具有AIE效应的苯并噻唑‑三苯胺染料及其制备方法与应用与流程

本发明涉及氰根离子的检测，特别是涉及一种具有AIE效应的苯并噻唑-三苯胺类的化合物及其制备方法，以及一种应用该染料检测氰根离子的方法，这是一种可以在水溶液中快速高效检测氰根离子的染料。

技术背景：

在药品、保健品、食品、环境科学以及工业生产等领域，均广泛涉及到阴离子的检测。其中氰化物是合成树脂、医药、农药、杀虫剂、化肥等的重要原料，被广泛应用于各个领域中。但是氰化物作为剧毒物质，微量的氰根离子可以与体内细胞色素氧化酶中的三价铁结合，从而使细胞失去了运输氧气的作用，造成机体缺氧引起中毒甚至死亡。世界卫生组织规定，正常饮水中氰根离子的含量应低于1.9μM(World Health Organization Guidelines for Drinking Water Quality(World Health Organization，Geneva).2011.)。因此寻找可以快速，高效，便捷的对氰根离子进行检测的方法在生命科学、环境检测领域有重要的应用。到目前为止，虽然人们已经提出了多种检测氰根离子的方法，但是许多方法需要昂贵的仪器和复杂的操作，例如原子吸收分光光度法、火焰光度法和离子选择电极等，严重制约了这些方法的推广使用。因此，开发操作简便、选择性好且成本低廉的氰根离子检测方法具有非常重要的意义。近年来，在离子检测领域，荧光法由于操作简单，仪器易得等原因而成为研究的热点。

然而荧光检测氰根离子仍然存在两个主要问题：聚集荧光淬灭效应(aggregation caused quenching，ACQ)和难以在水溶液中进行检测。Bin Chen等设计合成系列含有二氰基荧光探针可以在二氯甲烷溶液中检测氰根离子(Chen B，Ding Y，Li X，et al.Chemical Communications，2013，49(86)：10136-10138.)，此体系是在有机溶剂中检测氰根离子，并不利于实际应用。唐本忠实验团队在2001年提出的具有聚集诱导发光效应(aggregation induced emission，AIE)的荧光分子为解决以上两个主要问题提供了新思路。所谓聚集诱导发光效应是指在纯有机溶液状态下不显示荧光，但在聚集状态或固体状态下有强烈荧光。杨小东等设计合成了一种三苯胺类的具有聚集诱导发光效应的荧光探针，可以在水溶液中检测氰根离子，同时避免了ACQ效应(Yang X，Chen X，Lu X，et al..Journal of Materials Chemistry C，2016，4(2)：383-390.)。中国发明专利申请2015107999552(2016.2.17)公开了一种应用三苯胺类染料检测氰根离子的方法。该方法由以下步骤组成：(1)将三苯胺类染料溶解在亲水性有机溶剂中，制备得到三苯胺类染料储备液，取三苯胺类染料储备液用水稀释后得到含三苯胺类染料水溶液；(2)滴加待检测样品，在波长为365nm光激发下，观察水溶液荧光是否淬灭，如果溶液荧光淬灭，则说明样品中含有氰根离子、亚硫酸根离子或三价铁离子，进一步通过核磁共振氢谱辅助区分，确定是否含有氰根离子。但该方法存在一个重大的缺陷是氰根离子、亚硫酸根离子或三价铁离子皆能淬灭该染料，还需通过核磁等光谱分析来判定是否是氰根离子，会增加检测成本。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有AIE效应的苯并噻唑-三苯胺染料及其制备方法，该染料水溶液可以高选择性、高灵敏度，不受其他阴离子干扰，检出限低至ppm级别，检测成本低和操作便捷的检测氰根离子的方法，可以克服在氰根离子检测领域遇到的成本高、操作复杂且检测不灵敏等问题。

本发明另一目的在于提供苯并噻唑-三苯胺染料在检测氰根离子的应用。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种苯并噻唑-三苯胺染料，其结构式为(I)所示：

本发明苯并噻唑-三苯胺染料采用本领域常用方法合成，可以由苯并噻唑-2-乙腈和二苯氨基-4-苯甲醛反应得到。

本发明合成方法由反应式(II)表示：

本发明苯并噻唑-三苯胺染料的制备方法：将苯并噻唑-2-乙腈和二苯氨基-4-苯甲醛溶解在无水乙醇中，加入乙酸铵，常温搅拌反应；经过过滤获得粗产物，通过重结晶，获得纯 产物苯并噻唑-三苯胺染料。

优选地，所述苯并噻唑-2-乙腈和二苯氨基-4-苯甲醛的摩尔比为1:1-1.2；每10mmol苯并噻唑-2-乙腈加入0.5-l mL三乙胺；每10mmol苯并噻唑-2-乙腈加入50-100mL无水乙醇。

优选地，所述重结晶通过二氯甲烷-无水乙醇混合溶液进行重结晶。进一步地，按照体积百分比算，重结晶的溶液中二氯甲烷的含量为5％-15％。

优选地，所述常温搅拌反应的时间为20-30小时。

本发明所述的苯并噻唑-三苯胺染料的具有AIE效应，因此，该染料可完全应用于水溶液体系中，荧光光谱在580nm处有一强荧光峰，在365nm光激发下显示橘红色荧光。溶液中加入氰根离子会使其荧光发生淬灭。

本发明保护所述苯并噻唑-三苯胺染料在检测氰根离子的应用。检测方法由以下步骤组成：

1)将苯并噻唑-三苯胺染料溶解于亲水性的有机溶剂中，制备成染料储备液；用蒸馏水将染料储备液稀释成染料水溶液；按体积百分比计，亲水性有机溶剂含量为0.1-10％，该染料水溶液中苯并噻唑-三苯胺染料的浓度为5-20μM；

2)加入待检测样品，在波长为365nm的激发光照射，观察水溶液的荧光变化情况，若荧光发生淬灭，待测溶液中含有氰根离子，进一步通过核磁共振谱图辅助分析，确认是否含有氰根离子。

优选地，所述的亲水性有机溶剂是乙睛、THF、DMF或者DMSO；含染料水溶液中，按体积百分比计，亲水性有机溶剂含量为0.1％；所述的染料水溶液的苯并噻唑-三苯胺染料的浓度为5μM。

优选地，所述的氰根离子的浓度根据测定待测试样品荧光滴定氰根离子的工作曲线计算，在580nm处荧光强度，从工作曲线计算出氰根离子含量；待测试样品荧光滴定氰根离子的工作曲线通过如下方法得到：配制浓度为1mM的染料乙腈溶液；配制浓度为10mM的四正丁基氰化铵的水溶液；取50μL染料乙腈溶液于10mL容量瓶中；量取不同体积的四正丁基氰化铵的水溶液，加入上述容量瓶中，用蒸馏水稀释到10mL，配制成含有不同浓度的氰根离子标准测试溶液。在激发波长为455nm的测试条件下，获得其荧光光谱，得到波长为580nm处的荧光强度-氰根离子浓度的工作曲线。

本发明所述的苯并噻唑-三苯胺类染料的荧光光谱在580nm处显示非常强的荧光峰，荧光颜色为橘红色；加入一定量的氰根离子后，其荧光发生淬灭。其原理是，氰根离子可 以和染料上的乙烯基发生加成反应，影响体系的超共扼效应，导致荧光淬灭。

本发明所述的三苯胺类染料对氰根离子具有专一选择性，而其他阴离子如HSO₄^–,SO₄^2–,HSO₃^–,CH₃COO^–,Cl^–,Br^–,I^–,F^–,NO₃^–和H₂PO₄^–都不能淬灭该染料的荧光。并且，上述阴离子的存在不会对氰根离子的检测造成任何干扰。

本发明苯并噻唑-三苯胺类染料结构及其在检测氰根离子中的应用，目前尚没有文献报道。

本发明所述的苯并噻唑-三苯胺染料具有很好的选择性，对氰根离子有专一的荧光响应，其他阴离子对染料的荧光没有任何的影响。氰根离子通过亲和加成反应进攻苯并噻唑-三苯胺类染料结构中的乙烯基，破坏结构的共轭平面，使得荧光淬灭，而其他阴离子并不存在对乙烯基的亲核加成。因此相比较于专利2015107999552的物质，该苯并噻唑-三苯胺染料对氰根离子有很好的选择性，可以一步到位检测样品溶液中的氰根离子，减少操作的步骤，减低检测成本。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

该苯并噻唑-三苯胺染料合成步骤简便，分子内共轭平面大，其荧光发射波长为580nm，荧光颜色为橘红色，具有很强的穿透性。该结构具有AIE效应，可以在水溶液中对氰根离子进行检测，可以广泛应用于实际生活生产中。使用苯并噻唑-三苯胺染料，提供了一种高选择性、高灵敏度、低检出限，低成本的氰根离子检测方法，有效解决现有的氰根离子检测方法，如原子吸收分光光度法、火焰光度法、比色法、电子探针微量分析法和离子选择电极法等，带来的检测成本高，操作复杂，样品用量大及不能连续检测等问题。

附图说明

图1为实施例1染料与不同浓度阴离子的荧光光谱图。

图2为实施例7添加不同浓度氰根离子后染料的荧光光谱图，其中染料浓度为5μM。

图3为实施例7添加氰根离子和其他阴离子后染料的580nm处的荧光强度，其中染料浓度为5μM，氰根离子浓度为50μM，其他阴离子浓度为50μM。

图4为实施例7中三苯胺类染料水溶液分别加入不同类型干扰阴离子时在发射波长为580nm处的荧光强度图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限如此。

实施例1

1.苯并噻唑-三苯胺染料的制备方法

称取1.7422g苯并噻唑-2-乙腈(10mmol)和2.731g二苯氨基-4-苯甲醛(10mmol)于100mL的烧瓶中，加入50mL的无水乙醇溶解，在0.5mL乙酸铵的催化下常温搅拌反应24h。然后经过过滤获得粗产物，通过二氯甲烷(5mL)-无水乙醇(50mL)混合溶液进行重结晶，获得纯产物3.125g，呈橙红固体。产率73％。

2.化合物的表征

¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ(ppm):8.01(s,1H),7.94(d,1H),7.78(t,3H),7.39(t,1H),7.25(m,5H),7.08(m,6H),6.93(d,2H).

¹³C NMR(100MHz,CDCl₃)δ(ppm):163.91,153.75,151.58,146.18,145.98,134.79,132.26,129.78,126.75,126.30,125.49,125.23,124.47,123.16,121.59,119.72,117.55,100.71,77.43,77.12,76.80.

IR(cm^-1,KBr):3750,3056,2360,2333,2205,1700,1566,1506,1482,1426,1331,1295,1164,1069,980,914,819,754,724,700,617,587,533,498.

HR-MS(ESI):C₂₈H₁₉N₃S m/z,429for[M+Na]⁺:452.1203.

Elemental analysis:calcd C,78.73；H,4.157；N,9.827；Found C,78.44；H,4.20；N,9.95.

Mp:195.7-196.8℃

上述检测结果分析证实制备合成的化合物为化学式(I)所示得结构。

3.苯并噻唑-三苯胺的AIE效应

(1)配制浓度为1mM的染料乙腈溶液，分别取50μL染料乙腈溶液11份，分别加入不同比例的水和乙腈溶液稀释至10mL，其中蒸馏水的含量分别为99.9％，90％，80％，70％，60％，50％，40％，30％，20％，10％，0.1％。

(2)图1为染料与不同浓度阴离子的荧光光谱图。在365nm激光下观察染料水溶液的荧光变化，当蒸馏水溶液含量少时没有荧光，只有在蒸馏水含量高于为70％时，溶液逐渐呈现橙红色荧光并逐渐增强，由此可知苯并噻唑-三苯胺染料具有聚集诱导发光效应(AIE),可以应用在水溶液检测中。由于水含量99.9％和90.0％溶液的荧光强度差别并不影响该染料在水溶液中的应用，所以在对氰根离子检测的应用中使用水含量为90.0-99.9％(即有机溶剂含量为0.01-10％)。

实施例2

利用染料检测氰根离子

(1)配制浓度为1mM的染料乙腈溶液，分别取50μL染料乙腈溶液2份，都加入蒸 馏水稀至10mL，得到2份染料水溶液；

(2)配制浓度为5mM的四正丁基氰化铵水溶液，浓度为5mM的亚硫酸钠水溶液；

(3)在2份10mL染料水溶液中分别滴加步骤(2)所配制的四正丁基氰化铵水溶液和亚硫酸钠水溶液各0.l mL，混合均匀后，在365nm光激发下观察染料水溶液的荧光变化。

结果显示，加入四正丁基氰化铵水溶液后，染料水溶液的荧光淬灭，而加入亚硫酸钠的水溶液后，染料水溶液的荧光保持不变。由此说明本发明的染料对氰根离子显示出专一的选择性和优秀的荧光识别能力。这有利该染料的在复杂样品溶液中检测氰根离子的实际应用，不需要其他物质即可以实现对氰根离子的检测。

实施例3

利用染料检测氰根离子

(1)配制浓度为2mM的染料DMSO溶液，分别取50μL染料DMSO溶液2份，都加入蒸馏水稀至10mL，得到2份染料水溶液；

(2)配制浓度为10mM的四正丁基氰化铵水溶液，浓度为10mM的碘化钠水溶液；

(3)在2份10mL染料水溶液中分别滴加步骤(2)所配制的四正丁基氰化铵水溶液和碘化钠水溶液各0.l mL，混合均匀后，在365nm光激发下观察染料水溶液的荧光变化。

结果显示，加入四正丁基氰化铵水溶液后，染料水溶液的荧光淬灭，而加入碘化钠的水溶液后，染料水溶液的荧光保持不变。此结果表明，染料对氰根离子显示出选择性和荧光识别能力。

实施例4

利用染料检测氰根离子

(1)配制浓度为2mM的染料THF溶液，分别取50μL染料THF溶液2份，都加入蒸馏水稀至10mL，得到2份染料水溶液；

(2)配制浓度为10mM的四正丁基氰化铵水溶液，浓度为10mM的硫酸钠水溶液；

(3)在2份10mL染料水溶液中分别滴加步骤(2)所配制的四正丁基氰化铵水溶液和硫酸钠水溶液各0.l mL，混合均匀后，在365nm光激发下观察染料水溶液的荧光变化。

结果显示，加入四正丁基氰化铵水溶液后，染料水溶液的荧光淬灭，而加入硫酸氢钠的水溶液后，染料水溶液的荧光保持不变。此结果表明，染料对氰根离子显示出选择性和荧光识别能力。

实施例5

利用染料检测氰根离子

(1)配制浓度为3mM的染料DMF溶液，分别取50μL染料DMF溶液2份，都加入蒸馏水稀至10mL，得到2份染料水溶液；

(2)配制浓度为15mM的四正丁基氰化铵水溶液，浓度为15mM的亚硫酸氢钠水溶液；

(3)在2份10mL染料水溶液中分别滴加步骤(2)所配制的四正丁基氰化铵水溶液和亚硫酸氢钠水溶液各0.l mL，混合均匀后，在365nm光激发下观察染料水溶液的荧光变化。

结果显示，加入四正丁基氰化铵水溶液后，染料水溶液的荧光淬灭，而加入亚硫酸氢钠的水溶液后，染料水溶液的荧光保持不变。此结果表明，染料对氰根离子显示出选择性和荧光识别能力。

实施例6

利用染料检测氰根离子

(1)配制浓度为1mM的染料乙腈溶液，分别取50μL染料乙腈溶液2份，都加入蒸馏水稀至10mL，得到2份染料水溶液；

(2)配制浓度为5mM的四正丁基氰化铵水溶液，浓度为5mM的氟化钠水溶液；

(3)在2份10mL染料水溶液中分别滴加步骤(2)所配制的四正丁基氰化铵水溶液0.lmL，然后一份滴加氟化钠水溶液0.l mL，另一份滴加蒸馏水0.l mL，混合均匀后，在365nm光激发下观察染料水溶液的荧光变化。

结果显示，同时加入四正丁基氰化铵水溶液和氟化钠水溶液后，染料水溶液的荧光淬灭，这和单独加入正四丁基氰化铵水溶液同样的淬灭效果。此结果表明，氟离子对氰根离子的检测识别没有干扰，染料对氰根离子显示出选择性和荧光识别能力。

实施例7

以下以化学式(I)的染料为例，说明苯并噻唑-三苯胺类染料可应用在检测氰根离子，作为检测氰根离子的荧光探针。

1.荧光检测染料对氰根离子的选择性

(1)配制浓度为1mM的染料乙腈溶液，取50μL染料乙腈溶液11份，都用蒸馏水稀释到10mL，得到11份染料水溶液。

(2)分别配制浓度为5mM的NaHSO₃,CH₃COONa,KBr,NaCl,正四丁基氰化铵,KI,NaNO₃,NaH₂PO₄,Na₂SO₄,NaHSO₄和NaF的水溶液。

(3)取10mL染料水溶液11份，分别滴加NaHSO₃,CH₃COONa,KBr,NaCl,正四丁基氰化铵,KI,NaNO₃,NaH₂PO₄,Na₂SO₄,NaHSO₄和NaF的水溶液，混合均匀后，在365nm 光激发下观察染料水溶液的荧光变化。

结果发现，染料水溶液原本的荧光颜色是橘红色，加入四正丁基氰化铵水溶液后，三染料水溶液的荧光淬灭；而加入NaHSO₃,CH₃COONa,KBr,NaCl,KI,NaNO₃,NaH₂PO₄,Na₂SO₄,NaHSO₄和NaF的水溶液，染料水溶液的荧光颜色基本保持不变。因此该染料对氰根离子显示出选择性和荧光识别能力。

检测上述溶液的荧光光谱图如图2所示。结果发现，加入氰根离子，溶液的荧光光谱中580nm处的荧光峰消失；而加入其他阴离子，溶液的荧光强度变化较小。因此，该染料对氰根离子显示出良好的选择性。

2.荧光滴定氰根离子的工作曲线

(1)配制浓度为1mM的染料乙腈溶液；配制浓度为5mM的四正丁基氰化铵的水溶液；

(2)取50μL染料乙腈溶液于10mL容量瓶中；量取不同体积的四正丁基氰化铵的水溶液，加入上述容量瓶中，用蒸馏水稀释到10mL，配制成含有不同浓度的氰根离子标准测试溶液。在激发波长为455nm的测试条件下，获得其荧光光谱，得到波长为580nm处的荧光强度-氰根离子浓度的工作曲线。测试结果见附图3；用非线性最小二乘法计算得到三苯胺类染料与氰根离子的结合常数为5.88*10⁷M^-1。

3.氰根离子浓度检测

采用上述制备的工作曲线，用待测试样品(本单位实验室制备)添加代替储备溶液，在580nm处测定荧光强度，从工作曲线计算出氰根离子含量，在5μM以下。

4.干扰离子共存检测氰根离子实验

(1)配制浓度为1mM的染料乙腈溶液，取50μL染料乙腈溶液11份，都用蒸馏水稀释到10mL，得到11份染料水溶液。

(2)分别配制浓度为5mM的NaHSO₃,CH₃COONa,KBr,NaCl,正四丁基氰化铵,KI,NaNO₃,NaH₂PO₄,Na₂SO₄,NaHSO₄和NaF的水溶液。

(3)取10mL三苯胺类染料水溶液11份，分别加入0.l mL的四正丁基氰化铵水溶液，然后分别滴加0.l mL的NaHSO₃,CH₃COONa,KBr,NaCl,KI,NaNO₃,NaH₂PO₄,Na₂SO₄,NaHSO₄和NaF的水溶液，混合均匀后，在激发波长为455nm的测试条件下，获得其荧光光谱，得到每份溶液在发射波长为580nm处的荧光强度。测试结果如图4。

由图4可以明显看出，其他的阴离子对氰根离子的检测的影响可以忽略不计。

本发明中具有AIE效应的苯并噻唑-三苯胺染料可以很高效在水溶液中检测氰根离 子，其检出限低，可达ppm级别，具有高选择性和灵敏性，基本不受其他阴离子的干扰，操作简单，检测成本低。

氰根离子通过亲和加成反应进攻苯并噻唑-三苯胺类染料结构中的乙烯基，破坏结构的共轭平面，使得荧光淬灭，而其他阴离子并不存在对乙烯基的亲核加成。表明本发明的染料对氰根离子显示出专一的选择性和优秀的荧光识别能力，可应用于复杂样品的水溶液中检测氰根离子，操作简单，成本低。