CN114315691B - 一种用于识别铜离子的非对称方酸菁比色探针及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于识别铜离子的非对称方酸菁比色探针及其应用，非对称方酸菁比色探针的制备方法：将1,1,2‑三甲基‑1H‑苯并[e]吲哚和碘乙烷合成3‑乙基‑1,1,2‑三甲基‑1H‑苯并[e]吲哚、方酸与乙醇合成二乙氧基方酸、二乙氧基方酸与3‑乙基‑1,1,2‑三甲基‑1H‑苯并[e]吲哚合成3‑乙基‑1,1,2‑三甲基‑1H‑苯并[e]吲哚方酸半菁，再与3‑二乙氨基酚合成非对称双方酸菁，用于铜离子选择性识别检测。本发明的有益效果是：非对称方酸菁化学传感器具有良好的光学性能，高度灵敏性的特点。对铜离子的检测识别，溶液颜色发生明显变化，有利于进行比色检测。

Description

一种用于识别铜离子的非对称方酸菁比色探针及其应用

技术领域

本发明属于涉及化学分析测试技术领域，涉及一种用于识别铜离子的非对称方酸菁比色探针的制备方法及其应用。

背景技术

方酸菁是一种具有两性离子特征的共振稳定方酸衍生物，方酸菁分子的中心四元环是一个强吸电子结构，易受亲核试剂进攻，从而使方酸菁染料的颜色发生明显改变。菁染料是一个大π共扼体系，该结构特征决定了其主要吸收在可见光区，而染料的取代基会对吸收波长产生一定影响。菁染料具有甲川结构，因此其具有较大的摩尔消光系数。菁染料也存在一些不足从而影响了染料的广泛应用，受到最多关注的问题就是菁染料对光、热、氧化剂等的稳定性较差，其甲川链越长，染料越不稳定；菁染料结构中的杂环也对染料光稳定性有重要影响，一般是稳定性吲哚>喹啉>噻唑；在甲川链中引入刚性环状结构提高分子的刚性和增大空间位阻都可以提高菁染料的稳定性；另外菁染料端基杂环N原子上的取代基，以及某些添加剂配也可以提高菁染料光稳定性。

铜是构成人体必不可少的元素之一。当人体铜摄入量不足时可引起缺乏病，但摄入过量却又可能造成中毒，包括急性铜中毒、肝豆状核变性、儿童肝内胆汁淤积等病症。铜离子是一种重金属离子，当人体内残存了大量的重金属之后，极易对身体内的脏器造成负担，特别是肝和胆，当这两种器官出现问题后，维持人体内的新陈代谢就会出现紊乱，肝硬化，肝腹水甚至更为严重。近来，常用于检测Cu²⁺的方法主要有：溶出伏安法、电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)、原子吸收光谱法(AAS)及比色-荧光法。比色-荧光法因其成本低、快速简单、灵敏度高及专一性好而深受研发者的青睐。设计与合成对铜离子具有选择性识别功能的化学传感器近年来备受关注，已经成为化学科学、环境科学和生命科学等领域的研究热点。其中CN201210291433.8一种比色识别铜离子的方酸菁类化学传感器及其制备方法，其合成得一种对称方酸菁类荧光探针，但该荧光探针识别铜离子的检测限为6×10^{- 5}M，且未研究在其它金属离子中的选择性。

本发明设计合成了一种非对称方酸菁染料，可作为探针用于铜离子的检测，其制作成本低廉，检测方法简单，对铜离子具有肉眼可辩的颜色响应信号和较高的检测灵敏度，实现了对铜离子的快速选择性检测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：基于上述问题，本发明提供一种基于苯并吲哚与苯胺衍生物的非对称方酸菁比色探针，是一种成本低廉、检测方法简单、对铜离子检测灵敏度较高及检测选择性快速的方酸菁探针。

本发明所述的一种用于识别铜离子的非对称方酸菁比色探针的分子结构式为：

一种用于识别铜离子的非对称方酸菁比色探针的制备方法，包括以下步骤：

(1)二乙氧基方酸的合成

称取一定量方酸溶于乙醇，加热至至回流(回流温度为75-80℃)，用恒温加热磁力搅拌器搅拌，反应2-4h，停止反应后将其冷却至室温，旋蒸除去溶剂；继续往圆底烧瓶中加入40mL乙醇，加热至80℃，用恒温加热磁力搅拌器搅拌，反应1h，反应停止除去溶剂，重复上述步骤3次，用硅胶色谱柱分离提纯，得到无色液体，即二乙氧基方酸粗产品。

(2)3-乙基-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚的合成

称取一定量1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚放入圆底烧瓶，溶于甲苯，通入N₂保护，并滴加碘乙烷(二者摩尔比为1:2)，加热至110-120℃，用恒温加热磁力搅拌器搅拌，反应过夜，待反应中止，冷却至室温，加入乙二醚(3×100mL)，析出固体，过滤并用乙二醚洗涤多次，然后烘干得蓝紫色固体；此蓝紫色固体未经进一步提纯，直接进行下步反应。

(3)3-乙基-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚方酸半菁的合成

称取一定量步骤(2)获得的3-乙基-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚、三乙胺和乙醇(体积比1:200)，放入圆底烧瓶，加热至60-75℃，用恒温加热磁力搅拌器搅拌，反应30min，加入步骤(1)获得的二乙氧基方酸(与步骤(2)所得化合物的摩尔比为1.2:1)，用恒温加热磁力搅拌器搅拌在60℃下反应完全，反应停止后冷却至室温，旋蒸，并用硅胶色谱柱提纯，得到棕红色粉末。继续加入质量分数40％NaOH溶液，乙醇(体积比为1:10)，回流10min，将其冷却至室温，除去溶剂，用二氯甲烷及石油醚进行洗涤，过滤并将滤饼溶于去离子水，加入稀盐酸进行酸化，过滤，烘干，得到3-乙基-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚方酸半菁。

(4)非对称双方酸菁染料的合成

称取步骤(3)得到的3-乙基-1,1,2-三甲基-1-苯并[e]吲哚方酸半菁与3-二乙氨基酚(摩尔比1:1)加入圆底烧瓶，在正丁醇和甲苯(体积比1:1)混合溶剂中，用恒温加热磁力搅拌器搅拌，加热至130-145℃反应6-8h，反应过程中反应液由无色变为深蓝色，将产物旋蒸除去甲苯与正丁醇，用水(3×100mL)萃取，合并有机相用无水硫酸钠干燥，减压抽滤，60℃下真空干燥，用乙酸乙酯淋洗多次得带金属光泽的蓝色粉末。利用柱层析进行分离提纯，洗脱剂为石油醚和乙醇的混合溶剂，最后得到非对称双方酸菁染料。

进一步地，步骤(4)中洗脱剂石油醚和乙酸乙酯的体积比为1:8。

基于非对称双方酸菁化学传感器的应用，此化学传感器可用于检测识别溶液中的铜离子。

本发明的有益效果是：(1)制备的非对称双方酸菁化学传感器具有优良的光学性能，具有灵敏度高，选择性好等优点。

(2)本发明的非对称双方酸菁化学传感器在对铜离子检测识别过程中，除吸收光谱发生变化外，溶液颜色从蓝色变为无色，在肉眼识别上很明显溶液颜色也发生变化，有利于对铜离子进行比色检测。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

图1为实施例中制备的非对称双方酸菁染料溶液(1.0×10^-5mol/L)中滴加金属离子后相应的吸收光谱图；

图2为实施例中制备的非对称双方酸菁染料溶液(1.0×10^-5mol/L)中连续滴加Cu^{2 +}(0-0.109mM)的吸收光谱图；

图3为实施例中制备的非对称双方酸菁染料的结构表征图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例和应用例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下的实施例和应用例。

实施例

(1)二乙氧基方酸的合成

称取2.5g(约8.75mmol)方酸溶于40mL乙醇，加热至80℃，用恒温加热磁力搅拌器搅拌，反应2h，停止反应后将其冷却至室温，旋蒸除去大部分溶剂。继续往圆底烧瓶中加入40mL乙醇，加热至80℃，用恒温加热磁力搅拌器搅拌，反应1h，反应停止除去溶剂，重复上述步骤3次，用硅胶色谱柱分离提纯，得到无色液体，即二乙氧基方酸粗产品。

(2)3-乙基-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚的合成

称取1，1，2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚1g(约5mmol)放入圆底烧瓶，溶于50mL甲苯，通入N₂保护，并滴加碘乙烷1.5g(约10mmol)，加热至120℃，用恒温加热磁力搅拌器搅拌，反应12h。待反应中止，冷却至室温，加入乙二醚(3×100mL)，析出固体，过滤并用乙二醚洗涤多次，然后烘干得蓝紫色固体，未经进一步提纯，直接进行下步反应。

(3)3-乙基-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚方酸半菁的合成

称取步骤(2)获得的3-乙基-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚1.1g(约3mmol)、三乙胺和乙醇(体积比1:200)，放入圆底烧瓶，加热至60℃，用恒温加热磁力搅拌器搅拌，反应30min，加入步骤(1)获得的二乙氧基方酸(与步骤(2)所得化合物的摩尔比为1.2:1)，用恒温加热磁力搅拌器搅拌在60℃下反应完全，反应停止后冷却至室温，旋蒸，并用硅胶色谱柱提纯，得到棕红色粉末。继续加入质量分数40％NaOH溶液，乙醇(体积比为1:10)，回流10min，将其冷却至室温，除去溶剂，用二氯甲烷及石油醚进行洗涤，过滤并将滤饼溶于去离子水，加入稀盐酸进行酸化，过滤，烘干，得到3-乙基-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚方酸半菁。

(4)非对称双方酸菁染料的合成

称取步骤(3)得到的3-乙基-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚方酸半菁0.154g(约0.32mmol)与3-二乙氨基酚0.055g(约0.32mmol)加入圆底烧瓶，在正丁醇和甲苯(各10ml)混合溶剂中，用恒温加热磁力搅拌器搅拌，加热至140℃反应6h，反应过程中反应液由无色变为深蓝色，将产物旋蒸除去甲苯与正丁醇，用水(3×100mL)萃取，合并有机相用无水硫酸钠干燥，减压抽滤，60℃下真空干燥，用乙酸乙酯淋洗多次得带金属光泽的蓝色粉末。利用柱层析进行分离提纯，洗脱剂为石油醚和乙醇的混合溶剂，最后得到非对称双方酸菁染料。结构表征：¹H NMR(300MHz,CDCl₃)δ12.44(s,1H),8.20(d,J＝8.3Hz,1H),8.09(d,J＝9.0Hz,1H),7.91(dd,J＝10.7,8.4Hz,2H),7.61(t,J＝7.3Hz,1H),7.48(t,J＝7.5Hz,1H),7.36(d,J＝8.8Hz,1H),6.31(dd,J＝9.1,2.2Hz,1H),6.16(d,J＝2.4Hz,1H),6.02(s,1H),4.26(q,J＝7.2Hz,2H),3.45(q,J＝7.0Hz,4H),2.05(s,6H),1.47(dd,J＝12.6,5.4Hz,3H),1.25(d,J＝6.9Hz,6H).

应用例

为了检测实施例制备的非对称双方酸菁化学传感器铜离子和铁离子的识别性能，以乙醇和乙腈混合(4:1)作溶剂，将合成的非对称双方酸菁配制成浓度为1×10^-5mol/L的溶液，分别量取配制好的3mL溶液于17个试管中，标号1-17，在2-17号试管中分别滴入0.05mL金属离子溶液(Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Ba²⁺、Ag⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺、Cr³⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Hg²⁺、Al³⁺)，1号试管为空白实验。静置一会后，利用紫外-可见分光光度计依次测定其吸收光谱的变化，其吸收光谱变化如图1所示。由图可以看出，除Cu²⁺外，其余的金属离子并未致使非对称双方酸菁溶液的颜色及吸收光谱产生太大变化。

为深入研究非对称双方酸菁与Cu²⁺的络合作用，分别对非对称双方酸菁进行了Cu^{2 +}光谱滴定实验，如图2所示，随着Cu²⁺的不断滴入，溶液吸光度不断降低，当Cu²⁺浓度达到0.109mM后，溶液吸光度不再发生变化，在该范围内该探针的吸光度与铜离子呈线性关系。

通过本实验可标定出非对称双方酸菁作为化学传感器在检测Cu²⁺时的浓度阈值。检测限实验得出非对称探针对铜离子检测限是1.0792X10^-6M。

以本发明的实施例为启示，根据上述的说明内容，相关工作人员可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更和修改。本项发明的技术性范围并不局限于以上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种用于识别铜离子的非对称方酸菁比色探针，其特征在于：所述非对称方酸菁比色探针结构式如下：

。

2. 根据权利要求1所述用于识别铜离子的非对称方酸菁比色探针，其特征在于：非对称方酸菁比色探针的制备方法为：

（1）二乙氧基方酸的合成

称取方酸溶于乙醇，加热至至回流，搅拌反应，停止反应后将其冷却至室温，旋蒸除去溶剂；点板监控，得二乙氧基方酸粗产品；

（2）3-乙基-1,1,2-三甲基-1 H-苯并[e]吲哚的合成

称取1,1,2-三甲基-1 H-苯并[e]吲哚溶于溶剂，通入N₂保护，并滴加碘乙烷，加热至110-120℃，搅拌反应过夜，待反应中止，冷却至室温，加入乙二醚析出固体，过滤并用乙二醚洗涤多次，然后烘干得蓝紫色固体；此蓝紫色固体未经进一步提纯，直接进行下步反应；

（3）3-乙基-1,1,2-三甲基-1 H-苯并[e]吲哚方酸半菁的合成

称取步骤（2）获得的3-乙基-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚、三乙胺和乙醇，混合加热至60-75℃，搅拌反应，加入步骤（1）获得的二乙氧基方酸，在60-75℃下搅拌反应完全，反应停止后冷却至室温，旋蒸，并用硅胶色谱柱提纯，得到棕红色粉末，继续加入NaOH溶液，乙醇，回流，冷却至室温，除去溶剂，用二氯甲烷及石油醚进行洗涤，过滤并将滤饼溶于去离子水，加入稀盐酸进行酸化，过滤，烘干，得到3-乙基-1,1,2-三甲基-1 H-苯并[e]吲哚方酸半菁；

（4）非对称方酸菁比色探针的合成

称取步骤（3）得到的3-乙基-1,1,2-三甲基-1 -苯并[e]吲哚方酸半菁与3-二乙氨基酚加入圆底烧瓶，在正丁醇和甲苯混合溶剂中，用恒温加热磁力搅拌器搅拌，加热至130-145℃反应6-8 h，反应过程中反应液由无色变为深蓝色，将产物旋蒸除去甲苯与正丁醇，用水萃取，合并有机相用无水硫酸钠干燥，减压抽滤，60 ℃下真空干燥，用乙酸乙酯淋洗多次得带金属光泽的蓝色粉末，利用柱层析进行分离提纯，洗脱剂为石油醚和乙醇的混合溶剂，最后得到非对称方酸菁比色探针。

3. 根据权利要求2所述用于识别铜离子的非对称方酸菁比色探针，其特征在于：所述1,1,2-三甲基-1 H-苯并[e]吲哚和碘乙烷的摩尔比为1:2，步骤（1）二乙氧基方酸与步骤（2）所得化合物的摩尔比为1.2:1。

4.一种权利要求1所述非对称方酸菁比色探针，其特征在于：用于选择性检测识别溶液中铜离子。