，而且，使用混合溶剂可以增强反应物的溶解性，使反应能够顺利进行。
值得说明的是，由于三芴桥联的六咪唑大环化合物在乙腈中的溶解度较好，因此选择在乙腈中进行荧光实验。
进一步的说明，在所述步骤(3)具体为：将化合物2和1,2-二溴乙烷添加到有机溶剂中，在65℃～75℃的条件下搅拌反应6-8天，得到的产物与六氟磷酸铵在甲醇溶液中进行阴离子交换，得到三芴桥联的六咪唑大环化合物。
在此条件下，能够使化合物2和1,2-二溴乙烷充分反应，使得制备得到的三芴桥联的六咪唑大环化合物的产率较高，若温度较低或搅拌时间较短，则产率较低，若温度高于75℃或搅拌时间多于8天产率没有明显的提高，而且会增加生产成本。
三芴桥联的六咪唑大环化合物在荧光识别领域中的应用，荧光识别指的是对H2PO4 -的识别。
如图2所示从图中可以看出三芴桥联的六咪唑大环化合物对H2PO4 -具有选择性识别能力，而且从图3可以看出随着H2 PO4 -浓度的增加，荧光强度在380-422nm处逐渐降低，在423-520nm处逐渐增强，有两个发射峰，在422nm处存在一个等发射点，由此可见，本技术方案的三芴桥联的六咪唑大环化合物属于比率型荧光探针，这种荧光探针可以自我比较，而其它只有一个峰的探针只能与别的探针进行比较，这类比率型荧光探针通过峰强度比值的变化可以扩大动态响应的范围；通过建立内标能够削弱环境因素(如浓度、温度等)的干扰，可以实现对客体的定量分析，在选择性和灵敏度方面都有较大的提升。由此可见，三芴桥联的六咪唑大环化合物对H2PO4 -具有良好的荧光识别作用。
下面结合实施例进一步说明本技术方案。
实施例1
一种三芴桥联的六咪唑大环化合物，具有如下化学结构式：
Figure GDA0003705343200000111
三芴桥联的六咪唑大环化合物的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备化合物1：在35.0mL的乙腈中加入0.740g的3,6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑(2.3mmol)与2.6mL1,2-二溴乙烷(30.0mmol)，在60℃下搅拌两天，形成白色沉淀物，通过过滤收集固体，并用乙醚洗涤三次，得到反应得到化合物1。产量：0.860g；产率：70％；熔点：228-229℃；核磁共振结果：1H NMR(400MHZ,CD3CN):δ1.46(t,3H,J＝16Hz,CH3),3.90(t,4H,J＝6Hz,CH2),4.57(q,2H,J＝6.8Hz,CH3),4.69(t,4H,J＝9.6Hz,CH2),7.70(s,2H,imiH),7.77(dd,2H,ArH),7.66(m,4H,ArH),8.41(d,2H,J＝2.0Hz,ArH),8.94(s,2H,imiH)。
(2)制备化合物2：将1.070g的化合物1(1.5mmol)与1.000g的3,6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑(3.0mmol)添加到装有50mL DMF/CH3CN(v：v＝3：7)的三颈烧瓶中，得到混合物，将该混合物在80℃下搅拌三天，形成白色沉淀。过滤收集固体，并将其溶解在30mL的甲醇溶液中，然后加入NH4PF6，立即形成白色固体，过滤收集固体，并用乙醚洗涤，得到化合物2。产量：0.959g；产率：39％；熔点：﹥300℃。核磁共振结果：1H NMR(400MHz,DMSO-d6):δ1.33(t,9H,J＝16Hz,CH3),4.62(q,6H,J＝9.6Hz,CH2),4.91(s,8H,CH2),6.95(s,2H,ArH),7.89(dd,6H,J＝8Hz,ArH),7.91(s,2H,ArH),8.06(m,10H,ArH),8.39(m,10H,ArH),8.61(s,2H,ArH),9.69(s,4H,imiH)。
(3)合成三芴桥联的六咪唑大环化合物：将0.200g的化合物2(0.12mmol)和0.037g的1,2-二溴乙烷(0.20mmol)添加到25.0mL的乙腈中，并在70℃的条件下搅拌7天，形成白色沉淀，将过滤之后所得的固体溶解在15.0mL的甲醇中溶液，在搅拌下加入NH4PF6(0.139g,0.8mmol)的甲醇(15.0mL)溶液，立即形成白色固体，过滤收集固体，并用乙醚洗涤固体，得到白色粉末状态的三芴桥联的六咪唑大环化合物。产量：0.058g；产率：25％；熔点：﹥300℃；Anal.Calcd for C66H63N15P6F36:C,40.94；H,3.28；N,10.85％.Found:C,40.25；H,3.05；N,10.94％。核磁共振及质谱结果：1H NMR(400MHZ,DMSO-d6):δ1.31(t,9H,J＝1.32Hz,CH3),4.61(q,6H,J＝8Hz,CH2),4.96(s,12H,J＝4.4Hz,CH2),7.90(dd,6H,J＝2Hz,ArH),8.05(dd,6H,J＝2Hz,ArH),8.08(s,6H,imiH),8.39(s,6H,imiH),8.44(s,6H,ArH),9.70(s,6H,imiH).13C NMR(100MHz,DMSO-d6):δ139.8(imiC),135.2(imiC),128.2(imiC),123.9(ArC),122.9(ArC),122.5(ArC),121.3(ArC),113.2(ArC),111.2(ArC),45.2(CH2),40.9(CH2),12.5(CH3)。
合成路线如下所示：
Figure GDA0003705343200000131
实施例2
在25℃下，在三芴桥联的六咪唑大环化合物的乙腈溶液中(1.0×10-6mol/L)加入不同种类的相同浓度的(10×10-6mol/L)四丁基铵盐的溶液(四丁基铵盐包括：F-、Cl-、Br-、I-、H2PO4 -、HSO4 -、OAc-和NO3 -)，测定其荧光光谱，本实施例的荧光光谱如附图2所示，从图中可以看出三芴桥联的六咪唑大环化合物对H2PO4 -具有选择性识别能力。
实施例3
本实施例的荧光滴定通过Shimadzu RF-5301PC荧光分光光度计用1cm路径长的石英槽测定的。滴定的进行是将主体(1.0×10-6mol L-1的三芴桥联的六咪唑大环化合物)放入4mL的比色皿中，并用微量注射器加入浓度逐渐增大的H2PO4 -溶液(0-13.5×10-6mol L-1)，如附图3的曲线1→16，代表采用16种浓度不一致的H2PO4 -溶液所测得的检测结果的曲线，其中，从曲线1到曲线16，H2PO4 -溶液浓度逐渐增大，主体溶液的激发波长为327nm，发射光谱在380-422nm和423-520nm有发射峰。每次添加后，8-10分钟达到反应平衡测定荧光强度。数据分析使用Origin 8.0，见附图3。
具体的，从附图3可以看出随着H2PO4 -浓度的增加，荧光强度在380-422nm处逐渐降低，在423-520nm处逐渐增强，当H2PO4 -浓度增加到一定数值后，荧光不再有明显的变化。
具体来说，本实施例1-3所用的试剂全部来源于天津市科锐思化工有限公司，级别为分析纯，用于合成和测试的化学药品均为试剂级。本实施例使用Boetius Block装置报告熔点，使用Varian光谱仪报告1H NMR和13C NMR光谱，元素分析的测量在PerkinElmer 2400C元素分析仪上进行，荧光光谱在Shimadzu RF-5301PC荧光分光光度计中进行，紫外光谱在PerkinElmer Lamber 35UV分光光度计上记录，所有光谱研究均在室温下进行。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种三芴桥联的六咪唑大环化合物，其特征在于，具有如下化学结构式：
Figure FDA0003708387900000011
2.如权利要求1所述的一种三芴桥联的六咪唑大环化合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在乙腈中加入3,6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑与1,2-二溴乙烷反应得到化合物1，3,6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑与1,2-二溴乙烷的摩尔比为1：10～1：13；
(2)将化合物1与3,6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑反应，化合物1与3,6-双(1-咪唑基)-N-乙基咔唑的摩尔比为1：2，得到的产物与六氟磷酸铵在甲醇溶液中进行阴离子交换，得到化合物2；
(3)将化合物2和1,2-二溴乙烷添加到乙腈中反应，化合物2与1,2-二溴乙烷的摩尔比为1：1～1：2，得到的产物与六氟磷酸铵在甲醇溶液中进行阴离子交换，得到三芴桥联的六咪唑大环化合物；
其中，化合物1的化学结构式如下：
Figure FDA0003708387900000021
化合物2的化学结构式如下：
Figure FDA0003708387900000022
3.根据权利要求2所述的三芴桥联的六咪唑大环化合物的制备方法，其特征在于，在所述步骤(3)具体为：将化合物2和1,2-二溴乙烷添加到乙腈中，在65℃～75℃的条件下搅拌反应6-8天，得到的产物与六氟磷酸铵在甲醇溶液中进行阴离子交换，得到三芴桥联的六咪唑大环化合物。
4.如权利要求1所述的三芴桥联的六咪唑大环化合物在荧光识别领域中的应用，其特征在于，所述荧光识别指的是对H2PO4 -的识别。
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