专利名称：用于二级pH传感的钌(Ⅱ)多吡啶配合物及其制备方法
技术领域：
本发明属于pH发光传感技术领域，特别是属于钌(II)多吡啶配合物制备及其具有在低pH值区和高pH值区分别响应的二级pH发光传感器特性。
传感器或敏感器(sensor)就是对某些性质或分析物发生响应的分子。通常，一个敏感器由一个分子识别组分及一个响应组分组成，前者具有在混合物中与特定物种相结合的能力，后者则能够在结合后立即产生一个与之相应的信号改变。受生物过程中自然复杂现象的启示，化学家们已成功地合成了许多复杂的有机分子，如王冠醚，穴状配体，球烷，及杯芳烃等，这些分子能与特定的离子或分子螯合，它们是分子识别的基础。一般说来，王冠醚及其相关化合物与特定物种结合后本身不能产生具有识别性的物理性质改变，而这正是信号传输及敏感的基础。为了克服这种困难，新一代的主体分子被用于该领域，其主要是基于过渡金属配合物的发光传感器。这种发光无机离子传感器由三部分组成(1)一个离子识别位置(2)对分析物发生结合响应的发光组分(3)识别位置及发光组分之间的化学连接。
尽管有许多发光过渡金属配合物，只有钌多吡啶配合物及铑三羰基α-二亚胺配合物已用于发光探针。这是由于它们的热稳定性、化学稳定性、水溶性、强的可见吸收、有效的发射及长寿命的激发态。而且由于它们的激发态是极性的，其激发态特性如发射量子效率，发射寿命及氧化还原势等在很大程度上会受到辅助配体，溶剂极性，及其他环境因素的影响。在光学传感器中常用的测量方法是吸收、发射或折射光谱，而发射技术具有内在的高灵敏度。由于发射波长总是长于入射波长，这样相对于零或近零背景读出信号是可能的，对于发射的扰动发射信号可以通过强度，强度比或寿命等形式来记录。过渡金属配合物做为发射探针有许多潜在优势，包括长的激发态寿命及高的发射量子产率。与典型的纳秒有机荧光探针相比，长的激发态寿命使得它们很容易测量，而且对无处不在的短寿命的有机发光物质提供了有效的时间区别。
基态吸收随pH变化的物质早已用于pH的定量测定及pH指示剂。但吸收光谱一般是相当不敏感的也难用于远距离光纤及小的pH测定。在发射光谱上具有pH依赖的发光分子可用作灵敏的pH指示剂。相当多的生命现象都是在一定的pH条件下进行的，正常细胞和肿瘤细胞中的pH有明显的差别。细胞中pH值的快速准确测定对于肿瘤诊断也是很有意义的，然而传统的pH计是无能为力的。具有灵敏度高、体积小、能远距离测定的发光pH传感器在这方面应该具有潜在的应用。尽管这种发光pH传感器还处于早期研究阶段，文献报道还不多见，其前景是很好的。1992年格里格首次在英国化学会志的化学通讯上(R．Grigg，E．D．J．A．Norgert，J．Chem．Soc．Chem．Commun．1992，1300．)报道了基于联吡啶钌配合物的发光pH传感器，它们是联吡啶钌通过亚甲基与各种胺相连，通过胺的质子化与去质子化来影响配合物的发射而产生pH敏感，配合物的发射性质随pH的变化而变化。1994年格里格又在英国化学会志的化学通讯(R．Grigg，J．M．Holmes，S．K．Jones，E．D．J．A．Norgert，J．Chem．Soc．Chem．Commun．1994，185．)报道了以联吡啶钌为发光单元，杯芳烃作为酸碱敏感单元的发光pH传感器，研究了这些化合物的发射随pH变化的特性。尽管报道的这些分子的发射性质具有pH敏感特性，但化合物的结构复杂，配体杯芳烃2，2＇-联吡啶及5，5＇-二甲基联吡啶不易合成合成，且对pH只是一级敏感(即只在一个特定pH范围内敏感，如pH1-6或者pH7-11)。
本发明的目的在于克服上述缺点，提供了一种结构简单的钌(II)多吡啶配合物，其结构特点是将含氮的电子给体共价键与钌配合物相连接，通过分子内电子转移实现了配合物的发射对pH的依赖，并利用含氮给体的质子化和去质子化实现其发射强度对pH在低值和高值区域分别响应，使其具有二级敏感的特性，用于高灵敏度二级发光pH传感器。且带有酸碱敏感基团的配体通过最容易得到的5，6-菲罗啉二酮与醛一步得到，且产率很高(70％-80％)。本发明的钌(II)多吡啶配合物的结构式如
图1所示。 本发明的钌多吡啶配合物的制备方法按如下步骤进行将Ru(bpy)2Cl2·2H2O与菲罗啉咪唑配体按1∶1摩尔比与水-乙醇(1∶1，v／v)溶剂回流4-8小时，冷却后过滤，将滤液除去溶剂，加入饱和高氯酸钠水溶液，得沉淀。将此沉淀用柱层析后经重结晶后得纯净的产物。溶剂为乙醇于水的混合溶剂，其体积比为2∶1～5∶1。柱层析可用硅胶或三氧化二铝，淋洗液为丙酮与甲苯的混合物，体积比为2∶1～5∶1。
Ru(bpy)2Cl2·2H2O的制法为将RuCl3·3H2O与2，2＇-联吡啶按摩尔比1∶1于二甲基甲酰胺中回流3小时，浓缩后析出紫黑色结晶，过滤即得。菲罗啉咪唑衍生物配体的合成为将5，6-菲罗啉二酮与取代的对氨基苯甲醛按1∶1的摩尔比加入2．5当量的醋酸铵在冰醋酸中回流1小时后，冷却，用浓氨水中和，此时析出黄色固体，过滤后用甲醇重结晶得到纯的菲罗啉咪唑衍生物配体。其中菲罗啉咪唑衍生物配体为通式图2 本发明制备的钌多吡啶配合物在可见光区有强的吸收，在低pH的水溶液中有强的发射，随pH的增加发射减弱，当pH增至含氮电子给体中氮原子去质子时，发射强度急剧减弱，表现出高的pH敏感性。在pH进一步升高到咪唑二级氮原子上的氢原子电离时，发光强度进一步减弱，这时表现出对pH的第二级敏感。因此本发明的配合物可用于二级敏感的发光pH传感器。
该发明利用了含氮强电子给体能有效地淬灭钌(II)多吡啶配合物的发射这一特点，设计了将含氮强电子给体共价键与钌配合物相连接的目标化合物，通过分子内电子转移实现了目标化合物的发射对pH的依赖，并利用了氮原子的质子化与去质子化及氢原子的电离等性质实现了对pH变化具有二级敏感的特性，即在pH3-6和pH9-11两个区域。目标化合物结构简单，制备易行，分子稳定，发射强且对pH变化敏感度高。可用于高灵敏度的二级发光pH传感器。
下面结合实施例详述本发明实施例1钌(II)吡啶配合物1的制备方法0．2mmol Ru(bpy)2Cl2·2H2O，0．2mmol，0．2mmol菲罗啉咪唑配体(结构为图2中，R=H)，20ml乙醇-水(3∶1，v／v)回流5小时，溶液变为棕红色。冷却后过滤，蒸去乙醇加入5ml水溶解后，再加入10ml饱和高氯酸钠水溶液，立即析出黄色沉淀，过滤，用硅胶柱层析，丙酮／甲苯(2∶1，v／v)淋洗得产物，产率75％。此化合物的鉴定紫外吸收λmax(CH3CN)453．5nm(ε=1．661×104)。核磁共振1HNMR(CD3CN)8．98-8．95(dd，2H)，8．57-8．50(q，4H)，8．41(s，1H)，8．07(ddd，2H)，7．99-7．96(m，4H)，7．84-7．82(dd，2H)，7．74-7．72(q，2H)，7．55-7．54(m，2H)，7．42(m，2H)，7．18(m，2H)。元素分析分子式Ru(C33H24N8)·2ClO4·3H2O，理论值C，44．71％，H，3．41％，N，12．64％，测量值C，45．24％，H，3．52％，N，12．93％。
在给定pH时，化合物1的吸收波长及发射量子产率于表一，其pKa值例于表二。其中含咪唑既是弱酸又是弱碱，故介质pH变化会影响其发射，化合物1有如下的平衡关系 当pH低时，发射主要来于质子化的配合物；pH高时，发射主要来自去质子的化合物1，故在pH0．35-13间发射出现两个明显的突变。
实施例2钌多吡啶配合物2(结构如图1中 制备方法同化合物1，所用菲罗啉咪唑配体为图2中R= 产率，58％。此化合物的鉴定紫外吸收λmax(CH3CN)457．5nm(ε=2．40×104)。核磁共振1HNMR(CD3CN)8．88(dd，2H)，8．57-8．51(t，4H)，8．07(t，2H)，7．94-7．83(m，8H)，7．64-7．59(m，4H)，7．43(t，2H)，7．23(t，2H)，6．70-6．67(d，2H)，2．96(s，6H)。元素分析分子式Ru(C41H33N9)·2ClO4·2H2O，理论值C，49．86％，H，3．78％，N，12．76％，测量值C，50．12％，H，3．85％，N，12．23％。在给定pH时化合物2的吸收波长，发射波长及发射量子产率例于表1，其pKa值例于表2。对于化合物2，存在下面的酸碱平衡关系 当pH＜1时，咪唑及N，N-二甲基苯胺上的三N原子均被质子化，随着pH的增加咪唑和苯胺上的N原子相继去质子化，2的发射有较大的减弱，故在低pH区域(pH＜6)，这种发射的减弱来源于苯胺向钌配合物的分子内电子转移，当pH进一步升高到达咪唑上二级N上的H发生电离，这时2的发射减弱来自于苯胺向配合物的电子转移及负离子本身使配合物物的发射减弱，敏感度大大提高。
表1．化合物1、2在给定pH时的吸收波长、发射波长及发射量子产率
表2．1、2的pka值 a经MLCT曲线得到，b经紫外的吸收变化得到。
权利要求
1．一种钌(II)多吡啶配合物，其特征在于将含氮的电子给体共价键与钌(II)配合物相连接，其通式为
2．根据权利要求1所述一种钌(II)多吡啶配合物的制法，其特征在于按如下步骤进行将二(2，2＇-联吡啶)-二氯-二水合钌(II)与菲罗啉咪唑衍生物按摩尔比1∶1在体积比为2∶1～5∶1的乙醇-水中回流5数小时，除去溶剂，进行硅胶柱层析，用1∶1～4∶1的丙酮／甲苯溶液作淋洗液淋洗。所述的菲罗啉咪唑衍生物配体的结构为通式
3．如权利要求2所述的一种钌(II)多吡啶配合物的制法，其特征在于所述的溶剂为乙醇与水的混合物，其体积比例为3∶1。
4．如权利要求2所述的一种钌(II)多吡啶配合物的制法．其特征在于所述的层析处理，可为硅胶或氧化铝层析柱，其淋洗液为丙酮与甲苯的混合物，体积比可为2∶1。
全文摘要
本发明涉及pH发光传感器技术领域,钌(Ⅱ)多吡啶配合物通式与结构如图所示其制法是将二(2,2′－联吡啶)－二氯－二水合钌(Ⅱ)与菲罗啉咪唑衍生物配体按摩尔比1∶1在溶剂中回流数小时,除去溶剂,经层析处理得到目标化合物。本发明的化合物是将含氮的电子给体共价键与钌配合物相连,通过分子内电子转移实现了配合物的发射对pH的依赖。并利用含氮给体的质子化和去质子化实现其发射强度对pH在低值和高值的区别响应,其具有二级敏感特性,可用于二级pH传感器。
文档编号C07D487/14GK1289774SQ9911964
公开日2001年4月4日 申请日期1999年9月24日 优先权日1999年9月24日
发明者张曼华, 敬炳文, 陈申, 沈涛, 沈建权 申请人:中国科学院化学研究所