一种吡啶并吡嗪酮离子化合物及其制备方法与应用与流程

1.发明属于有机功能分子研究领域，具体涉及一种吡啶并吡嗪酮离子化合物及其制备方法与应用。


背景技术：

2.有机化合物荧光剂被广泛应用于生物成像、荧光传感器、食品安全检测等领域。荧光剂的实际应用环境大部分是在水相中进行，这里就存在荧光剂的水溶性问题。然而，大部分有机化合物的水溶性极差，严重影响荧光剂在水体中的应用。因此，发展水溶性的有机荧光剂具有重要的意义，可以拓宽荧光剂的应用场景。要获取这类化合物需要解决合成技术的问题。早期有研究者报道采用2
‑
吡啶甲酰胺或2
‑
吡啶甲酸乙酯与alpha
‑
溴代乙酮类化合物反应合成了一类吡啶并吡嗪酮离子化合物(j heterocyclic chem.,1990,27,1673.)。但是这些合成方法只提供了个例化合物的合成，而且反应时间长、需要分步反应，同时文献也没报道此类化合物的荧光特性。


技术实现要素：

3.为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种如式(1)的高效、简便合成吡啶并吡嗪酮离子化合物的反应技术，解决使用2
‑
氰基吡啶直接与alpha
‑
溴代乙酮类化合物直接环化反应时间长的技术难题。
4.本发明的另一目的在于提供一种具有荧光特性的吡啶并吡嗪酮离子化合物，如结构式(i)所示吡啶并吡嗪酮溴化物。
5.本发明的再一目的在于提供上述吡啶并吡嗪酮离子化合物的应用。
6.本发明还提供了一种对ph和金属离子有特异响应的吡啶并吡嗪酮离子化合物。
[0007][0008]
本发明目的通过以下技术方案实现：
[0009]
一种吡啶并吡嗪酮溴化物，其结构通式如式(i)所示：
[0010]
[0011]
式(i)中ar是苯环，萘环，或者是带有取代基的芳环或芳杂环；
[0012]
带有取代基的芳环选自含取代基的苯环、萘环：
[0013]
带有取代基的芳杂环则选自以下几类：
[0014]
(1)带有取代基的苯并杂环类：包括香豆素、异喹啉，咪唑并吡啶，吲哚环，吲唑，苯并噻吩等。
[0015][0016]
(2)带有取代基的五元杂环，例如：呋喃、噻吩、噻唑、吡咯
[0017][0018]
其中，r1选自h、c1‑
c6烷基、卤素、c1‑
c6烷氧基、羟基、酯基、氰基；
[0019]
r2选自h、c1‑
c6烷基、卤素、c1‑
c6烷氧基、羟基、酯基、氰基；
[0020]
所述的c1‑
c6烷基的含义是指具有1
‑
6个碳原子的直链或支链烷基，非限定性地，例如可以为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、正己基、环己基，或者更长的直链或者支链烷基等。
[0021]
所述的c1‑
c6烷氧基是指上述c1‑
c6烷基与o原子相连后的基团。
[0022]
所述的卤素的含义是指卤族元素，非限定地，例如可以为f、cl、br或i。
[0023]
优选的，所述吡啶并吡嗪酮溴化物为以下结构式所示的化合物：
[0024][0025]
为了开发出新型的制备技术并得到上述化合物，发明人进行了深入的研究，在付出了大量的创造性劳动后，研究发现在镍盐体系的催化下，可以选择性地使2
‑
氰基吡啶与alpha
‑
溴代乙酮类化合物直接环化一步合成吡啶并吡嗪酮溴化物。此方法原料易得，操作简单，与多种杂环或者官能团兼容，产率中等至优，是一种高效制备吡啶并吡嗪酮的方法。
[0026]
一种高效制备吡啶并吡嗪酮的方法包括以下步骤：在镍盐的存在下，通过化合物ⅱ与alpha
‑
溴代乙酮(化合物ⅲ)在溶剂中进行反应，从而制得式ⅰ的吡啶并吡嗪酮溴化物；其合成路线如式(1)所示：
[0027]
[0028]
式中取代基r1、芳环ar的优选范围如前所述。
[0029]
本发明所述的合成方法，化合物ⅱ与alpha
‑
溴代乙酮的摩尔比为1:1
‑
4，非限定性地，例如可以为1:1、1:1.2、1:1.5、1:2.0、1:3.0或1:4.0。
[0030]
本发明的所述合成方法中，化合物ⅱ与镍盐的摩尔比为1:0.05
‑
2，非限定性地，例如可以为1:0.05、1:0.1、1:0.5、1:1、1:2。
[0031]
本发明所述的合成方法，所述镍盐为氯化镍、氟化镍、溴化镍或硫酸镍中的一种以上。
[0032]
在本发明的所述合成方法中化合物ⅱ与化合物ⅲ进行反应时的反应溶剂为有机溶剂或有机溶剂与水混合溶剂，例如非限定性地可以是乙腈、乙腈与水混合溶剂、n,n
‑
二甲基甲酰胺(dmf)与水混合溶剂、乙醇与水混合溶剂、二甲基亚砜(dmso)与水混合溶剂、四氢呋喃与水混合溶剂、n,n
‑
二甲基甲酰胺(dmf)、乙醇、甲醇、二甲基亚砜(dmso)、四氢呋喃、正丙醇、异丙醇、丁醇、戊醇、丙酮、2
‑
丁酮等中的任意一种或多种，最优选为乙腈与水混合溶剂。
[0033]
在本发明的所述合成方法中，乙腈与水混合溶剂体积比例为1:0
‑
2，非限定性地，例如可以为1:0、1:0.1、1:0.5、1:1、1:2。
[0034]
在本发明的所述合成方法中，反应温度为100
‑
140℃，非限定性地，例如可以为100℃、120℃、130℃、140℃。
[0035]
在本发明的所述合成方法中，反应结束后的后处理可以采用有机合成领域中的任何公知的常规处理手段，例如结晶、柱层析提纯、萃取等中的任何一种处理手段或多种处理手段的组合。作为一种举例性的后处理手段，例如可以为：反应完毕后，用旋转蒸发仪从反应结束后得到的混合物中除去溶剂，残留物用300
‑
400目硅胶柱层析提纯得到目标产物，柱层析过程可以用tlc跟踪监控而确定合适的洗脱终点。
[0036]
本发明通过使用含有2
‑
氰基吡啶直接与alpha
‑
溴代乙酮类化合物为原料，通过使用镍盐为催化剂，以及其它工艺参数的合适选择和组合，而一步得到了吡啶并吡嗪酮溴化物。
[0037]
本发明化合物i具有优异的蓝色荧光和黄绿色荧光性能，因此可应用于制备荧光材料。
[0038]
一种对ph值敏感的荧光化合物i
‑8[0039][0040]
荧光化合物i
‑
8的荧光受溶液ph变化而变化，当ph变小时荧光显色剂(荧光化合物i
‑
8)在溶液中的最大发射波长会发生转变，在365nm紫外灯照射下，ph变小时荧光颜色从绿色向蓝色转变，变色区间为ph＝3.5～4.9，荧光化合物i
‑
8可应用于对有机酸水溶液的酸度检测、以及对金属离子水溶液的酸度检测。
[0041]
由于荧光化合物i
‑
8具有独特的响应变色区间为ph＝3.5～4.9，同时对铁、铝金属
离子有特异性响应。因此可以作为ph探针应用于相关领域检测，可用于检测水杨酸和烟酸等植物内源酸，不受氨基酸的影响；或用于特异性检测fe
3
和al
3
离子。
[0042]
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
[0043]
本发明制备方法反应时间短、原料廉价易得、产物收率和纯度高等诸多优点，为新型吡啶并吡嗪酮化合物的制备提供了有效的合成方法，具有良好的研究价值和应用前景。寻找对ph有独特响应的吡啶并吡嗪酮结构，提供对ph有独特响应的吡啶并吡嗪酮结构应用开发研究，测定了化合物i
‑
8在溶液中的荧光变化与ph值的关系，提供了对有机酸水溶液的ph值检测，以及对金属离子的检测实例。
附图说明
[0044]
图1为实施例3中100μm的化合物i
‑
1～i
‑
12的甲醇溶液的荧光测试结果。
[0045]
图2为实施例4中10μm样品在不同ph的100mm磷酸二氢钠
‑
磷酸氢二钠缓冲溶液缓冲溶剂中的荧光发射光谱。
[0046]
图3为实施例4中10μm样品在不同ph的磷酸二氢钠
‑
磷酸氢二钠缓冲溶液缓冲溶剂中的最大荧光强度。
[0047]
图4为实施例4中10μm样品在不同ph的磷酸二氢钠
‑
磷酸氢二钠缓冲溶液缓冲溶剂中的最大发射波长。
[0048]
图5为实施例5中10μm样品在不同浓度有机酸水溶液中的最大发射波长。
[0049]
图6为实施例6中10μm样品在不同浓度金属离子溶液中的荧光最大发射波长。
具体实施方式
[0050]
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0051]
实施例1
‑
2中使用的反应溶剂为乙腈与水混合溶剂，二者体积比例为1:0
‑
2。
[0052]
实施例1.1
‑
氧代
‑3‑
苯基
‑
1,2
‑
二氢吡啶[1,2
‑
a]吡嗪
‑5‑
溴化铵(i
‑
1)的合成。
[0053]
合成路线为：
[0054][0055]
具体包括以下步骤：
[0056]
将上式化合物(
ⅱ‑
1)、化合物(
ⅲ‑
1)、氯化镍，使其摩尔比为1:1.5:0.5，其中式(
ⅱ‑
1)化合物为2mmol。将反应体系在140℃下搅拌反应12小时。反应结束后冷却，反应体系旋蒸，除去溶剂，剩余物用硅胶柱层析，二氯甲烷
‑
甲醇10:1淋洗，tlc检测，合并含有产物的流出液，旋转蒸发仪蒸馏除去溶剂，真空干燥得到黄色固体的目标产物，产率为79％，纯度为99.4％(hplc)。
[0057]
本实施例制得的化合物i
‑
1的核磁共振氢谱，核磁共振碳谱和红外光谱的检测数
据如下：
[0058]1h nmr(600mhz,dmso
‑
d6)δ13.13(s,1h),9.55
–
9.37(m,1h),8.83
–
8.66(m,2h),8.64(t,j＝8.1hz,1h),8.46(t,j＝7.1hz,1h),7.91
–
7.82(m,2h),7.66
–
7.55(m,3h).
[0059]
13
c nmr(151mhz,dmso)δ156.8,142.4,139.0,138.3,138.1,131.9,130.4,129.9,129.7,127.8,126.7,110.5.
[0060]
实施例2.8
‑
(甲氧羰基)
‑1‑
氧代
‑3‑
苯基
‑
1,2
‑
二氢吡啶[1,2
‑
a]吡嗪
‑5‑
溴化铵(i
‑
8)的合成。
[0061]
合成路线为：
[0062][0063]
具体包括以下步骤：
[0064]
将上式化合物(
ⅱ‑
8)、原料(
ⅲ‑
8)、氯化镍，使其摩尔比为1:1.5:0.5，其中式(
ⅱ‑
8)化合物为2mmol。将反应体系在140℃下搅拌反应12小时。反应结束后冷却，反应体系旋蒸，除去溶剂，剩余物用硅胶柱层析，二氯甲烷
‑
甲醇10:1淋洗，tlc检测，合并含有产物的流出液，旋转蒸发仪蒸馏除去溶剂，真空干燥得到黄色固体的目标产物，产率为13％，纯度为99.5％(hplc)。
[0065]
本实施例制得的化合物(i
‑
8)的核磁共振氢谱，核磁共振碳谱和红外光谱的检测数据如下：
[0066]1h nmr(600mhz,tfa)δ9.48(s,1h),9.22(d,j＝6.6hz,1h),8.79(d,j＝6.5hz,1h),8.25(s,1h),7.74(d,j＝7.6hz,2h),7.66(t,j＝7.5hz,1h),7.59(t,j＝7.7hz,2h),4.16(s,3h).
[0067]
13
c nmr(151mhz,tfa)δ165.3,159.4,144.3,143.2,141.7,138.5,135.8,133.3,132.3,130.3,129.2,128.7,113.4,57.8.
[0068]
实施例3：本发明记录了不同100μm化合物(i
‑
1～i
‑
12)甲醇溶液的荧光光谱图如图1，表1为荧光光谱仪测试参数。结果表明化合物i可以作为蓝色和黄绿色荧光材料。
[0069]
表1，荧光光谱仪测试参数
[0070]
[0071][0072]
本发明还筛选出对ph有独特响应的吡啶并吡嗪酮结构(i
‑
8)，提供了上述有特定性质吡啶并吡嗪酮应用开发研究。
[0073]
实施例4：化合物i
‑
8对ph有独特响应的应用开发研究。
[0074]
称取18mg化合物i
‑
8溶解于1l去离子水中制得50μm的化合物i
‑
8水溶液a；配制ph为7.0、6.0、4.9、4.1、3.5、3.1、2.0的100mm不同ph的磷酸二氢钠
‑
磷酸氢二钠缓冲溶液为溶液b；
[0075]
10μm样品在不同ph的100mm磷酸二氢钠
‑
磷酸氢二钠缓冲溶液中的荧光发射光谱：溶液a与溶液b以体积比1:4混合、震荡1min后制得溶液c，使用荧光光谱仪测溶液c荧光发射光谱，表2为荧光光谱仪测试参数。
[0076]
结果如图2、图3、图4。化合物i
‑
8对ph有独特响应，当在不同ph的磷酸二氢钠
‑
磷酸氢二钠缓冲溶液中，随着ph变小，化合物i
‑
8在430nm波长下的最大激发光强先变大再逐渐变小，化合物的荧光由绿色向蓝色过度。当ph在7.0
‑
4.9时，化合物i
‑
8在430nm波长的最大发射波长大于500，化合物荧光为绿色；当ph降低到4.9时化合物i
‑
8的最大发射波长开始明显变小，化合物i
‑
8荧光从绿色开始变为青蓝色，当ph降低到3.5时化合物i
‑
8在430nm波长的最大发射波长小于485nm荧光完全变为蓝色。
[0077]
表2，荧光光谱仪测试参数
[0078][0079][0080]
实施例5
[0081]
为验证化合物i
‑
8对有机酸酸度的响应，提供了化合物i
‑
8对不同浓度的甘氨酸、l
‑
半胱氨酸、水杨酸、烟酸、乙酸水溶液的响应：
[0082]
称取7.2mg化合物i
‑
8溶解于1l去离子水中制得20μm的化合物i
‑
8水溶液d；配制浓
度分别为0、2μm、20μm、200μm的甘氨酸、l
‑
半胱氨酸、水杨酸、烟酸、醋酸去离子水溶液为溶液e；
[0083]
10μm样品在不同浓度的甘氨酸、l
‑
半胱氨酸、水杨酸、烟酸、乙酸中的荧光发射光谱：溶液d与溶液e以体积比1:1混合、震荡1min后制得溶液f，使用荧光光谱仪测溶液f荧光发射光谱，荧光光谱仪测试参数为表3。
[0084]
结果如图5。氨基酸为两性物质，水杨酸pka＝2.98、烟酸pka＝4.85、乙酸pka＝4.74，它们在水溶液的ph排序应为水杨酸>乙酸>烟酸>甘氨酸＝l
‑
半胱氨酸。当有机酸水杨酸、乙酸、烟酸浓度上升时，在430nm激发波长下化合物i
‑
8的最大发射波长呈下降趋势，当浓度大于等于100μm时荧光由绿色转为青蓝色，下降趋势水杨酸>乙酸>烟酸；当有机酸甘氨酸/l
‑
半胱氨酸浓度上升时，在430nm激发波长下化合物i
‑
8的最大发射波长并无明显变化，实验结果符合理论。
[0085]
表3，荧光光谱仪测试参数
[0086][0087][0088]
实施例6
[0089]
为验证化合物i
‑
8对不同浓度金属离子溶液酸度的响应，提供了化合物i
‑
8对不同浓度的nacl、mgso4、alcl3、zn(no3)2、febr3、cucl2、cacl2水溶液的响应：
[0090]
实验步骤参照实施例4，荧光光谱仪测试参数为表4。
[0091]
结果如图6所示。mg(oh)2、al(oh)3、zn(oh)2、fe(oh)3、cu(oh)2、ca(oh)2的k
sp
分别为1.8
×
10
‑
11
、1.3
×
10
‑
33
、7.1
×
10
‑
18
、3.2
×
10
‑
38
、5.0
×
10
‑
20
、5.5
×
10
‑6。nacl、mgso4、alcl3、zn(no3)2、febr3、cucl2、cacl2水溶液同等浓度下ph排序应为febr3>alcl3>cucl2>zn(no3)2>mgso4>cacl2>nacl。当金属离子浓度为1mm时可计算出febr3、alcl3、cucl2溶液ph分别为2.5、4.0、5.7。当febr3、alcl3浓度上升时，在430nm激发波长下化合物i
‑
8的最大发射波长呈下降趋势，当浓度大于等于100μm时荧光由绿色转为青蓝色，下降趋势febr3>alcl3；当cucl2、zn(no3)2、mgso4、cacl2、nacl浓度上升时，在430nm激发波长下化合物i
‑
8的最大发射波长并无明显变化，实验结果符合理论。
[0092]
表4，荧光光谱仪测试参数
[0093]
激发波长430.0nm扫描开始波长440.0nm扫描结束波长830.0nmex狭缝宽度2.5nmem狭缝宽度2.5nm
pmt电压600v
[0094]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。