基于含氟探针检测复杂体系中羟基化合物的方法开发与应用

Rapid and reliable methods to detect hydroxyl-containing compounds in complex mixtures are very important in various fields. Nuclear magnetic resonance (NMR) has revealed its superiority in structure determination and characterization of organic compound. However, state of art NMR techniques are not robust enough to detect and identify structurally similar hydroxyl-containing compounds in complex mixtures. As the interactions between hydroxyl-containing compounds and synthetic probes are often weak and dynamic, most NMR-based detection methods rely on covalent derivatization of the hydroxyl-containing analytes. The 19F and 31P NMR signals of the derivatization products are used to identify the constitution of the sample. These methods usually require harsh reaction conditions and are not amenable to the differentiation between chiral analytes. In this project, we plan to design and synthesize a series of fluorine-containing molecular probes, which bind organic analytes reversibly through supramolecular interaction. The change of 19F NMR chemical shifts induced by the bound analyte in proximity will be exploited to identify various hydroxyl-containing analytes. The use of chiral 19F-labeled reporter will allow the differentiation of enantiomers. Moreover, the molecular reporter and the design strategy we develop in this study will be applied to the detection of other weakly coordinating analytes, thereby significantly widening the scope of NMR-based detection.

在复杂体系中快速、精确检测羟基化合物的技术在很多领域中都有重要应用。尽管核磁共振技术 (NMR) 在有机物的结构鉴定方面具有诸多优势，利用其对复杂体系中结构相似的羟基化合物进行区分检测仍然存在挑战。由于羟基化合物与核磁探针分子之间的作用常常较弱，目前主要采用的方法是先对羟基化合物进行共价衍生化，然后根据衍生化产物的氟谱或磷谱信号推测分析物的组成。这种方法常常需要苛刻的反应条件并且难以用于手性分析物的区分检测。本项利用于核磁共振氟谱及超分子可逆相互作用，设计、合成并优化一系列含氟的分子探针。基于待测物诱导核磁共振氟谱 (19F-NMR) 化学位移的变化，实现对复杂体系中多种羟基化合物的同时区分检测。利用手性分子探针实现对映异构体的准确区分检测。研究中发展的探针及探针设计策略有望拓展应用到其他弱配位分析物的检测中，大大拓宽核磁共振在检测领域的应用范围。

羟基化合物在药物、天然产物和生物代谢物中广泛存在，在复杂体系中快速精准地检测羟基化合物具有重要的意义。然而，现有分析检测手段通常需要对样品进行分离纯化或共价衍生化，一定程度上限制了检测的效率和便捷性。我们基于核磁共振氟谱和超分子化学，设计合成了一系列基于金属铝和钯络合物的含氟探针。这些探针通过和分析物动态可逆相互作用产生具有不同化学位移的特征性氟谱信号，与复杂体系中的目标分析物一一对应。基于这一策略，我们实现了多种结构相似的羟基化合物的精准区分，并将方法拓展至羧酸、胺、酰胺、亚砜及含氮杂环等各类分析物的快速检测。我们也利用具有受限识别空腔的手性金属铝络合物探针，实现了手性羟基化合物的区分检测。为了提高检测的灵敏度，我们基于双芳基碘鎓盐发展了在芳烃中快速引入九氟叔丁氧基团的方法，并将该方法应用于合成具有36和72个等价氟原子的含氟探针，实现了纳摩尔浓度分析物的直接检测。项目研究定义了识别赋能色谱核磁 （Recognition-enabled chromatographic NMR）的内涵，并引入 "分离度" 这一指标用于量化评价不同检测体系的区分效果，为研究方向的系统化发展奠定基础。基于检测产生的易于解读的氟谱信号，我们建立了分析物检测数据库，在计算机辅助下实现了分析物的自动指认。本项目的研究为复杂体系多组分快速精准检测提供了新的方法，进一步拓宽了核磁共振在检测领域的应用范围。