董智云，賈佳，王拾梅，席福貴

(忻州師范學(xué)院 化學(xué)系，山西 忻州 034000)

近年來陰離子的識別和檢測受到了廣泛地關(guān)注[1-2].氟是人體中不可缺少的元素，含量過低會導(dǎo)致出現(xiàn)軟骨病、齲齒等疾病[3-5]，含量過高會導(dǎo)致厭食、胃潰瘍、器官損傷等，因此，檢測氟離子具有十分重要的意義.目前，已報(bào)道的氟離子探針主要有：脲[6]、硫脲[7]、酰腙[8]、酰肼[9]、酚[10]、亞胺[11]、咪唑[12-16]、有機(jī)硼化合物[17-18]、有機(jī)硅化合物[19-22]等. 咪唑環(huán)中的C(2)-H作為識別位點(diǎn)，可與陰離子形成特殊的離子型氫鍵(C-H)+…X-[23].咟啶衍生物作為咪唑鎓化合物的類似化學(xué)物，其2位H作為識別位點(diǎn)也可與陰離子形成特殊的氫鍵(C-H)+…X-，是一類良好的離子型氫鍵供體，但基于咟啶衍生物的熒光探針并不多見[24-25]，本文用簡單的方法設(shè)計(jì)合成了一種基于萘-咟啶鎓的新型受體分子1，該受體分子以咟啶環(huán)上的C(2)-H作為陰離子結(jié)合位點(diǎn)，萘基和咟啶基團(tuán)作為發(fā)光基團(tuán)，可實(shí)現(xiàn)裸眼識別F-，并對F-具有熒光開啟(turn-on)功效，其合成路線如圖1所示.

圖1 受體分子1的合成路線Fig.1 Synthetic routes of receptor 1

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

1.1.1 儀器

Bruker 400 MHz 核磁共振儀(TMS為內(nèi)標(biāo)，DMSO-d6為溶劑)；UV-2550紫外可見分光光度計(jì)；Hitachi F-4600 熒光光譜儀；LCMS-8030液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀.

1.1.2 試劑

1.2 受體分子1的合成

1.2.1 化合物2的合成

氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在100 mL兩口瓶中加入氫化鈉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%, 0.8 g, 20 mmol)，20 mL乙腈，冰水浴下攪拌15 min，加入溶于20 mL乙腈的咟啶(1.85 g, 11 mmol)溶液.緩慢滴加溶于20 mL乙腈的1,5-二溴戊烷(1.19 g, 5 mmol)溶液，室溫反應(yīng)10 h，反應(yīng)結(jié)束后加入50 mL水，二氯甲烷萃取(50 mL×3)，無水Na2SO4干燥，抽濾，旋蒸，真空干燥得棕褐色油狀黏稠液體，柱層析分離純化(洗脫劑V乙酸乙酯∶V甲醇=4∶1)得黃棕色固體1.64 g，即化合物2，產(chǎn)率為79%.1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz)，δ：1.40～1.51 (m, 1H), 1.62～1.75 (m, 2H), 3.65 (t,J=7.2 Hz, 2H), 6.34 (d,J=7.3 Hz, 1H), 6.64 (d,J=7.3Hz, 1H), 7.03～7.21 (m, 4H), 7.49 (s, 1H).

1.2.2 受體分子1的合成

氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將化合物2(1.21 g, 3 mmol)，2-溴甲基萘(1.54 g, 7 mmol)和30 mL甲苯置于100 mL兩口瓶中，110 ℃條件下反應(yīng)28 h.反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，產(chǎn)生黃色固體，抽濾，用甲苯和無水乙醚各洗滌3次，真空干燥，得產(chǎn)物1.45 g，產(chǎn)率為57%.

將上述產(chǎn)物溶于50 mL蒸餾水中，加入NH4PF6(0.49 g，3 mmol)，室溫?cái)嚢? h，產(chǎn)生沉淀，抽濾，水洗3次，真空干燥，得到黃色固體1.29 g，為受體分子1，產(chǎn)率為77%.1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz)，δ：1.79～1.83 (m, 1H)，2.04～2.07 (m, 2H)，4.22 (t,J=8.1 Hz, 2H)，5.53 (s, 2H)，6.91 (d,J=7.8 Hz, 1H), 7.29 (d,J=7.7 Hz, 1H), 7.36 (t,J=8.1 Hz, 1H)，7.52～7.57 (m, 4H)，7.64 (d,J=8.3 Hz, 1H)，7.76～7.80 (m, 1H)，7.91～7.95 (m, 2H)，8.00 (d,J=8.6 Hz, 1H)，8.23 (s, 1H)，9.73 (s, 1H).13C NMR (DMSO-d6, 100 MHz)，δ：23.22, 25.86, 51.95, 54.82, 108.74, 109.22, 121.90, 124.13, 124.30, 125.34, 126.75, 127.00, 127.14, 128.19, 128.64, 128.89, 129.14, 129.37, 130.88, 132.20, 133.12, 133.25, 134.89, 154.14. ESI-MS([1-2PF6-]2+),m/z：343.17(計(jì)算)，343.20(實(shí)測).

1.3 陰離子識別性能測試

1.3.1 UV-Vis吸收光譜測試

利用Job曲線法[26]測定受體分子1與陰離子的結(jié)合比，使受體分子1和陰離子的總濃度固定為5×10-5mol/L，依次改變受體分子1與陰離子的物質(zhì)的量比(XG)，使XG分別為 0、 0.1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5、 0.6、 0.7、 0.8、 0.9、 1.0，測試其UV-Vis吸收光譜. 以絡(luò)合物的濃度cHG對XG作圖，曲線最大值對應(yīng)的XG值即是受體分子1與陰離子的結(jié)合比，其中，cHG=(A0-A)/A0×cH，A0代表受體分子1中未加入陰離子時(shí)的紫外吸收強(qiáng)度，A代表加入陰離子后形成的絡(luò)合物的紫外吸收強(qiáng)度，cH代表相應(yīng)的受體分子1的濃度.

1.3.2 熒光光譜測試

1.3.3 核磁滴定實(shí)驗(yàn)

在受體分子1(5×10-3mol/L) 的DMSO-d6溶液中，通過累計(jì)加樣的方式逐次加入1.5 mol/L的四丁基氟化銨的DMSO-d6溶液，利用1H NMR檢測受體分子1中的各個(gè)氫原子化學(xué)位移的變化.

2 結(jié)果與討論

2.1 受體分子1與陰離子作用的UV-Vis光譜

圖2 受體分子1的DMSO溶液(5.0×10-5 mol/L)中加入不同陰離子(1 mmol/L)后的UV-Vis光譜變化Fig.2 UV-Vis absorption spectra of receptor 1 (5.0×10-5 mol/L) in DMSO upon addition of various anions (1 mmol/L)

為了進(jìn)一步研究受體分子1對F-的識別性能，對F-進(jìn)行了UV-Vis吸收光譜滴定實(shí)驗(yàn)，如圖3所示，隨著F-的不斷加入，受體分子1在315、329和400 nm處的吸收峰強(qiáng)度降低，并且產(chǎn)生了10 nm的紅移，在353 nm處出現(xiàn)1個(gè)新的較大的吸收峰，可能是由于受體分子1與F-之間存在相互作用，形成了穩(wěn)定的氫鍵絡(luò)合物，導(dǎo)致分子共軛程度增強(qiáng)，光譜產(chǎn)生紅移[27]. 同時(shí)溶液顏色由淡黃色逐漸變?yōu)闊o色(圖3中內(nèi)插圖)，表明受體分子1可作為F-的比色化學(xué)傳感器.

圖3 在受體分子1的DMSO溶液(5.0×10-5 mol/L)中滴加F-(0→1 mmol/L)時(shí)的UV-Vis光譜變化(a)(內(nèi)插圖：加入F-前后受體分子1的顏色變化)； 受體分子1和F-在329 nm處的非線性擬合曲線(b)Fig.3 UV-Vis titration spectra of receptor 1 (5.0×10-5 mol/L) in the presence of different concentrations of F- (0→1 mmol/L) in DMSO(a)(Inset: the color of receptor 1 in the absence and presence of F-); The non-linear fitting curve of receptor 1 and F- at 329 nm(b)

在超分子體系中，如果主、客體之間以1∶1的化學(xué)計(jì)量比形成了絡(luò)合物，可通過下式非線性擬合計(jì)算相應(yīng)的結(jié)合常數(shù).

A=A0+ (Alim-A0) / 2cH{cH+cG+1/K- [(cH+cG+1/K)2-4cHcG]1/2}，

其中，A0代表受體分子1中未加入陰離子時(shí)的紫外吸收強(qiáng)度；A代表加入陰離子后形成的絡(luò)合物的紫外吸收強(qiáng)度，cH代表受體分子1的濃度，cG代表所加入的陰離子的濃度；K為受體分子1和所加入的陰離子的結(jié)合常數(shù). 根據(jù)UV-Vis吸收光譜滴定曲線，經(jīng)最小二乘法非線性擬合計(jì)算(圖3b)得到了受體分子1和F-的結(jié)合常數(shù)為(3.05±0.15)×103L/mol，相關(guān)系數(shù)R2為0.996 9，表明受體分子1與F-間生成了1∶1型的絡(luò)合物[28]. 如圖4的Job曲線所示，受體分子1與F-形成絡(luò)合物的濃度cHG對XG作圖，曲線最大值對應(yīng)的XG值為0.5，表明受體分子1與F-以1∶1的化學(xué)計(jì)量比形成了穩(wěn)定的絡(luò)合物，這與非線性擬合計(jì)算的結(jié)果一致.

cH+cG=5.0×10-5 mol/L.圖4 受體分子1和F-的Job 曲線Fig.4 UV-Vis Job plot of 1 and F-

2.2 受體分子1與陰離子作用的熒光光譜

為了進(jìn)一步研究受體分子1對F-的識別性能，進(jìn)行了熒光滴定實(shí)驗(yàn). 在5.0×10-6mol/L的受體分子1的DMSO溶液中不斷滴加F-，使得cF-/c1=0、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、2.0、…、9.0、10.0. 如圖6所示，隨著F-濃度的增大，受體分子1在403 nm處的熒光發(fā)射峰不斷增強(qiáng)，當(dāng)cF-/c1=10.0時(shí)，熒光強(qiáng)度不再有明顯變化，達(dá)到飽和，說明受體分子1可作為F-的比率型熒光探針. 如圖5中的內(nèi)插圖所示，受體分子1的DMSO溶液在波長為365 nm的紫外燈照射下沒有熒光，而加入F-后，溶液呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的藍(lán)色熒光，因此，可以實(shí)現(xiàn)簡易設(shè)備條件下熒光識別F-. 同時(shí)，受體分子1表現(xiàn)出的無熒光現(xiàn)象為實(shí)現(xiàn)簡易設(shè)備條件下熒光識別F-提供了很好的“零”背景熒光檢測條件，非常有利于提高受體分子檢測的靈敏度，可應(yīng)用于生物成像中. 根據(jù)熒光滴定曲線，受體分子1檢測F-的線性為1.0 × 10-6～3.0×10-5mol/L，最低檢測限為8.5×10-6mol/L.

圖5 受體分子1的DMSO溶液(5.0×10-6 mol/L)中加入不同陰離子后的熒光光譜變化Fig.5 Fluorescence spectra of receptor 1 (5.0×10-6 mol/L) in DMSO upon addition of various anions

圖6 受體分子1的DMSO溶液中加入不同濃度F-時(shí)的熒光光譜變化(內(nèi)插圖：加入F-前后受體分子1在365 nm紫外燈下的熒光變化)Fig.6 Fluorescence titrations spectra of receptor 1 in the presence of different concentrations of F- in DMSO (Inset: fluorescence color of receptor 1 in the absence and presence of F- under UV lamp excited at 365 nm)

2.3 受體分子1識別F-的機(jī)理及結(jié)合模式探討

以DMSO-d6為溶劑，通過1H NMR研究了受體分子1與F-之間的作用機(jī)理. 在5×10-3mol/L的受體分子1的DMSO-d6溶液中, 通過累計(jì)加樣的方式加入1.5 mol/L的四丁基氟化銨的DMSO-d6溶液，檢測受體分子1中的各個(gè)氫原子化學(xué)位移的變化. 如圖7a所示，受體分子1中咟啶環(huán)上的C(2)-H質(zhì)子的信號峰為9.73. 如圖7b所示，加入5 mmol/L的F-后，受體分子1中的所有氫質(zhì)子信號峰強(qiáng)度均有所減弱，其中咟啶環(huán)上的C(2)-H質(zhì)子的信號峰為9.99，向低場的位移Δδ≈0.26，表明受體分子1中咟啶環(huán)上的C(2)-H作為陰離子的結(jié)合位點(diǎn)與F-形成了離子型氫鍵(C-H)+…F-[29]，該結(jié)果與熒光分析測試結(jié)果一致.受體分子1表現(xiàn)出的無熒光現(xiàn)象，是由于咟啶基團(tuán)和萘基之間發(fā)生的光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(PET)過程可能導(dǎo)致其熒光消失，加入陰離子F-后呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的藍(lán)色熒光，是由于受體分子1咟啶環(huán)上的C(2)-H與F-之間發(fā)生了較強(qiáng)的氫鍵作用，從而抑制了咟啶基團(tuán)和萘基之間的PET過程，導(dǎo)致受體分子1的熒光明顯增強(qiáng)[30]. 如圖7c所示，繼續(xù)加入F-至25 mmol/L，受體分子1中所有的氫質(zhì)子信號峰強(qiáng)度繼續(xù)減弱，受體分子1中C(2)-H質(zhì)子的信號峰為10.04，向低場的位移Δδ≈0.05，同時(shí)在16.20處出現(xiàn)了[FHF]-的質(zhì)子峰，說明過量F-的加入會引起受體分子的去質(zhì)子化，生成了咟啶卡賓化合物，進(jìn)一步與水作用生成了含醇化合物[31]，該含醇化合物的DMSO溶液無色透明，這與紫外光譜的測試結(jié)果一致，即受體分子1的DMSO溶液中加入F-后，由黃色變?yōu)闊o色，可實(shí)現(xiàn)F-的裸眼比色識別. 受體分子1與F-相互作用的可能作用機(jī)理如圖8所示.

a.1；b.1+F- (5 mmol/L)；c.1+F- (25 mmol/L).圖7 DMSO-d6中受體分子1和F-的1H NMRFig.7 1H NMR titrations of receptor 1 upon addition of F- in DMSO-d6

圖8 受體分子1與F-之間的可能作用機(jī)理Fig.8 Proposed mechanism for the detection of F- with receptor 1

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)合成了基于萘-咟啶鎓的受體分子1，研究結(jié)果顯示該受體分子對F-表現(xiàn)出較強(qiáng)的熒光開啟功效，并可實(shí)現(xiàn)裸眼識別F-. 受體分子1通過其咟啶環(huán)上的C(2)-H與F-形成了離子型氫鍵(C-H)+…F-，二者的結(jié)合比為1∶1，結(jié)合常數(shù)為(3.05±0.15)×103L/mol，最低檢測限為8.5×10-6mol/L. 該研究結(jié)果為設(shè)計(jì)其他可識別F-的受體分子提供了有益的參考.