本发明属于有机光电功能材料技术领域，具体涉及一种哌嗪修饰的四苯基乙烯衍生物及其应用，尤其涉及在芳硝基爆炸物2,4,6-三硝基苯酚(tnp)检测中的应用。
背景技术：
硝基芳烃包括硝基苯(nb)、4-硝基甲苯(4-nt)、2,4,6-三硝基苯酚(tnp)、2,4,6-三硝基甲苯(tnt)等是爆炸物的常见成分，它们具有较强的爆炸能力和较低的安全系数。目前，硝基化合物在国家安全和环境污染等方面受到了巨大的关注，因此，硝基化合物的检测显得尤为重要。
目前开发的芳硝基爆炸物的检测技术包括质谱、离子迁移谱、电化学方法和比色法等，但是这些常规的检测分析方法存在灵敏度低、选择性效果一般或检测响应时间长等缺点。
此外，硝基芳烃中的2,4,6-三硝基苯酚(tnp)是一种极具危险性的化学物质，当它与火焰接触或受到摩擦冲击时，就会发生剧烈爆炸。而且，tnp的摄取可引起人体中毒，轻者会有头痛、恶心、呕吐、腹痛等症状，重者会对其红细胞造成破坏。但是，所有的硝基炸药都显示出较强的电子亲和力，很难将tnp从其它硝基化合物中特异性的检测出来，因此，开发高效特异性检测tnp的方法则具有重要意义。
自2001年，唐课题组发现了聚集诱导发光(aie)现象以来，具有aie性能的荧光材料在化学与生物检测领域中的应用已经成为近年来研究的热点，用aie材料进行爆炸物的荧光检测也得到了高度重视。这是因为，一方面与常规爆炸检测分析方法相比，荧光检测方法具有高灵敏度，高选择性，响应时间短的优势；另一方面，aie材料可以在高浓度和聚集态下保持高效率的荧光，有助于进一步提高检测灵敏度。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种哌嗪修饰的四苯基乙烯衍生物，作为荧光探针分子检测芳硝基爆炸物，该荧光检测法灵敏度高，选择性强，响应时间短；而且能够特异性检测tnp。
一种哌嗪修饰的四苯基乙烯衍生物，其结构式如式ⅰ所示：
其中，r为烷基。
作为优选，所述的r为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基或叔丁基等；进一步优选，所述的r为叔丁基。
本发明还提供了上述哌嗪修饰的四苯基乙烯衍生物的制备方法，操作简单易行、反应条件温和，该制备方法为：在惰性气体保护下，1-(4′-溴苯基)-1,2,2-三苯基乙烯、4-(4′-碳酸酯基-1-哌嗪基)苯硼酸片呐醇酯和碳酸盐溶于有机溶剂a或者有机溶剂a与水的混合溶剂中，加入催化剂，进行suzuki偶联反应；待反应结束后，将产物混合物冷却至室温，后处理得到如式i所示的哌嗪修饰的四苯基乙烯衍生物。
步骤(1)中，所述的suzuki偶联反应的反应温度为80～100℃，反应时间为5～30小时。
步骤(1)中，所述的催化剂为四三苯基膦钯(pd(ph3p)4)，其用量为1-(4-溴苯基)-1,2,2-三苯基乙烯的质量的1～3％。
步骤(1)中，所述的碳酸盐的作用为提供碱性环境，其用量根据混合溶剂中水的用量确定百分比浓度为5～15％，根据原料和溶剂情况，可以在碳酸钠、碳酸钾、碳酸铯、碳酸锂中选择一种。
步骤(1)中，所述的有机溶剂a为四氢呋喃、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、二氧六环或环己酮。
步骤(1)中，所述的有机溶剂a与水的混合溶剂中水含量按体积比为5～30％。
步骤(1)中，所述的1-(4′-溴苯基)-1,2,2-三苯基乙烯和4-(4′-碳酸酯基-1-哌嗪基)苯硼酸片呐醇酯的摩尔比为1:1.1～2.0，具体比例根据所用溶剂和反应温度选择。
步骤(1)中，所述的惰性气体为高纯氮气、普通氮气或氩气。
步骤(2)中，所述的后处理包括浓缩、萃取、旋蒸和提纯操作；所述的浓缩操作，是指通过旋转蒸发除去有机溶剂a，留下少量含水液体；所述的萃取操作，是指浓缩后的残液用二氯甲烷和饱和食盐水的混合物萃取，其中二氯甲烷和饱和食盐水的体积比为0.5～3:1，合并有机相，弃掉水相；所述的旋蒸操作，是指通过旋转蒸发除去萃取液中的有机溶剂；所述的提纯操作，是指将产物混合物通过硅胶色谱柱分离，淋洗剂为二氯甲烷与石油醚(60～90℃)按照1:1的体积比配制的混合溶剂。
本发明提供的制备上述哌嗪修饰的四苯基乙烯衍生物的化学反应方程式如下：
本发明提供的上述哌嗪修饰的四苯基乙烯衍生物可以作为荧光探针分子用于检测芳硝基爆炸物。
本法明提供的哌嗪修饰的四苯基乙烯衍生物作为探针分子的识别单元为哌嗪基团、信号传感单元为具有aie性能的四苯基乙烯(tpe)基团，连接臂为苯环，通过共价键链接，连接臂苯环与信号传感单元tpe分子的苯环在同一平面内，形成大共轭π键体系，当哌嗪基团识别芳硝基爆炸物并与其结合后，探针分子大共轭π键体系遭到破坏，使其荧光性能改变，表现为荧光淬灭，从而达到识别芳硝基爆炸物的作用。
本发明提供了将式ⅰ所示的哌嗪修饰的四苯基乙烯衍生物作为荧光探针分子用于检测芳硝基爆炸物的方法，包括：
(a)以式i所示的哌嗪修饰的四苯基乙烯衍生物为荧光探针分子，以有机溶剂b为溶剂，配制浓度为1～10×10-6mol/l的溶液；
(b)向步骤(a)配制的溶液中加入水，配制哌嗪修饰的四苯基乙烯衍生物的悬浮液；
(c)向步骤(b)制得的悬浮液中，加入芳硝基爆炸物，检测悬浮液体系荧光强度随着芳硝基爆炸物含量的变化，绘制悬浮液体系荧光强度随着芳硝基爆炸物浓度变化的工作曲线，得出芳硝基爆炸物的最低检测限。
步骤(a)中，所述的有机溶剂b为四氢呋喃、乙腈、n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或二氧六环。
步骤(b)中，所述的水加入量与有机溶剂b的体积比为80～90％。
本发明提供的哌嗪修饰的四苯基乙烯衍生物荧光探针分子与tnp分子能够特异性的络合，打开探针分子中哌嗪环，连接臂苯环分子扭转，极大破坏了哌嗪修饰的四苯基乙烯衍生物荧光探针分子的大共轭体系，有鉴于此，本发明提供的荧光检测方法尤其适用于2,4,6-三硝基苯酚(tnp)的检测。
本发明提供的tnp检测方法简单，反应迅速，无需额外的催化剂；检测tnp灵敏度高，检出限低，tnp的最低检测限可达到微摩尔(μm)量级。
本发明制备所述的哌嗪修饰的四苯基乙烯衍生物所用的原料为商业化产品，成本低廉、易得，适合工业化生产，有望在环境污染和公共安全方面得到广泛应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的荧光检测物质的制备方法简单，反应条件温和，原料易得，成本低廉，适合工业化生产。
2、本发明提供的荧光检测方法简单，反应迅速，无需额外的催化剂即可完成检测。
3、本发明提供的荧光检测法灵敏度高，选择特异性强，响应时间短；而且能够特异性检测tnp，tnp的最低检测限可达到微摩尔量级。
附图说明
图1为本发明实施例1制备得到的1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯的核磁共振氢谱图。
图2为本发明实施例1制备得到的1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯的核磁共振碳谱图。
图3为本发明实施例1制备得到的1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯的红外谱图。
图4为本发明性能测试实例1中1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯的aie性能图；
图5为本发明应用实例1中1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯检测tnp的荧光光谱图。
图6为本发明应用实例1中1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯对tnp进行荧光检测时体系荧光强度随着tnp浓度变化的关系曲线。
图7为本发明应用实例1中1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯对tnp进行荧光检测时体系荧光强度随着tnp浓度变化的关系曲线上tnp浓度从1μm到6μm的部分。该区间体系荧光强度随着tnp浓度变化接近线性关系，有利于确定检测低限。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种哌嗪修饰的四苯基乙烯衍生物及其应用进行具体描述，但本发明并不限于这些实施例。该领域熟练技术人员根据上述发明内容对本发明核心思想指导下做出的非本质改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。
实施例11-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯的合成
在高纯氮气保护下，将411mg的1-(4′-溴苯基)-1,2,2-三苯乙烯、485mg的4-(4′-boc-1-哌嗪基)苯硼酸频哪醇酯和160mg的碳酸钠(摩尔比1︰1.2︰1.5)混合后溶于80ml的四氢呋喃和20ml的水(体积比为4:1)配制的混合溶剂中，待完全溶解后加入6.2mg的四三苯基膦钯催化剂，四三苯基膦钯催化剂的用量为1-(4′-溴苯基)-1,2,2-三苯乙烯的1.5wt％，在90℃油浴下回流。反应12小时后移去油浴，使体系自然冷却到室温。用旋转蒸发仪除去部分有机溶剂，使混合物浓缩至原来体积的1/3。然后用体积比为1︰2的二氯甲烷和饱和食盐水60ml对体系进行萃取，共萃取三次，收集有机相，并用无水硫酸钠对其进行除水处理，干燥剂用量视萃取液的体积确定，每100ml萃取液加入2g无水硫酸钠，静置8～12小时。常压过滤，除去吸水的干燥剂无水硫酸钠，在旋转蒸发仪上除去有机溶剂二氯甲烷和四氢呋喃；将得到的残留固体物用体积比为1︰1的石油醚(60～90℃)和二氯甲烷混合溶剂为洗脱剂用柱色谱法分离，最终得到化合物:1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯，产率76.6％。其化学结构用核磁氢谱、核磁共振碳谱和红外吸收光谱鉴定；核磁共振氢谱如图1所示，核磁共振碳谱如图2所示，红外吸收光谱谱图如图3所示。
实施例21-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯的合成
在普通氮气保护下，将411mg的1-(4′-溴苯基)-1,2,2-三苯乙烯、606mg的4-(4′-boc-1-哌嗪基)苯硼酸频哪醇酯和202mg的碳酸钾(摩尔比1︰1.5︰1.5)混合后溶于100ml的乙腈和20ml的水(体积比为5:1)配制的混合溶剂中，待完全溶解后加入8.2mg的四三苯基膦钯催化剂，四三苯基膦钯催化剂的用量为1-(4′-溴苯基)-1,2,2-三苯乙烯的2.0wt％，在100℃油浴加热下回流。反应10小时后移去油浴，使体系自然冷却到室温。用旋转蒸发仪除去部分有机溶剂，使混合物浓缩至原来体积的1/3。然后用体积比为1︰2的二氯甲烷和饱和食盐水60ml对体系进行萃取，共萃取三次，收集有机相，加入5g无水硫酸镁，静置8～12小时。常压过滤，除去吸水的干燥剂无水硫酸镁，在旋转蒸发仪上除去二氯甲烷的乙腈溶剂；将得到的残留固体物用体积比为1︰1的石油醚(60～90℃)和二氯甲烷混合溶剂为洗脱剂用柱色谱法分离，最终得到化合物:1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯，产率58.1％。其化学结构鉴定按照合成实例1进行。
实施例31-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯的合成
在氩气保护下，将410mg的1-(4′-溴苯基)-1,2,2-三苯乙烯、485mg的4-(4′-boc-1-哌嗪基)苯硼酸频哪醇酯和160mg的碳酸钠(摩尔比1︰1.2︰1.5)混合后溶于80ml的四氢呋喃和20ml的水(体积比为4:1)配制的混合溶剂中，待完全溶解后加入6.2mg的四三苯基膦钯催化剂，四三苯基膦钯催化剂的用量为1-(4′-溴苯基)-1,2,2-三苯乙烯的1.5wt％，在90℃油浴下回流。反应18小时后移去油浴，使体系自然冷却到室温。用旋转蒸发仪除去部分有机溶剂，使混合物浓缩至原来体积的1/3。然后用体积比为1︰2的二氯甲烷和饱和食盐水60ml对体系进行萃取，共萃取三次，收集有机相，并用4g无水硫酸镁对其进行除水处理，体系静置8～12小时。常压过滤，除去吸水的干燥剂，在旋转蒸发仪上除去有机溶剂；将得到的残留固体物用体积比为1︰1的石油醚(60～90℃)和二氯甲烷混合溶剂为洗脱剂用柱色谱法分离，最终得到化合物:1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯，产率77.5％。其化学结构鉴定按照合成实例1进行。
实施例41-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯的合成
在高纯氮气保护下，将1234mg的1-(4′-溴苯基)-1,2,2-三苯乙烯、1578mg的4-(4′-boc-1-哌嗪基)苯硼酸频哪醇酯和636mg的碳酸钠(摩尔比1︰1.3︰2.0)混合后溶于120ml的二氧六环和30ml的水(体积比为4:1)配制的混合溶剂中，待完全溶解后加入22.2mg的四三苯基膦钯催化剂，四三苯基膦钯催化剂的用量为1-(4′-溴苯基)-1,2,2-三苯乙烯的1.8wt％，在90℃油浴下回流。反应12小时后移去油浴，使体系自然冷却到室温。用旋转蒸发仪除去部分有机溶剂，使混合物浓缩至原来体积的1/3。然后用体积比为1︰2的二氯甲烷和饱和食盐水60ml对体系进行萃取，共萃取四次，收集有机相，并用8g无水硫酸镁对其进行除水处理，体系静置12小时。常压过滤，除去吸水的干燥剂，在旋转蒸发仪上除去溶剂；将得到的残留固体物用体积比为1︰1的石油醚(60～90℃)和二氯甲烷混合溶剂为洗脱剂用柱色谱法分离，最终得到化合物:1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯，产率81.1％。其化学结构鉴定按照合成实例1进行。
实施例51-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯的合成
在高纯氮气保护下，将410mg的1-(4′-溴苯基)-1,2,2-三苯乙烯、485mg的4-(4′-boc-1-哌嗪基)苯硼酸频哪醇酯和112mg的碳酸锂(摩尔比1︰1.2︰1.5)混合后溶于80ml的四氢呋喃和20ml的水(体积比为4:1)配制的混合溶剂中，待完全溶解后加入6.2mg的四三苯基膦钯催化剂，四三苯基膦钯催化剂的用量为1-(4′-溴苯基)-1,2,2-三苯乙烯的1.5wt％，在90℃油浴下回流。反应18小时后移去油浴，使体系自然冷却到室温。用旋转蒸发仪除去部分有机溶剂，使混合物浓缩至原来体积的1/3。然后用体积比为1︰2的二氯甲烷和饱和食盐水60ml对体系进行萃取，共萃取三次，收集有机相，并用无水硫酸钠对其进行除水处理，干燥剂用量视萃取液的体积确定，每100ml萃取液加入2g无水硫酸镁，静置8小时。常压过滤，除去吸水的干燥剂，在旋转蒸发仪上除去溶剂；将得到的残留固体物用体积比为1︰1的石油醚(60～90℃)和二氯甲烷混合溶剂为洗脱剂用柱色谱法分离，最终得到化合物:1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯，产率69.5％。其化学结构鉴定按照合成实例1进行。
实施例61-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯的合成
在高纯氮气保护下，将615mg的1-(4′-溴苯基)-1,2,2-三苯乙烯、728mg的4-(4′-boc-1-哌嗪基)苯硼酸频哪醇酯和202mg的碳酸钾(摩尔比1︰1.5︰1.5)混合后溶于100ml的n,n-二甲基甲酰胺和20ml的水(体积比为5:1)配制的混合溶剂中，待完全溶解后加入8.2mg的四三苯基膦钯催化剂，四三苯基膦钯催化剂的用量为1-(4′-溴苯基)-1,2,2-三苯乙烯的2wt％，在100℃油浴加热下反应8小时后移去油浴，使体系自然冷却到室温。用旋转蒸发仪在减压下除去部分有机溶剂，使混合物浓缩至原来体积的1/3。然后用体积比为1︰2的二氯甲烷和饱和食盐水50ml对浓缩液萃取三次，收集合并有机相，并用4g无水硫酸镁对其进行除水处理，静置8～12小时。常压过滤，除去吸水的干燥剂，在旋转蒸发仪上除去溶剂；将得到的残留固体物用体积比为1︰1的石油醚(60～90℃)和二氯甲烷混合溶剂为洗脱剂用柱色谱法分离，最终得到化合物:1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯，产率72.3％。其化学结构鉴定按照合成实例1进行。
aie性能测试实例1
本发明所述的四苯基乙烯衍生物具有aie性能，检测步骤为:
将实例例1制备得到的1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯溶解于四氢呋喃中，配制成浓度为1×10-4m的母液。取1ml母液转移至10ml容量瓶中，加入计算量的四氢呋喃，在快速搅拌下滴加去离子水定容，最终配制成浓度为1×10-5m且含水量分别为0～90％的混合溶液，其含水量为体积百分数。
迅速将上述各溶液转移到荧光光谱仪的样品架上进行荧光光谱测试，激发波长选择350nm，选择依据为溶液的紫外可见吸收光谱的最低能量的吸收峰的波长。测试仪器为perkinelmerls55型荧光光谱仪，测得的荧光光谱图归纳在图4中，由图中的光谱可知，当化合物的四氢呋喃溶液中水含量达到30％时，化合物i的荧光开始出现；随水含量的增加，荧光强度逐渐增强，表明该化合物具有aie性能。
aie性能测试实例2
本发明所述的四苯基乙烯衍生物具有aie性能，测试步骤为:
将实例例1制备得到的1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯溶解于乙腈溶剂中，配制成浓度为1×10-4m的母液。取1ml母液转移至10ml容量瓶中，加入计算量的乙腈，在快速搅拌下滴加去离子水定容，最终配制成浓度为1×10-5m且含水量分别为0～90％的混合溶液，其含水量为体积百分数。
迅速将上述各溶液转移到荧光光谱仪的样品架上进行荧光光谱测试，激发波长选择350nm，选择依据为溶液的紫外可见吸收光谱的最低能量的吸收峰的波长。测试仪器为perkinelmerls55型荧光光谱仪。当化合物的乙腈溶液中水含量达到50％时，化合物i的荧光开始出现；随水含量的继续增加，荧光强度逐渐增强，表明该化合物具有aie性能。
aie性能测试实例3
本发明所述的四苯基乙烯衍生物具有aie性能，测试步骤为:
将实例例1制备得到的1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯溶解于二氧六环中，配制成浓度为1×10-4m的母液。取1ml母液转移至10ml容量瓶中，加入计算量的二氧六环，在快速搅拌下滴加去离子水定容，最终配制成浓度为1×10-5m且含水量分别为0～90％的混合溶液，其含水量为体积百分数。
迅速将上述各溶液转移到荧光光谱仪的样品架上进行荧光光谱测试，激发波长选择350nm，选择依据为溶液的紫外可见吸收光谱的最低能量的吸收峰的波长。测试仪器为perkinelmerls55型荧光光谱仪。当化合物的四氢呋喃溶液中水含量达到50％时，化合物i的荧光开始出现；随水含量的增加，荧光强度逐渐增强，表明该化合物具有aie性能。
aie性能测试实例4
本发明所述的四苯基乙烯衍生物具有aie性能，测试步骤为:
将实例例1制备得到的1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯溶解于二甲基亚砜中，配制成浓度为1×10-4m的母液。取1ml母液转移至10ml容量瓶中，加入计算量的二甲基亚砜，在快速搅拌下滴加去离子水定容，最终配制成浓度为1×10-5m且含水量分别为0～90％的混合溶液，其含水量为体积百分数。
迅速将上述各溶液转移到荧光光谱仪的样品架上进行荧光光谱测试，激发波长选择350nm，选择依据为溶液的紫外可见吸收光谱的最低能量的吸收峰的波长。测试仪器为perkinelmerls55型荧光光谱仪。当化合物的二甲基亚砜溶液中水含量达到60％时，化合物i的荧光开始出现；随水含量的增加，荧光强度逐渐增强，表明该化合物具有aie性能。
aie性能测试实例5
本发明所述的四苯基乙烯衍生物aie性能，检测步骤为:
将实例例1制备得到的1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯溶解于n,n-二甲基甲酰胺中，配制成浓度为1×10-4m的母液。取1ml母液转移至10ml容量瓶中，加入计算量的n,n-二甲基甲酰胺，在快速搅拌下滴加去离子水定容，最终配制成浓度为1×10-5m且含水量分别为0～90％的混合溶液，其含水量为体积百分数。
迅速将上述各溶液转移到荧光光谱仪的样品架上进行荧光光谱测试，激发波长选择350nm，选择依据为溶液的紫外可见吸收光谱的最低能量的吸收峰的波长。测试仪器为perkinelmerls55型荧光光谱仪。当化合物的n,n-二甲基甲酰胺溶液中水含量达到60％时，化合物i的荧光开始出现；随水含量的增加，荧光强度逐渐增强，表明该化合物具有aie性能。
tnp检测应用实例1
本发明所述的aie分子可以用于检测tnp，检测步骤为:
将1-(4′-boc-1-哌嗪基苯基)-1,2,2-三苯乙烯浓度为1×10-5m且含水量分别为90％的有机溶剂/水混合溶液作为荧光检测介质，其中有机溶剂为四氢呋喃、乙腈、二氧六环、二甲基亚砜、n,n-二甲基甲酰胺中的一种，其中水含量为体积百分比。以四氢呋喃/水混合溶剂为例，向荧光检测介质中加入tnp，tnp的浓度从1ⅹ10-6m逐渐增大到5ⅹ10-5m。随着tnp浓度的增大，检测体系的荧光强度逐渐减弱。加入1ⅹ10-6m的tnp即可引起检测体系的荧光强度的明显下降，图5所示的数据说明荧光强度下降10％。将荧光强度i对tnp浓度作图，得到图6和图7所示的体系荧光强度随着tnp浓度变化的关系曲线，通过曲线上确定tnp检测低限在1ⅹ10-6m。
使用乙腈、二氧六环、二甲基亚砜、n,n-二甲基甲酰胺作为有机溶剂时的检测方法与上述tnp检测应用实例1相同。