基于环化机理的查尔酮类肼荧光探针的研究

作     者：邢苗苗 

作者单位：济南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹笃霞

授予年度：2021年

学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 0817[工学-化学工程与技术] 0804[工学-仪器科学与技术] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 

主      题：查尔酮 肼 环化机理 荧光探针 

摘      要：肼作为一种危险的致癌物与人类的健康生活以及环境息息相关,因此,对于肼的微量检测引起了科学家的广泛关注。查尔酮类衍生物具有良好的发光性能,低生物毒性,其碳碳双键基团易被亲核攻击的性质使其具有反应灵敏性。同时基于香豆素以及芘基团优异的发光性质以及低生物毒性,本课题在以查尔酮为识别位点与肼发生加成环化形成二氢吡唑五元环机制的基础上设计合成了香豆素查尔酮衍生物,羟基香豆素查尔酮衍生物及芘查尔酮衍生物三类荧光材料。全方位探究了所合成化合物对肼的识别效果、识别机理,以及分子末端取代基对识别效果的影响和在肼传感领域的应用。(1)香豆素查尔酮类衍生物(2)羟基香豆素查尔酮类衍生物(3)芘类查尔酮衍生物在香豆素查尔酮体系中,设计的化合物2和3均可以实现对肼比色比率型识别。通过比较三种化合物对肼的识别效果,发现化合物末端苯环上的取代基(2,羟基;3:乙酰丙酸)可以有效促进对肼的识别。其中,化合物3与化合物2相比表现出了更低的检测限(0.1 ppb,0.003μM)、大荧光比率变化(I/I,滴定前后增强1265倍)、更快速的时间响应以及宽的p H工作范围(3.0-12.0)。随后探究了化合物3在细胞成像方面的应用,发现随着肼的增加,红色通道(λ=580±20 nm)的荧光明显降低,绿色通道(λ=470±20 nm)的荧光增强。另外在机理证明方面,我们少见的利用化合物3与肼的反应产物的核磁共振、质谱和晶体结构的表征直接证明了识别机理:在肼存在下,乙酰丙酸首先通过脱保护作用被去除,然后通过加成和随后的环化反应形成二氢吡唑环。在羟基香豆素查尔酮的体系中,以形成二氢吡唑加成环化机制为基础,构建了以羟基香豆素查尔酮结构为传感位点的四种新型肼荧光探针,其中探针4和7可实现对肼的比色和比率识别,具有良好的灵敏度、选择性和抗干扰性。相比较化合物3来说,这四种化合物都进行了一定共轭链的延长,因此,识别前后,探针4和7荧光蓝移分别达到了188 nm(探针7)和229 nm(探针4)。研究表明,加强碳碳双键正电性及酚羟基高活性都有利于识别的进行。在应用方面,这两种探针都能在10分钟内成功检测出肼蒸汽,可实现对肼蒸汽的便携式检测。此外,探针7可成功应用与细胞成像。基于芘所具有的优异发光性质,合成了化合物8,其也能作为肼的裸眼探针来使用,并且成功的实现了对肼的比率识别。检测限低至1.6 n M(0.053 ppb),具有良好的灵敏度、选择性和抗干扰性。与前两章的化合物相比,该探针具有快速的响应时间,在900 s左右即可反应完全,动力学常数为2.7×10s。此外,在应用方面,化合物8成功的实现了对水样中肼的检测。