（有机化学专业论文）新型荧光试剂的合成及其分析应用.pdf

摘要 摘要 荧光分析法具有灵敏度高、选择性好，取样少，简便快速等优点。然而，不 少化合物如大多数无机化合物等本身并不发荧光，或者如蛋白质等本身的荧光强 度不足以进行荧光分析，致使直接进行荧光检测受到一定的限制，因而荧光分析 主要利用待测分子与有机试剂形成的配合物具有荧光特性来进行分析，根据荧光 的增强或减弱来测定待测物质的含量。随着荧光分析法的不断发展，人们不断地 探索具有高选择性、高灵敏度的荧光探针。鉴于此，本论文主要开展了两方面的 研究工作：第一，将具有良好荧光分析性能的荧光基团如8 氨基喹啉、2 氨基毗 啶和联苯胺等和具有高灵敏显色性能的三氮烯基团结合在一起，合成了多种高选 择性、高灵敏度的新型荧光分析试剂；第二，将合成出来的新型光度试剂进行荧 光分析并开展其在金属离子的检测中的应用研究，成功应用于铅、铁、铜离子的 痕量检测。各章内容可归纳如下： 第一章：简述了荧光试剂的类别以及荧光特性与试剂结构的关系。对8 氨基 喹啉偶氮衍生物和三氮烯类试剂的合成、类别及其分析应用等作了相应的综述。 第二章：将8 氨基喹啉和2 氨基吡啶两种具有荧光特性的试剂结合在一起， 并引入杂环三氮烯基团，合成了新荧光试剂1 - ( 8 - 喹啉) 3 ( 2 - 毗啶) 三氮烯( q p y t ) 。 同时基于其杂环三氮烯基团与铅离子配合后，荧光发生猝灭的原理，建立了q p y t 测定铅( h ) 的新型荧光分析方法j 并应用于不同水样中铅含量的检测。 第三章：用具有优良显色特性的三氮烯基团将具有荧光特性的联苯胺和2 氨基吡啶荧光基团结合在一起，合成了新型荧光试剂双( 2 吡啶重氮氨基) 联苯 ( b p d d p ) 。同时基于其与铁离子配合后，荧光发生猝灭的原理，建立了b p d d p 测定铁( i i i ) 的新型荧光分析方法，并应用于不同水果中铁含量的检测。 第四章：将具有荧光特性的8 一氨基喹啉、联苯胺与具有显色特性的三氮烯基 团相结合，合成出新型荧光试n 又2 ( 8 - 喹啉重氮氨基) 联苯( b q d a d b ) 。同时基 于其与铜离子配合后，荧光发生猝灭的原理，建立了b q d a d b 测定铜( i d 的新 型荧光分析方法，并应用于不同食品中铜含量的检测。 关键词：荧光试剂；合成；猝灭：荧光分析 i i i a b s t r a c t a b s 仃a c t a l t h o u g ho f f e r i n gt h ea d v a n t a g e so fs e n s i t i v i t y , s i m p l i c i t y , s h o r tt s tt i m ea n d t o w r e g e a n tc o s t ，s p e c t r o f l u o r o m e t r yi sl i m i t e di nm a n yf i e l d sf o rs p e c t r o s c o p i c a ls i l e n t s u b s t a n c e s ( s u c ha sm o s to fi n o r g a n i cs u b s t a n c e s ) o rw e a k l yf l u o r e s c e n ts u b s t a n c e s ( s u c ha sm a n yp r o t e i n ) t h ec o n c e n t r a t i o n so fs a m p l e sa l ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt o t h ei n c r e a s eo rd e c r e a s eo ff l u o r e s c e n c ei n t e n s i t i e sw h e nt h e ya r eb i n d e dw i t had y eo r f l u o r e s c e n tp r o b e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs p e c t r o f l u o r o m e t r y , t h e r ei san e e dt o e x p l o r em o r en o v l ed y eo rp r o b ew i t hh i 曲s e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t y i nd e t a i l ，t w o m a j o rw o r k sh a v eb e e nc o m p l e t e di nt h et h e s i s ：1 s o m en o v e lf l u o r e s c e n tr e a g e n t s w i t hh j i g hs e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t yw e r es y n t h e s i z e du s i n gt h ef l u o r o p h r o e s ，f o r e x a m p l e8 - a m i n o q u i n o l i n e ，2 - a m i n o p y r i d i n e a n db i p h e n y l ，b i n dt o s e n s i t i v i t y c h r o m o g e n i cr e g e a n t f o re x a m p l et r i a z e n e 2 t h en o v e lf l u o r e s c e n tr e a g e n t sw e r e u s e dt od e t e r m i n et r a c e so fm e t a li o ns u c ha sp b ( i i ) ，f e ( i i i ) a n dc u ( i i ) t h ec o n t e n t s o f e a c hc h a p t e ri nt h et h e s i sa r es u m m a r i z e da st h ef o l l o w i n g ： c h a p t e rl ：t h ec l a s s i f i c a t i o no ff u o r e s c e n tr e a g e n t sa n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e n f l u o r e s c e n c ef e a t h e r sa n dt h es t r u c t u r e so fr e a g e n ta r ei n t r o d u c e d s y n t h e s i sa n d a p p l i c a t i o no f8 一a m i n o q u i n o l i n ed e r i v a t i v ea r e r e v i e w e d c h a p t e r2 ：an o v e lf l u o r e s c e n tr e a g e n t s1 - ( 8 - q u i n o l i n e ) 3 。( 2 - p y r i d i n e ) t r i a e n e ( q p y t ) w a ss y n t h e s i z e db yc o m b i n i n g8 - - a m i n o q u i n o l i n ew i t h2 - a m i n o p y r i d i n ea n d b i n d i n g t oh e t e r o c y c l et r i a z e n e an e ws p e c t r o f l u o r i m e t r i cm e t h o db a s e do nq u e e h i n g o ff l u o r e s c e n c eo fh e t e r o c y c l et r i a z e n eb yp b ( i i ) f o rt h ed e t e r m i n a t i o no ft r a c ep b ( i i ) w i t ht h i sr e a g e n tw a sd e v e l o p e da n da p p l i e dt od e t e r m i n et r a c ep b ( i i ) i nw a t e r s a m p l e c h a p t e r 3 ：an o v e lf l u o r e s c e n tr e a g e n t sb i s ( g - p y r i d y l d i a m i n o ) 一d i b e n z e n e ( b p d d p ) w a ss y n t h e s i z e db yc o m b i x f i n g b e n z i d i n ea n d2 - a m i n o p y r i d i n ew i t h t r i a z e n e an e ws p e c t r o f l u o r i m e t r i cm e t h o db a s e do nq u e c h i n go ff l u o r e s c e n c eo f b p d d pb yf e ( i i i ) f o rt h ed e t e r m i n a t i o no ff e ( i i i ) w a sd e v e l o p e da n da p p l i e dt o d e t e r m i n et r a c ef e ( i g ) i nf r u i t a b s t r a c t c h a p t e r 4 ：an o v e lf l u o r e s c e n t r e a g e n t sb i s ( 8 - q u j n 0 1 y l d i a m i n o ) d i b e n z e n e ( b q d a d b ) w a ss y n t h e s i z e db yc o m b i n i n g8 - a m i n o q u i n o l i n ea n db e n z i d i n ea n d b i n d i n g t ot r i a z e n e an e ws p e c t r o f l u o r i m e t r i cm e t h o db a s e do n q u e c h i n go f f l u o r e s c e n c eo fb q d a d bb yc u ( 1 1 ) f o rt h ed e t e r m i n a t i o no fc u ( i i ) w a sd e v e l o p e d a n da p p l i e dt od e t e r m i n et r a c ec u ( i i ) i nf o o d k e y w o r d s ：s p e c t r o m e t r i cr e c o g n i t i o n r e a g e n t ；s y n t h e s i s ；q u e n c h i n g ；s p e c t r o f l u o r o m e t r y v 符号说明 符号说明 缩略词中文名称 a q t m b d q p y t k b r c d c l 3 t m s e x e m b p d d p 8 氨基喹啉 3 , 3 ，5 ，5 - 四甲基联苯胺盐酸盐 1 - ( 8 一喹啉) - ( 2 吡啶) - 三氮烯 溴化钾 重氢氯仿 四甲基硅烷 激发 发射 双( 2 - 毗啶重氮氨基) 一联苯 d m f n ，n - - - 甲基甲酰胺 b q d a d b双( 8 一喹啉重氮氨基) 联苯 v l 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得盎昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：2 力驾牮字日期：即矽年r 月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌盍堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：易砌涿 导师签名： 签字日期：劲寥璋户月万日签字日期：分呻库 l i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 荧光是指某些物质在经过紫外或可见光照射时发出的波长和强度各不相同 的光线，当停止照射时，这种光线马上或逐渐消失。而荧光检测正是运用了荧光 这一特殊的光现象，高灵敏度、高选择性地检测待测物质。荧光现象的发现已有 四百多年的历史，i 刍m o n a r d c s 于1 5 7 5 年从被称为“l i g n u m n e p h r i t i c u m ”的切片水 溶液发现荧光现象以来，荧光现象的解释一直没有多大进展，直至1 8 5 2 年s t o k e s 在考察奎宁和叶绿素的荧光时，用分光计观察到其荧光波长比入射光的波长稍微 长些，才判明这些物质在吸收光能后重新发射出不同波长的光，从而引入荧光这 一概念。自1 8 6 4 年s t o k e s 提出应用荧光作为分析手段和1 9 2 8 年j e t t e $ 1 3 w e s t 研制出 第一台光电荧光计1 1 】之后，经过近一百年的发展，特别是现代激光、微处理机和 电子学等一些新兴科学技术的引入，大大地推动了荧光分析法在理论方面的进 展，促进了诸如同步荧光测定、导数荧光测定、时间分辨荧光测定、荧光免疫测 定、低温荧光测定和荧光光纤化学传感器等荧光分析方面的一些新方法；同时新 技术的发展，相应加速了各种新型荧光分析仪器的问世，使荧光分析法不断朝着 高效、痕量、微观和自动化的方向发展；方法的灵敏度、准确度和选择性日益提 高，方法的应用范围大大扩展，遍及于工业、农业、医药卫生、环境保护和科学 研究的各个领域中，使荧光检测成为分析化学中一种重要的痕量组分分析方法。 荧光分析法具有灵敏度高、选择性好，取样少，简便快速等优点。然而，不少化 合物如大多数无机化合物等本身并不发荧光，或者如蛋白质等本身的荧光强度不 足以进行荧光分析，致使直接进行荧光检测受到一定的限制，因而荧光分析主要 利用待鉴定或测定的分子与有机试剂形成的配合物具有荧光特性来进行分析，根 据荧光的增强或减弱来测定待测物质的含量。随着荧光分析法的不断发展，人们 不断地探索具有高选择性、高灵敏度的荧光探针。本文将合适的荧光分析官能团 如8 氨基喹啉母体等和具有高灵敏度的显色官能团三氮烯官能团结合在一起，合 成出既有良好的荧光特性，又有高灵敏度、高选择性的新型荧光探针，并对其进 行分析应用。 1 2 荧光特性试剂结构的关系 当物质受紫外光或可见光照射后，吸收的光子能量引起物质分子中的电子发 生电子能级间的跃迁，形成激发态分子。激发态分子去活化过程，发生光子的发 第一章绪论 射，伴随着荧光现象。荧光体的荧光发生在荧光体吸收光之后，因此，荧光体要 发光首先要吸收光，即荧光体要有吸光的结构。已知的大量有机和无机物中，仅 有小部分会发生强的荧光，而发荧光的有机荧光体，大多为有机芳族化合物或它 们与金属离子形成的配合物，这与它们的结构有密切的关系。通常，要使荧光体 发强荧光，荧光体往往需要具备如下结构特征1 1 】： ( 1 ) 具有大的共轭i f 键结构： ( 2 ) 具有刚性的平面结构； ( 3 ) 具有最低的单线电子激发态石，i f l + 型； ( 4 ) 取代基团为供电子基团； ( 5 ) 具有良好的配位结构，形成的配合物具有上述几个特点。 一般情况下，荧光体的共轭体系越大，离域z 电子越容易激发，荧光越容易 产生。大部分荧光物质都具有芳环或杂环，并且芳环越大，其荧光强度往往也越 强。荧光效率高的荧光体，其分子多是平面构型且具有一定的刚性，例如荧光素 呈平面结构，是强荧光物质，而它在碱性溶液中没有氧桥，分子不易保持平面， 不是荧光物质。加强分子的刚性结构有利于增强分子的荧光强度，如滂铬b b r 本身不发荧光，它与址”离子形成的配合物会发荧光。最低单线电子激发态万， 万l + 型为万一丌。+ 跃迁，它属于电子自旋允许的跃迁，荧光强度大。含取代基为给 电子基团的荧光体，其激发态常由环外的羟基或氨基上的刀电子激发转移到环上 而产生的。由于它们的行电子的电子云几乎与芳环上的，r 轨道平行，因而实际上 共享了共轭，r 电子结构，扩大了其共轭双键体系，因此，通常具有很好的荧光特 性。有机配位体与金属离子形成配合物后，会使原来的有机配位体的最低单线电 子激发态岛由”，i f l + 型转变为z ，7 1 4 型，并使原来不发荧光( 或弱荧光) 的有 机配位体转变为强荧光体。 1 3 荧光试剂的类别 1 8 6 8 年，g o p p e l s r o d e r 利用桑色素与触3 + 的配合物检测a 1 3 + 以来l ”，荧光试 剂的合成和应用有了很大的发展，可以用荧光分析法分析的元素近百种。荧光试 剂的数量和类别也逐渐增多，主要的类别有桑色素、荧光素、葸醌类、罗丹明类、 喹啉类、席夫碱类、腙类、偶氮类、硫脲类，还有卟啉类、吖嗪类、安息香类、 苯并噻唑类、多萘菌类等等。其中喹啉类尤其8 氨基喹啉( a q ) 及其衍生物由于 配位原子均为氮原子，具有较高的选择性而倍受重视。但是8 氨基喹啉( a q ) 母 体作为分析试剂，其弱点是灵敏度偏低【2 】。因此，在保留8 氨基喹啉选择性的同 时，提高试剂的灵敏度、水溶性和络合能力，成为研究的重要方向。已有的荧光 试剂的灵敏度和选择性往往不一致。灵敏度高的，选择性不是很好，或者选择性 好的反应灵敏度不够理想，给分析检测带来诸多不便。因而合成既具有高灵敏度 2 第一章绪论 又既有高选择性的荧光试剂则具有重要的意义。 1 4 三氮烯类试剂 三氮烯类试齐 j ( t r i a z e n e ) 主要是指结构中含分析功能团( - n = n n h ) 的一大类 化合物，该类试齐u ( r 1 - n = n - n h p - 2 ) 含有分析功能 矛( - n = n - n h - ) ，因而具有很好 的配位功能，且分析灵敏度很高，该类试剂是测定1 1 3 、l i b 族的金属离子的优良 显色剂，自2 0 世纪3 0 年代开始就广泛地用于c d 2 + 、h f + 、n i 2 + 、c u “、c 0 2 + 等的 定性检验。至2 0 世纪8 0 年代，随着表面活性剂引入反应体系，使该类试剂的应用 范围进一步扩大，可用于t l ”、p t ”、c n 。、p d ”以及表面活性剂的定量检验，近 年来还将三氮烯结构联接于聚合物中，扩大了其研究范围，成为新兴的研究领域。 三氮烯试剂是测定c d ”、h g ”等金属离子的高灵敏度试剂，但是三氮烯类试剂的 缺点是共存离子允许含量较低，其选择性有待于进步提高。 1 4 1 三氮烯试剂的类别 三氮烯类试剂按其结构( r t - n = n - n h - r 2 ) 中r i 、r 2 的不同可分为以下几大类： 1 4 1 1r 1 、r 2 均不含杂环类 此类化合物中，r 2 为偶氮苯基苯及其衍生物的这一类三氮烯试剂研究最多， 最为典型的就是镉试剂c a d i o n 。再如对偶氮苯重氮氨基偶氮苯磺酸【3 】等。也有 r l 为偶氮苯基苯及其衍生物的，如冯永兰合成的h d n p a p t t 4 j 。 r 。、r 2 均为偶氮苯基苯及其衍生物的，如朱玉瑞等合成的r 1 、r 2 均为偶氮 苯基苯及其衍生物类试剂b b d a b f ”，以及引入磺酸基后所得到的a d a a s t 6 j 。 sr e s s a l a n ，c s r l y e r 合成的3 一羟基3 苯基1 邻羧基苯基三氮烯i 7 。d w y e r 引入 了非芳基及其衍生物的其它基团如萘基等制备的c a d i o n 2 b 。近年来j o l i m o r e j v 等合成的一些r 2 不是芳香族类的三氮烯试剂i 8 】。e c b u r u i a n a 等合成的1 苯基 - 3 ，3 一二( 2 - 羟基乙基) 三氮烯，1 一萘基一3 ，3 - - ( 2 一羟基乙基) 三氮烯和l 一( 4 硝基) - 苯基 3 ，3 ，二( 2 羟基乙基) 三氮烯1 9 , 1 0 】。 141 ，2 r l 、r 2 中含有杂环基团类 早些时候科研人员主要合成的是不含杂环的三氮烯试剂，近些年来对含杂环 的化合物研究较为活跃，如苯并噻唑、苯并眯唑、安替比林、喹啉、毗啶等杂环 三氮烯试剂不断地被合成。如徐斌、龚楚儒等合成安替比林类镉试剂 a p ( c a d i o n a p ) 】，赵书林等合成了苯并噻唑类试剂b t d a b l l 2 】，6 一硝基苯并噻唑 重氮氨基偶氮苯【”肄。杂环为噻唑类的如曹秋娥等合成的间硝基苯基偶氮2 一氨 基噻唑“1 及邻硝基苯基偶氮2 氨基噻唑i 1 5 】。杂环为喹啉类的如赵建为等合成的 第一章绪论 p n p a q l l 6 1 等，以及赵书林等合成了喹啉基重氮氨基偶氮苯等。 l4 1 3 双三氮烯类试剂 双三氮烯类试剂含有两个三氮烯官能团，具有比单三氮烯类试剂更高的灵敏 度。n - 1 ，1 - ( 4 ，4 一联苯撑) - 双- 3 - n - 乙烯基一3 - n 苯基三氮烯是目前报道对镍、铜灵 敏度最高的显色剂。陈昭国等也合成了这类试剂如n 1 ，( 3 ，3 - 二羧基4 ，4 - 联苯 撑) 一双一( 3 - n 一苯基三氮烯) ”，又如4 ，4 - - - ( 2 氯4 硝基苯基重氮氨基) 联苯【1 9 】。 冯锋等合成的x 2 ( 2 一苯并噻唑重氮氨基) 3 ，3 ，5 ，57 四甲基联苯【2 0 】，1 ，3 双( 2 苯并 噻唑重氮氨基) 苯1 2 l 】也是这类化合物。 】4 1 4 聚合物中含三氦烯结构类试剂 d i e t e re n d e r s ，c h r i s t i a a nr i j k s e n 等合成的联接在树脂上的三氮烯t 2 1 i n k e r 2 2 1 ， t l i p p e r t 等合成的三氮烯试剂聚合物t c p o l y m e r t 矧，再如共聚物【2 4 】及e m i lc b u r u i a n a 等合成的p u - p ，p un ，p u o n o l 2 5 】等都是在聚合物中引入了三氮烯官能 团，成为一类新的三氮烯试剂。 1 4 15 三氮烯结构官能团中氢被取代类试剂 三氮烯结构中的氢被取代后，形成男一类新的三氮烯试剂。这类试剂是近年 来才开始研究的，如s t e f a nb r l i s e 合成的系列试剂，陈昭国等合成的n 1 ，( 3 ，3 ，二 羧基4 ，4 i 联苯撑) - 双书一n - 苯基三氮烯) i ，s r e s s a l a n , cspi y e r 等合成的3 羟基 3 苯基1 邻羧基苯基三氮烯【_ 7 】等。 1 4 2 三氮烯类试剂的合成 合成三氮烯类试剂一般采用芳香族伯胺在酸性条件下，利用重氮化试剂得到 重氮盐，然后与另一芳胺偶合而成。实验中常用饱和碳酸钠溶液或碳酸钾溶液调 节p h 值为5 8 ，在0 5 c 的水溶液或乙醇、丙酮溶液中进行偶合。如孙培培 等人将芳胺溶于乙醇和丙酮混合溶液中，这样可使难溶于水的芳胺易于溶解1 2 6 】。 1 4 2 1 重氮化的类别 ( 1 ) 在亚硝酸钠和盐酸作用下熏氯化 大多数情况下都在亚硝酸钠和盐酸作用下重氮化1 2 7 1 ，主要有以下几类：( 1 ) 顺 重氮法，如苯胺、联苯胺及含有甲基、甲氧基等基团的芳香族伯胺的重氮化，( 2 ) 倒重氮法，如含有磺酸基，氯离子等吸电子基团芳香族伯胺的重氮化，( 3 ) 其它 的重氮法。如d c s d a a l 2 8 1 、c a d i o na p l 2 ”、a p d n b t l 3 0 】等的合成。 ( 2 ) 在亚硝酰正离子作用下重氮化 4 第一章绪论 分子中含有多个吸电子基团如硝基、氯离子、溴离子等的芳香族伯胺类化合 物的重氮化，在亚硝酸钠和盐酸作用下很难重氮化，通常需在亚硝基硫酸和冰乙 酸的作用下重氮化。加入冰乙酸、磷酸和丙酸，一方面为了加强芳胺的溶解，另 一方面也有利于体系的流动性。女 i b t d a b i l 2 1 、n p b t t t “】、1 ( 偶氮苯基) 3 ( 3 ，5 二溴2 毗啶) 三氮烯的合成1 3 1 1 等都是按此法重氮化合成的。 ( 3 ) 在其它重氮化试剂作用下重氮化 在其它重氮化试剂如亚硝酸正丁酯或亚硝酸异戊酯等作用下，也可以进行重 氮化。这种重氮化方法有很好的重现性，产率高，重氮化效果好，产品的纯度好。 如杨明华，龚楚儒等利用这种方法合成出4 , 4 二偶氮苯重氨氨基苯，l ，3 二r 4 硝基苯) 三氮烯、安替比林重氮氨基苯及1 ( 4 安替比林) 3 ( 4 硝基苯) ，三氮烯 等。 1 4 3 三氮烯试剂合成反应条件的探讨 三氮烯试剂的合成虽仅由重氮化反应和偶合反应两步完成，但新三氮烯类试 剂较难合成，这是因为： ( 1 ) 与重氮盐发生氮偶联的一级胺只有少数几种1 3 ”，如苯胺、对甲苯胺及其 它苯胺的邻、对位取代物。而n ，n 一二甲苯胺、间甲苯胺、问苯二胺以及b 萘胺 与重氮盐直接发生碳偶联。而发生氮偶联的三氮烯试剂分子r 1 - n = n n i t - r 2 中， 根据己报道的三氮烯类显色剂，对大多数试剂来说一般只有r l ，r 2 为a r n = n a r 基团或a t - n 0 2 基团及其衍生基团，三氮烯试剂才表现出良好的光度分析性能。 这是因为这二个基团的存在使分子中7 c 电子流动性增大，提高了显色反应灵敏度。 而前人以r 1 、r 2 为时n = n - a r - 基团或a t - n 0 2 基团进行了大量的研究工作。这使 得目前新三氮烯试剂的合成出现了一定困难。 ( 2 ) 不同的芳胺重氮化方法不同p ”，某些芳胺重氮化反应较难控制且反应不 完全。 ( 3 ) 三氮烯在酸性条件下易发生重排1 3 3 1 ，最终产物为碳偶联化合物。 1 4 4 三氮烯试剂的纯化 三氮烯的粗产品一般含有因重氮盐分解和生成的重氮盐与未重氮化的芳胺 发生自身偶合而生成的副产物，其杂质的多少及含量高低与芳胺本身的性质和反 应的操作有关。己报道的三氮烯纯化方法一般是用合适的溶剂重结晶。孙培培等 人将粗品溶于丙酮，过滤后减压蒸馏除去丙酮来纯化1 2 8 。滕恩江先反复用乙醇 水溶液洗涤，再以丙酮重结晶也可得到纯品f 3 ”。龚楚儒等人将粗品先用1 ：l 的 乙酸洗，再用水洗或用1 m 的盐酸洗几次，再用5 0 的乙醇洗也可得到较纯产 第一章绪论 品。当然，也有报道用柱层析法提纯【3 “，可以得到接近纯态的试剂，试剂纯度经 薄层色谱检验只有一个斑点。 1 4 5 三氮烯类试剂的应用 评价有机光度分析试剂的性能主要是从灵敏度和选择性两方面进行考虑的。 三氮烯类试剂测定i b ，i i b 金属离子的灵敏度较高( 一般都在1 0 3 数量级) ，较一般传 统偶氮试剂要高，但此类试剂与i b ，i i b 离子反应的选择性不尽令人满意，它们在 光度法测镉( i i ) 的干扰离子来自于以下二方面p7 】：是与镉相近的过渡金属离子 如铜( i i ) 、银( i ) 、汞( i i ) 、钴( i i ) 、镍( i ) 、锌( i i ) 等，对绝大多数试剂，当其存在量 在镉( i i ) 量的1 0 倍以上有正干扰：二是在测定条件下( 弱碱性、碱性) 易发生水解的 金属离子如铬( i i i ) 、铁( i l i ) 、铝( 1 d 、锰( i i ) 等，对大多数试剂，其允许存在量在 2 0 倍以内，否则会由于发生水解而产生吸附负干扰。但考虑到有些金属离子的光 度测定多在碱性溶液中进行，而其他显色剂并不比三氮烯类试剂优越，故三氮烯 类试剂目前仍不失为一类性能优良的有机显色剂f 3 ”。三氮烯类试剂与金属离子的 显色反应，影响因素最大的是酸度，提高新三氮烯试剂与镉( i i ) 显色反应的最佳 酸度有利于增加易水解金属离子的允许量。另外表面活性剂对显色体系有很大影 响，从目前报道来看，非离子表面活性剂对三氮烯的显色体系有较大的增溶、增 敏作用，能提高试剂的对比度、灵敏度，改善显色体系的稳定性【3 ”。 2 0 世9 2 0 年代d w y e r 首先将c a d i o n 用作定性分析试剂i 3 ”。2 0 世纪3 0 年代以 来，三氮烯类试剂常用于c d 2 十、h g ”、n i ”、c u 2 + 等离子的检测。c h a v a n n e 于2 0 世纪5 0 年代后期开始用于分光光度分析 4 0 4 1 1 但当时此类试帮品种不多，试剂与金 属离子生成配合物是在较强的碱性条件下，( o 2 m o l l k o 均，通过褪色反应来测 定c d 、h g ，选择性与稳定性均不够理想。二十世纪7 0 年代后期w a t a n a b l e 在用 c a d i o n 试剂光度分析测定c d 、h g 时引入表面活性剂【4 2 】，使得测定i b 和l i b 金属 离子的选择性、稳定性有较大改善。灵敏度也有所提高( 多为1 0 3 数量级) 。之 后人们用三氮烯类试剂测定人发中的镉f 4 3 1 、工业废水中的汞【、铝合金中的镍【2 8 l 及电镀废液中残留c 聊a b l 4 】。2 0 世纪8 0 年代，随着表面活性剂引入反应体系， 使该类试剂的应用范围进一步扩大，可用于t i ”、p t 4 、c n 、p d 如以及表面活性 剂的检测。如在加入表面活性剂t r i t o nx - 1 0 0 条件下测定废水、铝合金和天然水 样等，也有在加入0 p 乳化剂的条件下测定铝合金、环境水样和废水中的镉。近 些年来对含杂环的化合物研究较为活跃，如苯并噻唑、苯并咪唑、安替比林、喹 啉、吡啶等杂环三氮烯试剂不断地被合成。实验证明，含有杂环的三氮烯试剂易 合成，易提纯，且该类试剂在表面活性剂存在下，与金属离子如h g ”、c d 2 + 、a g + 、 z n ”、p d “、t 1 3 + 等金属离子有灵敏显色反应，因而用于样品中h 9 2 + 、c d “、a g + 、 z n 2 + 等的测定1 4 5 l 。而随着双三氮烯类试剂的合成，其检测灵敏度高于大多数三氮 6 第一章绪论 烯类试剂m l 。如陈昭国等合成的n 1 ，1 ( 3 ，3 - 二羧基一4 ，4 联苯撑) 双( 3 - n 苯 基三氮烯) 是对镍、铜灵敏度很高的显色剂，而4 ，4 - - - ( 2 一氯4 硝基苯基重氮氨基) 联苯【l9 】等也是灵敏度很高的显色剂。最近也有将三氮烯结构联接在聚合物中，由 此扩大了其应用范围，成为新兴的研究领域。 1 58 氨基喹啉偶氮衍生物 1 5 18 氨基喹啉偶氮衍生物的类别 8 氨基喹啉偶氮衍生物的数量和种类都很多，已报道的8 氨基喹啉偶氮衍生 物有8 位、5 位、7 位等衍生物。 8 氨基喹啉的8 偶氮衍生物主要有苯及其衍生物偶氮、萘环衍生物偶氮、杯 【4 】芳烃偶氮、8 一位形成三氮烯类等试剂。苯及其衍生物偶氮类如8 氨基喹啉的 8 偶氮衍生物8 ( 对甲苯磺酰氨基) 喹啉旧，徐建强合成的有机试剂4 ( 6 甲氧基8 喹啉偶氮) 间苯二酚【4 引。萘环偶氮类衍生物如2 ( 8 喹啉偶氮) - 7 苯基偶氮1 ，8 二羟基萘3 ，6 一二磺酸。杯 4 芳烃偶氮类衍生物如马惠民等合成了杯【4 】芳烃偶氮 氨基喹啉【4 9 】，黄章杰合成的5 , 7 二溴杯【4 】芳烃偶氮氨基喹啉1 5 。1 和5 - 磺酸杯 4 芳 烃偶氮氨基喹啉【5 1 】等。8 位形成三氮烯类衍生物如赵建为等设计合成了5 , 8 位双 偶氮类衍生物如5 - ( 苯基偶氮) - 8 - 【( 对硝基苯偶氮) 氨基】喹啉和5 - ( 苯基偶氮) 8 ( 苯 偶氮氨基) 喹啉p ”。 5 位偶氮衍生物主要为5 位偶联苯环、萘环和杂环等及其衍生物。5 位偶联 苯环及其衍生物类如r e s h a w 首次合成的5 苯基一8 氨基喹啉，石国荣等合成的 5 - ( 对硝基苯基偶氮) 8 氨基喹啉p 3 1 。又如曹秋娥等合成的5 ( 4 一氯苯偶氮) 8 氨基 喹啉【5 4 l ，以及徐继明等合成的5 ( 4 氯2 膦酸基苯基) 偶氮】- 8 氨基喹啉【5 5 】等。5 位偶联萘环及其衍生物类如赵建为等合成的1 一( 8 氨基喹啉5 偶氮) 8 羟基3 ，6 萘 二磺酸【5 6 1 。5 - 位偶联杂环类如卢文安等合成的5 ( 噻唑2 偶氮) 8 一氨基喹啉f 5 7 】。 5 一偶氮同时8 位磺酰化类试剂如赵建为等合成的一些试剂n p b s q ， a t p b s q ，m o p b s q ，n p t s q ，s p t s q ，a a p t s q p ”，曹秋娥等合成了c p b s q 和f c p b s q 等试剂【5 ”。8 - 位形成席夫碱类有5 位偶氮后8 位形成席夫碱类如张 明翠等合成的新型荧光试剂5 ( 4 氯苯偶氮) 8 水杨醛缩氨基喹啉【删。另一类为 仅8 位形成席夫碱类如康信煌合成的新型席夫碱类试剂水杨醛5 ，7 二溴8 氨基 喹啉1 6 ”，再如香草醛8 氨基喹啉1 6 2 j 等。 己合成的7 ，偶氮衍生物数量较少，只有阮传民，徐其亨合成了5 磺酸钠一7 苯偶氮8 氨基喹啉【6 3 】。 8 氨基喹啉的双偶氮衍生物在8 一氨基喹啉的8 位引入三氮烯结构，也属于杂 环三氮烯类化合物。早些时候科研人员合成的三氮烯试剂基本上不含杂环，近些 7 第一章绪论 年来如苯并噻唑、苯并眯唑、安替比林、喹啉、吡啶等杂环三氮烯试剂也不断地 被合成。如龚楚儒、徐斌等合成了安替比林类镉试剂a p l l l 】及1 一( 安替比林基) 3 ( 4 硝基苯) 三氮烯例，赵书林等合成的苯并噻唑类试剂b t d a b l l 2 抑1 - ( 6 硝基2 苯并噻唑) 3 ( 4 硝基苯) 三氮烯1 6 5 】等。杂环为喹啉的三氮烯类试剂如赵书林等合 成的喹啉基重氮氨基偶氮苯6 1 等。 1 5 28 氨基喹啉偶氮衍生物的合成方法 1 5 2 1 芳香族伯胺重氮化后与8 一氨基喹啉或其衍生物偶合 8 一氨基喹啉偶氮衍生物的合成一般采用芳香族伯胺在酸性条件下，利用重氮 化试剂得到重氮盐，然后与8 一氨基喹啉或其衍生物偶合而成。苯、萘或杂环及其 衍生物重氮化后与8 - 氨基喹啉或其衍生物偶合，如曹秋峨等合成的5 ( 4 氯苯偶 氮) 8 氨基喹啉及双8 - 氨基喹啉5 偶氮联苯【碉等。 1 5 228 - 氨基喹啉重氮化后与其它芳香族衍生物偶合 8 - 氨基喹啉偶氮衍生物的合成也可以利用8 - 氨基喹咻在酸性条件下，先重氮 化得到重氮盐，然后与其它芳香族衍生物偶合。黄章杰等合成了5 , 7 二溴杯 4 芳烃偶氮氨基喹啉f 5 0 】，5 - 磺酸杯 4 】芳烃偶氮氨基喹啉5 1 1 等。徐建强利用这种方 法合成了有机试剂4 ( 6 - 甲氧基一8 - 喹啉偶氮) - 间苯二酚【4 吼。马惠民等也利用这种 方法合成了杯【4 】芳烃偶氮氨基喹啉【4 ”。 1 5 _ 2 3 双偶氮类及含席夫碱类衍生物与含磺酰化类试剂的合成 双偶氮类的合成与单偶氮衍生物的合成相似。先在8 氨基喹啉的5 位，然后 在8 - 位上形成5 ，8 - 位双偶氮衍生物。含席夫碱类衍生物是利用8 氨基喹啉及其衍 生物中的氨基和其它芳醛中的醛基缩合而成的。如新型席夫碱类试剂水杨醛5 7 溴8 氨基喹啉2 引，以及香草醛8 氨基喹啉6 2 1 的合成。张明翠等则合成了新荧光 试剂5 - ( 4 一羧基苯偶氮) 一8 一水杨醛缩氨基喹啉唧，以及新型荧光试剂5 ( 4 氯苯偶 氮) - 8 一水杨醛缩氨基喹啉【6 0 】等。含磺酰化类试剂的合成与含席夫碱类衍生物的合 成相似，通过8 氨基喹啉的8 氨基磺酰化合成。 1 5 38 氨基喹啉偶氮衍生物的应用 以喹啉环为母体的8 一羟基喹啉及其衍生物使用较早、应用也很广泛，如用作 光度试剂、荧光试剂还有极谱试剂、色谱试剂等。8 一羟基喹啉至少能与5 0 种金 属离子配合【6 司，因而用途广泛。8 巯基喹啉类试剂也有较为广泛的用途1 6 9 j ，8 巯基喹啉可与近4 0 种金属离子配合1 6 8 1 。 原子螯合剂，只和亲氮型金属离子配合， 8 - 氨基喹啉类试剂为“氮氮”型同种配位 因此选择性很高【删，只能和大约15 种 第一章绪论 金属离子配合【6 8 】，其衍生物的应用远不如8 羟基喹啉类和8 巯基喹啉类试剂。 8 氨基喹啉类偶氮衍生物试剂己用作光度试剂，荧光试剂及极谱试剂等，显示出 美好的应用前景。 2 0 世纪3 0 年代已经合成了5 - 苯基偶氮一8 一氨基喹啉，1 9 8 3 年，b l a n c o 才将 它用于光度分析，建立了p a q p d ( i i ) 萃取光度法，也用于c n 的测定1 7 ，a q a o p s 己用于铜的水相荧光测定，是测定铜的高灵敏、高选择荧光试剂7 2 1 。a q a o p s 同时还是钯的高选择性水相光度试剂，s 为8 0 x 1 0 4 。p a q 己用于a u ( i i i ) 的萃取 荧光法测定，还可以用于钯的水相光度测定，其条件较萃取法有显著改进， a q a p o h 己用作a u ( i i i ) 的荧光试剂1 7 3 1 。实验表明，m o p a q 、r l p a q 是a u ( i i i ) 和c u ( u ) 的灵敏荧光试剂，p - c p a q ，m c p a q 也是铜的高灵敏荧光试剂，a p a q 是c o ( i i ) 的荧光试剂，也是荧光熄灭法测定n i ( i i ) 的优良试剂7 ”。 阮传民，徐其亨1 6 3 】等合成了水溶性的7 - 位衍生物s p a a q ，建立了水相荧光 法测定金的体系。在从x = 3 8 0 n m 3 2 5 n m 处产生强荧光，其线性范围为o 3 2 n g g ，检测限为o ，5 n e , g 。其它贵金属离子不干扰测定，表现出很好的选择性。 8 氨基喹啉5 ，8 - 位双偶氮衍生物选择性好，灵敏度也较高。如赵建为等5 2 】 建立了p a p a q 荧光法测定铜的新体系，其检测范围为0 8 0 p p b ，检测限为 0 5 p p b 。 1 6 荧光分析法及光度分析法基本原理 1 6 1 荧光强度与溶液浓度的关系 体系中的荧光试剂发射的荧光强度斥正比于该体系吸收的激发光光强埘， 即 f = k 。( 如一，) ( 1 f 2 ) 根据比尔定律： ，0 = 1 0 。 ( 1 3 1 式中1 0 是入射光强度，是通过厚度为b 的介质后的光强，b 是荧光分子摩尔 吸光系数，b 是液槽厚度，c 是荧光物质浓度。 由式( 12 ) 、( 1 3 ) 可得， 磊= 罄1 0 够一l 6 令 ( 1 4 ) 展开后即得p a r k e r 方程【7 9 】： j 。f = 2 3 五矗毋f pc ， 1 一( 23 e c d 21 + ( 23 pc d 2 31 一】 ( 15 ) 若e b c o0 5 ，则可以近似地写为 矗223 03 k e b c ，0 ( 16 ) 第一章绪论 当局一定时，l r = k c ( 1 7 ) 由此可见，在低浓度时，荧光强度和物质的浓度呈一定的线形关系。 1 6 2 荧光增强与荧光猝灭 荧光增强是指荧光物质的荧光强度增加的现象。大多数物质本身没有荧光， 然而和一定的荧光物质作用后，体系的荧光增强了。其原因可能是反应生成的新 物质具有更强的荧光特性，或者形成的配合物刚性增强等使体系的荧光增强。 荧光猝灭是指荧光物质的荧光强度被减少的现象。荧光猝灭的原因大致有： 加入猝灭剂后，荧光分子和猝灭剂之间形成了不发荧光的基态配合物；电 荷转移猝灭；能量转移猝灭；光化学反应猝灭；转入三重态猝灭等。 荧光猝灭可分为动态猝灭和静态猝灭。 描述动态猝灭方程可以用经典的s t e r n v o l m e r 方程： 凡= 1 + k s v e q 】( 1 8 ) 式中凡和f 分别表示猝灭剂浓度为零和猝灭剂浓度为 q 时的荧光强度，k s v 是 s t e r n v o l m e r 熄灭常数。静态熄灭表达式为； 凡= 1 + 厨 q 】( 1 9