2-肼基苯并噻唑衍生物比色識別Cu2+

黃 磊，周賢亞，包 磊，陳 宇，姜英豪，李 超，胡雨陽

(皖西學(xué)院 實驗實訓(xùn)教學(xué)管理部，安徽 六安 237012)

由于陽離子在各種生物和化學(xué)過程中的重要作用，高效陽離子比色傳感器的構(gòu)建和合成一直受到人們的廣泛關(guān)注[1-4]。Cu2+作為過渡金屬二價陽離子，是動植物體內(nèi)必要的微量元素，在紅細(xì)胞生成、酶活性、中樞神經(jīng)等多種生物過程中起著重要的作用。然而，Cu2+在體內(nèi)的過度累積會引起一系列嚴(yán)重的疾病，如阿爾茨海默氏病，威爾遜氏病等[5-8]。因此，快速、靈敏檢測環(huán)境中Cu2+的方法研究具有重要的現(xiàn)實意義[9]。

有機小分子探針傳感識別Cu2+是重要的研究方向，目前已經(jīng)設(shè)計、合成了許多比色熒光探針[10]。但是，由于Cu2+具有順磁熒光淬滅，大多數(shù)熒光探針都是熒光淬滅型的，并且探針的溶解性、合成過程煩瑣，大大地降低了實際應(yīng)用性[11]。而比色探針由于可以實現(xiàn)裸眼識別，不需要借助大型儀器，受到廣大研究工作者青睞[12-14]。本文以2-氨基苯并噻唑為識別基團(tuán)，二苯乙二酮和9, 10-菲二酮為生色團(tuán)，通過縮合反應(yīng)制備得到化合物2-(2-苯并噻唑肼亞基)-1, 2-苯基-1-乙酮和10-(2-苯并噻唑肼亞基)-9-菲酮，即探針L1和L2(結(jié)構(gòu)如圖1所示)，并考察其結(jié)構(gòu)對Cu2+的選擇性、靈敏性等識別性能影響。

圖1 探針結(jié)構(gòu)

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

光譜實驗中所用的17種金屬陽離子為相應(yīng)的氯化物或硝酸鹽。藥品和試劑購置于麥克林試劑公司，除乙腈為色譜級，其他藥品和試劑均為分析純，使用前未進(jìn)一步純化。2-肼基苯并噻唑和探針L1參照文獻(xiàn)方法合成[15]。

1.2 比色探針L2的合成

比色探針L2的合成方法如圖2所示。具體合成步驟如下：向反應(yīng)瓶中依次加入2-肼基苯并噻唑0.25 g(0.015 mol)、9,10-菲二酮0.31 g(0.0015 mol)和無水甲醇30 mL，加熱回流。TLC跟蹤反應(yīng)進(jìn)程，判斷反應(yīng)是否完全。冷卻反應(yīng)液并置于冰箱一周。過濾反應(yīng)液，粗產(chǎn)物用無水乙醇重結(jié)晶。1H NMR(δ, ppm, DMSO-d6): 11.99 (s, 1H, NH), 8.53 (d, 1H, Ar-H), 8.18～8.02 (m, 3H, Ar-H), 7.87～7.36 (m, 8H, Ar-H)。

圖2 探針L2的合成方法

1.3 比色探針L2光譜實驗

1 mmol/L比色探針測試母液用CH3CN配制，金屬陽離子用二次蒸餾水配成濃度為10 mmol/L。紫外光譜測定實驗中探針L2濃度為20 μmol/L，金屬陽離子采用微量進(jìn)樣器累積加入，每次掃描間隔時間不超過3 min。

2 結(jié)果討論

2.1 合成與表征

合成了兩種具有不同結(jié)構(gòu)的2-肼基苯并噻唑衍生物 (L1和L2)。用1H NMR對L2進(jìn)行了表征。圖3紫外可見吸收光譜圖顯示兩種探針的最大吸收峰波長、吸光度有顯著的不同，L1最大吸收峰在355 nm處(εmax=1.15×104L·mol-1·cm-1)，而探針L2最大吸收峰在471 nm(εmax=1.48×104L·mol-1·cm-1)，相對于L1，其吸收峰紅移116 nm，這是由于探針中9,10-菲二酮和二苯乙二酮的共軛及剛性程度不同造成的。

圖3 探針L1和L2在乙腈中的紫外吸收光譜圖(濃度均為20 μmol/L)

2.2 探針對Cu2+的比色響應(yīng)

首先利用紫外吸收光譜考察探針(L1和L2)在乙腈溶劑中與17種金屬陽離子作用情況(Na+、K+、Ag+、Cu2+、Hg2+、Ca2+、Mg2+、Ba2+、Pb2+、Zn2+、Ni2+、Co2+、Cd2+、Mn2+、Fe3+、Al3+和Cr3+)，如圖4a和4b所示。與其他金屬陽離子相比，探針L1和L2與Cu2+作用后最大吸收峰紅移，并且溶液顏色變化明顯(圖4內(nèi)插圖)。因此，化合物L(fēng)1和L2可以作為潛在的Cu2+比色識別探針。

圖4 探針L1 (a) 和L2 (b)與不同金屬離子作用前后吸收光譜(內(nèi)插圖為作用前后溶液顏色情況)

為進(jìn)一步確定探針L1和L2與Cu2+的定量關(guān)系以及結(jié)構(gòu)對識別性能的影響，我們進(jìn)行了滴定實驗。由圖5a和5c所示，隨著Cu2+濃度的累積增加，探針L1和L2分別在355 nm和471 nm處的吸收峰強度逐漸減弱，同時518 nm和588 nm處出現(xiàn)新的吸收峰，強度逐漸增加。兩種探針與Cu2+作用后都出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，這是因為Cu2+配位誘導(dǎo)的LMCT(配體-金屬電荷轉(zhuǎn)移)增強效應(yīng)。分別以A518 nm/A355 nm和A588 nm/A471 nm為縱坐標(biāo)，以Cu2+的濃度為橫坐標(biāo)作圖，得到良好的線性關(guān)系圖(圖5b和5d)，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.99474、0.99743。根據(jù)最低檢測檢測限公式DL=3σ/k[16](σ為空白溶液掃描11次標(biāo)準(zhǔn)偏差，k為線性方程斜率絕對值)計算出DLL1和DLL2分別為1.2 μmol/L 、0.8 μmol/L，L2的檢測靈敏性比L1好，兩者均低于WHO規(guī)定飲用水中含Cu2+最高標(biāo)準(zhǔn)值20 μmol/L。

圖5 (a)和(c)分別為探針L1和L2與Cu2+滴定圖；(b)和(d)分別為探針L1和L2與Cu2+線性關(guān)系圖

抗干擾性是比色探針能夠在實際應(yīng)用中的一個必不可缺少的影響因素。向20 μmol/L探針L1和L2溶液中分別加入其他待測陽離子，再加入Cu2+，記錄518 nm和588 nm吸光強度值變化。如6a所示，在其他陽離子共存情況下，探針L1和L2檢測Cu2+吸光度強度值不受影響，兩種探針具有良好的抗干擾性能。最后，為進(jìn)一步驗證探針L1和L2對Cu2+比色識別性能，向20 μmol/L探針L1和L2溶液中依次加入不同濃度的Cu2+，探針L1由淡黃色變?yōu)榉奂t色，而探針L2由深黃色變?yōu)樗{(lán)紫色，探針L1和L2對Cu2+的裸眼識別檢測濃度分別達(dá)到10 μmol/L和5 μmol/L。

圖6 (a) L1和L2與Cu2+抗干擾性三維圖；(b) L1和L2分別與不同濃度的Cu2+比色識別圖

2.3 探針對Cu2+的比色機理探針

為了探討探針與Cu2+的比色傳感機理，以L2為例，我們首先利用等摩爾連續(xù)變化法測定探針L2與Cu2+兩者結(jié)合比，即恒定主客體濃度20 μmol/L，改變兩者摩爾比，記錄588處吸光度值。如圖7所示，

圖7 探針L2與Cu2+結(jié)合比圖

摩爾分?jǐn)?shù)0.33時588 nm吸光強度值最大，說明探針L2與Cu2+之間的摩爾比為2∶1。

向探針L2溶液依次交替加入Cu2+和EDTA，配合物L(fēng)2- Cu2+受到EDTA的影響后588 nm處的紫外吸收峰下降，471 nm吸收峰重新出現(xiàn)，這是由于EDTA與Cu2+形成強絡(luò)合物，從而競爭奪取Cu2+。綜上實驗結(jié)果表明探針L2與Cu2+之間的作用機理可能為2:1的配位作用，并結(jié)合L1-Cu2+相關(guān)文獻(xiàn)研究內(nèi)容[17,18]，因此我們推測L2與Cu2+作用機理如圖8所示。

3 結(jié)論

通過2-肼基苯并噻唑分別與二苯乙二酮、9, 10-菲二酮縮合反應(yīng)得到兩種探針L1和L2。紫外光譜實驗、裸眼比色識別實驗均表明探針L2對Cu2+識別靈敏性比L1好。利用等摩爾連續(xù)變化法、可逆性實驗證明了探針L2能夠與Cu2+發(fā)生2∶1金屬-離子配位。與二苯乙二酮相比，生色團(tuán)9, 10-菲二酮有更好的剛性結(jié)構(gòu)，L2本身以及L2-Cu2+配合物都在較長波長處出現(xiàn)最大吸收峰。雖然探針L1和L2能夠比色裸眼識別Cu2+，但是由于生色團(tuán)(二苯乙二酮、9, 10-菲二酮)和探針-Cu2+都不具有熒光性，并且吸收波長沒有達(dá)到650 nm以上，這些因素限制了它們在實際中的具體應(yīng)用，因此，相關(guān)的研究工作仍需要進(jìn)一步擴展。

圖8 探針L2與Cu2+作用機理圖