CN114573519B - 用于铜离子检测的荧光探针及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于铜离子检测的荧光探针及其制备方法和应用，该类荧光探针的合成方法为：以1,2‑苯二胺为原料反应，反应结束后减压蒸除溶剂，剩余物经过柱层析分离，得到苯并三唑，接着苯并三唑再与RX(CH3I、BnCl、BnBr)在碱性条件下进行氨基衍生反应生成苯并三唑类衍生物3a:2‑(2H‑1,2,3‑苯并三唑‑2‑基)‑N‑苄基苯胺、3b:2‑(2H‑1,2,3‑苯并三唑‑2‑基)‑N‑甲基苯胺、3c:2‑(2H‑1,2,3‑苯并三唑‑2‑基)‑N,N‑二苄基苯胺。本发明的合成方法简单、高效，且氨基衍生反应过程中无需催化剂，极大地节约了经济成本。最终合成的苯并三唑类衍生物可对二价铜离子进行快速检测，且选择性好、抗干扰能力强，可广泛用于检测二价铜离子。
Description
技术领域
本发明涉及用于铜离子检测的荧光探针及其制备方法和应用研究。
背景技术
在工业生产过程中会产生大部分的重金属离子，如果没有经过处理就排放到自然界中就会造成重金属污染，因此，重金属离子去除是一个重要的环节。铜作为重金属，是人类和动植物必需的微量元素，但当铜的量积累到一定程度后，就会引起一系列的疾病，甚至危害健康。目前常用的检测铜离子的方法有离子色谱法、分光光度法、原子吸收法、电化学方法、荧光光谱法等，其中荧光光谱法具有快速高效、响应灵敏等特点，目前已被应用于科学研究。因此，开发能检测铜离子的荧光探针具有广泛的应用前景。
本发明提出了用于铜离子检测的荧光探针及其制备方法和应用，该衍生反应无需催化剂的参与即可完成反应，成功合成了一系列能检测铜离子的苯并三唑类衍生物，且选择性好、抗干扰能力强。
发明内容
本发明的主要目的在于提供用于铜离子检测的荧光探针及其制备方法和应用研究。
本发明的技术方案如下：
用于铜离子检测的荧光探针及其制备方法和应用，所述化合物化学结构式为：
该结构中取代基R包括甲基、苄基任一项的供电子基团，R取代基位置固定于氨基上；其中，所述的苯并三唑类衍生物的结构式包括：
根据本发明的上述化合物，本发明还提供一种苯并三唑类衍生物的制备方法，所述方法按如下步骤进行：
将化合物1溶解于溶剂中，加入化合物2:RX在碱性条件下进行油浴反应，经TLC检测反应完成后，减压蒸除溶剂，将残留物经柱层析分离，即得产物，所述的R为甲基、或苄基，X为卤素，即RX:CH3I、BnCl、或BnBr。
化合物1、化合物2、碱的投料摩尔比为0.15-0.6：0.3-3.6：0.45-7.2。
反应过程中碱为碳酸钾，溶剂为乙腈。
油浴反应过程中，反应温度为30-130℃。
在化合物1与BnCl或BnBr的上述反应条件进行反应过程中，温度的升高和/或增加化合物2的投料比都会使得反应过程中更倾向于生成二取代产物3c。
本发明的技术方案将上述的化合物用于铜离子检测的荧光探针上的应用，将所述荧光探针用于检测二价铜离子。
本发明有益效果如下：
本发明首次公开了用于铜离子检测的苯并三唑的氨基衍生反应。在苯并三唑的氨基衍生反应过程中，所用的合成方法简单、高效，反应速度快，反应在高温下仍可以稳定进行，并且无需催化剂的参与，极大地节约了经济成本。该方法成功合成了一系列的苯并三唑类衍生物。值得注意的是，反应中的温度和化合物2投料比的增加能使氨基衍生反应中更倾向于生成二取代产物3c。
附图说明
图1：2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N-苄基苯胺(3a)的核磁共振氢谱(1H NMR)图。
图2：2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N-苄基苯胺(3a)的核磁共振碳谱(13C NMR)图。
图3：2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N-甲基苯胺(3b)的核磁共振氢谱(1H NMR)图。
图4：2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N-甲基苯胺(3b)的核磁共振碳谱(13C NMR)图。
图5：2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N,N-二苄基苯胺(3c)的核磁共振氢谱(1HNMR)图。
图6：2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N,N-二苄基苯胺(3c)的核磁共振碳谱(13CNMR)图。
图7：荧光探针3a在不同浓度铜离子存在下的荧光光谱图。
图8：荧光探针3b在不同浓度铜离子存在下的荧光光谱图。
图9：荧光探针3c在不同浓度铜离子存在下的荧光光谱图。
图10：荧光探针3a分别在与Cu2+及其它离子(Blank、Ca2+、Co2+、Zn2+、Fe3+、Cs+、K+、Mg2+、Ni2+、NH4 +、Al3+、Na+)作用后的荧光光谱图。
图11：荧光探针3b分别在与Cu2+及其它离子(Blank、Ca2+、Co2+、Zn2+、Fe3+、Cs+、K+、Mg2+、Ni2+、NH4 +、Al3+、Na+)作用后的荧光光谱图。
图12：荧光探针3c分别在与Cu2+及其它离子(Blank、Ca2+、Co2+、Zn2+、Fe3+、Cs+、K+、Mg2+、Ni2+、NH4 +、Al3+、Na+)作用后的荧光光谱图。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
仪器及试剂：
SHZ-E型循环水式真空泵(上海荣亚生化学仪器厂)；DZE-6120型真空干燥箱(上海恒天科学仪器制造公司)；EB2005A电子天平；ZF-I型三用紫外分析仪；DE-102J集热式恒温加热磁力搅拌器(巩义市华发化学仪器厂)；DFX-5L/30低温恒温反应浴(无锡市百川仪器厂)；2YZ-4A型旋片式真空油泵(临海市永昊真空设备厂)。甲苯(AR)，叔丁醇钾(AR)，氧化铜(AR)，邻苯二胺(AR)，碳酸钾(AR)，乙腈(AR)，石油醚(AR)，乙酸乙酯(AR)。
1H NMR和13C NMR用Varian Mercury 400型400MHz核磁共振仪或者VarianMercury600型600MHz核磁共振仪测定，氘代氯仿(CDCl3)溶剂，TMS为内标；所用试剂为国产(或进口)化学纯或分析纯。
实施例1
一种由BnCl制备2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N-苄基苯胺(3a)的方法，包括以下实验步骤：
称取苯并三唑(0.6mmol，0.1261g)溶解于6mL的乙腈溶剂中，室温搅拌至充分溶解，再依次将碳酸钾(1.8mmol，0.2488g)、氯化苄(1.2mmol，0.1519g)加入上述溶液中，在碱性条件下置于100℃的油浴锅中反应4h后，经TLC检测反应有产物点3a和3c，其中，主要产物点为3a。之后，减压蒸除溶剂，将残留物经柱层析分离，即得产物3a，产率为64％。
氢谱：
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ(ppm)8.24-8.21(m,1H),8.05-8.02(t,J＝12Hz,1H),7.94-7.92(m,2H),7.44-7.42(m,3H),7.40(s,1H),7.37-7.33(t,J＝16Hz,2H),7.29-7.25(t,J＝16Hz,2H),6.84-6.80(m,2H),4.59-4.58(d,J＝4Hz,2H).
碳谱：
13C NMR(101MHz,CDCl3)δ143.64,140.80,138.99,130.11,128.66,127.10,126.89,126.85,124.11,117.84,116.32,113.11,77.32,77.00,76.68,47.34.
实施例2
由BnCl制备2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N,N-二苄基苯胺(3c)的方法，包括以下实验步骤：
称取苯并三唑(0.6mmol，0.1261g)溶解于6mL的乙腈溶剂中，室温搅拌至充分溶解，再依次将碳酸钾(7.2mmol，0.9951g)、氯化苄(3.6mmol，0.4557g)加入上述溶液中，在碱性条件下置于120℃的油浴锅中反应4h，经TLC检测反应有产物点3a和3c，其中，主要产物点为3c。之后，减压蒸除溶剂，将残留物经柱层析分离，即得产物3c，产率为59％。
氢谱：
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ(ppm)7.99-7.96(m,2H),7.57-7.55(d,J＝8Hz,1H),7.45-7.42(m,2H),7.36-7.32(t,J＝16Hz,1H),7.25,7.22-7.14(m,10H),7.12-7.05(m,2H),3.90(s,4H).
碳谱：
13C NMR(101MHz,CDCl3)δ146.31,144.92,137.53,134.81,130.36,128.35,128.09,126.91,126.74,122.97,122.25,118.40,77.32,77.00,76.68,55.62.
实施例3
一种由CH3I制备2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N-甲基苯胺(3b)的方法，包括以下实验步骤：
称取苯并三唑(0.6mmol，0.1261g)溶解于6mL的乙腈溶剂中，室温搅拌至充分溶解，再依次将碳酸钾(4.2mmol，0.5805g)、碘甲烷(3.6mmol，0.5110g)加入上述溶液中，在碱性条件下置于30℃的油浴锅中反应4h，经TLC检测反应完成后，减压蒸除溶剂，将残留物经柱层析分离，即得产物3b，产率为55％。
氢谱：
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ(ppm)8.12-8.10(d,J＝8Hz,1H),7.87-7.83(m,2H),7.37-7.32(m,3H),7.29-7.25(t,J＝16Hz,1H),6.81-6.79(d,J＝8Hz,1H),6.76-6.72(t,J＝16Hz,1H),2.93-2.92(d,J＝4Hz,3H).
碳谱：
13C NMR(101MHz,CDCl3)δ143.60,141.91,130.18,126.78,124.01,117.77,115.82,112.06,77.32,77.00,76.68,30.04.
实施例4
一种由BnBr制备2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N-苄基苯胺(3a)的方法，包括以下实验步骤：
称取苯并三唑(0.6mmol，0.1261g)溶解于6mL的乙腈溶剂中，室温搅拌至充分溶解，再依次将碳酸钾(1.8mmol，0.2488g)、溴化苄(1.2mmol，0.2052g)加入上述溶液中，在碱性条件下置于100℃的油浴锅中反应4h，经TLC检测反应有产物点3a和3c，其中，主要产物点为3a。之后，减压蒸除溶剂，将残留物经柱层析分离，即得产物3a，产率为73％。
氢谱：
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ(ppm)8.24-8.21(m,1H),8.05-8.02(t,J＝12Hz,1H),7.94-7.92(m,2H),7.44-7.42(m,3H),7.40(s,1H),7.37-7.33(t,J＝16Hz,2H),7.29-7.25(t,J＝16Hz,2H),6.84-6.80(m,2H),4.59-4.58(d,J＝4Hz,2H).
碳谱：
13C NMR(101MHz,CDCl3)δ143.64,140.80,138.99,130.11,128.66,127.10,126.89,126.85,124.11,117.84,116.32,113.11,77.32,77.00,76.68,47.34.
实施例5
由BnBr制备2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N,N-二苄基苯胺(3c)的方法，包括以下实验步骤：
称取苯并三唑(0.6mmol，0.1261g)溶解于6mL的乙腈溶剂中，室温搅拌至充分溶解，再依次将碳酸钾(7.2mmol，0.9951g)、溴化苄(3.6mmol，0.6157g)加入上述溶液中，在碱性条件下置于120℃的油浴锅中反应4h，经TLC检测反应有产物点3a和3c，其中，主要产物点为3c。之后，减压蒸除溶剂，将残留物经柱层析分离，即得产物3c，产率为69％。
氢谱：
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ(ppm)7.99-7.96(m,2H),7.57-7.55(d,J＝8Hz,1H),7.45-7.42(m,2H),7.36-7.32(t,J＝16Hz,1H),7.25,7.22-7.14(m,10H),7.12-7.05(m,2H),3.90(s,4H).
碳谱：
13C NMR(101MHz,CDCl3)δ146.31,144.92,137.53,134.81,130.36,128.35,128.09,126.91,126.74,122.97,122.25,118.40,77.32,77.00,76.68,55.62.
实施例6：2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N-苄基苯胺(3a)荧光探针检测不同浓度的铜离子
将制备的2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N-苄基苯胺(3a)荧光探针溶解到DMSO溶液中，配置500μM的探针母液；然后用移液枪取出30μL的探针母液加入到3mLDMF：HEPES缓冲液(0.01mM，pH＝7.4)＝4：6的溶液中，再在该体系中分别加入不同浓度(0μM、2μM、4μM、6μM、8μM、10μM、12μM、14μM、16μM、18μM、20μM、22μM、24μM、26μM、28μM)的铜离子，反应10分钟后，用荧光光谱仪进行测试，变化情况如图7，由图7可看出，随着铜离子溶液的不断加入，在502nm处荧光发射逐渐减弱。
实施例7：2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N-甲基苯胺(3b)荧光探针检测不同浓度的铜离子
将制备的2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N-甲基苯胺(3b)荧光探针溶解到DMSO溶液中，配置500μM的探针母液；然后用移液枪取出30μL的探针母液加入到3mLDMF：HEPES缓冲液(0.01mM，pH＝7.4)＝4：6的溶液中，再在该体系中分别加入不同浓度(0μM、2μM、4μM、6μM、8μM、10μM、12μM、14μM、16μM、18μM、20μM、22μM、24μM、26μM、28μM)的铜离子，反应10分钟后，用荧光光谱仪进行测试，变化情况如图8，由图8可看出，随着铜离子溶液的不断加入，在512nm处荧光发射逐渐减弱。
实施例8：2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N,N-二苄基苯胺(3c)荧光探针检测不同浓度的铜离子
将制备的2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N,N-二苄基苯胺(3c)荧光探针溶解到DMSO溶液中，配置500μM的探针母液；然后用移液枪取出30μL的探针母液加入到3mLDMF：HEPES缓冲液(0.01mM，pH＝7.4)＝4：6的溶液中，再在该体系中分别加入不同浓度(0μM、2μM、4μM、6μM、8μM、10μM、12μM、14μM、16μM、18μM、20μM、22μM、24μM、26μM、28μM)的铜离子，反应10分钟后，用荧光光谱仪进行测试，变化情况如图9，由图9可看出，随着铜离子溶液的不断加入，在514nm处荧光发射逐渐减弱。
实施例9：2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N-苄基苯胺(3a)荧光探针对铜离子和其他离子的选择性检测
之后，为了进一步探究、强调该类荧光探针同样也具备较强的抗离子干扰能力，在该检测过程中将探针溶液3a的浓度降低至1μM，在该浓度下分别加入相同浓度的不同离子Cu2+、Ca2+、Co2+、Zn2+、Fe3+、Cs+、K+、Mg2+、Ni2+、NH4+、Al3+、Na+(5equiv.)，10分钟后检测出的荧光光谱变化情况如图10，由图10可以看出，铜离子相比于其他离子的加入会引起明显的荧光响应。这一结果表明，探针对二价铜离子有较好的荧光选择性。
实施例10：2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N-甲基苯胺(3b)荧光探针对铜离子和其他离子的选择性检测
同样，对于探针3b也进行了相应的抗离子干扰能力检测，在该检测过程中探针3b在该低浓度1μM下的荧光检测效果较差，于是又将其调整为5μM的浓度进行了检测。在该浓度下分别加入相同浓度的不同离子Cu2+、Ca2+、Co2+、Zn2+、Fe3+、Cs+、K+、Mg2+、Ni2+、NH4+、Al3+、Na+(5equiv.)，10分钟后检测出的荧光光谱变化情况如图11，由图11可以看出：同样地，铜离子相比于其他离子的加入会引起明显的荧光响应。这一结果表明，探针对二价铜离子有较好的荧光选择性。
实施例11：2-(2H-1,2,3-苯并三唑-2-基)-N,N-二苄基苯胺(3c)荧光探针对铜离子和其他离子的选择性检测
最后，对于探针3c进行了抗离子干扰能力检测，在该检测过程中将探针溶液3c的浓度降低至1μM，在该浓度下分别加入相同浓度的不同离子Cu2+、Ca2+、Co2+、Zn2+、Fe3+、Cs+、K+、Mg2+、Ni2+、NH4+、Al3+、Na+(5equiv.)，10分钟后检测出的荧光光谱变化情况如图12，由图12可以看出，铜离子相比于其他离子的加入会引起明显的荧光响应。这一结果表明，探针对二价铜离子有较好的荧光选择性。
Claims (5)
1.苯并三唑类衍生物，其特征在于，结构式为：
2.根据权利要求1所述的苯并三唑类衍生物的制备方法，其特征在于，所述方法按如下步骤进行：
将化合物1溶解于乙腈中，加入化合物2:RX在碱性条件下进行油浴反应，碱为碳酸钾，经TLC检测反应完成后，减压蒸除乙腈，将残留物经柱层析分离，即得产物，所述的R为甲基、或苄基，X为卤素。
3.根据权利要求2所述的苯并三唑类衍生物的制备方法，其特征在于，化合物1、化合物2、碱的投料摩尔比为0.15-0.6：0.3-3.6：0.45-7.2。
4.根据权利要求2所述的苯并三唑类衍生物的制备方法，其特征在于，油浴反应过程中，反应温度为30-130℃。
5.根据权利要求1所述的苯并三唑类衍生物用于制备铜离子检测的荧光探针的应用，其特征在于，将所述荧光探针用于检测二价铜离子。
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