一种萘甲基氮杂冠醚及其制备方法、应用与流程

本发明属于冠醚的金属探针技术领域，尤其涉及一种萘甲基氮杂冠醚及其制备方法、应用。

背景技术：

一些分子，被特定波长的光激发后，处于激发态的电子能够迅速地以发射出更长波长光的形式跃迁回基态，发出的光叫做荧光，这些分子称之为荧光分子。金属离子荧光探针因其在环境及生物化学领域的广泛应用而受到关注，对其识别和检测在分析化学中占有重要的地位。铁离子是生命体必须的离子之一，很多细胞水平的生物及化学过程需要铁离子的参与，因此，铁离子荧光探针的研究对于环境及生命科学都具有重大的意义。

目前，原子吸收光谱(AAS)、电感耦合等离子体—质谱法(ICP-AES)、电感耦合等离子体—质谱法(ICP-MS)、电化学法等已用来检测铁离子，尽管这些方法具有较高的灵敏度，但常需要昂贵的仪器，复杂的样品和专业的操作人员。荧光法具有选择性高，灵敏度好、仪器简单、操作简便等优点。

如今报道比较多的是基于罗丹明染料的荧光探针，其特点是荧光效果比较好，金属离子络合效应快，但价格昂贵，反应活性低。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述缺陷，本发明的主要目的在于提供一种萘甲基氮杂冠醚及其制备方法、应用，所述萘甲基氮杂冠醚作为荧光探针检测铁离子时具有灵敏性好、专一性强、性能稳定等特点。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种萘甲基氮杂冠醚，具有如下结构式：

一种萘甲基氮杂冠醚的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

1)将化合物1,7-二氧杂-4,10-四氮杂的溴盐以及苯酚加入到溴化氢醋酸溶液中，得到待反应物，将所述待反应物升温至60-90℃回流，搅拌48-70h，冷却得到反应液，将所述反应液蒸馏，在所述蒸馏后的液体中加入非极性溶剂，析出固体，过滤，洗涤，干燥后得到氮杂冠醚，所述氮杂冠醚具有如下结构式：

2)将所述氮杂冠醚与无机或有机碱、极性溶剂混合，室温搅拌0.5-2h得到混合物，向所述混合物中加入1-氯甲基萘得到待反应液，将所述待反应液升温至70-90℃，搅拌4-5h，冷却至室温，萃取，合并有机相；洗涤所述有机相，采用无水硫酸盐干燥并旋干，将所述旋干后的固体纯化分离，得到所述萘甲基氮杂冠醚。

作为进一步的优选，所述步骤1)中，所述1,7-二氧杂-4,10-四氮杂的溴盐与苯酚的摩尔比为1：4-1：10。

作为进一步的优选，所述步骤1)中，将所述待反应物升温至70-80℃回流，搅拌55-65h。

作为进一步的优选，所述步骤1)中，所述非极性溶剂选自丙酮、乙酸乙酯乙醚及二氯甲烷。

作为进一步的优选，所述步骤2)中，所述极性溶剂选自DMF及乙腈。

作为进一步的优选，所述步骤2)中，所述无机或有机碱选自K₂CO₃、三乙胺及DIEA。

作为进一步的优选，所述步骤2)中，所述无机或有机碱与所述氮杂冠醚的摩尔比为2：1-10：1。

作为进一步的优选，所述步骤2)中，所述1-氯甲基萘与所述氮杂冠醚的摩尔比为2：1-4：1。

作为进一步的优选，所述步骤2)中，所述萃取包括：采用CH₂Cl₂或乙酸乙酯以及水萃取，所述萃取得到的水相再用CH₂Cl₂或乙酸乙酯萃取。

作为进一步的优选，所述步骤2)中，所述无水硫酸盐选自无水硫酸钠及无水硫酸镁。

作为进一步的优选，所述步骤2)中，所述分离选自HPTLC板分离及柱纯化。

作为进一步的优选，所述步骤2)中，所述HPTLC板分离时，采用的展开剂为：石油醚：乙酸乙酯＝1:1，目标产物的Rf＝0.5。

一种萘甲基氮杂冠醚的应用，所述萘甲基氮杂冠醚作为荧光指示剂用于检测微量铁离子。

作为进一步的优选，所述检测包括如下方法：

(1)将所述萘甲基氮杂冠醚溶于溶剂配置成溶液；

(2)将所述萘甲基氮杂冠醚溶液的稀释液以及待检测的金属溶液置于比色皿中，放入荧光检测仪中检测铁离子的含量。

本发明的有益效果是：本发明先合成氮杂冠醚，再由廉价易得的1-氯萘甲基和氮杂冠醚Ⅰ通过反应高收率的制得荧光萘甲基氮杂冠醚，所制备得到的荧光萘甲基氮杂冠醚用于检测环境中铁离子含量时具有专一性、灵敏性、性质稳定，操作简便及反应活性高等特点，并且价格便宜，原料易得，工业化应用前景广。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的萘甲基氮杂冠醚的核磁谱图。

图2为发明实施例3制备的萘甲基氮杂冠醚对铁离子的检测性能谱图。

具体实施方式

本发明通过提供一种萘甲基氮杂冠醚及其制备方法、应用，解决了现有技术的荧光探针在检测铁离子时反应活性低、价格昂贵等缺陷。

为了解决上述缺陷，本发明实施例的主要思路是：

本发明实施例萘甲基氮杂冠醚，具有如下结构式：

本发明实施例萘甲基氮杂冠醚的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

1)将化合物1,7-二氧杂-4,10-四氮杂的溴盐以及苯酚加入到溴化氢醋酸溶液中，得到待反应物，将所述待反应物升温至60-90℃回流，搅拌48-70h，冷却得到反应液，将所述反应液蒸馏，在所述蒸馏后的液体中加入非极性溶剂，析出固体，过滤，洗涤，干燥后得到氮杂冠醚，所述氮杂冠醚具有如下结构式：

2)将所述氮杂冠醚与无机或有机碱、极性溶剂混合，室温搅拌0.5-2h得到混合物，向所述混合物中加入1-氯甲基萘得到待反应液，将所述待反应液升温至70-90℃，搅拌4-5h，冷却至室温，萃取，合并有机相；洗涤所述有机相，采用无水硫酸盐干燥并旋干，将所述旋干后的固体纯化分离，得到所述萘甲基氮杂冠醚。

本发明实施例萘甲基氮杂冠醚可作为荧光指示剂用于检测微量铁离子的含量。所述萘甲基氮杂冠醚用于检测环境中铁离子含量时具有专一性、灵敏性、性质稳定，操作简便等特点，工业化应用前景广。

由于本发明实施例萘甲基氮杂冠醚是由廉价易得的1-氯萘甲基和氮杂冠醚通过反应高收率的制得，因此，所得的荧光萘甲基氮杂冠醚成本远低于罗丹明类荧光冠醚，具有制备成本低的优势。

另外由于罗丹明，蒽，芘，苝等的活性远远低于1-氯萘甲基，比较而言，本发明实施例用1-氯萘甲基可以用更简单的条件得到目标化合物，因而更具优势。

为了让本发明之上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举数实施例，来说明本发明所述之萘甲基氮杂冠醚及其制备方法、应用。

本发明实施例所给出的数据包括氮杂冠醚和荧光萘甲基氮杂冠醚的制备与表征、对铁离子的检测操作及条件。氮杂冠醚和荧光萘甲基氮杂冠醚的¹H-NMR均采用Agilent 600M DD2型核磁共振波谱仪。氮杂冠醚采用D₂O做溶剂，TMS作为内标；萘甲基荧光氮杂冠醚采用CDCl₃作溶剂，TMS作为内标；元素分析在Perkin Elmer240元素分析仪上进行，采用定量氧燃烧法，以热导池作检测器；荧光检测采用PerkinElmer LS55荧光分光光度计。

实施例1

本发明实施例1萘甲基氮杂冠醚的结构式为：

本发明实施例1萘甲基氮杂冠醚的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

1)氮杂冠醚的制备

将化合物1,7-二氧杂-4,10-四氮杂的溴盐(2.6g，5.39mmol)和苯酚(3.04g，32.32mmol)加入150mL 33％溴化氢醋酸溶液中。将反应升温至80℃回流，搅拌60h。待反应冷却后，将反应液直接减压蒸至15mL，再向其中加入120mL丙酮，立即有大量灰色固体析出，然后减压过滤，用丙酮(3×30mL)洗涤，真空干燥后得到1.1g灰色固体化合物即为氮杂冠醚。摩尔收率为61.5％。氮杂冠醚的结构式为：

氮杂冠醚的有关检测分析数据如下：元素分析，C₈H₁₈N₂O₂，实测值(计算值)，％:C 54.86(55.15)；H 10.25(10.41)；N 16.35(16.08)；O 18.54(18.36)。¹H NMR(D₂O,600MHz):δ＝3.24(t,8H,)，3.71(t,8H)。

2)萘甲基氮杂冠醚的制备

向50mL圆底烧瓶中依次加入上述氮杂冠醚(0.15g，0.447mmol)，K₂CO₃(0.50g，3.58mmol)和15mL DMF。常温搅拌1h后，向其中加入1-氯甲基萘(0.17g，0.98mmol)，升温至80℃，反应液搅拌12h，等反应降至常温20℃后加15mLCH₂Cl₂和15mL水萃取。水相再用CH₂Cl2(3×15mL)萃取，合并有机相。有机相用水(3×15mL)洗涤，洗涤完后，用无水硫酸钠干燥并旋干，接着用HPTLC板分离，展开剂(石油醚：乙酸乙酯＝1:1，目标产物的Rf＝0.5)。最后得到0.12g浅黄色固体化合物即为萘甲基氮杂冠醚。摩尔收率为59.0％。

本发明实施例1得到的萘甲基氮杂冠醚有关检测分析数据如下：

元素分析，C₃₀H₃₄N₂O₂，实测值(计算值)，％：C 79.02(79.26)；H 7.61(7.54)；N 6.20(6.16)；O 7.21(7.04)。1H NMR(CD₃Cl,600MHz)：δ＝2.82(t,8H)，δ＝3.46(t,8H)，4.07(s,4H)7.39-8.37(m,14H)。图1为本发明实施例1制备的萘甲基氮杂冠醚的核磁谱图。

实施例2

本发明实施例2萘甲基氮杂冠醚的结构式与实施例1相同，本发明实施例2萘甲基氮杂冠醚的制备方法包括如下步骤：

1)氮杂冠醚的制备

将化合物1,7-二氧杂-4,10-四氮杂的溴盐(2.6g，5.39mmol)和苯酚(2.02g，21.54mmol)加入120mL 33％溴化氢醋酸溶液中。将反应升温至60℃回流，搅拌48h。待反应冷却后，将反应液直接减压蒸至10mL，再向其中加入100mL乙酸乙酯，立即有大量灰色固体析出，然后减压过滤，用乙酸乙酯(3×30mL)洗涤，真空干燥后得到0.98g灰色固体化合物即为氮杂冠醚。摩尔收率为60.2％。氮杂冠醚的结构式与实施例1相同。

2)萘甲基氮杂冠醚的制备

向50mL圆底烧瓶中依次加入上述氮杂冠醚(0.15g，0.447mmol)，三乙胺(0.125g，0.895mmol)和10mL乙腈。常温搅拌0.5h后，向其中加入1-氯甲基萘(0.155g，0.895mmol)，升温至70℃，反应液搅拌4h，等反应降至常温25℃后加15mL乙酸乙酯和15mL水萃取。水相再用乙酸乙酯(3×15mL)萃取，合并有机相。有机相用水(3×15mL)洗涤，洗涤完后，用无水硫酸镁干燥并旋干，接着用HPTLC板分离，展开剂(石油醚：乙酸乙酯＝1:1，目标产物的Rf＝0.5)。最后得到0.102g浅黄色固体化合物即为萘甲基氮杂冠醚。摩尔收率为58.0％。

实施例3

本发明实施例3萘甲基氮杂冠醚的结构式与本发明实施例1相同，

本发明实施例3萘甲基氮杂冠醚的制备方法包括如下步骤：

1)氮杂冠醚的制备

将化合物1,7-二氧杂-4,10-四氮杂的溴盐(2.6g，5.39mmol)和苯酚(5.06g，53.86mmol)加入180mL 33％溴化氢醋酸溶液中。将反应升温90℃回流，搅拌70h。待反应冷却后，将反应液直接减压蒸至18mL，再向其中加入150mL乙醚，立即有大量灰色固体析出，然后减压过滤，用乙醚(3×30mL)洗涤，真空干燥后得到1.3g灰色固体化合物即为氮杂冠醚。摩尔收率为63.5％。氮杂冠醚的结构式与实施例1相同。

2)萘甲基氮杂冠醚的制备

向50mL圆底烧瓶中依次加入上述氮杂冠醚(0.15g，0.447mmol)，DIEA(0.625g，4.47mmol)和20mL DMF。常温搅拌2h后，向其中加入1-氯甲基萘(0.31g，1.79mmol)，升温至90℃，反应液搅拌5h，等反应降至常温15℃后加15mLCH₂Cl₂和15mL水萃取。水相再用CH₂Cl₂(3×15mL)萃取，合并有机相。有机相用水(3×15mL)洗涤，洗涤完后，用无水硫酸钠干燥并旋干，接着用HPTLC板分离，展开剂(石油醚：乙酸乙酯＝1:1，目标产物的Rf＝0.5)。最后得到0.15g浅黄色固体化合物即为萘甲基氮杂冠醚。摩尔收率为61.0％。

实施例4

本发明实施例4萘甲基氮杂冠醚的结构式与实施例1相同。

本发明实施例4萘甲基氮杂冠醚的制备方法包括如下步骤：

1)氮杂冠醚的制备

将化合物1,7-二氧杂-4,10-四氮杂的溴盐(2.6g，5.39mmol)和苯酚(3.04g，32.32mmol)加入150mL 33％溴化氢醋酸溶液中。将反应升温至70℃回流，搅拌55h。待反应冷却后，将反应液直接减压蒸至15mL，再向其中加入120mL二氯甲烷，立即有大量灰色固体析出，然后减压过滤，用丙酮(3×30mL)洗涤，真空干燥后得到1.2g灰色固体化合物即为氮杂冠醚。摩尔收率为62.5％。氮杂冠醚的结构式为与实施例1相同。

2)萘甲基氮杂冠醚的制备

向50mL圆底烧瓶中依次加入上述氮杂冠醚(0.15g，0.447mmol)，K₂CO₃(0.37g，2.68mmol)和15mL乙腈。常温搅拌1.5h后，向其中加入1-氯甲基萘(0.17g，0.98mmol)，升温至80℃，反应液搅拌4h，等反应降至常温10℃后加15mLCH₂Cl₂和15mL水萃取。水相再用CH₂Cl2(3×15mL)萃取，合并有机相。有机相用水(3×15mL)洗涤，洗涤完后，用无水硫酸钠干燥并旋干，接着用柱纯化分离，最后得到0.13g浅黄色固体化合物即为荧光萘甲基氮杂冠醚。摩尔收率为59.8％。

以下通过应用试验例将本发明实施例制备的萘甲基氮杂冠醚作为荧光指示剂用于检测微量铁离子的含量，来证实本发明实施例的有益效果。

应用试验例：

(1)精确称量11.4mg化合物萘甲基荧光氮杂冠醚，加入DMF，配置成10mL浓度为2.5×10^-3mol·L^-1M的DMF溶液，再将其稀释500倍，待用。

(2)配置0.1mol·L^-1的各种常见金属离子(Ag⁺；Al³⁺；Ba²⁺；Ca²⁺；Cd²⁺；Co²⁺；Cr²⁺；Cu²⁺；Hg²⁺；Fe³⁺；Fe²⁺；K⁺；Li⁺；Mg²⁺；Mn²⁺；Na⁺；Ni⁺；Pb²⁺；Zn²⁺)的水溶液，备用。

(3)取30uL萘甲基荧光氮杂冠醚的稀释液和8uL的待检测的金属溶液于比色皿中，再加入DMF至3mL，60s后，放入荧光检测仪中，测试19组。

(4)将0.1mol·L^-1的铁离子溶液稀释10倍；再取1uL的稀释后的铁离子溶液于比色皿中，加入萘甲基荧光氮杂冠醚30uL，再加入DMF至3mL，60s后放入荧光仪中检测。按照1uL，1.5uL，2.0uL，2.5uL，3.0uL，3.5uL，4.5uL，5.0uL，6.0uL，7.0uL逐渐增加加入铁离子的量，测量10组。

图2为发明实施例3制备的萘甲基氮杂冠醚对铁离子的检测性能谱图，其为萘甲基氮杂冠醚的Fe³⁺荧光滴定谱图。可以得出，所制备得到的萘甲基氮杂冠醚可以灵敏、稳定的检测环境中铁离子含量，且具有专一性。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

本发明先合成氮杂冠醚，再由廉价易得的1-氯萘甲基和氮杂冠醚Ⅰ通过反应高收率的制得荧光萘甲基氮杂冠醚，所制备得到的荧光萘甲基氮杂冠醚用于检测环境中铁离子含量时具有专一性、灵敏性、性质稳定，操作简便及反应活性高等特点，并且价格便宜，原料易得，工业化应用前景广。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。