哌嗪基荧光化合物及其在正离子超敏光信号识别中的应用 技术领域 本发明涉及一类四种新型哌嗪基荧光化合物及其在过渡金属离子和氢质子超敏光信号识别中的应用。
背景技术 利用光诱导电子转移(Photoinduced Electron Transfer，PET)原理设计开发出的有机荧光化合物用于生物微环境氢质子的检测或酸性成分的标记已较为常见并已实现商品化。但是针对在生物及环境体系中有重要作用的过渡金属离子开发出的荧光探针却较为少见，这可能是因为通常情况下过渡金属离子对荧光具有强烈的淬灭作用。已经报道的几种过渡金属离子荧光开关(或探针)，或者结构复杂，制造成本很高，或者对离子的敏感性不高(过渡金属离子络合导致的荧光增强倍数只有几倍到几十倍)。PET荧光开关分子体系一般由荧光发色团，连接基，受体三部分组成。现有的各种PET荧光开关分子(包括用于H+和金属离子检测)中的连接基绝大多数采用柔性的单烷基链(含1-3个碳)，已报道的只有个别使用刚性的连接基(如苯环)的荧光开关。
发明内容 本发明的目地在于研制结构简单，对过渡金属离子，氢质子都具有高敏感性的荧光开关化合物。其将在生物组织、细胞、膜等微环境及试剂、药品、流体的分析检验中发挥作用。
本发明中涉及一类四种化合物分别具有以下结构通式：
其中R1＝H，-CN；R2＝-CN；R3＝-H，C1～C12直链或支链烷烃，-C2H4OH；
R4＝C2～C12直链或支链烷基，-CH2CH2OH；R5＝-H，C1～C12直链或支链烷烃，-C2H4OH；
R6＝-H，C1～C12直链或支链烷烃，-C2H4OH；R7＝-H，C1～C12直链或支链烷烃，-C2H4OH
本发明的构思在结构设计中采用的荧光发色团具有很高的量子产率，强烈推-拉电子体系。在荧光发色团的推电子部位一侧，通过连接基与受体相连，这样的布局有利于电子从受体向发色团的转移。受体部分为最简单的叔胺或仲胺，而不是复杂的诸如冠醚之类的受体，降低制造成本。连接基则采用半刚半柔性的哌嗪环，这是由于考虑到荧光化合物应具有适度的刚性以利于体系的电子转移，并避免由于过渡金属离子靠近化合物中的荧光团而可能发生的淬灭作用；同时具有一定柔性以便在络合离子时能作出适当的构型调整，增大络合的能力，从而降低检测下限。(4-烷基)哌嗪环上与芳环相连的氨基成为荧光发色团的供电子基团，而脂肪胺部分则作为光诱导电子转移的电子给体和金属离子及氢质子结合功能基团，六元环骨架作为光诱导电子转移的路径。
对以上四种化合物均可采用以下通用方法合成：1)哌嗪或4-烷基哌嗪与相应的卤代发色团前体进行亲核取代反应。其中II、III种化合物也可由其硝基取代发色团前体与哌嗪或4-烷基哌嗪亲核取代反应来合成。2)4-烷基哌嗪取代化合物的合成，也可以采用哌嗪与卤代或硝基取代发色团前体亲核反应的产物与卤代烷或其他烷基化试剂进行叔胺化反应来制备。
例如：合成通式结构(I)，可用发色团卤代化合物与哌嗪及其衍生物，在溶剂中回流一定时间，然后减压蒸出部分溶剂，析出产物，过滤，即可制得产品(I)：其中R1、R2、R3代表前面所述的取代基团。
合成通式(II)或(III)化合物，可用硝基取代的发色团化合物与哌嗪及其衍生物，在溶剂中，于20-100℃下反应，减压蒸出部分溶剂，析出固体，过滤，制得产物(II)：其中R4、R5代表前面所述的取代基团。
合成通式(IV)化合物，可用硝基卤代化合物与哌嗪及其衍生物，在溶剂中低温下反应一定时间，减压蒸出部分溶剂，析出产物，过滤，得到产品(IV)：其中R7代表前面所述的取代基团。
本发明的荧光开关化合物可在多种常用溶剂如甲醇，乙醇，异丙醇，乙腈等中与多种过滤金属离子如Cr3+，Fe3+，Cu2+，Co2+，Ni2+和Mn2+，Hg2+，Zn2+，Ag-等相结合并且表现出很大的荧光增强(荧光量子效率为未结合离子前的100-200倍)，同时荧光最大发射波长也会向短波方向移动15-30nm。
本发明的荧光开关化合物在不同的pH值介质中荧光强度有明显变化：在碱性介质荧光很弱，在中性和酸性介质荧光增强很大(荧光量子效率为碱性条件下的200-400倍)。
本发明荧光开关化合物的特点为采用哌嗪环作为连接基，结构简单，对过渡金属离子和氢质子都有良好的开关性。
说明书附图1为铁离子对化合物1-1荧光的影响，纵座标为荧光量子效率，横座标为铁离子浓度(10-6mol/L)；
说明书附图2为pH值对化合物1-1荧光的影响，纵座标为荧光量子效率，横座标为pH值。具体实施方式
实施例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小时，减压浓缩溶剂后，过滤，得产品，产物I-1为黄色固体，收率80％，熔点：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)。
实施例2
1克4-硝基-1，8-萘酰丁亚胺，溶于10克二甲基甲酰胺(即DMF)，加入1.4克N-甲基哌嗪，室温放置一昼夜，浓缩溶剂后，过滤，得产品，产物II为黄色固体，收率90％，熔点：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)。
实施例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，冰浴搅拌下，将后者缓慢滴入前者中，滴完后保持2小时，浓缩，析出固体，过滤得到产品，产物IV-1为红色固体，收率85％。熔点：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)。
实施例4
实施例1中的化合物I-1溶于乙醇中配制浓度为1×10-6mol/L的溶液，测定其荧光光谱：最大发射波长为482nm，荧光量子效率为0.0034，加入不同量的三氯化铁时荧光强度有不同程度的增加，波长明显向短波移动。当加入的Fe3+浓度为10×10-6mol/L时荧光强度达到最大值(继续加入Fe3+则荧光反而减弱)，此时最大发射波长为467nm，荧光量子效率为0.552，比不加三氯化铁时增大了160倍。
从附图1可以看出：化合物I-1不仅对Fe3+表现出很好的荧光开关性，同时对其他多种过渡金属离子如：Cr3+，Cu2+，Co2+，Ni2+和Mn2+，Hg2+，Zn2+，Ag+等也有很好的敏感性。
本发明中的其它化合物均对多种过渡金属离子表现出高灵敏度的荧光开关性能(与不同过渡金属离子结合后，荧光增强100-200倍)。
实施例5
实施例1中的荧光开关化合物I-1溶解于甲醇-0.05mol/L K3PO4水溶液(V∶V＝1∶4)缓冲体系中，用稀盐酸调节pH值。随着pH值的减小，荧光强度增加。在碱性条件下(pH＝11)，荧光量子效率为0.0022，酸性条件下(pH＝3.2)，荧光量子效率为0.601，是碱性条件下的273倍。
从附图2可以看出：本发明中的其它化合物均对pH值非常敏感，酸性介质中的荧光量子效率为碱性介质中的200-400倍。