2,2`-双(2-羧基-5-甲基-4-羟基苯偶氮)-6,6`-联苯并双噻唑及其制备方法和应用

摘要

本发明属于联苯并双噻唑偶氮化合物的技术领域，为了解决现有技术中存在检测重金属离子的试剂灵敏度和选择性不够理想的问题，提供了一种2,2'-双（2-羧基-5-甲基-4-羟基苯偶氮）-6,6'-联苯并双噻唑及其制备方法和应用。将2,2'-二氨基-6,6'-联苯双噻唑和3-羟基-4-甲基苯甲酸两种具有荧光特性的物质通过重氮化偶联反应结合在一起，构成更大共轭体系的偶氮化合物，增强了试剂的灵敏度和荧光特性。可用于碱性条件下Co（Ⅱ）离子的检测。本发明试剂在碱性介质中是检测Co（Ⅱ）的高灵敏，高选择性的荧光分析试剂，又是良好分析性能的光度分析显色剂。

说明书

技术领域

本发明属于联苯并双噻唑偶氮化合物的技术领域，具体涉及一种2,2'-双（2-羧基-5-甲基-4-羟基苯偶氮）-6,6'-联苯并双噻唑及其制备方法和应用。

背景技术

噻唑环是一类重要的五元芳香杂环，含有氮和硫杂原子，具有丰富的电子、易形成氢键、与金属离子配位等多种非价键相互作用，这种结构赋予了噻唑类化合物许多特殊性能，在众多领域具有广泛的潜在应用。

自Savvin SB于1970年首次合成2-（4,5-二甲基-2-噻唑偶氮）变色酸（Savvin SB.Rozovskii Yu B.ProPistova RF et al.Zh Anal Khim,1970,25(3)：423）以来，噻唑偶氮类试剂作为金属离子的灵敏显色剂不断被合成。该类试剂的基本分析功能团是：                                                。

由于分析功能团中电负性大的氮、氧等原子共同存在，并通过非共键价形式参与金属配合物的形成，从而增强了邻羟基偶氮酚与金属离子的生色作用，提高了显色反应的灵敏度[噻唑偶氮类试剂7-（4,5-二甲基-2-噻唑偶氮）-8-羟基喹啉（尹贻东、扬威，理化检验-化学分册.1998.34(2).69），2-（2-噻唑偶氮）-5-磺丙氨基苯酚（赵云翔、马卫兴，光谱实验室 2009年03期]；3-噻唑偶氮-5-氨基苯酚（杜芳艳.食品科学-分析检验，2006，Vol.27，No.01.187-189）是测定镉、铜、镍等优良显色剂，因其具有易合成、选择性好等优点，广泛受到人们的关注。但其存在灵敏度较低、检出限不够理想的缺点。并且该类试剂通常只用于光度分析，作为荧光试剂用于金属离子的荧光检出报道较少。苯环是典型的芳香族化合物，与噻唑环稠合后，由于苯环的并入和一些助色团的引入，共轭体系增大，苯并噻唑偶氮苯类试剂较吡啶偶氮类和噻唑偶氮类试剂选择性好，干扰离子减少且允许含量范围变宽，试剂的灵敏度也大大提高（理化检验-化学分册，张汉鹏，1996.32(1):53；化学试剂.张帆，谢增鸿，1988.10(5)257-259）。噻唑及衍生物是设计高选择性、高灵敏度、良好的稳定性且操作简单、安全可靠的超分子化学传感器的有效试剂（中国科学，崔胜峰，王艳等.2012.42(8)1105-1131）。芳环结构由于具有很好的推电子或拉电子能力，被认为是设计和合成具有强双光子诱导上转换荧光和双光子吸收截面的有机分子的有效试剂(Abboto, A. ,Beverina, L. , Bozio, R. , et al. orglett[J].2002.4:1495-1498）。专利号CN200510012653.2公开了一种苯并噻唑双三氮烯试剂，该专利中将具有荧光特性的2-氨基苯并噻唑和1,3-苯二胺通过重氮化反应合成灵敏度高、选择性好的新型荧光双三氮烯试剂，在碱性介质中用于Cu（Ⅱ）的荧光检测。而用于钴离子的荧光检测未见报道。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在检测重金属离子的试剂灵敏度和选择性不够理想的问题，提供了一种2,2'-双（2-羧基-5-甲基-4-羟基苯偶氮）-6,6'-联苯并双噻唑及其制备方法和应用。

本发明是由以下技术方案实现的，一种2,2'-双（2-羧基-5-甲基-4-羟基苯偶氮）-6,6'-联苯并双噻唑（简称DCMHPABPDT），其分子结构式为：

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2,2'-双（2-羧基-5-甲基-4-羟基苯偶氮）-6,6'-联苯并双噻唑的制备方法，包括下列步骤：

(1)4，4'-联苯二硫脲的制备：在圆底烧瓶中，加入0.2 mol的对4，4'-联苯二胺、140 mL除去O₂的水、30.8 mL浓盐酸和1.2 g活性炭,将此混合物加热到50℃回流40 min，冷却后过滤，收集滤液于烧瓶中，加入0.8 mol硫氰酸铵，90-100℃回流，反应2h后开始出现黄色沉淀，继续回流24 h，待冷却后过滤收集沉淀，然后用热水洗涤三次，真空干燥，得到淡黄色固体4，4'-联苯二硫脲；

(2)2，2'-二氨基-6，6-'联苯并双噻唑的合成：称取4，4'-联苯二硫脲于圆底烧瓶中，加入氯仿使其完全溶解，在搅拌的条件下，将50 mL溶有8 mol/LBr₂的氯仿溶液慢慢滴加到该溶液中，滴加1h，室温下混合4 h，然后回流16 h；冷却后将固体过滤出来，用氯仿洗涤并在空气中自然晾干；然后将固体产物加入250 mL浓度为2mol/L的氨水沉化10 min，过滤，用蒸馏水洗涤至溶液呈中性，干燥得产物2，2'-二氨基-6，6'-联苯并双噻唑即BDTA；

(3)重氮盐(Ⅴ)的制备：将1.39 g研成细粉状的NaNO₂分次加到15.0 mL浓硫酸和8.0 mL水的混合溶液中，该过程保持温度为0-10℃，将此混合物用20g CaCl₂·6 H₂O+100g冰混合制成的盐冰浴冷却至﹣5℃得溶液A备用；将BDTA溶于DMSO中；在冰盐浴冷却和剧烈搅拌的条件下，将溶液A逐滴加入溶有BDTA的DMSO溶液中，溶液即呈现黄色，并逐渐变成桔红色；滴加完后，在0-5℃的条件下继续搅拌2 h，然后加入0.4 g氨基磺酸，反应10 min后，在0-5℃下保存该重氮盐，留待下一步实验；

(4)显色剂DCMHPABPDT的制备及提纯：将3-羟基-4-甲基苯甲酸溶于50mL吡啶和100mL甲醇混合液中，控制温度0-5℃条件下，将此溶液滴加到制备好的重氮盐溶液中，溶液呈稠状，滴加完毕，在0-5℃的条件下搅拌1h；然后加入稀的NaOH溶液，调节溶液的酸度使pH为8-9，继续搅拌2 h后抽滤，用0.1NHCl洗涤，再用少量水洗涤，抽滤，在空气中自然晾干得粗品，粗品用N，N-二甲基甲酰胺加热溶解，然后加水使沉淀析出，反复提纯2次，然后抽滤，得紫黑色固体纯品DCMHPABPDT。

产物检测数据如下：

元素分析结果按合成产物的分子式计算各元素的理论值（w℅）并与测定值（w℅）比较，两值相符（括号内为理论值）：C57.51(57.69)，N13.50(13.46)，H3.23(3.21)，S10.22(10.26)。

试剂的红外光谱数据：（KBr压片）3036 cm^-1处有Ar-H的特征吸收峰，2924 cm^-1、2846 cm^-1处有-CH₃的特征吸收峰，1720 cm^-1处有-COOH的特征吸收峰，3476 cm^-1处有-OH的特征吸收峰，1660 cm^-1、1560 cm^-1、1480 cm^-1、1050 cm^-1处有芳环骨架的特征吸收峰，1630 cm^-1处有-C=N-吸收峰，1575 cm^-1、1050 cm^-1有-N＝N-的特征吸收峰。经元素分析和红外光谱检验，可证实合成产物与目标分子相符。

本发明的优点与积极效果：

（1）苯并噻唑偶氮类试剂（简单地可表示为，其中R'为苯并噻唑基，R为另一偶联组分）是现今光度法测定Cu（Ⅱ）、Co（Ⅱ）、Ni（Ⅱ）等离子最灵敏的显色体系之一。文献[分析化学，沈含熙.1989.17(3)]指出：“在噻唑偶氮类试剂中，由于杂环的氮原子参与金属离子的配位，使得这类试剂能与许多金属离子生产稳定的螯合物”。 2,2'-双（2-羧基-5-甲基-4-羟基苯偶氮）-6,6'-联苯并双噻唑是双苯并噻唑偶氮类试剂，具有双配位功能团，进一步增强了试剂与金属离子的配位能力，因此试剂有更高的灵敏度。

（2）2,2'-二氨基-6,6'-联苯并双噻唑通过重氮化反应，偶联反应与具荧光特性的两个苯环相连接，生成2,2'-双（2-羧基-5-甲基-4-羟基苯偶氮）-6,6'-联苯并双噻唑。共轭体系进一步增大，从而使荧光量子产率增加，是选择性、灵敏高的新型荧光试剂。

（3）试剂分子中，与偶氮基直接相连的苯环上偶氮基对位引入助色基(-OH)有利于试剂发色，同时，苯环上偶氮基邻位引入羧基（-COOH）可参与金属离子配位，有利于金属配合物的形成，提高显色反应的灵敏度（分析化学.沈含熙.1989.17(3).279-288）。

（4）试剂分子中与偶氮基直接相连的苯环上引入羧基，选择性有了较大提高，这是因为试剂分子中有三个配位点即苯环氮、偶氮氮和羧基氧，配位原子和金属离子配位形成六元环，若为羟基则形成五元环，由于五元环配合物稳定性较大，因此，引入羧基时试剂的选择性比引入羟基时有较大提高（分析化学.沈含熙 1989.17（3）279-288）。

（5）本发明试剂制备方法简单，成本低廉，可用于在Triton X-100表面活性剂存在下，碱性介质中Co（Ⅱ）的荧光检测。也可用于光度分析法Co（Ⅱ）的检测。用于钴离子的检测具有响应速度快、选择性好、灵敏度高、稳定性强的特点。

本发明2,2'-双（2-羧基-5-甲基-4-羟基苯偶氮）-6,6'-联苯并双噻唑是一种新的检测Co（Ⅱ）离子的荧光试剂，特点是将2,2'-二氨基-6,6'-联苯双噻唑和3-羟基-4-甲基苯甲酸两种具有荧光特性的物质通过重氮化偶联反应结合在一起，构成更大共轭体系的偶氮化合物，增强了试剂的灵敏度和荧光特性。可用于碱性条件下Co（Ⅱ）离子的检测。本发明试剂在碱性介质中是检测Co（Ⅱ）的高灵敏，高选择性的荧光分析试剂，又是良好分析性能的光度分析显色剂。

附图说明

图1为本发明所述2,2'-双（2-羧基-5-甲基-4-羟基苯偶氮）-6,6'-联苯并双噻唑的合成路线流程图。

具体实施方式

实施例1：如附图1所示，一种2,2'-双（2-羧基-5-甲基-4-羟基苯偶氮）-6,6'-联苯并双噻唑制备方法，包括下列步骤：

(1)4，4'-联苯二硫脲的制备：在500 mL的烧瓶中加入36.8g(0.2mol)对4，4'-联苯二胺，140 mL除去O₂的水，30.8 mL浓盐酸和1.2g活性炭。将此混合物加热至50℃回流40 min，冷却后过滤，收集母液于250 mL烧瓶中，加入60.8 g(0.8 mol)硫氰酸铵，在温度为90-100℃下回流，反应2h后开始出现黄色沉淀，继续回流24h，待冷却后过滤收集产物，然后用500 mL热水洗涤三次，减压条件下干燥，得到26.0 g淡黄色固体4，4'-联苯二硫脲；

(2)2，2'-二氨基-6，6'-联苯并双噻唑的合成：称取25.0 g的4，4'-联苯二硫脲于500 mL圆底烧瓶中，加入250mL氯仿溶解，在搅拌的条件下，将50 mL含有32 g（0.4 mol）Br₂的氯仿溶液慢慢滴加到该溶液中，滴加过程需要1h，室温下的混合过程需要4h，然后回流16h。冷却后将固体过滤出来，用氯仿洗涤并在空气中自然晾干；然后将产物加250 mL 2 mol﹒L^-1氨水沉化10 min，过滤，用蒸馏水洗涤至溶液呈中性干燥得产物2，2'-二氨基-6，6'-联苯并双噻唑；

(3)重氮盐(Ⅴ)的制备：将1.39g研成细粉状的NaNO₂分三次加到15.0 mL浓硫酸和8.0 mL水的混合溶液中，该过程保持温度小于10℃，将此混合物用盐冰浴冷却至﹣5℃得溶液A；另将2.98 g BDTA溶于30.0 mL的DMSO中。在冰盐浴冷却和剧烈搅拌的条件下，将上述溶液A逐滴加入此溶液中，溶液即呈现黄色，并逐渐变成桔红色。滴加完后，在0-5℃的条件下继续搅拌2h，然后加入0.4 g氨基磺酸。反应10min后，在低温下保存该重氮盐，留待下一步实验；

(4)显色剂DCMHPABPDT的制备及提纯：将3-羟基-4-甲基苯甲酸溶于50 mL吡啶和100 mL甲醇中，控制温度0-5℃条件下，将此溶液滴加到上述重氮盐溶液中，溶液呈稠状，滴加完毕，在低于5℃的条件下搅拌1h。然后加入稀的NaOH溶液，调节溶液的酸度使pH为8-9，继续搅拌2h。抽滤，用0.1NHCl洗涤，再用少量水洗涤，抽滤，在空气中自然晾干得粗品，粗品用N，N-二甲基甲酰胺加热溶解，然后加水使沉淀析出，反复提纯两次，抽滤后得纯得紫黑色固体纯品DCMHPABPDT。

实验例1：在碱性介质中对Co（Ⅱ）的光度分析检测。

在25 mL容量瓶中，依次加入5 μg的Co（Ⅱ）标准溶液，2.0％的Triton X-100水溶液2.0 mL，0.3g/L DCMHPABPDT的乙醇溶液3.0 mL，pH8.0的硼砂-氢氧化钠缓冲溶液1.5 mL，用水稀释至刻度，摇匀，以空白试剂为参比，用1cm比色皿于670 nm处测络合物吸光度，表观摩尔吸光系数1.8×10⁵L·mol^-1·cm^-1。本发明对钴的灵敏度与现有试剂对钴的灵敏度比较结果见表1，结果显示本发明所述化合物用于钴离子的检测灵敏度高。

 

表1：几种试剂测定钴的灵敏度

实验例2：2,2'-双（2-羧基-5-甲基-4-羟基苯偶氮）-6,6'-联苯并双噻唑对Co（Ⅱ）的荧光检测。

样品处理：按文献（阮伟民，徐其享.冶金分析.1991.11(3).17-19）中方法进行样品处理，取新鲜蔬菜可失部分，洗净，自然干燥后放入烘箱控制温度90-110℃，烘干后研成粉末状，混匀。准确称取试样10g于瓷坩埚中，低温碳化，再移入高温炉中于550℃灰化成白色灰烬。如不易烧成白色，可在冷却后加入数滴浓硝酸润湿，蒸干后再进行灼烧。灼烧后的灰分加入少量盐酸加热煮沸，冷却后(必要时过滤)移入100 mL容量瓶中定容。测定荧光强度。

实验方法：在25 mL容量瓶中，依次加入一定体积的含钴离子的样品溶液，1.5×10^-4mol/L DCMHPABPDT的乙醇溶液2.0 mL，pH 8.0的硼砂-氢氧化钠缓冲溶液1.5mL，2%的Tritonx-100水溶液3.0 mL，1.0%的H₂O₂溶液2.0 mL，0.5 mL 1.0%的KF溶液掩蔽Fe³⁺。用水稀释至刻度，摇匀后加热十分钟，冷却后以空白试剂做参比，以LS-55荧光/磷光分光光度计于λ_ex/λ_em=300/390nm处测其荧光强度，样品中钴离子的测定结果见表2。

表2：不同样品中钴的测定结果（n=5）