專利名稱：用于二級(jí)pH傳感的釕(Ⅱ)多吡啶配合物及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于pH發(fā)光傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是屬于釕(II)多吡啶配合物制備及其具有在低pH值區(qū)和高pH值區(qū)分別響應(yīng)的二級(jí)pH發(fā)光傳感器特性。
傳感器或敏感器(sensor)就是對(duì)某些性質(zhì)或分析物發(fā)生響應(yīng)的分子。通常，一個(gè)敏感器由一個(gè)分子識(shí)別組分及一個(gè)響應(yīng)組分組成，前者具有在混合物中與特定物種相結(jié)合的能力，后者則能夠在結(jié)合后立即產(chǎn)生一個(gè)與之相應(yīng)的信號(hào)改變。受生物過(guò)程中自然復(fù)雜現(xiàn)象的啟示，化學(xué)家們已成功地合成了許多復(fù)雜的有機(jī)分子，如王冠醚，穴狀配體，球烷，及杯芳烴等，這些分子能與特定的離子或分子螯合，它們是分子識(shí)別的基礎(chǔ)。一般說(shuō)來(lái)，王冠醚及其相關(guān)化合物與特定物種結(jié)合后本身不能產(chǎn)生具有識(shí)別性的物理性質(zhì)改變，而這正是信號(hào)傳輸及敏感的基礎(chǔ)。為了克服這種困難，新一代的主體分子被用于該領(lǐng)域，其主要是基于過(guò)渡金屬配合物的發(fā)光傳感器。這種發(fā)光無(wú)機(jī)離子傳感器由三部分組成(1)一個(gè)離子識(shí)別位置(2)對(duì)分析物發(fā)生結(jié)合響應(yīng)的發(fā)光組分(3)識(shí)別位置及發(fā)光組分之間的化學(xué)連接。
盡管有許多發(fā)光過(guò)渡金屬配合物，只有釕多吡啶配合物及銠三羰基α-二亞胺配合物已用于發(fā)光探針。這是由于它們的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、水溶性、強(qiáng)的可見(jiàn)吸收、有效的發(fā)射及長(zhǎng)壽命的激發(fā)態(tài)。而且由于它們的激發(fā)態(tài)是極性的，其激發(fā)態(tài)特性如發(fā)射量子效率，發(fā)射壽命及氧化還原勢(shì)等在很大程度上會(huì)受到輔助配體，溶劑極性，及其他環(huán)境因素的影響。在光學(xué)傳感器中常用的測(cè)量方法是吸收、發(fā)射或折射光譜，而發(fā)射技術(shù)具有內(nèi)在的高靈敏度。由于發(fā)射波長(zhǎng)總是長(zhǎng)于入射波長(zhǎng)，這樣相對(duì)于零或近零背景讀出信號(hào)是可能的，對(duì)于發(fā)射的擾動(dòng)發(fā)射信號(hào)可以通過(guò)強(qiáng)度，強(qiáng)度比或壽命等形式來(lái)記錄。過(guò)渡金屬配合物做為發(fā)射探針有許多潛在優(yōu)勢(shì)，包括長(zhǎng)的激發(fā)態(tài)壽命及高的發(fā)射量子產(chǎn)率。與典型的納秒有機(jī)熒光探針相比，長(zhǎng)的激發(fā)態(tài)壽命使得它們很容易測(cè)量，而且對(duì)無(wú)處不在的短壽命的有機(jī)發(fā)光物質(zhì)提供了有效的時(shí)間區(qū)別。
基態(tài)吸收隨pH變化的物質(zhì)早已用于pH的定量測(cè)定及pH指示劑。但吸收光譜一般是相當(dāng)不敏感的也難用于遠(yuǎn)距離光纖及小的pH測(cè)定。在發(fā)射光譜上具有pH依賴的發(fā)光分子可用作靈敏的pH指示劑。相當(dāng)多的生命現(xiàn)象都是在一定的pH條件下進(jìn)行的，正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞中的pH有明顯的差別。細(xì)胞中pH值的快速準(zhǔn)確測(cè)定對(duì)于腫瘤診斷也是很有意義的，然而傳統(tǒng)的pH計(jì)是無(wú)能為力的。具有靈敏度高、體積小、能遠(yuǎn)距離測(cè)定的發(fā)光pH傳感器在這方面應(yīng)該具有潛在的應(yīng)用。盡管這種發(fā)光pH傳感器還處于早期研究階段，文獻(xiàn)報(bào)道還不多見(jiàn)，其前景是很好的。1992年格里格首次在英國(guó)化學(xué)會(huì)志的化學(xué)通訊上(R．Grigg，E．D．J．A．Norgert，J．Chem．Soc．Chem．Commun．1992，1300．)報(bào)道了基于聯(lián)吡啶釕配合物的發(fā)光pH傳感器，它們是聯(lián)吡啶釕通過(guò)亞甲基與各種胺相連，通過(guò)胺的質(zhì)子化與去質(zhì)子化來(lái)影響配合物的發(fā)射而產(chǎn)生pH敏感，配合物的發(fā)射性質(zhì)隨pH的變化而變化。1994年格里格又在英國(guó)化學(xué)會(huì)志的化學(xué)通訊(R．Grigg，J．M．Holmes，S．K．Jones，E．D．J．A．Norgert，J．Chem．Soc．Chem．Commun．1994，185．)報(bào)道了以聯(lián)吡啶釕為發(fā)光單元，杯芳烴作為酸堿敏感單元的發(fā)光pH傳感器，研究了這些化合物的發(fā)射隨pH變化的特性。盡管報(bào)道的這些分子的發(fā)射性質(zhì)具有pH敏感特性，但化合物的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，配體杯芳烴2，2＇-聯(lián)吡啶及5，5＇-二甲基聯(lián)吡啶不易合成合成，且對(duì)pH只是一級(jí)敏感(即只在一個(gè)特定pH范圍內(nèi)敏感，如pH1-6或者pH7-11)。
本發(fā)明的目的在于克服上述缺點(diǎn)，提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的釕(II)多吡啶配合物，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將含氮的電子給體共價(jià)鍵與釕配合物相連接，通過(guò)分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)了配合物的發(fā)射對(duì)pH的依賴，并利用含氮給體的質(zhì)子化和去質(zhì)子化實(shí)現(xiàn)其發(fā)射強(qiáng)度對(duì)pH在低值和高值區(qū)域分別響應(yīng)，使其具有二級(jí)敏感的特性，用于高靈敏度二級(jí)發(fā)光pH傳感器。且?guī)в兴釅A敏感基團(tuán)的配體通過(guò)最容易得到的5，6-菲羅啉二酮與醛一步得到，且產(chǎn)率很高(70％-80％)。本發(fā)明的釕(II)多吡啶配合物的結(jié)構(gòu)式如

圖1所示。 本發(fā)明的釕多吡啶配合物的制備方法按如下步驟進(jìn)行將Ru(bpy)2Cl2·2H2O與菲羅啉咪唑配體按1∶1摩爾比與水-乙醇(1∶1，v／v)溶劑回流4-8小時(shí)，冷卻后過(guò)濾，將濾液除去溶劑，加入飽和高氯酸鈉水溶液，得沉淀。將此沉淀用柱層析后經(jīng)重結(jié)晶后得純凈的產(chǎn)物。溶劑為乙醇于水的混合溶劑，其體積比為2∶1～5∶1。柱層析可用硅膠或三氧化二鋁，淋洗液為丙酮與甲苯的混合物，體積比為2∶1～5∶1。
Ru(bpy)2Cl2·2H2O的制法為將RuCl3·3H2O與2，2＇-聯(lián)吡啶按摩爾比1∶1于二甲基甲酰胺中回流3小時(shí)，濃縮后析出紫黑色結(jié)晶，過(guò)濾即得。菲羅啉咪唑衍生物配體的合成為將5，6-菲羅啉二酮與取代的對(duì)氨基苯甲醛按1∶1的摩爾比加入2．5當(dāng)量的醋酸銨在冰醋酸中回流1小時(shí)后，冷卻，用濃氨水中和，此時(shí)析出黃色固體，過(guò)濾后用甲醇重結(jié)晶得到純的菲羅啉咪唑衍生物配體。其中菲羅啉咪唑衍生物配體為通式圖2 本發(fā)明制備的釕多吡啶配合物在可見(jiàn)光區(qū)有強(qiáng)的吸收，在低pH的水溶液中有強(qiáng)的發(fā)射，隨pH的增加發(fā)射減弱，當(dāng)pH增至含氮電子給體中氮原子去質(zhì)子時(shí)，發(fā)射強(qiáng)度急劇減弱，表現(xiàn)出高的pH敏感性。在pH進(jìn)一步升高到咪唑二級(jí)氮原子上的氫原子電離時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)一步減弱，這時(shí)表現(xiàn)出對(duì)pH的第二級(jí)敏感。因此本發(fā)明的配合物可用于二級(jí)敏感的發(fā)光pH傳感器。
該發(fā)明利用了含氮強(qiáng)電子給體能有效地淬滅釕(II)多吡啶配合物的發(fā)射這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了將含氮強(qiáng)電子給體共價(jià)鍵與釕配合物相連接的目標(biāo)化合物，通過(guò)分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)化合物的發(fā)射對(duì)pH的依賴，并利用了氮原子的質(zhì)子化與去質(zhì)子化及氫原子的電離等性質(zhì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)pH變化具有二級(jí)敏感的特性，即在pH3-6和pH9-11兩個(gè)區(qū)域。目標(biāo)化合物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制備易行，分子穩(wěn)定，發(fā)射強(qiáng)且對(duì)pH變化敏感度高?？捎糜诟哽`敏度的二級(jí)發(fā)光pH傳感器。
下面結(jié)合實(shí)施例詳述本發(fā)明實(shí)施例1釕(II)吡啶配合物1的制備方法0．2mmol Ru(bpy)2Cl2·2H2O，0．2mmol，0．2mmol菲羅啉咪唑配體(結(jié)構(gòu)為圖2中，R=H)，20ml乙醇-水(3∶1，v／v)回流5小時(shí)，溶液變?yōu)樽丶t色。冷卻后過(guò)濾，蒸去乙醇加入5ml水溶解后，再加入10ml飽和高氯酸鈉水溶液，立即析出黃色沉淀，過(guò)濾，用硅膠柱層析，丙酮／甲苯(2∶1，v／v)淋洗得產(chǎn)物，產(chǎn)率75％。此化合物的鑒定紫外吸收λmax(CH3CN)453．5nm(ε=1．661×104)。核磁共振1HNMR(CD3CN)8．98-8．95(dd，2H)，8．57-8．50(q，4H)，8．41(s，1H)，8．07(ddd，2H)，7．99-7．96(m，4H)，7．84-7．82(dd，2H)，7．74-7．72(q，2H)，7．55-7．54(m，2H)，7．42(m，2H)，7．18(m，2H)。元素分析分子式Ru(C33H24N8)·2ClO4·3H2O，理論值C，44．71％，H，3．41％，N，12．64％，測(cè)量值C，45．24％，H，3．52％，N，12．93％。
在給定pH時(shí)，化合物1的吸收波長(zhǎng)及發(fā)射量子產(chǎn)率于表一，其pKa值例于表二。其中含咪唑既是弱酸又是弱堿，故介質(zhì)pH變化會(huì)影響其發(fā)射，化合物1有如下的平衡關(guān)系 當(dāng)pH低時(shí)，發(fā)射主要來(lái)于質(zhì)子化的配合物；pH高時(shí)，發(fā)射主要來(lái)自去質(zhì)子的化合物1，故在pH0．35-13間發(fā)射出現(xiàn)兩個(gè)明顯的突變。
實(shí)施例2釕多吡啶配合物2(結(jié)構(gòu)如圖1中 制備方法同化合物1，所用菲羅啉咪唑配體為圖2中R= 產(chǎn)率，58％。此化合物的鑒定紫外吸收λmax(CH3CN)457．5nm(ε=2．40×104)。核磁共振1HNMR(CD3CN)8．88(dd，2H)，8．57-8．51(t，4H)，8．07(t，2H)，7．94-7．83(m，8H)，7．64-7．59(m，4H)，7．43(t，2H)，7．23(t，2H)，6．70-6．67(d，2H)，2．96(s，6H)。元素分析分子式Ru(C41H33N9)·2ClO4·2H2O，理論值C，49．86％，H，3．78％，N，12．76％，測(cè)量值C，50．12％，H，3．85％，N，12．23％。在給定pH時(shí)化合物2的吸收波長(zhǎng)，發(fā)射波長(zhǎng)及發(fā)射量子產(chǎn)率例于表1，其pKa值例于表2。對(duì)于化合物2，存在下面的酸堿平衡關(guān)系 當(dāng)pH＜1時(shí)，咪唑及N，N-二甲基苯胺上的三N原子均被質(zhì)子化，隨著pH的增加咪唑和苯胺上的N原子相繼去質(zhì)子化，2的發(fā)射有較大的減弱，故在低pH區(qū)域(pH＜6)，這種發(fā)射的減弱來(lái)源于苯胺向釕配合物的分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移，當(dāng)pH進(jìn)一步升高到達(dá)咪唑上二級(jí)N上的H發(fā)生電離，這時(shí)2的發(fā)射減弱來(lái)自于苯胺向配合物的電子轉(zhuǎn)移及負(fù)離子本身使配合物物的發(fā)射減弱，敏感度大大提高。
表1．化合物1、2在給定pH時(shí)的吸收波長(zhǎng)、發(fā)射波長(zhǎng)及發(fā)射量子產(chǎn)率
表2．1、2的pka值 a經(jīng)MLCT曲線得到，b經(jīng)紫外的吸收變化得到。
權(quán)利要求
1．一種釕(II)多吡啶配合物，其特征在于將含氮的電子給體共價(jià)鍵與釕(II)配合物相連接，其通式為
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述一種釕(II)多吡啶配合物的制法，其特征在于按如下步驟進(jìn)行將二(2，2＇-聯(lián)吡啶)-二氯-二水合釕(II)與菲羅啉咪唑衍生物按摩爾比1∶1在體積比為2∶1～5∶1的乙醇-水中回流5數(shù)小時(shí)，除去溶劑，進(jìn)行硅膠柱層析，用1∶1～4∶1的丙酮／甲苯溶液作淋洗液淋洗。所述的菲羅啉咪唑衍生物配體的結(jié)構(gòu)為通式
3．如權(quán)利要求2所述的一種釕(II)多吡啶配合物的制法，其特征在于所述的溶劑為乙醇與水的混合物，其體積比例為3∶1。
4．如權(quán)利要求2所述的一種釕(II)多吡啶配合物的制法．其特征在于所述的層析處理，可為硅膠或氧化鋁層析柱，其淋洗液為丙酮與甲苯的混合物，體積比可為2∶1。
全文摘要
本發(fā)明涉及pH發(fā)光傳感器技術(shù)領(lǐng)域,釕(Ⅱ)多吡啶配合物通式與結(jié)構(gòu)如圖所示其制法是將二(2,2′－聯(lián)吡啶)－二氯－二水合釕(Ⅱ)與菲羅啉咪唑衍生物配體按摩爾比1∶1在溶劑中回流數(shù)小時(shí),除去溶劑,經(jīng)層析處理得到目標(biāo)化合物。本發(fā)明的化合物是將含氮的電子給體共價(jià)鍵與釕配合物相連,通過(guò)分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)了配合物的發(fā)射對(duì)pH的依賴。并利用含氮給體的質(zhì)子化和去質(zhì)子化實(shí)現(xiàn)其發(fā)射強(qiáng)度對(duì)pH在低值和高值的區(qū)別響應(yīng),其具有二級(jí)敏感特性,可用于二級(jí)pH傳感器。
文檔編號(hào)C07D487/14GK1289774SQ9911964
公開日2001年4月4日 申請(qǐng)日期1999年9月24日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月24日
發(fā)明者張曼華, 敬炳文, 陳申, 沈濤, 沈建權(quán) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所