一种荧光化合物及其制备方法和应用与流程

本发明涉及有机发光材料领域，具体涉及一种荧光化合物、其制备方法与在汞离子检测方面的应用。

背景技术：

汞是一种典型的剧毒重金属，痕量的汞即能产生很强的毒性。在水环境中，汞离子容易在生物体如鱼的体内以甲基汞的形式快速积累从而进入食物链，最终使人类神经系统受到破坏，引起认知和运动紊乱。其中游离态的二价汞离子是较为常见的形式，它会对人的中枢神经以及人体的多重酶产生严重的危害。正是由于汞离子的剧毒性，世界上多个国家和相关组织对汞离子在饮用水和食品中的含量做了严格限定。同时，对生物体和环境中汞离子含量的监测也成为一个重要的研究领域。

荧光探针具有成本较低、操作简单、检测限低及实时监测等优点，在金属离子检测中得到广泛关注。因荧光增强传感材料可减少检测错误，对复杂体系检测准确，可同时用多种检测物对不同分析物进行检测，近几年来逐渐成为检测汞离子的新手段。但是，目前报道的hg²⁺荧光化学探针在实际应用中仍受到一些限制，如：有的专一性不够，容易受其它金属离子的干扰；有的合成困难、结构复杂；有的膜渗透性能欠佳等。因此，尚且缺乏一种灵敏性高、选择性好、性能优越且同时能实现水相检测的hg²⁺荧光化学探针。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种对hg²⁺具有高选择性以及高灵敏度的荧光化合物及其合成方法，该荧光化合物可作为荧光探针应用于汞离子检测领域。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种荧光化合物，具有如式(i)所示的结构：

上述式(i)所示化合物的化学名称为7,7'-双(4-甲氧基苯基)-6,6'-二甲基-2,3'-联(1,8-萘啶)。

上述式(i)所示的化合物以2-氨基-3-吡啶甲醛(1a)和对甲氧基苯丙酮(2a)为主要原料经两步合成得到，其合成路线如下所示：

其中，为获得第一步的中间产物2-(4-甲氧基苯基)-3-甲基-1,8-萘啶(3a)，还添加了第一溶剂。

更为具体的合成方法包括以下步骤：

s1、取2-氨基-3-吡啶甲醛和对甲氧基苯丙酮，加入叔丁醇钾，用第一溶剂溶解，然后在25-80℃下反应，所得反应物分离提纯，得到中间产物3a；

s2、取中间产物3a、小分子醇和金属催化剂于第二溶剂中，加入碱，通惰性气体，在100-160℃下搅拌反应5～48h，反应结束后冷却至室温，过滤，蒸馏，得到目标产物粗品，还可进一步提纯，得到目标产物精品。

优选的，所述步骤s1中，第一溶剂选自甲醇、二氯甲烷和三氯甲烷中的一种或两种。

优选的，所述步骤s1中，反应时间5～12h。

优选的，所述步骤s1中，以1摩尔份的2-氨基-3-吡啶甲醛为基准，对甲氧基苯丙酮添加量为1-2摩尔份，最优选为1.2摩尔份，第一溶剂添加量为2升，叔丁醇钾添加量为0.5摩尔份。

优选的，所述步骤s2中，蒸馏方式为减压蒸馏。

优选的，所述步骤s2中，小分子醇选自甲醇、乙醇或异丙醇，金属催化剂选自醋酸铜、氯化亚铜、氯化铜、氯化铁、醋酸钴、醋酸钯、四(三苯基膦)钯、氯化钴、氯化亚铁、醋酸锰中的一种或两种以上的组合；第二溶剂为乙腈、1,4-二氧六环、甲苯、对二甲苯、甲醇、叔戊醇和水中的一种或两种以上的组合；碱为碳酸钠、氢氧化钠、氢化钠、甲醇钠、叔丁醇钾、叔丁醇钠和三乙胺中的一种或两种以上的组合。

优选的，所述步骤s2中，中间产物3a与所述小分子醇的摩尔比为1:1～20；中间产物3a与所述碱的摩尔比为1:0.5～5。

优选的，所述步骤s2中，相对于1摩尔份的中间产物3a，金属催化剂用量为0.006～0.5摩尔份，第二溶剂用量为2-20升。

优选的，所述步骤s1和/或s2中，提纯方法为薄层层析或柱层析法。

更优选的，所述柱层析提纯所用的洗脱液为二氯甲烷与氨气甲醇的混合液，其中二氯甲烷与氨气甲醇的体积比优选为20～100:1。

优选的，所述步骤s2中，反应容器采用schlenk管(史兰克管)，所述惰性气体为氮气或氩气。

本发明还包括上述式(i)所述荧光化合物在汞离子检测中的应用。以及包含该荧光化合物的荧光探针、高敏度传感器和汞离子检测仪器。

本发明的有益效果：

(1)以2-氨基-3-吡啶甲醛和对甲氧基苯丙酮为主要原料两步合成目标化合物7,7'-双(4-甲氧基苯基)-6,6'-二甲基-2,3'-联(1,8-萘啶)，具有合成步骤简单、合成方法操作安全、原料无毒、价格低廉和对官能团适应性好的优点；

(2)本发明荧光化合物的激发和发射光谱在可见光区，对hg²⁺选择性以及灵敏度高，化学稳定性好，具有较好的水溶性，能适用于水环境体系中hg²⁺的检测。

附图说明

图1为本发明实施例中间产物2-(4-甲氧基苯基)-3-甲基-1,8-萘啶的核磁共振氢谱图；

图2为本发明实施例中间产物2-(4-甲氧基苯基)-3-甲基-1,8-萘啶的核磁共振碳谱图；

图3为本发明实施例目标产物7,7'-双(4-甲氧基苯基)-6,6'-二甲基-2,3'-联(1,8-萘啶)的核磁共振氢谱图；

图4为本发明实施例目标产物7,7'-双(4-甲氧基苯基)-6,6'-二甲基-2,3'-联(1,8-萘啶)的核磁共振碳谱图；

图5为本发明实施例目标产物7,7'-双(4-甲氧基苯基)-6,6'-二甲基-2,3'-联(1,8-萘啶)在不同金属离子条件下的荧光性能测试结果图；

图6为本发明实施例目标产物7,7'-双(4-甲氧基苯基)-6,6'-二甲基-2,3'-联(1,8-萘啶)在不同hg²⁺浓度时的荧光性能测试结果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

步骤一：在圆底烧瓶里加入5mmol2-氨基-3-吡啶甲醛和6mmol对甲氧基苯丙酮，然后添加2.5mmol叔丁醇钾，10ml乙醇做溶剂，60℃反应5h，分离提纯得到中间产物3a。

步骤二：在schlenk管中加入0.5mmol中间产物3a、0.5mmol异丙醇、0.5mmol氢化钠，0.05mmol醋酸钴，1.2ml1,4-二氧六环，充入n2保护，在160℃搅拌反应5h后，停止加热及搅拌，冷却至室温，过滤，减压旋蒸去除溶剂，再通过柱层析分离纯化，所用的柱层析洗脱液为体积比为100:1的二氯甲烷:氨气甲醇混合溶剂，得到黄色固体目标产物4a，产率48％。

所得中间产物3a的核磁共振氢谱图和碳谱图分别如图1和图2所示，结构表征数据如下：

m.p.:140-141℃；¹hnmr(400mhz,cdcl3):9.04(s,1h),8.10(d,j＝7.7hz,1h),7.98(s,1h),7.70(d,j＝7.8hz,2h),7.41(d,j＝3.8hz,1h),7.00(d,j＝7.8hz,2h),3.86(s,3h),2.55(s,3h).

¹³cnmr(101mhz,cdcl3):δ162.83,160.00,154.84,152.81,137.75,135.87,132.58,130.87,130.56,121.68,121.58,113.44,55.31,20.86.ir(kbr):3022,2952,1549,1602,1486,1010,801cm-¹.

ms(ei,m/z):250[m]⁺.

根据以上数据推定中间产物3a为2-(4-甲氧基苯基)-3-甲基-1,8-萘啶。

所得目标产物4a的核磁共振氢谱图和碳谱图分别如图3和图4所示，结构表征数据如下：

m.p.:268-269℃；¹hnmr(400mhz,cdcl3):δ9.87(s,1h),9.07(s,1h),8.24(d,j＝8.3hz,1h),8.07(d,j＝4.5hz,2h),8.01(s,1h),7.73(d,j＝8.2hz,2h),7.68(d,j＝8.3hz,2h),7.02(t,j＝8.9hz,4h),3.88(s,3h),3.87(s,3h),2.56(s,3h),2.54(s,3h).

¹³cnmr(101mhz,cdcl3):δ164.04,163.48,160.16,160.07,156.47,155.13,154.77,151.94,138.51,137.49,137.27,135.23,132.53,132.42,131.92,131.18,131.01,130.98,130.71,121.13,120.96,119.09,113.59,113.48,55.33,21.00,20.83.

ir(kbr):3043,2958,2928,2837,1601,1514,1492,1415,1299,1250,1176,836,809,737cm^-1.

hrms(esi):calcd.forc32h26n4o2[m+h]⁺:499.2129；found:499.2129.

根据以上数据推定目标产物4a为7,7'-双(4-甲氧基苯基)-6,6'-二甲基-2,3'-联(1,8-萘啶)，结构如下式所示。

实施例2

步骤一：同实施例1，所不同的是，反应温度为25℃。

步骤二：在schlenk管中加入0.5mmol中间产物3a、2.0mmol乙醇、0.25mmol氢化钠，0.25mmol氯化亚铜，1.2ml1,4-二氧六环，充入n2保护，在100℃搅拌反应48h后，停止加热及搅拌，冷却至室温，过滤，减压旋蒸去除溶剂，再通过柱层析分离纯化，所用的柱层析洗脱液为体积比为100:1的二氯甲烷:氨气甲醇混合溶剂，得到黄色固体目标产物4a，产率49％。

所得中间产物3a和目标产物4a的表征结果与实施例1相同。

实施例3

步骤一：同实施例1，所不同的是，反应时间为6h。

步骤二：在schlenk管中加入0.5mmol中间产物3a、2.0mmol异丙醇、0.5mmol氢化钠，0.005mmol四(三苯基膦)钯，1.2ml1,4-二氧六环，充入n2保护，在130℃搅拌反应16h后，停止加热及搅拌，冷却至室温，过滤，减压旋蒸去除溶剂，再通过柱层析分离纯化，所用的柱层析洗脱液为体积比为100:1的二氯甲烷:氨气甲醇混合溶剂，得到黄色固体目标产物4a，产率36％。

所得中间产物3a和目标产物4a的表征结果与实施例1相同。

实施例4

步骤一：同实施例3，所不同的是，反应温度为80℃。

步骤二：在schlenk管中加入0.5mmol中间产物3a、2.0mmol异丙醇、0.5mmol氢氧化钠，0.003mmol氯化铁，1.2ml1,4-二氧六环，充入n2保护，在130℃搅拌反应16h后，停止加热及搅拌，冷却至室温，过滤，减压旋蒸去除溶剂，再通过柱层析分离纯化，所用的柱层析洗脱液为体积比为100:1的二氯甲烷:氨气甲醇混合溶剂，得到黄色固体目标产物4a，产率53％。

所得中间产物3a和目标产物4a的表征结果与实施例1相同。

实施例5

步骤一：同实施例3，所不同的是，所述溶剂为二氯甲烷。

步骤二：在schlenk管中加入0.5mmol中间产物3a、2.0mmol甲醇、2.5mmol氢化钠，0.005mmol醋酸锰，1.2ml甲苯，充入n2保护，在130℃搅拌反应16h后，停止加热及搅拌，冷却至室温，过滤，减压旋蒸去除溶剂，再通过柱层析分离纯化，所用的柱层析洗脱液为体积比为100:1的二氯甲烷:氨气甲醇混合溶剂，得到黄色固体目标产物4a，产率54％。

所得中间产物3a和目标产物4a的表征结果与实施例1相同。

实施例6

步骤一：同实施例3。

步骤二：在schlenk管中加入0.5mmol中间产物3a、10.0mmol异丙醇、0.5mmol氢化钠，0.25mmol氯化亚铁，1.2ml对二甲苯，充入n2保护，在130℃搅拌反应16h后，停止加热及搅拌，冷却至室温，过滤，减压旋蒸去除溶剂，再通过柱层析分离纯化，所用的柱层析洗脱液为体积比为100:1的二氯甲烷:氨气甲醇混合溶剂，得到黄色固体目标产物4a，产率44％。

所得中间产物3a和目标产物4a的表征结果与实施例1相同。

测试例

测试例用于对实施例1-6所得的目标产物4a进行荧光性能测试。包括步骤：

(1)探针溶液配制

配置浓度为100μm的7,7'-双(4-甲氧基苯基)-6,6'-二甲基-2,3'-联(1,8-萘啶)的甲醇溶液，即为探针溶液，常温保存。

(2)金属离子溶液配制

所述金属离子包括：mg²⁺,fe²⁺,cu⁺,cu²⁺,sn⁴⁺,co²⁺,mn²⁺,k⁺,li⁺,ba²⁺,ca²⁺,cd²⁺,ni²⁺,fe³⁺,al³⁺和hg²⁺，其溶液分别由对应的盐酸盐制备，制备方法如下：对每一种金属离子，分别称取一定量的盐酸盐，然后溶于蒸馏水中配制成10^-2mol/l的金属离子溶液，保存备用。

(3)荧光性能测试

测试例1

待测液：取步骤(1)配制的探针溶液0.5ml和步骤(2)配制的任一金属离子溶液0.5ml，与4mlch3oh-h2o(v:v＝1:1)溶液混合，得到该金属离子的待测液。用同样的方法，配制出步骤(2)中每一种金属离子的待测液。

空白液：取步骤(1)配制的探针溶液0.5ml与2.5ml水和2ml甲醇溶液混合。

经荧光光谱分析，待测液中，当金属离子为mg²⁺,fe²⁺,cu⁺,cu²⁺,sn⁴⁺,co²⁺,mn²⁺,k⁺,li⁺,ba²⁺,ca²⁺,cd²⁺,ni²⁺,fe³⁺,al³⁺时，其荧光强度变化较小，仅hg²⁺待测液的荧光强度出现明显的荧光衰减(详见图5，所有的金属离子待测液统一标记为“4a+m”)。

测试例2

进一步，为验证该荧光化合物对汞离子的专一性，还进行了竞争实验。将hg²⁺溶液(10μm)与相同浓度的上述其他任意一种金属离子溶液一并加入步骤(1)所配制的探针溶液中，分别测试其它竞争离子对该荧光化合物hg²⁺选择性的影响，检测结果如图5所示(对应的测试液统一标记为“4a+m+hg”)。可以看出，加入其它竞争离子前后，目标产物4a对hg²⁺的检测几乎是没有变化的，说明设计的荧光化合物探针对hg²⁺具有很强的选择性，能满足实际应用需求。

测试例3

在目标产物4a的甲醇水溶液中添加不同浓度的hg²⁺，测试其荧光性能，以确定该化合物的hg²⁺检测范围及检测限。测试结果如图6所示，可以看出，化合物4a的荧光强度随着hg²⁺浓度的增加逐渐减弱，当hg²⁺浓度达到20μm时，该化合物的荧光强度出现了大幅度的衰减。该化合物对hg²⁺检测范围从0.5μm到20μm，其检测限为5×10^-7μm，表明该化合物对hg²⁺的检测能力较好，具有较高的实际应用价值，比如可用于高敏度传感器和汞离子检测仪器等。由于该化合物水溶性好，因此能适用于水环境体系中hg²⁺的检测。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。