專利名稱：哌嗪基熒光化合物及其在正離子超敏光信號識別中的應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一類四種新型哌嗪基熒光化合物及其在過渡金屬離子和氫質子超敏光信號識別中的應用。
背景技術：
利用光誘導電子轉移(Photoinduced Electron Transfer，PET)原理設計開發出的有機熒光化合物用于生物微環境氫質子的檢測或酸性成分的標記已較為常見并已實現商品化。但是針對在生物及環境體系中有重要作用的過渡金屬離子開發出的熒光探針卻較為少見，這可能是因為通常情況下過渡金屬離子對熒光具有強烈的淬滅作用。已經報道的幾種過渡金屬離子熒光開關(或探針)，或者結構復雜，制造成本很高，或者對離子的敏感性不高(過渡金屬離子絡合導致的熒光增強倍數只有幾倍到幾十倍)。PET熒光開關分子體系一般由熒光發色團，連接基，受體三部分組成。現有的各種PET熒光開關分子(包括用于H+和金屬離子檢測)中的連接基絕大多數采用柔性的單烷基鏈(含1-3個碳)，已報道的只有個別使用剛性的連接基(如苯環)的熒光開關。

發明內容
本發明的目的在于研制結構簡單，對過渡金屬離子，氫質子都具有高敏感性的熒光開關化合物。其將在生物組織、細胞、膜等微環境及試劑、藥品、流體的分析檢驗中發揮作用。
本發明中涉及一類四種化合物分別具有以下結構通式 其中R1＝H，-CN；R2＝-CN；R3＝-H，C1～C12直鏈或支鏈烷烴，-C2H4OH；R4＝C2～C12直鏈或支鏈烷基，-CH2CH2OH；R5＝-H，C1～C12直鏈或支鏈烷烴，-C2H4OH；R6＝-H，C1～C12直鏈或支鏈烷烴，-C2H4OH；R7＝-H，C1～C12直鏈或支鏈烷烴，-C2H4OH
本發明的構思在結構設計中采用的熒光發色團具有很高的量子產率，強烈推-拉電子體系。在熒光發色團的推電子部位一側，通過連接基與受體相連，這樣的布局有利于電子從受體向發色團的轉移。受體部分為最簡單的叔胺或仲胺，而不是復雜的諸如冠醚之類的受體，降低制造成本。連接基則采用半剛半柔性的哌嗪環，這是由于考慮到熒光化合物應具有適度的剛性以利于體系的電子轉移，并避免由于過渡金屬離子靠近化合物中的熒光團而可能發生的淬滅作用；同時具有一定柔性以便在絡合離子時能作出適當的構型調整，增大絡合的能力，從而降低檢測下限。(4-烷基)哌嗪環上與芳環相連的氨基成為熒光發色團的供電子基團，而脂肪胺部分則作為光誘導電子轉移的電子給體和金屬離子及氫質子結合功能基團，六元環骨架作為光誘導電子轉移的路徑。
對以上四種化合物均可采用以下通用方法合成1)哌嗪或4-烷基哌嗪與相應的鹵代發色團前體進行親核取代反應。其中II、III種化合物也可由其硝基取代發色團前體與哌嗪或4-烷基哌嗪親核取代反應來合成。2)4-烷基哌嗪取代化合物的合成，也可以采用哌嗪與鹵代或硝基取代發色團前體親核反應的產物與鹵代烷或其他烷基化試劑進行叔胺化反應來制備。
例如合成通式結構(I)，可用發色團鹵代化合物與哌嗪及其衍生物，在溶劑中回流一定時間，然后減壓蒸出部分溶劑，析出產物，過濾，即可制得產品(I) 其中R1、R2、R3代表前面所述的取代基團。
合成通式(II)或(III)化合物，可用硝基取代的發色團化合物與哌嗪及其衍生物，在溶劑中，于20-100℃下反應，減壓蒸出部分溶劑，析出固體，過濾，制得產物(II) 其中R4、R5代表前面所述的取代基團。
合成通式(IV)化合物，可用硝基鹵代化合物與哌嗪及其衍生物，在溶劑中低溫下反應一定時間，減壓蒸出部分溶劑，析出產物，過濾，得到產品(IV) 其中R7代表前面所述的取代基團。
本發明的熒光開關化合物可在多種常用溶劑如甲醇，乙醇，異丙醇，乙腈等中與多種過濾金屬離子如Cr3+，Fe3+，Cu2+，Co2+，Ni2+和Mn2+，Hg2+，Zn2+，Ag-等相結合并且表現出很大的熒光增強(熒光量子效率為未結合離子前的100-200倍)，同時熒光最大發射波長也會向短波方向移動15-30nm。
本發明的熒光開關化合物在不同的pH值介質中熒光強度有明顯變化在堿性介質熒光很弱，在中性和酸性介質熒光增強很大(熒光量子效率為堿性條件下的200-400倍)。
本發明熒光開關化合物的特點為采用哌嗪環作為連接基，結構簡單，對過渡金屬離子和氫質子都有良好的開關性。
說明書附

圖1為鐵離子對化合物1-1熒光的影響，縱座標為熒光量子效率，橫座標為鐵離子濃度(10-6mol/L)；說明書附圖2為pH值對化合物1-1熒光的影響，縱座標為熒光量子效率，橫座標為pH值。
具體實施例方式
實施例1 1克4-溴萘二腈，溶于10克吡啶中，加入1.6克N-甲基哌嗪，回流3小時，減壓濃縮溶劑后，過濾，得產品，產物I-1為黃色固體，收率80％，熔點214-215℃1H NMR(CDCI3，400M)δ2.55(s，3H，-CH3)，2.90(s，4H，-NCH2CH2NCH3)，3.30(s，4H，-NCH2CH2NCH3)，7.21(d，J＝8Hz，1H)，7.62(t，J＝8Hz，1H)，8.02(d，J＝7.6Hz，1H)，8.08(d，J＝7.2Hz，1H)，8.46(d，J＝8.4Hz，1H)。
實施例2 1克4-硝基-1，8-萘酰丁亞胺，溶于10克二甲基甲酰胺(即DMF)，加入1.4克N-甲基哌嗪，室溫放置一晝夜，濃縮溶劑后，過濾，得產品，產物II為黃色固體，收率90％，熔點120-121℃；1H NMR(CDCL3，400M)δ2.52(s，3H，-CH3)，2.92(s，4H，-NCH2CH2NCH3)，-CH2CH2OH)，7.25(d，J＝8Hz，1H)，7.72(t，J＝8Hz，1H)，8.42(d，J＝8.4Hz，1H)，8.48(d，J＝8Hz，1H)，8 55(d，J＝7.2Hz，1H)。
實施例3 1克Cl-NBD溶于5克二氯甲烷，2份N-甲基哌嗪溶于5克二氯甲烷，冰浴攪拌下，將后者緩慢滴入前者中，滴完后保持2小時，濃縮，析出固體，過濾得到產品，產物IV-1為紅色固體，收率85％。熔點184-185℃；1H NMR(CDCI3，400M)δ2.39(s，3H，-CH3)，2.67(t，4.8Hz，4H-CH2NCH3)，4.12(t，4.8Hz，4H，CH2CH2NCH3)，6.30(d，9.2Hz，1H)，8.40(d，8.8Hz，1H)。
實施例4實施例1中的化合物I-1溶于乙醇中配制濃度為1×10-6mol/L的溶液，測定其熒光光譜最大發射波長為482nm，熒光量子效率為0.0034，加入不同量的三氯化鐵時熒光強度有不同程度的增加，波長明顯向短波移動。當加入的Fe3+濃度為10×10-6mol/L時熒光強度達到最大值(繼續加入Fe3+則熒光反而減弱)，此時最大發射波長為467nm，熒光量子效率為0.552，比不加三氯化鐵時增大了160倍。
從附圖1可以看出化合物I-1不僅對Fe3+表現出很好的熒光開關性，同時對其他多種過渡金屬離子如Cr3+，Cu2+，Co2+，Ni2+和Mn2+，Hg2+，Zn2+，Ag+等也有很好的敏感性。
本發明中的其它化合物均對多種過渡金屬離子表現出高靈敏度的熒光開關性能(與不同過渡金屬離子結合后，熒光增強100-200倍)。
實施例5實施例1中的熒光開關化合物I-1溶解于甲醇-0.05mol/L K3PO4水溶液(V∶V＝1∶4)緩沖體系中，用稀鹽酸調節pH值。隨著pH值的減小，熒光強度增加。在堿性條件下(pH＝11)，熒光量子效率為0.0022，酸性條件下(pH＝3.2)，熒光量子效率為0.601，是堿性條件下的273倍。
從附圖2可以看出本發明中的其它化合物均對pH值非常敏感，酸性介質中的熒光量子效率為堿性介質中的200-400倍。
權利要求
1.一類由發色團、連接基和受體三部分組成的熒光化合物，其特征在于本熒光化合物的熒光發色團是苯系或萘系衍生物，連接基為哌嗪環，受體為叔胺或仲胺，它們具有如下的結構通式 其中R1＝H，-CN；R2＝-CN；R3＝-H，C1～C12直鏈或支鏈烷烴，-C2H4OH；R4＝C2～C12直鏈或支鏈烷基，-CH2CH2OH；R5＝-H，C1～C12直鏈或支鏈烷烴，-C2H4OH；R6＝-H，C1～C12直鏈或支鏈烷烴，-C2H4OH；R7＝-H，C1～C12直鏈或支鏈烷烴，-C2H4OH
2.一類以權利要求1所述熒光化合物的用途，其特征在于這四種哌嗪基熒光化合物(I)、(II)、(III)、(IV)可用作正離子的超敏光信號識別，在甲醇、乙醇、異丙醇、乙腈中與過渡金屬離子和氫質子結合能增強熒光和良好開關性。
3.按照權利要求2所述熒光化合物的用途，其特征在于過渡金屬離子有Cr3+，Fe3+，Cu2+，Co2+，Ni2+和Mn2+，Hg2+，Zn2+，Ag+。
4.一類以權利要求1所述熒光化合物的用途，其特征在于四種哌嗪基熒光化合物(I)、(II)、(III)、(IV)用作分子熒光開關，可檢測宏觀和微環境中的過渡金屬離子、pH值、酸性有機質；在生物組織、細胞、膜微環境及試劑、藥品、流體的分析檢驗中有重要價值。
全文摘要
本發明提供一類四種哌嗪基熒光開關化合物,可用作正離子的超敏光信號識別,其與過渡金屬離子和氫質子結合后熒光有顯著的增強,具有良好的開關性。可用作分子熒光開關,檢測宏觀及微環境中的過渡金屬離子、pH值、酸性有機質等。其在生物組織、細胞、膜等微環境及試劑、藥品、流體的分析檢驗中有重要價值。
文檔編號C09K11/06GK1374366SQ01142310
公開日2002年10月16日 申請日期2001年11月22日 優先權日2001年11月22日
發明者錢旭紅, 肖義 申請人:大連理工大學