专利名称：2，6-二胺甲基吡啶衍生物荧光化学传感器分子的合成及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及2，6-二胺甲基吡啶衍生物及类似物荧光化学传感器分子的合成及其在过渡金属和重金属离子荧光增强识别中的应用。
背景技术：
过渡金属及重金属广泛地存在于自然界中，其中的许多元素在人类活动中得到大量应用。因此，它们在自然界的分布发生了显著变化，这种改变对人类社会的可持续发展会产生不可忽视的影响。其中的一些元素在生命过程中具有不可替代的作用，而另外一些元素在很低浓度时，就对生命体具有很强的毒性。这些物质的检测对生命、环境和医学科学以及工、农业生产等都具有重要的意义。
荧光化学传感器检测技术应用于过渡金属及重金属离子的检测，可实现微环境的原位、实时检测。但通常由于过渡金属及重金属离子可通过自旋一轨道耦合以及电子或能量转移使荧光团淬灭，导致检测灵敏度下降。另外，金属离子及荧光化学传感器分子的识别基在水溶液中的溶剂化倾向强于有机溶剂，使荧光化学传感器分子与目标离子的结合性能下降。但实际上，能够在水溶液中使用的荧光化学传感器分子才具有广泛的实用价值。综上所述，设计、合成能够在水溶液中具有选择性的，并能实现荧光增强的荧光化学传感器分子还是一项具有挑战性的研究工作。目前已有的少数几个成功的范例，都是基于冠醚等大环化合物实现的。也有一些基于金属离子诱导的化学反应实现的非冠醚化合物的荧光增强的荧光探针的例子，但这些反应不能实现快速可逆，也就是说，这种荧光探针体系不能实现实时检测。
目前，由于现有技术中含杂原子的冠醚类大环化合物合成比较复杂，因此，设计一类结构相对简单、易于合成的荧光化学传感器分子化合物，在各种溶液中，特别适宜在水溶液中对过渡金属和重金属离子的选择性荧光增强识别，成为本发明要解决的主要目标。
发明内容
本发明是用于过渡金属和重金属离子选择性荧光增强识别检测的2，6-二胺甲基吡啶衍生物荧光化学传感器分子，该化合物具有以下结构通式
式中R1，R2，R3＝氢，卤素，C1-C12烷基，C1-C12烷氧基，羧基，酯基，羟基，苯基；X1，X2＝氮原子；F1，F2＝1-2个荧光发色团；Q1，Q2＝C1-C12亚烷基。
在上述通式的荧光化学传感器分子化合物结构中，具有一定半刚性构象的开链结构；带有多个氮原子的识别基，有利于识别基对特定半径及电子组成的金属离子的选择性结合；分子的两端连有荧光发色团，这两个荧光发色团通过光诱导电子转移(PET)受控于识别基部分的氮原子。当识别基中的氮原子与金属离子结合时，PET过程被阻断，两个荧光发色团同时变亮，有利于提高识别灵敏度。当选择连接两个可形成基激缔化合物的荧光团或能够发生能量共振转移的荧光团时，该荧光化学传感器分子，不仅能表现出开关效果，同时会出现更丰富的荧光变化。以4-胺基萘酰亚胺荧光团的荧光化学传感器分子为例，连接基则采用半刚性的哌嗪环，这是由于考虑到荧光化合物应具有适度的刚性以利于体系的电子转移，并可能有助于减弱由于过渡金属离子靠近化合物中的荧光团而可能发生的淬灭作用；同时具有一定柔性以便在络合金属离子时能作出适当的构型调整，增大络合的能力，从而降低检测下限。哌嗪环上与芳环相连的氨基成为荧光发色团的供电子基团，而脂肪部分则作为光诱导电子转移的电子给体以及金属离子结合功能基团的一部分，六元环骨架作为光诱导电子转移的路径。
4-胺基萘酰亚胺荧光团是一个强推-拉电子体系荧光团，具有很高的荧光量子产率和大的斯托克斯(Stokes)位移。在荧光发色团的推电子部位一侧通过连接基与识别部分(被识别物的受体部分)相连，这样的结构有利于电子授体向发色团的转移。
4-胺基萘酰亚胺荧光团是一个易于合成多种衍生物的荧光团，萘酰亚胺氮原子上连接长链烷基有助于通过疏水相互作用，使识别基部分接近环状构象，有利于识别。当然，长链烷基的引入会导致整个荧光化学传感器分子的疏水性，但可通过胶束增溶实现水溶液中的应用。在萘酰亚胺氮原子上连接2-(2-羟乙氧基)乙基反应性基团，有助于整个荧光化学传感器分子的亲水性，不仅便于荧光化学传感器分子在水溶液中的应用，而且为该分子的进一步衍生和固载提供了反应活性基团，固载于聚酯、聚醚、烯烃共聚物上做成传感器器件。
本发明所涉及的荧光化学传感器分子，可以方便地通过带伯胺基、仲胺基等反应活性基团的荧光化合物与2，6-二氯甲基吡啶(2，6-二溴甲基吡啶、2，6-二(甲基磺酸酯甲基)吡啶等)及其衍生物缩合得到。
本发明的荧光化学传感器分子可在水、有机溶剂(如甲醇，乙醇，乙丙醇，乙腈等)以及水与醇的混合溶液中对金属离子进行测定。如实施例3合成的化合物在乙醇和水(1∶9)的混合溶剂中(0.01M的三羟甲基氨基甲烷-HCl缓冲溶液中)，在多种金属离子如Hg2+，Cd2+，pb2+，Ag+，Zn2+，K+，Na+，Mg2+，Ca2+，Cr3+，Fe3+，Cu2+，Co2+，Ni2+等中，对Hg2+表现出极好的选择性荧光增强识别(荧光增强约10倍)。从目前的公开报道来看，本发明的Hg2+的荧光化学传感器分子是少数几个最成功的范例之一，而且，是其中唯一的具有非冠醚等大环简单识别基结构的荧光化学传感器分子。
图1是加入不同浓度汞离子时的荧光谱图；其中纵座标FI为荧光强度，横座标Em/nm为发射波长。图2是汞离子浓度与荧光强度的关系；其中纵座标为荧光强度，横座标[Hg2+]/10-5mol/L为汞离子浓度。图3是共存金属离子对汞识别的影响；其中纵座标FI为荧光强度，横座标为共存金属离子。
本发明设计、合成的一类2，6-二胺甲基吡啶衍生物荧光化学传感器分子具有结构相对简单，合成方法容易，在水溶液中对过渡金属和重金属离子的选择性荧光增强识别灵敏，并可实现器件化等特点，既可将其应用在生物组织、细胞、及亚细胞器等微环境中的过渡金属和重金属离子检测；还可通过荧光化学传感器分子中的反应性基团将其固载于聚酯、聚醚、烯烃共聚物上，实现器件化。
实施例2 将198mg(0.44mmol)的化合物(3)溶于20mL乙腈，然后加入35.2mg(0.20mmol)2，6-二氯甲基吡啶。搅拌，加热回流10小时，然后冷却、静置过夜。从反应混合物中滤出黄色固体，用柱色谱分离，得到产物(4)为黄色固体，收率80％，熔点122.9-123.9℃。1H NMR(CDCl3，400M)，δ0.87(t，6H，J＝6.8Hz)，1.24-1.41(m，36H，)，1.71(m，4H)，2.89(s，8H)，3.34(s，8H)，3.87(t，4H)，4.15(t，4H，j＝7.6)，7.21(d，J＝8Hz，2H)，7.43(d，J＝8Hz，2H)，7.67(t，J＝8Hz，2H)，7.72(t，J＝8Hz，1H)，8.41(d，J＝gHz，2H)，8.50(d，J＝8Hz，2H)，8.56(d，J＝8Hz，2H)。
实施例3 将163mg(0.44mmol)的化合物(5)溶于50mL乙腈，然后加入35.2mg(0.20mmol)2，6-二氯甲基吡啶。搅拌，加热回流10小时，然后冷却、静置过夜。从反应混合物中滤出黄色固体，用柱色谱分离，得到产物(6)为黄色固体，收率82％，熔点115.6-117.4℃。1H NMR(CDCl3，400M)，δ2.89(s，8H)，3.35(s，8H)，3.66(s，4H)，3.68(s，4H)，3.85(t，J＝5.3，4H)，3.86(s，4H，)，4.43(t，4H，j＝5.4)，7.21(d，J＝8Hz，2H)，7.42(d，J＝8Hz，2H)，7.67(t，J＝8Hz，2H)，7.72(t，J＝8Hz，1H)，8.41(d，J＝8Hz，2H)，8.50(d，J＝8Hz，2H)，8.56(d，J＝8Hz，2H)。
实施例4实施例3中的化合物(6)溶于乙醇和水的混合溶剂(1∶9)中，配制浓度为1.0×10-5mol/L的三羟甲基氮基甲烷盐酸盐(0.01M)的缓冲溶液，测定其荧光激发波长为410nm，最大发射波长为540nm(图1)。加入不同量的二价汞盐时荧光强度随之增加。从图2中可以看出汞盐浓度与荧光强度之间有比较好的线性区间，而且过量的汞盐也没有导致淬灭。
实施例5实施例4中的测试条件下，研究其它金属离子对化合物(6)识别汞的干扰情况。汞离子和化合物(6)浓度均为1.0×10-5mol/L，分别加入1.0×10-5mol/L和5.0×10-5mol/L的Zn2+，Cr3+，Ag+，Ca2+，Fe3+，pb2+，Mg2+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Cd2+，K+，通过与不加干扰离子的对比实验相比较发现，干扰离子对荧光强度的影响在15％以内(图3)。可见本发明的荧光化学传感器分子对Hg2+，具有的良好选择性。在其它金属离子比Hg2+浓度过量5倍时也不产生显著干扰。
权利要求
1.一类由半刚性开链结构、识别基团和荧光发色团构成的荧光化学传感器分子化合物，其特征在于这类化合物具有以下结构通式 式中R1，R2，R3＝氢，卤素，C1-C12烷基，C1-C12烷氧基，羧基，酯基，羟基，苯基；X1，X2＝氮原子；F1，F2＝1-2个荧光发色团；Q1，Q2＝C1-C12亚烷基。
2.按照权利要求1所述的荧光化学传感器分子化合物，其特征在于可将该化合物中荧光发色团萘酰亚胺氮原子上连接的2-(2-羟乙氧基)乙基反应性基团固载于聚酯、聚醚、烯烃共聚物上做成传感器器件。
3.一类具有权利要求1所述荧光化学传感器分子化合物的用途，其特征在于该类化合物可用于生物组织，细胞，亚细胞器，水，工业及生活污水，有机溶剂，乳液，悬浮液中的过渡金属和重金属离子选择性荧光增强识别检测。
4.按照权利要求3所述荧光化学传感器分子化合物的用途，其特征在于有机溶剂是甲醇、乙醇，乙丙醇，乙腈以及水与醇的混合溶剂。
5.按照权利要求3所述荧光化学传感器分子化合物的用途，其特征在于过渡金属和重金属离子是Hg2+，Cd2+，Pb2+，Ag+，Zn2+，Cr3+，Fe3+，Cu2+，Co2+，Ni2+。
全文摘要
本发明合成一类2，6－二胺甲基吡啶衍生物荧光化学传感器分子，并利用这类结构相对简单、易于合成的化合物实现在各种溶液中，特别是在水溶液中对过渡金属和重金属离子的选择性荧光增强识别。可将其应用在生物组织、细胞、及亚细胞器等微环境中的过渡金属和重金属离子检测，还可用于水、污水及水溶液、乳液、悬浮体系等中的过渡金属和重金属离子检测。所述的化合物通过荧光化学传感器分子中的反应性基团将其固载于聚合物或固体表面，实现器件化，应用于上述目的的荧光化学传感器器件的关键部分。
文档编号C07D213/127GK1477385SQ0317835
公开日2004年2月25日 申请日期2003年7月14日 优先权日2003年7月14日
发明者钱旭红, 郭祥峰, 贾丽华 申请人:大连理工大学