一種新型識(shí)別F-的硝基脲酰肼熒光化學(xué)傳感器

李 丹，閆 冰，黃葦葦

(燕山大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

0 引言

陰離子在自然界普遍存在[1-6]。在生物體中，遺傳信息DNA的載體是陰離子，大多數(shù)酶底物和輔因子(例如5′-三磷酸腺苷，簡(jiǎn)稱ATP)也是陰離子。在鹵化物中，氯離子廣泛存在于細(xì)胞外液中，一旦調(diào)節(jié)不當(dāng)便會(huì)引發(fā)系列疾病，如囊性纖維化[7]；碘離子是合成甲狀腺激素的必要物質(zhì)[8]；碳酸氫根的存在對(duì)于維持體內(nèi)pH值是非常重要的。尤其是氟離子的檢測(cè)意義重大，因?yàn)樗侨梭w骨骼和牙齒成型所必需的微量元素之一[9-10]，但過(guò)量攝入氟離子會(huì)引起諸如骨質(zhì)疏松癥、膠原蛋白降解等許多問(wèn)題，被統(tǒng)稱為氟中毒病[11-12]。由此可見，氟離子對(duì)人體是否有益直接依賴于它的濃度。根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)的規(guī)定，飲用水中氟離子的最高允許限值為1.5 mg/L。因此，設(shè)計(jì)具有選擇性識(shí)別特定陰離子的受體分子吸引了越來(lái)越多的科研人員的關(guān)注。

1 受體分子1的合成

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

除特別指明外，所用試劑均為市售分析純，使用之前未做純化處理。另外，實(shí)驗(yàn)中用來(lái)配制溶液及清洗儀器所用的水均為蒸餾水。二甲基亞砜(DMSO)使用之前加入少許氧化鈣(CaO)，室溫干燥24 h后，減壓蒸餾得到。乙醇使用之前經(jīng)金屬鎂條處理，然后蒸餾后得到。四丁基銨鹽陰離子使用前用干燥劑五氧化二磷(P2O5)在60 ℃下真空干燥24 h。

本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所用到的實(shí)驗(yàn)儀器主要有XT-4熔點(diǎn)儀(北京泰克儀器有限公司)；DHG-101-3A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(鄭州予華儀器制造有限公司)；RF-02B旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海普渡生化科技有限公司)；Aglient QQQ MS 6460質(zhì)譜儀(安捷倫公司)；UNITY-plus 400 MHz核磁共振波譜(美國(guó)Varian公司)；FT-IR650紅外波譜儀(天津港東儀器有限公司)；VarioEL元素分析儀(德國(guó)賽明公司)；Shimadzu UV2450紫外分光光度計(jì)(日本島津公司)；HITACHI F-7000熒光光譜儀(日本日立公司)等。

1.2 受體分子1的合成路線

受體分子1的合成路線如圖1所示。參考文獻(xiàn)[13-14]方法，在氯化氫氣氛下，以蒽為原料與低聚甲醛在1，4-二氧六環(huán)中反應(yīng)得到中間體9，10-二氯甲基蒽M1。M1進(jìn)一步氧化得到蒽-9，10-二醛M2。以三光氣為原料與鄰硝基苯胺在乙酸乙酯中反應(yīng)得到中間體鄰硝基異氰酸酯。鄰硝基異氰酸酯和水合肼進(jìn)一步反應(yīng)得到中間體鄰硝基苯基氨基脲M3。M2與M3在乙醇中加熱回流得到受體1。

圖1 受體1的合成路線

Fig.1 The synthesis route of1

1.3 受體分子1的合成

在加熱回流的條件下，將0.234 g M2溶于適量的絕對(duì)乙醇中，向該溶液中緩慢滴加0.424 g M3的乙醇溶液。滴完后，滴加幾滴冰乙酸，有紅色沉淀生成，繼續(xù)回流2 h。過(guò)濾，用熱乙醇洗滌，干燥稱得橙色固體受體分子1為0.452 g，產(chǎn)率為84 %，m.p.：314～316 ℃。1H NMR(400 MHz，DMSO-d6)δH：7.24(t，2H，Anthracene-H)，7.77(d，4H，Anthracene-H)，8.17(s，2H，Anthracene-H)，8.65(s，4H，Ar-H)，8.98(s，2H，Ar-H)，9.22(s，2H，C-H)，10.88(s，2H，N-H)，11.51(s，2H，C-H)，11.64(s，2H，N-H)；([M+H]+)：591.2；C30H22N8O6的元素分析，理論計(jì)算值：C，61.01；H，3.75；N，18.97；檢測(cè)值：C，60.88；H，3.66；N，18.83；IR(KBr)：3 435 cm-1：νN-H，3 121 cm-1：νC-H，2 976 cm-1：νC-H，1 711 cm-1：νC=O，1 507 cm-1：νC=N，1 345 cm-1：δC-H，738 cm-1：δAr-H。

2 結(jié)果與討論

2.1 受體分子1與陰離子的紫外-可見光譜分析

圖2 受體1加入不同陰離子的UV-vis光譜變化

Fig.2 The UV-vis spectra of different anions for acceptor molecule1

圖3 向受體1的DMSO溶液分別加入不同陰離子引起溶液顏色的變化

Fig.3 Color changes of receptor1in DMSO in absence and presence of anions

接著利用紫外吸收方法研究了298 K下，在DMSO溶液中受體分子和F-之間的相互作用。如圖4所示，受體分子1(2×10-5M)在275 nm，425 nm處有兩個(gè)明顯的主吸收峰。隨著F-的不斷加入，275 nm，425 nm處的吸收強(qiáng)度逐漸降低，并且在525 nm處出現(xiàn)一個(gè)新的吸收峰，同時(shí)在525 nm，325 nm處的吸收強(qiáng)度慢慢增強(qiáng)。這是由于受體分子1中的識(shí)別位點(diǎn)-NH本身是弱的電子供體，當(dāng)F-加入后，F(xiàn)-與受體分子1之間通過(guò)氫鍵結(jié)合，使-NH上的電子密度增大，供電子能力增強(qiáng)，這時(shí)候，電子在分子內(nèi)迅速轉(zhuǎn)移到與之相鄰的苯環(huán)上，使得受體分子1在525 nm吸收峰出現(xiàn)了紅移的現(xiàn)象。同時(shí)，受體分子1溶液的顏色由淺黃色變?yōu)樯钭仙?。此外，從圖4還可以清楚地看到在280 nm、355 nm和455 nm處有3個(gè)等吸收點(diǎn)。這說(shuō)明在滴定過(guò)程中，1與F-之間形成了具有確定計(jì)量比的主客體絡(luò)合物[15]。

圖4 受體1滴定F-的吸收光譜變化

Fig.4 UV-vis spectra changes of solution1upon addition of F-in DMSO

2.2 受體分子1與陰離子的熒光光譜分析

圖5為當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)λex=400 nm時(shí)，在DMSO溶液中，加入F-后，對(duì)受體分子1(2×10-5M)的熒光光譜產(chǎn)生的影響。當(dāng)沒有加入F-時(shí)，受體分子1表現(xiàn)出較弱的熒光強(qiáng)度，隨著F-的不斷加入，525 nm處的熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。這可能是由于受體1與F-結(jié)合后，形成的受體與陰離子絡(luò)合物剛性增加，一方面通過(guò)分子運(yùn)動(dòng)引起的損失減少，熒光量子產(chǎn)率提高；另一方面分子共面性增加，有利于Frank-Condom躍遷的實(shí)現(xiàn)，熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。由圖5插圖還可以看到在紫外燈365 nm的激發(fā)下受體1溶液以及1與F-相互作用的熒光照片，可以明顯的看出熒光強(qiáng)度增加。

圖5 受體1滴定F-的熒光光譜變化

Fig.5 Fluorescence emission changes of receptor1upon the addition of F-

2.3 受體分子1與陰離子的1H NMR滴定分析

采用核磁滴定的方法進(jìn)一步探究受體分子1識(shí)別F-的機(jī)理，研究了加入F-前后受體分子1(1.0×10-2M)在DMSO-d6中的質(zhì)子位移的變化。從圖6可以看出，出現(xiàn)在11.64 ppm和10.88 ppm是受體上-NH的質(zhì)子峰，分別標(biāo)記為Ha和Hb。當(dāng)加入0.4摩爾當(dāng)量的F-時(shí)，Ha 和Hb質(zhì)子峰的信號(hào)開始減弱，同時(shí)苯環(huán)上的-H也略微向高場(chǎng)移動(dòng)。這是由于1與F-結(jié)合后使脲上的-NH的電荷密度增大，同時(shí)由于苯環(huán)的拉電子效應(yīng)，促進(jìn)受體分子內(nèi)的電子從脲上的-NH向苯環(huán)移動(dòng)，使苯環(huán)上的電子密度增大，苯環(huán)上氫原子的化學(xué)位移向高場(chǎng)移動(dòng)，這樣可以推斷受體和F-形成了氫鍵。隨著F-濃度的增大，Ha信號(hào)比Hb的信號(hào)變化的要明顯，最終接近消失，這可能是由于Ha所連接的苯環(huán)具有的拉電子效應(yīng)，使Ha比Hb活潑更易離去，發(fā)生去質(zhì)子化過(guò)程。

圖6 向受體1加入F-的氫譜圖

Fig.61H NMR of adding F-to receptor1in DMSO-d6

2.4 受體分子1與陰離子的結(jié)合常數(shù)

選取波長(zhǎng)為527 nm處的熒光數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算擬合，得到受體分子1與F-的Hill方程為Y=2.019 1X+5.202 6，其中Hill系數(shù)為n=2.019 1(n≈2)，說(shuō)明受體1與F-的結(jié)合比為1∶2，結(jié)合常數(shù)lgKass為5.20，見圖7。

圖7 受體1的熒光強(qiáng)度在525 nm(F525)與不斷變化的log[A]的Hill方程

Fig.7 The fluorescence intensity of1at 525 nm(F525)and changing log[A]Hill equation

表1 受體1與不同陰離子的結(jié)合常數(shù)

Tab.1 Binding constants of receptor1with different anions

陰離子lgKassaF-5.20AcO-NDbH2PO-4NDbCl-NDbBr-NDbI-NDbHSO-4NDbNO-3NDb

注：a由熒光光譜數(shù)據(jù)計(jì)算得出；bND光譜變化太小未得到結(jié)合常數(shù)。

根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)受體分子1與F-的結(jié)合方式為圖8所示。

圖8 受體1與F-在溶液中可能的結(jié)合模式

Fig.8 Possible binding modes of receptor1and F-in solution

3 結(jié)論