以萘酰亚胺为核的比色‑荧光探针及其制备方法和应用与流程

本发明属于有机化学领域，具体涉及一种以萘酰亚胺为核的比色-荧光双功能探针及其制备方法和应用。

背景技术：

荧光传感器以其高灵敏性、高选择性以及低成本性等优点已经被广泛地应用于化学、生物学以及环境科学等领域，目前已发展和报道了很多探针以实现荧光或颜色的识别。然而，大部分探针只能选择性地识别一种分析物。相比而言，多功能识别的单分子探针实用性更强，但一般价格比较昂贵且较难实现。因此发展此类探针具有挑战性的意义。

作为重金属离子，铜离子和汞离子进入人体后通过生物链的富积作用对人体肝脏、肾脏、神经中枢系统造成一定的伤害。已经报道了很多检测汞离子或铜离子的传感器，但是这些传感器大部分只能检测汞离子或者铜离子而不能同时检测这两种离子。到目前为止，能同时检测铜离子和汞离子的传感器非常少。因此，发展能同时检测这两种重金属离子的探针分子具有重要的意义。

萘酰亚胺衍生物具有较大的共轭体系、强的拉电子能力、易修饰等特性，可以通过用不同的给电子基团进行亲核取代反应改变其共轭结构，从而实现光谱性质的改变。因此，萘酰亚胺衍生物比较适用于设计探针分子。

基于以上背景，我们设计并合成了一个新的萘酰亚胺衍生物探针，该探针不仅可以实现对铜离子肉眼可见的检测，而且可以快速高选择性地荧光检测汞离子。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种以萘酰亚胺为核的双功能探针及其制备方法。该分子制备条件温和，具有良好的光电特性，能方便快捷地检测环境中的汞离子和铜离子。

一种以萘酰亚胺为核的比色-荧光双功能探针(以下简称NDI-6)，具有式(I)所示的结构：

一种制备上述萘酰亚胺为核的比色-荧光双功能探针的方法，包括以下步骤：

(1)将二氯异腈脲酸钠的水溶液加入到KBr水溶液中，机械搅拌18-30小时，减压抽滤得到白色块状固体DBI，其结构式为

(2)室温下，把1,4,5,8-萘四酸酐溶于浓硫酸中，升温至120～130℃后加入DBI，继续反应15-25小时，反应结束后把反应液倒入到冰水中，减压抽滤得到淡黄色固体状的化合物1，其结构式为

(3)在氮气保护下，将化合物1溶于冰醋酸中，升温至120～130℃后加入2-乙基己胺，继续反应4-8小时，反应结束后冷却至室温，减压抽滤得到红色固体状的粗产品，粗产品经硅胶柱层析法分离提纯，真空干燥，得到淡黄色粉末状的化合物2，其结构式为

(4)在氮气保护下，将化合物2和8-氨基喹啉一同溶于N,N-二甲基甲酰胺中，在100℃下搅拌反应4小时，反应结束后冷却至室温，将反应液倒入到水中，有红色固体状粗产品析出，将粗产品用硅胶柱层析法分离提纯，真空干燥，得到深红色固体状化合物3，其结构式为

(5)在氮气保护下，将化合物3和2-氨基乙氧基乙醇一同溶于N,N-二甲基甲酰胺中，然后100℃下反应1-3小时，反应结束后冷却至室温，分离提纯，真空干燥，得到蓝色固体，即式(I)所示结构的化合物。

步骤(1)中二氯异腈脲酸钠和KBr的摩尔比为1:2。

步骤(2)中1,4,5,8-萘四酸酐和DBI的摩尔比为1:2。

步骤(3)中化合物1和2-乙基己胺的摩尔比为1:5。

步骤(4)中化合物2和8-氨基喹啉的摩尔比为1:2.35。

步骤(5)中化合物3和2-氨基乙氧基乙醇的摩尔比为1:10。

步骤(3)中柱层析的淋洗剂是体积比为1:2的二氯甲烷和石油醚，步骤(4)中柱层析的淋洗剂是二氯甲烷。

步骤(5)中分离提纯的步骤具体为：将反应液倒入到水中，然后用二氯甲烷萃取三次，合并有机相并用无水硫酸钠干燥，用旋转蒸发仪除去二氯甲烷得到粗产品，以体积比为5:1的氯仿和乙酸乙酯为淋洗剂，经硅胶柱层析法分离提纯，得到式(I)所示结构的化合物。

上述以萘酰亚胺为核的比色-荧光双功能探针在铜离子和汞离子检测领域中的应用。

本发明还公开了上述化合物(I)作为双功能颜色-荧光探针检测铜离子和汞离子。并且该探针能吸附在试纸条上循环检测环境中的汞离子。

本发明具有以下优点和有益效果：

本发明制备条件温和，制备出的比色-荧光双功能探针具有良好的光电特性，不仅能肉眼可见地检测环境中的铜离子(如图2所示)，而且能利用荧光的变化检测环境中的汞离子(如图3所示)，特别是吸附在试纸条上时能够实现对汞离子的循环检测(如图4所示)。

附图说明

图1为式(I)所示的化合物NDI-6的合成路线图。

图2为紫外吸收条件下NDI-6对不同金属离子的识别图；其中，图2(A)为NDI-6对不同金属离子紫外吸收光谱图，其中，图2(B)为在铜离子的最大吸收波长下不同金属离子的吸收强度对比图。

图3为荧光条件下NDI-6对汞离子的滴定图和识别图；其中，图3(A)为NDI-6对汞离子的荧光滴定图，图3(B)为NDI-6对不同金属离子的荧光识别图谱。

图4为在365nm紫外灯照射下NDI-6试纸条循环可逆地检测汞离子的照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的描述。本领域技术人员应理解，下面的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并不用于限制本发明的范围。

下述实施例中所用的原料为市售产品，或可用本领域已知的方法合成得到。

实施例1化合物3和NDI-6的合成

(1)将二氯异腈脲酸钠(购于天津希恩思)(22g,100mmol)的水溶液(200mL)加入到KBr(23.8g,200mmol)的水溶液中(500mL)，机械搅拌反应24小时；反应结束后减压抽滤得到白色滤饼，烘干后得到白色块状固体DBI(22.8g,产率67.9％)，其结构式为

(2)将1,4,5,8-萘四酸酐(5g,18.6mmol)(购于上海达瑞)溶于60mL浓硫酸中，加热至130℃后，缓慢加入DBI(12.1g,37mmol)并继续反应20小时；反应结束后冷却到室温，将反应液缓慢地倒入冰水中，减压抽滤得到淡黄色固体，干燥之后得到化合物1(6.13g,产率77.6％)，其结构式为

(3)将化合物1(7.5g,18.1mmol)溶于300mL冰醋酸中，加热至130℃后加入2-乙基己胺(11.7g,90.5mmol)，氮气保护下回流反应6小时，反应结束后冷却至室温，减压抽滤得到红色滤饼，硅胶柱层析发分离提纯，以体积比为1:2的二氯甲烷和石油醚为淋洗剂，得到淡黄色粉末(3.33g,42.8％)，并用¹H NMR对结构进行表征，证明该淡黄色粉末确实为化合物2，即¹H NMR(300MHz,CDCl₃,25℃)δ(ppm):9.00(s,2H,ArH),4.17-4.14(br,4H,-CH₂-),1.94(m,2H,-CH-),1.39-1.25(br,16H,-CH₂-),0.96-0.87(br,12H,-CH₃)。

(4)在氮气保护下，将化合物2(334mg,0.51mmol)和8-氨基喹啉(176mg,1.2mmol)溶于10mLN,N-二甲基甲酰胺中，在100℃下搅拌反应4小时。反应结束后冷却至室温，倒入到100mL水中，有红色固体析出，减压抽滤得到红色滤饼。以二氯甲烷为淋洗剂，将粗产品经硅胶柱层析法分离提纯，真空干燥得到深红色固体(183mg,52.9％)，并用¹H NMR对结构进行了表征，证实该深红色固体确实为化合物3，即¹H NMR(300MHz,CDCl₃,25℃)δ(ppm):12.75(s,1H,ArNH),9.00(s,1H,ArH),8.94(d,J＝7.5Hz,2H,ArH),8.27(d,J＝7.2Hz,1H,ArH),7.94(d,J＝6.6Hz,1H,ArH),7.77(d,J＝7.8Hz,1H,ArH),7.65(s,1H,ArH),7.55(s,2H,ArH),7.26(m,1H,ArH),4.43-4.10(br,4H,-CH₂-),2.02-1.91(m,2H,-CH-),1.33-1.31(br,16H,-CH₂-),0.94-0.91(br,12H,-CH₃)。

(5)在氮气保护下，将化合物3(126mg,0.19mmol)和2-氨基乙氧基乙醇(196mg,1.86mmol)一同溶解在10mL N,N-二甲基甲酰胺中，然后在100℃下反应1小时；反应结束后冷却至室温，倒入100mL水中，然后用100mL二氯甲烷萃取三次，合并有机相并用无水硫酸钠干燥，用旋转蒸发仪除去有机溶剂得到粗产品，以体积比为5:1的氯仿和乙酸乙酯为淋洗剂，经硅胶柱层析法分离提纯，得到蓝色固体(70mg,50.7％)，用¹H NMR，¹³C NMR和MS对结构进行表征，证实得到的化合物确实为NDI-6，¹H NMR(300MHz,CDCl₃,25^℃)δ(ppm):12.27(s,1H,ArNH),9.81(s,1H,ArNH),9.02(d,J＝6.6Hz,2H,ArH),8.31(s,1H,ArH),8.22(d,J＝7.2Hz,1H,ArH),7.95(t,J＝4.2Hz,1H,ArH),7.59(d,J＝4.2Hz,2H,ArH),7.53-7.48(br,1H,ArH),4.27-4.12(br,2H,-CH₂-),4.09-4.06(br,2H,-CH₂-),3.88-3.67(br,8H,-CH₂-),2.01(m,2H,-CH-),1.42-1.31(br,16H,-CH₂-),0.96-0.87(br,12H,-CH₃).¹³C NMR(75MHz,CDCl₃,25^℃):166.47,166.00,163.38,163.07,149.68,149.35,144.52,141.09,136.50,136.12,129.08,126.70,125.90,125.00,122.73,122.32,121.84,121.10,119.09,116.45,105.60,101.75,72.69,69.66,61.86,44.20,42.71,37.76,30.63,28.53,23.93,23.00,14.03,10.57.C₄₃H₅₃N₅O₆元素分析的理论值:C 70.18,H 7.26,N 9.52.实际测量到的数值:C 70.07,H 7.07,N 9.60.HR-MS.736.4069.实际测量到的数值:736.4073。

性能测试

(1)NDI-6检测铜离子

将2mL NDI-6(2×10^-5mol/L)的丙酮溶液置于石英比色皿中(宽度为10mm)，在室温下，用紫外可见分光光度计测其紫外可见光谱。然后分别将2倍量的不同的金属离子加入到比色皿中，在相同条件下记录各自的紫外吸收光谱图，结果如图2所示。

(2)NDI-6荧光滴定汞离子

将2mL NDI-6(1×10^-5mol/L)的丙酮溶液置于石英比色皿中(宽度为10mm)，在室温下，用荧光分光光度计测其荧光光谱；然后分别将不用浓度的汞离子加入到比色皿中分别记录其荧光发射光谱；将2mL NDI-6(2×10^-5mol/L)的丙酮溶液置于石英比色皿中(宽度为10mm)，在室温下，用荧光分光光度计测其荧光发射光谱；然后分别将1倍量的不同的金属离子加入到比色皿中，在相同条件下记录各自的荧光发射光谱；结果如图3所示。

(3)NDI-6荧光试纸条

将长为2cm、宽为1cm的试纸条浸入浓度为4×10^-4mol/L的NDI-6的丙酮溶液中浸泡24小时之后自然晾干，在紫外灯365nm照射下拍照片；然后把试纸条浸入1×10^-2mol/L的汞离子溶液中浸泡5分钟后用吹风机吹干，在紫外灯365nm照射下拍照片；然后把试纸条浸入浓度为2×10^-2mol/L的碘化钾溶液中浸泡5分钟，用吹风机吹干后在紫外灯365nm下拍照片；如上述操作把同一张试纸条反复的浸入汞离子和碘化钾的水溶液中，然后吹风机吹干试纸条之后在紫外灯365nm照射下拍照；结果如图4所示，其中紫红色试纸条表示荧光turn on的状态，蓝色试纸条表示荧光turn off的状态。

以上结果表明，本发明制备的NDI-6能在可见光条件下实现对铜离子的肉眼检测，并且可以循环可逆地对汞离子进行荧光检测，通过制备成便于操作的试纸条可以反复利用实现对汞离子荧光检测。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。