
图1 CH3CN-H2O中(V:V=9:1)滴加Hg2+(0~7 equiv.)时受体1 (2.0×10-5mol/L)的紫外-可见吸收光谱变化图
Figure 1. UV-vis spectra of 1 (2.0×10-5 mol/L) upon addition various amount of Hg2+ (0~7 equiv.) in CH3CN-H2O (V:V=9:1) solution.
本文报道一种通过“点击”反应获得了一种以苯作为骨架含蒽荧光团三足三唑化合物1 (Eq. 1), 但研究其金属离子识别性质.在乙腈-水(V:V=9:1)溶液中, 受体1对Hg2+有很好的荧光淬灭响应, 且不受其它阳离子的干扰.
铜催化的叠氮化物与末端炔点击反应生成的1, 2, 3-三唑化合物近年来在超分子化学领域受到人们广泛关注[25, 26].这种点击反应不仅是一种有效的共价键连接基团, 同时生成的三唑环中3-位N原子可与金属离子配位.通过合理的化学修饰, 用于金属离子识别[27~29].一些基于三唑荧光受体用于识别已有相关文献报道[18~23].另一方面, 含有多个金属离子结合位点的三足受体分子也得到了很大的关注[30].这种三足受体由于具有特殊的三维立体结构和更多的结合位点, 当分析物与三足受体所构成的空腔尺寸与形状匹配时, 一般会具有较强的结合能力.基于此, 一些通过点击反应得到的三足三唑受体用于金属离子识别的已经报道.其中一个众所周知受体为三(1-苄基-[1, 2, 3]-三唑-4-亚甲基)胺(TBTA), 对过渡金属和重金属离子具有很强的结合能力[31, 32], 且它的铜络合物用于催化点击反应[33]. Ingale等[34]报道过芘修饰三足(三唑)胺化合物, 在乙腈溶液中, 可对锌离子实现比率荧光响应. Sambri等[35]报道过三足(三唑) Ce3+配合物, 用于蓝光材料. Molina等[36]报道了基于1, 3, 5取代苯为中心含芘荧光团三足(三唑)受体, 可用于Hg2+, Cu2+和Pd2+的荧光识别.近期笔者等[37]报道蒽修饰三足(三唑)胺化合物, 在乙腈-水溶液中可荧光识别Ni2+.
汞及其化合物具有很高的生物毒性[1, 2], 在人体内富集会引发多种疾病, 如产前脑损伤及水俣病.因此开发能够快速检测人体和环境中汞具有重要的意义.荧光光谱法由于其操作简便、灵敏度高、检测速度快等优点, 能快速、高效地检测微量的汞离子, 得到人们的广泛关注.荧光光谱法由于好的敏感性与选择性、较低的成本、信号容易检测等优点在汞离子识别领域占有重要的地位[3~24].目前, 基于不同光调控机理识别汞离子的荧光化学传感器已有大量文献报道, 但其中大部分易受其他金属离子如Ag+、Cu2+和Cd2+的干扰[21~24].因此, 研究对汞离子具有高选择性和灵敏度的新型化学传感器仍具有挑战性.
化合物1的合成见Eq. 1.以1, 3, 5-三乙基苯及9-蒽甲基醇为原料, 首先根据文献方法[38, 39]合成出2, 4, 6-三叠氮甲基-1, 3, 5-三乙基苯(2)和9-[(2-炔丙氧基)甲基]蒽(3).然后以CuSO4/NaVc为催化剂, 在DMF溶液中等量化合物2与3通过“点击”反应得到三足三唑受体1.目标产物通过1H NMR, 13C NMR及ESI-MS得到证实.在1H NMR中, 三唑环上的氢位于δ 7.95单峰(CDCl3溶液), 与相关文献一致[36].
我们首先通过UV-vis光谱测定化合物1在CH3CN-H2O (V:V=9:1)溶液中对金属离子(Na+, Ca2+, Mg2+, Ba2+, Co2+, Fe2+, Al3+, Cr3+, Ag+, Cu2+, Ni2+, Zn2+, Cd2+, Hg2+, Pd2+和Pb2+)识别能力.化合物1在345, 365和385 nm处出现了三个吸收峰, 可归属为生色团蒽的π-π*跃迁.当滴加不同金属离子时, 受体分子1仅对Hg2+有很好的吸收光谱响应. 图 1为受体分子1中滴加不同浓度Hg2+时UV-Vis光谱变化图, 从图中可以看出, 随着Hg2+浓度增加, 受体分子1中基于蒽的吸收峰减弱且红移(≈2 nm).此外, 在滴定过程中, 在350, 368和388 nm处可观察到三个等吸收点, 表明1和Hg2+之间存在唯一结构的络合作用.
通过化合物1与Hg2+荧光光谱滴定, 进一步定量评估受体1和金属离子之间的结合能力(图 3).随着Hg2+浓度的增加, 化合物1在412 nm处荧光强度逐渐减少.当滴加10 equiv.的Hg2+时, 受体1的荧光发射光谱强度达到饱和.通过荧光滴定线性拟合得出1和Hg2+结合的化学计量学为1:1.根据Benesi-Hildebrand[40]方程计算出1对Hg2+的络合常数为2.7×103L•mol-1 (R=0.993, 图 4a), 对Hg2+检测限为6.1×10−6mol/L (R=0.993, 图 4b).
接下来研究受体1对上述金属离子的荧光识别能力(图 2).以360 nm为激发波长, 受体1在390, 412和435 nm处有强的吸收峰, 可归属为蒽荧光团的单体发射.当添加Hg2+时, 受体1表现出极强的荧光淬灭响应, 其荧光淬灭率达到75%(加入10 equiv. Hg2+).这种荧光响应表明受体1与Hg2+发生了强的络合作用, 受体1中蒽环的激发态与中心离子Hg2+之间发生了光诱导电子转移(PET)而导致受体分子荧光淬灭效应, 如同一些文献中所报道[18, 19].相反, 当添加其他金属离子, 受体1的荧光几乎没有变化, 这与紫外-可见吸收光谱结果一致.虽然基于Hg2+的荧光探针报道很多, 但很多受体分子常受到Ag+与Cu2+等金属离子干扰.受体分子1表现出的Hg2+专一性识别, 将表现出更好的应用前景.
为了进一步研究受体1对Hg2+的选择性识别, 我们做了1中加入Hg2+及其它共存金属离子(Na+, Ca2+, Mg2+, Ba2+, Co2+, Fe2+, Al3+, Cr3+, Ag+, Cu2+, Pd2+, Zn2+, Cd2+, 和Pb2+)的竞争性实验(图 5).结果表明, 其他金属离子的存在对于1-Hg2+络合物的荧光并没有发生显著变化, 表明在乙腈-水溶液中, 化合物1对Hg2+有很好的荧光选择性识别.
为了进一步理解受体分子1与Hg2+的络合机制, 我们以CD3CN/CDCl3 (V:V=2:8)为溶剂研究了受体分子1中滴加Hg2+时1H NMR变化.从图 6可以看出, 当滴加Hg2+时, 受体分子1中的三唑环质子Ha从δ 7.41移动至δ 7.53处, 表明三唑上的氮原子参与了和Hg2+的络合作用.同时, 三条三唑臂中的亚甲基质子Hb、Hc与Hd随着受体1与Hg2+的络合发生了一定程度的高场移动, 其移动值分别为δ 0.15、0.11及0.14, 这可能归因于受体分子与Hg2+络合后三条柔性臂旋转受到限制的结果.类似受体分子络合刚性增强导致的质子高场移动在文献中已有报道[36, 41].
以2, 4, 6-三叠氮甲基-1, 3, 5-三乙基苯和9-[(2-炔丙氧基)甲基]蒽为原料点击反应合成了一个以苯为中心含蒽荧光团的三足三唑受体分子1, 并研究了其对金属离子识别能力.结果表明, 在乙腈含水溶液中, 受体分子1对Hg2+有很好的专一性识别, 且不受其他金属离子干扰.随着Hg2+的加入, 受体分子1的荧光发生了75%的淬灭, 其与Hg2+的络合常数为2.7×103L•mol-1, 检测极限为6.1×10-6mol/L. 1H NMR滴定表明受体1的三唑环上的3个N原子与中心离子发生了配位作用.
核磁共振仪(德国Bruker公司, Bruker Vance 400 MHz, TMS为内标)、飞行时间质谱仪(美国Waters公司XEVO G2 QTof型)、元素分析仪(德国Elementar公司Vario EL Ⅲ型)、紫外可见光谱(Hitachi公司U-3010型紫外可见分光光度计)、荧光光谱(Hitachi公司F-4600型荧光光谱仪).滴定所用金属离子(Na+、Mg2+、Ba2+、Hg2+、Cu2+、Cr3+、Zn2+、Fe2+、Ni2+、Co2+、Cd2+、Ag+等)均为高氯酸盐.
化合物2和3按文献方法合成[21~23], 其它试剂及药品(分析纯)购于国药集团化学试剂公司; 无水溶剂按文献方法纯化制备, 其他试剂均为分析纯, 使用前未作进一步纯化.
在室温氮气保护下, 将5 mL N, N-二甲基甲酰胺(DMF)、150 mg (0.46 mmol) 2, 4, 6-三-三叠氮乙基-1, 3, 5-三甲基苯(2)和450 mg (1.84 mmol)化合物3 (1.84 mmol)加入到50 mL的烧瓶中, 然后再将25 mg (0.1 mmol)五水硫酸铜和30 mg抗坏血酸钠(0.15 mmol)快速加入溶液中, 在室温下搅拌反应3 h.反应结束后, 用水将其淬灭, 并将悬浊液过滤, 收集其中的固体.所得固体用柱色谱层析纯化, 得到白色固体1 272 mg, 产率62%. m.p. 115~116 ℃; 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ: 8.57 (s, 3H), 8.23 (dd, J=3.2, 6.3 Hz, 6H), 8.08 (dd, J=3.2, 6.4 Hz, 6H), 7.95 (s, 3H), 7.46 (dd, J=3.3, 6.6 Hz, 12H), 5.63 (s, 6H), 5.37 (s, 6H), 4.66 (s, 6H), 2.81 (d, J=7.4 Hz, 6H), 0.76 (t, J=7.2 Hz, 9H); 13C NMR (100 MHz, DMSO-d6) δ: 146.2, 131.3, 130.8, 130.4, 129.22, 128.4, 126.6, 125.6, 124.8, 124.3, 63.8, 63.5, 47.9, 23.5, 15.5; ESI-TOF-MS m/z: 1066.5115 (M+1)+. Anal. calcd for C69H63N9O3: C 77.72, H 5.96, N 11.82; found C 77.49, H 6.00, N 11.78.
紫外及荧光光谱测定:受体分子浓度为2×10-5 mol•L-1的乙腈-水(V:V=9:1)溶液, 金属离子配制成2×10-3 mol/L溶液.
荧光光谱测定:激发波长为360 nm.测试时用微型移液器向1中滴加, 保持受体分子的浓度基本不变.利用滴加法逐次加入高氯酸盐的阳离子, 观察受体分子与阳离子结合后紫外及荧光光谱变化.
Bruker Vance 400 MHz核磁共振仪, CD3CN/CDCl3溶液化合物1 (2.0×10-4 mol/L)中利用累积滴加法逐次加入高氯酸盐的阳离子, 观察受体分子与阳离子结合后活泼氢化学位移的变化.
辅助材料(Supporting Information) 化合物1的1H NMR、13C NMR.、ESI-MS图谱.这些材料可以免费从本刊网站(http://sioc-journal.cn/)上下载.
Renzoni, A.; Zino, F.; Franchi, E. Environ. Res. 1998, 77, 68. doi: 10.1006/enrs.1998.3832
Dorea, J. G.; Donangelo, C. M. Clin. Nutr. 2006, 25, 369. doi: 10.1016/j.clnu.2005.10.007
Nolan, E. M.; Lippard, S. J. Chem. Rev. 2008, 108, 3443. doi: 10.1021/cr068000q
Kim, H. N.; Ren, W. X.; Kim, J. S.; Yoon, J. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 3210. doi: 10.1039/C1CS15245A
Yang, Y.; Zhao, Q.; Feng, W.; Li, F. Chem. Rev. 2013, 113, 192. doi: 10.1021/cr2004103
Pola, M. K.; Raju, M. V. R.; Lin, C. M.; Putikam, R.; Lin, M. C.; Epperla, C. P.; Chang, H. C.; Chen, S. Y.; Lin, H. C. Dyes Pigm. 2016, 130, 256 doi: 10.1016/j.dyepig.2016.03.028
Jiao, Y.; Zhang, L.; Zhou, P. Talanta 2016, 150, 14. doi: 10.1016/j.talanta.2015.11.065
Wan D.; Li Y.; Zhu P. Sens. Actuators, B 2015, 221, 1271. doi: 10.1016/j.snb.2015.07.109
Cheng, H.; Qian, Y. Sens. Actuators, B 2015, 219, 57. doi: 10.1016/j.snb.2015.04.086
Hemamalini, A.; Das, T. M. New J. Chem. 2013, 37, 2419. doi: 10.1039/c3nj00072a
Hu, B.; Hu, L.-L.; Chen, M.-L.; Wang, J.-H. Biosens. Bioelectron. 2013, 49, 499. doi: 10.1016/j.bios.2013.06.004
Kumari, N.; Dey, N.; Bhattacharya, S. Analyst 2014, 139, 2370. doi: 10.1039/c3an02020g
Li, M.; Li, X. J.; Lu, H. Y.; Chen, C. F. Sens. Actuators, B 2014, 202, 583. doi: 10.1016/j.snb.2014.06.001
Li, M.; Lu, H. Y.; Liu, R. L.; Chen, J. D.; Chen, C. F. J. Org. Chem. 2012, 77, 3670. doi: 10.1021/jo3002744
Hu, S. Z.; Chen, C. F. Org. Biomol. Chem. 2011, 9, 5838. doi: 10.1039/c1ob05515a
Li, G. K.; Liu, M.; Yang, G. Q.; Chen, C. F.; Huang, Z. T. Chin. J. Chem. 2008, 26, 1440. doi: 10.1002/cjoc.v26:8
Chen, Q. Y.; Chen, C. F. Tetrahedron Lett. 2005, 46, 165. doi: 10.1016/j.tetlet.2004.10.169
Cao, Q.-Y.; Han, Y.-M.; Wang, H.-M.; Xie, Y. Dyes Pigm. 2013, 99, 798. doi: 10.1016/j.dyepig.2013.07.005
Vedamalai, M.; Kedaria, D.; Vasita, R.; Mori, S.; Gupta, I. Dalton Trans. 2016, 45, 2700. doi: 10.1039/C5DT04042F
Singh, R. S.; Gupta, R. K.; Paitandi, R. P.; Misra, A.; Pandey, D. S. New J. Chem. 2015, 39, 2233. doi: 10.1039/C4NJ01625D
Neupane, L. N.; Kim, J. M.; Lohani, C. R.; Lee K. H. J. Mater. Chem. 2012, 22, 4003. doi: 10.1039/c2jm15664d
Shi, W.-J.; Liu, J.-Y.; Ng, D. K. P. Chem. Asian J. 2012, 7, 196. doi: 10.1002/asia.201100598
Dai, B.-N.; Cao, Q.-Y.; Wang, L.; Wang, Z.-C.; Yang, Z. Inorg. Chim. Acta 2014, 423, 163. doi: 10.1016/j.ica.2014.08.015
Ge, J.-Z.; Zou, Y.; Yan, Y.-H.; Lin, S.; Zhao, X.-F.; Cao, Q.-Y. J. Photochem. Photobiol. A:Chem. 2016, 315, 67. doi: 10.1016/j.jphotochem.2015.09.011
熊兴泉, 蔡雷, 唐忠科, 有机化学, 2012, 32, 1410. doi: 10.6023/cjoc1110222Xiong, X.; Cai, L.; Tang, Z. Chin. J. Org. Chem. 2012, 32, 1410(in Chinese). doi: 10.6023/cjoc1110222
Rostovtsev, V. V.; Green, L. G.; Fokin, V. V.; Sharpless, K. B. Angew. Chem., Int. Ed. 2002, 41, 2597.
王智成, 戴博娜, 丘继芳, 曹迁永, 葛金柱, 有机化学, 2015, 35, 2383. doi: 10.6023/cjoc201506021Wang, Z.; Dai, B.; Qiu, J.; Cao, Q.; Ge, J. Chin. J. Org. Chem. 2015, 35, 2383(in Chinese). doi: 10.6023/cjoc201506021
聂骥, 李建平, 邓欢, 潘宏程, 分析化学, 2015, 43, 609. doi: 10.1016/S1872-2040(15)60819-2Nie, J.; Li, J.; Deng, H.; Pan, H. Chin. J. Anal. Chem. 2015, 43, 609(in Chinese). doi: 10.1016/S1872-2040(15)60819-2
Lau, Y. H.; Rutledge, P. J.; Watkinson, M.; Todd, M. H. Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 2848. doi: 10.1039/c0cs00143k
Kuswandi, B.; Verboom, W.; Reinhoudt, D. N. Sensors 2006, 6, 978. doi: 10.3390/s6080978
Schweinfurth, D.; Krzystek, J.; Schapiro, I.; Demeshko, S.; Klein, J.; Telser, J.; Ozarowski, A.; Su, C.-Y.; Meyer, F.; Atanasov, M.; Neese, F.; Sarkar, B. Inorg. Chem. 2012, 51, 7592. doi: 10.1021/ic300392e
Connell, T.-U.; Schieber, C.; Silvestri, I.-P.; White, J.-M.; Williams, S.-J.; Donnelly, P.-S. Inorg. Chem. 2014, 53, 6503. doi: 10.1021/ic5008999
Meldal, M.; Tornøe, C. W. Chem. Rev. 2008, 108, 2952. doi: 10.1021/cr0783479
Ingale, S. A., Seela, F. J. Org. Chem. 2012, 77, 9352. doi: 10.1021/jo3014319
Baschieri, A.; Mazzanti, A.; Stagni, S.; Sambri, L. Eur. J. Inorg. Chem. 2013 2432.
González, M. del C.; Otón, F.; Espinosa, A.; Tárraga, A.; Molina, P. Org. Biomol. Chem. 2015, 13, 1429. doi: 10.1039/C4OB02135E
Zhu, J.-H.; Fan, X.-T.; Cao, Q.-Y. Inorg. Chim. Acta 2016, 449, 31. doi: 10.1016/j.ica.2016.04.047
Vacca, A.; Nativi, C.; Cacciarini, M.; Pergoli, R.; Roelens, S. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 16456. doi: 10.1021/ja045813s
Wallace, K. J.; Hanes, R.; Anslyn, E.; Morey, J.; Kilway, K. V.; Siegel, J. Synthesis 2005, 2080.
Benesi, H.-A.; Hildebrand, J.-H. J. Am. Chem. Soc. 1949, 71, 2703. doi: 10.1021/ja01176a030
Cao, Q.-Y.; Wang, Z.-C.; Li, M.; Liu, J.-H. Tetrahedron Lett. 2013, 54, 3933. doi: 10.1016/j.tetlet.2013.05.033