间苯二甲酰基硫脲衍生物及其制备和作为氟离子识别受体的应用

摘要

本发明提供了一种氟离子识别受体间苯二甲酰基硫脲衍生物3a、3b、3c及其相转移无溶剂研磨法制备方法，是将间苯二甲酰氯和硫氰酸铵以一定的比例加入到研钵中，在相转移催化剂的条件下，于室温下间歇研磨反应5～7小时，得到间苯二甲酰基异硫氰酸酯；再加入取代芳胺于室温下间歇研磨反应6～48小时，得到黄色或淡黄色的沉淀；过滤、洗涤，并用DMF－C

说明书

技术领域

本发明涉及一类间苯二甲酰基硫脲衍生物及该类衍生物的相转移催化无溶剂研磨制备方法，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

主客体分子间的相互作用与相互识别，特别是具有光学信息响应功能的主客体之间的相互作用，是目前超分子化学研究领域的前沿课题之一。分子识别是主体对客体选择性结合并产生某种特定功能的过程，是组装高级结构的必要途径和研究组装体功能的基础。阴离子在生物体的代谢过程中起着重要作用，它在细胞膜内外的传输是在相应结合蛋白的控制和识别下完成的。基于其在生物学、临床医学、环境监测方面的潜在应用，对阴离子的识别成为超分子化学中一个被广泛关注的课题，尤其是裸眼识别某种阴离子引起人们极大的兴趣。阴离子比其等电荷的阳离子半径大，具有较小的电荷密度，因而静电作用在阴离子的识别过程中相对阳离子来讲是次要因素，特别是对于电中性受体，识别阴离子的推动力主要是氢键作用。

硫脲衍生物不仅是一类重要的具有广泛实际应用的化合物，而且由于含有两个相对酸性的酰胺氮氢质子，在分子识别过程中能同客体阴离子形成多重氢键作用，因此在超分子化学中倍受关注。苯环间位取代硫脲受体，其空间结构类似于“钳子”，该类钳型受体可与阴离子形成四重氢键，阴离子配合物的稳定常数大于相应的线形受体。

相转移催化无溶剂研磨法是以聚乙二醇-400(PEG-400)为相转移催化剂，在无溶剂条件下的研磨反应。此合成方法具有清洁、高效、操作简便，后处理简单，产率较高，能耗低，污染少等诸多优点。常规溶剂法虽设备简单，操作简便，但反应中存在溶剂挥发浪费、易燃等缺陷，易造成环境污染和安全隐患。因此，利用无溶剂研磨法合成硫脲衍生物，避免了大量溶剂的使用，对解决环境污染具有现实意义。

紫外—可见(UV-Vis)、¹HNMR光谱法广泛适用于包结配位反应引起的光谱变化的体系，充分体现受体分子与阴离子间的氢键作用本质，对于测定超分子配合物的稳定常数是一种较为简便、快捷的测定手段。

发明内容

本发明的目的是提供一类间苯二甲酰基硫脲衍生物；

本发明的另一目的是提供一种利用研钵无溶剂研磨法制备上述间苯二甲酰基硫脲衍生物的方法；

本发明还有一个目的：即间苯二甲酰基硫脲衍生物作为氟离子识别受体的应用。

一、本发明的间苯二甲酰基硫脲衍生物：

其分子结构式如下式所示：

其中R＝NO₂，为间苯二甲酰基硫脲衍生物3a；

R＝H，为间苯二甲酰基硫脲衍生物3b；

R＝OC₂H₅，为间苯二甲酰基硫脲衍生物3c。

本发明的间苯二甲酰基硫脲衍生物受体已由元素分析、红外吸收光谱和核磁共振氢谱确定，结果如下：

间苯二甲酰基硫脲衍生物3a：黄色固体，m.p.201-202℃；IR(KBr)：3179，2998(N-H)；1727(C＝O)；1516(C＝C)；1242，1181(C＝S)；770，737(C-N)cm^-1.¹H NMR(DMSO-d₆)：δ12.81(s，2H，NHCO)，11.26(s，2H，NHAr)，7.18-8.49(m，12H，ArH).Elemental analysis：calcd for C₂₂H₁₆N₆O₆S₂：C50.38％，H3.05％，N16.03％；Found：C50.40％，H3.08％，N15.99％。

间苯二甲酰基硫脲衍生物3b：淡黄色固体，m.p.197-198℃；IR(KBr)：3298，3223，3173，3033(N-H)；1700(C＝O)；1599，1526(C＝C)；1348，1246，1145(C＝S)cm^-1.¹H NMR(DMSO-d₆)：δ12.56(s，2H，NHCO)，11.60(s，2H，NHAr)，7.28-8.58(m，14H，ArH).Elemental analysis：calcd for C₂₂H₁₈N₄O₂S₂：C60.83％，H4.15％，N12.90％；Found：C60.86％，H4.12％，N12.86％。

间苯二甲酰基硫脲衍生物3c：淡黄色固体，m.p.205-206℃；IR(KBr)：3242，3036(N-H)；1680(C＝O)；1601，1549(C＝C)；1231，1150(C＝S)cm^-1.¹H NMR(DMSO-d₆)：δ12.98(s，2H，NHCO)，11.33(s，2H，NHAr)，7.24-8.71(m，12H，ArH)，4.18(t，4H，CH₂)，1.41(m，6H，CH₃).Elemental analysis：calcd forC₂₆H₂₆N₄O₄S₂：C59.77％，H4.98％，N10.73％；Found：C59.73％，H4.96％，N10.78％。

二、本发明间苯二甲酰基硫脲衍生物(3a～3c)的制备方法：

是将间苯二甲酰氯和硫氰酸铵以1∶2.5～1∶3的摩尔比加入到研钵中，在相转移催化剂的条件下，于室温下间歇研磨反应5～7小时，得到间苯二甲酰基异硫氰酸酯；再加入间苯二甲酰氯物质的量2～2.5倍的取代芳胺，于室温下间歇研磨反应6～48小时，得到黄色或淡黄色的沉淀；过滤、洗涤，并用有机溶剂重结晶即得。

其合成路线如下：

其中R＝NO₂，为间苯二甲酰基硫脲衍生物3a；

R＝H，为间苯二甲酰基硫脲衍生物3b；

R＝OC₂H₅，为间苯二甲酰基硫脲衍生物3c。

本发明采用的相转移催化剂为聚乙二醇-400，其加入量为硫氰酸铵物质的量的2～4％。

所述有机溶剂为DMF(二甲基甲酰胺)-C₂H₅OH-H₂O混合溶剂，其中DMF∶C₂H₅OH∶H₂O的摩尔比为1∶0.8∶0.4～1∶1.2∶0.6。

本发明制备间苯二甲酰基硫脲衍生物受体的工艺简单，产率高，一般在70～88％之间(3a产率：72.4％；3b产率：87.5％；3c产率：84.2％)。

三、本发明间苯二甲酰基硫脲衍生物作为氟离子识别受体的应用

本发明间苯二甲酰基硫脲衍生物作为对氟离子的选择性识别受体的识别性能可通过测其与阴离子的四丁基铵盐的DMSO溶液的紫外—可见吸收光谱来确定：

分别移取1mL受体3a、3b、3c的DMSO溶液(2×10^-4mol×L^-1)于一系列10mL比色管中，溶液均无色。分别加入1mLF^-、Cl^-、Br^-、I^-阴离子的四丁基铵盐的DMSO溶液(0.01mol×L^-1)，用DMSO稀释至刻度，使受体的浓度均为2×10^-5mol×L^-1，使各种阴离子浓度为受体浓度的50倍，混合均匀后立即于25℃测其紫外-可见吸收光谱(DMSO作参比)。

当在受体分子3a、3b、3c的DMSO溶液中加入Cl^-，Br^-，I^-的四丁基铵盐的DMSO溶液时，溶液的吸收光谱均无明显变化，说明此类受体分子对这几种阴离子没有明显作用，而加入F^-时，吸收光谱都有变化，且受体3a的溶液颜色有明显变化，说明此类受体分子对F^-有较好的选择性，而3a具有裸眼识别选择性，如图1(以受体分子3a为例)。

在不加阴离子时，由于分子内电荷转移，受体分子3a、3b、3c分别在270nm，266nm，272nm处有最大吸收峰。分别加入客体阴离子F^-时均能引起受体分子吸收光谱的显著变化，3a溶液颜色从无色立刻转变为黄色，并随阴离子浓度增大，溶液颜色逐渐加深。

分别移取2mL受体3a、3b、3c的DMSO溶液(2×10^-5mol×L^-1)于1cm石英比色皿中，分别加入不同体积的F^-的四丁基铵盐的DMSO溶液(0.1mol×L^-1)，于25℃测其紫外-可见吸收光谱(DMSO作参比)。

以受体分子3a为例，当加入F^-时，270nm处的吸光度随F^-浓度增大而逐渐减小，同时在417nm处出现一组新的吸收峰，此峰为受体分子与阴离子之间形成新的配合物的吸收峰，峰值随F^-浓度增大相应增大。表明受体分子与阴离子的结合进一步促进了分子内电荷转移的程度。同时可观察到在362nm处有一个等吸收点，说明有稳定的配合物生成。见图2。

受体3b和3c在分别加入F^-时其吸收光谱变化类似于3a。在受体分子3b中加入F^-时266nm处吸收峰随阴离子浓度增大而逐渐减小。同时在321nm处出现一组新的吸收峰，并可明显观察到在283nm处有一个等吸收点。在受体分子3c中加入F^-时272nm处吸收峰随阴离子浓度增大而逐渐减小。同时在325nm处出现一组新的吸收峰，并可明显观察到在294nm处有一个等吸收点。经最小二乘法曲线拟合程序计算，可以得出受体分子3a、3b、3c与F^-的配位常数Ks及相关系数R(见表1)，并以受体分子3a为例，做出其与F^-的曲线拟合图(见图3)。

表1  受体分子3a、3b、3c与F^-的配位常数Ks及相关系数R

  3a  3b  3c  Ks(mol/L)^-1  R  1.94×10⁵  0.9981  7.2×10⁴  0.9989  6.5×10⁴  0.9905

本发明由紫外-可见吸收光谱法可推断，该类受体分子的顺式结构比较稳定，又因为受体分子与阴离子形成1∶1的稳定配合物，其结合模式可推测如下。

本发明间苯二甲酰基硫脲衍生物受体分子与阴离子间的氢键作用本质可通过¹HNMR滴定实验进一步确定：

取3支核磁管，分别加入受体3a、3b、3c的DMSO-d₆溶液，浓度均为1.0×10^-2mol×L^-1，测其核磁共振氢谱，然后在3a、3b、3c的核磁管中分别加入等体积的客体F^-、Cl^-、Br^-、I^-的四丁基铵盐DMSO-d₆溶液(1.0×10^-2mol×L^-1)，于25℃分别测定其核磁共振氢谱。以受体分子3c为例，以DMSO-d₆为溶剂，受体分子3c的NH质子化学位移为δ12.98和δ11.33。当加入一倍的F^-的四丁基铵盐的DMSO-d₆溶液时，NH质子峰几乎完全消失。其¹HNMR滴定谱图见图4。相应的，在F^-存在时受体分子3a、3b的核磁共振氢谱也有类似的变化。而受体3a、3b、3c的Cl^-，Br^-，I^-溶液的核磁共振氢谱却无变化。

阴离子识别实验结果表明：

1、本发明的间苯二甲酰基硫脲衍生物受体分子在卤素阴离子中对氟离子具有高的识别选择性。

2、本发明的受体分子3a对氟离子识别过程中溶液颜色变化明显，实现了裸眼识别的目的，受体分子3a成为更加有效优良的氟离子识别受体。

3、本发明经最小二乘法曲线拟合程序计算得出，此三种受体分子随苯环上取代基位置相同，但供电子能力不同而对F^-的识别作用呈现出一定的规律性。即受体分子对F^-的识别作用为3a＞3b＞3c。因为当苯环上取代基为吸电子的硝基时，形成氢键的结合力最大，即平衡常数最大，这是由于硝基的吸电子能力和其较大的电负性，使得分子中硫脲NH质子的酸性增强，更易形成氢键。当取代基为乙氧基时，由于乙氧基基团体积较大，存在相互间的推斥作用，使得两个硫脲基团之间的空间体积增大，因此乙氧基取代的间苯二甲酰基硫脲与F^-形成氢键较硝基取代的受体困难。由紫外-可见吸收光谱及¹HNMR滴定实验可以推断，该类受体分子的顺式结构比较稳定，且受体分子与阴离子形成1∶1的稳定配合物，其结合模式如前所示。

4、本发明¹HNMR滴定实验中，NH质子吸收峰的变化足以证明受体分子的硫脲NH质子作为阴离子的结合位点参与了氢键的形成。

本发明的受体分子随苯环上取代基的不同，对阴离子识别作用呈现出一定的规律性。即苯环上强吸电子基取代的受体3a对F^-的识别作用最大，无取代基的受体3b次之，供电子基取代的受体3c最小。利用¹HNMR(核磁)滴定实验，为受体分子与阴离子间的氢键作用本质提供了直接依据。

纵上所述，以间苯二甲酰基硫脲衍生物3a为受体，可通过肉眼观察以识别氟离子：分别移取1mL 3a受体的2×10^-4mol×L^-1DMSO溶液于一系列10mL比色管中，分别加入1mLF^-，Cl^-，Br^-，I^-阴离子的四丁基铵盐的0.01mol×L^-1DMSO溶液，用DMSO稀释至刻度，使3a受体的浓度为2×10^-5mol×L^-1，并且各种阴离子浓度为3a受体浓度的50倍，混合均匀后观察颜色变化，若溶液颜色变为黄色，则为F^-阴离子溶液。

以间苯二甲酰基硫脲衍生物3a为受体，也可通过紫外-可见吸收光谱法识别氟离子：分别移取1mL3a受体的2×10^-4mol×L^-1DMSO溶液于一系列10mL比色管中，分别加入1mL F^-，Cl^-，Br^-，I^-阴离子的四丁基铵盐的0.01mol×L^-1DMSO溶液，用DMSO稀释至刻度，使3a受体的浓度为2×10^-5mol×L^-1，并且各种阴离子浓度为3a受体浓度的50倍，混合均匀，于25℃测其紫外-可见吸收光谱，若发现溶液在417nm处出现一组新的吸收峰，则为F^-阴离子溶液。

以间苯二甲酰基硫脲衍生物3b为受体，也可通过紫外-可见吸收光谱法识别氟离子：分别移取1mL3b受体的2×10^-4mol×L^-1DMSO溶液于一系列10mL比色管中；分别加入1mL F^-，Cl^-，Br^-，I^-阴离子的四丁基铵盐的0.01mol×L^-1DMSO溶液，用DMSO稀释至刻度，使受体3b的浓度为2×10^-5mol×L^-1，并且各种阴离子浓度为3b受体浓度的50倍，混合均匀，于25℃测其紫外—可见吸收光谱，若发现溶液在321nm处出现一组新的吸收峰，则为F^-阴离子溶液。

以间苯二甲酰基硫脲衍生物3c为受体，也可通过紫外-可见吸收光谱法识别氟离子：分别移取1mL受体3c的2×10^-4mol×L^-1DMSO溶液于一系列10mL比色管中；分别加入1mL F^-，Cl^-，Br^-，I^-阴离子的四丁基铵盐的0.01mol×L^-1DMSO溶液，用DMSO稀释至刻度，使受体3c的浓度为2×10^-5mol×L^-1，并且各种阴离子浓度为3b受体浓度的50倍，混合均匀，于25℃测其紫外—可见吸收光谱，发现溶液在325nm处出现一组新的吸收峰，则为F^-阴离子溶液。

以间苯二甲酰基硫脲衍生物3a、3b、3c为受体，也可通过核磁共振氢谱(¹HNMR)识别氟离子：在核磁管中加入受体3a或3b或3c的1.0×10^-2mol×L^-1DMSO-d₆溶液，测其核磁共振氢谱，然后在核磁管中分别加入等体积的客体F^-，Cl^-，Br^-，I^-的四丁基铵盐的1.0×10^-2mol×L^-1DMSO-d₆溶液，于25℃分别测定其核磁共振氢谱；若受体分子的NH质子化学位移消失，则为F^-阴离子。

本发明的有益效果：

1、本发明的间苯二甲酰基硫脲衍生物受体，对氟离子均具有高的识别选择性。

2、本发明的受体分子3a由于氟离子的引入，溶液颜色由无色变为黄色，因此可利用其明显的颜色变化裸眼识别氟离子。

3、本发明间苯二甲酰基硫脲衍生物受体的合成方法简便高效，绿色环保，解决常规溶剂法中溶剂挥发浪费、易燃等环境和安全问题。

附图说明

图1受体分子3a与卤素阴离子的紫外—可见吸收光谱

图2在DMSO中F^-存在时受体3a的紫外—可见吸收光谱

图3受体分子3a与F^-的拟合曲线图

图4DMSO-d₆中受体分子3c及其在氟离子存在时的¹HNMR谱

其中(1)受体分子3c的部分¹HNMR谱；(2)在氟离子存在时受体分子3c的¹HNMR谱。

具体实施方式

实施例1，本发明间苯二甲酰基硫脲衍生物3a的制备方法：是将间苯二甲酰氯和硫氰酸铵以1∶2.5的摩尔比加入到研钵中，再加入硫氰酸铵物质的量2％的聚乙二醇-400，于室温下间歇研磨反应5小时，得到间苯二甲酰基异硫氰酸酯；再加入间苯二甲酰氯物质的量2倍的邻硝基苯胺，于室温下间歇研磨反应6小时，得到黄色沉淀；过滤、洗涤，并用DMF-C₂H₅OH-H₂O(其中DMF∶C₂H₅OH∶H₂O的摩尔比为1∶0.8∶0.4)混合溶剂重结晶即得间苯二甲酰基硫脲衍生物3a，其产率为72.4％。

实施例2、本发明间苯二甲酰基硫脲衍生物3b的制备方法：是将间苯二甲酰氯和硫氰酸铵以1∶2.8的摩尔比加入到研钵中，再加入硫氰酸铵物质的量3％的聚乙二醇-400，于室温下间歇研磨反应6小时，得到间苯二甲酰基异硫氰酸酯；再加入间苯二甲酰氯物质的量2.2倍的苯胺，于室温下间歇研磨反应24小时，得到淡黄色的沉淀；过滤、洗涤，并用DMF-C₂H₅OH-H₂O(其中DMF∶C₂H₅OH∶H₂O的摩尔比为1∶1.0∶0.5)混合溶剂重结晶即得间苯二甲酰基硫脲衍生物3b，其产率为87.5％。

实施例3、本发明间苯二甲酰基硫脲衍生物3c的制备方法：是将间苯二甲酰氯和硫氰酸铵以1∶3的摩尔比加入到研钵中，再加入硫氰酸铵物质的量4％的聚乙二醇-400，于室温下间歇研磨反应7小时，得到间苯二甲酰基异硫氰酸酯；再加入间苯二甲酰氯物质的量2.5倍的邻乙氧基苯胺，于室温下间歇研磨反应48小时，得到淡黄色的沉淀；过滤、洗涤，并用DMF-C₂H₅OH-H₂O(其中DMF∶C₂H₅OH∶H₂O的摩尔比为1∶1.2∶0.6)混合溶剂重结晶即得间苯二甲酰基硫脲衍生物3c，其产率为84.2％。

实施例4：以间苯二甲酰基硫脲衍生物3a为受体识别氟离子：分别移取1mL 3a受体的2×10^-4mol×L^-1DMSO溶液于一系列10mL比色管中，分别加入1mL F^-，Cl^-，Br^-，I^-阴离子的四丁基铵盐的0.01mol×L^-1DMSO溶液，用DMSO稀释至刻度，使3a受体的浓度为2×10^-5mol×L^-1，并且各种阴离子浓度为3a受体浓度的50倍，混合均匀后观察颜色变化，若溶液颜色变为黄色，则为F^-阴离子溶液。

实施例5、以间苯二甲酰基硫脲衍生物3a为受体，通过紫外-可见吸收光谱法识别氟离子：分别移取1mL3a受体的2×10^-4mol×L^-1DMSO溶液于一系列10mL比色管中，分别加入1mL F^-，Cl^-，Br^-，I^-阴离子的四丁基铵盐的0.01mol×L^-1DMSO溶液，用DMSO稀释至刻度，使3a受体的浓度为2×10^-5mol×L^-1，并且各种阴离子浓度为3a受体浓度的50倍，混合均匀，于25℃测其紫外-可见吸收光谱，若发现溶液在417nm处出现一组新的吸收峰，则为F^-阴离子溶液。

实施例6、以间苯二甲酰基硫脲衍生物3b为受体，通过紫外-可见吸收光谱法识别氟离子：分别移取1mL3b受体的2×10^-4mol×L^-1DMSO溶液于一系列10mL比色管中；分别加入1mL F^-，Cl^-，Br^-，I^-阴离子的四丁基铵盐的0.01mol×L^-1DMSO溶液，用DMSO稀释至刻度，使受体3b的浓度为2×10^-5mol×L^-1，并且各种阴离子浓度为3b受体浓度的50倍，混合均匀，于25℃测其紫外—可见吸收光谱，若发现溶液在321nm处出现一组新的吸收峰，则为F^-阴离子溶液。

实施例7、以间苯二甲酰基硫脲衍生物3c为受体，也可通过紫外-可见吸收光谱法识别氟离子：分别移取1mL受体3c的2×10^-4mol×L^-1DMSO溶液于一系列10mL比色管中；分别加入1mL F^-，Cl^-，Br^-，I^-阴离子的四丁基铵盐的0.01mol×L^-1DMSO溶液，用DMSO稀释至刻度，使受体3c的浓度为2×10^-5mol×L^-1，并且各种阴离子浓度为3c受体浓度的50倍，混合均匀，于25℃测其紫外—可见吸收光谱，发现溶液在325nm处出现一组新的吸收峰，则为F^-阴离子溶液。

实施例8、以间苯二甲酰基硫脲衍生物3a为受体，利用核磁共振氢谱识别氟离子的方法：在核磁管中加入受体3a的1.0×10^-2mol×L^-1DMSO-d₆溶液，测其核磁共振氢谱，然后在核磁管中分别加入等体积的客体F^-，Cl^-，Br^-，I^-的四丁基铵盐的1.0×10^-2mol×L^-1DMSO-d₆溶液，于25℃分别测定其核磁共振氢谱；若受体分子的NH质子化学位移消失，则为F^-阴离子。

实施例9、以间苯二甲酰基硫脲衍生物3b为受体，利用核磁共振氢谱识别氟离子的方法：在核磁管中加入受体3b的1.0×10^-2mol×L^-1DMSO-d₆溶液，测其核磁共振氢谱，然后在核磁管中分别加入等体积的客体F^-，Cl^-，Br^-，I^-的四丁基铵盐的1.0×10^-2mol×L^-1DMSO-d₆溶液，于25℃分别测定其核磁共振氢谱；若受体分子的NH质子化学位移消失，则为F^-阴离子。

实施例10、以间苯二甲酰基硫脲衍生物3c为受体，利用核磁共振氢谱识别氟离子的方法：在核磁管中加入受体3c的1.0×10^-2mol×L^-1DMSO-d₆溶液，测其核磁共振氢谱，然后在核磁管中分别加入等体积的客体F^-，Cl^-，Br^-，I^-的四丁基铵盐的1.0×10^-2mol×L^-1DMSO-d₆溶液，于25℃分别测定其核磁共振氢谱；若受体分子的NH质子化学位移消失，则为F^-阴离子。