曹 成, 曹 甜, 閆盆吉, 王清云, 岳國仁, 籍向東

(1. 河西學(xué)院甘肅省河西走廊特色資源利用重點實驗室, 化學(xué)化工學(xué)院,2. 甘肅省凱源生物技術(shù)開發(fā)中心, 張掖 734000)

近幾十年來, 化學(xué)傳感器因?qū)﹃栯x子或陰離子具有特定的識別功能, 而在分析化學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注和研究, 并在臨床、環(huán)境和生物等領(lǐng)域扮演重要角色[1～5]. 過渡金屬鈷, 在元素周期表中與鐵相鄰, 是生物體必不可少的一種微量元素. 也是維生素B12的重要成分之一, 在許多生物進程中起到關(guān)鍵作用, 如蛋氨酸、紅細胞的形成及蛋白質(zhì)的合成等方面[6,7]. 此外, 鈷及其復(fù)合物在瓷器、合金、鉆石工具及電池等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[8]. 然而, 高濃度Co2+或水溶性鈷復(fù)合物的持續(xù)環(huán)境暴露已經(jīng)被證實具有一定的毒性, 并會引起低心排血量綜合征. 許多健康問題, 包括癌癥、皮炎、甲狀腺機能減退和肺炎等病癥均與鈷造成的環(huán)境污染有一定關(guān)系[9]. 已有研究[10]證實, 在氧化劑存在下Co2+的濃度與DNA損傷程度成正比. 因此, 開發(fā)對Co2+具有高靈敏度響應(yīng)的識別受體顯得尤為重要.

鑒于光學(xué)響應(yīng)識別技術(shù)可以促進識別及確定特定陽離子的濃度, 大量可與特定陽離子形成選擇性配位的受體被研究報道[11～15]. 如硫代氨基腙[16]、磺酰胺類[17～19]和亞胺類[20,21]等多種類型的化合物被應(yīng)用于陽離子識別體系中, 并且在選擇性和靈敏度方面均取得了較好的識別效果. 其中, 亞胺類化合物因其具有合成簡單、產(chǎn)率高和結(jié)構(gòu)可控性好等優(yōu)點, 而受到廣泛關(guān)注[22,23]. 最近, Wu等[24]利用4-氨基安替吡啉與2-醛基吡咯進行縮合反應(yīng)得到一種亞胺型安替吡啉衍生物, 該化合物可以高靈敏度、高選擇性地識別Cu2+離子.

在前期研究[25,26]的基礎(chǔ)上, 本文以4-硝基鄰苯二胺和4-(二乙氨基)水楊醛為主要原料, 通過縮合反應(yīng)制備了亞胺型陽離子受體R; 利用核磁滴定及理論計算等手段, 探索了受體與陽離子作用的識別機理和比色檢測, 并解釋了受體R識別Co2+過程中的烯醇-酮互變異構(gòu)現(xiàn)象.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

4-硝基鄰苯二胺、4-(二乙氨基)水楊醛和陽離子(高氯酸鹽)購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司; 乙腈、乙醇和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司; 乙酸購于天津永大化學(xué)試劑有限公司; 所用試劑均為分析純.

SGWX-4型數(shù)字顯微熔點測定儀(上海儀電物理光學(xué)有限公司); Bruker-NMR 400 MHz型核磁共振波譜儀(NMR, 瑞士Bruker公司); Nicolet iS50型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR, 美國Thermo Fisher Scientific公司); U-3900H型紫外-可見分光光度計(UV-Vis, 日本日立公司); MicrOTOF-Q Ⅲ型電噴霧高分辨質(zhì)譜儀(HRMS, 瑞士Bruker公司).

1.2 受體R的合成及表征

2 結(jié)果與討論

2.1 受體R的合成

Scheme 1 Synthetic route of imine derivative R

2.2 受體R對陽離子的紫外光譜響應(yīng)

首先, 進行了受體R對多種陽離子的識別實驗. 在濃度為2×10-6mol/L的受體R的乙腈溶液中分別加入10倍物質(zhì)量的18種不同陽離子(Al3+, Co2+, Cu2+, Ca2+, Cd2+, Hg2+, Gd3+, Pb2+, Na+, Pr3+, Re4+, Zn2+, Bi3+, Nd3+, Ru2+, Fe3+, Fe2+和Ni2+). 如圖1所示, 當(dāng)受體R與陽離子發(fā)生作用后, Co2+, Fe2+和Ni2+可使受體R的最大紫外吸收波長(385 nm)處的吸收峰強度明顯降低, 同時分別在501, 475和498 nm處產(chǎn)生新的吸收峰, 發(fā)生了明顯的紅移現(xiàn)象; 而其余15種陽離子的加入未引起受體R吸收光譜的明顯變化, 其中Al3+, Fe3+和Cu2+的吸收光譜有較小變化. 此外, 在相同陽離子濃度下, Co2+對受體R的紫外吸收影響最明顯, 基于此可實現(xiàn)對其選擇性識別.

Fig.1 UV-Vis absorption spectra of receptor R in CH3CN after the addition of different guest cations, respectively

Fig.2 UV-Vis titration spectra of receptor R with different concentrations of Co2+ in CH3CNInset: absorption intensity plots, at 490 nm of receptor R with increasing concentrations of Co2+. n(Co2+)/n(R): a. 0.7; b. 1.3; c. 2.2; d. 3; e. 3.8; f. 4.7; g. 5.5; h. 7.2; i. 8.5.

為進一步驗證受體R與陽離子的識別作用, 選擇識別作用最明顯的Co2+作為研究對象, 進行了紫外滴定實驗. 如圖2所示, 向濃度為2×10-5mol/L的受體R的乙腈溶液中依次滴加0.7, 1.3, 2.2, 3, 3.8, 4.7, 5.5, 7.2和8.5倍物質(zhì)量的Co2+, 測定體系紫外吸收光譜的變化[28,29]. 受體R由于分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移作用, 在385 nm處存在1個特征吸收峰, 隨著Co2+的不斷加入, 受體R與陽離子逐漸結(jié)合導(dǎo)致光譜發(fā)生顯著變化, 表現(xiàn)為受體R在385 nm處的特征吸收峰強度逐漸減弱, 受體R-Co2+配合物在495 nm處的特征吸收峰強度逐漸增強, 且在422 nm處出現(xiàn)等吸收點, 說明受體R與Co2+僅形成了配合物. 當(dāng)分別逐漸加入Al3+和Cu2+時, 對于Al3+體系, 位于385 nm處的吸收峰強度減弱, 410 nm處的吸收峰逐漸增強, 且等吸收點在392 nm處; 而對于Cu2+體系, 位于384 nm處的吸收峰強度減弱, 430 nm處的吸收峰強度逐漸增強, 且等吸收點在404 nm處(見本文支持信息圖S5). 以上現(xiàn)象主要是由于受體中高電負性的N和O原子與客體陽離子產(chǎn)生配位作用, 從而導(dǎo)致特征吸收峰產(chǎn)生明顯紅移.

2.3 受體R的裸眼識別性能

通過裸眼識別實驗進一步考察了受體R與陽離子的鍵合性能. 如圖3所示, 當(dāng)向受體R中分別加入10倍物質(zhì)量的Al3+, Co2+, Cu2+, Ca2+, Cd2+, Hg2+, Gd3+, Pb2+, Na+, Pr3+, Re4+, Zn2+, Bi3+, Nd3+, Ru2+, Fe3+, Fe2+和Ni2+時, 僅有受體R與Co2+形成的體系顏色由淺黃色變?yōu)槊黠@的淺紅色, 而Fe2+和Ni2+可引起較弱程度的顏色變化, 加入其余陽離子未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致明顯的顏色改變. 因此, 受體R可以達到裸眼單一識別Co2+的效果, 這種顏色變化是由于分子內(nèi)形成了金屬-雜原子配位鍵, 產(chǎn)生電荷傳遞效應(yīng)所致. 實驗中還制備了負載型(惰性硅膠為載體)受體R, 并考察了裸眼識別Co2+的效果(見本文支持信息圖S6). 結(jié)果表明, 不同濃度的Co2+與受體R相互作用顯示出不同的顏色, 達到了裸眼識別的效果, 擴充了受體R的應(yīng)用范疇.

Fig.3 Colorimetric response upon addition of different cations into CH3CN solutions of receptor R

2.4 受體R試紙檢測Co2+

基于受體R與陽離子結(jié)合得到的紫外光譜和裸眼識別效果, 制備了受體R試紙用于檢測不同濃度的Co2+離子. 通過將不同濃度(0.01, 0.05和0.1 mol/L)Co2+離子的CH3CN溶液書寫在受體R試紙上, 可根據(jù)顏色變化而達到檢測不同濃度Co2+離子的目的. 該識別方法簡便、經(jīng)濟、高效且無附加設(shè)備. 如圖4所示, 在受體R試紙上分別用不同濃度Co2+離子的乙腈溶液進行書寫, 可見字體的顏色由淺橘黃色變?yōu)樯铋冱S色, 且Co2+離子的濃度越大顏色越深, 有望應(yīng)用于不同濃度Co2+離子的比色識別. 這主要是由于隨著Co2+離子濃度的增大, 形成的受體RCo配合物的量越多, 則顏色越深.

Fig.4 Photographs of the test papers with receptor R(A) and 0.01(B), 0.05(C) and 0.1(D) mol/L Co2+

2.5 受體R的Co2+核磁滴定

Fig.5 1H NMR titration of receptor R with Co2+ in CD3CNa. R; b. n(Co2+)/n(R)=0.1; c. n(Co2+)/n(R)=0.5.

通過紫外光譜表征、裸眼識別及試紙檢測實驗, 仍難以解釋受體R與陽離子如何通過配位作用生成新化合物, 進而實現(xiàn)識別效果. 通常, 受體與陽離子的結(jié)合機制可以利用受體中活潑氫及其它質(zhì)子在核磁共振氫譜中的變化來解釋說明. 圖5為受體R與不同倍數(shù)物質(zhì)量的Co2+離子在CD3CN(2.0 mmol/L)中的核磁共振氫譜圖. 在加入Co2+離子前, 受體R中—OH和—NH2上質(zhì)子的化學(xué)位移分別為δ12.64和δ5.32. 隨著Co2+離子的逐漸加入, 芳香環(huán)上的氫原子信號峰向高場或低場發(fā)生部分位移, 且—OH質(zhì)子信號強度逐漸減弱直至消失, —NH2質(zhì)子信號強度逐漸減弱. 當(dāng)加入0.1倍物質(zhì)量的Co2+離子時, —OH質(zhì)子信號強度明顯減弱, 且—NH2質(zhì)子的相對含量(RIA, 以Ar—H積分面積等于1為標準)從1.83減少至1.60, 說明Co原子與羥基氧、亞胺氮和氨基氮發(fā)生配位作用, 形成新的Co配合物. 當(dāng)加入0.5倍物質(zhì)量的Co2+離子時, —OH質(zhì)子信號消失, 且—NH2質(zhì)子的相對含量變?yōu)?.06, 說明金屬鹽完全與羥基反應(yīng), 隨著金屬鹽量的增加, 進一步與氨基上的1個氫原子反應(yīng), 形成Co配合物. 上述結(jié)果進一步驗證了受體R-金屬離子配合物的形成.

為了探索加入過量Co2+離子后, 受體R與金屬結(jié)合后形成穩(wěn)定配合物的結(jié)構(gòu), 將2倍物質(zhì)量的Co2+加入到受體R的CD3CN溶液中, 發(fā)現(xiàn)溶液顏色加深. 如圖6所示, 核磁共振氫譜圖中出現(xiàn)了2組典型的乙基信號, 說明有2種物質(zhì)生成. 經(jīng)分析可知, R-Co配合物在過量Co2+存在下發(fā)生了烯醇-酮互變異構(gòu)現(xiàn)象[30]. 在互變異構(gòu)平衡中, 烯醇式結(jié)構(gòu)占32.3 %, 而酮式結(jié)構(gòu)占67.7 %, 說明在Co2+逐漸增多的過程中, 羥基氧原子受到電荷誘導(dǎo)作用提高了吸電子能力, 導(dǎo)致酮式結(jié)構(gòu)逐漸增多. 向體系中加入更多的Co2+, 核磁共振譜圖不再發(fā)生變化, 說明這種烯醇-酮互變異構(gòu)已經(jīng)達到平衡. 這一發(fā)現(xiàn)為解釋金屬配合物構(gòu)型變化提供了一定的參考.

Fig.6 1H NMR spectra of keto-enol tautomers of receptor R in CD3CN The contents of the enol(32.3%, molar fraction) and the keto(67.7%, molar fraction) was based on the integral ratio of the methyl signal of the ketone and the enol to be 2.09∶1.

2.6 識別機理研究

Scheme 2 Possible binding mode receptor R with Co2+

受體R對Co2+的識別機理如Scheme 2所示, 核磁滴定實驗及紫外光譜表征數(shù)據(jù)表明, 向受體R中逐漸加入Co2+, 首先發(fā)現(xiàn)—OH質(zhì)子信號逐漸消失, 這表明缺電子的Co2+與羥基中氧原子形成了穩(wěn)定的配位鍵, 從而失去氫原子, 形成金屬Co配合物(Ⅰ); 隨著Co2+的逐漸增多, 配位作用逐漸增強, 受體R中的—NH2基團與Co2+反應(yīng)形成了金屬配合物(Ⅱ); 再進一步增加Co2+的使用量, 經(jīng)核磁共振波譜分析可知, 出現(xiàn)了烯醇(Ⅱ)-酮(Ⅲ)互變異構(gòu)現(xiàn)象[31,32]. 為了進一步證實受體R與Co2+結(jié)合得到了Co配合物, 對反應(yīng)后的產(chǎn)物進行了高分辨質(zhì)譜分析(見本文支持信息圖S7). 質(zhì)譜圖中存在可歸屬于[R+Co+3CH3CN+2H2O-H]+的信號(m/z557.1722), 此配合物的m/z理論值為557.1797, 進一步證實受體R與Co2+結(jié)合得到了配合物.

Fig.7 Effects of competitive cations on the interaction between receptor R and Co2+

2.7 受體R對Co2+識別的抗干擾能力及pH值的影響

為了進一步擴展受體R的應(yīng)用范圍, 考察了受體R在其它陽離子存在條件下對Co2+的選擇性. 向2×10-4mol/L受體R的乙腈溶液中依次加入50倍物質(zhì)量的Co2+和50倍物質(zhì)量的其它單一陽離子, 測試溶液的紫外吸收光譜. 如圖7所示, 在444 nm處僅有Al3+和Cu2+對識別過程有一定影響, 而其它金屬離子對受體R識別Co2+的過程基本無影響. 此外, 檢測了在不同pH值(2.37, 3.16, 4.35, 5.15, 6.53, 7.44, 8.18, 9.00, 10.17, 11.05和12.20)下受體R識別Co2+的效果及比色圖(見本文支持信息圖S10和S11). 結(jié)果表明, 酸性條件(pH=2.37～4.35)的影響較大, 識別能力明顯減弱; 堿性條件(pH=7.44～8.18)的影響較小, 識別能力略微減弱, pH>9.00時得到渾濁溶液. 其中, 偏弱酸性條件(pH=5.15～6.53)的影響最小, 識別能力基本未受影響, 這與乙腈及乙腈-水體系(pH分別為5.78和6.71)接近. 基于上述結(jié)果, 進一步研究受體R對Co2+的識別性能時均未調(diào)節(jié)體系的pH值.

2.8 絡(luò)合常數(shù)和Job曲線

表1列出了利用Benesi-Hidebrand方程計算得到的受體R分別與Co2+, Al3+和Cu2+作用的絡(luò)合常數(shù)、相關(guān)系數(shù)及檢出限[33]. 由于絡(luò)合常數(shù)均大于1.13×103L/mol, 故受體R對于這3種離子具有良好的選擇性識別能力(見本文支持信息圖S12). 此外, 受體R對3種離子的檢出限可通過標準偏差和線性擬合得到[34]. 基于3σ/k, 受體R對于Co2+, Al3+和Cu2+的檢出限分別可達4.14×10-7, 4.57×10-7和1.80×10-6mol/L. 進一步證實了受體R對Co2+, Al3+和Cu2+具有較高的檢測靈敏度.

Table 1 Association constants(Ka), correlation coefficients(R) and detection limits of receptor R for Co2+, Al3+, Cu2+in CH3CN

Receptor+cationKa/(L?mol-1)RDetectionlimit/(mol?L-1)R+Co2+2.84×1030.9984.14×10-7R+Al3+1.35×1040.9754.57×10-7R+Cu2+1.13×1030.9991.80×10-6

Fig.8 Job’s plot for complex of receptor R and Co2+

為了確定受體R與客體陽離子之間配位作用的化學(xué)計量比, 通過濃度持續(xù)變化(Job曲線)的方法進行了驗證. 以Co2+為例, 在保持受體R與Co2+的總濃度為4×10-5mol/L基礎(chǔ)上, 持續(xù)改變受體R與Co2+([Host]/[Host]+[Guest])的摩爾比, 從而得到Co2+的Job曲線. 如圖8所示, 當(dāng)受體R與R+Co2+的摩爾比為0.5時, R-Co配合物的濃度接近最大值, 表明受體R與Co2+形成了摩爾比1∶1的金屬Co配合物. 該結(jié)果進一步驗證了上述推斷的識別機理.

2.9 理論計算

為了更好地理解實驗現(xiàn)象, 利用Gaussian 09[35]量子化學(xué)軟件在B3LYP[36]密度泛函下用6-31G*基組來描述C, N, O和H原子, 用贗勢基組(SDD)[37]來描述Co2+離子, 采用連續(xù)介質(zhì)在溶液相中使用基于密度的溶劑化模型(SMD)[38], 對涉及的反應(yīng)物、中間體和過渡態(tài)在水溶液中優(yōu)化, 得到零虛頻的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和唯一虛頻的過渡態(tài)結(jié)構(gòu). 結(jié)構(gòu)圖和軌道圖應(yīng)用CYLview 1.0, Multiwfn 3.7和VMD 1.9.3軟件共同繪制. 如表2所示, 計算所得水溶液中的吉布斯自由能數(shù)據(jù)表明, R的勢壘比R′要低6.98 kJ/mol, 說明在熱力學(xué)上R略微穩(wěn)定. 盡管R的羥基H原子通過過渡態(tài)TS1轉(zhuǎn)移到N原子上形成R′僅需克服11.84 kJ/mol的能壘, 但由于R′熱穩(wěn)定性比R低, 所以在水溶液中依然主要以R的形態(tài)存在(見本文支持信息圖S13). 如圖9所示, Co2+離子與R形成配合物Ⅳ, 其H質(zhì)子經(jīng)過渡態(tài)TS2(928.46 icm-1)轉(zhuǎn)移形成配合物Ⅴ, 該過程僅需克服1.88 kJ/mol的能壘, 幾乎是一個無勢壘的過程, 而且配合物Ⅴ(-20.92 kJ/mol)在熱力學(xué)上比配合物Ⅳ(0 kJ/mol)勢壘低20.92 kJ/mol. 這說明Co2+離子的加入使R在水溶液中的存在形態(tài)發(fā)生了變化, 且加速了H質(zhì)子的轉(zhuǎn)移, 這與實驗結(jié)果相符. 需要說明的是, 該過程中Co2+離子將與3分子的水配位, 且與N和O共同組成1個正八面體, 其中Co2+的基態(tài)為四重態(tài), 為sp3d2雜化形式. 此外, 烯醇式配合物Ⅳ的HOMO-LUMO能量差為2.77 eV, 低于酮式配合物Ⅴ的能量差2.98 eV, 說明烯醇式配合物Ⅳ能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橥浇Y(jié)構(gòu)Ⅴ, 這與核磁滴定實驗結(jié)果相符[39].

Table 2 Molecular orbital energy of compounds R, Ⅳ and Ⅴ

Fig.9 Density functional theory method-optimized minimum energy structures for complexes Ⅳ(A), TS2(B) and Ⅴ(C), molecular orbitals of HOMO and LUMO for complexes Ⅳ(D, E) and Ⅴ(F, G)

3 結(jié) 論

設(shè)計合成了新型含O—H及N—H官能團的亞胺類陽離子受體R, 通過核磁滴定實驗、高分辨質(zhì)譜及紫外光譜分析等手段對其陽離子識別性能進行了研究. 結(jié)果表明, 受體R對Co2+, Al3+和Cu2+3種陽離子具有良好的紫外光譜識別性能, 最低檢出限可達4.14×10-7mol/L. 裸眼檢測發(fā)現(xiàn)僅Co2+有明顯的顏色變化, 達到了單一識別Co2+的效果. 此外, 通過受體R試紙可以裸眼檢測不同濃度的Co2+, 具有一定的實用價值. 基于絡(luò)合常數(shù)、濃度持續(xù)變化(Job曲線)及核磁滴定實驗等數(shù)據(jù)提出了可能的識別機理, 發(fā)現(xiàn)受體R識別陽離子過程中存在烯醇-酮互變異構(gòu)型金屬配合物現(xiàn)象. 理論計算結(jié)果進一步證實了該結(jié)論. 綜上所述, 本文為新型亞胺類陽離子受體的開發(fā)及識別機理的研究提供了一定的參考.

支持信息見http://www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20200085.