本發(fā)明涉及Cd2+探針分子及其合成與應(yīng)用。
背景技術(shù):
Cd2+是一種非常有毒的金屬離子,是環(huán)境的主要金屬污染物,對農(nóng)作物及人體都有毒害作用。對作物來說,輕者使其體內(nèi)的代謝過程發(fā)生紊亂,使作物生長受到抑制,重則導(dǎo)致作物死亡;對人來說,長期接觸Cd2+會(huì)導(dǎo)致腎功能損害、心血管疾病、鈣代謝紊亂、嗜酸性粒細(xì)胞增多癥和某些癌癥等疾病。由于Cd2+廣泛應(yīng)用于電池中,空氣、水、土壤中Cd2+的污染較為嚴(yán)重,因此用于識(shí)別和檢測環(huán)境樣品以及活細(xì)胞內(nèi)Cd2+含量的探針就顯得尤其重要。
然而,正如在《化學(xué)評論》(Chem.Rev.)的2014年第114卷4564-4601頁中所提到的,目前已報(bào)道的Cd2+分子探針在檢測Cd2+時(shí)易受到結(jié)合性能相近的Zn2+的干擾,抗Zn2+干擾性較差。而由于Zn2+在人體內(nèi)普遍存在,這給人體內(nèi)Cd2+的檢測帶來諸多不便。為此,開發(fā)不受Zn2+干擾的Cd2+熒光探針仍然是目前研究的重點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的檢測Cd2+的分子探針易受Zn2+干擾、抗Zn2+干擾性較差的技術(shù)問題,從而提供一種氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子及其合成方法與應(yīng)用。
本發(fā)明的氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子,其結(jié)構(gòu)式為:
其中,所述的R為C1~C4直鏈烷基。
上述氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子的合成方法,按以下步驟進(jìn)行:
一、將吡喃并[3,4,5-de]喹啉-2,4,6(1H)-三酮與烷基胺以摩爾比為1:(4.8~5.2)的比例加入至乙醇中,在氮?dú)獗Wo(hù)下加熱至沸騰回流4~6h;將反應(yīng)液旋干,再經(jīng)過硅膠柱色譜分離,得到中間體Ⅰ;
二、將步驟一所得中間體Ⅰ與三氯氧磷以摩爾比為1:(9.5~10.5)的比例加入至二氧六環(huán)中,在75~85℃的條件下反應(yīng)2~3h;再用氨水將反應(yīng)液的pH值調(diào)至堿性;將反應(yīng)液旋干,再經(jīng)過硅膠柱色譜分離,得到中間體Ⅱ;
三、將步驟二所得中間體Ⅱ與2-氨基芐胺以摩爾比為1:(4.8~5.2)的比例加入至乙二醇甲醚中,在氮?dú)獗Wo(hù)下加熱至沸騰回流6~8h;將反應(yīng)液旋干,再經(jīng)過硅膠柱色譜分離,得到中間體Ⅲ;
四、將步驟三所得中間體Ⅲ、吡啶溶于二氯甲烷中,滴加2-氯乙酰氯,其中吡啶的物質(zhì)的量為中間體Ⅲ的1.4~2.0倍,2-氯乙酰氯的物質(zhì)的量為中間體Ⅲ的1.1~1.3倍,室溫下反應(yīng)2~3h;將反應(yīng)液旋干,再經(jīng)過硅膠柱色譜分離,得到中間體Ⅳ;
五、將步驟四所得中間體Ⅳ、二(2-吡啶甲基)胺、N,N-二異丙基乙基胺以摩爾比為1:(4.8~5.2):(6~10)的比例加入至乙腈中,在氮?dú)獗Wo(hù)下加熱至沸騰回流6~8h;將反應(yīng)液旋干,再經(jīng)過硅膠柱色譜分離,得到氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子。
上述的氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子的應(yīng)用,是用氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子對溶液或細(xì)胞內(nèi)的Cd2+進(jìn)行熒光檢測。
本發(fā)明的氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子可直接用于在水、甲醇、DMSO、DMF溶劑或它們的混合溶劑中Cd2+的熒光增強(qiáng)檢測,也可對生物組織、細(xì)胞微環(huán)境中Cd2+進(jìn)行熒光成像檢測,且不受Zn2+干擾,具有較高的選擇性和靈敏度。而且在熒光檢測時(shí),該類探針分子的激發(fā)波長位于可見光區(qū),避免了紫外光的應(yīng)用。該類探針分子可用于環(huán)境樣品、生物組織以及活細(xì)胞微環(huán)境中Cd2+的熒光檢測,具有廣泛的潛在應(yīng)用價(jià)值。
附圖說明
圖1為實(shí)施例1制備的氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子在加入金屬離子前后的熒光光譜變化圖;
圖2為實(shí)施例1制備的氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子在加入Cd2+和Zn2+前后的熒光衰減曲線;
圖3為實(shí)施例1制備的氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子對不同濃度的Cd2+的熒光光譜變化圖;
圖4為實(shí)施例1制備的氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子對不同濃度的Cd2+的熒光強(qiáng)度變化曲線;
圖5為實(shí)施例1中,酵母細(xì)胞放到混合液中培養(yǎng)后的明場照片;
圖6為實(shí)施例1中,酵母細(xì)胞放到混合液中培養(yǎng)后的熒光照片;
圖7為實(shí)施例1中,染色的酵母細(xì)胞放到含Cd2+的溶液中培養(yǎng)后的明場照片;
圖8為實(shí)施例1中,染色的酵母細(xì)胞放到含Cd2+的溶液中培養(yǎng)后的熒光照片。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式一:本實(shí)施方式的氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子,其結(jié)構(gòu)式為:
其中,所述的R為C1~C4直鏈烷基。
具體實(shí)施方式二:具體實(shí)施方式一所述的氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子的合成方法,按以下步驟進(jìn)行:
一、將吡喃并[3,4,5-de]喹啉-2,4,6(1H)-三酮與烷基胺以摩爾比為1:(4.8~5.2)的比例加入至乙醇中,在氮?dú)獗Wo(hù)下加熱至沸騰回流4~6h;將反應(yīng)液旋干,再經(jīng)過硅膠柱色譜分離,得到中間體Ⅰ;
二、將步驟一所得中間體Ⅰ與三氯氧磷以摩爾比為1:(9.5~10.5)的比例加入至二氧六環(huán)中,在75~85℃的條件下反應(yīng)2~3h;再用氨水將反應(yīng)液的pH值調(diào)至堿性;將反應(yīng)液旋干,再經(jīng)過硅膠柱色譜分離,得到中間體Ⅱ;
三、將步驟二所得中間體Ⅱ與2-氨基芐胺以摩爾比為1:(4.8~5.2)的比例加入至乙二醇甲醚中,在氮?dú)獗Wo(hù)下加熱至沸騰回流6~8h;將反應(yīng)液旋干,再經(jīng)過硅膠柱色譜分離,得到中間體Ⅲ;
四、將步驟三所得中間體Ⅲ、吡啶溶于二氯甲烷中,滴加2-氯乙酰氯,其中吡啶的物質(zhì)的量為中間體Ⅲ的1.4~2.0倍,2-氯乙酰氯的物質(zhì)的量為中間體Ⅲ的1.1~1.3倍,室溫下反應(yīng)2~3h;將反應(yīng)液旋干,再經(jīng)過硅膠柱色譜分離,得到中間體Ⅳ;
五、將步驟四所得中間體Ⅳ、二(2-吡啶甲基)胺、N,N-二異丙基乙基胺以摩爾比為1:(4.8~5.2):(6~10)的比例加入至乙腈中,在氮?dú)獗Wo(hù)下加熱至沸騰回流6~8h;將反應(yīng)液旋干,再經(jīng)過硅膠柱色譜分離,得到氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子。
具體實(shí)施方式三:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二不同的是:步驟一中吡喃并[3,4,5-de]喹啉-2,4,6(1H)-三酮、烷基胺以摩爾比為1:5。其它與具體實(shí)施方式二相同。
具體實(shí)施方式四:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二或三不同的是:步驟一中在氮?dú)獗Wo(hù)下加熱至沸騰回流5h。其它與具體實(shí)施方式二或三相同。
具體實(shí)施方式五:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至四之一不同的是步驟二中中間體Ⅰ與三氯氧磷以摩爾比為1:10。其它與具體實(shí)施方式二至四之一相同。
具體實(shí)施方式六:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至五之一不同的是步驟二中將反應(yīng)液的pH值調(diào)至7.5~8.5。其它與具體實(shí)施方式二至五之一相同。
具體實(shí)施方式七:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至六之一不同的是步驟四中吡啶的物質(zhì)的量為中間體Ⅲ的1.4倍,2-氯乙酰氯的物質(zhì)的量為中間體Ⅲ的1.2倍。其它與具體實(shí)施方式二至六之一相同。
具體實(shí)施方式八:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式二至七之一不同的是步驟五中中間體Ⅳ、二(2-吡啶甲基)胺、N,N-二異丙基乙基胺的摩爾比為1:5:10。其它與具體實(shí)施方式二至七之一相同。
具體實(shí)施方式九:本實(shí)施方式一所述的氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子的應(yīng)用,是用氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子對溶液或細(xì)胞內(nèi)的Cd2+進(jìn)行熒光增強(qiáng)檢測。
用以下的實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果:
實(shí)施例1:本實(shí)施例的氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子的合成方法,按以下步驟進(jìn)行:
一、將吡喃并[3,4,5-de]喹啉-2,4,6(1H)-三酮(450mg,2.09mmol)、正丁胺(764mg,10.45mmol)加入至50mL乙醇中,在氮?dú)獗Wo(hù)下回流6h,停止反應(yīng);將反應(yīng)液旋干,以二氯甲烷-乙酸乙酯混合液為洗脫液,硅膠柱色譜分離,得中間體Ⅰ,產(chǎn)量328mg,收率為58%,熔點(diǎn):264.8~265.2℃。將得到的中間體Ⅰ進(jìn)行分析,結(jié)果如下:1H NMR(CDCl3,600MHz):δ8.18(d,J=7.2Hz,1H),7.79(t,J=8.1Hz,1H),7.72(d,J=8.4Hz,1H),7.70(s,1H),4.14(CH2CH2CH2CH3,t,J=7.5Hz,2H),1.69(CH2CH2CH2CH3,m,2H),1.44(CH2CH2CH2CH3,m,2H),0.99(CH3,t,J=7.2Hz,3H)ppm.13C NMR(CDCl3,150MHz):δ163.96,162.85,161.84,137.51,133.86,131.92,125.70,124.88,123.18,120.74,115.27,40.75,30.07,20.33,13.78ppm.HRMS m/z(TOF MS ES+):calcd for C15H15N2O3+(M+H+)271.1077,found 271.1076。從分析結(jié)果可知,中間體Ⅰ的結(jié)構(gòu)式為步驟一中利用吡喃并[3,4,5-de]喹啉-2,4,6(1H)-三酮合成了中間體Ⅰ,即
二、將300mg步驟一所得的中間體Ⅰ(1.11mmol)、1.68g三氯氧磷(11.10mmol)加入至30mL二氧六環(huán)中,在80℃下反應(yīng)3h,停止反應(yīng);用氨水將反應(yīng)液調(diào)至pH值為8;將反應(yīng)液旋干,以二氯甲烷為洗脫液,硅膠柱色譜分離,得中間體Ⅱ,其產(chǎn)量297mg,收率為93%,熔點(diǎn):136.2~136.4℃。將中間體Ⅱ進(jìn)行分析,結(jié)果如下:1H NMR(CDCl3,600MHz):δ8.58(d,J=7.2Hz,1H),8.36(d,J=8.4Hz,1H),8.27(s,1H),7.99(t,J=7.8Hz,1H),4.16(CH2CH2CH2CH3,t,J=7.8Hz,2H),1.69(CH2CH2CH2CH3,m,2H),1.43(CH2CH2CH2CH3,m,2H),0.97(CH3,t,J=7.5Hz,3H)ppm.13C NMR(CDCl3,150MHz):δ162.53,161.94,152.54,146.90,133.94,132.27,131.55,131.03,124.20,122.97,121.55,40.65,30.10,20.30,13.78ppm.HRMS m/z(TOF MS ES+):calcd for C15H14ClN2O2+(M+H+)289.0738,found 289.0740。從分析結(jié)果可知中間體Ⅱ的結(jié)構(gòu)式為:
三、將280mg步驟二所得中間體Ⅱ(0.97mmol)與592mg 2-氨基芐胺(4.85mmol)加入至30mL乙二醇甲醚中,在氮?dú)獗Wo(hù)下加熱至沸騰回流8h,停止反應(yīng);將反應(yīng)液旋干,以二氯甲烷-乙酸乙酯混合液為洗脫液,硅膠柱色譜分離,得中間體Ⅲ,其產(chǎn)量302mg,收率為83%,熔點(diǎn):204.4~204.8℃。將中間體Ⅲ進(jìn)行分析,結(jié)果如下:1H NMR(DMSO-d6,600MHz):δ8.07(NHCH2,t,J=5.7Hz,1H),8.00(d,J=8.4Hz,1H),7.90(d,J=9.0Hz,1H),7.76(t,J=7.8Hz,1H),7.69(s,1H),7.11(d,J=9.0Hz,1H),6.97(t,J=8.4Hz,1H),6.65(d,J=9.0Hz,1H),6.52(t,J=7.8Hz,1H),5.17(NH2,s,2H),4.54(NHCH2,d,J=5.4Hz,2H),3.99(CH2CH2CH2CH3,t,J=7.5Hz,2H),1.58(CH2CH2CH2CH3,m,2H),1.34(CH2CH2CH2CH3,m,2H),0.92(CH3,t,J=7.2Hz,3H)ppm.13C NMR(DMSO-d6,150MHz):δ163.57,163.20,157.98,147.22,146.98,130.97,130.75,130.30,129.56,128.30,124.07,122.71,122.53,117.93,116.46,116.32,115.29,41.51,40.52,30.04,20.25,14.18ppm.HRMSm/z(TOF MS ES+):calcd for C22H23N4O2+(M+H+)375.1816,found 375.1815。從分析結(jié)果可知,中間體Ⅲ的結(jié)構(gòu)式為:
四、將150mg步驟三所得中間體Ⅲ(0.40mmol)、44mg吡啶(0.56mmol)溶于10mL二氯甲烷中,滴加54mg 2-氯乙酰氯(0.48mmol),室溫下反應(yīng)2h,停止反應(yīng);將反應(yīng)液旋干,以二氯甲烷-乙酸乙酯混合液為洗脫液,硅膠柱色譜分離,得到中間體Ⅳ;其產(chǎn)量為110mg,收率為61%,熔點(diǎn)為213.6-214.1℃。將中間體Ⅳ進(jìn)行分析,結(jié)果如下:1H NMR(DMSO-d6,600MHz):δ9.96(CONH,s,1H),8.20(NHCH2,t,J=5.1Hz,1H),8.01(d,J=7.2Hz,1H),7.90(d,J=8.4Hz,1H),7.70(t,J=7.8Hz,1H),7.72(s,1H),7.47(d,J=7.8Hz,1H),7.40(d,J=7.2Hz,1H),7.28(t,J=7.5Hz,1H),7.19(t,J=7.5Hz,1H),4.68(NHCH2,d,J=5.4Hz,2H),3.35(COCH2,s,2H),3.99(CH2CH2CH2CH3,t,J=7.5Hz,2H),1.59(CH2CH2CH2CH3,m,2H),1.34(CH2CH2CH2CH3,m,2H),0.92(CH3,t,J=7.2Hz,3H)ppm.13C NMR(DMSO-d6,150MHz):δ169.07,165.60,163.54,163.15,157.75,135.56,133.45,130.85,130.50,128.86,128.81,127.96,127.77,126.32,125.80,124.34,122.77,118.06,43.75,41.95,40.54,30.04,20.24,14.17.HRMS m/z(TOF MS ES+):calcd for C24H24ClN4O3+(M+H+)451.1531,found451.1532。從分析結(jié)果可知,中間體Ⅳ的結(jié)構(gòu)式為:
五、將50mg步驟四所得中間體Ⅳ(0.11mmol))、110mg二(2-吡啶甲基)胺(0.55mmol)、142mg N,N-二異丙基乙基胺(1.10mmol)加入至30mL乙腈中,在氮?dú)獗Wo(hù)下加熱至沸騰回流8h;將反應(yīng)液旋干,以二氯甲烷-甲醇混合液為洗脫液,硅膠柱色譜分離,得到氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子。其產(chǎn)量為55mg,收率為82%,熔點(diǎn)為165.8~166.1℃。將氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子進(jìn)行分析,結(jié)果如下:1H NMR(DMSO-d6,600MHz):δ10.14(CONH,s,1H),8.50(d,J=4.2Hz,2H),8.22(NHCH2,t,J=5.4Hz,1H),8.00(d,J=7.2Hz,1H),7.85(d,J=8.4Hz,1H),7.74(m,3H),7.66(t,J=8.1Hz,2H),7.40(m,3H),7.26(t,J=7.5Hz,1H),7.20(t,J=6.3Hz,2H),7.13(t,J=7.5Hz,1H),4.78(NHCH2,d,J=5.4Hz,2H),3.98(CH2CH2CH2CH3,t,J=7.5Hz,2H),3.84(N(CH2Py)2,s,4H),3.43(COCH2,s,2H),1.58(CH2CH2CH2CH3,m,2H),1.33(CH2CH2CH2CH3,m,2H),0.92(CH3,t,J=7.2Hz,3H)ppm.13C NMR(DMSO-d6,150MHz):δ169.66,163.54,163.19,158.43,157.91,149.51,147.23,137.23,137.03,136.40,131.31,131.21,130.73,130.27,128.87,127.78,125.16,124.30,123.87,123.61,122.80,122.72,118.07,60.04,58.12,41.36,40.55,30.05,20.24,14.18ppm.HRMS m/z(TOF MS ES+):calcd for C36H36N7O3+(M+H+)614.2874,found 614.2883。從分析結(jié)果可知,氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子的結(jié)構(gòu)式為:
按三羥甲基氨基甲烷的濃度為0.01mol/L、實(shí)施例1制備的氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子的濃度為1.0×10-5mol/L依次將三羥甲基氨基甲烷、氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子加入到體積比為1:1的甲醇和水混合液中,用鹽酸將溶液pH調(diào)至7.20,分別加入各種常見的金屬離子Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cr3+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Ag+、Cd2+、Hg2+、Al3+,金屬離子的濃度為探針濃度的5倍,測定其熒光光譜,得到的熒光光譜圖如圖1所示,從圖1可以看出,空白探針分子在543nm處的熒光較弱,熒光量子產(chǎn)率為0.04。僅Cd2+導(dǎo)致探針分子在543nm處的熒光顯著增強(qiáng),其熒光量子產(chǎn)率增加約3.3倍;而Zn2+導(dǎo)致探針分子在543nm處的熒光略有猝滅。由此可見本實(shí)施例的氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子可高選擇性熒光增強(qiáng)識(shí)別Cd2+,并且可以應(yīng)用熒光增強(qiáng)信號(hào)區(qū)分Cd2+和Zn2+,從避免了Cd2+檢測過程中Zn2+的干擾。
按三羥甲基氨基甲烷的濃度為0.01mol/L、實(shí)施例1制備的氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子的濃度為1.0×10-5mol/L依次將三羥甲基氨基甲烷、氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子加入到體積比為1:1的甲醇和水混合液中,用鹽酸將溶液pH調(diào)至7.20,分別加入Cd2+和Zn2+,金屬離子的濃度為探針濃度的5倍,測定發(fā)射波長在543nm處的熒光衰減曲線如圖2所示,從圖2計(jì)算可得,空白探針分子的熒光壽命為6.20ns,加入Cd2+后探針分子的熒光壽命增加至8.87ns,而加入Zn2+后探針分子的熒光壽命為7.18ns。由此可見本實(shí)施例的氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子可以用熒光壽命區(qū)分Cd2+和Zn2+。
按三羥甲基氨基甲烷的濃度為0.01mol/L、實(shí)施例1制備的氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子的濃度為1.0×10-5mol/L依次將三羥甲基氨基甲烷、氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子加入到體積比為1:1的甲醇和水混合液中,用鹽酸將溶液pH調(diào)至7.20,加入Cd2+,Cd2+的濃度為0~1.0×10-5mol/L,研究不同Cd2+溶度對探針分子熒光光譜的影響,得到的熒光光譜如圖3所示,從圖3可以看出,隨著Cd2+的加入,探針分子在543nm處的熒光強(qiáng)度逐漸上升,當(dāng)Cd2+的濃度為1.0×10-5mol/L時(shí)增強(qiáng)約3.5倍;而當(dāng)Cd2+濃度超過1.0×10-5mol/L時(shí),其熒光強(qiáng)度基本保持不變。探針分子熒光強(qiáng)度與Cd2+濃度的關(guān)系曲線如圖4所示,從圖4可以計(jì)算得出,探針分子對Cd2+的檢出限為1.08×10-8mol/L,在Cd2+濃度1.08×10-8-1.0×10-5mol/L范圍內(nèi),探針分子的熒光強(qiáng)度與Cd2+濃度呈良好的線性關(guān)系,由此可見本實(shí)施例制備的氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子可以定量檢測Cd2+。
按三羥甲基氨基甲烷的濃度為0.01mol/L、實(shí)施例1制備的氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子的濃度為4.0×10-5mol/L依次將三羥甲基氨基甲烷、氮雜萘酰亞胺類Cd2+探針分子加入到體積比為1:1的DMSO和水混合液中,用鹽酸將溶液pH調(diào)至7.20,得到混合液。酵母細(xì)胞在混合液中培養(yǎng)染色0.5h后進(jìn)行明場和熒光成像,得到的明場照片如圖5所示,得到的熒光照片如圖6所示,由圖6可知,細(xì)胞發(fā)出微弱的黃綠色熒光。將染色后的酵母細(xì)胞加入至Cd2+濃度為4.0×10-5mol/L的溶液中培養(yǎng)0.5h,進(jìn)行明場和熒光成像,得到的明場照片如圖7所示,得到的熒光照片如圖8所示,由圖8可知,染色后的酵母細(xì)胞在含Cd2+的溶液中培養(yǎng)后細(xì)胞發(fā)出較強(qiáng)的黃綠色熒光,表明在細(xì)胞內(nèi)探針分子對Cd2+具有較高的檢測性能。