技术领域
本发明涉及有机合成领域，具体而言，涉及一种荧光探针化合物及其制备方法和应用。
背景技术
有机磷化合物农药，是一类磷酸酯类化合物或者其衍生物。这类物质对乙酰胆碱酯酶(acetylcholinesterase，AchE)活性有强烈的抑制作用，致使乙酰胆碱在人、畜体内过量蓄积，从而引起胆碱能神经系统功能严重紊乱，出现中毒症状。因此，这类物质具有毒性强、作用快的特点，使用不当会对人类健康、乃至生命造成很大的威胁。
具体的，有机磷农药中，一类常具有神经毒气作用，常用作战争时的化学武器。最具代表性的四个神经性毒剂是塔崩(Tabun)、沙林(Sarin)、梭曼(Soman)和维埃克斯(VX)。它们的分子结构中含有P-CN键和P-F键或P-SCH2CH2N(R)2键。
另外一类有机磷化合物常用作杀虫剂，是我国使用广泛、用量最大的杀虫剂，主要包括敌敌畏、对硫磷、甲拌磷、内吸磷、乐果、敌百虫、马拉硫磷等。有机磷农药(OPPs)作为一类高效、广谱的杀虫剂正在被广泛地应用于农业的防害以及家庭、仓储杀虫等方面，但是，大量使用后严重危害环境，其检测已成为食品安全检测的重要内容。目前常用的有机磷农药残留分析方法色谱或者色质联机法， 如GC，HPLC和GC-MS等，但这些检测方法操作复杂且对设备要求较高，不利于现场使用。
荧光检测是实现低成本便捷检测的有效途径之一，在荧光检测的过程中，有机分子荧光探针具有灵敏度高、响应快、设计性和可裁接性强等许多特殊性质，因此研究和开发新型有机分子荧光探针的已经成为人们亟待解决的一个技术问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种荧光探针化合物，该化合物由于其结构的特殊性，其可以与磷酸酯类农药或重金属离子发生分子间互相作用，最终实现检测农药或重金属离子的目的。因此可作为荧光检测方法中的荧光探针化合物，方便有机磷农药或重金属离子检测。
本发明的另一个目的在于提供上述的荧光探针化合物的制备方法，该方法以8-溴喹啉、2-乙氧羰基苯硼酸等为反应物，通过控制反应条件和体系，实现了8-(2-羟甲基)苯基喹啉的合成，为该化合物的应用提供了基础，此外，该方法易于操作，所需设备也较为简易。
本发明的第三目的在于提供上述的荧光探针化合物的用途。
为了实现以上目的，本发明特采用以下技术方案：
本发明提供的这种荧光探针化合物，其化学结构式为：
该化合物的名称为8-(2-羟甲基)苯基喹啉，该探针具有特定的化学结构，其可与磷酸酯类农药或重金属离子发生分子间互相作用，使得检测体系的荧光发生变换，并最终实现检测磷酸酯类农药或重金属离子的目的。
本发明实施例还提供了一种根据上述化合物的制备方法，包括以下步骤：
1)、将8-溴喹啉、2-乙氧羰基苯硼酸、碳酸钠以及催化剂加入到由二噁烷、乙醇和水组成的混合液中，进行搅拌，得到反应混合物；
2)、将所述反应混合物依次经过萃取、洗涤以及干燥浓缩，得到8-(2-乙氧羰基)苯基喹啉；
3)、将所述8-(2-乙氧羰基)苯基喹啉滴加到由氢化铝锂和四氢呋喃组成的混合溶液中，继续搅拌至8-(2-乙氧羰基)苯基喹啉反应完全，得到反应液；
4)、将所述反应液冰水浴冷却后，滴加乙酸乙酯后过滤，并将得到的滤液经过旋转蒸发浓缩、硅胶柱色谱提纯以及石油醚/乙酸乙酯混合液淋洗后，得到荧光探针化合物。
可选的，在步骤1)中，所述催化剂为四(三苯基膦)钯。
四(三苯基膦)钯，由于其具有特定的化学结构，因此可作为偶联反应的催化剂，促进8-(2-乙氧羰基)苯基喹啉的生成。
可选的，步骤1)中：所述混合液中，二噁烷、乙醇和水的体积比为(3-5)：1：1。
将各反应物以及催化剂混合后，为了提供良好地反应系统，将各反应物和催化剂等加入到体积比为(3-5)：1：1的由二噁烷、乙 醇和水的组成的混合液中，一方面便于实现组份混合液组份件互溶，另一方面也便于其和各反应物以及催化剂混合均匀。
可选的，在步骤1)中，具体包括：
将8-溴喹啉、2-乙氧羰基苯硼酸、碳酸钠以及四(三苯基膦)钯在氮气的保护下加入到所述混合液中，并于75-85℃进行搅拌过液，得到反应混合物；
其中，所述8-溴喹啉、2-乙氧羰基苯硼酸、碳酸钠以及四(三苯基膦)钯的摩尔比为(2.9-3.1)：(3.2-3.4)：(8-8.2)：(0.15-0.17)。
在构建反应体系的过程中，对各反应物以及催化剂的用量需要进行严格控制，若使用量控制不当，那么则会导致合成反应失败，无法得到产物。因此，在步骤1)中，优选地，8-溴喹啉、2-乙氧羰基苯硼酸、碳酸钠以及四(三苯基膦)钯的摩尔比为(2.9-3.1)：(3.2-3.4)：(8-8.2)：(0.15-0.17)。而且，在将该几种物质加入到混合液的并进行反应的过程中，为了防止一些活性气体对反应造成干扰和破坏，优选使用性质较为稳定的氮气进行保护气体；与混合液混合后，搅拌的过程中，优选温度为75-85℃，以提高反应速度并促进反应完全。
可选的，在步骤2)中，具体包括：
将所述反应混合物加入含有等体积的水和EtOAc组成的混合液中，待分液后，将水层用EtOAc分两次萃取，并合并有机相后依次用氯化钠水溶液洗涤、用无水Na2SO4干燥，再经旋转蒸发仪浓缩，得到8-(2-乙氧羰基)苯基喹啉。
在合成的过程中，由于得到的8-(2-乙氧羰基)苯基喹啉，一般多为粗产物，而且其化学性质不稳定。因此，在萃取、洗涤以及干燥浓缩过程中，应格外注意。优选地，为了提高8-(2-乙氧羰基) 苯基喹啉的产率，萃取前先将反应混合物加入至等体积的水和EtOAc组成的混合液中，混合后，待其分液，而水层用EtOAc分两次萃取(以尽可能地实现萃取完全)，合并有机相后，依次用氯化钠水溶液洗涤、用无水Na2SO4干燥，再经旋转蒸发仪浓缩。
可选的，在步骤3)中，具体包括：
将所述8-(2-乙氧羰基)苯基喹啉在温度小于10℃的条件下滴加到由氢化铝锂和四氢呋喃组成的混合溶液中，将反应体系升温至室温，继续搅拌28-32小时，待8-(2-乙氧羰基)苯基喹啉反应完全，得到反应液。
在步骤2)中，得到的化合物8-(2-乙氧羰基)苯基喹啉，其作为中间体，非常不稳定，且对温度较为敏感，因此需在低温下(小于10℃)滴加到由氢化铝锂和四氢呋喃组成的混合溶液；滴加完毕后，将反应体系的温度升高至室温，促使反应发生，一般而言，搅拌反应28-32小时后，8-(2-乙氧羰基)苯基喹啉耗尽，反应趋于完全。
可选的，在步骤4)中，所述冷却的终点温度为0-1℃。
在过滤之前，为了防止反应液中的反应产物不稳定而发生结构转变；将反应液使用冰水浴冷却至0℃，使得反应即可终止，并保持产物结构稳定。过滤后，将滤液经过旋转蒸发浓缩、硅胶柱色谱提纯以及石油醚/乙酸乙酯混合液淋洗后，得到深红色浆状荧光探针化合物。
可选的，步骤4)中：在所述石油醚/乙酸乙酯混合液中，石油醚与乙酸乙酯的体积为(9-10)：1。
经过硅胶柱色谱提出后，为了实现较好的淋洗效果，石油醚/乙酸乙酯混合液中，石油醚与乙酸乙酯的体积为(9-10)：1。
对于上述的荧光探针化合物的制备方法，即8-(2-羟甲基)苯基喹啉的合成方法，所有反应路径如下：
其中：
A为：8-溴喹啉；B为：2-乙氧羰基苯硼酸；C为：8-(2-乙氧羰基)苯基喹啉；D为：8-(2-羟甲基)苯基喹啉；
所述的荧光探针化合物在作为检测有机磷农药残留、重金属离子的有机分子荧光探针中的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的荧光探针化合物在加酸后的紫外吸收图；
图2为本发明提供的荧光探针化合物在加碱后的紫外吸收图；
图3为本发明提供的荧光探针化合物加入丙酮后的荧光发射光谱图；
图4为本发明提供的荧光探针化合物加入乐果后的荧光发射光谱图；
图5为本发明提供的荧光探针化合物加入敌敌畏后的荧光发射光谱图；
图6为本发明提供的荧光探针化合物加入毒死蜱后的荧光发射光谱图；
图7为本发明提供的荧光探针化合物加入甲基对硫磷后的荧光发射光谱图；
图8为本发明提供的荧光探针化合物加入硫酸铜后的荧光发射光谱图；
图9为本发明提供的荧光探针化合物加入氯化锌后的荧光发射光谱图；
图10为本发明提供的荧光探针化合物加入氯化铬后的荧光发射光谱图；
图11为本发明提供的荧光探针化合物的1H-NMR图谱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本发明中的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本发明提供的这种荧光探针化合物的制备方法，包括以下步骤：
S1：将8-溴喹啉、2-乙氧羰基苯硼酸、碳酸钠以及催化剂加入到由二噁烷、乙醇和水组成的混合液中，进行搅拌，得到反应混合物；
在该步骤中，针对两种反应物的结构特征以及理化特性，进而筛选出了优选的原料重量配比以及反应条件，如：催化剂为四(三苯基膦)钯；同时，混合液中，二噁烷、乙醇和水的体积比为(3-5)：1：1。且8-溴喹啉、2-乙氧羰基苯硼酸、碳酸钠以及四(三苯基膦)钯的摩尔比为(2.9-3.1)：(3.2-3.4)：(8-8.2)：(0.15-0.17)。
S2：将所述反应混合物依次经过萃取、洗涤以及干燥浓缩，得到8-(2-乙氧羰基)苯基喹啉；
优选的，步骤102可以按照如下操作进行：
将所述反应混合物加入含有等体积的水和EtOAc组成的混合液中，待分液后，将水层用EtOAc(与混合液体积相等)分两次萃取，合并有机相后依次用氯化钠水溶液(体积为EtOAc的1.5倍)洗涤、用无水Na2SO4干燥，再经旋转蒸发仪浓缩，得到8-(2-乙氧羰基)苯基喹啉。
经过测定，通过步骤2)的操作，使得化合物8-(2-乙氧羰基)苯基喹啉的产率可达到80％以上。
S3：将所述8-(2-乙氧羰基)苯基喹啉滴加到由氢化铝锂和四氢呋喃组成的混合溶液中，继续搅拌至8-(2-乙氧羰基)苯基喹啉反应完全，得到反应液。
优选的，在该步骤中，8-(2-乙氧羰基)苯基喹啉在温度小于10℃的条件下滴加到由氢化铝锂和四氢呋喃组成的混合溶液中，且滴加完毕后，将反应体系的温度升高至室温，促使反应发生。
S4：将所述反应液冰水浴冷却后，滴加乙酸乙酯后过滤，并将得到的滤液经过旋转蒸发浓缩、硅胶柱色谱提纯以及石油醚/乙酸乙酯混合液淋洗后，得到荧光探针化合物。
该步骤中，冰水浴冷却具体可优选为将反应体系的温度冷却至0℃，以迅速终止反应，且防止产物发生结构转变。另外，在利用石油醚/乙酸乙酯混合液淋洗的过程中，优选地，石油醚与乙酸乙酯的体积为(9-10)：1。
接下来，结合上述的内容，对荧光探针化合物的制备方法提供了以下具体的实施例：
实施例一
第一步：将化合物A(3.12g，0.015mol)、化合物B(3.21g，0.0165mol)、碱Na2CO3(4.3g，0.0405mol)和催化剂Pd(PPh3)4(0.95g,0.0008mol)氮气保护下，在90mL(二噁烷：乙醇：水＝4:1:1)溶液中80℃搅拌过夜，得到反应混合物。
反应混合物冷却到室温后，加入到含有100mL水和100mLEtOAc的混合液中。分液后，将水层用200mL EtOAc分两次萃取，合并有机相，用300mL的氯化钠水溶液分两次洗涤，并用无水Na2SO4干燥，再经旋转蒸发仪浓缩得到深棕色油状物5.5g，即化合物C的粗品。
第二步：在0℃、氮气保护条件下，将1.1g(0.03mol)的氢化铝锂与60mL的干燥过的四氢呋喃混合。
将化合物C溶在10mL干燥过的四氢呋喃溶液中，控制温度(T<10℃)将其滴加入反应容器中。滴加完毕，将反应体系温度升至室温，继续搅拌30小时。用TLC监测，当化合物C耗尽时，将反应体系用冰水浴冷却到0℃，逐滴加入10mL EtOAc并过滤。将滤液旋转蒸发浓缩，并用硅胶柱色谱提纯，用石油醚/乙酸乙酯＝10:1混合液淋洗，得到深红色浆状物D(820mg)。此外，该化合物的1H-NMR图谱如图11所示。
实施例二
第一步：将化合物A(0.0145mol)、化合物B(0.016mol)、碱Na2CO3(0.04mol)和催化剂Pd(PPh3)4(0.00075mol)氮气保护下，在90mL(二噁烷：乙醇：水＝3:1:1)溶液中75℃搅拌过夜，得到反应混合物。
反应混合物冷却到室温后，加入到含有100mL水和100mL EtOAc的混合液中。分液后，将水层用200mL EtOAc分两次萃取，合并有机相，用300mL的氯化钠水溶液分两次洗涤，并用无水Na2SO4干燥，再经旋转蒸发仪浓缩得到深棕色油状物，即化合物C的粗品。
第二步：在0℃、氮气保护条件下，将1g氢化铝锂与55mL的干燥过的四氢呋喃混合。
将化合物C溶在10mL干燥过的四氢呋喃溶液中，控制温度(T<10℃)将其滴加入反应容器中。滴加完毕，将反应体系温度升至室温，继续搅拌28小时。用TLC监测，当化合物C耗尽时，将反应体系用冰水浴冷却到0℃，逐滴加入10mL EtOAc并过滤。将滤液旋转蒸发浓缩，并用硅胶柱色谱提纯，用石油醚/乙酸乙酯＝10:1混合液淋洗，得到深红色浆状物D。
实施例三
第一步：将化合物A(0.01505mol)、化合物B(0.017mol)、碱Na2CO3(0.041mol)和催化剂Pd(PPh3)4(0.00085mol)氮气保护下，在95mL(二噁烷：乙醇：水＝4:1:1)溶液中85℃搅拌过夜，得到反应混合物。
反应混合物冷却到室温后，加入到含有100mL水和100mL EtOAc的混合液中。分液后，将水层用200mL EtOAc分两次萃取，合并有机相，用300mL的氯化钠水溶液分两次洗涤，并用无水Na2SO4干燥，再经旋转蒸发仪浓缩得到深棕色油状物，即化合物C的粗品。
第二步：在0℃、氮气保护条件下，将1.2g氢化铝锂与65mL经过干燥过的四氢呋喃混合。
将化合物C溶在10mL干燥过的四氢呋喃溶液中，控制温度(T<10℃)将其滴加入反应容器中。滴加完毕，将反应体系温度升至室温，继续搅拌32小时。用TLC监测，当化合物C耗尽时，将反应体系用冰水浴冷却到0℃，逐滴加入10mL EtOAc并过滤。将滤液旋转蒸发浓缩，并用硅胶柱色谱提纯，用石油醚/乙酸乙酯＝10:1混合液淋洗，得到深红色浆状物D。
需要指出的是，在上述所有的实施例中，A为：8-溴喹啉；B为：2-乙氧羰基苯硼酸；C为：8-(2-乙氧羰基)苯基喹啉；D为：8-(2-羟甲基)苯基喹啉。
表1本发明各实施例的合成结果
项目 实施例1 实施例2 实施例3 产物 820mg 816mg 822mg 收率 23.26％ 23.94％ 23.24％ 纯度 96.08％ 96.53％ 95.30％
另外，本发明的优选实施例一提供的荧光探针化合物，其随着酸、碱的加入，紫外吸收光谱图如1和2所示。
图1表明，在荧光探针化合物(以下简称探针-1)的甲醇溶液中加入盐酸的甲醇溶液，发现其吸收峰红移，并且吸收强度增强。图2说明，加完酸的溶液，再加入碱氢氧化钠，探针-1的吸收光谱又可以恢复到原来的形状，说明探针-1在酸的作用下发生了变化是可逆的。该过程的发生可能与喹啉环上的氮原子有孤对电子有关。
此外，通过检测本发明提供的荧光探针化合物(实施例一制备，以下简称探针-1)其在不同的条件下(不同的溶剂、酸碱度、含磷 农药以及金属离子)的荧光强度变化(检测方法采用常规的荧光检测方法)，从而验证其在作为含磷农药以及部分金属离子荧光检测探针中的应用效果。
应用例1：
丙酮对探针-1荧光强度的影响，结果如图3所示，说明，在5×10-4mol/L探针-1的甲醇溶液中逐渐加入丙酮，没有发现发射图谱的明显变化，说明丙酮对探针-1的荧光发射没有明显影响。
应用例2：
乐果对探针-1荧光强度的影响，结果如图4所示，在5×10-4mol/L探针-1的甲醇溶液中逐渐加入乐果的丙酮溶液，探针的发射谱几乎不变。依次试验了敌百虫、对硫磷、氧化乐果以及氯磷酸二乙酯对探针-1的影响，结果表明，与加入乐果相似，探针-1荧光发射图谱均没有明显变化。
应用例3：
敌敌畏对探针-1荧光强度的影响，结果如图5所示，通过图5可以看出，随着敌敌畏的加入量逐渐增加，开始时对探针-1的荧光发射没有影响，随着加入量的增大，发射强度突然发生明显的减弱；说明该荧光探针化合物可以用于敌敌畏的检测中。
应用例4：
毒死蜱对探针-1荧光强度的影响，结果如图6所示，通过图6可以看出，随着毒死蜱的加入量逐渐增加，探针-1的荧光发射先增强后减弱,随着加入量的增大，发射强度突然发生明显的减弱。说明该荧光探针化合物可以用于毒死蜱的检测中。
应用例5：
甲基对硫磷对探针-1荧光强度的影响，结果如图7所示，通过图7可以看出，随着甲级对硫磷的加入量逐渐增加，开始时对探针-1的荧光发射没有影响，随着加入量的增大，发射强度突然发生明显的减弱。说明该荧光探针化合物可以用于甲基对硫磷农药的检测中。
应用例6：
硫酸铜对探针-1荧光强度的影响，结果如图8所示，在5×10-4mol/L探针-1的甲醇溶液中逐渐加入硫酸铜的甲醇溶液，探针的发射谱几乎不变。
应用例7：
氯化锌对探针-1荧光强度的影响，结果如图9所示，在5×10-4mol/L探针-1的甲醇溶液中逐渐加入氯化锌的甲醇溶液，探针-1的发射谱在500nm左右，荧光发射小幅增加。说明该荧光探针化合物可以用于氯化锌的检测中。
应用例8：
氯化铬对探针-1荧光强度的影响，结果如图10所示，通过图10可以看出，在5×10-4mol/L探针-1的甲醇溶液中逐渐加入氯化铬的甲醇溶液，探针-1的发射谱在500nm—600nm之间的荧光发射明显增加，而在400nm左右的吸收峰减弱，说明探针-1对氯化铬有比较好的识别作用。
本发明提供的这种荧光探针化合物的制备方法，其操作容易，且产率较高；制备而成的8-(2-羟甲基)苯基喹啉，其可以应用到敌敌畏、Cr3+等的荧光检测探针；从而克服现有技术中常见的GC，HPLC和GC-MC等方法检测敌敌畏、毒死蜱、甲基对硫磷农药、 氯化锌、Cr3+时，存在操作复杂，对设备要求高以及不利于现场使用的缺陷。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。