CN1982300A - 杯芳烃氮杂冠醚衍生物、其制备方法及其作为金属离子荧光识别试剂的用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可作为金属离子荧光识别试剂的新型化合物、其制备方法和用途。本发明化合物是一类杯四芳烃的衍生物，通过将丝氨酸乙酯连接到杯[4]芳烃下缘而得到。本发明化合物具有很好的金属离子识别性能，可以选择性地识别Co²⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Fe³⁺、Ru³⁺和Ag⁺，并且可以作为Fe³⁺的荧光探针。

Description

杯芳烃氮杂冠醚衍生物、其制备方法及其作为金属离子荧光识别试剂的用途

技术领域

本发明涉及一类可作为金属离子荧光识别试剂的新型化合物、其制备方法及其用途。更具体地说，本发明涉及杯芳烃氮杂冠醚衍生物、其制备方法及其作为金属离子荧光识别试剂的用途。

发明背景

分子识别这一概念最初被用在分子水平上研究生物体系中的化学问题。随着近代超分子化学这个新兴的学科的出现，分子识别逐渐成为了这个学科的核心研究内容之一。分子识别是指主体对客体选择性结合并产生某种特定功能的过程。它们不是靠传统的共价键力，而是靠非共价键力的分子间的作用力。分子识别可以用来解决分析、分离、催化、药物控制释放等多方面的问题，是现代科技发展不可缺少的手段，具有广泛而深远的应用前景。

现阶段分子识别的主体主要有冠醚、环糊精和杯芳烃三类大环主体化合物。冠醚化学和环糊精化学一起开辟了超分子化学这一新兴研究领域，分别代表了第一代和第二代超分子主体化合物。近些年来，杯芳烃这一类“新型”的具有独特空穴结构的大环化合物，在超分子化学研究方面取得的成果受到科学工作者的广泛重视，被誉为是继冠醚和环糊精之后的第三代超分子主体化合物。

杯芳烃是一类杯状低聚大环化合物，具有一定的空腔大小，是理想的包结客体分子的主体化合物。同时，这类大环化合物具有结构灵活多变(尤其是构像变化)、易于修饰的特点。在环的上、下缘引入适当的功能基团所得到的主体，能借助于氢键、静电作用、范德华力、疏水作用、阳离子-π作用、π-π堆积作用及诱导楔合等非共价键协同作用来识别客体分子，从而实现配位、催化和能量转换等特殊功能。通过在杯芳烃上、下缘引入各种基团的功能杯芳烃，可以构成以杯环为骨架的带有亲脂性、亲水性和离子载体的受体，能与不同大小、不同性质的客体分子相匹配。所以杯芳烃化合物的配位作用取决于杯环大小、构像及环上取代基的性质。

分子识别可以分为对离子客体的识别和对中性分子客体的识别。纵观杯芳烃化学对金属离子识别的历史，研究得最多的是对碱金属和碱土金属离子的识别，对其他金属离子的研究就没有那么广泛。并且，历史上研究金属离子选择性识别使用最多最广泛的手段是液膜传输和萃取两种手段。这两种手段虽然直观易懂，但等待时间比较长，处理起来比较麻烦。随着科技的不断发展，近代分析仪器技术不断提高，荧光分析的手段逐渐被科学家们重视。近几年来，逐渐出现了使用荧光探测进行分子、离子识别的方法。根据荧光强度的变化，可以很容易地判断被测物质对某种甚至某些分子、离子的络合性能、选择性能等等。这一手段也慢慢用到了杯芳烃对金属离子识别的领域上来，并且逐渐演变成为了金属离子荧光探针的研究。

杯芳烃冠醚是杯芳烃化学中很大的一个分支，这类杯芳烃衍生物具有杯状空腔和冠醚空腔，这使其具有良好的客体包结、客体识别的功能。因此，杯芳烃冠醚化合物具有比母体杯芳烃更好的选择性识别能力。可见，这种利用杯芳烃冠醚化合物以荧光测试方法研究金属离子识别是一项有着非常广阔发展应用前景的课题。

发明概述

本发明的目的是提供一种可用于金属离子识别的新型化合物，特别是可以用作个别金属离子的荧光探针。

本发明的更具体的目的是提供一类杯芳烃氮杂冠醚衍生物，其可以用作金属离子荧光识别试剂。

本发明的另一目的是提供一种制备上述杯芳烃氮杂冠醚衍生物的方法。

本发明的又一目的是提供上述杯芳烃氮杂冠醚衍生物作为金属离子荧光识别试剂的用途。

本发明的这些和其他目的、特征和优点在结合附图阅读完本说明书之后将变得更加明了。

附图简述

图1为本发明实施例3中得到的化合物在各种金属离子存在下的荧光测试结果。

图2-5为本发明实施例3中得到的化合物分别在Fe³⁺、Co²⁺、Cu²⁺和Ru³⁺存在下的荧光测试结果。

发明详述

本发明的杯芳烃氮杂冠醚衍生物为未见文献报道的新型杯[4]芳烃衍生物且由如下通式I表示：

其中R为C₁-C₆直链或支化烷基。

根据本发明，优选通式中R为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基和己基及其异构体，更优选R为甲基、乙基、正丙基、异丙基、叔丁基，最优选R为叔丁基。

本发明的杯芳烃氮杂冠醚衍生物可以按照如下反应I和II制备：

在反应I中，使母体杯芳烃(1)与1，3-二溴丙烷(2)在无水碳酸钾作为质子吸收剂存在下在干燥的乙腈中回流48个小时，得到3-溴丙基二取代的杯芳烃衍生物(3)。在该反应中，母体杯芳烃(1)与1，3-二溴丙烷(2)的摩尔比为1∶3-1∶20，优选1∶5-1∶15；无水碳酸钾的用量基于母体杯芳烃的摩尔数为1-8mol，优选2-6mol；乙腈的用量基于每毫摩尔母体杯芳烃为10-50ml，优选15-40ml。

在反应II中，使反应I中得到的杯芳烃衍生物(3)与丝氨酸乙酯盐酸盐(4)在无水碳酸钾作为质子吸收剂存在下在干燥的乙腈中回流2天，得到本发明的杯芳烃氮杂冠醚衍生物。在该反应中，杯芳烃衍生物(3)与丝氨酸乙酯盐酸盐(4)的摩尔比为1∶3-1∶20，优选1∶5-1∶15；无水碳酸钾的用量基于杯芳烃衍生物(3)的摩尔数为5-20mol，优选8-15mol；乙腈的用量基于每毫摩尔杯芳烃衍生物(3)为40-120ml，优选50-100ml。

本发明化合物是新型杯芳烃冠醚衍生物，具有两个主体化合物功能团，既具有一定空腔大小的杯芳烃杯状单元，又具有氮杂冠醚功能团。同时，本发明化合物还具有丝氨酸的某些功能基团。本发明化合物继承了杯芳烃和冠醚两种主体功能基团的优良的主体识别性能。其母体杯[4]芳烃能以它的一定空腔大小包结金属离子，再加上酚羟基氧的配位作用，以及氮杂冠环空腔，因而具有很好的离子选择识别性能。本发明化合物在母体杯[4]芳烃下缘修饰上了丝氨酸取代功能团，由于具有良好配位性能的丝氨酸的连接，使得本发明化合物具有对金属离子很强的选择性络合作用。

关于本发明化合物的离子识别作用，是通过对该化合物的荧光激发峰强度的变化来进行判断的。本发明化合物自身具有激发荧光的性能，因此可以采用荧光滴定实验，通过该化合物自身荧光强度的变化来判断其对客体离子、分子的识别和络合作用。经过各种金属离子对本发明化合物的荧光滴定实验，发现不同的金属离子可以引起该化合物荧光强度的不同变化，甚至有的金属离子可以使该化合物的荧光发生猝灭。通过这种荧光滴定实验确认本发明化合物具有对金属离子的选择性荧光识别用途，特别是能作为荧光探针对某些金属离子的识别探测。

下面通过实施例进一步说明本发明，但不必看作是对本发明范围的限制。

实施例1

25，27-二(3-溴丙氧基)-26，28-二羟基-5，11，17，23-四叔丁基杯[4]芳烃的制备

向配有回流冷凝装置的容器中，注入经过无水硫酸镁干燥24小时的乙腈(250毫升)，然后加入对叔丁基杯[4]芳烃(6.46克，10毫摩尔)，1，3-二溴丙烷(10.2毫升，100毫摩尔)和无水碳酸钾(3.45克，25毫摩尔)。加热搅拌回流48个小时，冷却，减压旋转蒸干溶剂乙腈。向得到的固体中加入三氯甲烷(200毫升)，分别用5％盐酸，饱和碳酸氢钠水溶液，蒸馏水洗涤，每样洗涤三次，每次使用100毫升。往三氯甲烷中加入10克无水硫酸钠干燥24小时。滤去干燥剂硫酸镁，减压旋转蒸发溶剂氯仿，得到白色固体(略带黄色)粗品。按1克白色固体取用27.7毫升无水乙醇的比例，往白色固体粗品中加入无水乙醇，回流搅拌1小时。冷却，减压抽滤后，得到6.5克白色固体产品，产率73％。熔点：289.4～290.2℃，文献值288～290℃，与文献相同。¹HNMR(CDCl₃，500HZ，δ，ppm)：7.70(s，2H，OH)，7.15，6.88(s，4H，各自为ArH)，4.27(d，J＝13.0Hz，4H，ArCH₂Ar)，4.12(t，J＝7.8Hz，4H，OCH₂CH₂CH₂)，4.01(t，J＝8.0Hz，4H，BrCH₂CH₂CH₂)，3.35(d，J＝13.0Hz，4H，ArCH₂Ar)，2.53(m，4H，BrCH₂CH₂CH₂)，1.27(s，18H，CH₃)，1.02(s，18H，CH₃)。MS(FAB)，m/z：890(M⁺)。

实施例2

丝氨酸乙酯盐酸盐的制备

向配有冷凝管、尾气吸收装置和进气装置的三颈瓶中，加入经过重蒸的无水乙醇(100毫升)。通干燥的氯化氢1个小时，使无水乙醇相对于氯化氢处于饱和状态。然后用冰浴冷却，加入3.5克丝氨酸，冰浴下继续通氯化氢搅拌1个小时。撤去冰浴，加热回流半小时。冷却，加入10克无水硫酸镁干燥24小时。滤去干燥剂，蒸去一半溶剂，冰箱中静置一夜，析出无色晶体，过滤，真空干燥，最后得到无色晶状产物。熔点：160～160.8℃，文献值159～162℃。IR(KBr，ν，cm^-1)：3384.3，2975.0，1978.6，1746.6，1583.1。这些数值都与文献报导的一致。

实施例3

本发明化合物的制备

向配有回流冷凝装置的容器中，注入经过无水硫酸镁干燥24小时的乙腈(200毫升)，然后加入25，27-二(3-溴丙氧基)-26，28-二羟基-5，11，17，23-四叔丁基杯[4]芳烃(实施例1，2克，2.24毫摩尔)，无水碳酸钾(4.03克，29.2毫摩尔)。丝氨酸乙酯盐酸盐3.82克(22.4毫摩尔)，先加入1/3的量，加热回流，然后每隔8小时加入1/3的量，共分三次加完丝氨酸乙酯盐酸盐。加完最后一批丝氨酸乙酯盐酸盐后，加热搅拌回流两天。冷却，减压旋转蒸干溶剂乙腈。向得到的固体中加入三氯甲烷(100毫升)，分别用稀盐酸、饱和碳酸氢钠水溶液、蒸馏水各洗三次。三氯甲烷中加入10克无水硫酸钠干燥24小时。滤去干燥剂硫酸镁，减压蒸去溶剂氯仿，得到白色固体。白色固体通过硅胶柱层析提纯，淋洗剂选用(体积比为，石油醚∶乙酸乙酯＝3∶1)，收集第二荧光点物质，溶剂蒸干后得结晶状固体产物1克，产率51.8％。熔点：268.5～269.2℃；IR(KBr，ν，cm^-1)：3277.4，2954.2，2868.1，1738.8，1721.1，1595.5，1486.3；HNMR(CDCl₃，500HZ，δ，ppm)：1.25(s，36H，Bu^t)，1.30(t，3H，N-(CO)-O-C-CH₃)，2.23(m，2H，Ar-O-C-CH₂-C-N)，2.55(m，2H，Ar-O-C-CH₂-C-N)，3.37(d，2H，Ar-CH₂-Ar)，3.39(t，2H，Ar-O-C-C-CH₂-N)，3.44(d，2H，Ar-CH₂-Ar)，3.85(d，2H，N-C-CH₂-OH)，3.88(brs，1H，-N-CH)，3.93(t，2H，Ar-O-C-C-CH₂-N)，4.04(t，2H，Ar-O-CH₂)，4.08(t，2H，Ar-O-CH₂)，4.19(d，2H，Ar-CH₂-Ar)，4.25(q，2H，N-(CO)-O-CH₂)，4.36(d，2H，Ar-CH₂-Ar)，7.01～7.12(m，8H，Ar-H)。

实施例4

来自实施例3的本发明化合物对各种金属离子的荧光识别实验

参与荧光识别的金属化合物是AgNO₃、Al(NO₃)₃、CaCl₂、Co(NO3)₂、CrCl₃、Cu(NO₃)₂、Fe(NO₃)₃、Gd(NO₃)₃、LaCl₃、MgCl₂、MnCl₂、Ni(NO₃)₂、RuCl₃、Sm(NO₃)₃、SrCl₂、Y(NO₃)₃、ZrOCl₂。

在下列实施例中，除非特殊说明和指出，所有荧光识别实验所用溶剂都是经过分子筛干燥的N，N-二甲基甲酰胺(下面简称DMF)。

本发明化合物的浓度为1.0×10^-5mol/L，所有金属浓度都为它的十倍，即1.0×10^-4mol/L。具体做法是：往若干支试管中加入0.1mL的1.0×10^-3mol/L的本发明化合物，再往这些试管中分别加入以上金属1.0×10^-3mol/L1mL，然后定容到10mL。室温下放置8小时。然后进行荧光测试，得到发光曲线如图1所示，其中S₀为本发明化合物。从图中我们可以明显看到，本发明化合物未加任何金属的时候，在618nm处有最强激发峰，582nm处有次强激发峰。当加入金属化合物后，本发明化合物的最强激发峰及次强激发峰强度都出现了变化。很明显，Fe(NO₃)₃可以减弱这个最强激发峰到猝灭的程度，而Co(NO₃)₂、Cu(NO₃)₂、Ni(NO₃)₂、RuCl₃则是一定程度地减弱这个最强激发峰，AgNO₃、Al(NO₃)₃、CaCl₂、CrCl₃、Gd(NO₃)₃、LaCl₃、MgCl₂、MnCl₂、Sm(NO₃)₃、SrCl₂、Y(NO₃)₃、ZrOCl₂对这个激发峰的强度影响不是很明显。在582nm处的次强荧光激发峰也出现了相似的情况。只有AgNO₃的情况比较特殊，加入AgNO₃后，582nm处的荧光强度反而有所增强。所以，本发明化合物可以选择性地识别Co²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Ni²⁺、Ru³⁺和Ag⁺，并且可以作为Fe³⁺离子的荧光探针。

从测试结果可以看出，金属盐对本发明化合物荧光强度的影响和盐的阴离子无关，即NO₃ ^-、Cl^-等阴离子不会影响本发明化合物的荧光强度，而荧光强度的变化确实是由金属离子本身引起的。

实施例5

来自实施例3的本发明化合物荧光被Fe(NO₃)₃逐渐猝灭实验

固定本发明化合物的浓度为1.0×10^-5mol/L，逐渐增加Fe(NO₃)₃的浓度，从1.0×10^-5mol/L逐渐增加到1.0×10^-4mol/L。具体做法是：往若干支试管中加入0.1mL的1.0×10^-3mol/L的本发明化合物，再往这些试管中分别加入浓度为1.0×10^-3mol/L的Fe(NO₃)₃溶液0.1mL～1mL，然后定容到10mL。室温下放置8小时。进行荧光测试，得到发光曲线如图2所示，其中相对强度最大的为本发明化合物的激发峰。从图中可以看到，随着Fe(NO₃)₃浓度的逐渐增加，本发明化合物的荧光强度逐渐减弱，最后发生猝灭。而次强的荧光激发峰也随Fe(NO₃)₃浓度的增加逐渐减弱，最终也发生猝灭。

实施例6

来自实施例3的本发明化合物荧光随Co(NO₃)₂的加入逐渐减弱实验

本实例的使用经过无水硫酸钠干燥24小时的无水乙腈作溶剂。固定本发明化合物的浓度为1.0×10^-5mol/L，逐渐增加Co(NO₃)₂的浓度，从1.0×10^-5mol/L逐渐增加到1.0×10^-4mol/L。具体做法是：往若干支试管中加入0.1mL的1.0×10^-3mol/L的本发明化合物，再往这些试管中分别加入浓度为1.0×10^-3mol/L的Co(NO₃)₂溶液0.1mL～1mL，然后定容到10mL。室温下放置8小时。进行荧光测试，得到发光曲线如图3所示，其中相对强度最大的为本发明化合物的激发峰。从图中可以看到，随着Co(NO₃)₃浓度的逐渐增加，本发明化合物的荧光强度逐渐减弱。

实施例7

来自实施例3的本发明化合物荧光随Cu(NO₃)₂的加入逐渐减弱实验

本实例的使用经过无水硫酸钠干燥12小时的无水乙腈作溶剂。固定本发明化合物的浓度为1.0×10^-5mol/L，逐渐增加Cu(NO₃)₂的浓度，从1.0×10^-5mol/L逐渐增加到1.0×10^-4mol/L。具体做法是：往若干支试管中加入0.1mL的1.0×10^-3mol/L的本发明化合物，再往这些试管中分别加入浓度为1.0×10^-3mol/L的Cu(NO₃)₂溶液0.1mL～1mL，然后定容到10mL。室温下放置8小时。进行荧光测试，得到发光曲线如图4所示，其中相对强度最大的为本发明化合物的激发峰。从图中可以看到，随着Cu(NO₃)₂浓度的逐渐增加，本发明化合物的荧光强度逐渐减弱。

实施例8

来自实施例3的本发明化合物荧光随RuCl₃的加入逐渐减弱实验

固定本发明化合物的浓度为1.0×10^-5mol/L，逐渐增加RuCl₃的浓度，从1.0×10^-5mol/L逐渐增加到1.0×10^-4mol/L。具体做法是：往若干支试管中加入0.1mL的1.0×10^-3mol/L的本发明化合物，再往这些试管中分别加入浓度为1.0×10^-3mol/L的RuCl₃溶液0.1mL～1mL，然后定容到10mL。室温下放置8小时。进行荧光测试，得到发光曲线如图5所示，其中相对强度最大的为本发明化合物的激发峰。从图中可以看到，随着RuCl₃浓度的逐渐增加，本发明化合物的荧光强度逐渐减弱，最后荧光强度发生大幅度减弱，但没有猝灭。图中可以看到，582nm处次强的荧光激发峰强度也随金属离子浓度的增加逐渐减弱。

Claims (7)

1.通式I的杯芳烃氮杂冠醚衍生物：

其中R为C₁-C₆直链或支化烷基。

2.根据权利要求1的杯芳烃冠醚衍生物，其中R为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基和己基及其异构体，优选R为甲基、乙基、正丙基、异丙基、叔丁基，最优选R为叔丁基。

3.一种制备根据权利要求1或2的杯芳烃氮杂冠醚衍生物的方法，包括在使母体杯芳烃与1，3-二溴丙烷在无水碳酸钾作为质子吸收剂存在下在干燥的乙腈中回流反应48个小时，得到3-溴丙基二取代的杯芳烃衍生物，然后使3-溴丙基二取代的杯芳烃衍生物与丝氨酸乙酯盐酸盐在无水碳酸钾作为质子吸收剂存在下在干燥的乙腈中回流反应2天。

4.根据权利要求3的方法，其中在母体杯芳烃与1，3-二溴丙烷的反应中，母体杯芳烃与1，3-二溴丙烷的摩尔比为1∶3-1∶20，优选1∶5-1∶15；无水碳酸钾的用量基于母体杯芳烃的摩尔数为1-8mol，优选2-6mol；乙腈的用量基于每毫摩尔母体杯芳烃为10-50ml，优选15-40ml。

5.根据权利要求3的方法，其中在3-溴丙基二取代的杯芳烃衍生物与丝氨酸乙酯盐酸盐的反应中，3-溴丙基二取代的杯芳烃衍生物与丝氨酸乙酯盐酸盐的摩尔比为1∶3-1∶20，优选1∶5-1∶15；无水碳酸钾的用量基于3-溴丙基二取代的杯芳烃衍生物的摩尔数为5-20mol，优选8-15mol；乙腈的用量基于每毫摩尔3-溴丙基二取代的杯芳烃衍生物为40-120ml，优选50-100ml。

6.根据权利要求1或2的杯芳烃氮杂冠醚衍生物作为金属离子选择性荧光识别试剂的用途。

7.根据权利要求6的用途，其中所述金属离子为Co²⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Ru³⁺、Fe³⁺和Ag⁺，优选Fe⁺³。