基于咔唑衍生物的熒光化學(xué)傳感器的合成及其對金屬離子的選擇性識別性能

程鵬飛，劉永真，祖福麗，李 茜，徐括喜＊

（1.河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 開封475004； 2.河南大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，河南 開封475004）

一些金屬離子（如 Zn2＋、Cu2＋、Fe3＋、Ca2＋、K＋、Na＋等）在生命活動(dòng)過程中發(fā)揮著十分重要的作用［1］.然而當(dāng)這些金屬離子在體內(nèi)的濃度穩(wěn)態(tài)受到破壞時(shí)，就會擾亂正常的生命系統(tǒng)，造成生理功能的紊亂，一些過渡金屬及重金屬離子超標(biāo)還會導(dǎo)致癌癥、腫瘤等疾病的發(fā)生.高濃度的銅離子會干擾生物機(jī)體內(nèi)的細(xì)胞穩(wěn)態(tài)平衡，過量的鐵離子會引起神經(jīng)變性、結(jié)膜炎和視網(wǎng)膜炎等疾病［2－6］.銅、鐵是工業(yè)上被廣泛應(yīng)用的重要原料，是重要的污染物之一.因此，對自然環(huán)境和生物體內(nèi)銅離子和鐵離子的檢測就顯得十分必要.

熒光化學(xué)傳感器已被廣泛應(yīng)用在分析化學(xué)、生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)等領(lǐng)域［7－12］，許多優(yōu)秀的的熒光化學(xué)傳感器也已有報(bào)道［13－16］.然而迄今為止，只有少數(shù)的熒光化學(xué)傳感器在與Fe3＋離子和Cu2＋離子鍵合后表現(xiàn)出熒光猝滅現(xiàn)象.

由于咔唑衍生物具有高的熒光量子產(chǎn)率而在熒光化學(xué)傳感器中被經(jīng)常用作熒光基團(tuán)，作者設(shè)計(jì)合成了兩個(gè)咔唑衍生物，并通過熒光光譜滴定法研究了它們在體積比為1∶1的DMSO／H2O（Tris－HCl，pH＝7.4）緩沖溶液中對不同金屬離子的選擇性識別性能.化合物的合成路線見圖1.

圖1 化合物的合成路線Fig.1 Synthetic route for the compounds

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

元素分析采用Italian 110型元素分析儀測定；熔點(diǎn)用Reichert 7905型顯微熔點(diǎn)儀測定（溫度計(jì)未校正）；核磁共振譜用BrukerAV－400型核磁共振波譜儀測定；質(zhì)譜用Esquire3000型LC－MS質(zhì)譜儀測定；熒光光譜用F－7000FL熒光光譜儀測定.所用試劑均為市售分析純試劑，所有溶劑使用前均使用標(biāo)準(zhǔn)方法純化.

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 3，6－二氯咔唑的合成

將10.0g（0.06mol）咔唑和100mL CH2Cl2放入250mL三頸圓底燒瓶中，冰浴，保持溫度在0℃以下，機(jī)械劇烈攪拌下逐滴加入9.6mL（0.12mol）SO2Cl2.滴加過程溫度不超過2℃，滴加完成后移除冰浴，在室溫下繼續(xù)反應(yīng)4h后抽濾.取濾渣，用CH2Cl2（3×30mL）洗滌得粉色固體.用250mL CH2Cl2溶解濾渣，攪拌下于70℃回流30min.冷卻抽濾，濾液蒸干后于真空干燥箱干燥，得粉色固態(tài)粉末7.30g，產(chǎn)率51.5%.mp 204～206℃ （文獻(xiàn)［17］mp 198℃）；1H NMR（DMSO－d6）δ：11.58（s，1H，NH），8.28（d，2H，J＝2.0Hz，aromatic H－4and H－5），7.52（d，2H，J＝8.6Hz，aromatic H－1and H－8），7.42（dd，2H，J＝8.6Hz，aromatic H－2and H－7）；MS（ESI）m／z234（M－1）.

1.2.2 1，8－二硝基－3，6－二氯咔唑的合成

在250mL三頸圓底燒瓶中分別加入7.30g 3，6－二氯咔唑，19mL乙酸酐和25mL乙酸，在冰浴和攪拌下，逐滴加入0.5mL 100%HNO3，然后將冰浴換成油浴，保持溫度在60℃，攪拌下逐滴加入0.5mL 100%HNO3，再將溫度調(diào)成75℃，加入3mL 100%HNO3.滴加完成后，溫度調(diào)成110℃.繼續(xù)反應(yīng)10 min后冷卻抽濾得黃色濾渣，用50mL乙酸溶解濾渣，回流20min后冷卻抽濾，用乙醚（2×30mL）洗滌得黃色固態(tài)粉末，放在真空干燥箱中干燥得產(chǎn)物8.3g，產(chǎn)率84.9%.mp 286～288℃ （文獻(xiàn)［17］mp 285～286℃）；1H NMR（DMSO－d6）δ：11.24（bs，1H，NH），8.93（d，2H，J＝2.0Hz，aromatic H－4and H－5），8.44（d，2H，J＝2.0Hz，aromatic H－2and H－7）；MS（ESI）m／z 325（M－1）.

1.2.3 1，8－二胺基－3，6－二氯咔唑的合成

在裝有100mL乙醇的250mL三頸圓底燒瓶中，分別加入1.6g 1，8－二硝基－3，6－二氯咔唑和0.2g Pd／C.在不斷攪拌和回流下，逐滴加入10mL 30%的水合肼和30mL乙醇的混合溶液，滴加完成后，回流12h.趁熱過濾并用乙醇洗滌濾渣，濾液蒸干得1.1g灰白色固體，產(chǎn)率84.6%.1H NMR（DMSO－d6）：δ11.30（s，1H，NH），8.98（s，2H），8.49（d，2H）；MS（ESI）m／z265（M－1）.

1.2.4 化合物1的合成

將0.27g 1，8－二胺基－3，6－二氯咔唑和0.40g對硝基異硫氰酸苯酯加入含5mL DMF的20mL無水氯仿的三頸圓底燒瓶中，在N2保護(hù)和攪拌下反應(yīng)24h，減壓蒸除溶劑后水洗，在乙醇中重結(jié)晶得黃色固體0.31g，產(chǎn)率49%.mp＞350℃；1H NMR（DMSO－d6）δ：10.87（s，1H），10.31（s，2H，ArNHCS），9.07（s，2H），8.67（s，2H，NHCS），8.54（d，2H），8.03（d，J＝8.2Hz，4H，ArH），7.54（t，J＝8.2Hz，4H，ArH），ESI－MSm／z：625（M－1）；元素分析C26H17Cl2N7O4S2計(jì)算值（%）：C 49.85，H 2.74，N 15.65；測定值（%）：C 49.76，H 2.81，N 15.44.

1.2.5 化合物2的合成

用1－萘基異硫氰酸酯代替對硝基異硫氰酸苯酯以相似的方法得黃色固體0.34g，產(chǎn)率54%.mp＞350℃；1H NMR（DMSO－d6）δ：10.81（s，1H），10.18（s，2H，ArNHCS），9.07（s，2H），8.67（s，2H，NHCS），8.41（d，2H），7.48－8.35（m，14H，ArH），ESI－MSm／z：635（M－1）；元素分析 C34H23Cl2N5S2計(jì)算值（%）：C 64.15，H 3.64，N 11.00；測定值（%）：C 64.03，H 3.69，N 10.87.

1.2.6 熒光光譜測定

將化合物1和2均用體積比為1∶1的DMSO／H2O（Tris－HCl，pH＝7.4）緩沖溶液配制成2.0×10－4mol·L－1的溶液.用同樣的緩沖溶液將各金屬氯化物（Li＋，Na＋，K＋，Cu2＋，Zn2＋，Co2＋，Mn2＋，Cr3＋，F(xiàn)e3＋）配制成0.1mol·L－1的溶液.分別移取1.0mL化合物1或2的溶液于一系列10mL容量瓶中，分別加入不同體積的金屬氯化物溶液，用緩沖溶液稀釋至刻度，得到一系列化合物1和2濃度為2.0×10－5mol·L－1金屬離子濃度不同的溶液，放置過夜后測其熒光光譜（激發(fā)和發(fā)射的狹縫寬度均為5nm）.

2 結(jié)果與討論

圖2 不同金屬離子對化合物1熒光強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of different metal ions on the fluorescence intensity of chemosensor 1

2.1 化合物1和2對金屬離子滴定的熒光光譜

如圖2所示，在化合物1的緩沖溶液中分別加入5倍量的不同金屬離子時(shí)，Cu2＋和Fe3＋使1的熒光強(qiáng)度急劇降低，而其他金屬離子如Li＋，Na＋，K＋，Zn2＋，Co2＋，Mn2＋，Cr3＋等，對1的熒光強(qiáng)度基本沒有影響；化合物2在緩沖溶液中（2.0×10－5mol·L－1）熒光光譜隨著Li＋，Na＋，K＋，Cu2＋，Zn2＋，Co2＋，Mn2＋，Cr3＋，F(xiàn)e3＋等金屬離子的加入而發(fā)生的變化與1的變化相似，當(dāng)Cu2＋和Fe3＋被加入到2的溶液中時(shí)，在400nm的熒光發(fā)射強(qiáng)度（λex＝340nm）隨之減小，而加入其他金屬離子時(shí)，化合物2的熒光強(qiáng)度也基本不變.因此，化合物1和2對Cu2＋和Fe3＋有很好的選擇性識別作用.

2.2 化合物1和2對Cu2＋和Fe3＋離子的熒光光譜滴定

向化合物1（2.0×10－5mol·L－1）的緩沖溶液中逐漸加入Cu2＋離子時(shí)，在400nm（激發(fā)波長340nm）的發(fā)射峰強(qiáng)度逐漸減弱，當(dāng)Cu2＋濃度為化合物1濃度的9.2倍時(shí)，化合物1的熒光強(qiáng)度幾乎不再發(fā)生變化（圖3a）；當(dāng)Fe3＋濃度是化合物1濃度的5.2倍時(shí)，化合物1的熒光強(qiáng)度也不再發(fā)生變化，說明化合物1與Cu2＋和Fe3＋之間形成了穩(wěn)定的配合物［18］.化合物2（2.0×10－5mol·L－1）的緩沖溶液熒光光譜隨著各種金屬離子的加入而發(fā)生的變化與化合物1的變化相似，當(dāng)Cu2＋濃度為化合物2濃度的10.4倍時(shí)（圖3b），F(xiàn)e3＋濃度為化合物2濃度的6.4倍時(shí)化合物2的熒光強(qiáng)度也幾乎不再變化，這說明化合物2與Cu2＋和Fe3＋之間也形成了穩(wěn)定的配合物［18］.

2.3 化合物1和2對Cu2＋和Fe3＋離子絡(luò)合常數(shù)的計(jì)算

在假設(shè)主客體間能形成1∶1的絡(luò)合物的條件下，熒光傳感器1或2與金屬離子的絡(luò)合常數(shù)可以通過以下方程式進(jìn)行計(jì)算：

圖3 Cu2＋離子濃度對傳感器1（a）和2（b）熒光強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of Cu2＋ion concentration on the fluorescence intensity of chemosensor 1 and 2 I＝I0＋0.5Δε ｛cH ＋cG＋1／Kass［（cH ＋cG＋1／Kass）2－4 cHcG］1／2｝

其中I表示熒光傳感器中加入不同濃度的金屬離子后的熒光強(qiáng)度，I0表示熒光傳感器不加金屬離子的熒光強(qiáng)度，cH、cG分別表示熒光傳感器和金屬離子的濃度.圖4為將400nm處熒光強(qiáng)度相對于Cu2＋與傳感器1濃度比值按1∶1絡(luò)合的關(guān)系式作非線性最小二乘法曲線擬合.化合物1、2與Cu2＋和Fe3＋通過熒光光譜滴定的結(jié)果經(jīng)非線性擬合所得的主客體絡(luò)合常數(shù)見表1.相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，說明傳感器1、2與Cu2＋、Fe3＋之間形成了1∶1配合物［18］.圖5為傳感器與Cu2＋相互作用的可能鍵合模式示意圖.

圖4 隨Cu2＋的加入傳感器1的熒光強(qiáng)度變化的非線性擬合曲線Fig.4 The changes of fluorescence intensity of chemosensor 1 at 400nm upon addition of Cu2＋

圖5 傳感器1，2與Cu2＋的可能鍵合模式Fig.5 Proposed binding mode of Cu2＋to chemosensor 1 and 2

表1 傳感器1和2與Cu2＋和Fe3＋在25℃時(shí)的絡(luò)合常數(shù)（Kass）與非線性擬合的相關(guān)系數(shù)（R）Table 1 The association constants（Kass）and correlation coefficient（R）of sensors 1 and 2 with Cu2＋ and Fe3＋at 25℃

3 結(jié)論

以含咔唑的熒光團(tuán)為起始原料，分別與2個(gè)芳香基化合物（對硝基異硫氰酸苯酯和1－萘基異硫氰酸酯）反應(yīng)得到了2個(gè)新型化合物1和2，并通過質(zhì)譜、核磁共振氫譜和元素分析等進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征.化合物1和2對Fe3＋和Cu2＋同時(shí)具有選擇性識別作用.測定了一系列熒光數(shù)據(jù)；分析計(jì)算了化合物1和2與Fe3＋和Cu2＋的絡(luò)合比及絡(luò)合常數(shù)，化合物1和2有望作為識別Fe3＋和Cu2＋的熒光化學(xué)傳感器.

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