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• 阴离子在生物、医药、催化和环境等方面有着非常重要的作用^{[1, 2]}。咪唑鎓本身带有正电荷，同时2-位碳氢(C2-H)具有一定的酸性，是一种良好的氢键供体，能与阴离子形成N-H…X^-型、N⁺-H…X^-型氢键和(C-H)⁺…X^-型离子氢键^[3~5]。以咪唑鎓为识别基团的阴离子识别受体不断被设计合成，它们可以识别各种无机阴离子和生物体内重要的阴离子。因此，构建一种含有咪唑鎓盐的阴离子识别受体成为研究的热点^[6~8]。

  本文利用四(1-咪唑甲基)甲烷(1)独特的结构，设计合成了多咪唑鎓盐2、含有多功能臂的双咪唑鎓盐3和咪唑鎓环番4。其结构经¹H NMR、MS谱确认。采用荧光发射光谱法研究了咪唑鎓盐2、3、4对阴离子(Cl^-、Br^-、I^-、CH₃COO^-、PhCOO^-、HSO₄^-)的光谱响应。

  1.   实验部分

  1.1   仪器与试剂

  RF-5301PC荧光分光光度计(日本岛津仪器公司)，Brucker-400型核磁共振谱仪(瑞士BRUCKER公司)，Waters4000质谱仪(美国WATERS公司)。

  吡啶、N, N-二甲基甲酰胺(DMF)、苄溴、N-溴代琥珀酰亚胺(NBS)、咪唑等均购于成都国药有限公司。所用试剂均为分析纯级，使用前未经进一步纯化。化合物1参照文献^[9]合成。

  1.2   咪唑鎓盐的合成

  1.2.1   咪唑鎓盐2的合成

  将1.7g(5mmol)四(1-咪唑甲基)甲烷1和16.4g(24mmol)苄溴在乙腈中回流搅拌，反应过程中用TCL监测至四(1-咪唑甲基)甲烷1消失。浓缩反应液，过滤，甲醇重结晶得白色晶体，将产物溶于水，加饱和NH₄PF₆水溶液至不再产生沉淀，过滤，得咪唑鎓盐2，产率90%。熔点190~192℃。¹H NMR(400MHz，DMSO-d₆)δ：4.85(s，8H，-CH₂-)，5.44(s，8H，-CH₂-)，7.41~7.47(m，20H，Ph-H)，7.74(t，J=1.6Hz，4H，Im5-H)，7.81(t，J=1.6Hz，4H，Im4-H)，9.64(s，4H，Im2-H)。MS m/z：702.4069 (M⁺，2)。

  1.2.2   多功能臂咪唑鎓盐3的合成

  取1.70g(5mmol)化合物1溶于20mL乙腈，加热至回流，缓慢滴加2.5mmol二溴代物的10mL CHCl₃溶液，TLC监测至反应完全(展开剂：氯仿:甲醇=9:1，体积比)，浓缩反应液，得白色固体，经硅胶柱层析分离。将产物溶于水，加饱和NH₄PF₆水溶液至不再产生沉淀，过滤，得多功能臂咪唑鎓盐3。

  咪唑鎓盐3a：白色固体，产率24%，熔点168~170℃。¹H NMR(400MHz，DMSO-d₆)δ：4.31(s，12H，-CH₂-)，4.46(s，4H，-CH₂-)，5.39(s，4H，PhCH₂-)，6.91(s，6H，Im5-H)，7.11(s，6H，Im4-H)，7.47(m，8H，Im4-H，Ph-H)，7.62(s，6H，Im2-H)7.82(s，2H，Im5-H)9.32(s，2H，Im2-H)。MS m/z：1067.3565 (M⁺，2)。

  咪唑鎓盐3b：白色固体，产率21%，熔点173~175℃。¹H NMR(400MHz，DMSO-d₆)δ：3.78(t，J=4.4Hz，4H，-OCH₂-)，4.29(t，J=4.0Hz，4H，-CH₂-)，4.37(s，12H，-CH₂-)，4.45(s，4H，-CH₂-)，7.19~7.28(m，12H，Im4-H，Im5-H)，7.59(s，2H，Im5-H)，7.74(s，2H，Im4-H)，7.97(s，6H，Im2-H)，8.83(s，2H，Im2-H)。MS m/z：1007.3210 (M⁺, 2)。

  1.2.3   咪唑鎓环番4的合成

  在两个恒压滴液漏斗中分别装入0.34g(1mmol)化合物1的150mL乙腈溶液和1mmol二溴代物的150mL乙腈溶液，两者在同浓度条件下，同时匀速(20h以上)滴加入装有100mL乙腈的500mL三颈烧瓶中，加热回流，TLC监测至产物点不再发生变化(甲醇:氨水:饱和NH₄HCO₃=10:4:1，体积比)。浓缩反应液，得白色固体，经硅胶柱层析分离，将产物溶于水，加饱和NH₄PF₆水溶液至不再产生沉淀，过滤，干燥，得咪唑鎓环番4。

  咪唑鎓环番4a：白色固体，产率13%，熔点>300℃。¹H NMR(400MHz，DMSO-d₆)δ：4.45(s，8H，-CH₂-)，4.66(s，8H，-CH₂-)，5.51(s，8H，PhCH₂-)，7.20(s，4H，Im5-H)，7.40~7.50(m，12H，Im4-H，Ph-H)，7.66(s，4H，Im4-H)，7.87(s，4H，Im5-H)，8.02(s，4H，Im2-H)，9.26(s，4H，Im2-H)。MS m/z：1460.3754(M⁺，2)。

  咪唑鎓环番4b：白色固体，产率11%，熔点>300℃。¹H NMR(400MHz，DMSO-d₆)δ：3.37(s，8H，-CH₂-)，3.75(s，8H，-CH₂-)，4.28(s，8H，-CH₂-)，4.48(s，8H，-CH₂-)，4.63(s，8H，-CH₂-)，7.04(s，4H，Im4-H)，7.33(s，4H，Im5-H)，7.72(s，8H，Im4-H，Im5-H)，7.81(s，4H，Im2-H)，9.13(s，4H，Im2-H)。MS m/z：1397.3373 (M⁺，2)。

  1.3   荧光发射光谱研究

  1.3.1   咪唑鎓与阴离子的最优摩尔比筛选

  移取0.5mL主体分子的DMSO/H₂O(体积比4:1)溶液(1×10^-4 mol/L)于一系列10mL的容量瓶中，再分别加入不同体积(0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.15 mL)客体阴离子(1×10^-3 mol/L)的四丁基铵盐的无色透明DMSO-H₂O(体积比4:1)溶液，用DMSO-H₂O混合液稀释定容至刻度，得到6组主体浓度恒定(0.5×10^-5 mol/L)而阴离子浓度依次增大的混合溶液，静置过夜。于25℃、λ_ex=275nm^[10~12]条件下测定其在285~500 nm的荧光发射光谱。

  以3a识别不同浓度PhCOO^-为例，荧光发射光谱见图 1。

  图 1

  

  图 1.  化合物3a中加入不同浓度PhCOO^-的荧光发射光谱

  Figure 1.  Fluorescence spectra of compound 3a in the presence of PhCOO^-

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  结果显示，同一主体对同一客体不同浓度的荧光效应存在差异，尤以主-客体浓度比为1:2时，其荧光变化最明显。这一结果与文献报道选用主-客体摩尔比为1:1或1:2相一致^{[10, 13]}。

  1.3.2   咪唑鎓对阴离子的荧光光谱响应

  移取1mL主体分子2的DMSO-H₂O(体积比4:1)混合溶液(1×10^-4 mol/L)于一系列10mL容量瓶中，分别加入0.2mL Cl^-、Br^-、I^-、PhCOO^-、CH₃COO^-、HSO₄^-离子的四丁基铵盐的溶液(1×10^-3mol/L)，释至刻度。主体溶液浓度为1×10^-5mol/L，客体溶液浓度为2×10^-5mol/L，混合均匀，静置过夜。于25℃下，激发波长λ_ex=275nm，测定其在285~500 nm的荧光发射光谱。

  主体分子3、4与相同浓度不同阴离子的荧光发射光谱用上述同样方法进行测定。

  2.   结果与讨论

  2.1   咪唑鎓盐2对阴离子荧光光谱的响应

  在多咪唑鎓盐2中，加入Cl^-、I^-、Br^-、HSO₄^-离子时，化合物2的荧光强度显著增强，当加入Cl^-、Br^-时其峰形发生了显著变化，这表明Cl^-、I^-、Br^-、HSO₄^-的加入均能引起多咪唑鎓盐2的荧光强度发生变化，尤以Cl^-的荧光强度变化最明显。

  图 2

  

  图 2.  化合物2中加入阴离子的荧光发射光谱

  Figure 2.  Fluorescence spectra of compound 2 in the presence of anions

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  2.2   双咪唑鎓盐3对阴离子荧光光谱的响应

  在双咪唑鎓3a中，加入不同阴离子时都均引起3a不同程度的荧光猝灭。其中, 加入PhCOO^-、HSO₄^-时荧光猝灭效应最明显，而Cl^-、Br^-、I^-、CH₃COO^-、PhCOO^-、HSO₄^-六种阴离子的加入均能引起主体分子荧光强度发生中等强度的猝灭效应。

  图 3

  

  图 3.  化合物3中加入阴离子的荧光发射光谱

  Figure 3.  Fluorescence spectra of compound 3 in the presence of anions

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  在双咪唑鎓3b中加入Cl^-、PhCOO^-、HSO₄^-可引起3b的荧光强度发生微弱的猝灭效应；加入CH₃COO^-、Br^-时，3b的荧光强度猝灭效应非常明显；加入离子I^-时，3b的荧光强度显著增强。

  2.3   双咪唑鎓4对阴离子的荧光光谱响应

  在咪唑鎓环番4a中加入Cl^-、CH₃COO^-、Br^-时，4a的荧光强度表现出不同程度增强；而I^-的加入使4a的荧光强度发生非常微弱的猝灭效应。HSO₄^-对4a的荧光强度几乎无影响。I^-、Cl^-、HSO₄^-、Br^-的存在可使咪唑鎓环番4b的荧光强度明显增强，尤以I^-离子最明显。咪唑鎓环番4b对CH₃COO^-、PhCOO^-无明显荧光效应。

  图 4

  

  图 4.  化合物4中加入阴离子的荧光发射光谱

  Figure 4.  Fluorescence spectra of compound 4 in the presence of anions

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  3.   结论

  本文通过N-芳基化反应和季铵化反应，成功合成了多咪唑鎓盐2、含有多功能臂的双咪唑鎓盐系列化合物3、咪唑鎓环番系列化合物4。荧光发射光谱法研究表明，五种咪唑鎓盐对常见阴离子均表现出不同的荧光强度变化。3a、4a为刚性结构，3b、4b为柔性结构，识别不同客体时必有荧光强度变化的差异。其中化合物3为一种含有多功能臂的双咪唑鎓盐，虽然不具备大环效应，但由于桥联基两端带有空间体积较大的基团，多功能臂组成的空腔大小、深浅可由分子本身自由调节，识别客体时产生的诱导契合作用较环番类分子更强烈，识别能力会增强。

  咪唑鎓化合物的阴离子识别受到诸多因素的影响，除氢键外，阴离子的几何形状、溶剂、主体分子的结构及协同效应等均可影响其对阴离子的识别效果；此外，阴离子还有着较高的溶剂化自由能，并与周围介质发生竞争^{[14, 15]}。随着研究的不断深入，多位点、高选择性、高敏感性的咪唑鎓盐将成为人们的研究热点，有望在离子分离、催化、跨膜转运等发挥重要作用。

• 1. [1]

     C B Zhang, Y Liu, Z F Liu et al. Bioorg. Med. Chem. Lett., 2017, 27(8):1808~1814. doi: 10.1016/j.bmcl.2017.02.053

  2. [2]

     Z Z Li, L Gopala, V K R Tangadanchu et al. Bioorg. Med. Chem., 2017, 25(24):6511~6522. doi: 10.1016/j.bmc.2017.10.028

  3. [3]

     W W Gao, S Rasheed, V K R Tangadanchu et al. Sci. China Chem., 2017, 60(6):769~785. doi: 10.1007/s11426-016-9009-6

  4. [4]

     L Zhang, K V Kumar, S Rasheed et al. Chem. Biol. Drug Design, 2015, 86(4):648~655. doi: 10.1111/cbdd.2015.86.issue-4

  5. [5]

     L Zhang, X M Peng, G L V Damu et al. Med. Res. Rev., 2014, 34(2):340~437. doi: 10.1002/med.2014.34.issue-2

  6. [6]

     P Rajakumar, R Padmanabhan et al. Tetrahed. Lett., 2010, 51:1059~1063. doi: 10.1016/j.tetlet.2009.12.077

  7. [7]

     L Yang, S Qin, X Su et al. Org. Biomol. Chem., 2010, 8:339~348. doi: 10.1039/B908540H

  8. [8]

     蒋宗林, 肖蓉, 苏晓渝等.高等学校化学学报, 2003, 24(1):64~67. doi: 10.3321/j.issn:0251-0790.2003.01.009

  9. [9]

     谢仕伟, 蒋宗林, 王心良等.西华师范大学学报(自然科学版), 2013, 34(2):180~183. http://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?filename=IGNE201302014&dbname=CJFD&dbcode=CJFQ

  10. [10]

      Y X Xu, N Y Ye, D J Zhang et al. J. Colloid Interf. Sci., 2017, 497:333~342. doi: 10.1016/j.jcis.2017.03.033

  11. [11]

      Z Li, X H Yu, Y Chen et al. J. Org. Chem., 2017, 82(24):13368~13375. doi: 10.1021/acs.joc.7b02447

  12. [12]

      F Liu, P F Hao, T L Yu et al. J. Mol. Struct., 2016, 1119:431~436. doi: 10.1016/j.molstruc.2016.04.059

  13. [13]

      J Y C Lim, I Marques, A L. Thompson et al. J. Am. Chem. Soc., 2017, 139:3122~3133. doi: 10.1021/jacs.6b12745

  14. [14]

      P Molina, F Zapata, A Caballero. Chem. Rev., 2017, 117:9907~9972. doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00814

  15. [15]

      A Brown, P D Beer. Chem. Commun., 2016, 52:8645~8658. doi: 10.1039/C6CC03638D

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  图 1  化合物3a中加入不同浓度PhCOO^-的荧光发射光谱

  Figure 1  Fluorescence spectra of compound 3a in the presence of PhCOO^-

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  图 2  化合物2中加入阴离子的荧光发射光谱

  Figure 2  Fluorescence spectra of compound 2 in the presence of anions

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  图 3  化合物3中加入阴离子的荧光发射光谱

  Figure 3  Fluorescence spectra of compound 3 in the presence of anions

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  图 4  化合物4中加入阴离子的荧光发射光谱

  Figure 4  Fluorescence spectra of compound 4 in the presence of anions

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