4-(1H-9,10-菲并咪唑基)苯甲醛對pH和Ag+的響應研究

梁浩,潘繼剛*,吳擁軍,黃月君

(1.山西大學 化學化工學院，山西 太原 030006;2.山西醫(yī)科職業(yè)學院 藥學系，山西 太原 030031)

4-(1H-9,10-菲并咪唑基)苯甲醛對pH和Ag+的響應研究

梁浩1,潘繼剛1*,吳擁軍1,黃月君2

(1.山西大學 化學化工學院，山西 太原 030006;2.山西醫(yī)科職業(yè)學院 藥學系，山西 太原 030031)

以9,10-菲醌、對苯二甲醛和醋酸銨為原料，在乙酸介質中合成了4-(1H-9,10-菲并咪唑基)苯甲醛(PIB)。研究了PIB的紫外-可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜，發(fā)現其對溶液的酸堿度十分敏感，可以作為一種性能優(yōu)良的pH指示劑；同時測定了PIB在pH=7～8范圍內，不同金屬離子對熒光發(fā)射光譜的影響。結果表明，PIB對Ag+具有明顯的選擇性識別。

4-(1H-9,10-菲并咪唑基)苯甲醛；酸堿指示劑；銀離子；識別

0 引言

pH值是溶液中氫離子活度的一種標度。自Robert Boyle發(fā)現石蕊試液具有顏色隨pH的變化而變化這一特性以來，各種酸堿指示劑以及相關pH試紙都得到了廣泛應用。在現實中,pH影響著生活的方方面面，利用pH解決實際問題得到科學家的普遍關注[1-5]。近年來，許多新型pH指示劑陸續(xù)被報道，快捷有效、靈敏度高的pH檢測方法一直是人們研究的熱點[6-8]。

同時，隨著工業(yè)化程度的提高，重金屬污染問題越來越突出，這嚴重影響著自然環(huán)境及人類健康。銀作為一種重要的工業(yè)原料，已被廣泛地應用于催化技術、感光成像技術以及醫(yī)藥行業(yè)等領域[9-11]。然而大量銀化合物的違規(guī)排放，造成了人體內銀離子含量超標，這影響著蛋白質中氨基、咪唑基、羧基和巰基等一些活性基團的生物學功能，直接危害人們的健康[12-13]。近年來文獻報道了含螺吡喃類[14]、香豆素類[15]、多原子配體[16]等化合物作為檢測銀離子的探針，相關的研究越來越多被人們所關注。

本工作基于咪唑環(huán)結構具有酸堿特性以及能與金屬離子結合的雙重性質，選擇4-(1H-9,10-菲并咪唑基)苯甲醛(PIB)作為具有熒光響應的pH和Ag+指示劑，研究PIB的紫外-可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜。實驗結果表明它可以直觀快捷地檢測溶液的酸堿度，同時對銀離子有很好的識別效果，為以后此類探針的發(fā)展和應用提供了理論基礎。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

9，10-菲醌，醋酸銨，冰醋酸，對苯二甲醛均為分析純試劑；Shimadzu UV-245紫外-可見吸收光譜儀(日本)，Hitachi F450熒光發(fā)射光譜儀(日本)，Bruker Avance-300 MHz核磁共振儀 (瑞士)，Model PHS-25B pH計(中國上海)，ZF-20D暗箱式紫外分析儀(中國河南)。

1.2 4-(1H-9,10-菲并咪唑基)苯甲醛的合成[17](圖1)及表征

在100 mL圓底燒瓶中加入9,10-菲醌(0.7 g,3.36 mmol)，對苯二甲醛(1.4 g, 10.43 mmol),醋酸銨(5.2 g,67.46 mmol)和乙酸(25 mL)，在100℃下回流30 min。冷卻至室溫后倒入250 mL水中，有大量沉淀產生。抽濾，得到的粗產物依次用質量濃度5%的碳酸氫鈉、水、甲醇淋洗,真空干燥。經柱色譜分離(洗脫劑為丙酮)得黃色固體(0.85 g，產率78.5%)。1H NMR(300 MHz, DMSO-d6)δ(ppm):13.69(s,1H,N-H), 10.11(s,1H,-CHO),8.86-8.89 (d,2H,J=9.0 Hz,Ar-H),8.53-8.62(m,4H,Ar-H),8.13-8.16(d,2H,J=9.0 Hz,Ar-H),7.68-7.78(m,4H, Ar-H ).

Fig.1 Synthesis of compound PIB圖1 4-(1H-9,10-菲并咪唑基)苯甲醛的合成過程

1.3 紫外-可見吸收光譜、熒光發(fā)射光譜的測定

PIB溶液的配置：PIB用DMF溶解，濃度為1 mmol/L；硝酸鹽用蒸餾水溶解，濃度為10 mmol/L；不同pH值的緩沖溶液為乙腈-PBS溶液(3∶2，V/V,現配現用)。

紫外-可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜測定方法：向10 mL比色管中加入10 mL乙腈-PBS溶液和100 μL PIB溶液，然后測定紫外-可見吸收光譜、熒光發(fā)射光譜；測定金屬離子對光譜性質影響時，采用DMF-去離子水溶液(2∶1，V/V,現配現用)，pH值用稀硝酸和稀氫氧化鈉來調節(jié)。

2 結果和討論

2.1 化合物PIB與pH響應的紫外-可見吸收光譜、熒光發(fā)射光譜研究

4-(1H-9,10-菲并咪唑基)苯甲醛是一種溶解性比較好且含有咪唑基團的化合物，可以給出和接受質子，因此其紫外-可見吸收光譜可以對不同pH值表現出良好的響應。從圖2可以看出：pH值為1～2時，化合物PIB的最大吸收波長為357 nm，隨著pH的增大，吸光強度也在增大；pH值為3～11時,最大吸收波長從357 nm增大到373 nm，吸光度隨著pH的增大而增大；當pH值為11～13時，最大吸收波長從373 nm增大到398 nm，吸光度卻隨著pH增大，出現先減小后增大的趨勢。通過PIB最大吸收波長與pH關系圖(見圖3)可以直觀地看到pH在4～11范圍內，PIB最大吸收峰的波長基本維持在375 nm左右，推測此時PIB分子可能以游離的咪唑基形式存在,有很好的穩(wěn)定性。

Fig.2 UV-vis absorption spectrum of PIB (1×10-5 mol/L) at different pH(a and b)圖2 PIB(1×10-5 mol/L)在不同pH值下的紫外-可見吸收光譜(a和b)

Fig.3 Wavelength of PIB(1×10-5 mol/L) with changing pH圖3 PIB(1×10-5 mol/L)最大吸收波長和pH的關系

圖4為在不同pH值下，化合物PIB(1×10-5mol/L，乙腈：PBS=3∶2，λex=380 nm)的熒光發(fā)射光譜圖。由圖可知，pH值為1～2時發(fā)射波長為490 nm，pH值增大，熒光強度增大；當pH從3增加到11時，發(fā)射波長從490 nm偏移至530 nm，并在λ=445 nm處產生新的發(fā)射波長峰，峰值增長明顯；當pH繼續(xù)增大(pH=11～13.5)，溶液呈強堿性時，λ=445 nm和λ=530 nm的發(fā)射波長峰逐漸消失,在λ=485 nm出現新的發(fā)射波長峰。通過圖4(c)可以直觀地看到隨著pH的變化，PIB溶液熒光變化明顯。由圖2、圖3和圖4可以看出化合物PIB對酸堿有很好的響應，不同pH條件下的紫外-可見吸收光譜、熒光發(fā)射光譜圖有明顯變化，紫外最大吸收波長與熒光激發(fā)波長的變化基本同步。

Fig.4 Fluorescence emission spectrum of PIB(1×10-5 mol/L) at different pH (a and b,λex=380 nm) and the picture with the exciting wavelength of 365 nm(c)圖4 PIB(1×10-5 mol/L)在不同pH值的熒光發(fā)射光譜(a和b，λex=380 nm)和在365 nm激發(fā)光照射下的照片(c)

2.2 化合物 PIB作為pH探針的機理分析

根據化合物PIB分子中咪唑基結構的特點及紫外-可見吸收光譜、熒光發(fā)射光譜實驗結果，推測該化合物作為pH探針的可能機理為：

當pH值較低時，sp2雜化的氮原子被質子化，其最大吸收波長和吸光度都比較?。浑S著pH值增加，質子化程度降低，共軛體系的增大和電子云密度不斷提高,使其最大吸收波長紅移，在pH值為4～11時表現出相對穩(wěn)定的狀態(tài)；在較強的堿性介質中，咪唑環(huán)上-NH-能夠作為路易斯酸給出質子,形成負離子,使得紫外-可見吸收光譜中的最大吸收明顯紅移。

因此，無論在紫外-可見吸收光譜中還是熒光發(fā)射光譜中，化合物PIB都有可能作為一種pH指示劑，特別是通過配置合適濃度的PIB溶液，可以根據體系顏色的變化方便、直觀、快捷地確定溶液的酸堿狀態(tài)。

Fig.5 Proposed mechanism of compound PIB to pH圖5 化合物PIB識別酸堿可能的機理過程

Fig.6 Fluorescence emission spectrum (λex=380 nm) of PIB(1×10-5 mol/L) upon addition of various metal ions (4×10-4 mol/L) 圖6 PIB(1×10-5 mol/L)中加入不同金屬離子(4×10-4 mol/L)的熒光發(fā)射光譜圖(λex=380 nm)

2.3 化合物PIB對金屬離子的識別研究

配置1×10-5mol/L PIB溶液(DMF∶H2O=2∶1)，測定激發(fā)波長為380 nm下加入Ag+、Cu2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Mn2+、Mg2+、Ba2+、Ca2+9種常見金屬離子(濃度為4×10-4mol/L)后PIB溶液的熒光發(fā)射光譜，結果見圖6。從圖6可以看出: 在相同濃度下，銀離子的加入可以使λ=445 nm處的熒光強度大大降低，而其他的一些金屬離子都沒有對熒光發(fā)射光譜產生明顯影響，說明PIB對銀離子表現出良好的選擇性識別。

2.4 化合物PIB的熒光滴定研究

為了研究PIB和銀離子之間的絡合關系，在1×10-5mol/L PIB溶液中加入不同當量的AgNO3溶液測量其熒光發(fā)射光譜。由圖7(a)可見PIB在λ=445 nm處的熒光強度變化明顯。當AgNO3溶液的濃度過量很多時，PIB的熒光強度逐漸降低，在5×10-5mol/L濃度下達到平衡；繼續(xù)增加AgNO3溶液的濃度，其熒光發(fā)射光譜不再發(fā)生變化。同時，通過圖7(b)λ=445 nm處的熒光強度與時間的關系圖可看到：加入5×10-5mol/L AgNO3溶液后，熒光強度在15 min內從440 nm下降到35 nm，隨著時間的推移，熒光強度不再發(fā)生變化，反應達到平衡。

Fig.7 Fluorescence emission spectrum changes of PIB(1×10-5 mol/L) upon the addition of different amounts of Ag+ (7a) and the response time of PIB upon addition of AgNO3(5×10-5 mol/L) (7b) 圖7 Ag+對PIB(1×10-5 mol/L)的熒光光譜滴定(7a)以及加入5×10-5 mol/L AgNO3溶液后PIB響應時間測試圖(7b)

Fig.8 Relationship of PIB(1×10-5 mol/L) upon the addition of different amounts of AgNO3 with time圖8 PIB(1×10-5 mol/L)中加入不同濃度AgNO3溶液與達到平衡所需時間的關系

2.5 銀離子濃度對化合物PIB響應時間的研究

為了進一步探討銀離子濃度對PIB識別的響應時間，測定了1×10-5mol/L PIB溶液中加入不同濃度AgNO3溶液后熒光發(fā)射光譜強度與時間的變化關系。從圖8可以看出當AgNO3溶液濃度為4×10-4mol/L時λ=445 nm處熒光強度經歷10 s后基本不變，證明PIB與銀離子能夠很快能達到平衡；當AgNO3溶液濃度降低時，PIB對銀離子識別的響應時間會延長，從數秒鐘延長至數十分鐘不等。

2.6 銀離子對不同pH下PIB溶液響應的研究

研究了在不同pH條件下，5×10-5mol/L AgNO3溶液對1×10-5mol/L PIB熒光發(fā)射光譜的影響(見圖9)。結果表明，當pH=1～2時，由于PIB在λ=445 nm處沒有尖峰，不參與討論；當pH=3時，λ=445 nm處的熒光強度變化不大，其可能原因是在酸性較強的情況下，sp2雜化的氮原子被質子化；當pH=4～7時，銀離子與PIB的結合能夠明顯的發(fā)生熒光猝滅；當pH=8～13時，熒光強度無明顯變化，是由于在堿性環(huán)境中，銀離子會以沉淀形式存在，無法對PIB的熒光發(fā)射光譜產生明顯影響。

Fig.9 Fluorescence intensity (λ=445 nm) of PIB (1×10-5 mol/L) and PIB+Ag+([Ag+]/[PIB]=5.0) at different pH 圖9 不同pH值下PIB(1×10-5 mol/L)與PIB+Ag+([Ag+]/[PIB]=5.0)在λ=445 nm處熒光強度對比圖

2.7 化合物PIB識別銀離子的反應機理

根據肖海波課題組[18]報道的探針化合物對銀離子的識別機理，本工作通過核磁滴定進一步探討PIB對銀離子的選擇性識別。從圖10中的核磁滴定圖譜可以看出隨著銀離子濃度的增加，咪唑環(huán)上氨基氫 (s,1H,N-H)的化學位移由13.69向低場移動到14.25左右，尖峰變成寬峰。因此推測其識別機理可能是銀離子與咪唑環(huán)亞胺氮以配位鍵的形式結合，造成咪唑環(huán)結構發(fā)生變化，降低了其電子云密度，從而打破了化合物PIB原有剛性共軛體系，使熒光發(fā)射光譜強度明顯降低，其可能的機理見圖11。

Fig.10 1H NMR (300 MHz, DMSO-d6) spectrum of compound PIB to AgNO3 ( [Ag+]/[PIB]=0.0,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,10.0)圖10 化合物PIB對硝酸銀的1H NMR(300 MHz,DMSO-d6)滴定圖譜 ([Ag+]/[PIB]=0.0,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,10.0)

Fig.11 Proposed mechanism of compound PIB to Ag+圖11 化合物PIB識別銀離子可能的機理

3 結論

我們通過紫外-可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜對4-(1H-9,10-菲并咪唑基)苯甲醛進行了酸堿和銀離子的響應研究，發(fā)現其對pH有較高的靈敏度，可作為一種新型的pH指示劑；同時，該化合物對銀離子有較好的識別效果。這為以后進一步優(yōu)化設計、篩選出既能靈敏識別pH值，又能檢測銀離子的新型熒光探針提供了一定的理論基礎。

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Researchof4-(1H-Phenanthro[9,10-d]imidazol-2-yl)-BenzaldehydeforpHandAg+

LIANG Hao1,PAN Jigang1*,WU Yongjun1,HUANG Yuejun2

(1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China;2.ShanxiPharmaceuticalCollegeofMedicine,Taiyuan030031,China)

A novel phenanthroimidazole-based fluorescent indicator(PIB) was synthesized from 9,10-phenanthraquinone，1,4-phthalaldehyde and ammonium acetate under the acetic acid. PIB possess excellent spectral senstivities to pH and can be used as a favourable pH indicator.The recognition behavior of PIB toward various metal ions was evaluated in a solvent system which range 7 to 8 of pH.PIB exhibited high selectivity to Ag+over other metal ions.

4-(1H-phenanthro[9,10-d]imidazol-2-yl)-benzaldehyde；pH indicator；silver ion；recognition

10.13451/j.cnki.shanxi.univ(nat.sci.).2017.04.023

2016-11-08；

2017-01-05

國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目(091010823)

梁浩(1991-)，男，山西人，碩士研究生，研究方向：有機合成。

*通信作者：潘繼剛(PAN Jigang)，E-mail:panjigang_sxu@126.com

O626

A

0253-2395(2017)04-0816-07