新型香豆素類熒光探針的合成及其對(duì)Cu2+的識(shí)別性能

邵 陽(yáng), 徐 鑒

(南京曉莊學(xué)院 環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211171)

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新型香豆素類熒光探針的合成及其對(duì)Cu2+的識(shí)別性能

邵 陽(yáng), 徐 鑒*

(南京曉莊學(xué)院 環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211171)

以2-羥基-4-甲氧基苯甲醛和丙二酸二乙酯為起始原料，設(shè)計(jì)并合成了一種新型的Cu2+熒光探針7-甲氧基-2-氧代-N-[2-(苯基氨基)乙基]-2H-色烯-3-甲酰胺(NPC)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR,13C NMR, MS(EI)和元素分析表征。并研究了室溫下，NPC在乙醇和水的混合溶液中對(duì)Cu2+的識(shí)別性能。結(jié)果表明：NPC對(duì)Cu2+表現(xiàn)出熒光猝滅效應(yīng)，具有對(duì)Cu2+的選擇性識(shí)別性能。

香豆素; 甲酰胺; 合成; 熒光探針; Cu2+選擇性識(shí)別

Abstract： A novel fluorescent probe for Cu2+, 7-methoxy-2-oxo-N-[2-(phenylamino)ethyl]-2H-chromene-3-carboxamide(NPC), was designed and synthesized from 2-hydroxy-4-methoxybenzaldehyde and diethyl malonate. The structure was characterized by1H NMR,13C NMR, MS(EI) and elemental analysis. The recognition property for Cu2+at room temperature in EtOH/H2O was investigated. The results showed that NPC exhibited a specific selective recognition for Cu2+in solution with a fluorescent quenching signal.

Keywords： coumarin; carboxamide; synthesis; fluorescent probe; Cu2+selective recognition

銅是生物體內(nèi)必需的微量元素之一，在細(xì)胞中的含量?jī)H次于鐵和鋅。銅離子廣泛參與了生物體內(nèi)多種生理過程[1-2]。人體內(nèi)銅元素水平與多種疾病(如心血管疾病、糖尿病、癌癥和神經(jīng)退行性疾病等)密切相關(guān)[3-5]。因此研究Cu2+的檢測(cè)方法對(duì)人類健康有重要的實(shí)際意義。

傳統(tǒng)的銅離子檢測(cè)方法主要有：原子吸收光譜法、電感耦合等離子體-質(zhì)譜法、分光光度測(cè)定法和循環(huán)伏安法等[6-9]。這些方法靈敏度較高和精確度較好，但是操作繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)，儀器昂貴，不利于推廣使用。

熒光分析方法作為一種優(yōu)秀的現(xiàn)代分析手段，具有很高的靈敏度和時(shí)空分辨率，特別是熒光探針分子能夠透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞，使其在生物傳感方面具有較大的應(yīng)用潛力[10-11]。香豆素及其衍生物是一類含內(nèi)酯環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物，熒光性較強(qiáng)[12]。該類化合物應(yīng)用于熒光傳感器研究已經(jīng)取得了初步成果[13]。

Scheme1

本文以2-羥基-4-甲氧基苯甲醛(1)和丙二酸二乙酯(2)為起始原料，設(shè)計(jì)并合成了一種新型的Cu2+熒光探針7-甲氧基-2-氧代-N-[2-(苯基氨基)乙基]-2H-色烯-3-甲酰胺(NPC, Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR,13C NMR, MS(EI)和元素分析表征。并研究了室溫下，NPC在乙醇和水的混合溶液中對(duì)Cu2+的識(shí)別性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

RF-5301型熒光分光光度計(jì)；UV 2450型紫外-可見分光光度計(jì)；Bruker AMX-500 MHz型核磁共振儀；PE 2400型元素分析儀。

1、二環(huán)己基碳二亞胺、N-苯基乙二胺、4-二甲氨基吡啶，Sigma-Aldrich公司；2、六氫吡啶、冰醋酸、無水乙醇、氫氧化鈉、二氯甲烷，南京化學(xué)試劑股份有限公司；實(shí)驗(yàn)涉及的金屬離子均為高氯酸鹽[溶劑：乙醇/水=5/1,V/V, pH 7.4]，阿拉丁試劑(上海)有限公司；實(shí)驗(yàn)用水為二次去離子水;其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1)3的合成

將13.1 g(20 mmol)和24.0 g(25 mmol)溶于無水乙醇(50 mL)中;加入六氫吡啶0.5 mL和兩滴冰醋酸，回流反應(yīng)3 h。冷卻至室溫，緩慢倒入100 mL冰水中，過濾，濾餅用50%乙醇重結(jié)晶得白色固體33.8 g，產(chǎn)率77%;1H NMRδ: 8.33(s, 1H), 7.45(d,J=7.2 Hz, 1H), 6.81(d,J=7.2 Hz, 1H), 6.65(d,J=6.8 Hz, 1H), 4.36(q,J=7.2 Hz, 2H), 3.87(s, 3H), 1.38(t,J=7.2 Hz, 3H);13C NMRδ: 165.3, 160.1, 155.4, 153.8, 130.1, 119.4, 112.5, 111.2, 100.8, 100.3, 62.4, 55.7, 14.9; MS(EI)m/z: Calcd for 248.07[M+], found 248.04; Anal. calcd for C13H12O5: C 61.4, H 6.7, found C 61.2, H 6.8。

(2)4的合成

回流條件下,將32.48 g(10 mmol)的乙醇(15 mL)溶液緩慢滴加至10%氫氧化鈉溶液(15 mL)中，滴畢，反應(yīng)30 min。冰浴冷卻，用濃鹽酸調(diào)至pH 2，析出沉淀，過濾，濾餅真空干燥得淡黃色固體41.95 g，產(chǎn)率89%;1H NMRδ: 8.35(s, 1H), 7.43(d,J=7.2 Hz, 1H), 6.83(d,J=7.2 Hz, 1H), 6.63(d,J=6.8 Hz, 1H), 3.85(s, 3H);13C NMRδ: 187.1, 165.4, 160.2, 159.6, 153.8, 147.5, 134.4, 129.7, 110.9, 109.7, 55.3; MS(EI)m/z: Calcd for 248.03[M+], found 247.97; Anal. calcd for C12H8O6: C 58.1, H 3.3, found C 58.3, H 3.4。

(3) NPC的合成

攪拌下,在反應(yīng)瓶中依次加入41.24 g(5 mmol)的二氯甲烷(100 mL)溶液,二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)1.2 g(6 mmol),N-苯基乙二胺0.82 g(6 mmol)和4-二甲氨基吡啶0.025 g(0.2 mmol)，反應(yīng)8 h。過濾，濾液用水(3×100 mL)洗滌，無水硫酸鈉干燥過夜；蒸除溶劑，殘余物經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑：乙酸乙酯/二氯甲烷=1/5,V/V)純化得淡黃色固體NPC 1.06 g，產(chǎn)率63%;1H NMRδ: 9.27(s, 1H), 8.41(s, 1H), 8.04～7.96(m, 2H), 7.51～7.47(m, 2H), 7.20～7.15(m, 3H), 7.01～6.96(m, 2H), 3.87(s, 3H), 3.63(m, 2H), 3.43(s, 2H);13C NMRδ: 160.7, 159.5, 159.5, 153.8, 147.3, 130.1, 129.4, 129.4, 120.8, 119.3, 114.7, 113.6, 113.6, 111.0, 110.2, 100.3, 55.7, 42.3, 39.1; MS(EI)m/z: Calcd for 228.13[M+], found 338.02; Anal. calcd for C19H18N2O4: C 67.4, H 5.4, N 8.3, found C 67.1, H 5.3, N 8.5。

1.3 NPC對(duì)Cu2+的選擇性識(shí)別

將NPC配制成10 μmol·L-1的溶液，分別加入1×10-3mol·L-1Cu2+(0.1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5、 0.6、 0.7、 0.8、 0.9、 1.0、 1.2和1.5 eq.)。以440 nm為激發(fā)波長(zhǎng)，測(cè)定熒光發(fā)射光譜。

在10 μmol·L-1NPC溶液中，分別加入1×10-3mol·L-1金屬離子溶液(Al3+、 Na+、 Ba2+、 Mg2+、 Ca2+、 Cu2+、 Zn2+、 Mn2+、 Pb2+、 Hg2+、 Cd2+、 Ni2+、 Co2+和Fe3+)1.5 eq.。以440 nm為激發(fā)波長(zhǎng)，測(cè)定熒光發(fā)射光譜。

1.4 其它金屬離子存在下NPC對(duì)Cu2+的選擇性識(shí)別

在10 μmol·L-1NPC溶液中，分別加入1×10-3mol·L-1金屬離子(Na+、 Ba2+、 Mg2+、 Ca2+、 Al3+、 Zn2+、 Mn2+、 Pb2+、 Hg2+、 Cd2+、 Ni2+、 Co2+、 Fe3+)1.5 eq.,以440 nm為激發(fā)波長(zhǎng)，在495 nm處測(cè)定熒光強(qiáng)度。然后在上述溶液中分別加入Cu2+1 eq.，相同條件下測(cè)定熒光強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 NPC對(duì)Cu2+的選擇性識(shí)別

圖1為在NPC中加入金屬離子后的UV-Vis譜圖。從圖1可以看出，NPC的最大吸收波長(zhǎng)為428 nm，在加入金屬離子(除Cu2+之外)后，體系的譜圖基本沒有變化。加入Cu2+后，最大吸收波長(zhǎng)從428 nm紅移到440 nm，溶液的顏色由黃色變?yōu)樯铧S色。這說明NPC對(duì)Cu2+有獨(dú)特的響應(yīng)效果。

圖2為NPC加入金屬離子(Al3+、 Na+、 Ba2+、 Mg2+、 Ca2+、 Cu2+、 Zn2+、 Mn2+、 Pb2+、 Hg2+、Cd2+、 Ni2+、 Co2+、 Fe3+)后的熒光譜圖。由圖2可以看出，NPC溶液中只有在加入Cu2+后,會(huì)產(chǎn)生熒光猝滅現(xiàn)象，加入其他金屬離子，體系的熒光譜線變化很小。

圖3為Cu2+加入量對(duì)NPC熒光光譜的影響。由圖3可以看出，在440 nm波長(zhǎng)激發(fā)下，NPC在495 nm處有一個(gè)很強(qiáng)的熒光峰。隨著Cu2+的加入，NPC在495 nm處的熒光強(qiáng)度逐漸減弱，當(dāng)Cu2+的加入量達(dá)到1 eq.后，NPC的熒光光譜基本不再變化。這說明探針分子與Cu2+可能以1 ∶1配位結(jié)合。

λ/nm

λ/nm

λ/nm

2.2 共存金屬離子干擾下NPC對(duì)Cu2+的識(shí)別性能

表1為共存金屬離子干擾下NPC對(duì)Cu2+的選擇性識(shí)別性能。由表1可以看出，即使體系內(nèi)有其他金屬離子(1.5 eq.)存在，NPC依然對(duì)Cu2+(1 eq.)有良好的識(shí)別效果。

表1 共存金屬離子對(duì)探針分子NPC識(shí)別Cu2+影響Table 1 Influence of co-existing metal ions on recognition property of NPC with Cu2+

pH

此外，我們還考察了溶液pH值對(duì)NPC識(shí)別Cu2+的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可見，當(dāng)溶液pH 5～10時(shí)，NPC溶液的熒光在加入Cu2+前后均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，這說明NPC的pH適用范圍較寬。

2.3 識(shí)別機(jī)理

香豆素類化合物是一種經(jīng)典的具有熒光發(fā)射性能的化合物。尤其是在香豆素環(huán)的3-位和7-位上引入取代基，可加強(qiáng)香豆素分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)過程，使探針分子的熒光性質(zhì)顯著加強(qiáng)。此外，在7-位上引入亞胺基可以為Cu2+提供合適的配位環(huán)境，由于Cu2+本身的順磁性，往往會(huì)導(dǎo)致體系產(chǎn)生熒光猝滅現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)并合成了一種新型的Cu2+熒光探針7-甲氧基-2-氧代-N-[2-(苯基氨基)乙基]-2H-色烯-3-甲酰胺(NPC)。并研究了室溫下，NPC在乙醇和水的混合溶液中對(duì)Cu2+的識(shí)別性能。結(jié)果表明：NPC對(duì)Cu2+表現(xiàn)出熒光猝滅效應(yīng)，具有對(duì)Cu2+的選擇性識(shí)別性能。該研究對(duì)Cu2+的識(shí)別檢測(cè)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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SynthesisofANovelCoumarin-basedFluorescentProbeandItsSelectiveRecognitionPropertyforCu2+

SHAO Yang, XU Jian*

(School of Environmental Science, Nanjing Xiaozhuang University, Nanjing 211171, China)

O621.3; O657.3

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.10.17071

2017-03-28;

2017-08-22

南京曉莊學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(2015NXY37)

邵陽(yáng)(1981-)，女，漢族，江蘇南京人，碩士，講師，主要從事應(yīng)用化學(xué)的研究。 E-mail: 310353368@qq.com

徐鑒，講師, E-mail: 466585095@qq.com