萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器及基于其的pH计

摘要

本发明公开了一种萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器及基于其的pH计。所述分子机器结构式如式(I)所示：(I)。所述pH计包括金电极以及吸附在金电极表面形成自组装单分子层的所述萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器。本发明通过合成一种萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器，利用双硫键与金电极实现结合，在加入酸或碱的过程中导致分子机器与金电极上电荷间的转移，从而实现pH值的在线快速监测；整个监测过程产生的废物也不会在单分子层上堆积，从而提高了检测限、灵敏度以及耐疲劳性。

说明书

技术领域

本发明属于分子机器与电化学技术领域，具体涉及一种萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器及基于其的pH计。

背景技术

轮烷型分子梭作为分子机器的一种类型，由一个环状分子和一个线型分子组成，线型分子贯穿环状分子的内腔，并且线型分子的两端大的阻挡基团可以防止环状分子脱离线型分子。在外界特定刺激的作用下，环状分子可以在两个阻挡基团之间沿着线型分子作往复的活塞式运动。轮烷型分子梭是研究分子间弱相互作用力及其可控转换的理想体系之一，它为研究组分之间的能量、电子转移等重要物理化学过程及其调控提供了新的模型体系，譬如光电转换、构型转换、手性转换、状态记忆与转换等，并且有利于进一步认识和理解生物体系内复杂的能量、电子转移过程。

虽然基于轮烷或索烃等互锁分子的分子机器在最近十年有了很大的发展，例如南开大学刘育教授的《具有分子键盘锁功能的双插头-插座超分子器件及其制备》，但是具有高复杂性的分子机器体系仍然缺乏，并且能够将组分的相对运动转化为可以识别的信号的例子则更少，特别是肉眼观测的信号如颜色、荧光等。另外，目前来讲，如何利用已知原理进行分子设计、组装而达到识别目的以及如何构造分子级别上的复杂逻辑电路仍面临着挑战。另一方面，分子机器的最终目标是构建有真正意义的分子器件，要想使分子机器能够真正的应用，就要求特定空间里一定数目的分子机器能够相对整齐地进行协同工作。在溶液中，分子机器的自由运动空间比较大，在外界刺激下各种组分发生的相对运动可以顺利进行；而很多原本在溶液中运转得很好的分子机器体系一旦制备成固态器件后，绝大部分工作效率大大降低、响应时间大幅度增加。自组装单分子层技术(self-assembled monolayers，SAMs)近年来成为研究热点，各种有机功能分子通过单层自组装，可以实现分子在纳米尺度上在固体表面进行有序的排列，构筑纳米层，并可以消除分子机器本身的布朗运动。将性能优异的酸碱控制的分子机器的端基进行修饰，使分子机器在两相界面上形成自组装单分子层(石英、玻璃或者金电极表面)，研究分子机器在界面上的协同运动以及运动前后两个状态对界面性质的影响。

市面上现有的pH计存在结果重复性较差、易污染样品、检测周期较长、测试稳定性较差、电极易损坏以及检测限较低等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器及基于其的可视在线快速监测pH计。本发明通过合成一种萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器，利用双硫键与金电极实现结合，在加入碱或酸的过程中导致萘酰亚胺冠醚环在哑铃形杆上运动，整个过程中会导致缺电子的萘酰亚胺与富电子的金电极之间的电荷转移，从而猝灭或者恢复萘酰亚胺明亮的黄绿色荧光，荧光变化之强肉眼可见，检测金电极上电荷转移，经过函数转化为测试溶液的pH值从而实现在线监测。本发明提供的快速在线监测pH计，采用最新的单分子层自组装技术，在金电极表面形成一层功能协调一致的分子层，只要有一个萘酰亚胺冠醚环在分子机器内移动，金电极上就会有对应的电位变化，整个过程产生的废物也不会在单分子层上堆积，从而提高了检测限、灵敏度以及耐疲劳性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一方面，本发明涉及一种萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器(哑铃型轮烷分子梭)，其结构式如式(I)所示：

式(I)。

第二方面，本发明涉及一种上述的萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器的合成方法，包括如下步骤：

步骤A、以六氟磷酸四乙腈铜为催化剂，以CH₂Cl₂为溶剂，等摩尔的双硫键叠氮化合物1萘酰亚胺二苯并24冠8冠醚2和化合物3反应，得化合物1-H；

步骤B、将化合物1-H与碘甲烷按摩尔比1：20的比例混合，室温下搅拌，悬蒸出多余的碘甲烷，固体用乙醚洗，得到黄色固体；

步骤C、在CH₂Cl₂中加入由NH₄PF₆和二次水配成的饱和溶液，加入所述黄色固体室温搅拌，水相用CH₂Cl₂萃取，合并有机相并用无水Na₂SO₄干燥，悬去溶剂，得化合物2-H，即所述萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器。

也就是说，含双硫键叠氮化合物1、萘酰亚胺二苯并24冠8冠醚2和化合物3在六氟磷酸四乙腈铜的催化下生成化合物1-H，PF₆^-交换后得到化合物2-H，通过酸碱调控可以实现萘酰亚胺冠醚环在哑铃型杆上的往复运动。

优选的，所述双硫键叠氮化合物1是通过如下步骤制备而得的：

步骤A、3，5-二甲氧基-4-羟基苯甲醛、1，2-二溴乙烷和碳酸钾按摩尔比1：5：2.5反应，得化合物4；

步骤B、化合物4、NaBH₄按摩尔比1：2.5加入到重蒸的THF中，室温搅拌反应，得化合物5；

步骤C、将化合物5、NaI以及NaN₃按摩尔比1：0.1：2加入到干燥过的DMF中，升温至80℃反应，得化合物6；

步骤D、将化合物6、硫辛酸、DMAP(4-二甲氨基吡啶)以及EDC·HCl(1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐)按摩尔比1：1：1：2.5加入到干燥过的CH₂Cl₂中，惰性气氛保护常温搅拌反应，即得双硫键叠氮化合物1。

优选的，所述萘酰亚胺二苯并24冠8冠醚2是通过如下方法制备而得的：以CH₂Cl₂为溶剂，单醛基二苯并24冠8冠醚用NaBH₄还原后与化合物7DMAP以及EDC·HCl按摩尔比1：1：1：4在惰性气氛保护下反应，得化合物2，即所述萘酰亚胺二苯并24冠8冠醚2。

第三方面，本发明涉及一种前述的萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器在制备可视在线快速监测pH计中的用途，所述萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器吸附在金电极表面形成自组装单分子层，在加入酸或碱的过程中导致所述萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器与金电极上电荷间的转移，从而实现pH值的在线快速监测。

第四方面，本发明涉及一种基于萘酰亚胺分子机器的可视在线快速监测pH计，所述pH计包括金电极以及吸附在金电极表面形成自组装单分子层的萘酰亚胺分子机器；所述萘酰亚胺分子机器为前述的萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器。

本发明通过将含有电化学活性基团-萘酰亚胺基团引入轮烷体系的环状组分，对轮烷的端基进行修饰，使其在金电极表面形成自组装单分子层，这样分子机器组装体中萘酰亚胺修饰的环状组分在金电极表面的协同运动可以改变萘酰亚胺基团与金电极表面的距离，从而产生显著的电流变化和不同的电子转移过程速率常数。萘酰亚胺功能化的轮烷体系在金电极上形成自组装单分子层后，冠醚环上萘酰亚胺的位置可以由计时电流法测得，当萘酰亚胺修饰的环状组分在化学刺激下由二烷基铵离子识别点协同运动到甲基三氮唑啉识别点上后，可以观测到显著的电流变化。在这种器件中，可以用机械穿梭运动将化学能转化为电信号。值得一提的是，用来驱动分子机器运动的酸碱化学反应产生的废弃物并不会在单分子层上堆积，这样就消除了废弃物对体系循环性的影响，并且保证单分子层上每个轮烷分子在两个态之间的有很高的转化率。基于其优异的可逆性能，可以观察到电子转移过程速率常数的循环，为制备一些微流体器件打下基础。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明合成的萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器是一种哑铃型轮烷分子梭，通过酸碱调控可以实现萘酰亚胺冠醚环在哑铃型杆上的往复运动。

2、本发明提供的快速在线监测pH计，采用最新的单分子层自组装技术，将酰亚胺冠醚的轮烷分子机器吸附在金电极表面形成一层功能协调一致的分子层，只要有一个萘酰亚胺冠醚环在分子机器内移动，金电极上就会有对应的电位变化，整个过程产生的废物也不会在单分子层上堆积，从而提高了检测限、灵敏度以及耐疲劳性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为含双硫键叠氮化合物1的合成路线示意图；

图2为萘酰亚胺冠醚化合物2的合成路线示意图；

图3为化合物2-H-萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器的合成路线示意图；

图4为化合物2-H的核磁谱图；

图5为化合物2-H的紫外吸收谱图；其中，a为化合物2-H紫外光照射后，b为化合物2-H加入2当量DBU，c为化合物2-H加入2当量DBU和4当量TFA后经紫外光照射后的紫外吸收光谱图；

图6为化合物2-H酸碱调控的核磁变化谱图；其中，曲线a为化合物2-H的核磁图，曲线b为化合物2-H加入2当量DBU后的核磁图，曲线c为化合物2-H加入2当量DBU后再加入4当量TFA的核磁图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明涉及的含双硫键叠氮化合物1，其化学式为C₁₉H₂₇N₃O₅S₂，其合成路线示意图如图1所示，具体合成步骤如下：

1.1化合物4的合成

在250mL圆底烧瓶中加入150mL乙腈、3，5-二甲氧基-4-羟基苯甲醛(5g，0.027mol)和1，2-二溴乙烷(19.97g，0.11mol)，搅拌下加入碳酸钾粉末(7.59g，0.055mol)，升温回流过夜。将反应液倒入500mL水中，搅拌30min，CH₂Cl₂(50mL×3)萃取，无水Na₂SO₄干燥后旋去溶剂，柱层析(SiO₂，石油醚：二氯甲烷=3：1)，得化合物4纯产物6.82g，产率86％。¹H NMR(CDCl₃，400MHz，298K)：δ(ppm)=9.88(s，1H)，7.13(s，2H)，4.38-4.33(t，J=8.0Hz，2H)，3.93(s，6H)，3.64-3.59(t，J=8.0Hz，2H).

1.2化合物5的合成

在干燥的50mL圆底烧瓶中加入重蒸的THF30mL以及化合物4(1.08g，3.76mmol)，冰浴下搅拌加入NaBH₄(0.43g，11.27mmol)，过夜。将反应液倒入水中，搅拌30min，CH₂Cl₂(25mL×3)萃取，无水Na₂SO₄干燥后旋去溶剂，柱层析(SiO₂，石油醚：二氯甲烷=1：1)，得化合物5纯产物1.02g，产率93％。¹H NMR(CDCl₃，400MHz，298K)：δ(ppm)=6.60(s，2H)，4.64(d，J=4.0Hz，2H)，4.26-4.23(t，J=4.0Hz，2H)，3.86(s，6H)，3.61-3.58(t，J=8.0Hz，2H).

1.3化合物6的合成

在干燥的100mL圆底烧瓶中加入50mL干燥过的DMF，然后加入化合物5(2.12g，7.28mmol)、NaI(1.09g，0.728mmol)以及NaN₃(0.95g，14.56mmol)，升温至80℃过夜。将反应液倒入200mL水中，搅拌30min，CH₂Cl₂(25mL×3)萃取，无水Na₂SO₄干燥后旋去溶剂，柱层析(SiO₂，石油醚：二氯甲烷=1：1)，得化合物6纯产物1.62g，产率88％。¹H NMR(CDCl₃，400MHz，298K)：δ(ppm)=6.58(s，2H)，4.61(d，J=4.0Hz，1H)，4.12-4.19(t，J=4.0Hz，2H)，3.84(s，6H)，3.52(t，J=4.0Hz，2H).

1.4含双硫键叠氮化合物1的合成

在50mL圆底烧瓶中加入25mL干燥过的CH₂Cl₂，然后依次加如化合物6(1.41g，5.57mmol)、硫辛酸(1.15g，5.57mmol)、DMAP(0.68g，5.57mmol)以及EDC·HCl(5.67g，13.9mmol)，氩气保护搅拌过夜。将反应液倒入100mL水中搅拌30min，CH₂Cl₂(25mL×3)萃取，无水Na₂SO₄干燥后旋去溶剂，柱层析(SiO₂，石油醚：二氯甲烷=2：1)，得化合物1纯产物2.02g，产率84％。¹H NMR(CDCl₃，400MHz，298K)：δ(ppm)=6.58(s，2H)，5.04(s，2H)，4.14-4.12(t，J=4.0Hz，2H)，3.86(s，6H)，3.58-3.50(m，3H)，3.20-3.07(m，2H)，2.49-2.42(m，1H)，2.40-2.36(t，J=8.0Hz，2H)，1.93-1.84(m，1H)，1.73-1.62(m，4H)，1.52-1.39(m，2H).

实施例2

本发明涉及的萘酰亚胺冠醚化合物2-萘酰亚胺二苯并24冠8冠醚，其方法路线示意图如图2所示，具体合成步骤如下：

2.1化合物2的合成

在50mL圆底烧瓶中加入25mL干燥过的CH₂Cl₂，然后依次加如入单醛基二苯并24冠8用NaBH₄还原后的还原产物(1g，2.09mmol)、化合物7(0.71g，2.09mmol)、DMAP(0.25g，2.09mmol)以及EDC·HCl(1.62g，8.36mmol)，氩气保护搅拌过夜。将反应液倒入100mL水中搅拌30min，CH₂Cl₂(25mL×3)萃取，无水Na₂SO₄干燥后旋去溶剂，柱层析(SiO₂，二氯甲烷：甲醇=200：1)，得化合物2纯产物1.44g，产率86％。¹H NMR(CDCl₃，400MHz，298K)：δ(ppm)=8.60(d，J=4.0Hz，1H)，8.54(d，J=8.0Hz，1H)，8.45(d，J=8.0Hz，1H)，7.76-7.68(t，J=8.0Hz，1H)，7.24(d，J=8.0Hz，1H)，6.91-6.84(m，6H)，6.81(d，J=8.0Hz，1H)，5.12(s，2H)，4.97(s，2H)，4.14(m，8H)，4.06-4.00(t，J=4.0Hz，4H)，3.92(m，8H)，3.83(s，8H)，3.31-3.24(t，J=4.0Hz，4H).

实施例3

本发明的化合物2-H-萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器的合成路线示意图如图3所示，具体包括如下步骤：

3.1化合物1-H的合成

在干燥的CH₂Cl₂(10mL)中溶解化合物3(153mg，0.249mmol)以及萘酰亚胺冠醚化合物2(192mg，0.249mmol)，室温搅拌30min，然后加入含双硫键叠氮化合物1(110mg，0.249mmol)以及[Cu(CH₃CN)₄]PF₆(93mg，0.249mmol)，继续搅拌两天。旋去溶剂，柱层析(SiO₂，CH₂Cl₂：MeOH=100：1)得到黄色化合物1-H(50.8mg，67％)。¹H NMR(CDCl₃，400MHz，298K)：δ(ppm)=8.06(s，1H)，7.51(s，2H)，7.18(m，2H)，7.01(d，J=8.0Hz，2H)，6.90(m，2H)，6.79(m，2H)，6.70(m，2H)，6.55(s，2H)，6.42(s，2H)，6.24(s，1H)，5.16(s，4H)，5.03(s，2H)，4.80(t，J=4.0Hz，4H)，4.71-4.66(t，J=4.0Hz，2H)，4.64(s，2H)，4.50-4.46(m，2H)，4.45-4.42(m，2H)，4.39(t，J=4.0Hz，4H)，4.33-4.31(t，J=4.0Hz，2H)，4.19-4.09(m，8H)，4.08(s，10H)，3.85(t，J=8.0Hz，2H)，3.80(m，14H)，3.62(s，6H)，3.51-3.47(m，10H)，3.20-3.06(m，2H)，2.48-2.40(m，1H)，2.37(t，J=8.0Hz，2H)，1.88(m，1H)，1.77-1.65(m，6H)，1.50-1.39(m，4H)，1.27(m，13H).

3.2化合物2-H的合成

将化合物1-H与碘甲烷按照1：20的比例混合，室温下搅拌4天。悬蒸出多余的碘甲烷，固体用乙醚洗，得到黄色固体。在CH₂Cl₂中加入由NH₄PF₆和二次水配成的饱和溶液，将黄色固体加入其中室温搅拌1小时，水相用CH₂Cl₂萃取，合并有机相并用无水Na₂SO₄干燥，悬去溶剂，得到黄色化合物旋去溶剂，柱层析(SiO₂，CH₂Cl₂：MeOH=100：1)得到黄色化合物2-H(226mg，72％)，其核磁谱图如图4所示。¹H NMR(CDCl₃，400MHz，298K)：δ(ppm)=8.82(s，1H)，8.57(d，J=8.0Hz，1H)，8.51(d，J=8.0Hz，1H)，8.06(s，1H)，7.87-7.82(t，J=8.0Hz，1H)，7.42(d，J=8.0Hz，1H)，7.32(d，J=8.0Hz，2H)，6.97-6.85(m，7H)，6.78(d，J=8.0Hz，2H)，6.75(s，2H)，6.62(d，J=4.0Hz，2H)，6.35(s，1H)，5.37(s，2H)，5.16(s，2H)，5.05(s，2H)，5.03(s，2H)，4.93(s，2H)，4.82-4.75(t，J=8.0Hz，4H)，4.69-4.63(t，J=8.0Hz，2H)，4.62(s，3H)，4.40(t，J=8.0Hz，2H)，4.26-4.15(m，8H)，4.00-3.96(m，4H)，3.95-3.85(m，8H)，3.82(s，6H)，3.72(m，8H)，3.63(s，6H)，3.34-3.29(t，J=8.0Hz，4H)，3.21-3.09(m，2H)，2.46(m，1H)，2.39(t，J=8.0Hz，2H)，2.19-2.10(t，J=8.0Hz，1H)，1.93-1.84(m，4H)，1.73-1.59(m，5H)，1.49-1.43(m，2H)，1.29(m，12H).

实施例4

如图5所示，是化合物2-H在加DBU和TFA前后的紫外光吸收谱图；由图5可知，加入酸碱后，紫外吸收谱图上出现了由于萘酰亚胺冠醚环向金电极靠近而产生的电荷转移吸收峰，溶液的颜色也由明亮的黄绿色变成了淡淡的黄绿色，荧光发生大幅猝灭。

如图6所示，是化合物2-H在加DBU和TFA前后的氢谱对比图，其中，曲线a为化合物2-H的核磁图，曲线b为化合物2-H加入2当量DBU后的核磁图，曲线c为化合物2-H加入2当量DBU后再加入4当量TFA的核磁图；由于加入DBU后核磁图较复杂，H_4，5没有进行去质子化前后的对比，而H₁₃和H₇向低场移动(Δδ=0.37和0.13ppm)，H₃、H₁₂、H₁₅、H₁₈和H₁₄分别向高场移动(Δδ=-0.08、-0.23、-0.06、-0.07和-0.41ppm)，这七组H的移动主要是由于萘酰亚胺冠醚环的移动。综合图6的分析可以得出，化合物2-H在加碱加酸后确实移动了。

综上所述，加入酸碱后，核磁谱图上显示除了明显的组装体形成的特征位移，紫外吸收谱图上出现了由于萘酰亚胺冠醚环向金电极靠近而产生的电荷转移吸收峰，溶液的颜色由明亮的黄绿色变成了淡淡的黄绿色，荧光发生大幅猝灭。该体系可以通过加入有机碱1，8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)对二烷基铵离子进行去质子化导致萘酰亚胺冠醚环向甲基三氮唑啉识别点移动，而加入三氟乙酸(TFA)后重新质子化后冠醚环回到二烷基铵离子识别点，所以化合物2-H是一个酸碱可控的轮烷分子梭。

将化合物2-H在金电极表面形成自组装单分子层后，加入有机碱DBU，缺电子的萘酰亚胺冠醚环向富电子的金电极方向移动，金电极上的电子向冠醚环转移，猝灭萘酰亚胺的荧光，明亮的黄绿色变成暗黄绿色，加入TFA后冠醚环回到初始位置，重新恢复明亮的黄绿色，整个过程会产生显著的电流变化和不同的电子转移过程速率常数。这个体系不光对DBU和TFA有较好的响应，对许多有机酸碱的PH都能较灵敏的感应。

值得一提的是，用来驱动分子机器运动的酸碱化学反应产生的废弃物并不会在单分子层上堆积，这样就消除了废弃物对体系循环性的影响，并且保证单分子层上每个轮烷分子在两个态之间的有很高的转化率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。