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• 荧光检测具有灵敏度高、选择性好、线性范围宽、受外界条件影响小等优点。作为荧光探针，席夫碱通常是由胺和活性羰基缩合而成，在合成方面具有方法简单、反应条件温和、转化率高的优点；在检测方面具有反应迅速、灵敏度高的优点。含硫席夫碱因同时含有N、S、O等杂原子而具有较强的配位能力，可与一些过渡金属形成稳定的配合物并体现出良好的性能。噻吩类席夫碱属于含硫席夫碱的范畴，其配位性能、配合物的组成可调性、热稳定性、荧光活性以及抑菌活性等已引起人们的广泛关注^[1~7]。另一方面，具有激发态分子内质子转移(ESIPT)性质的分子是一类新颖的化合物，其在结构上同时具有酸性基团和碱性基团，并在一定条件(如光、电、热等)下能彼此相互作用形成氢键而实现质子转移，由此体现出双稳态、反应速度快、对光辐射灵敏度高及斯托克斯位移大等特点。典型的ESIPT化合物有苯并噁唑、黄酮、10-羟基苯和咪唑并喹啉吡等，这些化合物在激光染料、荧光记录、紫外稳定剂、溶剂动力学探讨、生物环境检测中都有广泛应用^[8~12]。本文通过水杨醛衍生物与3-氨基噻吩缩合的方法制备了三种具有ESIPT性质的席夫碱，对其结构和光学性能进行了详细表征和分析，并探讨了水杨醛结构中酚羟基对位取代基结构对于该席夫碱探针的激发态内质子转移过程、pH响应和金属离子响应的影响。

  1   实验部分

  1.1   仪器与试剂

  Bruker VECTOR 22型红外光谱仪，UV-3600型紫外光谱仪，Horiba JobinYvon FM-4NIR型稳态荧光光谱仪，300 MHz Bruker核磁共振谱仪。

  3-溴噻吩、水杨醛、4-甲基水杨醛和4-硝基水杨醛(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；氨水(30%，阿拉丁化学试剂有限公司)；其他试剂及各种金属无机盐均为市售分析纯，使用前未经进一步纯化。

  1.2   目标化合物的合成

  1.2.1   3-氨基噻吩的合成

  向350mL密封管中加入0.032g铜粉、1.63g 3-溴噻吩、7.0mL质量分数为30%的氨水溶液，使三者的摩尔比为0.05:1:10，旋紧活塞。将该密封管置于100℃油浴中电磁搅拌反应16h后取出并冷却体系，混合液用乙酸乙酯萃取，有机相用水洗3次，再用无水Na₂SO₄干燥过夜，45℃旋蒸去除溶剂，粗品经柱色谱分离(石油醚/乙酸乙酯，体积比5:1)，产物为褐色液体(0.59g)，产率59%。¹H NMR (300MHz，DMSO-d₆) δ：7.17(dd，J=5.0、3.1Hz，1H)，6.56 (dd，J=5.0、1.5Hz，1H)，5.94 (dd，J=3.1、1.5Hz，1H)，4.78 (s，2H)。

  1.2.2   2-(噻吩-3-基亚氨甲基)-苯酚(SB1) 的合成

  向100mL圆底烧瓶中加入4mmol 3-氨基噻吩、5mmol水杨醛和60mL冰醋酸，超声分散后加入适量无水MgSO₄(吸水)，60℃油浴下反应8h后，冷却反应体系，抽滤，水洗除去MgSO₄，所得固体真空干燥得到灰褐色粉末0.67g，产率82%。¹H NMR (300MHz，DMSO-d₆) δ：9.92 (s，1H)，8.14 (d，J=5.6Hz，2H)，7.63 (d，J=5.6Hz，2H)，7.45 (m，2H)，7.09 (d，J=7.8Hz，1H)，7.00 (dd，J=7.5、1.0Hz，1H)；IR(KBr) ν/cm^-1：3200 (-OH)，1618 (C＝N)，1400(-Ar)。

  1.2.3   5-甲基-2-(噻吩-3-基亚氨甲基)-苯酚(SB2) 的合成

  将1.2.2中的水杨醛换成4-甲基水杨醛，按相同的步骤进行反应及后处理，最终得到灰褐色粉末0.70g，产率81%。¹H NMR (300MHz，DMSO-d₆) δ：9.13 (s，1H)，8.59 (d，J=2.8Hz，1H)，8.20 (dd，J=9.2、2.9Hz，1H)，7.47 (d，J=8.9Hz，2H)，7.04 (dd，J=8.9、6.3Hz，3H)；IR(KBr) ν/cm^-1：3200 (-OH)，1623(C＝N)，1400 (-Ar)。

  1.2.4   5-硝基-2-(噻吩-3-基亚氨甲基)-苯酚(SB3) 的合成

  将1.2.2中的水杨醛换成4-硝基水杨醛，按相同的步骤进行反应及后处理，最终得到灰褐色粉末0.77g，产率78%。¹H NMR (300MHz，DMSO-d₆) δ：8.57 (s，1H)，8.53 (dd，J=4.5、1.6Hz，2H)，8.27 (dd，J=2.8、1.1Hz，1H)，7.69 (dd，J=5.0、2.9Hz，1H)，7.65 (m，1H)，7.14 (dd，J=4.5、1.6Hz，2H)；IR(KBr) ν/cm^-1：3200 (-OH), 1621 (C＝N)，1400(-Ar)，1338(-NO₂)。

  上述化合物合成的反应式见图式1。

  图式1  3-氨基噻吩和三种席夫碱的合成 图式1.  Synthesis of 3-aminothiophene and three Schiff bases

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  1.3   测试部分

  1.3.1   金属离子检测

  配置100μmol/L的不同金属离子溶液和50μmol/L席夫碱的DMSO溶液，各取2mL混合均匀(空白样为席夫碱溶液与蒸馏水混合)。分别对纯席夫碱溶液和混合溶液进行荧光测试。

  1.3.2   pH响应

  以DMSO/H₂O(体积比1:1) 为溶剂，配制50μmol/L的各席夫碱溶液，调溶液的pH至2~12(2.36、3.39、4.47、5.57、6.88、7.50、8.02、8.50、9.88、10.86和11.83)。测试不同pH样品溶液的荧光光谱。

  2   结果与讨论

  席夫碱可以作为良好的配体来鉴别金属离子和定量分析金属离子的含量^[13]。席夫碱分子中引入水杨醛结构后，在结构上具有形成分子内氢键的条件，使分子具有烯醇式与酮式结构的互变，具有ESIPT性质。向该结构的席夫碱加入金属阳离子后，金属离子首先与羟基质子发生置换，并与氧负离子及分子内的杂原子发生配位(图式2)。分子中质子的置换直接导致了ESIPT过程受到抑制，金属离子的配位同时抑制C＝N键异构化，从而改变了探针分子的光谱行为以实现检测。

  图式2  席夫碱互变异构及其与金属配位示意图 图式2.  Schematic diagram for the tautomerization and metal ions coordination of the Schiff bases

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  由三种席夫碱DMSO溶液的紫外-可见光谱(图 1)可见，SB1、SB2和SB3分别在349.5、373.5和419.5 nm处出现对应于酮式结构的吸收峰，以及280.5、321.5和324.5nm处对应于酚式结构的吸收峰。其中，甲基取代的席夫碱(SB2) 酚式结构的吸收显著大于酮式结构；硝基取代的席夫碱(SB3) 则酮式结构的吸收显著大于酚式结构；而水杨醛上无取代的席夫碱(SB1) 的酮式结构和酚式结构的紫外吸收相差不多。这是由于硝基具有强吸电子性，导致酚羟基酸性增强，使分子中酮式结构比例显著增大；而给电子性的甲基则使分子中酚式结构比例增大。

  图 1  席夫碱SB1、SB2和SB3在DMSO中的紫外-可见光谱 Figure 1.  UV-Vis spectra of Schiff bases SB1, SB2 and SB3 in DMSO

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  将三种席夫碱溶于DMSO后，加入等体积的不同金属离子的溶液，其荧光发射结果如图 2所示。由图 2(a)可见，在SB1溶液中加入Fe³⁺后，其在425nm处的酚式结构的荧光发射强度发生了极大的增强；而从图 2(c)中，我们可以观察到，在SB3溶液中加入Zn²⁺后，其在420nm处的酚式结构的荧光发射产生了很大的增强效应；而SB2对所检测离子均没有表现出特殊的选择性。上述荧光增强的原因是因为金属离子与席夫碱配位后，抑制了分子中C＝N键的异构化，增强了分子结构的共平面性和结构刚性^[14]；同时配位效应也抑制了分子内质子转移，酮式结构减少而醇式结构增加，由此使波长较短的荧光发射峰强度大大增强，而波长较长的荧光发射峰强度减弱或增强较少^[15]。三种席夫碱表现出对金属离子的不同的响应行为与水杨醛结构上的取代基性质有关，不同电负性的取代基影响了C＝N键的电子云密度以及C＝N和C—O键的键长，从而导致了席夫碱对不同金属离子的配位。调节向SB1和SB3中加入的响应离子的浓度，其荧光发射曲线和荧光发射峰强度对响应离子浓度的变化趋势如图 3所示。由图可见，当Fe³⁺的浓度从4.0×10^-6mol/L增加到3.6×10^-5mol/L时，Fe³⁺浓度与SB1荧光发射强度呈线性关系，校准曲线方程为I =24.4746+14.1144c，通过稳定性测试得到标准偏差为S_b=4.9017，计算此方法的检测限为3.65×10^-7mol/L。SB3溶液对Zn²⁺浓度的线性范围为4.0×10^-6~4.0×10^-5mol/L，校准曲线方程为I=21.2347+20.0075c，标准偏差为S_b=2.4413，得出此方法的检测限为2.56×10^-7mol/L，均与通常的席夫碱检测限相当，达到了微摩尔级。

  图 2  各席夫碱在加入不同金属离子后的荧光发射曲线(a~c)和相应柱状图(d~f) Figure 2.  Fluorescence emission curves of three Schiff bases after adding different metal ions and corresponding histograms

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  图 3  在不同响应离子浓度下席夫碱的荧光发射曲线及其线性关系 Figure 3.  Fluorescence emission curves of the Schiff bases with different concentrations of response ions and their linear relationship

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  图 4为三种席夫碱SB1、SB2和SB3的最大荧光发射强度-pH曲线。由图可见，随着pH的变化，席夫碱SB1、SB2和SB3表现出相似的荧光发射强度变化趋势，即在低pH时，荧光发射强度均很低，而在较高pH时，荧光发射强度均较高。不同的是，SB1在pH高于3.4时，荧光发射强度随pH增大而增强。相应地，席夫碱SB2和SB3的荧光发射强度随pH变化的节点分别为4.5和5.6。席夫碱SB1、SB2和SB3在低pH区间的荧光很弱是由于席夫碱在酸性条件下发生了水解^[16]。通常情况下，在酸性溶液中席夫碱的水解被认为是发生了亲电加成反应，与C＝N键的电子云密度相关。SB3中取代硝基具有高电负性，这降低了C＝N键的电子云密度，从而需要更高的氢离子浓度即更低的pH，才能够使C＝N键发生水解。SB2中甲基具有给电子性，这增大了C＝N键的电子云密度，氢离子浓度相对较低便会发生水解。上述结果表明，引入吸电子基能够拓展席夫碱对pH稳定的范围，降低席夫碱水解的pH，增强其耐酸性，从而能获得更广泛的应用。

  图 4  席夫碱SB1、SB2和SB3的最大荧光发射强度-pH归一化曲线 Figure 4.  Normalized curves of fluorescence emission peak intensities of Schiff base SB1, SB2 and SB3 as a function of pH value

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  3   结论

  本文以3-溴噻吩和三种水杨醛衍生物为原料，合成了三种水杨醛类席夫碱SB1、SB2和SB3。研究结果表明，通过改变席夫碱结构中水杨醛上醛基对位的取代基团的推、吸电子能力，可调节其互变结构的比例，从而调控其荧光行为。硝基取代的席夫碱和水杨醛上无取代的席夫碱分别对Zn²⁺和Fe³⁺具有强的荧光增强响应，而甲基取代的席夫碱则对所检测离子无特异性响应，这与取代基的电负性导致的C＝N键的电子云密度以及C＝N和C—O键的键长的不同有关。引入吸电子的硝基能降低席夫碱发生水解时的pH，从而增强了硝基取代席夫碱的耐酸性，这为进一步进行席夫碱型荧光探针的结构优化设计提供了参考经验。

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  图式1  3-氨基噻吩和三种席夫碱的合成

  Scheme 1  Synthesis of 3-aminothiophene and three Schiff bases

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  图式2  席夫碱互变异构及其与金属配位示意图

  Scheme 2  Schematic diagram for the tautomerization and metal ions coordination of the Schiff bases

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  图 1  席夫碱SB1、SB2和SB3在DMSO中的紫外-可见光谱

  Figure 1  UV-Vis spectra of Schiff bases SB1, SB2 and SB3 in DMSO

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  图 2  各席夫碱在加入不同金属离子后的荧光发射曲线(a~c)和相应柱状图(d~f)

  Figure 2  Fluorescence emission curves of three Schiff bases after adding different metal ions and corresponding histograms

  (a) SB1, (b)SB2, (c)SB3; (d)SB1, λ_em=425nm; (e)SB2, λ_em=480nm; (f)SB3, λ_em=420nm

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  图 3  在不同响应离子浓度下席夫碱的荧光发射曲线及其线性关系

  Figure 3  Fluorescence emission curves of the Schiff bases with different concentrations of response ions and their linear relationship

  (a、b):SB1;(c、d):SB3

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  图 4  席夫碱SB1、SB2和SB3的最大荧光发射强度-pH归一化曲线

  Figure 4  Normalized curves of fluorescence emission peak intensities of Schiff base SB1, SB2 and SB3 as a function of pH value

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