均苯三甲酰腙系列衍生物的制备及其作为探针分子识别氟离子的应用

摘要

将均苯三甲酸、浓硫酸和乙醇按照1：0.25：20的质量比溶解在乙醇中，回流48h以后，得到白色产物均苯三甲酸乙酯；将均苯三甲酸乙酯、水合联氨和甲醇以1：0.5：5的质量比溶解在甲醇中，直至薄层板上没有原料的点时，冷却反应液至室温，析出大量白色固体均苯三甲酰肼；将均苯三甲酰肼和水杨醛衍生物以1：4.5的摩尔比溶解在适量甲醇中，加入对甲苯磺酸作催化剂，回流12h后冷却至室温得到荧光探针分子。

说明书

技术领域

本发明涉及一类均苯三甲酰腙衍生物及其制备方法，同时还涉及该类衍生物作为氟离子 识别受体的应用。

背景技术

主客体分之间的相互作用与相互识别是目前超分子化学研究领域的前沿课题之一。阴离 子在医学、环境和生命科学中发挥着至关重要的作用，设计与合成对阴离子具有选择性识别 功能的受体分子已经成为目前的研究热点之一，尤其是具有裸眼识别体系的建立因检测方便 而备受关注。无机阴离子中氟离子不仅因其是最小的阴离子更因其关系到牙科病、骨质疏松 症和氟中毒等有关而受到特别关注。目前所报道的氟离子识别试剂有配合物和单纯配体两种 形式。

在配合物形式的试剂中，金属配合部分只起生色作用，氟离子识别主要靠氢键来实现。 单纯配体形式的化合物研究较多，它们一般包含两个部分：一是氟离子的识别位点部分，包 括吡咯、酰胺、酚羟基、氨基化合物、尿素和硫脲；二是生色团部分，包括取代苯环、萘、蒽、 蒽醌、偶氮等。

然而已报道的具有氟离子选择性能的化合物多为单足配体分子，整个分子与氟离子的结 合位点仅为一个，很少有关于复杂配比情况下的研究。但是众多研究报道表明当配体中含有 两个或两个以上识别位点时，其选择效果比只含一个位点的要好，原因可能是双位点可形成 一个钳状结构，更好地与氟离子形成稳定的环状氢键。

本发明所述均苯三甲酰腙类衍生物是一种具有中心对称结构的三足配体，其分子结构中 具有丰富的N-H和O-H基团，在分子识别过程中能与客体阴离子形成多重氢键，最终实现对 氟离子的高灵敏度光谱识别和裸眼识别。其制备方法简单，成本低廉且产率很高，使得该系 列配体具有大范围制备和推广的潜在应用价值。

与现有技术相比，本发明制备的裸眼识别和光谱检测氟离子的系列均苯三甲酰腙类配体 不仅可以选择性的快速检测氟元素，而且其灵敏度可以通过裸眼检测来实现。

发明内容

本发明的目的是提供一系列均苯三甲酰腙衍生物及其制备方法；本发明的另一个目的是 将系列均苯三甲酰腙衍生物作为氟离子识别受体的应用。

一种均苯三甲酰腙衍生物：其分子结构如下式所示：

其中R＝H，为均苯三甲酰腙衍生物a；

R＝OH，为均苯三甲酰腙衍生物b；

R＝CH₃O，为均苯三甲酰腙衍生物c。

均苯三甲酰腙衍生物识别受体已由元素分析和核磁共振氢谱确定，结果如下：

均苯三甲酰腙衍生物a：白色微晶，产率91.15％，¹HNMR(d₆-DMSO)：δ_H6.96(t，6H)， 7.34(t，3H)，7.64(d，3H)，8.74(t，6H)，11.18(s，3H)，12.47(s，3H)。Elemental analysis calcd for  C₃₀H₂₄O₆N₆：C63.82％，H4.28％，O17.00％；Found：C63.56％，H4.18％，O17.09％。

均苯三甲酰腙衍生物b：白色微晶，产率92.21％，¹HNMR(d₆-DMSO)：δ_H6.35(m，6H)， 7.34(d，3H)，8.60(d，6H)，9.97(s，3H)，11.33(s，3H)，12.21(s，3H)。Elemental analysis：calcd for  C₃₀H₂₄O₉N₆：C58.82％，H3.95％，O23.51％；Found：C58.39％，H3.75％，O23.81％。

均苯三甲酰腙衍生物c：白色微晶，产率92.81％，¹H NMR(d₆-DMSO)：δ_H3.81(s，9H)， 7.03(d，6H)，7.70(d，6H)，8.43(s，3H)，8.60(s，3H)，12.10(s，3H)。Elemental analysis：calcd for  C₃₃H₃₀O₉N₆：C60.55％，H4.62％，O22.00％；Found：C60.95％，H4.96％，O22.33％。

均苯三甲酰腙系列衍生物(a-c)的制备方法：

将均苯三甲酸、浓硫酸和乙醇按照1：0.25：20的质量比溶解在乙醇中，回流48h以后， 得到白色产物均苯三甲酸乙酯(¹H NMR(CDCl₃)：δ_H1.45(t，9H)，4.43(m，6H)，8.86(s，3H)； Elemental analysis：calcd for C₁₅H₁₈O₆：C61.22％，H6.16％，O32.62％；Found：C61.35％，H 6.31％，O32.55％；白色固体，产率95.27％)；将均苯三甲酸乙酯、水合联氨和甲醇以1：0.5：5 的质量比溶解在甲醇中，直至薄层板上没有原料的点时，冷却反应液至室温，析出大量白色 固体均苯三甲酰肼(¹H NMR(d₆-DMSO)：δ_H3.26(m，6H)，7.85(t，3H)，10.85(s，3H)； Elemental analysis：calcd for C₉H₁₂N₆O₃：C42.86％，H4.81％，O19.03％；Found：C42.99％，H 4.66％，O19.26％；白色固体，产率91.28％)；将均苯三甲酰肼和水杨醛衍生物以1：4.5的摩尔 比溶解在适量甲醇中，加入对甲苯磺酸作催化剂，回流12h后冷却至室温得到荧光探针分子 (¹H NMR(d₆-DMSO)：δ_H3.81(m，9H)，6.95(t，6H)，7.38(t，3H)，7.72(d，3H)，8.82(t，6H)， 11.26(s，3H)，12.58(s，3H)；Elemental analysis：calcd for C₃₆H₃₀N₆O₁₂：C58.54％，H4.09％，O 25.99％；Found：C58.68％，H4.22％，O25.81％；白色固体，产率96.53％)，其反应式如下：

其中R＝H，为均苯三甲酰腙衍生物a；

R＝OH，为均苯三甲酰腙衍生物b；

R＝CH₃O，为均苯三甲酰腙衍生物c。

所述溶剂为甲醇和乙醇等低毒溶剂，回收利用较方便；本发明制备均苯三甲酰腙系列衍 生物的工艺简单，产率高，每一步的产率都在90％以上。

均苯三甲酰腙衍生物作为氟离子识别的应用

均苯三甲酰腙系列衍生物可以有效地对体系中氟离子进行识别，通过测定其与四丁基铵 盐(四丁基氟化铵，四丁基氯化铵，四丁基溴化铵或者四丁基碘化铵)的DMSO溶液的紫外 -可见吸收光谱或荧光光谱可以确定其识别能力；

移取均苯三甲酰肼水杨醛衍生物a、b、c的5.8×10^-5mol/L的DMSO溶液于一系列10mL 小瓶中，其溶液的颜色均为无色。在以上小瓶内分别加入1mL F^-、Cl^-、Br^-、I^-、HSO₄^-、ACO^-(0.05mol/L)阴离子的四丁基铵盐的DMSO溶液，用DMSO溶液稀释至刻度并使均苯三甲 酰腙系列衍生物的浓度保持一致，混合均匀后在室温下测其紫外-可见吸收光谱。

附图说明

图1为探针分子a对氟离子识别的紫外可见光谱图

图2为探针分子a对氟离子识别的荧光发射光谱图

图3为均苯三甲酰肼系列衍生物作为探针分子识别氟离子的机理图

具体实施方式

下面对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

均苯三甲酰腙衍生物，其分子结构如下式所示：

其中R＝H，为均苯三甲酰腙衍生物a；

R＝OH，为均苯三甲酰腙衍生物b；

R＝CH₃O，为均苯三甲酰腙衍生物c。

本发明的均苯三甲酰腙衍生物识别受体已由元素分析和核磁共振氢谱确定，结果如下：

均苯三甲酰腙衍生物a：白色微晶，产率91.15％，¹H NMR(d₆-DMSO)：δ_H6.96(t，6H)， 7.34(t，3H)，7.64(d，3H)，8.74(t，6H)，11.18(s，3H)，12.47(s，3H)。Elemental analysis calcd for  C₃₀H₂₄O₆N₆：C63.82％，H4.28％，O17.00％；Found：C63.56％，H4.18％，O17.09％。

均苯三甲酰腙衍生物b：白色微晶，产率92.21％，¹HNMR(d₆-DMSO)：δ_H6.35(m，6H)， 7.34(d，3H)，8.60(d，6H)，9.97(s，3H)，11.33(s，3H)，12.21(s，3H)。Elemental analysis：calcd for  C₃₀H₂₄O₉N₆：C58.82％，H3.95％，O23.51％；Found：C58.39％，H3.75％，O23.81％。

均苯三甲酰腙衍生物c：白色微晶，产率92.81％，¹H NMR(d₆-DMSO)：δ_H3.81(s，9H)， 7.03(d，6H)，7.70(d，6H)，8.43(s，3H)，8.60(s，3H)，12.10(s，3H)。Elemental analysis：calcd for  C₃₃H₃₀O₉N₆：C60.55％，H4.62％，O22.00％；Found：C60.95％，H4.96％，O22.33％。

均苯三甲酰腙系列衍生物(a-c)的制备方法：

将均苯三甲酸、浓硫酸和乙醇按照1：0.25：20的质量比溶解在乙醇中，回流48h以后， 得到白色产物均苯三甲酸乙酯(¹H NMR(CDCl₃)：δ_H1.45(t，9H)，4.43(m，6H)，8.86(s，3H)； Elemental analysis：calcd for C₁₅H₁₈O₆：C61.22％，H6.16％，O32.62％；Found：C61.35％，H 6.31％，O32.55％；白色固体，产率95.27％)；将均苯三甲酸乙酯、水合联氨和甲醇以1：0.5：5 的质量比溶解在甲醇中，直至薄层板上没有原料的点时，冷却反应液至室温，析出大量白色 固体均苯三甲酰肼(¹H NMR(d₆-DMSO)：δ_H3.26(m，6H)，7.85(t，3H)，10.85(s，3H)； Elemental analysis：calcd for C₉H₁₂N₆O₃：C42.86％，H4.81％，O19.03％；Found：C42.99％，H 4.66％，O19.26％；白色固体，产率91.28％)；将均苯三甲酰肼和水杨醛衍生物以1：4.5的摩尔 比溶解在适量甲醇中，加入对甲苯磺酸作催化剂，回流12h后冷却至室温得到荧光探针分子 (¹H NMR(d₆-DMSO)：δ_H3.81(m，9H)，6.95(t，6H)，7.38(t，3H)，7.72(d，3H)，8.82(t，6H)， 11.26(s，3H)，12.58(s，3H)；Elemental analysis：calcd for C₃₆H₃₀N₆O₁₂：C58.54％，H4.09％，O 25.99％；Found：C58.68％，H4.22％，O25.81％；白色固体，产率96.53％)，其反应式如下：

其中R＝H，为均苯三甲酰腙衍生物a；

R＝OH，为均苯三甲酰腙衍生物b；

R＝CH₃O，为均苯三甲酰腙衍生物c。

所述溶剂为甲醇和乙醇等低毒溶剂，回收利用较方便；本发明制备均苯三甲酰腙系列衍 生物的工艺简单，产率高，每一步的产率都在90％以上。

均苯三甲酰腙衍生物作为氟离子识别的应用

本发明均苯三甲酰腙系列衍生物可以有效地对体系中氟离子进行识别，通过测定其与四 丁基铵盐(四丁基氟化铵，四丁基氯化铵，四丁基溴化铵或者四丁基碘化铵)的DMSO溶液 的紫外-可见吸收光谱或荧光光谱可以确定其识别能力；

移取1mL均苯三甲酰肼水杨醛衍生物a、b、c的5.8×10^-5mol/L的DMSO溶液于一系列 10mL小瓶中，其溶液的颜色均为无色。在以上小瓶内分别加入1mL F^-、Cl^-、Br^-、I^-、HSO₄^-、 ACO^-(0.05mol/L)阴离子的四丁基铵盐的DMSO溶液，用DMSO溶液稀释至刻度并使均苯 三甲酰腙系列衍生物的浓度保持一致，混合均匀后在室温下测其紫外-可见吸收光谱。

当在探针分子a、b、c的DMSO溶液中加入Cl^-、Br^-、I^-、HSO₄^-、ACO^-的四丁基铵盐溶 液时，溶液的吸收光谱没有太大变化，说明a、b、c对这三种阴离子没有识别的能力，而在 体系中加入氟离子的四丁基铵盐溶液时，其紫外吸收光谱有明显变化，说明该系列探针分子 对氟离子有较好的识别选择性。在不加阴离子的空白样品中，探针分子a、b、c分别在335、 341、322nm处有最大吸收峰，随着F^-的加入，其吸收峰逐渐减小，同时出现新的吸收峰，其 吸光度随F^-浓度的提高而增强，a溶液的颜色也从无色变成黄色，并且其颜色变化随着氟离 子浓度的增大而加深。

分别移取2mL探针分子a、b、c的DMSO溶液(5.8×10^-5mol/L)于1cm石英比色皿 中，分别加入不同浓度氟离子四丁基铵盐的DMSO溶液(10^-2mol/L)，在常温下测其紫外-可 见吸收光谱。

以a为例，如图1所示，随着F^-的加入，a在335nm、301nm、291nm三处的吸收峰逐渐 减小，同时在385nm、443nm、468nm处出现新的吸收峰，其吸光度随F^-浓度的提高而增强。 并且在348nm处观察到清晰的等吸收点，表明探针分子a与F^-形成了具有明确组成的阴离子 配合物，此时溶液由浅黄色变黄色。

探针分子b和c在分别加入不同浓度的氟离子溶液时，其紫外可见吸收光谱的变化类似 于a。随着F^-的加入，b在341nm处的吸收峰逐渐减小，同时在436nm，461nm处出现新的吸 收峰，其吸光度随F^-浓度的提高而增强，溶液颜色由浅黄色变为深黄色。并且在368nm处观 察到清晰的等吸收点。随着F^-的加入，c在322nm处的吸收峰逐渐减小，同时在376nm处出 现新的吸收峰，其吸光度随F^-浓度的提高而增强。并且在345nm处观察到清晰的等吸收点。 表明受体分子b和c与F^-也形成了具有明确组成的阴离子配合物。

分别移取2mL探针分子a、b、c的DMSO溶液(5.8×10^-5mol/L)于1cm石英比色皿 中，分别加入不同浓度氟离子四丁基铵盐的DMSO溶液(10^-2mol/L)，在常温下测其荧光发 射光谱。以a为例，如图2所示，其中红线为a的空白样品吸收曲线，其发射波长为475nm 左右。加入F^-后，配合物发射波长红移至505nm左右，且随着F^-的加入荧光强度不断增强， 最终到原来的9倍。其发射波长的红移与紫外图上加入氟离子以后的吸收峰的红移相吻合， 低的激发态能级必然导致低的发射能级。

从紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱上可以证明探针分子a、b、c均能有效识别氟离子， 我们推断其机理可能为分子内的价态转移所致，在富电子的N-H…F或者O-H…F和缺电子的 生色团之间的电子转移，其机理如图3所示。