一种罗丹明B类自由基荧光探针、制备方法及其在丙烯酸及酯生产过程中自由基检测的应用

摘要

本发明公开了一种罗丹明B类自由基荧光探针、制备方法及其在丙烯酸及酯生产过程中自由基检测的应用。所述罗丹明B类自由基荧光探针，是由4‑羟基哌啶醇氧自由基修饰的罗丹明B类荧光探针，结构如式(Ⅰ)所示：本发明的荧光探针能够有效检测丙烯酸及酯生产过程中产生的自由基及自由基在溶液体系中的浓度，对体系中的自由基具有荧光识别、抗干扰、检测限低的特点，可以监控丙烯酸及酯生产过程发生自由基聚合的可能性，从而有效的避免体系的聚合。

权利要求

1.一种罗丹明B类自由基荧光探针，是由4-羟基哌啶醇氧自由基修饰的罗丹明B类荧光探针，结构如式(Ⅰ)所示：

2.一种式(Ⅰ)所示罗丹明B类自由基荧光探针的制备方法，其特征在于：首先通过式(Ⅱ)4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基与式(Ⅲ)2-氨基乙醇反应制备式(Ⅳ)化合物；再由式(Ⅳ)化合物与式(Ⅴ)罗丹明B反应制备式(Ⅰ)罗丹明B类自由基荧光探针；反应式如下：所述的制备方法，步骤包括：

1)将式(Ⅱ)4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基、式(Ⅲ)2-氨基乙醇、催化剂、溶剂混合，所述催化剂为NaH、CaH2中的至少一种，在氮气保护下加热回流反应2～6h，冷却至室温后加入冰醋酸，析出固体，得式(Ⅳ)化合物；

2)将式(Ⅴ)罗丹明B、式(Ⅳ)化合物、溶剂混合，加热回流反应2～6h，得罗丹明B类自由基荧光探针。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述加热回流反应，时间为3～

4h；步骤2)所述加热回流反应，时间为3h。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：

步骤1)中，所述催化剂为NaH；所述溶剂为甲苯、四氢呋喃中的至少一种；

所述式(Ⅲ)2-氨基乙醇与式(Ⅱ)4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基摩尔比为2～4:1；所述式(Ⅲ)2-氨基乙醇在溶剂中浓度为0.1～0.2g/mL；所述催化剂与式(Ⅲ)2-氨基乙醇的摩尔比为1～1.5:1；所述冰醋酸与NaH的摩尔比为1.5～3:1。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中，式(Ⅴ)罗丹明B与式(Ⅳ)化合物摩尔比为2～3:1；所述式(Ⅴ)罗丹明B在溶剂中浓度为1～2.5g/mL；所述溶剂为无水乙醇、无水乙腈中的至少一种。

6.权利要求1所述罗丹明B类自由基荧光探针或权利要求2～5任一项所述制备方法制备的罗丹明B类自由基荧光探针在丙烯酸及丙烯酸酯生产过程中自由基检测的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述罗丹明B类自由基荧光探针检测丙烯酸及丙烯酸酯生产过程中自由基的方法，步骤包括：

1)罗丹明B类自由基荧光探针用溶剂配制成浓度为1×10-3～5×10-3g/L的荧光探针指示剂溶液；

2)将步骤1)荧光探针指示剂溶液和待检测样品混合后，通过荧光光谱仪检测溶液的荧光发射光谱变化；

3)如果在565nm处出现荧光强度增大，则证明溶液中含有自由基，然后根据荧光滴定曲线，计算待检测样品中自由基的浓度。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：

步骤1)中，所述溶剂为无水乙醇、乙腈、丙酮、四氢呋喃中的至少一种；

步骤2)中，所述荧光探针指示剂溶液与待检测样品质量比为(30～100)：(0.5～3)。

9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：所述荧光滴定曲线的绘制方法为：将自由基聚合引发剂与溶剂混合配制为梯度浓度的自由基聚合引发剂标准溶液，分别添加到荧光探针指示剂溶液中，然后通过荧光光谱仪检测荧光发射光谱变化，根据其在565nm处的荧光强度，绘制成荧光滴定曲线。

10.根据权利要求7～9任一项所述的应用，其特征在于：步骤3)中，如果待检测样品中自由基的浓度＞1000ppm，则该丙烯酸或丙烯酸酯生产过程中存在聚合风险。

说明书

一种罗丹明B类自由基荧光探针、制备方法及其在丙烯酸及酯

生产过程中自由基检测的应用

技术领域

[0001] 本发明属于荧光探针和丙烯酸及酯制备技术领域，涉及一种罗丹明B类自由基荧光探针及制备方法，以及该探针在丙烯酸及酯生产过程中自由基检测的应用。

背景技术

[0002] 罗丹明B衍生物因具有好的荧光光发射、高的量子产率和空穴传输效率，结构修饰后常被用来进行检测金属离子的荧光探针或化学传感器的研究；4-羟基哌啶醇氧自由基是一种广泛应用在丙烯酸及酯行业的自由基型阻聚剂；目前通过4-羟基哌啶醇氧自由基修饰的罗丹明B衍生物用于自由基的检测还未见报道。

[0003] 丙烯酸是一种非常重要的不饱和有机酸，丙烯酸及酯主要指丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸异辛酯，是重要的有机化工原料。我国丙烯酸及酯主要的消费领域包括日用、纺织、粘合剂、涂料及皮革等几大行业。

[0004] 丙烯酸及酯在20世纪30年代实现了工业化生产，其生产方法经历了数次改进，但是丙烯酸及酯生产过程中始终面临着聚合堵塞问题的困扰。丙烯酸及酯生产过程中由于高温反应、精馏等过程，其双键极易产生自由基，从而引发自由基聚合。虽然经过技术改造，通过添加阻聚剂、阻聚空气、减少死区等措施能够延缓聚合的发生，但多数聚合问题引发的堵塞、停车等都是由于自由基聚合长期累积或者爆聚引起的，这对整个装置的生产运行造成了极大的困扰。

[0005] 目前还未有针对丙烯酸及酯生产过程中的自由基检测试剂的研究报道，通过对自由基的检测，及时预警装置聚合的发生，从而对阻聚剂或者其它工艺参数进行调整，对丙烯酸及酯的生产具有重要意义。

发明内容

[0006] 针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种罗丹明B类自由基荧光探针及制备方法。

[0007] 同时，针对丙烯酸及酯生产过程中自由基聚合监控手段的不足，提供上述探针在丙烯酸及酯生产过程中自由基检测的应用。

[0008] 一种罗丹明B类自由基荧光探针，是由4-羟基哌啶醇氧自由基修饰的罗丹明B类荧光探针，结构如式(Ⅰ)所示：

[0009]

[0010] 一种式(Ⅰ)所示罗丹明B类自由基荧光探针的制备方法：首先通过式(Ⅱ)4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基与式(Ⅲ)2-氨基乙醇反应制备式(Ⅳ)化合物；再由式(Ⅳ)化合物与式(Ⅴ)罗丹明B反应制备式(Ⅰ)所示罗丹明B类自由基荧光探针；反应式如下：

[0011]

[0012] 所述罗丹明B类自由基荧光探针的制备方法，步骤包括：

[0013] 1)将式(Ⅱ)4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基(ZJ-701)、式(Ⅲ)2-氨基乙醇、催化剂、溶剂混合，在氮气保护下加热回流反应2～6h，优选3～4h，冷却至室温后加入冰醋酸，析出橙黄色固体，再加水至固体完全溶解，静置分层，有机相干燥、旋蒸，得式(Ⅳ)化合物；

[0014] 2)将式(Ⅴ)罗丹明B、式(Ⅳ)化合物、溶剂混合，加热回流反应2～6h，优选3h，冷却至室温后加水，经乙酸乙酯萃取，有机相干燥、旋蒸、提纯，得到橙黄色固体，即罗丹明B类自由基荧光探针。

[0015] 步骤1)中，所述催化剂为NaH、CaH2中的至少一种，优选NaH；

[0016] 步骤1)中，所述溶剂为甲苯、四氢呋喃中的至少一种，优选甲苯；

[0017] 步骤1)中，所述式(Ⅲ)2-氨基乙醇与式(Ⅱ)4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基摩尔比2～4:1，优选3:1；

[0018] 步骤1)中，所述式(Ⅲ)2-氨基乙醇在溶剂中浓度为0.1～0.2g/mL，优选0.15g/mL；

[0019] 步骤1)中，所述催化剂与式(Ⅲ)2-氨基乙醇的摩尔比为1～1.5:1，优选1.4:1；

[0020] 步骤1)中，所述冰醋酸与NaH的摩尔比为1.5～3:1，优选为2:1；

[0021] 步骤1)中，优选先将2-氨基乙醇、NaH与溶剂混合得2-氨基乙醇的溶液，然后将式(Ⅱ)4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基溶解于溶剂中，配制成0.01～0.1g/mL，优选为0.05g/mL的溶液，再将其加入到2-氨基乙醇的溶液中；

[0022] 步骤1)中，所述静置分层后，水相用乙酸乙酯萃取，与有机相合并；有机相用无水硫酸镁干燥。

[0023] 步骤2)中，式(Ⅴ)罗丹明B与式(Ⅳ)化合物摩尔比为2～3:1，优选为2:1；

[0024] 步骤2)中，所述式(Ⅴ)罗丹明B在溶剂中浓度为1～2.5g/mL，优选为1.5g/mL；

[0025] 步骤2)中，所述溶剂为无水乙醇、无水乙腈中的至少一种，优选无水乙醇；

[0026] 步骤2)中，水的加入量是式(Ⅴ)罗丹明B质量的200～300倍，优选250倍；反应液用乙酸乙酯萃取3次，合并有机相，反应液与乙酸乙酯体积比为1～3:1；有机相采用5wt％无水硫酸镁干燥；采用硅胶柱层析提纯，展开剂为乙酸乙酯和石油醚，体积比1:1。

[0027] 本发明所述的罗丹明B类自由基荧光探针在丙烯酸及酯生产过程中自由基检测的应用。

[0028] 本发明罗丹明B类自由基荧光探针在丙烯酸及酯生产过程中自由基检测时，所述的罗丹明B类自由基荧光探针，与自由基在溶剂中以化学计量比1:1络合，在络合过程中由于罗丹明B的结构变化，共轭效应可以使配体荧光量子产率增大3.4～3.6倍，具体表现为荧光发射光谱在565nm处出现荧光强度增大。

[0029] 本发明罗丹明B类自由基荧光探针检测丙烯酸及酯生产过程中自由基的方法，步骤包括：

[0030] 1)罗丹明B类自由基荧光探针用溶剂配制成浓度为1×10-3～5×10-3g/L，优选1×10-3g/L的荧光探针指示剂溶液；

[0031] 2)将步骤1)荧光探针指示剂溶液和待检测样品混合后，通过荧光光谱仪检测溶液的荧光发射光谱变化；

[0032] 3)如果在565nm处出现荧光强度增大，则证明溶液中含有自由基，然后根据荧光滴定曲线，计算待检测样品中自由基的浓度。

[0033] 步骤1)中，所述溶剂为无水乙醇、乙腈、丙酮、四氢呋喃中的至少一种，优选无水乙醇；

[0034] 步骤2)中，所述荧光探针指示剂溶液与待检测样品混合质量比为(30～100)：(0.5～3)，优选为50：1；

[0035] 步骤2)中，所述待检测样品，为丙烯酸或丙烯酸酯生产过程的样品，来自丙烯酸及酯生产体系的塔釜液或塔顶液；待检测样品温度15～45℃，优选25℃；

[0036] 步骤3)中，所述荧光滴定曲线绘制方法为：将自由基聚合引发剂(优选偶氮二异丁腈(AIBN))与溶剂混合配制为梯度浓度(0.1×10-3～12×10-3g/L)的自由基聚合引发剂标准溶液，分别添加到荧光探针指示剂溶液中，然后通过荧光光谱仪检测溶液的荧光发射光谱变化，根据其在565nm处的荧光强度，绘制成荧光滴定曲线。

[0037] 步骤3)中，如果所述待检测样品中自由基的浓度，计算结果＞1000ppm，则证明该丙烯酸或丙烯酸酯生产过程中存在聚合风险。进而通过调整阻聚剂或者其它工艺参数，预防体系聚合的发生。

[0038] 丙烯酸及酯是一类重要的化工产品，其在高吸水性树脂(SAP)、涂料、胶黏剂、减水剂等领域均有重要的应用。但是由于丙烯酸及酯本身带有双键官能团，具有很高的聚合活性，在生产和存储过程中极易发生体系聚合问题，给丙烯酸及酯的生产和使用带来了巨大的困扰。

[0039] 本发明的罗丹明B类自由基荧光探针对体系中的自由基具有荧光识别、抗干扰、检测限低的特点，能够有效检测监控丙烯酸及酯生产过程中产生的自由基及自由基在溶液体系中的浓度，预防体系聚合的发生。

附图说明

[0040] 图1为罗丹明B类自由基荧光探针的乙醇溶液加入不同物质后的荧光强度变化柱状图(荧光探针加入不同物质后的荧光变化)；

[0041] 图2为罗丹明B类自由基荧光探针加入不同当量偶氮二异丁腈后的荧光强度随自由基浓度变化的曲线图(荧光滴定曲线：荧光探针加入不同当量引发剂AIBN后的荧光强度随自由基浓度的变化)；

[0042] 图3为罗丹明B类自由基荧光探针加入不同含量阻聚剂和加入不同存贮周期甲酯产品荧光强度变化柱状图(荧光探针加入不同阻聚剂含量和不同存贮周期甲酯产品加入荧光强度变化)。

具体实施方式

[0043] 以下通过实施例进一步详细说明本发明技术方案，实施例应理解为仅用于更详细地展示本发明，而不以任何方式限制本发明的内容。

[0044] 下述实施例中，试剂均为分析纯，国药试剂；采用的水均为去离子水。

[0045] 采用的主要检测仪器及方法：Bruker Avance 300核磁共振波谱仪(TMS作为内标，DMSO-d6为溶剂)；LS-55荧光/磷光/发光分光光度计(PerkinElmer)(激发光530nm)。

[0046] 一、本发明罗丹明B类自由基荧光探针对自由基、金属离子、单体的选择性验证，方法如下：

[0047] 使用乙醇配制1×10-3g/L的罗丹明B类自由基荧光探针溶液；然后分别加入等摩尔当量的丙烯酸、丙烯酸丁酯、FeCL3、FeCL2、CaCL2、偶氮二异丁腈(AIBN)、过硫酸钾的乙醇溶液，混合，荧光光谱测试，通过荧光强度变化研究对自由基、金属离子、单体的选择性。

[0048] 其中含偶氮二异丁腈的乙醇溶液和过硫酸钾的乙醇溶液先在70℃的环境中放置30min，然后将上述所有溶液在30℃条件下，检测其荧光发射波谱强度变化，如图1所示。

[0049] 对比发现含偶氮二异丁腈和过硫酸钾的溶液荧光强度明显增强。由于偶氮二异丁腈、过硫酸钾作为常规的自由基聚合引发剂，70℃条件下能够分解产生自由基，在565nm处荧光强度增强分别约1.9、2.3倍，同时其荧光量子产率增大约3.5倍。

[0050] 本发明罗丹明B类自由基荧光探针，经过实验证明可以与自由基在乙醇溶液中以化学计量比1:1络合，如图2所示，在络合过程中由于罗丹明B的结构变化，共轭效应可以使配体的荧光量子产率增大约3.5倍。由此可证实，本发明罗丹明B类自由基荧光探针在乙醇溶液中对自由基有独特的荧光选择性、较高的灵敏度、较低的检测限，和较强的抗干扰能力。

[0051] 二、罗丹明B类自由基荧光探针制备

[0052] 实施例1

[0053] 一种罗丹明B类自由基荧光探针的制备方法，步骤为：

[0054] 1)2-氨基乙醇(1.22g，20mmol)，NaH(1.12g，28mmol)和甲苯(20mL)混合加入150mL圆底烧瓶中；然后将ZJ-701(1.88g，10mmol)溶解于20mL甲苯中后，逐滴加入到圆底烧瓶中；上述混合体系在N2保护下加热回流4h；反应结束后冷却至室温，加入10mL的冰醋酸，有橙黄色固体析出，再加入适量的冷水至固体完全溶解，甲苯层分离，水相用乙酸乙酯(3×100mL)萃取，有机相用无水硫酸镁干燥过滤，旋蒸，得到式(Ⅳ)化合物2.66g，产率85％；

[0055] 2)罗丹明B(1.0g 2.1mmol)，式(Ⅳ)化合物(0.69g，3mmol)，20mL的乙醇加入圆底烧瓶中，加热回流3h，然后再向溶液中加入40mL的水；溶液用50mL乙酸乙酯萃取3次，有机相合并用无水硫酸镁干燥，过滤，旋蒸得到固体，粗产品用硅胶柱层析提纯(展开剂为乙酸乙酯：石油醚＝1:1)得到橙黄色固体，即罗丹明B类自由基荧光探针，0.65g。

[0056] 高分辨质谱测定：HRMS：calcd for[M+H]+C39H5N4O：639.8541；found：639.3949.[0057] 实施例2

[0058] 一种罗丹明B类自由基荧光探针的制备方法，步骤为：

[0059] 1)2-氨基乙醇(1.83g，30mmol)，NaH(1.2g，30mmol)和四氢呋喃(20mL)混合加入150mL圆底烧瓶中；然后将ZJ-701(1.88g，10mmol)溶解于20mL四氢呋喃中后，逐滴加入到圆底烧瓶中；上述混合体系在N2保护下加热回流2h；反应结束后冷却至室温，加入20mL的冰醋酸，有橙黄色固体析出，再加入适量的冷水至固体完全溶解，甲苯层分离，水相用乙酸乙酯萃取，有机相用无水硫酸镁干燥过滤，旋蒸，得到式(Ⅳ)化合物2.66g，产率88％；

[0060] 2)罗丹明B(2.85g,6mmol)，式(Ⅳ)化合物(0.69g，3mmol)，20mL的乙腈加入圆底烧瓶中，加热回流3h，然后再向溶液中加入40mL的水；溶液用(3×100mL)乙酸乙酯萃取3次，有机相合并用无水硫酸镁干燥，过滤，旋蒸得到固体，粗产品用硅胶柱层析提纯(展开剂为乙酸乙酯：石油醚＝1:1)得到橙黄色固体，即罗丹明B类自由基荧光探针，0.68g。

[0061] 高分辨质谱测定：HRMS：calcd for[M+H]+C39H5N4O：639.8541；found：639.3949.[0062] 实施例3

[0063] 一种罗丹明B类自由基荧光探针的制备方法，步骤为：1)2-氨基乙醇(1.22g，20mmol)，CaH2(1.28g，30mmol)和甲苯(30mL)混合加入150mL圆底烧瓶中；然后将ZJ-701(1.88g，10mmol)，溶解于20mL甲苯中后，逐滴加入到圆底烧瓶中；上述混合体系在N2保护下加热回流3h，反应结束后冷却至室温，加入10mL的冰醋酸，有橙黄色固体析出，再加入适量的冷水至固体完全溶解，甲苯层分离，水相用乙酸乙酯(3×100mL)萃取，有机相用无水硫酸镁干燥过滤，旋蒸，得到式(Ⅳ)化合物2.47g，产率79％；

[0064] 2)罗丹明B(1.0g 2.1mmol)，式(Ⅳ)化合物(0.69g，3mmol)，20mL的乙醇加入圆底烧瓶中，加热回流3h，然后再向溶液中加入40mL的水；溶液用乙酸乙酯萃取3次，有机相合并用无水硫酸镁干燥，过滤，旋蒸得到固体，粗产品用硅胶柱层析提纯(展开剂为乙酸乙酯：石油醚＝1:1)得到橙黄色固体，即罗丹明B类自由基荧光探针，0.58g。

[0065] 高分辨质谱测定：HRMS：calcd for[M+H]+C39H5N4O：639.8541；found：639.3949.[0066] 三、罗丹明B类自由基荧光探针在丙烯酸及酯生产过程中自由基检测的应用[0067] 实施例4

[0068] 丙烯酸装置脱水塔塔釜聚合情况监控，采用实施例1制备的罗丹明B类自由基荧光探针，待检测样品取自丙烯酸装置(三菱工艺)精制系统的脱水塔塔釜样品，具体方法为：

[0069] 1)将实施例1制备的罗丹明B类自由基荧光探针用无水乙醇配制成浓度为1×10-3g/L的荧光探针指示剂溶液；

[0070] 2)绘制荧光滴定曲线：将偶氮二异丁腈(AIBN)用无水乙醇配制成梯度浓度范围在0.1×10-3～12×10-3g/L的偶氮二异丁腈(AIBN)乙醇标准溶液，然后分别添加到荧光探针指示剂溶液中，通过荧光光谱仪检测溶液的荧光发射光谱变化，根据其在565nm处的荧光强度，绘制成荧光滴定曲线(图2)；

[0071] 3)待检测样品(温度25℃)和荧光探针指示剂溶液按质量比1:50混合后，通过荧光光谱仪检测溶液的荧光发射光谱变化；

[0072] 4)检测发现，溶液体系在565nm处的荧光强度明显加强，证明溶液中含有自由基，然后根据荧光滴定曲线，计算待检测样品中自由基的浓度。

[0073] 通过与图2中的自由基浓度和荧光滴定曲线对比，该体系的自由基浓度为843ppm，体系自由基含量偏高，接近聚合风险下限值，通过增加该塔的阻聚剂用量和阻聚空气量进行调整，将调整后的塔釜取样，重复上述步骤分析检测，自由基含量降至241ppm，效果明显，证明本实施例有效的监控了丙烯酸装置的聚合倾向。

[0074] 实施例5

[0075] 丙烯酸丁酯装置反应器聚合情况监控，取吉化工艺丙烯酸丁酯装置第二反应器出口的样品为待检测样品，具体实施方法为：

[0076] 1)将实施例2制备的罗丹明B类自由基荧光探针用无水乙醇配制成浓度为1×10-3g/L的荧光探针指示剂溶液；

[0077] 2)待检测样品(温度25℃)和荧光探针指示剂溶液按质量比1:50混合后，通过荧光光谱仪检测溶液的荧光发射光谱变化；

[0078] 3)混合后的溶液通过荧光光谱仪测试荧光活性，发现在565nm处的荧光发生峰与纯的10-3g/L的荧光探针指示剂的乙醇溶液相比有明显增强，通过对比在相同条件下的荧光强度与自由基浓度的荧光滴定曲线图2，计算反应液中的自由基浓度为1800ppm，反应体系有很强的聚合倾向，且从外观反应液有粘度增加的现象，必须立即采取措施，该装置立即向反应器添加ZJ-701型高效阻聚剂，运行三天后，相同方法检测自由基浓度将为800ppm，反应液粘度恢复正常；有效避免了生产事故发生。

[0079] 实施例6

[0080] 丙烯酸甲酯储罐聚合情况监控，取两个牌号甲酯产品为检测样品，牌号1阻聚剂MQ(对羟基苯甲醚)含量为100ppm，牌号2的阻聚剂MQ(对羟基苯甲醚)含量为15ppm，存储温度为15～16℃，存储时间1个月；具体实施方法如下：

[0081] 1)将实施例3制备的罗丹明B类自由基荧光探针用无水乙醇配制成浓度为1×10-3g/L的荧光探针指示剂溶液；

[0082] 2)待检测样品(温度25℃)配制成10-3g/L的乙醇溶液，与荧光探针指示剂溶液按质量比1:1混合后，通过荧光光谱仪检测溶液的荧光发射光谱变化；

[0083] 经过检测荧光强度如图3所示，阻聚剂MQ含量为15ppm的甲酯产品自由基含量较新产品和阻聚剂MQ含量为100ppm的甲酯产品多，需要控制存储时间。