吡啶基三氮唑甲基取代的吖啶衍生物及其制备方法和应用

摘要

本发明吡啶基三氮唑甲基取代的吖啶衍生物及其制备方法和应用，属有机合成和分析化学领域，化学结构式通式如下：本发明以吖啶为母体，用吡啶基三氮唑基在吖啶环4,5位取代，制备得到两种吡啶基三氮唑基取代的吖啶开链衍生物和环状衍生物，衍生物作为荧光或比色试剂，能高灵敏、高选择性地检测微量碘离子。

权利要求

1.吡啶基三氮唑甲基取代的吖啶衍生物，其特征是以吖啶为母体，用吡啶基三氮唑基在吖啶环4,5位取代，制备得到两种吡啶基三氮唑基取代的吖啶开链衍生物和环状衍生物，衍生物作为荧光或比色试剂，能高灵敏、高选择性地检测特定阴离子，衍生物的化学结构式分别为：。

2.按照权利要求1所述的吡啶基三氮唑基取代的吖啶衍生物的制备方法，其特征是以无取代吖啶为原料分步反应，第一步是吖啶与氯甲基甲醚反应得到中间体 4,5-二（氯甲基）吖啶；第二步是由中间体 4,5-二（氯甲基）吖啶与叠氮化钠反应得到4,5-二叠氮甲基吖啶；第三步是在催化剂作用下，由4,5-二叠氮甲基吖啶与吡啶-2-乙炔反应，一步合成得到开链和环状结构的两种吡啶基三氮唑基取代的吖啶衍生物a和衍生物b，合成路线如下：

。

3.根据权利要求2所述的吡啶基三氮唑基取代的吖啶衍生物的制备方法，其特征是以无取代吖啶，氯甲基甲醚，叠氮化钠，吡啶-2-乙炔为原料，碘化亚铜为催化剂，分别以浓硫酸，N,N-二甲基甲酰胺，四氢呋喃和水为溶剂，在经三步反应合成制得：（1）中间体 4,5-二（氯甲基）吖啶的合成三口烧瓶中，加入吖啶和浓硫酸，加热，待完全溶解后，滴加氯甲基甲醚，N2 保护下反应，反应完全后冷却，抽滤，将沉淀溶于氯仿中，水洗，干燥，过滤，蒸除溶剂，经柱层析纯化后制得中间体4,5-二(氯甲基)吖啶：反应温度：50℃

反应时间：36h

反应溶剂：浓硫酸

洗脱剂：正己烷:三氯甲烷V:V=2:1

摩尔比：吖啶:氯甲基甲醚=5.58 : 23.32（2）中间体4,5-二（叠氮甲基）吖啶的合成三口烧瓶中，加入（1）步制得的中间体4,5-二(氯甲基)吖啶，叠氮钠，N,N-二甲基甲酰胺，加热反应，反应完全后降温，静置，抽滤，真空干燥，制得中间体4,5-二（叠氮甲基）吖啶：反应温度：70℃

反应时间：12h

反应溶剂：N,N-二甲基甲酰胺

摩尔比：4,5-二(氯甲基)吖啶:叠氮钠=0.725 : 3.1（3）吖啶衍生物a和b的合成:

三口烧瓶中，加入（2）步制得的4,5-二(叠氮甲基)吖啶的四氢呋喃/水的混合溶液，再加入碘化亚铜，最后加入吡啶-2-乙炔，氮气保护下，回流，浓缩除去四氢呋喃，用三氯甲烷萃取，再用饱和食盐水洗涤，干燥，旋干，经柱层析纯化，一步反应，制备得到两种吡啶基三氮唑基取代的吖啶衍生物：反应温度：回流

反应时间：12h

催化剂： 碘化亚铜

反应溶剂：四氢呋喃:水V:V=4:1

洗脱剂： 乙酸乙酯

摩尔比：4,5-二(叠氮甲基)吖啶:吡啶-2-乙炔:碘化亚铜=0.35:1.4:0.10~0.12衍生物a和衍生物b用硅胶色谱柱层析分离。

4.按照权利要求1所述的吡啶基三氮唑基取代的吖啶衍生物的应用，其特征是吖啶衍生物a和b作为荧光法中用于检测碘离子的荧光探针和作为紫外分光光度法中用于检测碘离子的比色试剂。

5.根据权利要求4所述的吡啶基三氮唑基取代的吖啶衍生物的应用，其特征是所述吖-8 -1啶衍生物都可作为检测碘离子的荧光探针，衍生物a检测限最低至10 mol·L 。

说明书

吡啶基三氮唑甲基取代的吖啶衍生物及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明吡啶基三氮唑基取代的吖啶衍生物及其制备方法和应用属有机合成和分析化学领域。

[0002] 背景技术：荧光探针技术作为高灵敏、高选择、快速、方便检测离子和分子的重要手段，在生命科学、环境科学领域有广泛的应用。建立在分子识别基础上的荧光探针技术，通过对特定目标分子、离子的选择性结合，实现识别信息通过相应的荧光信号传导转换为易于检测的光谱信号，从而实现在分子水平上的原位、实时检测。由于荧光分析的高灵敏和高选择性，实时原位检测，设备简单，并能提供丰富的光谱信息，在各种离子检测、DNA及蛋白质分子标记、细胞成像、免疫分析等方面发挥着重要作用。

[0003] 吖啶环具有刚性平面共轭结构，荧光性能十分优越，也可以作为与DNA结合的嵌入分子部分，而且吖啶类化合物的荧光反应体系简单，不需外加催化剂，只要加入适当的酸碱体系中，就可以发荧光，且发光效率高，背景小；可在中性或碱性条件下测定DNA，已成为有发展前景的荧光分析试剂。吖啶类化合物由于具有抗菌、抗疟、抗癌活性，无论是在合成方法还是在应用研究方面都引起了人们的重视。文献报道的4,5-二[（N,N-二羟乙基）胺2+ 2+ -
甲基）吖啶荧光探针，发现Cd 能使探针具有荧光增强效应，当有Cu 或I 共存时，又使其
2+
荧光猝灭，再加入Hg 后其荧光又增强，由此建立了这种吖啶衍生物的“开-关”分子开关模型。文献报道的N,N’-(4,5-吖啶二甲基)氮杂冠醚和N,N’-(4,5-吖啶二甲基)氮杂
2+ 2+
硫醚两种吖啶类荧光探针，分别对Hg 和Gd 具有较好的选择性识别作用，并应用于细胞的荧光显色。文献报道的4,5-二（N,N-二（吡啶-2-甲基）胺甲基）吖啶与锌离子的配合物对焦磷酸根离子有荧光猝灭效应，而磷酸根离子对此配合物的荧光具有增强效应。文献报道的较多吖啶类化合物主要集中在对DNA、RNA和生物大分子的识别检测。在离子的识别检测方面也主要集中在对金属离子，而对阴离子的识别检测相对较少。因此设计合成灵敏度高、选择性优越并对阴离子具有检测识别功能的吖啶类荧光探针具有研究意义和应用价值。文献报道了10,10′-二乙基-2,2′-二磺酸基双吖啶荧光探针，发现DNA对这种双吖啶衍生物的荧光具有较强的猝灭效应，并建立了以此为荧光探针测定DNA的荧光分析方法。

[0004] 阴离子在医药、燃料、感光材料及化学试剂等领域具有广泛的应用，发现有别于传统的有机荧光试剂，使其测试成本低廉、样品处理简单、测定方法快捷、性能优越的荧光探针具有开发价值。荧光光谱法由于操作简单，无需昂贵仪器设备，更具应用价值。但是由于有些显色剂过程需要经过萃取、分离等复杂的预处理才能用于检测，关键的是检测的灵敏度和选择性不能满足越来越高的需求。碘是人体的必需微量元素之一，有“智力元素”之称，在生物体内，碘离子在许多生理过程中起着重要的作用，如神经活动、甲状腺功能调节等。此外碘还广泛用于医药、燃料、感光材料及化学试剂等，因此，碘离子的存在水平检测对生命科学和环境保护有重要意义。目前，检测碘离子的荧光探针已有报道，但吖啶类碘离子探针却鲜有报道。开发结构简单、合成方法简便、价格低廉、灵敏度和选择性优越的碘离子荧光探针试剂在相关领域具有应用价值。

[0005] 发明内容：本发明的目的在于合成灵敏度和选择性优越的吖啶衍生物荧光和比色试剂。以无取代吖啶为起始原料，经分步反应，一次合成得到开链和环状两种吡啶基三氮唑基的吖啶衍生物。在特定的介质条件下，利用荧光光谱和紫外吸收光谱，衍生物作为荧光探针试剂能高灵敏、高选择性地检测微量碘离子。

[0006] 制备的吡啶基三氮唑基取代的吖啶衍生物的化学结构式分别为：

[0007] 式中a表示由两个吡啶基三氮唑基取代吖啶环4,5位得到的开链衍生物，b表示取代吖啶环4,5位得到的环状衍生物。衍生物a的化学名称为4,5-二[(4-吡啶-2-基)-1,2,3-三氮唑-1-甲基]吖啶，衍生物b的化学名称为4,5-[(4,4’-吡啶-2-基)-联-1,2,3-三氮唑-1,1’-二甲基]吖啶。

[0008] 本发明以无取代吖啶，氯甲基甲醚，叠氮化钠，吡啶-2-乙炔为原料，以碘化亚铜为催化剂，分别以浓硫酸，N,N-二甲基甲酰亚胺，四氢呋喃/水为溶剂，分三步反应，合成制得两个吖啶衍生物，合成路线如下：

[0009]

[0010] 先以无取代吖啶为起始原料在浓硫酸中与氯甲基甲醚反应得到中间体4,5-二（氯甲基）吖啶，该中间体在N,N-二甲基甲酰胺中与叠氮化钠作用得到中间体4,5-二（叠氮甲基）吖啶。

[0011]

[0012] 中间体4,5-二（叠氮甲基）吖啶在碘化亚铜催化下与吡啶-2-乙炔反应，一步制备得到开链和环状结构的两种吡啶基三氮唑基取代的吖啶衍生物。

[0013] 具体合成方法：

[0014] （1）中间体 4,5-二（氯甲基）吖啶的合成

[0015] 三口烧瓶中，加入吖啶和浓硫酸，加热，待完全溶解后，滴加氯甲基甲醚，N2 保护下反应，反应完全后冷却，抽滤，将沉淀溶于氯仿中，水洗，干燥，过滤，蒸除溶剂，经柱层析纯化后制得中间体4,5-二(氯甲基)吖啶：

[0016] 反应温度：50℃

[0017] 反应时间：36h

[0018] 反应溶剂：浓硫酸

[0019] 洗脱剂：正己烷:三氯甲烷（V:V=2:1）

[0020] 摩尔比：吖啶:氯甲基甲醚=5.58 : 23.32

[0021] （2）中间体4,5-二（叠氮甲基）吖啶的合成

[0022] 三口烧瓶中，加入（1）步制得的中间体4,5-二(氯甲基)吖啶，叠氮钠，N,N-二甲基甲酰亚胺，加热反应，反应完全后降温，静置，抽滤，真空干燥，制得中间体4,5-二（叠氮甲基）吖啶：

[0023] 反应温度：70℃

[0024] 反应时间：12h

[0025] 反应溶剂：N,N-二甲基甲酰亚胺

[0026] 摩尔比：4,5-二(氯甲基)吖啶:叠氮钠=0.725 : 3.1

[0027] （3）4,5-二[(4-吡啶-2-基)-1,2,3-三氮唑-1-甲基]吖啶衍生物a和4,5-[(4,4’-吡啶-2-基)-联-1,2,3-三氮唑-1,1’-二甲基]吖啶衍生物b的合成:

[0028] 三口烧瓶中，加入（2）步制得的4,5-二(叠氮甲基)吖啶的四氢呋喃/水的混合溶液，再加入碘化亚铜，最后加入吡啶-2-乙炔，氮气保护下，回流，浓缩除去四氢呋喃，用三氯甲烷萃取，再用饱和食盐水洗涤，干燥，旋干，经柱层析纯化，一步反应，制备得到两种吡啶基三氮唑基取代的吖啶衍生物：

[0029] 反应温度：回流

[0030] 反应时间：12h

[0031] 催化剂： 碘化亚铜

[0032] 反应溶剂：四氢呋喃:水（V:V=4:1）

[0033] 洗脱剂：乙酸乙酯

[0034] 摩尔比：4,5-二(叠氮甲基)吖啶:吡啶-2-乙炔:CuI=0.35: 1.4:0.10～0.12[0035] 衍生物a和衍生物b用硅胶色谱柱层析分离。

[0036] 本发明合成的两种吡啶基三氮唑基取代的吖啶衍生物的结构都经过单晶X-射线衍射、核磁共振波谱、质谱和红外光谱进行了结构表征。晶体结构测定参数列于表1，核磁共振氢谱数据列于表2，核磁共振碳谱数据列于表3，质谱数据列于表4，红外特征峰光谱数据列于表5。

[0037] 表1 吡啶基三氮唑基取代的吖啶衍生物的晶体结构测定参数

[0038] 本发明方法合成的上述两种吡啶基三氮唑基取代的吖啶衍生物，用荧光光谱或紫外吸收光谱作为检测碘离子的荧光或比色试剂。荧光检测操作方法简便，灵敏度高、选择性-8 -1能优越，浓度线性范围较宽，检测限分别低至10 mol·L ，可作为检测微量碘离子的荧光探针。

[0039] 附图说明：-5 -1

[0040] 图1浓度为1.00×10 mol·L 衍生物a的乙腈溶液，分别不加阴离子或加入-4 -1 - - - - - - - - - -2.00×10 mol·L 阴离子F、Cl、Br、I、HSO4、AcO、NO3、ClO4、PF6 后的荧光光谱。F、- -
AcO 的加入有微小信号减弱，而I 的加入使荧光显著降低。激发波长为254 nm，发射波长为438 nm。
-5 -1

[0041] 图2浓度为1.00×10 mol·L 衍生物a的乙腈溶液，分别不加阴离子或加入-4 -1 - - - - - - - - -2.00×10 mol·L 阴离子F、Cl、Br、I、HSO4、AcO、NO3、ClO4、PF6 后的紫外吸收光谱。
-
I 的加入使吸光度显著增强，并发生蓝移，位移7nm。
-5 -1

[0042] 图3浓度为1.00×10 mol·L 衍生物b的乙腈溶液，分别不加阴离子或加入-4 -1 - - - - - - - - - -2.00×10 mol·L 阴离子F、Cl、Br、I、HSO4、AcO、NO3、ClO4、PF6 后的荧光光谱。I 的加入使荧光显著降低。激发波长为248nm，发射波长为426 nm。

[0043] 图4浓度为1.00×10-5 mol·L-1衍生物b的乙腈溶液，分别不加阴离子或加入-4 -1 - - - - - - - - -2.00×10 mol·L 阴离子F、Cl、Br、I、HSO4、AcO、NO3、ClO4、PF6 后的紫外吸收光谱。
-
I 的加入使吸光度显著增强，并发生蓝移，位移5nm。

[0044] 图 5共存阴离子对衍生物a荧光法检测I-的影响

[0045] 在浓度为1.00×10-5 mol·L-1荧光或比色衍生物a的乙腈溶液中，加入2.00×10-4 -1 - - -mol·L 的I 溶液后荧光显著降低。再分别向a-I 溶液中加入同等量的其他阴离子：F、- - - - - - -
Cl、Br、HSO4、AcO、NO3、ClO4、PF6 后的荧光强度变化。黑色条表示在衍生物a中加入不-
同金属离子的发射强度。红色条表示在a-I 溶液中再加入其他共存阴离子后的荧光强度-
变化。表明衍生物a检测I 的荧光不受其他常见共存阴离子的影响。

[0046] 图 6共存阴离子对衍生物b荧光法检测I-的影响

[0047] 在浓度为1.00×10-5 mol·L-1荧光或比色衍生物b的乙腈溶液中，加入2.00×10-4 -1 - - -mol·L 的I 溶液后荧光显著降低。再分别向b-I 溶液中加入同等量的其他阴离子：F、- - - - - - -
Cl、Br、HSO4、AcO、NO3、ClO4、PF6 后的荧光强度变化。黑色条表示在衍生物b中加入不-
同金属离子的发射强度。红色条表示在b-I 溶液再加入其他共存阴离子后的荧光强度变-
化。表明衍生物b检测I 的荧光不受其他常见共存阴离子的影响。

具体实施方式

[0048] 实施例一：两种吡啶基三氮唑甲基取代吖啶衍生物的制备

[0049] (1)中间体 4,5-二（氯甲基）吖啶的合成

[0050] 在100mL三口烧瓶中，加入5.58mmol (1g)吖啶和25mL浓硫酸，加热至50℃，待完全溶解后，滴加入22.32mmol（1.8g）氯甲基甲醚，N2 保护下反应36h，冷却，倾入200mL冰水中，抽滤，将沉淀溶于氯仿中，30mL水洗3次，无水硫酸镁干燥，过滤，蒸除溶剂，硅胶色谱柱层析，展开剂是三氯甲烷:正己烷（V:V=1:2），得黄绿色的4,5-二（氯甲基）吖啶0.42g，产1
率27%。m.p. 175~177℃; H NMR (CDCl3, 400MHz) δ: 8.788(s,1H), 8.009~7.948 (m,
4H), 7.559(t, J=8.4Hz, 2H), 5.522 (s, 4H).

[0051] (2)中间体4,5-二（叠氮甲基）吖啶的合成

[0052] 在100mL三口烧瓶中，加入4,5-二(氯甲基)吖啶（0.2g,0.725mmol），叠氮钠（0.2g），40mLDMF，于70℃下反应12h，降温，将其倾入200mL冰水中，静置过夜，抽滤，真空干1
燥。得黄色的4,5-二（叠氮甲基）吖啶0.19g，产率90%。 H NMR(CDCl3, 400MHz) δ: 8.811 (s, 1H), 8.010 (d, J=8.4Hz, 2H), 7.823 (d, J=10.8, 2H), 7.563 (t, J=7.6Hz,
2H), 5.238 (s, 4H).

[0053] (3)衍生物4,5-二[(4-吡啶-2-基)-1,2,3-三氮唑-1-甲基]吖啶和4,5-[(4,4’-吡啶-2-基)-联-1,2,3-三氮唑-1,1’-二甲基]吖啶的合成

[0054] 在100mL三口烧瓶中，加入100mg(0.35mmol)4,5-二(叠氮甲基)吖啶的四氢呋喃:水（V:V=4:1）30mL的混合溶液，再加入20mgCuI，最后加入144mg (1.4mmol)吡啶-2-乙炔，氮气保护下，回流12h，浓缩除去四氢呋喃，用三氯甲烷萃取，饱和食盐水洗涤，无水硫酸镁干燥，旋干，硅胶色谱柱层析，展开剂为乙酸乙酯，收集第一带，三氯甲烷重结晶得9mg黄色片状的衍生物b，产率5%；收集第三带得92mg黄色的衍生物a，产率54%。

[0055] 衍生物a的结构表征：m.p. 214~217℃; 1H NMR(CDCl3, TMS, 500MHz) δ:8.840 (s, 1H), 8.454 (d, J=4Hz, 2H), 8.224 (s, 2H), 8.144 (d, J=7.5Hz, 2H),
8.044 (dd, J=1Hz, 2H), 7.754 (d, J=4.5Hz, 2H), 7.712 (d, J= 1.5Hz, 2H), +
7.558~7.527 (m, 2H), 7.146 (m, 2H), 6.407 (s, 4H); ESI-MS(m/z+): 496.2(M+H)。

[0056] 衍生物b的结构表征：m.p. >300℃; 1H NMR(CDCl3, TMS, 500 MHz) δ: 8.66 (s, 1H), 8.478 (dd, J=1Hz, 2H), 8.267 (d, J=8Hz, 2H), 7.923 (d, J= 8Hz, 4H),7.706 (d, J=2Hz, 2H), 7.499 (t, J=7.5Hz, 2H), 7.165~7.138 (m, 2H), 5.807 (d, +
J=15Hz, 2H),5.573(d, J=15Hz, 2H); ESI-MS(m/z+): 494.2(M+H)。

[0057] 实施例二：

[0058] （1）衍生物a溶液的配制方法：称取1.2 mg的衍生物a，用乙腈溶解，配制成100mL-3 -1溶液，浓度为0.100×10 mol·L ；

[0059] （2）I-标准溶液：称取优级纯18.5 mg四叔丁基碘化铵，用乙腈溶解，配制成100mL- -3 -1溶液，I 浓度为2.00×10 mol·L ，根据需要用乙腈逐级稀释到适宜的浓度；

[0060] （3）其它共存离子溶液的配制：取优级纯的各种阴离子的四叔丁基烷基铵盐，用乙-3 -1腈溶解，并配制成浓度为2.00×10 mol·L 的乙腈溶液。

[0061] 在10.0 mL 容量瓶中加入衍生物a乙腈储备液(1.00×10-4 mol·L-1，1mL)，阴离- -3 -1子I (2.00×10 mol·L ，1 mL)。用乙腈溶液稀释至刻度，摇匀，在室温放置2 h，移入1cm的石英比色皿进行荧光光谱和紫外吸收光谱测定。衍生物a的荧光光谱测定的激发和发射波长为254/438 nm。

[0062] 所用试剂为分析纯试剂，试验用水为二次蒸馏水。

[0063] 所用荧光分光光度计型号为 Cary Eclipse荧光分光光度计，美国VARIAN公司制造。紫外-可见分光光度计型号为UV–vis TU-1901，北京普析通用仪器公司制造。

[0064] 在乙腈溶液中，衍生物a本身具有较强的荧光发射，激发波长为254nm，发射波长为438 nm，在365nm紫外灯下观察到发射蓝色荧光。加入碘离子后，观察到其荧光发射强- -度显著降低，除F、AcO 的加入有微弱信号减弱外，其他实验阴离子对衍生物均无明显的响应信号（如图1）。同时加入碘离子后，在254 nm波长处的紫外吸收发生显著增强，并蓝移-
7nm(如图2），表明该衍生物a对I 具有识别检测性能。

[0065] 衍生物a检测I-的荧光（图5）不受共存阴离子的影响。其他常见共存阴离子在浓度与测试离子相当时，对检测的荧光强度和吸光度影响的相对偏差都在 5%以内，均不干扰测定。

[0066] 在乙腈溶液中，以254/438nm为荧光激发波长和发射波长，以254nm为最大吸收波-长，测定I 浓度变化与衍生物a的荧光发射和吸光度变化的校准曲线。通过校正曲线的斜率和测定10次空白值的标准偏差，测定并计算得到线性范围和检出限列于表6。

[0067]

[0068] 实施例三：

[0069] 衍生物b溶液的配制：称取1.2 mg的探针b，用乙腈溶解，配制成100mL溶液，浓-3 -1度为0.100×10 mol·L ；其余实验溶液配制同实施例二。
-4 -1

[0070] 在10.0 mL 容量瓶中加入衍生物b乙腈储备液(1.00×10 mol·L ，1mL)，阴离- -3 -1子I (2.00×10 mol·L ，1 mL)。用乙腈溶液稀释至刻度，摇匀，在室温放置2 h，移入1cm的石英比色皿进行荧光光谱和紫外-可见吸收光谱测定。衍生物b的荧光光谱测定的激发和发射波长为248/426 nm。

[0071] 在乙腈溶液中，相同条件下衍生物b本身荧光强度较衍生物a稍弱。加入碘离子后，观察到其荧光发射强度显著降低，其他实验阴离子对化合物均无明显的响应信号（如图3）。同时，在248 nm波长处的紫外吸收发生显著增强并蓝移5nm(如图4），表明该衍生物b-
对I 具有识别检测性能。

[0072] 本发明的实施例中的衍生物b作为荧光探针试剂检测碘离子时（图6）不受共存阴离子的影响。其他常见共存阴离子在浓度与测试离子相当时，对检测的荧光强度和吸光度影响的相对偏差都在 5%以内，均不干扰测定。

[0073] 在乙腈溶液中，以248/426nm为荧光激发和发射波长，以248nm为最大吸收波长，-分别测定I 浓度变化与衍生物b的荧光发射和吸光度变化的校准曲线。通过校正曲线的斜率和测定10次空白值的标准偏差，测定并计算得到线性范围和检出限列于表7。

[0074]