一种快速检出光气的比色荧光探针化合物及其合成方法

摘要

本发明公开了一种快速检出光气的比色、荧光探针及其合成方法，特征是探针化合物为N’‑(5,5‑二氟‑5H‑4λ4,5λ4‑二吡咯并[1,2‑c:2',1'‑f][1,3,2]二氮杂硼杂环戊烷‑10‑基)苯甲酰肼，以氟硼荧为荧光发色团，苯甲酰肼作为光气的反应位点；其合成方法为将苯甲酰肼与氯取代氟硼荧进行亲核取代反应；具有合成步骤简单、产率高及处理简便的优点。利用本发明的探针Bohz对光气特异性的比色、荧光响应特征，可实现比色、荧光两种方式检测光气，且响应速度快、检出限低、选择性高；利用探针化合物三乙胺溶液可通过荧光滴定标准曲线法检测溶液中二光气和三光气的浓度；可利用探针制备便携式胶片试纸，能对气相中光气实时可视化监测，成本低、灵敏度高、选择性好，具有良好的应用前景。

权利要求

1.一种检出光气的比色、荧光探针，特征在于其为以氟硼荧为荧光发色团、以苯甲酰肼为光气的反应位点的化合物N’-(5,5-二氟-5H-4λ4,5λ4-二吡咯并[1,2-c：2'，1'-f][1,3,2]二氮杂硼杂环戊烷-10-基)苯甲酰肼，化学结构式为

2.权利要求1所述检出光气的比色、荧光探针化合物N’-(5,5-二氟-5H-4λ4,5λ4-二吡咯并[1,2-c:2',1'-f][1,3,2]二氮杂硼杂环戊烷-10-基)苯甲酰肼的合成方法，其特征在于将氯取代氟硼荧化合物和苯甲酰肼化合物按1:1～2的摩尔比加入到乙醇中，室温搅拌，通过薄层色谱法监控至无氯取代氟硼荧残余后，反应粗产物经柱层析纯化，即得到探针化合物N’-(5,5-二氟-5H-4λ4,5λ4-二吡咯并[1,2-c:2',1'-f][1,3,2]二氮杂硼杂环戊烷-10-基)苯甲酰肼；该合成路线可表示为：

说明书

一种快速检出光气的比色荧光探针化合物及其合成方法

技术领域

[0001] 本发明属于光气检测技术领域，具体涉及基于氟硼荧苯甲酰肼染料的快速检出光气的比色、荧光探针，及探针化合物的合成方法。

背景技术

[0002] 光气(COCl2)，是一种无色的窒息性剧毒气体，作为毒性最大的物质之一，与其替代品二光气曾被作为化学战剂用于第一、二次世界大战。据美国《职业和环境医学杂志》(J.Occup.Environ.Med.2001,43,110,J.Borak,W.F.Diller,Phosgene exposure:mechanisms of injury and treatment strategies.)的报道，光气是目前中毒机制不清、缺乏有效救治手段的重要化学毒剂。吸入光气会引发肺水肿、急性呼吸窘迫综合症，中毒者常因窒息和心衰而死亡。同时，光气又是重要的化工原料，其替代品三光气广泛用于工业生产中。三光气易得且易转化为光气，工业生产中的泄露或者被利用进行化学恐怖袭击，这都对公共和人身安全构成严重的威胁。因此，对光气及其替代品进行准确、快速地现场分析监测，为及时采取合适的应对措施提供依据，在反恐处突中具有十分重要的意义。

[0003] 到目前为止，检测光气的方法多种多样，但大多需要昂贵的仪器和复杂的操作，与之相比，比色法或荧光探针法具有耗费低、便捷以及操作简单等优点，引起人们的关注。然而，在已公开的有关光气检测的文献中，如美国《ACS传感器》(ACS Sens.2018,3,27,L.Chen,D.Wu,J.Yoon,Recent Advances in the Development of Chromophore-Based Chemosensors  for Nerve Agents and  Phosgene.)、美国《分析化学》((1)Anal.Chem.2018,90,3382,Y.Hu,X.Zhou,H.Jung,S.-J.Nam,M.H.Kim,J.Yoon,Colorimetric and Fluorescent Detecting Phosgene by a Second-Generation Chemosensor.(2)Anal.Chem.2018,90,8686,Q.Hu,C.Duan,J.Wu,D.Su,L.Zeng,R.-L.Sheng,A Colorimetric and Ratiometric Chemosensor for Visual Detection of Gaseous Phosgene Based on Anthracene Carboxyimide Membrane.)、荷兰《分析化学学报》(Anal.Chim.Acta 2018,1029,97,W.Feng,S.Gong,E.Zhou,X.Yin,G.Feng,Readily Prepared Iminocoumarin for Rapid,Colorimetric and Ratiometric Fluorescent Detection of Phosgene.)、德国《欧洲化学》((1)Chem.Eur.J.2018,24,3136,M.Sayar,E.T.Güner,B.Yildiz,U.H.Yildiz,M. A  BODIPY**-Based Fluorescent Probe to Visually Detect Phosgene:Toward the Development of a Handheld Phosgene Detector.(2)Chem.Eur.J.2018,24,5652,S.-L.Wang,L.Zhong,Q.-H.Song,Sensitive and Selective Detection of Phosgene,Diphosgene,and Triphosgene by a 3,4-Diaminonaphthalimide in Solutions and the Gas Phase.)、英国《材料化学》((1)J.Mater.Chem.A.2019,7,1756-1767,Kalipada Maiti,Debasish Ghosh,Rituparna Maiti,Veena Vyas,Debabrata Mandal,Dilip K.Maiti,Ratiometric chemodosimeter:an organicnanofiber platform for sensing lethal phosgene gas.)中所介绍的荧光探针仍存在一些不足，比如：选择性较差、检测不够灵敏、响应时间长、合成步骤繁琐等，这些都严重制约了它们在实际中的应用。因此，设计合成一种选择性好、灵敏度高，合成方便产率高，能快速检出光气的荧光探针具有重要的应用价值。

发明内容

[0004] 本发明针对现有检测光气技术中存在的问题，提供一种快速检出光气的比色、荧光探针化合物N’-(5,5-二氟-5H-4λ4,5λ4-二吡咯并[1,2-c:2',1'-f][1,3,2]二氮杂硼杂环戊烷-10-基)苯甲酰肼(以下简称Bohz)，及其合成方法。

[0005] 本发明的快速检出光气的比色、荧光探针，特征在于其为以氟硼荧为荧光发色团、以苯甲酰肼为光气的反应位点的化合物N’-(5,5-二氟-5H-4λ4,5λ4-二吡咯并[1,2-c：2'，1'-f][1,3,2]二氮杂硼杂环戊烷-10-基)苯甲酰肼(Bohz)，其化学结构式为[0006]

[0007] 本发明的快速检出光气的比色、荧光探针化合物Bohz的合成方法，特征在于采取苯甲酰肼化合物与氯取代氟硼荧化合物一步法亲核取代反应，将氯取代氟硼荧化合物和苯甲酰肼化合物按1:1～2的摩尔比加入到乙醇中，室温搅拌，通过薄层色谱法监控至无氯取代氟硼荧残余后，反应粗产物经柱层析纯化，即得到探针化合物N’-(5,5-二氟-5H-4λ4,5λ4-二吡咯并[1,2-c：2'，1'-f][1,3,2]二氮杂硼杂环戊烷-10-基)苯甲酰肼(Bohz)；该合成路线可表示为：

[0008]

[0009] 本发明的探针Bohz合成方法简便，仅需一步反应即可制得，反应条件温和，操作简单，产率高。

[0010] 本发明的探针Bohz具有2秒钟内快速响应，比色、荧光双检测光气的特征。本发明的Bohz的二氯乙烷溶液在日光灯照射下呈现黄色，在365nm紫外灯光下无荧光；向溶液中加入光气(用三光气/三乙胺作为光气的替代物)后不到2秒溶液颜色变为橘红，紫外灯光下的荧光颜色呈现黄绿，溶液中对光气的检出限为0.41nM；进一步将Bohz与聚氧化乙烯溶解在二氯甲烷制成溶液，并通过将滤纸在溶液中浸渍并晾干制备出两种检测光气的试纸，在光气气氛中，试纸很快从黄色变为橘红，在365nm紫外光下荧光由无色变为黄绿，并且变化更快(小于2秒)，可对光气进行实时监测；探针Bohz及其试纸仅对光气才具有这些响应，而对其他相似检测物包括光气替代品及其气体则没有上述响应，说明Bohz及其试纸对光气具有很好的选择性。尤为突出的是，试纸对光气的“裸眼”检出限达到20ppm，在2秒钟内可对40ppm的光气给出显著的响应。

[0011] 综上所述，本发明的探针Bohz对光气具有比色、荧光响应的特征，实现了比色、荧光二种方式检测光气，并且响应速度快、检出限低、选择性高；利用Bohz制备的便携式胶片试纸，能够对气相中光气进行实时可视化监测，成本低、灵敏度高、选择性好。可对光气进行实时可视化监测，具有良好的应用前景。

附图说明

[0012] 图1为本发明的Bohz(10μM)、三乙胺(50μM)的二氯乙烷溶液在未加入光气和加入光气(10.8μM)5分钟后的紫外/可见吸收光谱图。

[0013] 图2为本发明的Bohz(10μM)、三乙胺(50μM)的二氯乙烷溶液在未加入光气和加入光气(10.8μM)5分钟后的荧光光谱图(激发波长为467nm)。

[0014] 图3为在日光灯(上图)、紫外灯(365nm)(下图)照射下，胶片试纸暴露在不同浓度的光气气体(0-80ppm)后的颜色变化照片。

[0015] 图4为本发明的Bohz(10μM)、三乙胺(50μM)的二氯乙烷溶液在加入光气(0-10.8μM)，在波长为530nm的荧光滴定曲线(激发波长为467nm)。

[0016] 图5为本发明的Bohz(10μM)、三乙胺(50μM)的二氯乙烷溶液在未加入光气和加入光气(10.8μM)在波长为530nm的荧光发射峰强度随时间变化曲线(激发波长为467nm)。

[0017] 图6为紫外灯(365nm)下，胶片试纸放入有40ppm光气氛围的250mL锥形瓶中荧光显色的视频截图,。

[0018] 图7为日光灯(上图)、紫外灯(365nm)(下图)下，胶片试纸暴露在不同的气体环境中颜色变化的照片。

具体实施方式

[0019] 下面通过具体实施例进一步详细说明本发明的快速检出光气的比色荧光探针及其合成方法。

[0020] 实施例1：探针Bohz的合成

[0021] 按照下列合成路线进行反应：

[0022]

[0023] 将氯取代氟硼荧化合物(2.00g,8.8mmol)和苯甲酰肼化合物(1.2g,8.8mmol)加入到无水乙醇(30mL)中，25℃反应，通过薄层色谱法监控至无氯取代氟硼荧化合物残余后，减压除去溶剂，反应粗产物经柱层析纯化分离得到橙色固体产物(1.98g)，产率为69％。

[0024] 其核磁共振氢谱是：1H NMR(400MHz,DMSO-d6,25℃,TMS):δ＝11.75(s,2H,NH),8.03(d,J＝7.48Hz,2H,Ph-H),7.72(t,J＝7.32Hz,1H,Ph-H),7.65(s,1H,Ar-H),7.63(s,
2H,Ar-H),7.61(d,J＝5.44,1H,Ar-H),7.53(s,1H,Ar-H)7.38(d,J＝3.84Hz,1H,Ar-H),
6.49ppm(dd,J＝5.72Hz,J＝3.64Hz,2H,Ph-H)；

[0025] 其核磁共振碳谱是：13C NMR(100MHz,DMSO-d6,25℃,TMS):δ＝166.1(CO),149.0,135.6,133.4,133.2,131.7,129.6,128.0,123.8,122.9,121.4,118.6,115.5,114.5ppm；

[0026] 其高分辨质谱是：HRMS(ESI-TOF):m/z calcd for C16H13BF2N4O+Na+:349.1048[M+H+],found:349.1028.

[0027] 本实施例中所制备得到的黄色固体产物，根据其核磁共振氢谱、核磁共振碳谱和高分辨质谱证明该产物就是探针化合物N’-(5,5-二氟-5H-4λ4,5λ4-二吡咯并[1,2-c：2'，1'-f][1,3,2]二氮杂硼杂环戊烷-10-基)苯甲酰肼(Bohz)。

[0028] 实施例2：探针Bohz的合成

[0029] 将氯取代氟硼荧化合物(2.00g,8.8mmol)和苯甲酰肼化合物(1.8g,13.3mmol)加入到无水乙醇(30mL)中，25℃反应，通过薄层色谱法监控至无氯取代氟硼荧化合物残余后，减压除去溶剂，反应粗产物经柱层析纯化分离得到橙色固体产物(2.44g)，产率为85％。

[0030] 本实施例中所制备得到的橙色固体产物，根据其核磁共振氢谱、核磁共振碳谱和高分辨质谱证明该产物就是探针Bohz。

[0031] 实施例3：探针Bohz的合成

[0032] 将氯取代氟硼荧化合物(2.00g,8.8mmol)和苯甲酰肼化合物(2.4g,17.7mmol)加入到无水乙醇(30mL)中，25℃反应，通过薄层色谱法监控至无氯取代氟硼荧化合物残余后，减压除去溶剂，反应粗产物经柱层析纯化分离得到橙色固体产物(2.18g)，产率为76％。

[0033] 本实施例中所制备得到的橙色固体产物，根据其核磁共振氢谱、核磁共振碳谱和高分辨质谱证明该产物就是探针Bohz。

[0034] 实施例4：探针Bohz溶液中的检测实验

[0035] 移取含10μM Bohz的三乙胺/二氯乙烷溶液(三乙胺浓度为50μM)3.0mL于比色皿中，再移取含12μL的0.9mM三光气的二氯乙烷溶液于上述的比色皿中，此时比色皿中的探针Bohz浓度为10μM，三光气的浓度为3.6μM，计算得光气的浓度为10.8μM，将比色皿摇匀后放置5分钟，记录反应前后Bohz的紫外/荧光光谱变化。

[0036] 图1为Bohz(10μM)和三乙胺(50μM)的二氯乙烷溶液在未加入光气和加入光气(10.8μM)5分钟后的紫外/可见吸收光谱图；图2为Bohz(10μM)和三乙胺(50μM)的二氯乙烷溶液在未加入光气和加入光气(10.8μM)5分钟后的荧光光谱图(激发波长为467nm)；图4为本发明的Bohz(10μM)和三乙胺(50μM)的二氯乙烷溶液在加入光气(0-10.8μM)，在波长为530nm的荧光滴定曲线(激发波长为467nm)；图5为本发明的Bohz(10μM)和三乙胺(50μM)的二氯乙烷溶液在未加入光气和加入光气(10.8μM)在波长为530nm的荧光发射峰强度随时间变化曲线(激发波长为467nm)。从图1可知：光气的加入使Bohz在530nm处出现新的吸收峰；
从图2可知：光气的加入使Bohz在530nm处荧光发射峰强度增强；从图4可知：一定浓度范围光气的加入，光气浓度和Bohz在530nm处荧光发射峰强度呈线性关系；从图5可知：光气的加入使Bohz在530nm处的荧光发射峰强度迅速增强，在1秒钟内达到最大。上述现象说明该Bohz能够对液相中的光气产生响应，并能通过紫外/荧光光谱对其响应信号进行快速的定量和定性检测。

[0037] 实施例5：胶片试纸的制备

[0038] 将1.0g聚氧化乙烯(分子量100万)溶于40mL二氯甲烷，在室温下搅拌至溶液透明且均匀；随后，向其中加入含4mg Bohz的2mL二氯甲烷溶液，并于室温下搅拌均匀；将一张洁净的定性滤纸浸入其中，数秒钟后取出，晾干；最后将其剪成2cm×1cm的大小，即可得到用于检测光气的胶片试纸。

[0039] 实施例6：胶片试纸对气相中光气的检测

[0040] 将实施例5中的胶片试纸固定在10mL离心管内，以便于后续使用操作；用微量进样器向依次编号的五个10mL离心管中分别移取10μL不同浓度的三光气(0-0.3g/L)的二氯乙烷溶液及20μL不同浓度的三乙胺(0-2.6mM)的二氯乙烷溶液，盖上离心管；半分钟后，移出载玻片，记录胶片试纸的颜色变化；图3为在日光灯(上图)、紫外灯(365nm)(下图)照射下，胶片试纸暴露在不同浓度的光气气体(0-80ppm)后的颜色变化照片：日光灯下，胶片试纸的颜色从黄色变为橘色；在紫外灯(365nm)照射下，胶片试纸从无荧光变成黄绿荧光。

[0041] 具体为：

[0042] 1号离心管：10μL三光气二氯乙烷溶液(0g/L)+20μL三乙胺二氯乙烷溶液(0mM)作为参照；

[0043] 2号离心管：10μL三光气二氯乙烷溶液(0.075g/L)+20μL三乙胺二氯乙烷溶液(0.65mM)；

[0044] 3号离心管：10μL三光气二氯乙烷溶液(0.15g/L)+20μL三乙胺二氯乙烷溶液(1.3mM)；

[0045] 4号离心管：10μL三光气二氯乙烷溶液(0.225g/L)+20μL三乙胺二氯乙烷溶液(1.95mM)；

[0046] 5号离心管：10μL三光气二氯乙烷溶液(0.3g/L)+20μL三乙胺二氯乙烷溶液(2.6mM)；

[0047] 根据化学反应式计算，并假设三光气完全分解成光气气体，可以得到五个10mL离心管中光气气体的浓度分别为0ppm,20ppm,40ppm,60ppm,80ppm；通过图3中的胶片试纸的颜色对比，可知实施例5中的胶片试纸对光气的“裸眼”检出限量达到了20ppm。

[0048] 实施例7：胶片试纸对光气气氛的响应速度

[0049] 图6为胶片试纸在紫外灯(365nm)照射下的暴露在光气气体(40ppm)当中的视频截图，可见该胶片试纸在2秒内即可与光气反应至出现明显的颜色变化，这说明实施例5中的用于检测光气的胶片试纸能够对气相中的光气进行快速响应，可进行实时可视化检测。

[0050] 实施例8：胶片试纸的选择性识别实验

[0051] 分别配制草酰氯、乙酰氯、氯化亚砜、氯化砜、三氯氧磷、4-甲基苯磺酰氯、氯磷酸二乙酯、氰代磷酸二乙酯的二氯乙烷溶液，其溶度均为5mM；分别移取上述溶液60μL于8个10mL离心管中，依次分别编号为3，4，...，10；编号为1号的离心管内不含检测气体，作为参照，编号为2号的离心管按实施例6中的方法加入光气气体40ppm；将实施例5中的胶片试纸分别投入上述10个离心管中，其操作与实施例6中的操作相同；图7为在日光灯(上图)、紫外灯(365nm)(下图)照射下，胶片试纸暴露在不同气体环境(光气：40ppm，其他气体：80ppm；即上述编号1--10分别代表了不同的气体环境：1.空气，2.光气，3.草酰氯、4.乙酰氯，5.氯化亚砜，6.氯化砜，7.三氯氧磷，8.4-甲基苯磺酰氯，9.氯磷酸二乙酯，10.氰代磷酸二乙酯)后的颜色变化照片：如图6所示，日光灯下，只有处于光气气体环境中的胶片试纸由黄色变为橘色，且在紫外灯(365nm)照射下，胶片试纸的荧光颜色由无色变为黄绿色，这说明实施例5中的胶片试纸能够对气相中的光气进行选择性检测。

[0052] 综上所述，与现有的检测光气的技术相比，本发明的探针Bohz的合成方法简便，仅需一步反应即可制得，反应条件温和，操作简单，产率高。

[0053] 本发明的探针Bohz具有2秒钟内快速响应，比色、荧光双检测光气的特征。本发明的Bohz的二氯乙烷溶液在日光灯照射下呈现黄色，在365nm紫外灯光下无荧光；向溶液中加入光气(用三光气/三乙胺作为光气的替代物)后不到2秒溶液颜色变为橘红，紫外灯光下的荧光颜色呈现黄绿，溶液中对光气的检出限为0.41nM；进一步，将Bohz与聚氧化乙烯溶解在二氯甲烷制成溶液，并通过将滤纸在溶液中浸渍并晾干，制备出两种检测光气的试纸，在光气气氛中，试纸很快从黄色变为橘红，在365nm紫外光下荧光由无色变为黄绿，并且变化更快(小于2秒)，可对光气进行实时监测；探针Bohz及其试纸仅对光气才具有这些响应，对其他相似检测物包括光气替代品及其气体没有上述响应，这说明Bohz及其试纸对光气具有很好的选择性。尤为突出的是，试纸对光气的“裸眼”检出限达到20ppm，在2秒钟内可对40ppm的光气给出显著的响应。

[0054] 本发明的探针Bohz对光气具有比色、荧光响应的特征，实现了比色、荧光二种方式检测光气，并且响应速度快、检出限低、选择性高；利用Bohz制备的便携式胶片试纸，能够对气相中光气进行实时可视化监测，成本低、灵敏度高、选择性好，具有良好的应用前景。