專利名稱：杯芳烴氮雜冠醚衍生物、其制備方法及其作為金屬離子熒光識別試劑的用途的制作方法
技術領域：
本發明涉及一類可作為金屬離子熒光識別試劑的新型化合物、其制備方法及其用途。更具體地說，本發明涉及杯芳烴氮雜冠醚衍生物、其制備方法及其作為金屬離子熒光識別試劑的用途。
背景技術：
分子識別這一概念最初被用在分子水平上研究生物體系中的化學問題。隨著近代超分子化學這個新興的學科的出現，分子識別逐漸成為了這個學科的核心研究內容之一。分子識別是指主體對客體選擇性結合并產生某種特定功能的過程。它們不是靠傳統的共價鍵力，而是靠非共價鍵力的分子間的作用力。分子識別可以用來解決分析、分離、催化、藥物控制釋放等多方面的問題，是現代科技發展不可缺少的手段，具有廣泛而深遠的應用前景。
現階段分子識別的主體主要有冠醚、環糊精和杯芳烴三類大環主體化合物。冠醚化學和環糊精化學一起開辟了超分子化學這一新興研究領域，分別代表了第一代和第二代超分子主體化合物。近些年來，杯芳烴這一類“新型”的具有獨特空穴結構的大環化合物，在超分子化學研究方面取得的成果受到科學工作者的廣泛重視，被譽為是繼冠醚和環糊精之后的第三代超分子主體化合物。
杯芳烴是一類杯狀低聚大環化合物，具有一定的空腔大小，是理想的包結客體分子的主體化合物。同時，這類大環化合物具有結構靈活多變(尤其是構像變化)、易于修飾的特點。在環的上、下緣引入適當的功能基團所得到的主體，能借助于氫鍵、靜電作用、范德華力、疏水作用、陽離子-π作用、π-π堆積作用及誘導楔合等非共價鍵協同作用來識別客體分子，從而實現配位、催化和能量轉換等特殊功能。通過在杯芳烴上、下緣引入各種基團的功能杯芳烴，可以構成以杯環為骨架的帶有親脂性、親水性和離子載體的受體，能與不同大小、不同性質的客體分子相匹配。所以杯芳烴化合物的配位作用取決于杯環大小、構像及環上取代基的性質。
分子識別可以分為對離子客體的識別和對中性分子客體的識別。縱觀杯芳烴化學對金屬離子識別的歷史，研究得最多的是對堿金屬和堿土金屬離子的識別，對其他金屬離子的研究就沒有那么廣泛。并且，歷史上研究金屬離子選擇性識別使用最多最廣泛的手段是液膜傳輸和萃取兩種手段。這兩種手段雖然直觀易懂，但等待時間比較長，處理起來比較麻煩。隨著科技的不斷發展，近代分析儀器技術不斷提高，熒光分析的手段逐漸被科學家們重視。近幾年來，逐漸出現了使用熒光探測進行分子、離子識別的方法。根據熒光強度的變化，可以很容易地判斷被測物質對某種甚至某些分子、離子的絡合性能、選擇性能等等。這一手段也慢慢用到了杯芳烴對金屬離子識別的領域上來，并且逐漸演變成為了金屬離子熒光探針的研究。
杯芳烴冠醚是杯芳烴化學中很大的一個分支，這類杯芳烴衍生物具有杯狀空腔和冠醚空腔，這使其具有良好的客體包結、客體識別的功能。因此，杯芳烴冠醚化合物具有比母體杯芳烴更好的選擇性識別能力。可見，這種利用杯芳烴冠醚化合物以熒光測試方法研究金屬離子識別是一項有著非常廣闊發展應用前景的課題。
發明概述本發明的目的是提供一種可用于金屬離子識別的新型化合物，特別是可以用作個別金屬離子的熒光探針。
本發明的更具體的目的是提供一類杯芳烴氮雜冠醚衍生物，其可以用作金屬離子熒光識別試劑。
本發明的另一目的是提供一種制備上述杯芳烴氮雜冠醚衍生物的方法。
本發明的又一目的是提供上述杯芳烴氮雜冠醚衍生物作為金屬離子熒光識別試劑的用途。
本發明的這些和其他目的、特征和優點在結合附圖閱讀完本說明書之后將變得更加明了。
附圖簡述
圖1為本發明實施例3中得到的化合物在各種金屬離子存在下的熒光測試結果。
圖2-5為本發明實施例3中得到的化合物分別在Fe3+、Co2+、Cu2+和Ru3+存在下的熒光測試結果。
發明詳述本發明的杯芳烴氮雜冠醚衍生物為未見文獻報道的新型杯[4]芳烴衍生物且由如下通式I表示 其中R為C1-C6直鏈或支化烷基。
根據本發明，優選通式中R為甲基、乙基、正丙基、異丙基、正丁基、異丁基、仲丁基、叔丁基、戊基和己基及其異構體，更優選R為甲基、乙基、正丙基、異丙基、叔丁基，最優選R為叔丁基。
本發明的杯芳烴氮雜冠醚衍生物可以按照如下反應I和II制備
在反應I中，使母體杯芳烴(1)與1，3-二溴丙烷(2)在無水碳酸鉀作為質子吸收劑存在下在干燥的乙腈中回流48個小時，得到3-溴丙基二取代的杯芳烴衍生物(3)。在該反應中，母體杯芳烴(1)與1，3-二溴丙烷(2)的摩爾比為1∶3-1∶20，優選1∶5-1∶15；無水碳酸鉀的用量基于母體杯芳烴的摩爾數為1-8mol，優選2-6mol；乙腈的用量基于每毫摩爾母體杯芳烴為10-50ml，優選15-40ml。
在反應II中，使反應I中得到的杯芳烴衍生物(3)與絲氨酸乙酯鹽酸鹽(4)在無水碳酸鉀作為質子吸收劑存在下在干燥的乙腈中回流2天，得到本發明的杯芳烴氮雜冠醚衍生物。在該反應中，杯芳烴衍生物(3)與絲氨酸乙酯鹽酸鹽(4)的摩爾比為1∶3-1∶20，優選1∶5-1∶15；無水碳酸鉀的用量基于杯芳烴衍生物(3)的摩爾數為5-20mol，優選8-15mol；乙腈的用量基于每毫摩爾杯芳烴衍生物(3)為40-120ml，優選50-100ml。
本發明化合物是新型杯芳烴冠醚衍生物，具有兩個主體化合物功能團，既具有一定空腔大小的杯芳烴杯狀單元，又具有氮雜冠醚功能團。同時，本發明化合物還具有絲氨酸的某些功能基團。本發明化合物繼承了杯芳烴和冠醚兩種主體功能基團的優良的主體識別性能。其母體杯[4]芳烴能以它的一定空腔大小包結金屬離子，再加上酚羥基氧的配位作用，以及氮雜冠環空腔，因而具有很好的離子選擇識別性能。本發明化合物在母體杯[4]芳烴下緣修飾上了絲氨酸取代功能團，由于具有良好配位性能的絲氨酸的連接，使得本發明化合物具有對金屬離子很強的選擇性絡合作用。
關于本發明化合物的離子識別作用，是通過對該化合物的熒光激發峰強度的變化來進行判斷的。本發明化合物自身具有激發熒光的性能，因此可以采用熒光滴定實驗，通過該化合物自身熒光強度的變化來判斷其對客體離子、分子的識別和絡合作用。經過各種金屬離子對本發明化合物的熒光滴定實驗，發現不同的金屬離子可以引起該化合物熒光強度的不同變化，甚至有的金屬離子可以使該化合物的熒光發生猝滅。通過這種熒光滴定實驗確認本發明化合物具有對金屬離子的選擇性熒光識別用途，特別是能作為熒光探針對某些金屬離子的識別探測。
下面通過實施例進一步說明本發明，但不必看作是對本發明范圍的限制。
實施例125，27-二(3-溴丙氧基)-26，28-二羥基-5，11，17，23-四叔丁基杯[4]芳烴的制備向配有回流冷凝裝置的容器中，注入經過無水硫酸鎂干燥24小時的乙腈(250毫升)，然后加入對叔丁基杯[4]芳烴(6.46克，10毫摩爾)，1，3-二溴丙烷(10.2毫升，100毫摩爾)和無水碳酸鉀(3.45克，25毫摩爾)。加熱攪拌回流48個小時，冷卻，減壓旋轉蒸干溶劑乙腈。向得到的固體中加入三氯甲烷(200毫升)，分別用5％鹽酸，飽和碳酸氫鈉水溶液，蒸餾水洗滌，每樣洗滌三次，每次使用100毫升。往三氯甲烷中加入10克無水硫酸鈉干燥24小時。濾去干燥劑硫酸鎂，減壓旋轉蒸發溶劑氯仿，得到白色固體(略帶黃色)粗品。按1克白色固體取用27.7毫升無水乙醇的比例，往白色固體粗品中加入無水乙醇，回流攪拌1小時。冷卻，減壓抽濾后，得到6.5克白色固體產品，產率73％。熔點289.4～290.2℃，文獻值288～290℃，與文獻相同。1HNMR(CDCl3，500HZ，δ，ppm)7.70(s，2H，OH)，7.15，6.88(s，4H，各自為ArH)，4.27(d，J＝13.0Hz，4H，ArCH2Ar)，4.12(t，J＝7.8Hz，4H，OCH2CH2CH2)，4.01(t，J＝8.0Hz，4H，BrCH2CH2CH2)，3.35(d，J＝13.0Hz，4H，ArCH2Ar)，2.53(m，4H，BrCH2CH2CH2)，1.27(s，18H，CH3)，1.02(s，18H，CH3)。MS(FAB)，m/z890(M+)。
實施例2絲氨酸乙酯鹽酸鹽的制備向配有冷凝管、尾氣吸收裝置和進氣裝置的三頸瓶中，加入經過重蒸的無水乙醇(100毫升)。通干燥的氯化氫1個小時，使無水乙醇相對于氯化氫處于飽和狀態。然后用冰浴冷卻，加入3.5克絲氨酸，冰浴下繼續通氯化氫攪拌1個小時。撤去冰浴，加熱回流半小時。冷卻，加入10克無水硫酸鎂干燥24小時。濾去干燥劑，蒸去一半溶劑，冰箱中靜置一夜，析出無色晶體，過濾，真空干燥，最后得到無色晶狀產物。熔點160～160.8℃，文獻值159～162℃。IR(KBr，ν，cm-1)3384.3，2975.0，1978.6，1746.6，1583.1。這些數值都與文獻報導的一致。
實施例3本發明化合物的制備向配有回流冷凝裝置的容器中，注入經過無水硫酸鎂干燥24小時的乙腈(200毫升)，然后加入25，27-二(3-溴丙氧基)-26，28-二羥基-5，11，17，23-四叔丁基杯[4]芳烴(實施例1，2克，2.24毫摩爾)，無水碳酸鉀(4.03克，29.2毫摩爾)。絲氨酸乙酯鹽酸鹽3.82克(22.4毫摩爾)，先加入1/3的量，加熱回流，然后每隔8小時加入1/3的量，共分三次加完絲氨酸乙酯鹽酸鹽。加完最后一批絲氨酸乙酯鹽酸鹽后，加熱攪拌回流兩天。冷卻，減壓旋轉蒸干溶劑乙腈。向得到的固體中加入三氯甲烷(100毫升)，分別用稀鹽酸、飽和碳酸氫鈉水溶液、蒸餾水各洗三次。三氯甲烷中加入10克無水硫酸鈉干燥24小時。濾去干燥劑硫酸鎂，減壓蒸去溶劑氯仿，得到白色固體。白色固體通過硅膠柱層析提純，淋洗劑選用(體積比為，石油醚∶乙酸乙酯＝3∶1)，收集第二熒光點物質，溶劑蒸干后得結晶狀固體產物1克，產率51.8％。熔點268.5～269.2℃；IR(KBr，ν，cm-1)3277.4，2954.2，2868.1，1738.8，1721.1，1595.5，1486.3；HNMR(CDCl3，500HZ，δ，ppm)1.25(s，36H，But)，1.30(t，3H，N-(CO)-O-C-CH3)，2.23(m，2H，Ar-O-C-CH2-C-N)，2.55(m，2H，Ar-O-C-CH2-C-N)，3.37(d，2H，Ar-CH2-Ar)，3.39(t，2H，Ar-O-C-C-CH2-N)，3.44(d，2H，Ar-CH2-Ar)，3.85(d，2H，N-C-CH2-OH)，3.88(brs，1H，-N-CH)，3.93(t，2H，Ar-O-C-C-CH2-N)，4.04(t，2H，Ar-O-CH2)，4.08(t，2H，Ar-O-CH2)，4.19(d，2H，Ar-CH2-Ar)，4.25(q，2H，N-(CO)-O-CH2)，4.36(d，2H，Ar-CH2-Ar)，7.01～7.12(m，8H，Ar-H)。
實施例4來自實施例3的本發明化合物對各種金屬離子的熒光識別實驗參與熒光識別的金屬化合物是AgNO3、Al(NO3)3、CaCl2、Co(NO3)2、CrCl3、Cu(NO3)2、Fe(NO3)3、Gd(NO3)3、LaCl3、MgCl2、MnCl2、Ni(NO3)2、RuCl3、Sm(NO3)3、SrCl2、Y(NO3)3、ZrOCl2。
在下列實施例中，除非特殊說明和指出，所有熒光識別實驗所用溶劑都是經過分子篩干燥的N，N-二甲基甲酰胺(下面簡稱DMF)。
本發明化合物的濃度為1.0×10-5mol/L，所有金屬濃度都為它的十倍，即1.0×10-4mol/L。具體做法是往若干支試管中加入0.1mL的1.0×10-3mol/L的本發明化合物，再往這些試管中分別加入以上金屬1.0×10-3mol/L1mL，然后定容到10mL。室溫下放置8小時。然后進行熒光測試，得到發光曲線如圖1所示，其中S0為本發明化合物。從圖中我們可以明顯看到，本發明化合物未加任何金屬的時候，在618nm處有最強激發峰，582nm處有次強激發峰。當加入金屬化合物后，本發明化合物的最強激發峰及次強激發峰強度都出現了變化。很明顯，Fe(NO3)3可以減弱這個最強激發峰到猝滅的程度，而Co(NO3)2、Cu(NO3)2、Ni(NO3)2、RuCl3則是一定程度地減弱這個最強激發峰，AgNO3、Al(NO3)3、CaCl2、CrCl3、Gd(NO3)3、LaCl3、MgCl2、MnCl2、Sm(NO3)3、SrCl2、Y(NO3)3、ZrOCl2對這個激發峰的強度影響不是很明顯。在582nm處的次強熒光激發峰也出現了相似的情況。只有AgNO3的情況比較特殊，加入AgNO3后，582nm處的熒光強度反而有所增強。所以，本發明化合物可以選擇性地識別Co2+、Cu2+、Fe3+、Ni2+、Ru3+和Ag+，并且可以作為Fe3+離子的熒光探針。
從測試結果可以看出，金屬鹽對本發明化合物熒光強度的影響和鹽的陰離子無關，即NO3-、Cl-等陰離子不會影響本發明化合物的熒光強度，而熒光強度的變化確實是由金屬離子本身引起的。
實施例5來自實施例3的本發明化合物熒光被Fe(NO3)3逐漸猝滅實驗固定本發明化合物的濃度為1.0×10-5mol/L，逐漸增加Fe(NO3)3的濃度，從1.0×10-5mol/L逐漸增加到1.0×10-4mol/L。具體做法是往若干支試管中加入0.1mL的1.0×10-3mol/L的本發明化合物，再往這些試管中分別加入濃度為1.0×10-3mol/L的Fe(NO3)3溶液0.1mL～1mL，然后定容到10mL。室溫下放置8小時。進行熒光測試，得到發光曲線如圖2所示，其中相對強度最大的為本發明化合物的激發峰。從圖中可以看到，隨著Fe(NO3)3濃度的逐漸增加，本發明化合物的熒光強度逐漸減弱，最后發生猝滅。而次強的熒光激發峰也隨Fe(NO3)3濃度的增加逐漸減弱，最終也發生猝滅。
實施例6來自實施例3的本發明化合物熒光隨Co(NO3)2的加入逐漸減弱實驗本實例的使用經過無水硫酸鈉干燥24小時的無水乙腈作溶劑。固定本發明化合物的濃度為1.0×10-5mol/L，逐漸增加Co(NO3)2的濃度，從1.0×10-5mol/L逐漸增加到1.0×10-4mol/L。具體做法是往若干支試管中加入0.1mL的1.0×10-3mol/L的本發明化合物，再往這些試管中分別加入濃度為1.0×10-3mol/L的Co(NO3)2溶液0.1mL～1mL，然后定容到10mL。室溫下放置8小時。進行熒光測試，得到發光曲線如圖3所示，其中相對強度最大的為本發明化合物的激發峰。從圖中可以看到，隨著Co(NO3)3濃度的逐漸增加，本發明化合物的熒光強度逐漸減弱。
實施例7來自實施例3的本發明化合物熒光隨Cu(NO3)2的加入逐漸減弱實驗本實例的使用經過無水硫酸鈉干燥12小時的無水乙腈作溶劑。固定本發明化合物的濃度為1.0×10-5mol/L，逐漸增加Cu(NO3)2的濃度，從1.0×10-5mol/L逐漸增加到1.0×10-4mol/L。具體做法是往若干支試管中加入0.1mL的1.0×10-3mol/L的本發明化合物，再往這些試管中分別加入濃度為1.0×10-3mol/L的Cu(NO3)2溶液0.1mL～1mL，然后定容到10mL。室溫下放置8小時。進行熒光測試，得到發光曲線如圖4所示，其中相對強度最大的為本發明化合物的激發峰。從圖中可以看到，隨著Cu(NO3)2濃度的逐漸增加，本發明化合物的熒光強度逐漸減弱。
實施例8來自實施例3的本發明化合物熒光隨RuCl3的加入逐漸減弱實驗固定本發明化合物的濃度為1.0×10-5mol/L，逐漸增加RuCl3的濃度，從1.0×10-5mol/L逐漸增加到1.0×10-4mol/L。具體做法是往若干支試管中加入0.1mL的1.0×10-3mol/L的本發明化合物，再往這些試管中分別加入濃度為1.0×10-3mol/L的RuCl3溶液0.1mL～1mL，然后定容到10mL。室溫下放置8小時。進行熒光測試，得到發光曲線如圖5所示，其中相對強度最大的為本發明化合物的激發峰。從圖中可以看到，隨著RuCl3濃度的逐漸增加，本發明化合物的熒光強度逐漸減弱，最后熒光強度發生大幅度減弱，但沒有猝滅。圖中可以看到，582nm處次強的熒光激發峰強度也隨金屬離子濃度的增加逐漸減弱。
權利要求
1.通式I的杯芳烴氮雜冠醚衍生物 其中R為C1-C6直鏈或支化烷基。
2.根據權利要求1的杯芳烴冠醚衍生物，其中R為甲基、乙基、正丙基、異丙基、正丁基、異丁基、仲丁基、叔丁基、戊基和己基及其異構體，優選R為甲基、乙基、正丙基、異丙基、叔丁基，最優選R為叔丁基。
3.一種制備根據權利要求1或2的杯芳烴氮雜冠醚衍生物的方法，包括在使母體杯芳烴與1，3-二溴丙烷在無水碳酸鉀作為質子吸收劑存在下在干燥的乙腈中回流反應48個小時，得到3-溴丙基二取代的杯芳烴衍生物，然后使3-溴丙基二取代的杯芳烴衍生物與絲氨酸乙酯鹽酸鹽在無水碳酸鉀作為質子吸收劑存在下在干燥的乙腈中回流反應2天。
4.根據權利要求3的方法，其中在母體杯芳烴與1，3-二溴丙烷的反應中，母體杯芳烴與1，3-二溴丙烷的摩爾比為1∶3-1∶20，優選1∶5-1∶15；無水碳酸鉀的用量基于母體杯芳烴的摩爾數為1-8mol，優選2-6mol；乙腈的用量基于每毫摩爾母體杯芳烴為10-50ml，優選15-40ml。
5.根據權利要求3的方法，其中在3-溴丙基二取代的杯芳烴衍生物與絲氨酸乙酯鹽酸鹽的反應中，3-溴丙基二取代的杯芳烴衍生物與絲氨酸乙酯鹽酸鹽的摩爾比為1∶3-1∶20，優選1∶5-1∶15；無水碳酸鉀的用量基于3-溴丙基二取代的杯芳烴衍生物的摩爾數為5-20mol，優選8-15mol；乙腈的用量基于每毫摩爾3-溴丙基二取代的杯芳烴衍生物為40-120ml，優選50-100ml。
6.根據權利要求1或2的杯芳烴氮雜冠醚衍生物作為金屬離子選擇性熒光識別試劑的用途。
7.根據權利要求6的用途，其中所述金屬離子為Co2+、Cu2+、Ni2+、Ru3+、Fe3+和Ag+，優選Fe+3。
全文摘要
本發明涉及一種可作為金屬離子熒光識別試劑的新型化合物、其制備方法和用途。本發明化合物是一類杯四芳烴的衍生物，通過將絲氨酸乙酯連接到杯[4]芳烴下緣而得到。本發明化合物具有很好的金屬離子識別性能，可以選擇性地識別Co
文檔編號G01N21/76GK1982300SQ20051013461
公開日2007年6月20日 申請日期2005年12月13日 優先權日2005年12月13日
發明者延璽, 李加冕, 陳河平, 司書峰 申請人:北京師范大學