脫氫樅酸三芳胺基D-π-A型熒光化合物的光譜性能及應(yīng)用

高亞楠,高 宏,商士斌,宋湛謙

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實驗室；國家林業(yè)和草原局林產(chǎn)化學(xué)工程重點實驗室；江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點實驗室，江蘇 南京 210042；2.南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091)

水被認(rèn)為是大多數(shù)有機溶劑中的常見雜質(zhì)，并且會影響精細(xì)化工、制藥、電子、食品和紡織品等行業(yè)的生產(chǎn)[1]，因此有機溶劑中水含量的測定是最重要且最常遇見的分析問題之一。測定有機溶劑中水含量常用的化學(xué)分析方法是經(jīng)典的卡爾·費休法，該法于1935年提出，盡管經(jīng)過很大改進，但仍然存在反應(yīng)速率慢、易受干擾、精密度差、毒性大等缺點[2]。測定水含量的其它方法有分光光度法[3]、氣相色譜法[4]、液相色譜法[5]、紅外光譜法[6]和熒光法[7]等。由于操作簡單、現(xiàn)場監(jiān)測、快速響應(yīng)和低成本等突出優(yōu)點，目前已經(jīng)報道了大量熒光傳感器法測水含量。傳感機制主要基于分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)、光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(PET)、溶劑致變色、聚集誘導(dǎo)發(fā)射(AIE)和激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移(ESIPT)等[8-9]。在分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)傳感器中，熒光團和受體直接連接，通常在分子的相對末端充當(dāng)電子給體或電子受體。傳感器的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)在給電子部分附近具有最高的電子密度，而最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)在受體末端附近具有最高的電子密度，因此在激發(fā)時會產(chǎn)生一個強大的偶極子，電荷從給體轉(zhuǎn)移到受體。目前基于分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)的熒光水探針主要探測的有機溶劑為乙腈、乙醇、四氫呋喃、二氧六環(huán)、乙醚和乙酸乙酯等，很少有針對極性溶劑二甲基亞砜(DMSO)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)的熒光水探針，且探針的濃度多在10 μmol/L數(shù)量級[10-14]。脫氫樅酸作為一種高產(chǎn)量天然可再生資源，在開發(fā)與利用方面有著巨大的潛能和優(yōu)勢。本課題組在前期研究中[15-16]合成了系列脫氫樅酸芳胺衍生物，將其作為熒光分子探針進行了金屬離子、活體腫瘤細(xì)胞的檢測，并將脫氫樅酸三芳胺作為電子給體合成了系列D-A結(jié)構(gòu)化合物，這些化合物具有良好的溶致變色效應(yīng)，具備作為熒光分子探針探測外部環(huán)境極性大小的潛能[17-18]。通常，電子給體和電子受體的距離適當(dāng)增大可以增高探針對極性的靈敏度，本研究引入噻吩基團作為π橋連接脫氫樅酸三芳胺化合物和氰基乙酸，合成了D-π-A結(jié)構(gòu)化合物2-異氰基-3-(5-{4-[(脫氫樅酸甲酯基)(4-甲氧基苯基)氨基]苯基}-2-噻吩基)丙烯酸(DTPA-I)，研究其在不同極性溶劑中的紫外吸收光譜和熒光發(fā)射光譜，并將其作為熒光探針用于檢測有機溶劑的水含量，以期拓展基于分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)傳感機制的熒光探針探測極性溶劑DMSO和DMF的含水量，同時也拓展基于脫氫樅酸化合物作為探針在新領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

脫氫樅酸(自制)，由歧化松香生成銨鹽，通過重結(jié)晶分離提純得到的；二氧雜環(huán)己烷(二氧六環(huán))、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)及二甲亞砜(DMSO)為色譜純，其它試劑和溶劑均為市售分析純。PE LS55熒光分光光度計，美國鉑金埃爾默股份有限公司；UV2450紫外-可見光譜儀，日本島津公司。

1.2 脫氫樅酸三芳胺基D-π-A化合物DTPA-I的合成

1.2.1合成路線 12-溴代脫氫樅酸甲酯的合成參照文獻[12]的方法，然后經(jīng)C-N偶聯(lián)、溴代、C-C偶聯(lián)等方法合成DTPA-I，具體合成路線見圖1。

1.2.2中間產(chǎn)物a～d的合成 化合物a：將11.80 g的12-溴代脫氫樅酸甲酯、3.35 g苯胺加入到三口燒瓶中，加120 mL無水鄰二甲苯，通氮氣保護，加入4.15 g叔丁醇鈉、1 mL三叔丁基膦和0.20 g醋酸鈀，加熱回流反應(yīng)12 h，用乙醚和水萃取，收集有機相，之后用無水硫酸鎂干燥有機相，過濾、旋蒸，柱層析分離提純(石油醚與乙酸乙酯的體積比為10 ∶1)，旋蒸后真空干燥，得到7.06 g化合物a，黃色黏稠狀，產(chǎn)率為69.61%。

化合物b：將11.85 g化合物a、6.56 g對溴苯甲醚加入到三口燒瓶中，加200 mL的無水鄰二甲苯，通氮氣保護，加入3.37 g叔丁醇鈉、1 mL三叔丁基膦和0.20 g醋酸鈀，加熱回流反應(yīng)12 h，用乙醚和水萃取，收集有機相，之后用無水硫酸鎂干燥有機相，過濾、旋蒸，柱層析分離提純(石油醚與乙酸乙酯的體積比為25 ∶1)，旋蒸后真空干燥，得到10.16 g化合物b，白色粉末，產(chǎn)率為68.01%。

圖1 脫氫樅酸三芳胺-噻吩-氰乙酸(DTPA-I)的合成路線

化合物c：將0.73 g化合物b、0.25 g N-溴代琥珀酰亞胺(NBS)、100 mL無水乙腈加入到圓底燒瓶中，于25 ℃下避光反應(yīng)24 h，旋蒸，柱層析分離提純(石油醚與乙酸乙酯的體積比為20 ∶1)，旋蒸后真空干燥，得到0.59 g化合物c，白色粉末，產(chǎn)率為69.97%。

化合物d：將3.04 g化合物c、0.14 g的Pd(PPh3)4、12.71 g的Na2CO3加入到三口燒瓶中，加入100 mL THF和50 mL H2O，在氮氣氛圍下升溫至加熱至45 ℃，維持30 min，緩慢加入1.56 g的5-醛基2-噻吩硼酸的50 mL THF溶液，加熱回流反應(yīng)12 h，用水和二氯甲烷萃取，收集有機相，之后用無水硫酸鎂干燥有機相，過濾、旋蒸，柱層析分離提純(石油醚與乙酸乙酯的體積比為10 ∶1)，旋蒸后真空干燥，得到2.08 g化合物d，姜黃色粉末，產(chǎn)率為65.03%。

1.2.3目標(biāo)化合物DTPA-I 將0.37 g化合物d、0.15 g氰基乙酸、0.65 mL哌啶、20 mL三氯甲烷加入到三口燒瓶中，在氮氣氣氛下加熱回流(63 ℃)12 h，冷卻，三氯甲烷和水萃取，收集有機相，無水硫酸鎂干燥，柱層析分離提純(二氯甲烷與甲醇的體積比為9 ∶1)，旋蒸后真空干燥，得到0.27 g目標(biāo)化合物DTPA-I。

1.3 DTPA-I用作熒光探針實驗

1.3.1測試極性溶劑中的水含量 將DTPA-I溶于二氯甲烷配成濃度為0.1 mmol/L的母液，分別取母液50 μL，烘干除去溶劑后，分別加入不同量的水，用二氧六環(huán)、DMF、DMSO溶液定容至10 mL，得到不同含水量的0.5 μmol/L的測試溶液，以含水量0%的測試溶液的最大激發(fā)波長，在室溫下測試所有測試溶液的熒光發(fā)射光譜。

1.3.2最低檢測限 在不含水的情況下測量12次化合物在極性溶劑(二氧六環(huán)、DMF、DMSO)中的熒光強度，計算得到標(biāo)準(zhǔn)差sB，根據(jù)cL=3×sB/m計算得到化合物檢測極性溶劑中水含量的最低檢測限(LOD)，其中m為含水量在0～1%時，水含量與熒光強度的線性擬合的直線的斜率，cL為最低檢測限。

1.4 結(jié)構(gòu)表征

1.4.1紅外光譜測試 采用Nicolet iS10型傅里葉變換紅外光譜儀，透射法測試。

1.4.2核磁共振1H NMR和13C NMR分析采用Bruker Avance AV 300超導(dǎo)核磁共振儀，DMSO-d6作為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo)。

1.4.3質(zhì)譜測試 采用Axima Performance基質(zhì)輔助激光解離離子源-二次飛行時間質(zhì)譜(MALDI-TOF/TOF MS)測試。

1.5 光譜性能分析

1.5.1紫外吸收光譜 準(zhǔn)確稱取化合物DTPA-I配制成濃度為1 mmol/L的甲醇儲備溶液，分別移取儲備溶液2 mL溶于10 mL容量瓶中，分別用不同極性的溶劑DMSO、丙酮、THF、二氧六環(huán)、乙醚和甲苯(溶劑極性由大到小)定容得到濃度為0.02 mmol/L的測試溶液，在室溫下測試其紫外吸收光譜。為比較DTPA-I與化合物b的紫外吸收光譜，以同樣的方法測試化合物b在二氧六環(huán)溶液中的紫外吸收光譜。

1.5.2熒光光譜 準(zhǔn)確稱取化合物DTPA-I，配制成濃度為1 mmol/L的儲備溶液。移取儲備溶液0.05 mL 入10 mL容量瓶中，分別用不同極性的溶劑DMSO、丙酮、THF、二氧六環(huán)、乙醚和甲苯定容，得到濃度為10 μmol/L的測試溶液，在室溫下測試其熒光光譜。為比較DTPA-I與化合物b的熒光發(fā)射光譜，以同樣的方法測試化合物b在二氧六環(huán)溶液中的熒光發(fā)射光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 DTPA-I的結(jié)構(gòu)表征

目標(biāo)化合物DTPA-I為暗紅色粉末，得率為65.32%。紅外譜圖、核磁共振譜圖見圖2。IR(νmax/cm-1)：2927，2216，1722，1575，1503，1430；1H NMR(DMSO-d6，300 MHz)δ：8.27(s，1H，CH)，7.80(s，1H，Ar-H)，7.62～7.31(m，3H，Ar-H)，7.21～6.82(m，6H，Ar-H)，6.68(d，2H，Ar-H)，3.73(s，3H，CH3)，3.61(s，3H，CO2CH3)，3.09～2.67(m，3H，CH，CH2)，2.22～1.95(m，2H，CH2)，1.79(s，1H，CH)，1.60(d，4H，CH2)，1.15(d，8H，CH2，CH3)，0.94(s，6H，CH3)；13C NMR(DMSO-d6，75 MHz)：177.89，164.04，155.55，151.75，149.55，148.72，143.73，143.43，140.27，139.16，138.67，133.79，133.52，127.65，126.95(2C)，125.57(3C)，125.10，122.90，122.69，116.97(2C)，114.68(3C)，55.16，51.78，46.85，44.47，37.50，36.47，36.08，28.98，26.80，24.74，23.36，23.24，20.97，17.81，16.18；MALDI-TOF MS[M+H]+：688.3。

a.FT-IR; b.1H NMR; c.13C NMR

2.2 DTPA-I的光譜性能

2.2.1DTPA-I的紫外吸收光譜與熒光發(fā)射光譜 DTPA-I與化合物b在二氧六環(huán)溶液中的紫外吸收光譜與熒光發(fā)射光譜見圖3。由圖3(a)可見，在短波長處，DTPA-I與化合物b的紫外吸收光譜性狀相似，DTPA-I在長波長380～580 nm處有一個新的強吸收峰，最大吸收波長為474 nm，歸因于噻吩和氰基乙酸基團的引入。由圖3(b)可見，DTPA-I的最大熒光發(fā)射波長為603 nm，較化合物b的最大發(fā)射波長374 nm紅移229 nm。說明引入噻吩π橋和受體氰基乙酸基團使D-π-A結(jié)構(gòu)化合物DTPA-I的發(fā)射光譜發(fā)生很大紅移，由化合物b紫色光變?yōu)橹咙S色光。與NIU等[12]研究的探針AHN(λabs,max=427 nm和λem,max=503 nm)和高靈芝等[13]研究的探針A(λabs,max=431 nm和λem,max=582 nm)相比，化合物DTPA-I在二氧六環(huán)溶液中的最大紫外吸收波長和最大熒光發(fā)射波長均發(fā)生紅移，這將使D-π-A結(jié)構(gòu)化合物在光電材料中的應(yīng)用具備更多的可能性。

圖3 化合物b和DTPA-I在二氧六環(huán)中的紫外吸收光譜(a)和熒光發(fā)射光譜(b)

2.2.2DTPA-I在不同極性溶劑中的紫外吸收光譜 DTPA-I在不同極性的溶劑中(極性從小到大的順序是DMSO>丙酮>THF>二氧六環(huán)>乙醚>甲苯，它們的溶劑極性參數(shù)ET(30)值分別為45，42.2，37.4，36，34.6和33.9)的紫外吸收光譜如圖4(a)所示。由圖可以看出，DTPA-I在DMSO溶液中的吸收波長最小，在二氧六環(huán)溶液中的吸收波長最大，它們的最大吸收峰分別位于440和477 nm處，DTPA-I在溶劑極性從大到小的丙酮、二氧六環(huán)、THF、乙醚和甲苯中的吸收波長分別為467、464、477、469和470 nm，較DMSO分別紅移27、24、37、29和30 nm，溶劑的極性對DTPA-I的吸收波長影響較大。

2.2.3DTPA-I在不同極性溶劑中的熒光發(fā)射光譜 DTPA-I在不同極性的溶劑中的熒光發(fā)射光譜亦如圖4(b)所示。

圖4 化合物DTPA-I在不同極性的溶劑中的紫外吸收光譜(a)和熒光發(fā)射光譜(b)

DTPA-I在不同極性的溶劑中最大發(fā)射波長有較大差異，在二氧六環(huán)中的發(fā)射波長最大，為603 nm，與DMSO中的發(fā)射波長(576 nm)相比，DTPA-I在丙酮、二氧六環(huán)、乙醚和甲苯中的發(fā)射波長分別紅移26、27、20和14 nm，在THF中的發(fā)射波長藍移6 nm。DTPA-I在不同極性的溶劑中熒光強度也有較大變化，在甲苯中的熒光強度最大，約為丙酮中熒光強度的100倍、DMSO和THF中熒光強度的10倍?？梢?，該化合物具有明顯的溶致變色效應(yīng)?；衔镌谌軇┲袩晒獍l(fā)射光譜的位移不僅與溶劑極性有關(guān)，還與分子和溶劑之間的氫鍵、配位鍵的形成有關(guān)，最終位移的結(jié)果是二者之間的綜合作用的結(jié)果[19]。

2.3 DTPA-I作為熒光探針的應(yīng)用

2.3.1測定極性溶劑中的水含量 由于DTPA-I對溶劑極性敏感，以二氧六環(huán)為例，測定了不同水含量時的熒光強度，結(jié)果見圖5。由圖可以看出，二氧六環(huán)溶液中水含量逐漸增大，DTPA-I在603 nm處的熒光強度明顯減弱，隨著含水量從0～2%(體積分?jǐn)?shù))，熒光強度迅速下降至198；當(dāng)含水量在2%～20%時，熒光強度減小的趨勢減弱，從198降至13。在DMSO和DMF中也表現(xiàn)出相同的趨勢。

a.二氧六環(huán)dioxane; b.DMSO; c.DMF

2.3.2測量范圍及線性分析 按照實驗方法，繪制工作曲線，研究二氧六環(huán)中水含量與熒光強度之間的線性關(guān)系，結(jié)果見圖6(a)。當(dāng)二氧六環(huán)中的含水量在0～1%時，含水量與熒光強度之間呈現(xiàn)了良好的線性關(guān)系，通過直線的擬合，得到其線性方程為：y=-480.499x+855.304，R2=0.983。因此可以測定二氧六環(huán)中不同水含量下熒光強度的變化，并對應(yīng)到曲線上便可得到溶液所含的真實的水含量。在DMSO和DMF溶液中含水量(0～1%)與熒光強度之間的線性方程分別為y=-81.310x+614.053，R2=0.924和y=-327.909x+864.994，R2=0.934。在不含水的情況下測量12次DTPA-I在二氧六環(huán)溶液中的熒光強度，由此計算得標(biāo)準(zhǔn)差(sB)為14.294。由cL=3×sB/m計算得最低檢測限(LOD)為0.089%。在DMSO和DMF溶液中的LOD分別為0.174%和0.364%。

a.二氧六環(huán)dioxane; b.DMSO; c.DMF

化合物DTPA-I與探針AHN和探針A的熒光強度表現(xiàn)出相同的趨勢，隨著極性溶劑中水含量的增加，熒光強度逐漸降低，且在一定范圍(0～1%)內(nèi)，水含量與熒光強度之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，符合基于分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)的熒光水探針的規(guī)律。且較文獻[12-13]的探針濃度(10 μmol/L)相比，化合物DTPA-I在較低濃度(0.5 μmol/L)即可靈敏的檢測極性溶劑的水含量。

3 結(jié) 論

以脫氫樅酸為原料通過酯化、溴代、C-N偶聯(lián)、C-C偶聯(lián)等方法合成了脫氫樅酸三芳胺基D-π-A結(jié)構(gòu)化合物DTPA-I。脫氫樅酸三芳胺化合物中引入噻吩π橋和氰基乙酸受體基團使DTPA-I的熒光發(fā)射光譜發(fā)生較大紅移，且DTPA-I對溶劑極性敏感，具有明顯的溶致變色效應(yīng)。DTPA-I作為熒光探針探測二氧六環(huán)、DMSO和DMF溶液中水含量，它的熒光強度隨著溶劑中水含量的增加逐漸降低，在0～1%的范圍內(nèi)，DTPA-I的熒光強度隨水含量的增加呈線性降低，對二氧六環(huán)中水的檢出限(LOD)低至0.089%。較低濃度(0.5 μmol/L)的DTPA-I即可靈敏的檢測極性溶劑的水含量，在作為熒光探針檢測極性溶劑中水含量方面具有潛在的應(yīng)用前景。