[发明专利]萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器及基于其的pH计

说明书

技术领域

本发明属于分子机器与电化学技术领域，具体涉及一种萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器及基于其的pH计。

背景技术

轮烷型分子梭作为分子机器的一种类型，由一个环状分子和一个线型分子组成，线型分子贯穿环状分子的内腔，并且线型分子的两端大的阻挡基团可以防止环状分子脱离线型分子。在外界特定刺激的作用下，环状分子可以在两个阻挡基团之间沿着线型分子作往复的活塞式运动。轮烷型分子梭是研究分子间弱相互作用力及其可控转换的理想体系之一，它为研究组分之间的能量、电子转移等重要物理化学过程及其调控提供了新的模型体系，譬如光电转换、构型转换、手性转换、状态记忆与转换等，并且有利于进一步认识和理解生物体系内复杂的能量、电子转移过程。

虽然基于轮烷或索烃等互锁分子的分子机器在最近十年有了很大的发展，例如南开大学刘育教授的《具有分子键盘锁功能的双插头-插座超分子器件及其制备》，但是具有高复杂性的分子机器体系仍然缺乏，并且能够将组分的相对运动转化为可以识别的信号的例子则更少，特别是肉眼观测的信号如颜色、荧光等。另外，目前来讲，如何利用已知原理进行分子设计、组装而达到识别目的以及如何构造分子级别上的复杂逻辑电路仍面临着挑战。另一方面，分子机器的最终目标是构建有真正意义的分子器件，要想使分子机器能够真正的应用，就要求特定空间里一定数目的分子机器能够相对整齐地进行协同工作。在溶液中，分子机器的自由运动空间比较大，在外界刺激下各种组分发生的相对运动可以顺利进行；而很多原本在溶液中运转得很好的分子机器体系一旦制备成固态器件后，绝大部分工作效率大大降低、响应时间大幅度增加。自组装单分子层技术(self-assembled monolayers，SAMs)近年来成为研究热点，各种有机功能分子通过单层自组装，可以实现分子在纳米尺度上在固体表面进行有序的排列，构筑纳米层，并可以消除分子机器本身的布朗运动。将性能优异的酸碱控制的分子机器的端基进行修饰，使分子机器在两相界面上形成自组装单分子层(石英、玻璃或者金电极表面)，研究分子机器在界面上的协同运动以及运动前后两个状态对界面性质的影响。

市面上现有的pH计存在结果重复性较差、易污染样品、检测周期较长、测试稳定性较差、电极易损坏以及检测限较低等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器及基于其的可视在线快速监测pH计。本发明通过合成一种萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器，利用双硫键与金电极实现结合，在加入碱或酸的过程中导致萘酰亚胺冠醚环在哑铃形杆上运动，整个过程中会导致缺电子的萘酰亚胺与富电子的金电极之间的电荷转移，从而猝灭或者恢复萘酰亚胺明亮的黄绿色荧光，荧光变化之强肉眼可见，检测金电极上电荷转移，经过函数转化为测试溶液的pH值从而实现在线监测。本发明提供的快速在线监测pH计，采用最新的单分子层自组装技术，在金电极表面形成一层功能协调一致的分子层，只要有一个萘酰亚胺冠醚环在分子机器内移动，金电极上就会有对应的电位变化，整个过程产生的废物也不会在单分子层上堆积，从而提高了检测限、灵敏度以及耐疲劳性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一方面，本发明涉及一种萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器(哑铃型轮烷分子梭)，其结构式如式(I)所示：

式(I)。

第二方面，本发明涉及一种上述的萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器的合成方法，包括如下步骤：

步骤A、以六氟磷酸四乙腈铜为催化剂，以CH₂Cl₂为溶剂，等摩尔的双硫键叠氮化合物1萘酰亚胺二苯并24冠8冠醚2和化合物3反应，得化合物1-H；

步骤B、将化合物1-H与碘甲烷按摩尔比1：20的比例混合，室温下搅拌，悬蒸出多余的碘甲烷，固体用乙醚洗，得到黄色固体；

步骤C、在CH₂Cl₂中加入由NH₄PF₆和二次水配成的饱和溶液，加入所述黄色固体室温搅拌，水相用CH₂Cl₂萃取，合并有机相并用无水Na₂SO₄干燥，悬去溶剂，得化合物2-H，即所述萘酰亚胺冠醚的轮烷分子机器。

也就是说，含双硫键叠氮化合物1、萘酰亚胺二苯并24冠8冠醚2和化合物3在六氟磷酸四乙腈铜的催化下生成化合物1-H，PF₆^-交换后得到化合物2-H，通过酸碱调控可以实现萘酰亚胺冠醚环在哑铃型杆上的往复运动。