毕业设计（论文）-新型激发态分子内质子转移化合物的合成.doc

新型激发态分子内质子转移化合物的合成 目录摘要IAbstractII前言1第1章文献综述21.1荧光原理及荧光化合物21.1.1荧光原理21.1.2分子内部结构对荧光的影响21.1.3外部因素对于荧光效应的影响21.2荧光化学传感器31.2.1荧光化学传感器的结构31.2.2荧光化学传感器识别机理41.3课题来源及研究内容5第二章 新型激发态分子内质子转移化合物的合成62.1实验设备和仪器62.1.1实验室所用设备62.1.2 实验室所用药品62.1.3实验准备72.2 目标化合物的合成7第三章 结果与讨论93.1 核磁数据分析93.2实验过程的讨论9结论12致谢13参考文献14 新型激发态分子内质子转移化合物的合成摘要:有机化合物吸收能量后会从基态跃迁到激发态后，质子会从给质子基团上通过氢键转移到受质子基团，这一过程称为激发态分子内质子转移。受质子基团一般为分子内O、S、N等杂原子，此过程有一个非常重要的特征为给质子基团在给出电子后一般会形成互变异构体。比如烯醇结构一般不稳定，是因为其在激发态时烯醇式会与酮式形成互变异构体，并会导致分子的发射波长发生变化，这类材料往往是很好的荧光材料，可应用于荧光传感器。目前人们对光诱导激发态分子内电子转移理论的研究在很多领域都有十分重要的意义，如新型感光材料的开发、激光染料及太阳能利用，光开关等领域。本论文在翻阅大量文献的基础上设计合成一种基于激发态分子内质子转移化合物，以4-（二乙胺基）水杨醛与2-氨基-6氯苯并噻唑反应生成一种新型席夫碱，再与叔丁基二苯基反应合成一种氟离子探针。通过核磁共振氢谱和荧光光谱对化合物进行结构和性能的检测。关键词：激发态分子内质子转移 互变异构 荧光传感器I Synthesis of a novel excited state intramolecular proton transfer compoundAbstract：After absorbing energy from the ground state to the excited state, the proton transfer from the proton group to the proton group is called the excited state intramolecular proton transfer. Generally, the proton group is an intramolecular O, S, N and so on. This process has a very important characteristic for the formation of the structure of the proton group. For example, enol structure is usually unstable because of the alcohol in the excited state will form tautomers and ketones, and will lead to the change of molecular emission, this kind of material is often the fluorescent material can be well applied to fluorescent sensor, the light induced excited state intramolecular electron transfer theory research in many areas are of great significance, such as new photosensitive materials development and utilization of solar energy, laser dyes, optical switch etc.This paper designed and synthesized a ESIPT compound based on massive literature on 4- (diethylamino) salicylaldehyde and 2- amino -6 chlorobenzene benzothiazole reaction of a new Schiff base, and tert butyl phenyl two synthesis of a fluoride ion probe. The structure and properties of the compounds were examined by 1H NMR and fluorescence spectra.Key words: Excited states intramolecular proton transfer；tautomerism；fluorescence sensorsII 前言氟元素作为一种人体必需的微量元素广泛的存在于自然界中，其在自然界中的含量排在第13位，氟元素的存在形式主要为氟化钠、氟化钙、氟磷酸钙等氟化物，在我们日常生活中也经常能见到氟的身影1，比如空调的循环冷却液为氟利昂，我们喝的茶叶中也含有微量的氟，氟元素对于我们人体来说非常的重要，人体正常的含氟量约为2-3克，氟含量的过多过少都会引发疾病，因为氟元素在骨骼组织的形成，牙釉质形成和钙等元素的代谢方面起着不可替代的作用，并且氟元素在人体中安全含量的数值相比其他元素要窄很多，缺少氟元素人体骨骼生长、骨骼密度都会受到影响，牙釉质减少会引发龋齿，还会影响一些其他微量元素的代谢。氟元素含量过多轻则会导致氟斑牙，氟骨病等疾病重则会引发癌症2-5。氟离子检测一直是人们比较关注的话题，传统氟离子检测方法有氟试剂比色法6、离子色谱法7、氟离子选择电极法8-9。传统检测方法虽然有选择性好，灵敏度高但是存在仪器的成本高，操作复杂对样品的要求也比较高。新型的氟离子检测方法为氟离子荧光探针法，能实现对氟离子的精准检测、选择性，成本低廉、因为有颜色的变化实现了可视化，也他突破了场地的限制因此受到了广泛的研究。然而绝大多数荧光探针在检测氟离子时候都会受到其他负离子的干扰如氢氧离子，基于硅氧键断裂的氟离子荧光探针很好的克服了这一点10。综上所述，寻找选择性好，可靠稳定并且能排除外在因素干扰的荧光传感器对于氟离子检测是至关重要的。因此本文合成了一种新型激发态分子内质子转移化合物用于荧光化学传感器和合成。第1章文献综述1.1荧光原理及荧光化合物具有荧光性质的物质当被波长为的入射光照射时，分子从基态跃迁到激发态并且在很短的时间内又从激发态回到基态并且发射光波的波长大于入射波长，具有这类性质的物质称为荧光物质11。1.1.1荧光原理当化合物受到入射光照射时，光能会把能量传递给被照射的物质，内部的分子被激发，分子的电子吸收光子能量从低能量的电子轨道跃迁到高能量的电子轨道，这一跃迁过程时间极短约为10-15秒这一过程为能量的储存过程。这一过程能够完成是因为可见光和紫外光能量很高足以使分子内部电子克服分子轨道之间能量位垒。此时处于激发态的分子称为电子激发态分子。能量高的物质往往是不稳定，处在电子激发态的分子也是，分子内部高轨道的分子会回到低轨道即基态，分子可以通过两种方式从激发态回到基态，一种是辐射跃迁，辐射跃迁衰变伴随着光子的发射即激发态分子储存的能量以光能的形式释出来，辐射产生的光为磷光或者荧光，另一种释放能量的方式为非辐射跃迁，包括内转化、系间窜越和振动松弛现向，最终使激发态储存的能量以热能的方式传递给物质12。1.1.2分子内部结构对荧光的影响人们对荧光的研究已经经历了很长一段时间。主目的就是要了解分子结构和性能之间的关系，从而能控制荧光的产生即没有荧光的物质通过改性来使其显示荧光，或者带荧光的物质使其荧光消失，荧光弱的化合物使其荧光效应增强等化合物产生荧光发生于吸收过光能之后，许多物质能吸收光能但并不产生荧光，这是因为分子的特征频率与其结构是密切相关的，非荧光物质吸收光能以后通过非辐射衰变的方式把能量以热能的方式释放，而不是通过辐射衰变方式产生荧光。因此物质能产生荧光的另一个必备条件为具有较高的荧光量子产率。物质结构决定其性质，研究表明具有以下结构的物质往往具有荧光：具有大的共轭键结构、取代基团为给电子取代基（如-NH2、-NHR.-OR、-OH）、最低的激发单重态为S1为，* 型，而不是n，* 型、抗磁性等13。1.1.3外部因素对于荧光效应的影响虽然分子结构决定分子性质但是荧光产生的强弱与外部环境也有很大的关系。因此在测试分子内荧光时我们要想办法避免外部环境干扰给实验带来的误差，有时误差也可以通过修正值进行修正，但弄清楚外部环境影响因素对荧光产生的影响对荧光检测具有非常重要的意义，荧光在发射过程中主要受到pH值、温度、介质及浓度的影响。荧光分子中含有助色基团时溶液的pH值对其荧光影响较大，因为有些荧光化合物在酸性或碱性条件下容易分解使其荧光性质消失。温度对荧光物质的影响：荧光化合物通过辐射过程和非辐射过程从激发态回到基态，辐射过程为能量以光能方式释放，非辐射过程为能量以热能方式释放。当体系中温度高分子运动剧烈时荧光分子与溶剂分子碰撞摩擦的次数增多，能量以动能释放的部分就增加，当温度较低时候分子运动慢，减少了分子之间碰撞次数，是的激发态分子内存留的能量主要以发射荧光的方式释放出来。所以分子荧光强度一般随着温度升高而降低，且在一定范围内保持线性关系。溶剂对荧光强度的影响：荧光化合物在基态和激发态具有不同的电子排布，荧光物质能均匀的分布在溶剂中是因为二者之间存在相互作者，而溶剂从基态变成激发态这种相互作用也会相应发生变化，对荧光强度产生很大的影响14-15。1.2荧光化学传感器分子结构很小通过肉眼观察几乎是不可能的，我们利用分子之间的相互作用，并借助特殊的仪器将这种相互作用转化成荧光信号传递出来的方法称为荧光化学传感器。荧光化学传感器具有灵敏度高，选择性好等优越性近年来受到广泛关注。1.2.1荧光化学传感器的结构荧光化学传感器16-18一般有三部分组成用于与检测离子特异性结合的为识别基团，识别基团特异性识别后要有发光基团进行显示出来称为发光基团，最后连接两部分的为连接臂。识别基团作为传感器中与底物特异性结合的位点，识别基团的灵敏度直接关系到传感器好坏，识别基团一般为共价键结合的单元，在检测时与底物发生化学反应或形成分子间相互作用力（如氢键，范德华力等）与待检测的底物进行特异性结合。识别基团的广泛研究对于丰富荧光传感器的种类有着重要意义，研究者可以根据自己的需要有选择的引入一种或两种识别基团，从而大大丰富了荧光传感器的种类19。发光基团类似于传感器中的显示器接受识别基团传来的信号并转换成荧光信号，一般来说不同的荧光基团具有不同发射波长，常见的荧光基团有罗明丹类20、香豆素21类酰亚胺类等。传感器的广泛研究对于传感类型的丰富也起到了推动作用，研究人员可以根据自己的需要引入合适的荧光基团22。连接臂在识别基团和荧光基团之间起着重要的桥梁作用。连接臂会把从识别器传来的识别信号以某种传递机制传递到发光基团，从而推动信号响应23。1.2.2荧光化学传感器识别机理了解荧光化学传感器识别机理是设计合成荧光化学传感器的前提。经典的传感器识别机理有：激发态分子内质子转移24、荧光共振能量转移、光诱导电子转移25、分子内电荷转移26等。激发态分子内质子转移当有机分子吸收能量后分子会从基态变成激发态此时激发态分子中质子会通过氢键转移至受质子基团，受质子基团一般为杂原子，当传感器与底物特异性结合是会失去质子从而使质子转移受阻，一般来说激发态分子内转移的过程是一个非常快的过程，应用此原理设计合成的荧光探针都具有反应时间快的优点。荧光共振能量转移指在发光基团上同时存在两个不用的荧光基团，其中一个荧光基团的发射光谱与另一个荧光基团的吸收光谱有重叠，当两个荧光基团再传感器中距离合适时，就可观察到荧光能量从发射荧光的基团向吸收荧光的基团转移，即发射荧光基团被激发即可观察到荧光吸收基团发射出荧光。当荧光供体与底物进行特异性结合这种量荧光基团之间的相互作用就会被激发或者猝灭，但是二者想要形成共振能量转移必须满足两个条1）荧光发射荧光体必须与荧光吸收荧光体的光谱要有很好的重叠，2）两个基团之间的距离一般不能太远因为共振能量转移会随着两个基团距离的增加而减弱。图1.1荧光共振能量转移识别过程示意图光诱导电子转移机理可从前线轨道理论来解释：以turn-on传感器中荧光基团被激发后，电子会发生跃迁即从高占有轨道到低空轨道并产生未配对电子；当受体未于目标分子特异性结合时，受体上富电子基团的高占有轨道能级比较高，此时电子会从电子给体的电子轨道上转移到电子接受体（激发态）的高占有轨道上；当激发态电子受体的高占有轨道被占据后，低空轨道上电子就不能让回到高占有轨道上使基团的荧光被猝灭。分子内电荷转移型荧光传感器的荧光基团上分别连着给电子体（推电子基团）和受电子体（吸电子基团）二者本身也会充当荧光基团的一部分，当荧光基团光照射激发后给电子体的电子会向受电子体转移并发射荧光；当识别基团与受体进行特异性结合后，荧光基团再受到光激发时分子内电子转移会受阻，从而导致吸收和发射波长变化，这种变化被我们捕捉从而达到了特异性检测底物的目的。图1.2分子内电荷转移性荧光探针识别示意图1.3课题来源及研究内容激发态分子内质子转移作为自然界一种自然现象近年来受到学者的广泛研究，激发态分子内质子转移指当分子从基态跃迁到激发态时分子内的质子会从给质子基团转移到受质子基团，这样转移的结果容易使分子形成互变异构体，这类分子具有很好的荧光效应，常被用于荧光材料。本论文选择2-氨基-6氯苯并噻唑与4-（二乙胺基）水杨醛反应生成一种新型席夫碱用于氟离子荧光探针的制备。第二章 新型激发态分子内质子转移化合物的合成2.1实验设备和仪器2.1.1实验室所用设备实验设备设备型号产地电子天平MS205DUMETTLER TOLEDO旋转蒸发仪Rotavapor R-3BUCHI（瑞士步琪）超声波清洗仪SK5210HP上海科导超声仪器有限公司加热磁力搅拌器RCT basicIKA-艾卡（广州）仪器设备有限公司电子调温加热套98-1-B天津市泰斯特仪器有限公司循环水式真空泵SHZ-D（）北京凯亚仪器有限公司电热恒温鼓风干燥箱DHG-907385-上海新苗医疗器械制造有限公司真空干燥箱DZF-6050上海新苗医疗器械制造有限公司旋片真空泵2XZ浙江黄岩天龙真空泵厂手持紫外灯上海禾汽仪器有限公司紫外分析仪ZF-I上海康华生化仪器制造有限公司移液枪DGYD-1大龙兴创实验仪器有限公司2.1.2 实验室所用药品表2.1 实验所用试剂一览表实验试剂规格产地2-氨基-6氯苯并噻唑99%北京百灵威科技有限公司乙酸铵AR上海阿拉丁生化科技股份有限公司苯胺分析纯天津市大茂化学试剂厂水杨醛GR上海阿拉丁生化科技股份有限公司冰乙酸分析纯天津市富宇精细化工有限公司乙酸乙酯分析纯天津市富宇精细化工有限公司二氯甲烷分析纯天津市富宇精细化工有限公司正己烷分析纯天津市富宇精细化工有限公司石油醚分析纯天津市富宇精细化工有限公司无水乙醇分析纯天津市富宇精细化工有限公司叔丁基二甲基氯硅烷97%上海阿拉丁生化科技股份有限公司氢化钙Mg1%上海阿拉丁生化科技股份有限公司2.1.3实验准备实验开始前要准备10毫升量筒和100毫升量筒各一支，烧杯若干，单口烧瓶、双口烧瓶若干温度计一支，氮气瓶及氮气保护双排管一套，锥形瓶若干，布氏漏斗和抽滤漏斗各一个，注射器及针管，2.2 目标化合物的合成目标化合物的合成路线如下图图2.2 目标化合物合成路线实验准备：对溶剂干燥，干燥溶剂用无水硫酸镁，取100mL无水乙醇置于锥形瓶中，加入三至四勺无水硫酸镁过夜干燥，用封口膜密封防止乙醇挥发或者水气进入，过夜干燥等待第二天使用。投料反应：称取2-氨基-6-氯苯并噻唑370mg(2mmol)称取4-（二乙氨基）水杨醛579mg（3mmol）投料比例为1:1.5药品为固体粉末，先在双排管上抽真空三次，然后用针管加入60mL乙醇反应，温度设置为78让乙醇产生回流。反应时间为10h，用点板确定原料是否反应完毕。点板过程中原料与产物在硅胶板上拖尾严重，查资料了解，这种拖尾现象应该在展开剂中滴加几滴三乙胺，反应结束后席夫碱在酸性条件下易分解，实验室硅胶粉呈弱酸性，在用柱层分离提纯时容易导致席夫碱分解，查阅了大量文献，几乎席夫碱都是不溶于乙醇，生成了沉淀，而本实验却没有沉淀，后处理在旋转蒸发仪上对溶液收缩，将收缩过的溶液放进冰箱，几天后有黄色沉淀析出，确定是目标产物。在第一次的基础上经过总结经验，又对实验进行了改进，第一次虽然得到了产物，但产率偏低，第二次称取2-氨基-6-氯苯并噻唑2.7811g(约15mmol),，4-(二乙胺基)水杨醛3.476g约（18mmol），用干燥后的乙醇在单口烧瓶中溶解，使溶液接近饱和。将双口烧瓶在双排管上抽真空三次，待抽真空完毕后，将溶好的反应溶液用针管加入双口烧瓶中，在氮气保护下反应，再用移液枪加入装置100L冰醋酸（纯度为99.5%）作为反应催化剂，通过改进可观察到在反应进行3小时后就有黄色沉淀析出，反应10个小时后会通过点板确定反应结束。原料 原料 产物结束反应后拆掉装置将固体用抽滤漏斗过滤，过滤出来的固体留着下步处理。提纯：将抽滤的到的固体寻找合适的溶剂重结晶，前期试了很多种溶液，都不行，通过查阅文献确定用乙醇重结晶，将抽滤的到的固体放入锥形瓶中，加入适量的乙醇可以观察到乙醇溶液变成酒红色，但仍有大量沉淀在底部沉积，在电加热套中加热让固体完全溶于乙醇，若温度达到了乙醇的沸点仍有固体未溶解则再补加乙醇让固体全部溶于乙醇，然后将液体转移至另一个干净的锥形瓶中少量未溶的固体应该舍弃，用封口膜对锥形瓶封口，防止乙醇挥发。将重结晶液体放进冰箱中，重结晶原理就是溶质在溶剂中的溶解度随着温度升高而升高，析出固体的过程时温度越低析出的越多、越快。待全部析出后直接用漏斗抽滤即可。抽滤之后放进真空干燥箱中干燥12h温度设置50，干燥后用熔点仪测物质熔点，从熔点数据和熔程来看目标产物纯净度很高，可以送核磁检测。第三章 结果与讨论3.1 核磁数据分析图3.1核磁共振氢谱图中化学位移在12.64处的峰为C=N中C上的氢，8.93处为苯环上-OH的峰，在7.79-6.18为苯环上的氢，在3.45处的4重峰为亚甲基上的氢，在1.24处的三重峰为甲基上的氢。 3.2实验过程的讨论开始是计划用第一步合成产物与叔丁基二苯基氯硅烷反应合成一种基于激发态分子内质子转移理论的氟离子荧光探针，但最终因为合成时产物容易分解，具体过程如下准备：反应步属于氯硅烷化反应选择二氯甲烷作为溶剂，因叔丁基二苯基氯硅烷极易与水反应水解，并干扰反应，对溶剂除水操作，量取100ml二氯甲烷加入于双口烧瓶中，并加入4勺氢化钙在磁力搅拌器上搅拌，温度为40。搅拌时间为5个小时，搅拌结束后将搭建蒸馏装置开始蒸馏，蒸馏温度设置在60左右，将蒸馏好的二氯甲烷用封口膜封好口以备第二天使用。反应：称取第一步席夫碱产物0.54g（1.5mmol）咪唑0.272g(4mml)置于双口烧瓶中，在双排管氮气保护装置上抽真空操作2次。用针管加入40ml已干燥的二氯甲烷，磁力搅拌器搅拌20分钟左右，待其全部溶解后用移液枪加入0.8ml叔丁基二苯基氯硅烷。可以观察到叔丁基二苯基氯硅烷加入体系后立刻有沉淀生成，此时的沉淀为析出的咪唑，并不是目标产物。反应温度设置在二氯甲烷沸点40，让二氯甲烷产生回流。反应时间为10个小时左右，点板进行观察反应是否进行完毕，展开剂比例石油醚：乙酸乙酯5:1点板如下图原料 产物 从硅胶板上可以观察到反应进行完全，拆除反应装置，进行后处理，先抽滤除去反应时析出的咪唑，再水洗三次除去叔丁基二苯基氯硅烷，再用饱和食盐水洗一次，处理后的溶液倒入锥形瓶中，无水硫酸镁干燥3个小时，用旋转蒸发仪旋蒸至粘稠状液体。提纯：反应进行一直很顺利，提纯时因为席夫碱在弱酸条件下容易分解，所以在提纯时并不能使用柱层色谱法提纯，要另辟蹊径。借鉴第一步对席夫碱提纯时用乙醇重结晶，这一步依然用乙醇对产物重结晶。上步的粘稠状固体放置一段时间后底层会有部分固体析出，加入少量乙醇发现有大量沉淀析出，在电加热套上加热重结晶，待全部溶解后倒入锥形瓶中，用封口膜封口后放入冰箱中析出。抽滤得到固体样品。对样品点板观察，发现点的高度和第一步产物在同样高度，并且熔点测试也发现和第一步产物熔点一样。点板和熔点测试基本可以断定得到的物质为第一步产物，但在反应时点板，发现反应进行的很完全，由此可以得出在反应后放置这一段时间，产物发生了分解。后期也多次尝试发现结果都一样，也选用了柱层分离提纯，虽然得到纯净产物，也做了点板和熔点测试，结果显示都和第一步产物不同。但进行核磁检测时发现产物为混合物，无法分析出为目标产物，在放置一段时间后通熔点测试，发现又发生了分解反应，熔点发生了变化。再次证明第二步产物很不稳定，在放置一段时间后容易发生分解反应。为了寻找到突破口，推测是叔丁基二苯基氯硅烷其中的苯基位阻太大，导致了目标化合物不稳定容易分解，所以改用叔丁基二甲基氯硅烷继续尝试反应，反应步骤如下。准备工作：先对二氯甲烷干燥处理反应：称取席夫碱360mg（1mmol）咪唑140mg（1mmol）DMAP 122mg（0.5mmol）投入到双口烧瓶中，在双排管氮气保护装置上抽真空处理。用针管加入40ml干燥后的二氯甲烷，搅拌20分钟待其完全溶解后，用恒压滴液漏斗缓慢滴加。滴加完毕后升温至40反应8个小时，观察其反应进程，发现叔丁基二甲基氯硅烷并未参加反应。至此可以基本断定反应不能进行。进行多次尝试均无法反应，推测应该为反应顺序先后次序的问题，重新设计反应顺序，先用4-（二乙胺基）水杨醛与叔丁基二苯基氯硅烷反应，柱层分离方法分离，得到纯净物，然后再与2-氨基-6-氯苯并噻唑反应，生成席夫碱，最后用乙醇重结晶会更好，但由于时间关系我没有进行新的尝试。结论实验设计是合成一种基于激发态分子内质子转移理论的氟离子荧光探针，但最终因为目标化合物在常温下容易分解，也尝试了叔丁基二苯基氯硅烷换成叔丁基二甲基氯硅烷但都因为取代基位阻太大并没有成功，最终只合成了中间产物，中间产物经过了核磁共振氢谱的验证。激发态分子内质子转移理论基于分子受激发后，有基态转入激发态，分子内给质子基团上质子会转移至受质子基团，分子的性质会发生恨大变化，尤其是光性质，根据这一独特性质，这类化合物具有发展成功能材料的潜质，有可能应用于荧光传感器，光存储器，光控开关等感光材料领域。 参考文献1 潘杰峰. 用于氟离子检测的荧光传感器的制备及表征D. 合肥工业大学, 2012.2 任启勤. 饮水氟中毒与人体健康J. 安徽预防医学杂志,2002,(02):123-125.3 屈桃李, 李卫华, 王联芝. 水中F-的检测与去除研究进展J. 湖北民族学院学报(自然科学版),2014,(02):173-1784 刘云玲. 水体中氟的检测与治理研究进展J. 化学工程与装备,2011,(06):163-165.5 郝一莼, 孙小单, 徐桐, 席淑华. 氟离子检测分析方法研究进展J. 中国地方病防治杂志, 2010,(06):412-415.6 王秀珍, 王永勤, 巩丽青, 范丽梅. 双波长比色法测定饮用水中氟含量J. 中华预防医学杂志,2003,(01):49-507 吴伟杰. 氟离子检测方法的改进及离子色谱法的应用J. 广东化工,2005,(08):74-76+968 郑和辉, 林少彬, 井海宁, 王红伟, 陈昌杰. 离子选择电极法和离子色谱法测定水中氟化物的比较 J. 环境与健康杂志,2003,(01):37-39.9 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