新型咪唑[4,5-f][1,10]鄰菲啰啉衍生物的合成及對Zn2+ 熒光識別

張成路， 襲 煥, 王麗娜， 李思雨， 唐 杰， 徐德清， 李傳銀， 孫曉娜

(遼寧師范大學 化學化工學院，遼寧 大連 116029)

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新型咪唑[4,5-f][1,10]鄰菲啰啉衍生物的合成及對Zn2+熒光識別

張成路， 襲 煥, 王麗娜， 李思雨， 唐 杰， 徐德清， 李傳銀， 孫曉娜

(遼寧師范大學 化學化工學院，遼寧 大連 116029)

鄰菲啰啉二酮(1)在醋酸與醋酸銨的作用下與芳香醛通過脫水縮合構筑咪唑環(huán)，首次合成了3個新型芳基咪唑化合物(3a～3c).利用IR和1H NMR等對目標分子3進行了結構表征.首次探究了11種金屬離子對目標產(chǎn)物3的熒光猝滅，選取了包括主族和副族的11種金屬離子Ca2+、Cr3+、Hg2+、Al3+、Mn2+、Na+、Pb2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Fe2+.通過熒光測試研究了金屬離子的熒光猝滅現(xiàn)象，并通過經(jīng)典的方法計算出了熒光猝滅系數(shù)KSV.研究結果表明：Zn2+對配體3a、3b、3c均產(chǎn)生優(yōu)良的猝滅效果，并產(chǎn)生紅移，因此可對Zn2+進行熒光識別.熒光猝滅系數(shù)KSV的計算結果表明,金屬離子的最低檢出限可達10-5mol/L.利用產(chǎn)生熒光猝滅現(xiàn)象可以廣泛應用于金屬離子熒光探針識別，從而達到檢測金屬離子的目的.因此，目標產(chǎn)物可作為Zn2+的熒光探針.

鄰菲啰啉;芳基咪唑;金屬離子熒光探針；生物活性；金屬離子猝滅系數(shù)

作為微量元素的一些金屬離子，少量或多量都會嚴重影響水域、土壤的生態(tài)平衡和生命活動[1-2]，其中，Zn2+等離子[3-6]對生命物質(zhì)和水系的不可逆破壞尤為引人關注：Zn2+在人體長時間累積會對人腦特別是神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生危害作用等[7]，因此，對Zn2+的識別與檢測無疑具有重要的意義.

金屬離子易與適當?shù)呐潴w形成金屬配合物，使分子性能發(fā)生變化，產(chǎn)生分子電化學或光化學的響應，其中，熒光響應具有靈敏度高、選擇性好、無須參比、不受電場和磁場等影響等眾多優(yōu)點[8-9]，已成為光化學傳感領域的研究熱點[10-12].因此，將金屬離子與具有優(yōu)良生物活性的配體絡合，利用其熒光性能的變化，一方面可達到對金屬離子識別和檢測的目的，另一方面也有望反向探究具有藥效活性配體在體內(nèi)發(fā)揮藥效作用的位點及作用方式，這無疑具有重要的理論創(chuàng)新意義和應用價值.

本課題組前期研究結果發(fā)現(xiàn)[13]，芳香咪唑并鄰菲啰啉衍生物具有優(yōu)良的抑制PTP1B(蛋白酪氨酸磷酸酯酶1B)的藥效活性，并可作為pH熒光傳感探針，使該類分子顯示出優(yōu)越的醫(yī)藥研發(fā)前景.與此同時，鄰菲啰啉衍生物易與金屬形成配合物[14]，可引發(fā)模板產(chǎn)生熒光和紫外吸收變化[15]，達到金屬離子的熒光識別作用[16-17].

在前期工作的基礎上，設計了3個具有新型結構的芳香咪唑并鄰菲啰啉分子，通過熒光分析，研究了3個新型分子對生命體系有重要影響的11種金屬離子檢測.通過分子熒光的變化和熒光猝滅系數(shù)KSV的計算，繼續(xù)深入探究了其對金屬離子的熒光識別，期望利用設計合成的新分子達到對金屬離子的特性熒光識別.

3種苯并咪唑并鄰菲啰啉分子的合成路線如圖1所示.

圖1 目標產(chǎn)物3a～3c的合成路線Fig.1 Synthetic route of the target products 3a～3c

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

BRUKER AVANCE 500 MHz核磁共振波譜儀,TMS為內(nèi)標；Bruker aXS Tensor 27紅外光譜儀(瑞士Bruker公司，KBr為壓片)；Agilent Technologies GC/TOF Ca156高分辨質(zhì)譜儀(美國Agilent公司；VersaMax，美國，分子設備)；BL310型Sartorius電子天平(北京賽多利斯儀器有限公司，可精確到0.000 1 g)；F-7000熒光分光光度計；760CRT雙光束紫外-可見分光光度計，X-5型數(shù)字顯示顯微熔點測試儀(溫度計未經(jīng)較正)；6 cm培養(yǎng)皿.

2-吡啶基苯甲醛，4-氯苯甲醛(市售分析純，百靈威科技有限公司).

1.2 化合物3a～3c的合成與結構表征

化合物3a～3c由本課題組自行合成[13].

2-(2-甲氧基-5,6-二氟苯基)-1H-咪唑[4,5-f][1,10]鄰菲啰啉(3a):白色固體,收率為76%,m.p.273.5～274.7 ℃.IR(KBr),ν/cm-1:3 340,3 185,1 654,1 608,1 489,1 388,1 077;1H NMR(DMSO-d6,500 MHz),δ:13.94(s,1H,—NH),9.08～9.07(dd,J=1.4 Hz,J=4.2 Hz,2H,PyH),8.89～8.87(dd,J=1.5 Hz,J=8.0 Hz,2H,PyH),7.86～7.83(q,J=4.3 Hz,2H,PyH),7.69～7.63(q,J=9.4 Hz,1H,PhH),7.11～7.08(m,J=1.4 Hz,1H,PhH),3.84(s,3H,—OCH3).

2-(4-氯苯基)-1H-咪唑[4,5-f][1,10]鄰菲啰啉(3b):黃色固體,收率為75%,m.p.>300.6 ℃.IR(KBr),ν/cm-1:3 331,3 130,1 633,1 608,1 462,1 398;1H NMR(DMSO-d6,500 MHz),δ:8.92～8.90(dd,J=1.6 Hz,J=8.1 Hz,2H,PyH),9.05～9.04(dd,J=1.5 Hz,J=4.2 Hz,2H,PyH),13.67(s,1H,—NH),8.32～8.30(t,J=8.6 Hz,2H,PhH),7.85～7.82(q,J=4.3 Hz,2H,PyH),7.70～7.68(t,J=8.6 Hz,2H,PhH).

2-(2,5-二甲氧基-4-甲酰基苯基)-1H-咪唑[4,5-f][1,10]鄰菲啰啉(3c):棕黃色固體,收率為70%,m.p.>300.0 ℃.IR (KBr),ν/cm-1:3 437,3 336,3 100,1 672,1 630,1 557,1 466,1 378,1 160;1H NMR(DMSO-d6,500 MHz),δ:8.11～8.01(t,J=4.89 Hz,2H,PyH),7.50(s,1H,PhH),13.09(s,1H,—NH),10.42(s,1H,醛基),9.23(m,2H,PyH),9.04(m,2H,PyH),4.05(s,6H,—OCH3).

2 結果與討論

2.1 金屬離子對化合物3a～3c的熒光猝滅作用

將化合物3a～3c分別溶解在乙腈中，配置成濃度均為1.0×10-4mol·dm-3的溶液，選取11種金屬化合物：Hg(CH3COO)2、NaCl、Al(NO3)3·9H2O、Ca(NO3)2·4H2O、Cr(NO3)3·9H2O、Cu(NO3)2·3H2O、Fe(NO3)3·9H2O、MnCl2·4H2O、Pb(CH3COO)2·3H2O、Zn(CH3COO)2·2H2O和(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O，將其分別配置成濃度為1.0×10-4mol·dm-3的溶液.將上述兩類溶液分別按照體積比1∶1相混合，進行熒光測試，測試結果如圖2所示.

圖2 化合物3a、3b、3c對不同金屬離子發(fā)射光譜的變化Fig.2 The tendency of variations in luminescence spectra of the compounds 3a、3b、3c responding to the different metal ions

由圖2發(fā)現(xiàn)，Zn2+對3a、3b和3c產(chǎn)生明顯猝滅現(xiàn)象，并產(chǎn)生了紅移，這種實驗現(xiàn)象可能是因為Zn2+與配體間產(chǎn)生了電子能級躍遷，產(chǎn)生新的發(fā)光能級，這對研究新的發(fā)光材料具有重要的意義.

2.2 不同金屬離子熒光猝滅系數(shù)KSV的理論計算

根據(jù)金屬離子對目標分子猝滅效果，篩選出影響較大的金屬進行KSV計算，以期發(fā)現(xiàn)針對某一金屬猝滅的最佳配體.

將3a～3c溶解在乙腈中，分別配制成濃度為1.0×10-4mol·dm-3的溶液，將Zn(CH3COO)2·2H2O溶解在蒸餾水中，分別配制成濃度為1×10-5、2.0×10-5、3.0×10-5、4.0×10-5、5.0×10-5、6.0×10-5、7.0×10-5、8.0×10-5、9.0×10-5和1.0×10-4mol·dm-3的溶液，將化合物3的溶液與不同濃度的Zn2+離子的溶液分別按照體積比1∶1混合，進行熒光測試，利用Stern-Volmer公式

I0/I=KSVc+1

計算熒光猝滅系數(shù)KSV的數(shù)值.實驗結果見圖3.

圖3 化合物3a～3c對Zn2+ 熒光猝滅趨勢及猝滅系數(shù)KSV的計算Fig.3 Fluorescence quenching trend of Zn2+ with compounds 3a～3c and calculation of quenching coefficient KSV

熒光猝滅實驗結果表明：當Zn2+濃度為5.0×10-5～1.0×10-4mol·dm-3時，對配體3a、3b、3c均產(chǎn)生最佳猝滅效果，且產(chǎn)生了紅移，化合物3a、3b、3c的熒光猝滅系數(shù)lnKSV分別為4.69，4.79,4.80.

3 結 論

Zn2+對配體3a、3b、3c均產(chǎn)生優(yōu)良的猝滅效果，尤為重要的是產(chǎn)生較大應用價值的紅移現(xiàn)象，因此可對Zn2+進行熒光識別.通過計算熒光猝滅系數(shù)KSV可知，金屬離子的最低檢出限均達到1×10-5mol·dm-3，顯示出該類目標分子優(yōu)越的金屬離子熒光識別活性，這為金屬離子熒光傳感器材料達到不同目的的實踐應用奠定了基礎.

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Synthesis of four kinds of novel imidazo [4,5-f][1,10] phenanthroline derivatives and fluorescent identification of Zn2+

ZHANGChenglu,XIHuan,WANGLina,LISiyu,TANGJie,XUDeqing,LIChuanyin,SUNXiaona

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China)

Three novel aryl imidazole compounds (3a～3c) were first synthesized by reaction 1,10-phenanthroline-5,6-dione (1) with aromatic aldehydes in the presence of acetic acid and ammonium acetate.The structures of target molecules were characterized by IR and1H NMR.This paper selected including main group and subgroup, 11 kinds of metal ions Ca2 +,Cr3 +,Hg2+,Al3+,Mn2+,Na+,Pb2+,Fe3+,Cu2+,Zn2+,Fe2+.The fluorescence quenching of 11 kinds of metal ions on four target compounds was also screened.By fluorescence test the impact on the target molecule fluorescence intensity-fluorescence quenching was studied, and quenching coefficientKSV, was calculated according to the Stern-Volmer equation.It was found that,Zn2+exhibited excellent quenching effect on 3a,3b and 3c,and produced red shift which had important value.The results ofKSVshowed that the lowest of detection of metal ions is 10-5mol/L.This phenomenon can be widely used in metal ion sensing,and achieve the function of detecting metal ions effeetively.Therefore, the target product can be used as a fluorescent probe Zn2+.

phenanthroline;arylimidazole;metal ion fluorescence sensing probe;biological activity;metal ion quenching coefficient

2015-12-29

遼寧省高校創(chuàng)新團隊項目(2008T2017);遼寧省教育廳科學技術研究一般項目(2009A426)

張成路(1966-),男,遼寧蓋州人,遼寧師范大學教授，博士.

1000-1735(2017)02-0222-05

10.11679/lsxblk2017020222

O626

A