目錄1.3.1基于Micheal加成的亞硫酸鹽熒光探針 51.3.2基于與醛基親核加成的亞硫酸鹽熒光探針 61.3.3基于乙酰丙酸脫保護(hù)反應(yīng)的亞硫酸鹽熒光探針 71.3.4基于氫鍵作用的亞硫酸鹽熒光探針 82.2.1中間體1的合成 112.2.2染料1的合成 122.2.3熒光探針NAS的合成 123.1染料1核磁氫譜與碳譜分析 133.2熒光探針NAS核磁氫譜與碳譜分析 144.1.1物料衡算依據(jù)與方法 164.1.2物料衡算步驟 164.2.1能量衡算依據(jù)與方法 184.2.2能量衡算計算 184.3.1釜體直徑 214.3.2筒體高度的設(shè)計 214.3.3實際容積 224.3.4夾套高 224.3.5筒體厚度 234.3.6封頭厚度 23作為國際廣泛認(rèn)可的食品添加劑，亞硫酸鹽在食品中被用作防腐劑、漂白劑、保色劑、疏松劑和還原劑等。亞硫酸鹽可以通過外源性添加到食品中。例如，新鮮采摘的水果表面往往存在大量的微生物，添加二氧化硫能夠有效地抑制微生物繁殖，進(jìn)而達(dá)到防腐的目的；在白砂糖或者淀粉等食品加工中加入亞硫酸鹽，其能與有色物質(zhì)反應(yīng)，破壞其共軛體系，達(dá)到漂白的效果。亞硫酸鹽也可進(jìn)行內(nèi)源性地少量產(chǎn)生。例如，果酒在自然發(fā)酵過程中[1]，環(huán)境中的微生物會通過代謝產(chǎn)生一定量的亞硫酸鹽，但為了達(dá)到防腐、保鮮、抗氧化的目的，在發(fā)酵后的酒中還會加入適量亞硫酸鹽。但經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，含過量亞硫酸鹽的食品經(jīng)消化進(jìn)入體內(nèi)，會引起人體胃腸道功能紊亂、頭痛、支氣管痙攣、哮喘、過敏[2,3]等癥狀，嚴(yán)重的會累及人體的內(nèi)臟器官，如心血管疾病、肝臟、腎臟的慢性衰竭。亞硫酸鹽還被世界衛(wèi)生組織和國際癌癥研究機(jī)構(gòu)列為第三類致癌物，因此許多國家對亞硫酸鹽在食品中的濃度限制要求格外嚴(yán)格。合適的亞硫酸鹽檢測方法為保障消費(fèi)者的安全提供了技術(shù)支持，能夠簡便和快捷地進(jìn)行亞硫酸鹽的檢測對于研究者來說至關(guān)重要。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的過程中，研究者一般使用滴定分析法、毛細(xì)管電泳法[4,5]、電化學(xué)方法[6]、色譜法[7]等常見方法檢測亞硫酸鹽。但是這些方法費(fèi)時、繁瑣、靈敏度差且價格昂貴，不利于在生活中廣泛應(yīng)用。因此，我們選擇具有高靈敏度、高選擇性和能快速響應(yīng)等優(yōu)點的熒光光譜測定法。目前，熒光探針的設(shè)計與合成成為了化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一[8]，熒光探針技術(shù)發(fā)展快速，在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。熒光探針過熒光的增強(qiáng)、淬滅或比率變化來對目標(biāo)分析物進(jìn)行定性或定量分析，是一種能夠?qū)⑸锘蚧瘜W(xué)物質(zhì)等信息轉(zhuǎn)化為可分析熒光信號的傳感器[9]。當(dāng)熒光探針對特定的目標(biāo)分析物進(jìn)行識別和作用時，會引起熒光特性的改變，從而實現(xiàn)對分析物的檢測。如圖1.1所示，熒光基團(tuán)、識別基團(tuán)和連接體這三個主要部分構(gòu)成了熒光探針。熒光基團(tuán)是產(chǎn)生熒光信號的核心部分，決定了探針的發(fā)光特性。常見的熒光團(tuán)包括以稠環(huán)芳烴（如芘、蒽、萘）為主的芳香族化合物，熒光強(qiáng)并且十分穩(wěn)定。識別基團(tuán)也稱為受體或反應(yīng)位點，負(fù)責(zé)與目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行特異性結(jié)合或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而引發(fā)熒光團(tuán)所處化學(xué)環(huán)境的改變，導(dǎo)致熒光信號的變化。常見的識別團(tuán)有抗體或抗原、酶的底物或抑制劑、生物分子的特異性結(jié)合位點、化學(xué)反應(yīng)活性基團(tuán)等，例如一些含有醛基、氨基、巰基等活性基團(tuán)的化合物，可與目標(biāo)物質(zhì)中的相應(yīng)基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而改變熒光探針的性質(zhì)和熒光信號。連接體部分主要用來協(xié)調(diào)熒光團(tuán)和識別團(tuán)進(jìn)行工作，將識別團(tuán)與目標(biāo)物質(zhì)結(jié)合所產(chǎn)生的化學(xué)信息有效地傳遞給熒光團(tuán)，轉(zhuǎn)化為可檢測的熒光信號變化。萘酰亞胺類化合物光熱穩(wěn)定性優(yōu)秀，熒光量子產(chǎn)率高，具有大的斯托克斯位移，這有利于減少激發(fā)光和發(fā)射光之間的干擾，提高檢測過程的靈敏度和準(zhǔn)確性，是一種應(yīng)用非常廣泛的熒光團(tuán)。萘酰亞胺類熒光探針一般是4-溴-1,8-萘二甲酸酐得到的衍生物。4-溴-1,8-萘二甲酸酐本身幾乎不具有熒光，但是當(dāng)在其萘環(huán)的４位上引入給電子基團(tuán)（如氨基、羥基）后，就可以行成強(qiáng)的供－吸電子體系，使化合物發(fā)生電子躍遷從而產(chǎn)生較強(qiáng)的熒光發(fā)射信號。近年來，科研人員報道了大量基于萘酰亞胺熒光團(tuán)設(shè)計的熒光探針用于檢測各種活性氧（ROS）、硫化物、陰離子、金屬離子和生物硫醇等物質(zhì)，并取得了一定成績，為熒光探針應(yīng)用于細(xì)胞內(nèi)原位成像、疾病診斷與治療、活體內(nèi)離子檢測[10-12]等領(lǐng)域提供了基礎(chǔ)。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s11熒光探針示意圖基于Micheal加成的亞硫酸鹽熒光探針基于碳碳雙鍵的邁克爾加成反應(yīng)是亞硫酸鹽最常見的識別機(jī)制之一。碳碳雙鍵的特殊性質(zhì)及其熒光團(tuán)與吸電子基團(tuán)之間的相互作用使這種反應(yīng)機(jī)制的核心內(nèi)容。該類型探針中碳碳雙鍵的其中一端與具有大共軛體系的熒光團(tuán)相連，另一端則與具有吸電子能力的基團(tuán)相連。引入吸電子基團(tuán)會改變碳碳雙鍵的電子密度分布，使亞硫酸鹽發(fā)生親核加成反應(yīng)。亞硫酸鹽與探針的反應(yīng)會抑制基團(tuán)的吸電子能力，從而導(dǎo)致改變整個探針的電子密度。LI等[13]設(shè)計了一種新型的近紅外氮雜香豆素探針以檢測HSO3-，如圖1.2所示，探針以C=C雙鍵為反應(yīng)位點與亞硫酸鹽進(jìn)行親核反應(yīng)后，在717nm處的熒光降低，而560nm處則出現(xiàn)很強(qiáng)的熒光發(fā)射，并且溶液顏色由紫色轉(zhuǎn)變?yōu)殚偕?，以此能夠?qū)崿F(xiàn)對HSO3-比色和比率檢測。此探針能夠準(zhǔn)確檢測冰糖、白砂糖中殘留的HSO3-。此外，其將香豆素?zé)晒鈭F(tuán)通過碳碳雙鍵與吡喃嗡連接到一起，合成了一種比率型熒光探針NPO，如圖1.3所示，可在100%水溶液中檢測HSO3-，檢測限達(dá)到0.25μmol.L-1。該探針?biāo)苄院?，具有高選擇性、特異性以及靈敏度，可快速（<1min）檢測HSO3-。此外，他們將這個探針制成紙條，已經(jīng)可以成功地應(yīng)用于各種食品樣品（木耳、白酒、食用蘑菇、面條、粉絲等）中的HSO3-檢測。圖STYLEREF1\s1.2基于雙鍵加成反應(yīng)的近紅外氮雜香豆素探針圖STYLEREF1\s1.3基于雙鍵加成反應(yīng)的比率型熒光探針NPO基于與醛基親核加成的亞硫酸鹽熒光探針醛基作為一種高活性的官能團(tuán)，作為亞硫酸鹽的反應(yīng)位點，在熒光探針設(shè)計中扮演著重要的角色。具有與亞硫酸鹽發(fā)生親核加成反應(yīng)的潛力。在反應(yīng)過程中，亞硫酸鹽作為親核試劑，與醛基的碳原子反應(yīng)，形成了穩(wěn)定的加成產(chǎn)物。這一反應(yīng)過程不僅改變了分子內(nèi)的電子分布，還影響了熒光團(tuán)的發(fā)光性質(zhì)，顯著改變了熒光信號，以實現(xiàn)對亞硫酸鹽的高效、靈敏檢測。ZHANG等[14]設(shè)計的羅丹明熒光探針RosCHO，如圖1.4所示，通過靜態(tài)的“關(guān)-開”熒光增強(qiáng)（turn-on）模型表征其對于HSO3-的檢測情況，其中“關(guān)”是由電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)引起的，而“開”是由活性位點螺環(huán)醛基與HSO3-發(fā)生親核反應(yīng)而引起的。該探針相比于普通分析方法確實具有一定的準(zhǔn)確性，但是也存在一定的局限性，即只有在酸性條件下才能對亞硫酸氫根產(chǎn)生熒光響應(yīng)，并且靈敏度相對來說較低。此外，如果生物體中含大量巰基，那么對HSO3-的檢測和實際應(yīng)用會存在干擾作用。圖STYLEREF1\s1.4基于親核加成的“turn-on”型亞硫酸氫根熒光探針基于乙酰丙酸脫保護(hù)反應(yīng)的亞硫酸鹽熒光探針乙酰丙酸作為檢測亞硫酸鹽的熒光探針中常見的保護(hù)基團(tuán)，應(yīng)用廣泛。當(dāng)探針分子被乙酰丙酸保護(hù)時，會發(fā)生熒光信號淬滅，因為引入乙酰丙酸會改變探針分子的電子分布和共軛體系，從而影響了熒光團(tuán)的發(fā)光性質(zhì)。而亞硫酸鹽可以和乙酰丙酸部分的酮基發(fā)生加成反應(yīng)，從而在較為溫和的條件下脫去乙酰丙酸保護(hù)的苯酚部分，從而使探針的熒光信號顯著增強(qiáng)，完成對亞硫酸鹽的檢測。2013年，XiongzhiSong課題組[15]設(shè)計了一種新型檢測亞硫酸根的基于分子內(nèi)解機(jī)制的比率型熒光探針。如圖1.5所示，在實驗中將探針溶于HEPES緩沖溶液/乙腈（pH7.4，v/v1/1）中，加入亞硫酸根離子后，探針形成氧負(fù)離子，使得共軛基團(tuán)的電子云密度增強(qiáng)，乙酰丙酸基團(tuán)發(fā)生裂解脫離了分子結(jié)構(gòu)，萘環(huán)部分顯現(xiàn)從而產(chǎn)生了黃色熒光。探針和亞硫酸根離子反應(yīng)后，其發(fā)射光譜414nm處的熒光強(qiáng)度降低，同時在554nm處出現(xiàn)新峰而且熒光強(qiáng)度增強(qiáng)，熒光顏色由藍(lán)光變?yōu)辄S光。圖STYLEREF1\s1.5基于乙酰丙酸酯裂解反應(yīng)的熒光探針基于氫鍵作用的亞硫酸鹽熒光探針通過熒光探針中的氫鍵來識別來檢測亞硫酸鹽是一種獨特且高效的方法。在這種機(jī)制中，探針分子設(shè)計有特定的氫鍵受體，能夠與亞硫酸根離子形成氫鍵結(jié)合。當(dāng)探針與亞硫酸根通過氫鍵結(jié)合時，這種相互作用會顯著影響探針分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，致使電子分布和能量狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而引起熒光信號發(fā)射的改變，使得探針在與亞硫酸鹽結(jié)合前后呈現(xiàn)出不同的熒光特性。通過監(jiān)測這種熒光信號的變化，我們可以實現(xiàn)對亞硫酸鹽的檢測。這種方法具有高選擇性和靈敏度，能夠在復(fù)雜的環(huán)境中準(zhǔn)確識別亞硫酸鹽。由于C=N鍵的異構(gòu)化作用，許多含有C=N鍵的化合物大多沒有熒光，然而Sun課題組[16]設(shè)計了一種C-N異構(gòu)化的熒光探針。如圖1.6所示，探針的熒光發(fā)射由于C-N異構(gòu)化被還原淬滅，當(dāng)探針與亞硫酸鹽反應(yīng)后，氫鍵對C-N異構(gòu)化具有顯著的抑制作用，新峰的熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，這表明這個探針對亞硫酸根離子的選擇性良好，并且靈敏度高，有利于檢測的進(jìn)行。圖STYLEREF1\s1.6基于氫鍵作用的亞硫酸氫根熒光探針作為常見的大氣污染物和食品添加劑，二氧化硫及其衍生物會對人體造成極大的危害，過量進(jìn)入人體會引發(fā)神經(jīng)性疾病、過敏反應(yīng)、哮喘[17-19]和癌癥等多種疾病。此外，二氧化硫作為一種信號分子，可以在哺乳動物的體內(nèi)產(chǎn)生，其在心血管功能、細(xì)胞內(nèi)的氧化還原等生理過程中起著至關(guān)重要的作用，其在體內(nèi)的許多作用機(jī)制還未明確。在二氧化硫衍生物領(lǐng)域，最新研究趨勢就是設(shè)計更加靈敏的熒光探針來檢測環(huán)境和生物體內(nèi)的亞硫酸鹽衍生物。本論文中，我們合成了一種熒光探針NAS來實現(xiàn)對二氧化硫衍生物的快速、準(zhǔn)確識別。由于其出色的光學(xué)性質(zhì)，如高的量子產(chǎn)率、良好的光穩(wěn)定性、高靈敏度和選擇性，在熒光分子探針領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。本論文以萘酰亞胺作為基本熒光團(tuán)，乙酰丙酸為識別位點，設(shè)計了一種基于ICT機(jī)理的熒光探針NAS，當(dāng)亞硫酸鹽和探針中的乙酰丙酸發(fā)生親核加成反應(yīng)后，電子分布和共軛體系發(fā)生改變，從而形成熒光信號的增強(qiáng)的現(xiàn)象來檢測樣品中亞硫酸鹽的含量。運(yùn)用熒光光譜分析和理論計算等方法，對此探針的響應(yīng)能力和作用原理進(jìn)行了測試。并且測試探針對食品樣品中的亞硫酸鹽的響應(yīng)，以評估探針在實際應(yīng)用中的能力。

實驗部分本課題相關(guān)化學(xué)試劑購買于安耐吉化學(xué)有限公司，詳細(xì)如下表2.1：表2.SEQ表\*ARABIC\s11實驗試劑實驗試劑生產(chǎn)廠家4-溴-1,8-萘二甲酸酐安耐吉化學(xué)有限公司N-(2-氨基乙基)嗎啉安耐吉化學(xué)有限公司4-羥基苯硼酸安耐吉化學(xué)有限公司Pd(PPh3)2Cl2安耐吉化學(xué)有限公司碳酸鉀安耐吉化學(xué)有限公司乙酰丙酸安耐吉化學(xué)有限公司(Boc)2O安耐吉化學(xué)有限公司氘代氯仿安耐吉化學(xué)有限公司MgCl2安耐吉化學(xué)有限公司鹽酸安耐吉化學(xué)有限公司乙腈安耐吉化學(xué)有限公司本課題相關(guān)的儀器詳細(xì)如下表2.2：表2.SEQ表\*ARABIC\s12實驗儀器儀器規(guī)格生產(chǎn)廠家循環(huán)水式多用真空泵SHB-III上海申明生物科技有限公司低溫冷卻液循環(huán)泵DLSB-5/20杭州惠創(chuàng)儀器設(shè)備有限公司旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器R201B-II鄭州長城工貿(mào)有限公司電熱恒溫水浴鍋DJ-S24上海精宏實驗設(shè)備有限公司電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱DHG-9146A上海精宏實驗設(shè)備有限公司電子天平PL2002梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司磁力攪拌器85-1上海志威電器有限公司核磁共振波譜儀Varian400MR美國Varian公司基于ICT原理設(shè)計的熒光探針的合成，以萘酰亞胺為基本熒光團(tuán)，通過引入嗎啉基團(tuán)和乙酰丙酸基團(tuán)拓展探針分子的共軛結(jié)構(gòu)，設(shè)計合成溶酶體靶向的萘酰亞胺熒光探針。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s11總反應(yīng)方程以4-溴-1,8-萘二甲酸酐為原料，通過和N-(2-氨基乙基)嗎啉在無水乙醇中加熱回流發(fā)生取代反應(yīng)得到中間體1，再和4-羥基苯硼酸在DMF中加熱反應(yīng)得到染料1，最后和乙酰丙酸在乙腈中室溫反應(yīng)得到熒光探針產(chǎn)物NAS，重點對這三步反應(yīng)進(jìn)行條件設(shè)計與提純，并用核磁去確定結(jié)構(gòu)。中間體1的合成圖STYLEREF1\s2.2中間體1的合成路線第一步：在100mL的三頸燒瓶中加入4-溴-1,8-萘二甲酸酐（5mmol，1385.4mg）和N-(2-氨基乙基)嗎啉（10mmol，1301mg），并通過注射器加入無水乙醇（30mL），然后置于氮氣氛圍下加入磁子攪拌，以80℃反應(yīng)回流2.8-3.2小時，停止反應(yīng)后，冷卻至室溫，進(jìn)行抽濾、洗滌、真空干燥后得到化合物N-(2-嗎啉基乙基)-4-溴-1,8-萘二甲酰亞胺（中間體1）(1.37g，70.26%)；染料1的合成圖STYLEREF1\s2.3染料1的合成路線第二步：將化合物N-(2-嗎啉基乙基)-4-溴-1,8-萘二甲酰亞胺（2mmol，778.498mg）、4-羥基苯硼酸（2.4mmol，331.03mg）、催化劑Pd(PPh3)2Cl2（0.4mmol，280.76mg）、碳酸鉀（2.4mmol，254.376mg）置于50mL的圓底燒瓶中，使其溶于DMF（8mL）中，氮氣環(huán)境中加入磁子攪拌，以78-82℃反應(yīng)7.8-8.2小時后，停止反應(yīng)，放入冰箱冷卻至沉淀析出，經(jīng)抽濾后得到濾餅，將剩余的濾液用乙酸乙酯進(jìn)行萃取取脂層，并加入無水硫酸鈉進(jìn)行干燥，最后旋蒸得到產(chǎn)物，與濾餅合，即得到具有熒光的產(chǎn)物（染料1）(0.5416g，67.3%)；熒光探針NAS的合成圖STYLEREF1\s2.4熒光探針NAS的合成路線第三步：在100mL的圓底燒瓶中加入N-(2-嗎啉基乙基)-4-羥基-1,8-萘二甲酰亞胺（2mmol，804.9mg）、乙酰丙酸（1mmol，116.12mg）、(Boc)2O（1mmol，218.25mg）、MgCl2（0.1mmol，20.33mg），并通過注射器加入MeCN（4mL），加入磁子攪拌后在室溫下反應(yīng)過夜，過夜后在反應(yīng)液中加水稀釋，用乙酸乙酯萃取，取脂層加入無水硫酸鈉干燥、抽濾、濾液旋干，最后進(jìn)行柱層析去除多余酚原料后，得到終產(chǎn)物（熒光探針NAS）(0.735g，73.4%)。

結(jié)果與討論圖3.1染料1的核磁氫譜圖對染料1的結(jié)構(gòu)進(jìn)行確認(rèn)，進(jìn)行核磁氫譜的檢測和分析，核磁氫譜檢測使用的是氘代氯仿，在400MHz核磁共振譜儀中進(jìn)行檢測，通過檢測得到染料1的核磁氫譜。1HNMR(400MHz，CDCl3)δ(ppm)：8.54(2H)，8.36(1H)，7.69(2H)，7.31(2H)，6.95(2H)，4.31(2H)，3.25(2H)，2.96(4H)，2.82(4H)。由圖可知，化學(xué)位移范圍大約在2.82ppm和2.96ppm為六元環(huán)上與N原子和O原子相連的亞甲基氫，根據(jù)積分一共有8個亞甲基氫；化學(xué)位移約在4.31和3.25ppm附近是連在氮上的亞甲基氫，根據(jù)積分一共有2組亞甲基氫，共4個氫信號?；瘜W(xué)位移在7.0-8.5ppm之間為苯環(huán)上的氫，根據(jù)積分曲線一共有9個苯環(huán)氫。圖3.2熒光探針NAS的核磁氫譜圖對熒光探針NAS的結(jié)構(gòu)進(jìn)行確認(rèn)，進(jìn)行核磁氫譜的檢測和分析，核磁氫譜檢測使用的是氘代氯仿，在400MHz核磁共振譜儀中進(jìn)行檢測，通過檢測得到熒光探針NAS的核磁氫譜。1HNMR(400MHz，CDCl3)δ：8.53(d，J=7.6Hz，2H)，8.16(d，J=8.4Hz，1H)，7.61(t，J=9.2Hz，2H)，7.42(d，J=10.4Hz，2H)，7.19(m，2H)，4.28(t,2H)，3.60(s,4H)，2.81(m,4H)，2.65(t,2H)，2.54(s,4H)，2.17(s,3H)。由圖可知，化學(xué)位移范圍大約在2.15-2.17ppm附近為與羰基相連的甲基氫，根據(jù)積分一共有3個甲基氫；化學(xué)位移范圍大約在2.53ppm,2.64ppm,2.82ppm和3.60ppm的附近是六元環(huán)上與N原子和O原子相連的亞甲基氫，羰基旁邊的亞甲基以及乙二胺鏈上的兩個亞甲基，共計16個氫信號；化學(xué)位移在7.0-8.5ppm之間為苯環(huán)上的氫，根據(jù)積分曲線一共有9個苯環(huán)氫。圖3.3熒光探針NAS的核磁碳譜圖對熒光探針NAS的結(jié)構(gòu)進(jìn)行確認(rèn)，進(jìn)行核磁碳譜的檢測和分析，核磁碳譜檢測使用的是氘代氯仿，在100MHz核磁共振譜儀中進(jìn)行檢測，通過檢測得到熒光探針NAS的核磁碳譜。13CNMR(100MHz，CDCl3)δ：206.5，171.6，164.4，164.1，151.0，146.0，136.4，132.6，131.3，131.0，130.9，130.1，128.8，128.0，127.0，122.9，122.0，121.9，67.0，56.2，53.9，38.0，37.2，30.0，28.3。化學(xué)位移20-40ppm之間是烷基鏈中的2個亞甲基碳，1個甲基碳和與N原子相連的1個亞甲基碳；化學(xué)位移53.9ppm附近是與氮相連的另一個1個亞甲基碳；化學(xué)位移56.2ppm和67.0ppm附近是六元環(huán)上與N和O原子相連的4個亞甲基碳；化學(xué)位移120-152ppm之間是芳環(huán)上的16個碳，化學(xué)位移164-165ppm之間是酰亞胺結(jié)構(gòu)的2個羰基碳，化學(xué)位移171.6ppm附近是與O原子相連的1個酯羰基碳，化學(xué)位移206.5ppm附近是1個羰基碳。工藝設(shè)計我們反應(yīng)路線的第一步為例，對其放大量產(chǎn)進(jìn)行工藝設(shè)計，目標(biāo)以間歇式反應(yīng)釜生產(chǎn)每班100kg左右的中間體1。物料衡算物料衡算依據(jù)與方法物料衡算是確定化工生產(chǎn)過程中原料配比與物質(zhì)轉(zhuǎn)化之間的量化關(guān)系的一個重要環(huán)節(jié)。物料衡算以質(zhì)量守恒和化學(xué)計量關(guān)系為理論基礎(chǔ)，需要精確地計量進(jìn)入到反應(yīng)器的各種原料量，例如本反應(yīng)中涉及的醇類、催化劑等，以及反應(yīng)過程中產(chǎn)生的中間體和最終產(chǎn)物的產(chǎn)量。（1）物理衡算一般式為：G進(jìn)料G生成G出料G累積G消耗（2）本設(shè)計依據(jù)生產(chǎn)班次：2班/天，每班1批，100kg/批（3）計算方法對于間歇式操作的過程，常采用一批原料為基準(zhǔn)進(jìn)行計算。根據(jù)本次設(shè)計所提供的數(shù)據(jù)，通過質(zhì)量守恒進(jìn)行物料計算。根據(jù)體積不可加和，質(zhì)量可加和原則，按每天用量進(jìn)行物料計算，然后確定批用量，計算釜的投料量。物料衡算步驟根據(jù)上文實驗結(jié)果，本設(shè)計確定：4-溴-1,8-萘二甲酸酐轉(zhuǎn)化率（Y1）為70.3%、N-(2-氨基乙基)嗎啉為轉(zhuǎn)化率（Y2）為35.2%反應(yīng)終點，N-(2-嗎啉基乙基)-4-溴-1,8-萘二甲酰亞胺（中間體1）選擇性（φ1）為70.4反應(yīng)的物料衡算計算（物料規(guī)格≥99%，按純品計算）：1）4-溴-1,8-萘二甲酸酐用量每班用量：m4?溴?1,8?萘二甲酸酐=m4?溴?1,8?萘二甲酸酐Y1×2）N-(2-氨基乙基)嗎啉用量每班用量：mN?(2?氨基乙基)嗎啉=0.94×m3）無水乙醇用量每班用量：V無水乙醇==4）N-(2-嗎啉基乙基)-4-溴-1,8-萘二甲酰亞胺產(chǎn)量每班產(chǎn)量：mN?(2?5）未轉(zhuǎn)化的4-溴-1,8-萘二甲酸酐量每班：m4?溴?1,8?萘二甲酸酐=（1-Y1）×m總用量=（1-0.703）6）未轉(zhuǎn)化的N-(2-氨基乙基)嗎啉量每班：mN?(2?氨基乙基)嗎啉=（1-Y2）×m總用量=（1-0.352）×202.056計算總結(jié)于下表：表4.1物料衡算結(jié)果表物質(zhì)進(jìn)料/批含量出料/批含量4-溴-1,8-萘二甲酸酐202.056kg99%60.011kg99%N-(2-氨基乙基)嗎啉189.933kg99%71.124kg/N-(2-嗎啉基乙基)-4-溴-1,8-萘二甲酰亞胺//100kg/無水乙醇3114L99%3114L99%能量衡算能量衡算依據(jù)與方法當(dāng)物料衡算完成后，接下來的工作就是進(jìn)行能量衡算，確定各工序所需能量，并對各工序的不同方案進(jìn)行對比，確定各工序的最佳工藝參數(shù)。能量衡算涉及反應(yīng)熱、加熱或冷卻介質(zhì)的能量消耗以及設(shè)備散熱等，此步驟需要計算反應(yīng)過程中釋放或者吸收的熱量，以確定所需要的加熱或冷卻設(shè)施，最終確保反應(yīng)溫度能得到穩(wěn)定的控制。對于車間工藝設(shè)計的能量衡算，許多項目可以忽略，而且車間能量衡算主要是為了計算出裝置的熱負(fù)載，因此可以把能量衡算問題歸結(jié)為熱量衡算。Q1為物料代入設(shè)備的熱量，kJ；Q2為加熱劑或冷卻劑傳給設(shè)備或處理物料的熱量，kJ；Q3為過程熱效應(yīng)，kJ；Q4為物料離開設(shè)備所帶走的熱量，kJ；Q5為加熱或冷卻設(shè)備所消耗的熱量，kJ；Q6為設(shè)備向環(huán)境散失的熱量，kJ熱量衡算中，物料帶入系統(tǒng)的熱量＋系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的熱量－物料帶出系統(tǒng)的熱量＝系統(tǒng)內(nèi)熱量的累積＋由系統(tǒng)邊界傳出的熱量。由熱量平衡方程式可得：Q4+Q5+Q6=Q1+Q2+Q3能量衡算計算（1）Q1的確定設(shè)基準(zhǔn)焓為0kJ，故Q1=0kJ。（2）Q6的確定由于設(shè)備散失的熱量為3%~5%，可忽略不計，故Q6=0kJ。（3）Q2的確定Q2為加熱劑或冷卻劑傳給設(shè)備或處理物料的熱量，需要獲得反應(yīng)物的比熱容，再進(jìn)一步計算求得。查得乙醇比熱容為2.42kJ/（kg·℃），我們的方法如下：4-溴-1,8-萘二甲酸酐整個結(jié)構(gòu)可分為四種基團(tuán)（苯基、環(huán)氧鍵、碳氧鍵、溴原子），將這四種基團(tuán)的結(jié)構(gòu)特性常數(shù)相加即為比熱容。表4.2有機(jī)化合物官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)特性常數(shù)[20]基團(tuán)-CO--BrC6H6--O-結(jié)構(gòu)特性常數(shù)/（cal.mol-1.℃-1）14.53.730.58.4由上表結(jié)構(gòu)特性常數(shù)計算CP4-溴-1,8-萘二甲酸酐=14.5×2+8.4+30.5×2+3.7=102.1cal/（mol.℃由于M4-溴-1,8-萘二甲酸酐=277.07，所以CP4-溴-1,8-萘二甲酸酐=102.1277.07=0.368cal/（kg.℃由于1cal=4.18J，最后計算得CP4-溴-1,8-萘二甲酸酐=1.54kJ/（kg·℃）相關(guān)物質(zhì)比熱值如下表所示。表4.3相關(guān)物質(zhì)比熱值物質(zhì)4-溴-1,8-萘二甲酸酐N-(2-氨基乙基)嗎啉乙醇熱容值kJ/（kg·℃）1.542.842.42根據(jù)公式：ΔH=n×CP×ΔtQ2=ΔH1(4-溴-1,8-萘二甲酸酐)+ΔH2（N-(2-氨基乙基)嗎啉）+ΔH3(乙醇)ΔH1(4-溴-1,8-萘二甲酸酐)=n×CP×Δt=202.056×1.54×(80-25)=17114.1kJΔH2(N-(2-氨基乙基)嗎啉)=n×CP×Δt=189.933×2.84×(80-25)=29667.5kJΔH3(乙醇)=n×CP×Δt=3114×2.42×(80-25)=414473.4kJ則Q2=ΔH1(4-溴-1,8-萘二甲酸酐)+ΔH2(N-(2-氨基乙基)嗎啉)+ΔH3(乙醇)=17114.1+29667.5+414473.4=461255.0kJ故維持80℃的條件，加熱設(shè)備所需要的熱量為461255.0kJ（4）Q4的確定根據(jù)公式Q4=m輸出設(shè)備的物料量,kgCp物料的平均比熱容,kJ/(kg℃)得Q4=m4-溴-1,8-萘二甲酸酐CP4-溴-1,8-萘二甲酸酐+mN-(2-氨基乙基)嗎啉CPN-(2-氨基乙基)嗎啉=1.54×60.011+2.84×71.124=294.41kJ（5）Q5的確定根據(jù)大量實踐計算經(jīng)驗，(Q5+Q6)通常為(Q4+Q5+Q6)的5%~10%，只要計算出Q4，就可以確定(Q5+Q6)。得Q5=(294.41+Q5)×7%=22.16kJ（6）Q3的確定由于能量守恒，根據(jù)公式Q3=Q4+Q5+Q6?(Q1+Q2)得Q3=Q4+Q5+Q6?(Q1+Q2)=?460938.43kJ反應(yīng)釜設(shè)計反應(yīng)釜是化工原料生產(chǎn)中典型的主體反應(yīng)設(shè)備，主要由筒體、夾套、攪拌系統(tǒng)三大部分組成。反應(yīng)釜的材料：本設(shè)計與物料接觸部分材料均采用304不銹鋼制造，符合GMP標(biāo)準(zhǔn)。工作原理：先將反應(yīng)物和反應(yīng)溶劑按照一定比例混合，然后導(dǎo)入反應(yīng)釜內(nèi)，將催化劑投入反應(yīng)釜內(nèi)，期間穩(wěn)定攪拌使其分散均勻有利于反應(yīng)。同時將反應(yīng)釜用夾套密封，隔絕內(nèi)外氣體的交換，然后進(jìn)行加熱，溫度計實時的監(jiān)控調(diào)節(jié)加熱裝置功率，在達(dá)到指定溫度后能保持在恒定溫度下使反應(yīng)正常進(jìn)行。在反應(yīng)結(jié)束后對反應(yīng)釜進(jìn)行降溫處理。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s11反應(yīng)釜圖釜體直徑表4.1反應(yīng)釜的H/Di值種類設(shè)備內(nèi)物料類型H/D一般攪拌罐液固相或液液相物料1~1.3氣液相物料1~2發(fā)酵罐類/1.7~2.5根據(jù)釜體容積V和上表總結(jié)的物料性質(zhì)，HDi=V可得Di=1698mm.式中：V—釜體容積，V=5m3Di—筒體內(nèi)徑，mH—筒體高度，m將計算結(jié)果圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑，Di=1700mm。筒體高度的設(shè)計其圓柱部分圓筒體的高度HH可得H=1896mm.式中：V—釜體容積，V=5m3；Vk—下封頭所包含的容積，Vk=0.697m3V1m—筒體每一米高的容積，V1m=2.27m3將計算結(jié)果圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑，H=1900mm。校核：H式中：H-釜體的高，H=1900mm；Di—釜體內(nèi)徑，Di=1700mmHD實際容積V可得V=5.01m3式中：V—釜體實際容積，m3H—圓整后的筒體高度，H=1.9mVk—封頭體積，Vk=0.697m3V1m—筒體每一米高的容積，V1m=2.27m3計算得到的實際值與假設(shè)值相差不大，符合。夾套高反應(yīng)釜在操作時的裝料系數(shù)η可取0.6~0.85；如果該混合物在反應(yīng)過程中易生成泡沫或成沸騰狀態(tài)，一般為0.6~0.7；若該混合物在反應(yīng)過程中的狀態(tài)比較穩(wěn)定，可取0.8~0.85。本反應(yīng)在操作時的裝料系數(shù)η取0.7。H可得H1=1235mm式中：V—釜體實際容積，V=5.01m3Vk—封頭體積，Vk=0.697m3V1m—筒體每一米高的容積，V1m=2.27m3將計算結(jié)果圓整為標(biāo)準(zhǔn)夾套高，H1=1300mm筒體厚度δδ1=1.235mm，取整2mm.t=100℃對應(yīng)σ'的許用壓力，σP為設(shè)計壓力，P=0.25MPa.δ1為內(nèi)筒體設(shè)計厚度采用雙面焊縫，局部無損探傷，焊縫系數(shù)=0.85.腐蝕裕量C2=2mm，δ1取最大值為4mm.封頭厚度δ同理可得δ封=4mm反應(yīng)釜的加熱功率設(shè)室溫為25攝氏度設(shè)計在1小時內(nèi)，將反應(yīng)釜加熱到80攝氏度。反應(yīng)釜的裝料取有效容量的2/3，3m3乙醇的比熱容為2.42KJ/(kg·℃)，安全系數(shù)為1.2；所以反應(yīng)釜所反應(yīng)物料的加熱功率K夾套內(nèi)導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油比熱0.55Kcal/kg，取用1200L，密度0.85；所以反應(yīng)釜夾套導(dǎo)熱油升溫的加熱功率Kw2=w2×△t×C反應(yīng)釜材料，鋼鐵比熱為0.11Kcal/kg；所以反應(yīng)釜自身重量所需的加熱功率Kw3總和Kw=516KW量產(chǎn)方案反應(yīng)釜的體積通?？刂圃?/3-2/3，選用5000L反應(yīng)釜，投入3114L的無水乙醇溶液。將反應(yīng)釜加熱一小時到80攝氏度，往進(jìn)料口中加入4-溴-1,8-萘二甲酸酐原料（202.056kg）和N-(2-氨基乙基)嗎啉（189.933kg）。反應(yīng)進(jìn)行3小時，隔絕外界空氣交換，進(jìn)行反饋保持溫度穩(wěn)定在80攝氏度，漿式攪拌器使其能夠充分反應(yīng)，電機(jī)傳動，轉(zhuǎn)速200r/min。

結(jié)論本論文設(shè)計并合成了一個快速、靈敏檢測食品中亞硫酸鹽的熒光探針NAS，并對其合成工藝進(jìn)行了初步研究。主要結(jié)論如下：1.將嗎啉基團(tuán)引入萘酰亞胺熒光團(tuán)分子骨架，設(shè)計并合成了溶酶體靶向的萘酰亞胺熒光染料1，隨后結(jié)合識別基團(tuán)乙酰丙酸，構(gòu)建了檢測亞硫酸鹽的熒光探針NAS。探針NAS的合成共3步，最后總產(chǎn)率為35%。隨后，通過核磁共振氫譜和碳譜的測定和分析，確證了熒光染料1和探針NAS的化學(xué)結(jié)構(gòu)，后續(xù)的光譜性能測試正在進(jìn)行中。2.論文還對第一步合成路線進(jìn)行了工藝研究，通過物料衡算和能量衡算，進(jìn)行了反應(yīng)釜的設(shè)計。3.熒光探針NAS的合成路線短，原料易得，為亞硫酸鹽檢測的熒光檢測提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)[1]張文濤.咔唑為熒光母體的雙識別位點反應(yīng)型探針制備及其在亞硫酸鹽檢測中的應(yīng)用[D].江西:江西農(nóng)業(yè)大學(xué),2021.[2]WangN,ZhuY,XingM,etal.Two-photonfluorescenceprobesformitochondriaimaginganddetectionofsulfite/bisulfiteinlivingcells[J].SensorsandActuatorsB:ChemicalVolume2019,295:215-222.[3]XuG,WuH,LiuX,etal.Asimplepyrene-pyridinium-basedfluorescentprobeforcolorimetricandratiometricsensingofsulfite[J].DyesandPigments,2015,120:322-32.[4]LinXM,LiuWJ,XuSY,etal.Imagingofintracellularbisulfatebasedonsensitiveratiometricfluorescentprobes[J].SpectrochimicaActaPartA-MolecularandBiomolecularSpectroscopy,2022,265:120335.[5]YangYutao,ZhouTingting,BaiBozan,etal.Designofmitochondria-targetedcolorimetricandratiometricfluorescentprobesforrapiddetectionofSO₂derivativesinlivingcells[J].SPECTROCHIMICAACTAPARTA-MOLECULARANDBIOMOLECULARSPECTROSCOPY,2018,196:215-221.[6]張靜,馬占玲,汪瑩,等.食品中亞硫酸鹽的毒性和檢測方法綜述[J].食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報,2015,6(08):3211-3216.[7]何志廣.運(yùn)用離子色譜法檢測食品添加劑[J].中國食品工業(yè),2022(18):38-39.[8]EverittKR,SchmitzHC,MackeA,etal.Investigationofasensingstrategybasedonanucleophilicadditionreactionforquantitativedetectionofbisulfite(HSO3-)[J].JournalofFluorescence,2020,30(5):977-983.[9]LowinsohnD,BertottiM.Determinationofsulphiteinwinebycoulometrictitration[J].FoodAdditives&Contaminants,2001,18(9):773-777.[10]ChanJ,DodaniSC,ChangCJ.Reaction-basedsmall-moleculefluorescentprobesforchemoselectivebioimaging[J].NatureChemistry,2012,4(12):973-984.[11]YuichiroK,YasuteruU,KenjiroH,etal.DevelopmentofanSi-rhodamine-basedfar-redtonear-infraredfluorescenceprobeselectiveforhypochlorousacidanditsapplicationsforbiologicalimaging.[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety,2011,133(15):5680-5682.[12]DickinsonBC,LinVS,C