苝二酰亚胺类新型小分子荧光探针的设计与合成

论文摘要

荧光探针具有高选择性、较强的灵敏性、便捷的操作及响应快等特点,被应用到化学、生物以及环境科学等领域进行对分析物的感应和监测中。由于探针技术的诸多优点,且制备成本较低,越来越多的科研人员对设计开发不同功能的探针化合物产生浓厚的兴趣。铁元素是生物体内不可或缺的重要组成元素,它在维持生物体各项机能的运作中起到了关键性的作用。然而,铁的含量超标或者过低也会引起生物体多种病症。在我们日常生活环境中,对于铁元素的探测是不容忽视的。本文对多种Fe3+离子荧光探针进行调研,并在多种荧光发色团中选择了花二酰亚胺（PDI）作为研发对象。花二酰亚胺类化合物具有较高的荧光量子产率、优越的光化学稳定性,并且可在其湾位（1,6,7,12位置）以及酰胺位进行化学衍生。目前,越来越多的科学工作者对开发苝二酰亚胺类荧光探针给予了极大的兴趣。本文选择专一性强、副反应少的Cu（I）催化点击化学反应（click chemistry）合成了几个离子受体,并将其与花四羧酸二酐缩合,合成了几个新型的花二酰亚胺类荧光探针,初步探索了该荧光探针的离子选择性。第一章主要介绍了荧光产生的机理和发光机制的类别以及荧光探针的意义、分类及其应用,初步介绍了花二酰亚胺类化合物的基本性质；并介绍了设计、合成五种花二酰亚胺类荧光探针的研究背景和意义。第二章主要报道了两个基于PET机理的苝二酰亚胺荧光探针的合成及其表征。这两个PDI染料因分别含有四条三乙二醇或三乙二醇单甲醚链,在有机溶剂和水中具有较好的溶解度。研究发现：它们在乙腈、纯水和乙腈／水（1：1）混合液中,都对Fe3+离子表现出了较好的选择性。通过Job滴定和Benesi-Hildebrand方程,获得了它们与Fe3+的结合比和结合常数。第三章主要报道了三个基于FRET机理的花二酰亚胺荧光探针的合成及其表征,并进一步探讨了其对Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、 Fe2+、Fe3+、Pb2+、Mn2+、Cu2+、Ag+等阳离子的响应情况,并对实验结果进行了较为详细的分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 荧光
• 1.2.1 荧光的应用
• 1.2.2 荧光产生的机理
• 1.2.3 荧光产生的条件
• 1.2.4 荧光参数
• 1.2.4.1 荧光量子产率
• 1.2.4.2 斯托克位移
• 1.2.4.3 荧光强度
• 1.2.4.4 荧光寿命
• 1.2.5 荧光探针的分类
• 1.2.6 荧光探针产生信号的机制
• 1.2.6.1 光诱导电子转移（Photoinduced electron transfer,PET）
• 1.2.6.2 分子内电荷转移（Interamolecular Charge Transfer,ICT）
• 1.2.6.3 荧光共振能量传递（Fluorescence Resonance Energy Transfer,FRET）
• 1.2.6.4 激基缔合物（Excimer）
• 1.2.7 识别基团的种类
• 1.2.7.1 冠醚类
• 1.2.7.2 杯芳烃类
• 1.2.7.3 环糊精类
• 1.2.7.4 含氮杂环和类杂环
• 1.2.7.5 其它识别基团
• 1.3 苝二酰亚胺类化合物的性质及其研究进展
• 1.3.1 苝二酰亚胺类化合物的基本性质
• 1.3.2 苝二酰亚胺类荧光探针的研究进展
• 1.4 选题依据及主要研究内容
• 1.4.1 选题依据及目的
• 1.4.2 主要工作
• 3+离子的选择性研究'>第二章 两种PET型苝二酰亚胺荧光探针的合成及其对Fe³⁺离子的选择性研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 仪器和药品
• 2.1.2 产物表征方法
• 2.1.3 荧光探针PDI-OH、PDI-OMe的合成与结构表征
• 2.1.3.1 合成路线
• 2.1.3.2 合成步骤与结构表征
• 2.1.4 测试溶液的配置以及荧光量子产率的测量
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 中间体及目标分子的合成
• 2.2.2 中间体和目标化合物的表征
• 1H NMR）'>2.2.2.1 核磁共振氢谱（¹H NMR）
• 13C NMR)'>2.2.2.2 核磁共振碳谱(¹³C NMR)
• 2.2.2.3 质谱（MS）
• 2.2.2.4 高分辨质谱（HRMS）
• 2.2.3 PDI-OMe和PDI-OH的光物理性质研究
• 2.2.3.1 PDI-OMe和PDI-OH的紫外-可见吸收光谱
• 2.2.3.2 PDI-OMe和PDI-OH对不同金属离子的选择性研究
• 3+离子滴定实验'>2.2.3.3 PDI-OMe与PDI-OH在乙腈和水（1：1,v/v）中的Fe³⁺离子滴定实验
• 3+和PDI-OH-Fe³⁺的抗干扰实验'>2.2.3.4 PDI-OMe-Fe³⁺和PDI-OH-Fe³⁺的抗干扰实验
• 2.2.3.5 Job曲线和结合常数的测定
• 2.2.3.6 PDI-OMe和PDI-OH的荧光参数测定
• 2.2.4 PDI-OMe和PDI-OH的物理性质研究
• 2.3 本章小结
• 第三章 FRET型苝二酰亚胺荧光探针的合成及其离子选择性研究
• 3.1 分子设计
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 仪器
• 3.2.2 试剂
• 3.2.3 表征方法
• 2、PDI-BDP-I和PDI-BDP-2荧光探针分子的合成与表征'>3.2.4 PDI（DSBDP）₂、PDI-BDP-I和PDI-BDP-2荧光探针分子的合成与表征
• 2、PDI-BDP-1和PDI-BDP-2的合成路线'>3.2.4.1 PDI（DSBDP）₂、PDI-BDP-1和PDI-BDP-2的合成路线
• 3.2.4.2 合成步骤与结构表征
• 3.2.5 测试溶液的配置
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 中间体及目标分子的合成
• 3.3.2 中间体和目标化合物的表征
• 2的光物理性质'>3.3.3 PDI（DSBDP）₂的光物理性质
• 2紫外-可见吸收光谱'>3.3.3.1 PDI（DSBDP）₂紫外-可见吸收光谱
• 2在不同溶剂中结合各金属离子后的荧光发射光谱'>3.3.3.2 PDI（DSBDP）₂在不同溶剂中结合各金属离子后的荧光发射光谱
• 3.3.4 PDI-BDP-1的光物理性质
• 3.3.4.1 PDI-BDP-1紫外-可见吸收光谱及分子内FRET
• 3.3.4.2 PDI-BDP-1在不同溶剂中结合各金属离子后的荧光发射光谱
• 3.3.5 PDI-BDP-2的光物理性质
• 3.3.5.1 PDI-BDP-2紫外-可见吸收光谱
• 3.3.5.2 PDI-BDP-2在不同溶剂中结合各金属离子后的荧光发射光谱
• 3.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 个人简历
• 参与的科研项目及成果