一种基于苯并恶唑结构的Cu²⁺荧光探针及其制备方法

一种基于苯并恶唑结构的Cu²⁺荧光探针及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针及其制备方法，属于分析化学领域，该Cu2+荧光探针的分子式为C21H24N4O3，结构式为该荧光探针的制备方法包括：2?(2’?氨基苯基)苯并恶唑的制备，中间体的制备，最终产物的制备，本发明提供的基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针及其制备方法，该Cu2+荧光探针在纯水环境中对Cu2+具有较好的选择性，线性范围宽，极强的抗干扰能力，是一种理想的Cu2+传感器。
【专利说明】
一种基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及分析化学领域，尤其涉及一种基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针及其 制备方法。
【背景技术】
[0002] 铜是人体中也是生命周期中营养物质代谢过程必不可少的痕量元素，同时由于在 很多行业中的广泛应用，铜也是一种重要的金属污染物，当铜离子的浓度较低时，它对于各 种器官是一种营养物质，但是过量的铜离子的存在对人体会产生毒性，同时也会扰乱正常 细胞的功能。因此，铜离子在体内的平衡与许多重大疾病有关比如 :MenkeS氏稔毛综合征、 帕金森氏症、威尔逊疾病、朊毒体、老年痴呆症等。世界卫生组织规定日常饮用水中铜离子 的浓度不能超过2ppm.由于铜离子在生物上有着重要的作用和对环境的影响。所以开发专 一选择性、高灵敏度、低检测限、线性范围宽、抗干扰性强的水溶性Cu 2+传感器对环境科学和 生命科学有着重要的意义。
[0003] 许多传统的定性定量方法被应用在分析检测不同样品中铜离子的含量，例如利用 电感耦合等离子质谱，原子发射光谱，原子吸收光谱等大型精密仪器。但是这些方法都需要 昂贵的仪器，繁琐的样品处理过程以及专业的操作人员。同时这些方法并不能实现实时原 位检测。因此，光学探针，特别是荧光探针，与其他分析方法相比，有着易于操作，分析时间 短，不需要复杂的仪器，所以逐渐发展成人体内和水环境中检测金属铜离子的一个强有力 的工具。
[0004] 目前大量的化合物被设计合成用来检测铜离子的存在，但是，这些探针大都有以 下缺点：（1)铜离子探针的合成方法繁琐(2)大部分的监测工作都是在有机溶液中进行很少 在纯水溶液中进行⑶抗干扰能力差，特别容易受到取 2+，21!2+，(：〇2+，(>3+离子的干扰。上述这 些缺陷限制了荧光探针的应用。

【发明内容】

[0005] 本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中Cu2+检测荧光探针需在有机溶剂 中参与且选择性不好，抗干扰能力不强的缺点，提供了一种在水溶液中能够很好的选择性 识别铜离子，抗干扰能力极强，线性范围宽，检测限低的基于苯并恶唑结构的Cu 2+荧光探针 及其制备方法。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0007] 本发明中一种基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针，其结构式如式I所示：
[0008]
[0009] 本发明中一种基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针的制备方法，其合成路线如下：
[0010]
12345678910 更进一步地，所述制备方法具体包括如下工艺步骤： 2 步骤A、将邻氨基苯甲酸和邻氨苯酚混合后加入到多聚磷酸中，在一定温度下反应 若干小时； 3 步骤B、将上述反应液冷却至一定温度后，将反应液倒入水中，过滤收集沉淀，少量 的水洗涤沉淀后，将沉淀溶于碱性溶液中，过滤，沉淀用水洗，然后干燥，乙醇重结晶得到2-(2'_氨基苯基)苯并恶唑纯品； 4 步骤C、将2-(2'_氨基苯基)苯并恶唑和DMAP溶于二氯甲烷中； 5
[0015] 步骤D、将溶于二氯甲烷中的氯代乙酰氯逐滴加入到上述混合溶液中，搅拌一段时 间后，旋蒸，混合物用柱层析分离提纯，得中间体纯品； 6 步骤E、将N-羟乙基哌嗪和中间体混合后溶解在DMF中，在搅拌下缓慢加入一定量 的无水碳酸钾后于一定温度下反应若干小时后； 7 步骤F、冷却至室温，过滤得到沉淀，滤液用乙酸乙酯萃取，合并有机相，干燥，过 滤，柱层析分离得最终产物。 8 优选地，所述步骤A具体条件为，邻氨基苯甲酸和邻氨苯酚混合后研磨均匀，将研 磨均匀的混合物加入到质量为混合物20倍的多聚磷酸中，然后于机械搅拌下在220°C下反 应，反应时间为3h。 9 优选地，所述步骤B具体条件为，冷却的温度在60°C以上，所述反应液倒入沸水中， 10 且沸水的体积为多聚磷酸体积的5倍，所述碱性溶液为饱和碳酸氢钠溶液，所述饱和碳酸氢 钠溶液用量为将溶液调解至PH8-9之间，所述干燥在真空条件下进行。
[0020] 优选地，所述步骤C具体条件为，所述2_(2'_氨基苯基)苯并恶唑和DMAP溶于干燥 的二氯甲烷中。
[0021] 优选地，所述步骤D具体条件为，在氩气保护下，将溶于干燥二氯甲烷中的氯代乙 酰氯逐滴加入到上述混合溶液中，搅拌2h，旋蒸，混合物用柱层析分离提纯，提纯时洗脱剂 为石油醚/二氯甲烧= 2:1，V:V。
[0022] 优选地，所述步骤E具体条件为，所述DMF使用前进行无水处理，所述反应时长为 10h〇
[0023] 优选地，所述步骤F具体条件为，所述乙酸乙酯萃取时分三次等体积萃取，所述干 燥时干燥剂选择无水硫酸镁干燥，柱层析分离时洗脱剂为石油醚/乙酸乙酯=1:1，v:v。
[0024] 本发明中一种基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针在铜离子化学传感器领域的应 用，所述Cu2+荧光探针可用于水环境和人体中铜离子含量的传感检测，所述的传感检测是荧 光强度检测。
[0025] 本发明的有益效果在于，本发明提供了一种基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针，本 发明提供的Cu2+荧光探针能够对生物细胞内、环境水体中Cu 2+进行检测。
[0026] 本发明提供一种分子结构简单、合成方法简单、产率高、对铜离子具有较好选择 性、极强的抗干扰能力，以及优良的线性范围和低的检测限的Cu 2+荧光探针。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明提供的确认铜离子化学传感器结构的氢谱和碳谱；
[0028] 图2为本发明提供的铜离子荧光探针化合物对不同的金属离子的荧光强度图谱； [0029]图3为本发明提供的铜离子荧光探针化合物的荧光强度和铜离子的滴定曲线；
[0030] 图4为本发明提供的铜离子荧光探针化合物的荧光探针和铜离子的浓度线性范 围；
[0031] 图5-1为本发明提供的铜离子化学传感器与铜离子反应氢谱示意图；
[0032]图5-2为本发明提供的铜离子化学传感器与铜离子反应识别机理示意图；
[0033] 图6为本发明提供的铜离子化学传感器的荧光强度和铜离子与其他离子共存时的 荧光强度对比图；
【具体实施方式】
[0034] 下面结合附图并通过【具体实施方式】来进一步说明本发明的技术方案。
[0035] 本实例中一种基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针，其分子结构式如下：
[0036]
本实例中一种基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针的制备方法，其合成路线如下：
[0038]
[0039] 在本实例中，所述制备方法具体包括如下工艺步骤：
[0040] 步骤A、将邻氨基苯甲酸和邻氨基苯酚混合后研磨均匀，将研磨均匀的混合物加入 到质量为混合物20倍的多聚磷酸中，然后于机械搅拌下在220°C下反应，反应时间为3h;
[0041] 步骤B、将上述反应液冷却至60°C以上后，将反应液倒入沸水中，且沸水的体积为 步骤A中多聚磷酸体积的5倍，过滤收集沉淀，少量的水洗涤沉淀后，将沉淀溶于饱和碳酸氢 钠溶液中，过滤，沉淀用水洗，然后真空下干燥，乙醇重结晶得到2_(2'_氨基苯基)苯并恶唑 纯品；
[0042] 步骤C、将2_(2'_氨基苯基)苯并恶唑和DMAP溶于干燥的二氯甲烷中；
[0043]步骤D、在氩气保护下，将溶于干燥二氯甲烷中的氯代乙酰氯逐滴加入到上述混合 溶液中，搅拌2h，旋蒸，混合物用柱层析分离提纯，提纯时洗脱剂为石油醚/二氯甲烷= 2:1， v：v；
[0044] 步骤E、将N-羟乙基哌嗪和中间体混合后溶解在DMF中，所述DMF溶液使用前进行无 水处理，在搅拌下缓慢加入一定量的无水碳酸钾后于一定温度下反应l〇h。
[0045] 步骤F、冷却至室温，过滤得到沉淀，滤液用乙酸乙酯分三次等体积萃取，合并有机 相，无水硫酸镁干燥，过滤，柱层析分离得最终产物，洗脱剂为石油醚/乙酸乙酯=1:1，v:v。
[0046] 基于上述，最终产物铜离子荧光探针化合物的氢谱和碳谱如图1所示，本发明提供 的铜离子荧光探针，以2_(2'_氨基苯基）苯并恶唑为荧光母体，依次通过与氯代乙酰氯反 应，在氨基上引入甲酰基，所得到的中间体与N-羟乙基哌嗪反应，引入N原子和羟基，羟基的 引入增加了该化合物的水溶性，同时也可以增强在水中的荧光性。通过在母体引入与铜离 子进行专一性配位的氮原子和氧原子，检测过程中铜离子荧光探针能很快地和铜离子发生 配位，使荧光迅速减弱，从而实现对铜离子的检测，在pH = 7.14条件下，荧光探针分别与15 种常见金属离子混合后荧光图谱如图2所示，说明该发明的探针在生理pH下对铜离子具有 良好的选择性。
[0047]该发明的铜离子荧光探针与铜离子识别机理如图5-2所示。该机理经过以氘代 01^0为溶剂在配体中分别加入0,0.5，1倍当量的(：11(：12*2!120，然后测其氢谱如图5-1所示可 以看到苯并恶唑环上的氢的化学位移基本上没有发生移动，主要是N-羟乙基哌嗪环上的氢 与酰胺基相连的亚甲基上的氢，以及羟基上的氢发生了较大的位移变化，说明这些氢附近 的杂原子与Cu 2+发生了配位。同时根据荧光滴定可知铜离子与配体的物质的量比为2:1，所 以可以推断出识别机理为图5-2所示。
[0048] 该探针应用于水体中铜离子检测实例：
[0049] 配置浓度为1X1 0-4Μ的铜离子溶液，溶剂为纯水溶液。
[0050] 配置浓度为1χ10-4Μ的配体溶液，，溶剂为DMF。
[00511 量取3mLtris缓冲溶液(ρΗ=7.14)于荧光比色皿中，然后再加入3yL的探针溶液 (0 . ΙμΜ)，每次加入一定体积铜离子溶液后混合均匀后(依次加入铜离子的量实现铜离子与 配体的物质的量比为 0.1，0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8， 2.0，2.2)，测定荧光光谱。测量条件:激发波长为286nm，发射光谱范围290-600nm，响应曲线 如图3所示，从图3的响应曲线可以看出，发明的荧光探针对Cu 2+浓度的变化有很好的响应， 从图4中我们可以看出当铜离子的浓度在2χ10-6-9 Χ10-6Μ范围内，线性拟合常数为0.99514， 说明该发明的探针浓度为1X1 0-5Μ时，可以对2χ 1 0-6-9χ 1 0-6Μ浓度范围内的铜离子进行定量 分析。
[0052] 量取3mLtris缓冲溶液(ρΗ=7.14)于荧光比色皿中，然后再加入3yL的探针溶液 (0. ΙμΜ)，依次加入15yL的其他常见金属离子（ΙμΜ)，然后再加入3μLΧ〇. ΙμΜ)的铜离子，最后 我们将人体中常见的金属离子全部加到同一个比色皿中，然后再加入铜离子，所有的样品 混合均匀后，测定荧光光谱。测量条件:激发波长为286nm，发射光谱范围290-600nm，所得光 谱数据的柱状图如图6所示，说明此传感器具有极强的抗干扰能力，同时又由于具有较好的 选择性和线性范围，说明该发明的荧光探针也能够应用到生命体中检测铜离子。
[0053]本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明 书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有 各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围 由所附的权利要求书及其等效物界定。
【主权项】
1. 一种基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针，其特征在于，其结构式如式I所示：2. -种如权利要求1所述的基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针的制备方法，其特征在 于，其合成路线如下：3. 根据权利要求2所述的一种基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针的制备方法，其特征在 于，具体包括如下工艺步骤： 步骤A、将邻氨基苯甲酸和邻氨基苯酚混合后加入到多聚磷酸中，在一定温度下反应若 干小时； 步骤B、将上述反应液冷却至一定温度后，将反应液倒入水中，过滤收集沉淀，少量的水 洗涤沉淀后，将沉淀溶于碱性溶液中，过滤，沉淀用水洗，然后干燥，乙醇重结晶得到2-(2'_ 氨基苯基)苯并恶唑纯品； 步骤C、将2-(2'_氨基苯基)苯并恶唑和DMP溶于二氯甲烷中； 步骤D、将溶于二氯甲烷中的氯代乙酰氯逐滴加入到上述混合溶液中，搅拌一段时间 后，旋蒸，混合物用柱层析分离提纯，得中间体纯品； 步骤E、将N-羟乙基哌嗪和中间体混合后溶解在DMF中，在搅拌下缓慢加入一定量的无 水碳酸钾后于一定温度下反应若干小时后； 步骤F、冷却至室温，过滤得到沉淀，滤液用乙酸乙酯萃取，合并有机相，干燥，过滤，柱 层析分离得到最终产物。4. 根据权利要求3所述的一种基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针的制备方法，其特征在 于，所述步骤A具体条件为，邻氨基苯甲酸和邻氨苯酚混合后研磨均匀，将研磨均匀的混合 物，加入到质量为混合物20倍的多聚磷酸中，然后于机械搅拌下在220°C下反应，反应时间 为3h。5. 根据权利要求3所述的一种基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针的制备方法，其特征在 于，所述步骤B具体条件为，冷却的温度在60°C以上，所述反应液倒入沸水中，且沸水的体积 为多聚磷酸体积的5倍，所述碱性溶液为饱和碳酸氢钠溶液，所述干燥在真空条件下进行。6. 根据权利要求3所述的一种基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针的制备方法，其特征在 于，所述步骤C具体条件为，所述2-(2'_氨基苯基)苯并恶唑和DMP溶于干燥的二氯甲烷中。7. 根据权利要求3所述的一种基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针的制备方法，其特征在 于，所述步骤D具体条件为，在氩气保护下，将溶于干燥二氯甲烷中的氯代乙酰氯逐滴加入 到上述混合溶液中，搅拌2h，旋蒸，混合物用柱层析分离提纯，提纯时洗脱剂为石油醚/二氯 甲烷= 2:1，V:V。8. 根据权利要求3所述的一种基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针的制备方法，其特征在 于，所述步骤E具体条件为，所述DMF使用前进行无水处理，所述反应时长为10小时。9. 根据权利要求3所述的一种基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针的制备方法，其特征在 于，所述步骤F具体条件为，所述乙酸乙酯萃取时分三次等体积萃取，所述干燥时干燥剂选 择无水硫酸镁干燥，柱层析分离时洗脱剂为石油醚/乙酸乙酯=1:1，V:V。10. -种如权利要求1所述的一种基于苯并恶唑结构的Cu2+荧光探针在铜离子化学传感 器领域的应用，其特征在于，所述Cu 2+荧光探针可用于水环境和人体中铜离子含量的传感检 测，所述的传感检测是荧光强度检测。
【文档编号】C09K11/06GK106008389SQ201610377277
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】田林, 庄文昌, 周颖梅, 盛风涛, 李昭, 李靖, 顾越飞
【申请人】徐州工程学院