一种氰根离子检测用比色探针及其制备方法和应用

1.本发明涉及比色探针领域，具体涉及一种氰根离子检测用比色探针及其制备方法和应用。


背景技术：

2.阴离子广泛存在于自然界和生物体中，在环境科学、临床医学、化学、生物学等领域具有重要的作用。在众多阴离子当中，氰根离子对人体具有极高的毒性，其中毒机理为氰根离子可通过与细胞色素氧化酶的三价铁离子络合，导致三价铁丧失传递电子能力，使呼吸链中断，最终导致人体缺氧而死亡。此外氰根离子在合成纤维，皮革制品，冶金工业和电镀技术中也起着非常重要的作用，但是氰化物在工业生产中的大量使用必然会造成生物体的危害以及环境的污染。因此，发展选择性好，灵敏度高，成本低廉的检测氰根离子的方法具有重大意义。
3.近年来，阴离子比色探针由于其方法的选择识别性好、检测灵敏度高、抗干扰能力强和操作简单得到非常广泛的应用。比色探针检测阴离子的主要原理是借助于光谱仪器，通过观察阴离子与比色探针分子之间发生的特异性反应，从而导致分子结构上发生变化，最终通过这种颜色信号的改变来实现对阴离子的定量及定性分析。目前人们已经设计、合成了很多具有潜在应用价值的阴离子比色探针，但是大部分的探针合成复杂，成本高，不可重复识别，并且很难实现在水溶液中识别阴离子。因此，开发出一类灵敏度高、可循环识别阴离子，并可在水溶液中检测氰根离子的比色探针具有重要意义。
4.喹啉结构由于其分子具有半刚性结构、含有氮杂环、水溶性良好，常被用于药物合成以及光学材料等领域。但是喹啉结构具有共轭面小、激发波长短等缺点，作为比色探针检测分析物的识别性能较差，使其不能直接用于实际生活中。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种合成方法简单、原料易得、成本较低，对氰根离子的选择性好、灵敏度高、具有可逆性以及能在水溶液中检测，因此在对氰根离子的检测中具有很好应用前景的氰根离子检测用比色探针及其制备方法和应用。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.本发明通过对喹啉结构进行分子修饰设计出一系列喹啉类比色探针，通过引入吡啶乙腈基团以增大探针分子共轭面，增加紫外吸收波长，具体方案如下：
8.一种氰根离子检测用比色探针，该比色探针的化学名称为2-(2-硝基-4-(2-(喹啉-2-基)乙烯基)苯基)-2-(吡啶-2-基)乙腈，其结构式如下：
[0009][0010]
该比色探针是以喹啉衍生物为比色信号基团，吡啶乙腈基团中活化的ch基团为识别位点的氰根离子比色探针，该探针是由2-(吡啶-2-基)乙腈与2-(4-溴-3-硝基苯乙烯基)喹啉通过亲核取代反应所得，通过氰根离子诱导比色探针中的c-h基去质子化，使相应的溶液颜色以及紫外光谱发生改变。此外，紫外吸收法研究发现该探针可以单一性识别氰根离子，同时这一识别过程不受其它阴离子的干扰。
[0011]
一种如上所述氰根离子检测用比色探针的制备方法，该比色探针以2-甲基喹啉、4-溴-3-硝基苯甲醛和2-(吡啶-2-基)乙腈为原料，通过亲核取代反应所得，反应流程如下：
[0012][0013]
进一步地，该方法包括以下步骤：
[0014]
2-(4-溴-3-硝基苯乙烯基)喹啉的合成：
[0015]
将2-甲基喹啉和4-溴-3-硝基苯甲醛混合，搅拌，反应结束后，加入无水乙醇回流，冷却至室温；不溶性成分经吸滤收集，用无水乙醇洗涤；最后，将该固体化合物与无水乙醇重结晶，得到淡黄色固体2-(4-溴-3-硝基苯乙烯基)喹啉；
[0016]
2-(2-硝基-4-(2-(喹啉-2-基)乙烯基)苯基)-2-(吡啶-2-基)乙腈的合成：
[0017]
在氮气氛围中，将2-(吡啶-2-基)乙腈加入无水四氢呋喃钠溶液中，再加入2-(4-溴-3-硝基苯乙烯基)喹啉；将反应混合物在室温下再搅拌，反应完成后，用饱和柠檬酸将反应混合物淬灭；无水溶液用ea萃取，有机层用无水硫酸钠干燥，柱层析浓缩纯化，得到粉红色固体2-(2-硝基-4-(2-(喹啉-2-基)乙烯基)苯基)-2-(吡啶-2-基)乙腈。
[0018]
进一步地，2-(4-溴-3-硝基苯乙烯基)喹啉合成时，2-甲基喹啉和4-溴-3-硝基苯甲醛的质量之比为5:(8-9)。
[0019]
进一步地，2-(4-溴-3-硝基苯乙烯基)喹啉合成时，搅拌的温度为130-150℃，搅拌时间为1-3h，反应结束后，在无水乙醇中回流时间为1-3h。
[0020]
进一步地，2-(2-硝基-4-(2-(喹啉-2-基)乙烯基)苯基)-2-(吡啶-2-基)乙腈合成时，2-(吡啶-2-基)乙腈和2-(4-溴-3-硝基苯乙烯基)喹啉的添加量之比为(0.5-1):2。
[0021]
进一步地，2-(2-硝基-4-(2-(喹啉-2-基)乙烯基)苯基)-2-(吡啶-2-基)乙腈合成时，搅拌时间为1-3h。
[0022]
一种如上所述氰根离子检测用比色探针的应用，该比色探针应用于水溶液中氰根离子的检测。
[0023]
进一步地，采用紫外吸收光谱法检测时，比色探针溶解在四氢呋喃和水体积比9:1
混合溶液中，对氰根离子进行测试。
[0024]
进一步地，该比色探针应用于制备检测试纸，具体方法为：在处理过的滤纸上滴加比色探针的四氢呋喃溶液，使比色探针均匀吸附在滤纸上，自然晾干，制备得到cn-检测试纸。
[0025]
本发明的比色探针是以喹啉衍生物为比色信号基团，吡啶乙腈基团中活化的ch基团为识别位点，在四氢呋喃和水(v/v＝9:1)作为溶剂的条件下，在520nm处几乎没有紫外吸收峰，加入cn-后，520nm处吸收峰出现，并随cn-浓度的增加而增高，而加入其它阴离子，该比色探针的紫外吸收光谱没有明显变化。
[0026]
与现有技术相比，本发明的探针分子合成路线简单，原料易得，灵敏度较高，对氰根离子识别能力强，响应速度较快；同时在含水溶液检测中，同样具有较高选择性和灵敏度；并且该探针具有循环性、可逆性，可多次检测氰根离子，在氰根离子的检测中具有很好的应用前景。
附图说明
[0027]
图1为本发明的比色探针(20μmol
·
l-1
)的四氢呋喃中加入不同浓度cn-(20μmol
·
l-1
)时的紫外吸收谱图；
[0028]
图2为本发明的比色探针(20μmol
·
l-1
)的四氢呋喃和水(v/v＝1/9)溶液中加入不同浓度cn-时(80μmol
·
l-1
)时的紫外吸收谱图；
[0029]
图3为本发明的比色探针(20μmol
·
l-1
)的四氢呋喃和水(v/v＝1/9)溶液中加入不同阴离子(640μmol
·
l-1
)时在日光照射下图片；
[0030]
图4为a520 nm与cn-浓度关系曲线；
[0031]
图5为本发明的比色探针(20μmol
·
l-1
)在与其它阴离子(640μmol
·
l-1
)共存时对cn-(640μmol
·
l-1
)响应时紫外吸收强度的柱状图；
[0032]
图6为本发明的荧光探针在四氢呋喃和水(v/v＝1/9)溶液中可逆循环性实验；
[0033]
图7为本发明的比色探针试纸滴加不同浓度cn-时在日光下图片。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0035]
本发明各实施例中所用的各种原料的名称、规格及生产厂家的信息见表1。
[0036]
表1
[0037]
原材料名称规格生产厂家信息2-甲基喹啉100g上海泰坦科技股份有限公司4-溴-3-硝基苯甲醛100g上海泰坦科技股份有限公司2-(吡啶-2-基)乙腈100g上海泰坦科技股份有限公司无水四氢呋喃钠500ml上海泰坦科技股份有限公司无水乙醇500ml上海泰坦科技股份有限公司四氢呋喃500ml上海泰坦科技股份有限公司
[0038]
本发明的各实施例中所用的硅胶柱的型号及生产厂家为长45cm，直径45mm，北京联华玻璃仪器有限公司生产的硅胶柱。
[0039]
实施例
[0040]
一、检测氰根离子的比色探针3分子的合成
[0041]
本发明检测氰根离子的比色探针分子的合成，是以2-甲基喹啉、4-溴-3-硝基苯甲醛和2-(吡啶-2-基)乙腈为原料，通过亲核取代反应所得。
[0042]
(1)2-(4-溴-3-硝基苯乙烯基)喹啉的合成：
[0043]
取2-甲基喹啉(5g 34.92mmol)和4-溴-3-硝基苯甲醛(8.03g 34.92mmol)的混合物，在140℃下搅拌12h。反应结束后(tlc监测)，加入50ml无水乙醇回流2h，冷却至室温。不溶性成分经布氏漏斗吸滤收集，用无水乙醇洗涤。最后，将该固体化合物与无水乙醇重结晶，得到淡黄色固体(10.50g，84.6％)。
[0044]
上述所得的淡黄色固体粉末产品通过核磁共振仪器(bruker avance iii400mhz)进行测定，数据如下所示：
[0045]1h nmr(400mhz,cdcl3)δ8.13(d,j＝8.5hz,1h),8.06(d,j＝8.5hz,1h),8.02(s,1h),7.78(d,j＝8.1hz,1h),7.73(t,j＝7.7hz,1h),7.70(d,j＝15.2hz,1h),7.65
–
7.55(m,3h),7.51(t,j＝7.5hz,1h),7.39(d,j＝16.2hz,1h).
13
cnmr(101mhz,cdcl3)δ154.51,150.15,148.29,137.48,136.82,135.47,132.25,131.19,130.48,130.16,129.41,127.69,127.68,126.85,123.80,119.79,113.71.hrms
–
esi calcd.for c
17h11
n2o2br[m+h]
+
355.0077；found:355.0078.
[0046]
通过上述所得的淡黄色固体粉末产品的核磁共振谱数据分析，结果表明，上述所得的黄色固体粉末产品为2-(4-溴-3-硝基苯乙烯基)喹啉。
[0047]
(2)2-(2-硝基-4-(2-(喹啉-2-基)乙烯基)苯基)-2-(吡啶-2-基)乙腈的合成：
[0048]
在氮气氛围中，将2-(吡啶-2-基)乙腈(0.80g,6.76mmol)加入30ml无水四氢呋喃钠(60wt％含油)溶液中，30min后再加入2(2g,5.63mmol)。将反应混合物在室温下再搅拌2h，反应完成后，用饱和柠檬酸将反应混合物淬火。无水溶液用ea(25ml
×
3)萃取，有机层用无水硫酸钠干燥，pe/ea(体积比3:1)柱层析浓缩纯化，得到粉红色固体(1.68g,72.7％)。
[0049]
上述所得的粉红色固体粉末产品通过核磁共振仪器(bruker avance iii400mhz)进行测定，数据如下所示：
[0050]1h nmr(400mhz,cdcl3)δ8.56(d,j＝4.6hz,1h),8.27(d,j＝3.8hz,1h),8.14(d,j＝8.7hz,1h),8.08(d,j＝8.9hz,1h),7.87(s,2h),7.78
–
7.73(m,3h),7.69
–
7.59(m,2h),7.52(d,j＝3.9hz,2h),7.44(d,j＝16.1hz,1h),7.25(d,j＝8.3hz,1h),6.32(s,1h).
13
c nmr(101mhz,cdcl3)δ154.44,153.30,150.18,148.20,148.05,138.68,137.62,136.69,132.58,131.96,131.93,130.44,130.05,129.35,128.38,127.63,127.60,126.77,123.67,123.49,122.62,119.72,118.17,41.01.hrms
–
esi calcd,for c
24h16
n4o2[m+h]
+
:393.1346；found:393.1344.
[0051]
通过上述所得的淡黄色固体粉末产品的核磁共振谱数据分析，结果表明，上述所得的粉红色固体产品2-(2-硝基-4-(2-(喹啉-2-基)乙烯基)苯基)-2-(吡啶-2-基)乙腈。
[0052]
二、检测氰根离子的比色探针3对阴离子的识别性能
[0053]
1、氰根离子的比色探针滴定实验
[0054]
将比色探针3溶于四氢呋喃中配制成5000μmol
·
l-1
的储备液，在四氢呋喃中配制cn-储备液，浓度为50000μmol
·
l-1
。量取100μl的5000μmol
·
l-1
的探针溶于25ml的容量瓶中，用四氢呋喃溶液定容至25ml配成25ml 20μm的四氢呋喃的纯探针溶液。滴定实验：将25ml 20μm的四氢呋喃的纯探针溶液倒入100ml的广口锥形瓶中，每次滴加0.2μl 50000μmol
·
l-1
(0.2当量)的cn-溶液，摇晃均匀后检测其紫外吸收光谱，重复此操作，直至加入4.8当量的氰根离子溶液。
[0055]
将比色探针3溶于四氢呋喃中配制成5000μmol
·
l-1
的储备液，在四氢呋喃中配制cn-储备液，浓度为50000μmol
·
l-1
。量取100μl的5000μmol
·
l-1
的探针溶于25ml的容量瓶中，加入17.5ml水后，用四氢呋喃溶液定容至25ml配成25ml 20μm的水和四氢呋喃(v/v＝9:1)混合溶剂的探针溶液。滴定实验：将25ml 20μm的水和四氢呋喃(v/v＝9:1)混合溶剂的探针溶液倒入100ml的广口锥形瓶中，每次滴加0.8μl 50000μmol
·
l-1
(0.8当量)的cn-溶液，摇晃均匀后检测其紫外吸收光谱，重复此操作，直至加入6.4当量的氰根离子溶液。
[0056]
结果表明，比色探针3的紫外吸收光谱受氰根离子浓度的影响(图1)，随着氰根离子的逐渐加入，比色探针3在520nm处的吸收峰逐渐增高，直至加入480μmol
·
l-1
cn-时达到平衡。接着测混合溶液中探针3的紫外吸收光谱受氰根离子浓度的影响(图2)，随着氰根离子的逐渐加入，比色探针3在520nm处的吸收峰逐渐增高，直至加入640μmol
·
l-1
cn-时达到平衡。
[0057]
2、氰根离子的比色探针的选择性研究
[0058]
将比色探针3配制成5000μmol
·
l-1的四氢呋喃溶液，分别配制cn-,f-,clo
4-,scn-，bf
4-，cl-,br-,aco-,h2po
4-,hso
4-,no
3-,的5000μmol
·
l-1
四氢呋喃溶液，量取0.4ml的5000μmol
·
l-1
探针溶液，用四氢呋喃和水混合溶液(v/v＝1/9)定容至100ml，将其分为12组(每组5ml)，第一组为空白实验，向其他各组分别加入4.8当量的各种阴离子溶液，通过紫外吸收光谱，观察比色探针3对各种阴离子的响应。
[0059]
结果表明，比色探针3在四氢呋喃和水(v/v＝1:9)作为溶剂的条件下，在520nm处几乎没有吸收峰，加入cn-后，520nm处的吸收峰出现增高，而加入其它阴离子，比色探针3的紫外吸收光谱没有明显变化(图5)。说明该荧光探针可以专一性的检测氰根离子。
[0060]
3、抗干扰能力检测
[0061]
将25ml 20μm的水和四氢呋喃(v/v＝9:1)混合溶剂的探针溶液分别倒入12支15ml的试管中，每支5ml，第一支作空白对照，向其余试管中分别加入64μl 50000μmol
·
l-1
的不同阴离子(cn-,f-,clo
4-,scn-，bf
4-，cl-,br-,aco-,h2po
4-,hso
4-,no
3-)充分摇匀，进行紫外吸收光谱检测，最后向每支试管中加入64μl 50000μmol
·
l-1
的氰根离子，摇匀，再次检测其紫外吸收光谱。
[0062]
实验表明，在与其他阴离子共存的情况下，cn-依然可以使比色探针3在520nm处的紫外吸收峰增高(图5)，并且可以使比色探针3表现出明显的颜色变化，因此比色探针3对cn-检测具有很好的抗干扰能力，而其他阴离子不会对检测结果带来任何干扰。
[0063]
4、比色探针3的可逆循环性实验
[0064]
在测完氰根离子的紫外滴定后，继续滴加tfa测定h
+
(tfa)的滴定谱图，待滴加tfa饱和后，再滴加饱和当量的cn-，依次重复五组实验，测定其在520nm处的紫外吸收强度的变化，以及裸眼观察其颜色的变化。
[0065]
如图6所示的实验结果表明，比色探针3实现了5次的可逆和可重复使用。此外颜色从左侧一紫色变为左侧二无色，然后回到左侧三紫色的反复实现，表明比色探针3敏感的可逆性。
[0066]
三、比色探针3的cn-检测试纸及应用
[0067]
试纸制备：将滤纸剪成长2cm，宽1cm的长条浸泡于1nm的探针3的四氢呋喃溶液中，过夜后取出晾干。分别向5片试纸上滴加一滴(约0.1ml)的0，0.2，0.5，1.0，5.0mm的cn-的四氢呋喃溶液，晾干后，日光下观察其颜色变化。
[0068]
如图7所示，肉眼可以观察到试纸颜色由无色逐渐变为紫色，说明比色探针3可通过试纸检测cn-。
[0069]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。