2,4-二-(5-甲氧基-2-噻唑基)吡啶的合成及其對Ag+和pH值的熒光響應(yīng)

鄭明花， 劉希玲， 金京一

( 延邊大學(xué)理學(xué)院 化學(xué)系， 吉林 延吉 133002 )

重金屬的富集及其遷移等問題對生態(tài)環(huán)境的影響日趨嚴(yán)重，其中Ag+的過度累積而導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問題及其對人類健康的危害引起了人們的高度重視[1].另一方面，環(huán)境的pH值的測量在化學(xué)領(lǐng)域、細(xì)胞生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和環(huán)境科學(xué)等方面具有十分重要的意義：因此，開發(fā)高靈敏度的Ag+和pH值的選擇性探針成為目前研究的熱點(diǎn).在Ag+和pH值的檢測方法中，熒光分析法具有操作簡便、響應(yīng)快、高選擇性和靈敏度高等特點(diǎn).與其他基于單發(fā)射波長變化的“關(guān)-開”或“開-關(guān)”型熒光探針比較，基于雙發(fā)射波長變化的比率熒光探針能有效地消除背景干擾、降低熒光探針濃度、消除光源強(qiáng)度的漂移和探針的光漂白等因素所引起的誤差.目前，對Ag+和pH值的熒光分子探針的研究已取得一定的進(jìn)展[2-4]，但有關(guān)比率熒光探針的研究還較少[5-6].本文以2,4-吡啶二甲酸為原料合成了2,4-二-(5-甲氧基-2-噻唑基)吡啶(MTP)(圖1)，光譜研究表明MTP可作為Ag+和pH值的比率熒光探針.

圖1 化合物MTP的合成

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器和試劑

主要儀器有熔點(diǎn)測定儀(北京泰克，X-5)，核磁共振譜儀(瑞士布魯克，AV-300)，紫外分光光度計(jì)(日本島津公司，U-3010)，傅里葉變換紅外光譜儀(日本島津公司，IR Prestige-21)，熒光分光光度計(jì)(日本島津公司，RF-5301)，液-質(zhì)聯(lián)用儀(美國安捷倫科技公司，1100-HPLC/MSD)，精密酸度計(jì)(上海雷磁儀器廠，PHS-3C)等.除光譜測試時(shí)所用溶劑為色譜純外，其余所用試劑均為分析純.

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1化合物1的合成[7]在0～5 ℃冰浴下，向15 mL含有2,4-吡啶二甲酸(1.002 g, 6 mmol)和4-硝基苯酚(2.004 g, 14.4 mmol)的吡啶溶液中滴加10 mL的含N,N′-二環(huán)己基碳酰亞胺(DCC, 2.476 g, 6 mmol)的吡啶溶液.滴加完畢后，在冰水浴下攪拌3 h，再于室溫下繼續(xù)攪拌1 h.抽濾，濾液用飽和碳酸氫鈉溶液調(diào)節(jié)至pH值為10，析出白色固體1 (11.71 g，收率為70%).M.p.: 135.2～135.8 ℃.1H-NMR(300 MHz, DMSO-d6) δ:7.69(d,2H,J=4.9 Hz), 7.72(d,2H,J=4.9 Hz), 8.39～8.41(m,5H), 8.74(1H,s), 9.15(d,1H,J=5.0 Hz).13C-NMR(75 MHz, CDCl3) δ: 117.6, 117.9, 118.1, 118.3, 119.3, 121.1,121.3, 121.4, 121.5, 123.7, 144.4, 144.7, 147.0, 148.7, 155.3, 157.1, 158.3, 161.1, 163.3.IR(KBr, cm-1): 2 928, 2 849, 1 740, 1 636, 1 521,1 348, 1 230, 1 088, 866, 669, 640.MS(m/z): [M]+=410(M+1).

1.2.2化合物2的合成[8]在室溫下，向7 mL含化合物1 (757.5 mg， 1.85 mmol)的N,N′-二甲基甲酰胺溶液中滴加10 mL的含甘氨酸甲酯(580.6 mg, 4.63 mmol)的中性無水甲醇溶液.滴加結(jié)束后，在室溫持續(xù)攪拌10 h后向反應(yīng)體系加入飽和碳酸氫鈉溶液和50 mL水.用乙酸乙酯萃取，有機(jī)層用飽和食鹽溶液洗滌，無水硫酸鈉干燥，經(jīng)柱層析(乙酸乙酯、石油醚體積比為6∶5)得到白色油狀物2 (132 mg，收率為30%).1H-NMR(300 MHz, DMSO-d6) δ: 3.65(s,3H), 3.66(s,3H), 4.06(d,2H,J=6.3 Hz), 4.08(d,2H,J=6.3 Hz), 8.00(br,1H), 8.45(s,1H), 8.84(br,1H), 9.24(d,1H,J=5.8 Hz), 9.51(d,1H,J=5.8 Hz).13C-NMR(75 MHz, DMSO-d6) δ: 40.1, 41.5, 52.2, 52.3, 119.8, 124.7, 142.6, 150.0, 150.7， 164.3, 165.0, 170.4, 170.5.IR(KBr, cm-1): 2 953, 2 922, 1 751, 1 670, 1 541, 1 525, 1 292, 1 213, 1 051, 1 026, 1 005, 824, 764.MS(m/z): [M]+=310(M+1).

1.2.3MTP的合成[9]向7 mL甲苯中依次加入化合物2 (124 mg, 0.398 mmol)和勞倫斯試劑(Lawesson’s reagent, 354 mg, 0.87 mmol)后，升溫至140 ℃，反應(yīng)12 h.冷卻至室溫后，減壓除去溶劑，加入適量的5 mol/L氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)體系至弱堿性.用乙酸乙酯萃取后，有機(jī)相經(jīng)無水Na2SO4干燥.柱層析(乙酸乙酯、石油醚體積比為4∶1)，重結(jié)晶后得到白色固體為MTP(20 mg，收率為16%).M.p.: 130.2～130.8 ℃.1H-NMR(300 MHz, Acetone-d6) δ: 4.05(s,3H), 4.08(s,3H), 7.34(s,1H), 7.40(s,1H), 7.76(d,1H,J=6.7 Hz), 8.40(s,1H), 8.59(d,1H,J=6.7 Hz).13C-NMR(75 MHz,Acetone-d6) δ： 54.9， 55.0， 115.1， 121.1， 121.3， 126.2， 141.8， 142.0， 146.0， 150.6， 154.9， 158.8， 165.2.IR(KBr, cm-1): 2 922， 2 851， 1 529， 1 487， 1 445， 1 412， 1 279， 1 233， 980， 895， 820， 772.MS(m/z):[M]+=306(M+1).計(jì)算值(C13H11N3O2S2)：305.029 3， HRMS(m/z): 305.027 7.

1.3 光譜測試

光譜測試均使用色譜級甲醇作為溶劑.紫外光譜測試時(shí)， [MTP]=2.0×10-5mol/L；熒光光譜測試時(shí)， [MTP]=2.0×10-6mol/L.對于金屬離子，除Fe2+為鹽酸鹽，其余(Ag+、Ca2+、Cd2+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Hg2+、Mg2+、Ni2+、Pb2+、Zn2+)均為高氯酸鹽.在滴定實(shí)驗(yàn)中，除Ag+之外其他所有金屬離子的濃度均為1×10-4mol/L.溶液pH值的調(diào)節(jié)采用鹽酸或氫氧化鈉水溶液，以pH計(jì)顯示的數(shù)值為準(zhǔn).

2 結(jié)果與討論

2.1 MTP對金屬離子的選擇性識別性能

MTP的最大激發(fā)波長(λex)與最大發(fā)射波長(λem)分別為355 nm和467 nm(圖2).由于MTP的分子骨架中有可能存在金屬離子螯合位點(diǎn)，因此本文對金屬離子對其熒光發(fā)射行為的影響進(jìn)行了探討.在本文所考察的Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Ag+、Zn2+、Co2+、Cu2+，Ni2+、Cd2+、Hg2+、Pb2+等金屬離子中，金屬離子對MTP的熒光發(fā)射行為的影響可分為3類(圖2)： ① Ag+使MTP在467 nm處的熒光強(qiáng)度降低，同時(shí)在434 nm處形成一個(gè)新的藍(lán)移發(fā)射峰； ② Ca2+、Mg2+、Fe2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+等金屬離子使MTP在467 nm處的熒光強(qiáng)度降低，但在434 nm處沒有出現(xiàn)新的峰； ③ Fe3+、Hg2+、Co2+、Cu2+、Ni2+等金屬離子使MTP基本失去了熒光發(fā)射性能，即只有Ag+能在猝滅MTP的原發(fā)射波長的同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)新的發(fā)射峰.

圖2 金屬離子對MTP的熒光響應(yīng)

熒光滴定實(shí)驗(yàn)表明，隨著Ag+濃度的增加(0～50 eq)，MTP在467 nm處的熒光強(qiáng)度逐漸降低，同時(shí)發(fā)射峰逐漸藍(lán)移，最終在434 nm處出現(xiàn)新峰(圖3).這種基于Ag+的雙發(fā)射波長變化，應(yīng)該是由MTP與Ag+配位所導(dǎo)致的.考慮到Ag+具有d10電子結(jié)構(gòu)，它與MTP配位結(jié)合后，由于重原子效應(yīng)導(dǎo)致MTP的原熒光發(fā)射發(fā)生猝滅.另一方面，MTP與Ag+配位后，所形成的配位化合物有效降低了從鄰位噻唑單元到中心吡啶單元的電子轉(zhuǎn)移效率，導(dǎo)致熒光發(fā)射峰藍(lán)移.由此可見，MTP對Ag+具有良好的選擇性，可以作為以發(fā)射波長467 nm和434 nm處的熒光強(qiáng)度為比率的比率熒光探針.

圖3 MTP在甲醇中Ag+的熒光滴定光譜

根據(jù)滴定曲線，MTP與Ag+在溶液中應(yīng)存在絡(luò)合平衡：

MTP+Ag+[Ag(MTP)]+.

(1)

假設(shè)體系中MTP的濃度為[N]0，未配位的MTP的濃度為[N]，未配位的MTP所占全部配體的分?jǐn)?shù)為α， Ag+在體系中的濃度為[M]，則其絡(luò)合常數(shù)可以表達(dá)為：

K絡(luò)合=(1-α)/α[M].

(2)

根據(jù)朗-比耳定律，α可表示為

α=(F-F0)/(F1-F0),

(3)

式中:F0是體系中未引入Ag+時(shí)，434 nm處的熒光強(qiáng)度值；F1是體系中Ag+大大過量時(shí)，434 nm處的熒光強(qiáng)度值；F是體系中Ag+的濃度在此區(qū)間時(shí)，434 nm處的熒光強(qiáng)度值.

結(jié)合方程(1)和(2)，由熒光滴定分析結(jié)果擬合得到MTP-Ag+的絡(luò)合常數(shù)K絡(luò)合，約為1.34×104L/mol[10-11]，如圖4所示.從圖4可以進(jìn)一步推導(dǎo)出MTP在甲醇中對Ag+的最低檢測限為2.45×10-5mol/L.

圖4 MTP與Ag+的絡(luò)合常數(shù)擬合圖

2.2 MTP對pH值的敏感性

由于MTP分子骨架中存在對質(zhì)子敏感的吡啶單元，因此本文對pH值對MTP的熒光發(fā)射行為的影響進(jìn)行了考察(圖5).如圖5所示：體系的pH值在1～6范圍內(nèi)時(shí)，MTP在467 nm處的熒光發(fā)射逐漸減弱；而在堿性范圍內(nèi)，熒光強(qiáng)度沒有明顯的變化.在pH=1～6范圍內(nèi)，隨著酸性的增強(qiáng)，猝滅程度越大，同時(shí)在552 nm處形成新的熒光發(fā)射峰，并且逐漸增強(qiáng).圖6顯示在525 nm處有一個(gè)等發(fā)射點(diǎn)，這說明在體系中存在著MTP的質(zhì)子化平衡.因此，以MTP在467 nm和552 nm兩處的熒光發(fā)射強(qiáng)度為比率，可以檢測pH=1～6范圍的酸度值.

圖5 MTP在不同pH值下的熒光強(qiáng)度比率變化

圖6 MTP在pH=1～6范圍內(nèi)熒光強(qiáng)度變化

3 結(jié)論

本文合成了2,4-二-(5-甲氧基-2-噻唑基)吡啶(MTP)，并利用紅外光譜、核磁共振和質(zhì)譜對化合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征.MTP的熒光性能測試結(jié)果表明，MTP對Ag+具有比率熒光響應(yīng)，絡(luò)合常數(shù)為1.34×104L/mol，最低檢測限為2.45×10-5mol/L，說明MTP對Ag+的識別有高靈敏度和專一的選擇性.考察MTP對pH值的敏感性表明，MTP在pH=1～6范圍內(nèi)也具有比率熒光響應(yīng).

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