1、三嗪衍生物的合成及应用毕 设业 计( 届)三嗪衍生物的合成及应用所在学院专业班级应用化学学生姓名学号三嗪衍生物的合成及应用 摘要本文通过利用三嗪衍生物2,4-二-(2-噻吩乙烯基)-6-(4-N,N-二甲氨基苯乙烯基)-1,3,5-均三嗪与金属离子Fe3+ 络合，形成主体-Fe3+ 络合物，通过在紫外光谱中实时测得响应曲线，然后由于不同阴离子的络合常数不同，加入各种阴离子如四丁基磷酸二氢铵，四丁基氯化铵，四丁基氟化铵，四丁基溴化铵，四丁基碘化铵，四丁基醋酸铵，四丁基硫酸铵和氰化四丁基胺八种不同的阴离子，通过观察紫外光谱图的变化，来进行针对以上阴离子的特异性检测。由于以上八种不同的阴离子有可能存
2、在和络合物存在竞争配位或者协同配位的情况，可以把Fe3+ 从络合物中置换出来，形成新的Fe3+ 络合物，从而在紫外光谱中表现出特异性、比例性变化。利用紫外光谱初步探讨在三嗪衍生物2,4-二-(2-噻吩乙烯基)-6-(4-N,N-二甲氨基苯乙烯基)-1,3,5-均三嗪和Fe3+ 在阴离子识别中的作用机理。 关键字：阴离子传感器；协同配位；竞争配位；Fe3+；紫外光谱Triazine derivatives Synthesis and ApplicationAbstract We synthesized a complex compound by complex the thiophene rin
3、g named 2,4 - II - (2 - thienyl ethenyl) -6 - (4-N, N-dimethylamino) styryl -1,3,5 - triazine Vinyl thiophene with Fe3+. By the means of UV spectra, we get the Response curve. While the difference of complexation constants in difference anion, when add in the several anions such as Tetrabutyl ammoni
4、um dihydrogen phosphate，Tetrabutylammonium chloride Tetrabutylammonium fluorideTetrabutylammonium bromide, Tetrabutylammonium iodide，Tetrabutylammonium acetate，Tetrabutyl ammonium sulfate,Tetrabutylamm-onium cyanide. We can have the specific detection of anions. But in case of the May exist and the
5、presence of competitive ligand or co-ligand complex,it can replace the thiophene ring and form a new complex compound, Accompanied by the change in UV spectrum .Preliminary studied mechanism of the Thiophene ring derivative 2,4 - II - (2 - thienyl ethenyl) -6 - (4-N, N-dimethylamino) styryl -1,3,5 -
6、 triazine Vinyl thiophene and Fe3+ in the area of anion recognition.Key words : Anion sensors; Collaborative coordination; Competitive ligand; Fe3+ ; UV spectrum 摘要. . 第一章 绪论1.1阴离子研究的意义阴离子在生物体系1中无处不在，在广泛的生化过程中扮演着重要的角色，DNA是聚阴离子。大多数酶基体和辅酶2-4也是阴离子。生物体内阴离子的跨膜转移和传递都是通过某种阴离子结合蛋白完成的。阴离子在广泛的生化过程中扮演着重要的角色，比如
7、：氟离子在生物上很重要，由于其在牙齿的保养和骨质疏松症的治愈方面所起的重要作用，许多关于氟离子的选择性荧光光电子转移受体分子被报道5。磷酸化的蛋白(阴离子)，由于响应细胞外信号而被触发，对许多不同过程的细胞控制象征着一个普遍存在的机制：包括代谢的路径、细胞生长和区别、膜运输、细胞凋亡6。在信号传导层，在蛋白表面的丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸残余物的磷酸化作用诱发一个特异的蛋白-蛋白相互作用，经常包括磷蛋白键合领域，比如SH2，WW和FHA领域7。蛋白磷酸化作用通过感应构型的变化也变构地调节一种酶的催化活性。大家知道，在活细胞内，信号传导通过时间细节和空间细节方式的磷酸化作用去控制；简单的无机阴离子氯
8、化物、盐酸和磷酸在各种各样的不同细胞类型内，行使一系列重要的功能。这些功能包括pH和细胞体积动态平衡、液体的分泌和离子传导。这些离子的活性被一系列的选择性膜传导器调节。例如：几种传导蛋白用“重碳酸盐超传导家族”识别，其中Na+ 和HCO3- 被一起传导，或HCO3- 离子与Cl-交换8。细胞内HCO3- 浓度范围为5-15 mM 。在哺乳动物细胞外液体中发现典型的HCO3- 浓度范围为25-30 mM 。因此寻求测量HCO3- 的探针是很有必要的，这个探针要求在内生的阴离子和蛋白存在下也能发挥作用，且不受pH的影响。 同时人们意识也到阴离子在环境方面的污染效应。环境和工业过程中，阴离子如氰化物
9、阴离子具有非常大的重要性，因此人们在构建并能够实现检测阴离子的化学传感器方面具有很大的兴趣。化工生产中产生的氰化物阴离子极高的毒性，它对人体的生理系统以及因被广泛使用在石化企业，采金，摄影和钢铁制造业而对对环境所造成的持续的危害，使得许多研究人员开发出了对氰化物阴离子具有选择性，高灵敏度，特别是饮用水和生理环境条件下的简便检测方法。其它环境污染如阴离子与河水超营养(过度的使用含磷肥料)9及癌发生(硝酸盐的代谢物)10相关联，核燃料再加工时高锡酸盐的产品(和它的副产品释放进海洋中)也是一个是实质性的环境问题。因此，相应的人工阴离子受体11-15，已经引起人们很大的兴趣，在近20年内，这个发展尤其
10、明显。人们投入巨大的努力去发展阴离子物种的非生物受体16，进而设计出了阴离子的各种各样的传感器。这样，给阴离子在生物体系和环境中的测定提供了很大的可能性和方便性。1.2阴离子传感器设计的原则 阴离子的识别不同于阳离子，能应用于阴离子识别的体系并不多，这主要受制于阴离子自身的结构特点：第一，阴离子的离子半径较等电子的阳离子大，电子云密度相对较低，因此与受体间的成键能力弱；第二，其不同的几何构型要求受体分子具有与之相匹配的空间构型；第三，具有强的溶剂化趋势，并对酸度敏感，只能存在于一定的pH范围。同一主体化合物在不同的溶剂之中对同一阴离子具有不同的选择性识别作用。 因此阴离子受体的设计是具有相当挑
11、战性的，有许多的理由：阴离子比等电子阳离子大，因此有一个较低的电荷对的半径比，这意味着他们相对较小的阳离子，静电键合作用是非常小的；另外阴离子对pH值是敏感的(在低pH值时变得去质子化将会失去他们的负电荷)，这样受体必须在目标阴离子的有效的pH范围内发挥功能；阴离子物种有很广泛的几何结构，因此需要较高程度的设计去使得受体满足它们的阴离子客体。发展阴离子化学传感器有一个普遍相近的规则(规律)是：至少两个基元连接，每一个基元都发挥着各自的功能，提供键合点和发生信号的亚基。前者具有和一定阴离子的配位功能，然而，后者在与阴离子配位后起着改变光谱特征(颜色或荧光)的功能。键合点和信号亚基能共价连接(键合
12、点-信号亚基法)17或者不是前者而是置换法18，这个一般的设计原则是依据阴离子配位事件，因此，阴离子的相互作用与颜色和荧光的变化在原则上是可逆的。事实上，配位是一种典型的、可逆的通过阴离子浓度的变化，测定配位的相关数量和自由的客体的化学反应。除了这些体系，使用颜色和荧光的变化的离子信号通过使用不可逆的反应也能观察到。这种情况下，化学传感器19这个术语不能使用，而应当使用试剂、反应物或者化学放射计量仪20。 在控制阴离子键合强度和选择性时，溶剂效应也扮演着关键的角色。静电相互作用在阴离子溶解性上一般占主导作用，尤其是轻基溶剂(如水、醇)能与阴离子形成强烈的氢键21。一个潜在的阴离子受体必须是在阴
13、离子识别事件发生的环境中,能与溶剂存在有效的竞争。例如，一个单独通过离子偶极作用键合阴离子的中性受体，仅仅能在对质子有惰性的有机溶剂中与阴离子配位，然而，一个带电荷的受体却有能力在质子溶剂介质中去很强地键合溶剂化(水合的)阴离子。生物离子受体体系被最优化地在环境的一个特定范围发挥作用，是没有定格的，这个环境中刘一生物离子选择性的来源，在离子脱水中自由能的丧失和阴离子与键合点作用中自由能的获得是不同的。1.3阴离子传感器由于光学传感器的简单、廉价和实时性的优点，使得人们对阴离子的光学传感器表现出了相当大的兴趣，通过紫外光谱特征设计紫外化学传感器，通过金属离子和阴离子配位能力的强弱在在紫外光谱中表
14、现出比例性变化，来实现对阴离子的特异性识别。本文侧重研究磷酸盐离子。由于磷酸盐离子在一些重要的生命进程中起着关键的作用22，例如能量存储、信号转换和基因构筑，因此对磷酸盐离子的识别尤为重要。针对磷酸根离子的的特性，我们进行了一系列的研究。 阴离子传感器应用到了超分子化学中23-25的概念。超分子化学中的两个基本概念是主体(受体)和客体(底物)，我们通常认为一个分子(主体)键合了一个分子(客体)就生成了一个“主-客体”化合物或超分子通常，主体是一个大的分子或聚集体，如酶或合成的(空间上具有一个大体积中心或空穴)环状化合物；客体是一个阳离子，简单的无机阴离子，也可以是更复杂的分子(如激素、信息素或
15、神经传递单元等)。更规范的说，主体就是具有汇聚的键合位点(如LewiS 碱性的给体原子或氢键给体等)的分子实体；客体则是具有发散的键合位点。 就相关的超分子概念而一言，识别点结合一定的基团，即这个基团能“报告”阴离子识别过程，在这种情况下，键合过程转换为一个信号事件。通常表现为光信号或电化学信号的改变，从而将微观识别过程表达为宏观可测定的信号。传感器是指一种能将特定的测定信息按照一定的规律转变为某种可输出信号的特定单元。传感器一般包括2个部分：键合位单元和信号单元。前者与特定的底物结合配位，后者则在整个识别结合过程中产生光化学信号的改变。这两个部分可通过共价键或者非共价键连接，由此阴离子化学传
16、感器的设计一般遵循2种途径:键合位一信号单元途径和竞争取代途径。许多化学传感器在有一定客体出现的时候会在颜色和荧光上发生变化。在感觉的过程中，分子水平的信息，比如溶液中有没有一定的客体，对肉眼可见的水平都是增强的(放大的)，因此，感觉的过程可能打开定性定量检测一定客体的门。这些观点在某种程度上与超分子概念以至于分子装置(即传感器装置)，由于部件的基本功能的总数、键合点(配位点)、报告基元(配位事件的转换)而导致这个装置展开最后的操作(离子发信号)。1.4国内外阴离子研究的现状上述磷酸根阴离子家族在生命活动中至关重要的作用及其在工业生产中的重要意义，已经引起了越来越多研究小组的广泛关注和高度重视
17、，其相关识别和检测也被作为各研究小组工作重心进行报道，涉及到的方法包括：酶相关技术、化学发光法、毛细管电泳技术、髙效液相色谱法、电化学传感以及荧光光谱法等。 其中，基于有机小分子探针的荧光光谱法对磷酸盐阴离子的识别26-28具有高选择性、高灵敏度、方便快捷等特点，发展尤为迅速。此外，利用磷酸阴离子与目标靶物的特异性结合也能够实现对相应分子选择性识别和测定的目的。而荧光光学传感器是目前比较热门和成熟的方法。基于酰胺、脲、硫脲及吡咯的阴离子识别主体，含有传统的氢键给体(N-HX)的这类阴离子识别主体29已经取得了广泛的发展。另外，具有正电荷的基团可以通过正、负电荷间的吸引力产生对阴离子的识别30。
18、 这类具有正电荷的基团有质子化的大环多胺类、胍类、1,3-二取代咪唑类及N 取代吡啶类化合物，它们不仅可以利用静电作用，还可以利用氢键等作用力与阴离子发生相互作用。通过引入强亲水性基团的方法使得本不溶于水的脲、硫脲、胍类受体溶于水，从而可以使阴离子识别的研究在水相中进行。这无疑是给阴离子识别研究注入了新的活力，使其更具有实用价值。比如我们常用的取代法：这种方法正如上面的方法，也包括离子键合点和信号亚基。然而，在这种情况下，两种亚基没有共价连接而是形成配合物(分子整体)。当一个目标离子加入含有键合点-信号亚基全体的溶液时，键合点与阴离子配位。而信号亚基又回到溶液中，重新回到非配位的分光镜行为。如
19、果信号亚基在分子全体不同于其在非配位状态时，阴离子键合过程伴随有信号事件。那么可以推断，键合点和信号亚基形成化合物的稳定常数必定要低于键合点和目标阴离子的稳定常数，只有这样取代反应才能发生。因此信号事件表明了目标阴离子的出现。另外，选择性能被通过选择一个具有稳定常数大于信号基和潜在的干扰离子的指示剂-键合点获得。 Ansyln和他的工作者最近报道了一个新型的阴离子受体A1，它与阴离子有很强的键合能力，总之归纳来说，含有脲基、硫脲基和吡咯等具有多个NH基团的受体可以通过氢键去识别阴离子。如下图所示：化合物A1 的结构式 Zhipeng Liu， Xiaoqing Wang 等人制备一种名为(B1
20、)的二氰乙烯基取代的苯并呋喃衍生物来作为一种有效的比率化学传感器(B2)来检测乙腈水溶液中的氰离子。如下图所示： B1 B2通过反应机理的研究证实了氰化物的二氰乙烯基组的-位的亲核加成反应阻断了(B1)的ICT的过程并引起了显著的发射和吸收偏移。 苏冬冬、牛浩涛等人通过使用与阴离子结合较强的咪唑鎓盐和比较常见的酰胺为识别位点，以具有良好荧光效应的蒽单元作为信号传感单元，设计合成了一种结构新颖的阴离子传感器。阴离子传感器的合成如下图所示： 经过几十年无数研究人员的努力，我们在阴离子识别以及阴离子传感器设计的道路上越走越远，也取得丰硕的研究成果，对人体健康，环境保护，工业生产起到了无比重要的积极作
21、用。尽管如此，我们仍需继续努力，为取得更大的突破做好知识准备和技术基础。 第二章 实验部分2.1引言 鉴于阴离子在生物、临床诊断、环境监测方面的重要角色，对容易合成的阴离子受体和设计阴离子传感器的需要是很迫切的。而生物化学、超分子化学、催化化学以及有机合成技术的发展，就是要满足这种日益迫切的需要，本论文正是在这种背景下立题并开展研究的。通过探究金属离子Fe3+ 与三嗪衍生物2,4-二-(2-噻吩乙烯基)-6-(4-N,N-二甲氨基苯乙烯基)-1,3,5-均三嗪，与Fe3+ 形成络合物，制得阴离子传感器。然后通过紫外光谱研究阴离子的识别。2.2实验部分2.2.1主要实验仪器表2.1 实验所用主要
22、仪器仪器名称 生产厂家UV-2550紫外可见分光光度计 Shimadzu公司 日本X-4数显显微镜熔点测定仪 上海精密科技有限公司 中国Vario EL III型元素分析仪 Elementar公司 德国ZF-2三用紫外仪 安亭电子仪器厂 中国Waters ZQ4000/2695 液质联用仪 Waters公司 美国AL104电子天平 梅特勒-托利多仪器有限公司 中国RE-52AA旋转蒸发器 亚荣生化仪器厂 中国DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器 予华仪器有限公司 中国DHG-9140A电热鼓风干燥箱 一恒科技有限公司 中国2.2.2 主要实验药品表2.2 实验所用主要试剂试剂名称 规格及纯度
23、 生产厂家乙 腈 分析纯 天津市大茂化学试剂厂 乙 醇 分析纯 天津市大茂化学试剂厂 四丁基氯化铵 分析纯 北京偶合科技有限公司四丁基氟化铵三水合物 分析纯 北京偶合科技有限公司四丁基碘化铵 分析纯 北京偶合科技有限公司四丁基磷酸氢铵 分析纯 北京偶合科技有限公司四丁基醋酸铵 分析纯 北京偶合科技有限公司四丁基溴化铵 分析纯 北京偶合科技有限公司氰化四丁基胺 分析纯 上海伯特化学有限公司四丁基硫酸氢铵 分析纯 上海伯特化学有限公司碳酸钾 分析纯 天津市大茂化学试剂厂 浓硫酸 分析纯 西陇化工股份有限公司 浓盐酸 分析纯 西陇化工股份有限公司 氢氧化钾 分析纯 西陇化工股份有限公司 4-(N,N
24、-二甲苯胺基)苯甲醛 分析纯 上海试剂三厂 高氯酸盐 分析纯 A Johnson Matthey Company 乙腈（光谱测试） 色谱纯 Dikma Technologies Inc. 注：其它试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。2.2.3 主体C1的合成与鉴定主体C1合成路线见图示2.1，具体方法如下：分别称取2,4-二甲基-6-(4-N,N-二甲氨基苯乙烯基)-1,3,5-均三嗪0.25 g (1 mmol)、 氢氧化钾8.96 g (0.16 mol)，量取60 mL甲醇后，将三者一起加入到250 mL 的三口烧瓶中，将噻吩-2-甲醛0.22 g (2 mmol) 溶解在20 mL甲
25、醇后，用滴液漏斗将其缓慢滴加到三口烧瓶中，回流搅拌3h，过滤，洗涤干燥得到淡黄色固体0.20 g，产率为75%。主体C1的鉴定结果如下：化合物C1：1H NMR (, ppm in CDCl3-d6, 600 MHz) : 8.35 (d, J=15.6 Hz, 2H), 8.21 (d, J=15.6 Hz, 1H), 7.59 (d, J=9.0 Hz, 2H), 7.39 (d, J=5.40 Hz, 2H), 7.35 (d, J=3.6 Hz, 2H), 7.09-7.08 (m, 2H), 6.95-6.91 (m, 3H), 6.72 (d, J=8.40 Hz, 2H), 3.
26、04 (s, 6H); 13C NMR (, ppm in CDCl3-d6, 600 MHz): 171.8, 170.7, 151.6, 142.4, 141.2, 133.8, 130.0, 129.9, 128.1, 127.9, 125.7, 123.5, 120.8, 112.0, 40.2; ESI-MS m/z: calcd for 442.60, found M-H442.78. Anal. calcd for C25H22N4S2: C 67.84, H 5.01, N 12.66, S 14.49; found C 67.75, H 5.29, N 12.83, S 14
27、.33; m.p. 202-204 .图示2.1主体C1的合成示意图2.3实验方法2.3.1主体分子三嗪衍生物C1溶液的配置 在电子天平上准确称取0.0022 g的药剂，置于20 mL的烧杯中，配置成110-3 mol L-1 的溶液，取0.1 mL的溶液，用电吹风吹干，冷却到室温后加入10 mL的乙腈，稀释成110-5 mol L-1 ，将所得的三嗪衍生物（乙腈介质）置于冰箱中静置等待使用。2.3.2四丁基磷酸氢铵以及其它阴离子溶液的配置 在电子天平上准确称取0.0339 g的四丁基磷酸氢铵粉末（注意：该物质易吸水，称取速度要快，下面的七种药品同理），溶于乙腈介质中，配置在在10 mL的容量
28、瓶中，得到浓度为110-2 mol L-1 的阴离子溶液。震荡均匀后放置在冰箱中等在使用。其它七种阴离子溶液的配制方法同上。2.3.3 阴离子响应的测试 测得C1化合物的紫外光谱后再加入Fe3+ 测其紫外光谱，其次加入待测的阴离子(四丁基盐，乙腈介质)，测其紫外光谱。探讨各种阴离子的选择性，确定研究体系。将化合物C1溶于乙腈介质中，配置成110-3 mol L-1 主体溶液。然后将其稀释至110-5 mol L-1 ，然后加入金属离子Fe3+ ，分别加入八种四丁基盐，打开紫外分光光度计，设定波长为800-200 nm 。加入3 mL 的主体C1溶液(乙腈介质)，测得其紫外光谱。吸收光谱在UV-
29、2501PC紫外可见分光光度计(Shimadzu 公司)上测绘，1 cm比色池；核磁谱在Bruker Avance 600 MHz核磁共振仪上测得，DMSO-d6为溶剂，以TMS为内标；质谱在Waters ZQ4000/2695液-质联用仪上测得；元素分析测定采用Vario EL III型元素分析仪。每次加入3L的Fe3+ ，目的是尽量使它们络合完全，一直加到饱和为止（在紫外光谱上表现为不再响应），得到紫外光谱。然后批次加入微量的四丁基盐的乙腈溶液，观察紫外光谱的变化情况。通过控制好加入量，绘制好紫外光谱图。注意每次加入四丁基盐后，要将比色皿中的混合液搅拌均匀，目的是尽量让它们反应完全，更好的
30、体现实验的准确性。而且由于乙腈具有挥发性，同时为剧毒物质，故要做好防护措施，防止中毒。2.4实验数据分析 a b c d e f g h 图a-图h分别为四丁基磷酸二氢铵、四丁基醋酸铵、四丁基氟化铵、四丁基氯化铵、氰化四丁基胺、四丁基硫酸氢铵、四丁基溴化铵、四丁基碘化铵对测三嗪衍生物-Fe3+的紫外响应曲线。 如图a所示：主体分子三嗪衍生物C1在波长350 nm 和420 nm 处有两个特征吸收峰，为图中的粉红色曲线，加入Fe3+ 后，这两个吸收峰出现明显下降，同时在波长为430 nm 处形成一个新的强烈的吸收峰，为图中的黑色曲线。在此基础上，继续加入四丁基磷酸氢铵（乙腈介质），我们发现主体分
31、子三嗪衍生物的吸收峰出现加强，而530 nm处的吸收峰逐渐减弱，一直到最后回到粉红色曲线，并且重合。据此我们发现一个结论：C1和Fe3+ 离子存在发生配位作用，但是加入四丁基磷酸氢铵后，四丁基磷酸氢铵与Fe3+ 的相互作用能力更强，使得C1和Fe3+ 分离，并形成一个新的络合物。 通过图a到图h八种不同阴离子与络合物的实验，我们发现，八种阴离子并不是每种都有相应，但是其中有些响应的比较灵敏，而且比较强烈，而其他剩下的几种响应比较微弱或者几乎不响应。比较灵敏的阴离子基团为四丁基磷酸氢铵、四丁基醋酸铵、四丁基氟化铵三水合物、氰化四丁基胺；剩下的阴离子基团四丁基氯化铵、四丁基硫酸氢铵、四丁基溴化铵、四丁基碘化铵在加入大量的阴离子溶液的情况下，在稀释了浓度的情况下才出现响应。通过比较四种比较灵敏的阴离子基团随浓度的提高紫外吸收强度的变化我们得到下组数据： 阴离子基团随浓度的变化对紫外吸收强的的影响 总的来说我们发现在主体三嗪衍生物在加入Fe3+ 后在波长530nm出现一个新的强烈的吸收峰，与此同时代表三嗪衍生物主体分子的两个吸收峰出现明显的下降，（同时我们可以目视到比色皿中液体的颜色由无色透明变为血红色）这表示
