CN114507239B - 用于检测铜离子的螺吡喃类n-苯丙胺化合物比色探针及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于化学分析领域，涉及一种用于检测铜离子的螺吡喃类N‑苯丙胺化合物比色探针及其制备方法，比色探针为：3‑(1,1‑二甲基‑6'‑硝基螺环[苯并[e]吲哚‑2,2'‑铬]‑3(1H)‑基)‑N‑苯丙胺，本发明的有益效果是：(1)合成过程简易，反应条件温和可控，制备的螺吡喃类化合物具有优异的光学性能。(2)本发明的螺吡喃类化合物对铜离子识别过程中，除吸收光谱发生变化外，颜色也发生变化，具有比色识别功能，有利于对铜离子进行检测。(3)本发明的螺吡喃类化合物比色探针对铜离子检测具有良好的选择性和抗干扰性。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种用于检测铜离子的螺吡喃类N-苯丙胺化合物比色探针及其制备方法，属于化学分析领域。
背景技术
众所周知，金属离子在许多领域中发挥着重要作用我们生活中的化学和生物过程，它们已经成为过去物质识别领域的研究目标十年。其中，铜离子通常以离子的形式存在于土壤中和天然水中。然而，微量的铜离子可通过生物链而产生富集，当人饮用或食用受铜离子污染的水和食物,导致体内铜离子含量过高时,将会导致氧化应激及严重的疾病，如：阿尔兹海默症、威尔森综合症等。到目前为止，已经开发了几种方法和许多化学传感器来灵敏和选择性地识别Cu2+。其中，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。
螺吡喃染料作为一种新型的有机功能染料分子，其近红外吸收波长在600nm左右，且该类染料光、热稳定性好，因此在光学记录与存贮、液晶显示等领域显示出优异的应用性能。由于螺吡喃分子开闭结构也可以构成芳香共轭体系，具有电子给体-受体分子结构，分子内存在很大的电荷分离，因此螺吡喃染料具有识别金属离子的特性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：基于上述问题，本发明提供一种用于检测铜离子的螺吡喃类N-苯丙胺化合物比色探针及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的一个技术方案是：一种用于检测铜离子的螺吡喃类N-苯丙胺化合物比色探针，该比色探针为：3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)-N-苯丙胺，结构式如下：
本发明所述的一种用于检测铜离子的螺吡喃类N-苯丙胺化合物比色探针的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)，以1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚和溴乙酸为反应物，制备3-(2-羧乙基)-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-3-溴化铵，反应式如下：
步骤(2)，以3-(2-羧乙基)-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-3-溴化铵和5-硝基水杨醛为反应物，制备3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)丙酸，反应式如下：
步骤(3)，以3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)丙酸和苯胺为反应物，制备3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)-N-苯丙胺，反应式如下：
步骤(1)具体为：将1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚和溴乙酸(摩尔比优选1:1)加入到反应瓶中，加入甲苯做溶剂，加热回流过夜，TLC点板监测反应进度，待反应结束后冷却至室温，用甲苯洗涤三次，加入二氯甲烷超声，乙酸乙酯洗涤抽滤，干燥后得黄色固体，即3-(2-羧乙基)-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-3-溴化铵(无需进一步提纯，直接进行下步反应)。
步骤(2)具体为：将步骤(1)制备的3-(2-羧乙基)-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-3-溴化铵与5-硝基水杨醛(按1:1.2的较优摩尔比)加入到反应瓶中，加入无水乙醇、三乙胺，氮气保护下80℃反应过夜，待反应结束冷却至室温，乙酸乙酯萃取，无水硫酸钠干燥，减压旋蒸，粗产品用二氯甲烷和甲醇的混合液作为洗脱剂，通过柱层析分离纯化。
步骤(3)具体为：将步骤(2)制备的3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)丙酸和苯胺、HBOT、EDCI(按1:1：0.5:1的较优摩尔比)加入到反应瓶中，加入二氯甲烷做溶剂，氮气保护，室温反应；待反应结束后，乙酸乙酯萃取，无水硫酸钠干燥，减压旋蒸；粗产品用二氯甲烷和甲醇的混合液作为洗脱剂，通过柱层析分离纯化，得产物，即3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)-N-苯丙胺。
与现有技术相比，本发明取得了如下有益效果：1)本发明提供一种全新的探针结构，可很大程度上平衡结构整体电荷性，从而提高探针结构稳定性。从抗干扰性能实验中也可以证明，我们使用多达十五钟金属离子进行干扰探究，其都可以表明具有较好的稳定性能，可以作为一种“off-on”型的比色探针来高效地、专一地识别Cu2+，具有灵敏度高，选择性好等优点。2)本发明提供的探针制备方法，无需使用哌啶试剂，保证试验安全性。
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1中制备的3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)-N-苯丙胺溶液(4.0×10-5mol/L)中滴加金属离子后的溶液颜色变化和相应的吸收光谱。
图2为实施例1中制备的3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)-N-苯丙胺溶液(4.0×10-5mol/L)中连续滴加Cu2+(0-0.09mM)的吸收光谱。
图3为本发明实施例1制得的3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)-N-苯丙胺的氢谱解析图。
图4为本发明实施例1制得的3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)-N-苯丙胺对铜离子的抗干扰性能测试。
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
(1)3-(2-羧乙基)-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-3-溴化铵合成
称取1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚3.5g(16.7mmol)、溴乙酸2.55g(16.7mmol)及甲苯40ml加入三口烧瓶。用恒温加热磁力搅拌器加热回流搅拌，并通入氮气保护，反应16小时。反应结束后冷却至室温，甲苯洗涤三次，溶于二氯甲烷超声，抽滤时用乙酸乙酯洗涤，干燥得浅黄色固体粉末2.51g,产率为93％。无需进一步提纯，直接进行下步反应。1H NMR(300MHz,CDCl3-d6):
1.76(s,6H),3.05(t,2H),4.79(t,2H),7.70-7.82(m,2H),8.20(dd,J＝12.6Hz,2H),8.29(d,J＝9.0Hz,1H),8.38(d,J＝9.0Hz,1H).
(2)3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)丙酸合成
称取步骤(1)3-(2-羧乙基)-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-3-溴化铵2.0g(0.005mol)，5-硝基水杨醛1.1g(0.006mol)，三乙胺0.67g(0.006mol)，并量取30ml无水乙醇一同混合加入三口烧瓶中，氮气保护，加热回流，反应12小时。反应结束后冷却至室温，乙酸乙酯萃取，无水硫酸钠干燥有机相，二氯甲烷/甲醇(v/v＝10/1)为洗脱剂，减压除去溶剂，柱层析得产物紫色固体产物1.56g，产率为65％。1HNMR(300MHz,CDCl3-d6):1.25(s,3H),1.52(s,3H),2.54-2.68(m,2H),3.48-3.66(m,2H),6.09(d,J＝1.5Hz,1H),6.83(d,J＝9.0Hz,1H),7.23(m,3H),7.42(t,1H),7.86(m,3H),8.00(dd,J＝9.0Hz,1H),8.26(d,J＝2.7Hz,1H).
(3)3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)-N-苯丙胺合成
称取步骤(2)3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)丙酸0.93g(21.6mmol)、苯胺2g(21.6mmol)、HBOT1.46g(10.8mmol)、EDCI4g(21.6mmol)，量取溶剂二氯甲烷30ml一同混合加入三口烧瓶中，氮气保护下室温反应24小时。反应结束后，乙酸乙酯萃取，无水硫酸钠干燥有机相，二氯甲烷/甲醇(v/v＝10/1)为洗脱剂，减压除去溶剂,柱层析得产物暗紫色固体0.43g，产率为85％。1HNMR(300MHz,CDCl3-d6):1.18(s,3H),1.21(s,3H)
2.48-2.68(m,2H),3.60-3.80(m,2H),5.80(d,J＝9.0Hz,1H),6.51(d,J＝9.0Hz,1H),6.85(d,J＝9.0Hz,1H),6.98(d,J＝6.0Hz,2H),7.15(dd,J＝15.0Hz,4H),7.31-7.37(m,1H),7.45(s,1H),7.64(d,J＝9.0Hz,1H),7.71(d,J＝9.0Hz,1H),7.79(dd,J＝9.0Hz,2H),7.88(d,J＝3.0Hz,1H).
应用例
为了检测实施例制备的螺吡喃类衍生物化学传感器对铜离子的识别性能，以N,N-二甲基甲酰胺和去离子水混合(9:1)作为溶剂，将合成的螺吡喃类N-苯丙胺化合物配制成浓度为4.0×10-5mol/L的溶液，分别量取配置好的3mL溶液与16个试管中，标号1-16，在2-16号试管中分别滴加0.05mL金属离子溶液(Fe3+、Cd2+、Zn2+、Na+、Ba2+、Ca2+、Co2+、Cr3+、K+、Ag+、Al3+、Pb2+、Mg2+、Ni2+、Hg2+、Cu2+)，1号试管为空白实验。静置一段时间后，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。由图可看出，除Cu2+外，其余的金属离子并未致使螺吡喃类N-苯丙胺溶液的颜色及吸收光谱产生变化。
为深入研究螺吡喃类N-苯丙胺化合物的络合作用，对螺吡喃类N-苯丙胺化合物进行Cu2+光谱滴定实验，如图2所示，随着Cu2+的不断滴加，溶液吸光度不断升高。通过本实验可标定出螺吡喃类N-苯丙胺化合物作为化学传感器在检测Cu2+的浓度阈值。
为确定所合成化合物结构准确，如图3所示，进行核磁分析得到产物氢谱解析图。同时，为更好证明化合物的性能进行了离子抗干扰能力实验。如图4所示，柱状图第一列为配置溶液加入金属离子吸光度，第二列为加入金属铜离子后抗干扰性能对比，可知其具有较好的抗干扰性能。与其他探针性能相比较，本探针结构在合成产率上较高，最后一步反应无需回流加热，室温下可以反应，表明反应装置简单便捷。从吸光度图也可以得到，对比其他金属离子，铜离子出现非常明显曲线变化。
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 (8)
1.一种用于检测铜离子的螺吡喃类N-苯丙胺化合物比色探针，其特征在于：比色探针为：3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)-N-苯丙胺，结构式如下：
2.根据权利要求1所述的用于检测铜离子的螺吡喃类N-苯丙胺化合物比色探针的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)，以1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚和溴丙酸为反应物，制备3-(2-羧乙基)-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-3-溴化铵，反应式如下：
步骤(2)，以3-(2-羧乙基)-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-3-溴化铵和5-硝基水杨醛为反应物，制备3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)丙酸，反应式如下：
步骤(3)，以3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)丙酸和苯胺为反应物，制备3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)-N-苯丙胺，反应式如下：
3.根据权利要求2所述的用于检测铜离子的螺吡喃类N-苯丙胺化合物比色探针的制备方法，其特征在于：步骤(1)具体为：将1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚和溴丙酸加入到反应瓶中，加入甲苯做溶剂，加热回流过夜，TLC点板监测反应进度，待反应结束后冷却至室温，用甲苯洗涤三次，加入二氯甲烷超声，乙酸乙酯洗涤抽滤，干燥后得黄色固体，即3-(2-羧乙基)-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-3-溴化铵。
4.根据权利要求3所述的用于检测铜离子的螺吡喃类N-苯丙胺化合物比色探针的制备方法，其特征在于：1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚和溴丙酸的摩尔为1:1。
5.根据权利要求2所述的用于检测铜离子的螺吡喃类N-苯丙胺化合物比色探针的制备方法，其特征在于：步骤(2)具体为：将步骤(1)制备的3-(2-羧乙基)-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-3-溴化铵与5-硝基水杨醛加入到反应瓶中，加入无水乙醇、三乙胺，氮气保护下加热反应，待反应结束冷却至室温，乙酸乙酯萃取，无水硫酸钠干燥，减压旋蒸，粗产品用二氯甲烷和甲醇的混合液作为洗脱剂，通过柱层析分离纯化。
6.根据权利要求5所述的用于检测铜离子的螺吡喃类N-苯丙胺化合物比色探针的制备方法，其特征在于：3-(2-羧乙基)-1,1,2-三甲基-1H-苯并[e]吲哚-3-溴化铵与5-硝基水杨醛的摩尔比为1:1.2，反应温度为80℃。
7.根据权利要求2所述的用于检测铜离子的螺吡喃类N-苯丙胺化合物比色探针的制备方法，其特征在于：步骤(3)具体为：将步骤(2)制备的3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)丙酸和苯胺、HBOT、EDCI加入到反应瓶中，加入二氯甲烷做溶剂，氮气保护，室温反应；待反应结束后，乙酸乙酯萃取，无水硫酸钠干燥，减压旋蒸；粗产品用二氯甲烷和甲醇的混合液作为洗脱剂，通过柱层析分离纯化，得用于检测铜离子的螺吡喃类N-苯丙胺化合物比色探针。
8.根据权利要求7所述的用于检测铜离子的螺吡喃类N-苯丙胺化合物比色探针的制备方法，其特征在于：3-(1,1-二甲基-6'-硝基螺环[苯并[e]吲哚-2,2'-铬]-3(1H)-基)丙酸、苯胺、HBOT、EDCI的摩尔比为1:1：0.5:1。
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