基于化學傳感體系的丙二酸陰離子比色識別研究*

湯立軍，趙 佳，唐炳濤

（1.渤海大學 化學系 遼寧省功能化合物的合成與應用重點實驗室,遼寧 錦州 121013;2.大連理工大學 精細化工國家重點實驗室，遼寧 大連 116024）

前 言

陰離子廣泛存在于生物體系中，研究與開發(fā)能選擇性識別特定陰離子的化學傳感器受到了越來越多的關(guān)注[1～6]。在具有重要生物學意義的有機陰離子中，二元羧酸陰離子尤為引人注目，它們參與生物體內(nèi)的代謝過程和能量儲存，在各種生命過程中具有重要的作用[7～9]，如丁二酸陰離子參與三羧酸循環(huán)[10]，丙二酸和草酸陰離子能抑制琥珀酸脫氫酶的作用[11]。

純水介質(zhì)中陰離子的高選擇性識別具有高度挑戰(zhàn)性[12]。這是由于陰離子在水溶液中極易被溶劑化，水合能大，通常自身體積大、幾何構(gòu)型多樣而且電荷密度低。近年來報道較多的光化學傳感器大多利用胍基[13]、質(zhì)子化氮雜冠醚[14]、咪唑[15]、脲[16]、吡啶陽離子[17]等作為陰離子鍵合基團設(shè)計合成，但通常由于受體水溶性差，與陰離子結(jié)合強度低等原因，絕大多數(shù)已報道的用于識別二元羧酸陰離子的光化學傳感器都是在純有機溶劑或者有機/水混合溶劑中應用的，這就降低了其實用價值。目前，在純水介質(zhì)中開展的二元羧酸陰離子的光化學傳感識別研究尚不多見，僅有少數(shù)采用配位未飽和的過渡金屬配合物型受體，基于指示劑置換法[18,19]而設(shè)計的光化學傳感體系被報道[20～23]。

有關(guān)丙二酸陰離子光化學識別的研究尚不多見[24～27]，且僅有的幾例基本上都是在純有機溶劑或有機/水混合體系中進行的，而在純水介質(zhì)中開展的識別研究工作尚未見報道。本文利用聯(lián)二萘酚的分子骨架，設(shè)計合成了一種結(jié)構(gòu)新穎的雙核銅配合物（圖式1）作為受體，并用該受體在純水介質(zhì)中開展了丙二酸陰離子的比色識別研究。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

（S）-2,2′-（1,1′-聯(lián)萘-2,2′-二氧）-二乙酰氯（2）[28]和 2-（2′-（2-吡啶基）-乙基）氨基乙醇（3）[29]分別按文獻方法合成，其它試劑和溶劑均為市售分析純.

1.2 主要儀器

紫外可見分光光度計（SP-1900，上海光譜），核磁共振儀（400MHz，美國 Varian INOVA公司），液相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用分析儀（Agilent1100，美國），顯微熔點測定儀（北京泰克儀器有限公司）。

1.3 合成實驗

配體 1 的合成：將 2（0.307g，0.7mmol）和三乙胺（0.2mL，1mmol）溶于 30mL干燥的 THF 中，攪拌下加入 3（0.152g，1mol），N2保護，室溫攪拌 18h。旋干，用飽和的NaHCO3溶液沖洗固體，二氯甲烷萃取，柱層析分離后得產(chǎn)品0.145g，收率31%。熔點：152～154℃。1H NMR（400 MHz,CDCl3）δ 8.39（d,J=4.8 Hz,2H）,7.93（dd,J=13.5,8.6 Hz,2H）,7.85（d,J=7.7 Hz,2H）,7.61（d,J=7.2 Hz,2H）,7.43（dd,J=9.0,4.4Hz,2H）,7.34 （d,J=7.2Hz,2H）,7.22（d,J=7.3 Hz,3H）,7.18-7.10（m,5H）,4.72（t,J=10.7 Hz,2H）,4.65 （d,J=13.2 Hz,2H）,4.31 （dd,J=30.8,14.9Hz,4H）,3.33 （dd,J=15.7,11.1Hz,4H）,3.04（d,J=15.1 Hz,2H）,2.92（dd,J=22.0,6.8 Hz,2H）,1.26（s,2H）。ESI-MS（-）∶m/z669.0.

受體[Cu2（1）]4+的合成：將1（290mg，0.43mmol）和 CuCl2·2H2O（221.4mg，1.3mmol）溶于 30mL 無水乙醇中，攪拌，加熱回流3h；冷卻，過濾，用乙醇沖洗固體，晾干得固體 0.118g，收率 30%。ESI-MS（-）∶m/z939.0.

配體1及受體[Cu2（1）]4+的合成

1.4 光譜測試實驗

1.4.1 受體對指示劑鉻天青S（4）滴定

在鉻天青S（4）的緩沖溶液（2.0×10-5M，HEPES 10mM,pH=7.0）中，分別加入不同體積的受體[Cu2（1）]4+的標準液（5.0×10-4M，HEPES 10mM,pH=7.0），控制加入的溶液體積不超過原受體溶液體積的3%。分別測試各試樣的紫外光譜。

1.4.2 二元羧酸陰離子的識別

將各種二元羧酸陰離子的標準液（5.0×10-2M，HEPES 10mM,pH=7.0）分別加入到所確定的化學傳感體系溶液中，測試各試樣的紫外光譜。

1.4.3 丙二酸根對傳感體系的滴定實驗

向化學傳感體系溶液中分別加入不同濃度的丙二酸陰離子，測試其紫外光譜。

1.4.4 其它二元羧酸陰離子對丙二酸根識別的干擾試驗

向化學傳感體系溶液中分別加入各種陰離子，然后再分別加入丙二酸根，測試每個試樣的紫外光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學傳感體系的確定

在初步篩選實驗的基礎(chǔ)上，本文選擇了鉻天青S（4）作為構(gòu)筑化學傳感體系的指示劑。4的溶液為淡黃色，其最大吸收波長為424nm。隨著向4（20μM）的溶液中逐漸增加受體[Cu2（1）]4+的濃度，在424nm處的吸光度逐漸降低，同時在592 nm處出現(xiàn)新的吸收峰并且吸光強度逐漸增大，溶液由黃色變?yōu)樗{色。當加入受體[Cu2（1）]4+為4的1倍時，溶液的紫外可見光譜不再發(fā)生明顯變化，證明此時受體對指示劑的滴定已經(jīng)達到飽和狀態(tài)（圖1）。由此確定使用1∶1物質(zhì)的量比的受體-指示劑溶液作為化學傳感體系。采用1∶1的結(jié)合模式的Benesi-Hildebrand方程[30]對滴定數(shù)據(jù)進行擬合，所得直線的線性相關(guān)系數(shù)為0.99，說明受體與指示劑以1∶1結(jié)合，表觀結(jié)合常數(shù)為6.3×103M-1（圖1內(nèi)插圖）。

圖1受體[Cu2（1]4+對指示劑鉻天青S滴定的紫外-可見光譜變化Fig.1 Changes of Uv-vis absorption spectrum of indicator chromeazurol Supon titration by receptor[Cu2（1）]4+

2.2 化學傳感體系對二元羧酸陰離子的選擇性

化學傳感體系（2.0×10-5M，HEPES 10mM,pH=7.0）對各種二元羧酸陰離子的選擇性實驗結(jié)果如圖2所示。在相同的條件下，分別向化學傳感體系溶液中加入10摩爾倍量（相對于化學傳感體系）的各種二元羧酸陰離子（包括鄰苯二甲酸，間苯二甲酸，對苯二甲酸，草酸，丙二酸，丁二酸，戊二酸，己二酸的相應陰離子），發(fā)現(xiàn)丙二酸陰離子能引起化學傳感體系溶液的紫外可見光譜發(fā)生顯著變化，592nm處的吸光度顯著降低，而在424nm處的吸光度明顯增強，溶液由藍色變?yōu)辄S綠色。其他二元羧酸陰離子對溶液的紫外可見光譜幾乎沒有顯著影響。這表明只有丙二酸陰離子才能將指示劑從化學傳感體系（[Cu2（1）]4++鉻天青S）中置換出來，也說明該化學傳感體系對丙二酸陰離子具有很好的選擇性。

圖2 各種二元羧酸陰離子對化學傳感體系的紫外-可見光譜的影響Fig.2 Effects of various dicarboxylate on the Uv-vis spectrum of chemosensing ensemble

2.3 丙二酸陰離子對化學傳感體系的滴定

為考察化學傳感體系對丙二酸陰離子的傳感性質(zhì)，進行了丙二酸陰離子對化學傳感體系的滴定實驗（圖3）。如圖所示，當逐漸增加丙二酸陰離子的濃度后，化學傳感體系溶液在592 nm處的吸光度逐漸降低，與此同時，在424 nm處的吸光度逐漸增強，當加入的丙二酸陰離子濃度為200μM時，滴定達到飽和。滴定實驗結(jié)果表明所構(gòu)筑的化學傳感體系對丙二酸陰離子具有較好的傳感性質(zhì)。根據(jù)競爭鍵和平衡模型公式[31]對滴定數(shù)據(jù)進行擬合，得到一條直線，說明丙二酸陰離子與受體按照1∶1相結(jié)合，計算得出二者的表觀結(jié)合常數(shù)為6.4×103M-1（圖3內(nèi)插圖）。

圖3 丙二酸陰離子對化學傳感體系溶液（20μM）滴定的紫外-可見光譜變化Fig.3 Changes of Uv-vis absorption spectrum of the chemosensing ensemble（20μM）upon titration bymalonate

2.4 其他陰離子對丙二酸根識別的影響

為考察其他二元羧酸陰離子對丙二酸陰離子識別的干擾情況，本文進行了競爭實驗。在相同的條件下，在化學傳感體系溶液中分別加入200μM的各種二元羧酸陰離子，如前所述，化學傳感體系溶液的紫外-可見吸收光譜的均無顯著變化。在此基礎(chǔ)上，分別向各個試樣溶液中繼續(xù)加入200μM的丙二酸陰離子，所得溶液在592nm處的吸光度均顯著降低，與單獨加入丙二酸陰離子引起變化相似。這表明化學傳感器對丙二酸陰離子的選擇性識別基本不受其他共存的二元羧酸陰離子的干擾。

圖4 其他二元羧酸陰離子對丙二酸根識別的影響Fig.4 Influences of other dicarboxylates on the recognition of malonate

3 結(jié) 論

設(shè)計合成了一種雙核銅配合物[Cu2（1）]4+作為二元羧酸陰離子的受體，通過受體[Cu2（1）]4+對指示劑鉻天青S的紫外-可見吸收光譜滴定實驗確立了光化學傳感體系（體系中鉻天青S和1均為20 μM）。該化學傳感體系在水溶液（HEPES 10mM,pH=7.0）中對丙二酸陰離子具有良好的選擇性識別作用，此識別過程幾乎不受其它二元羧酸陰離子的干擾。

［1］GALE P A.Structural and Molecular Recognition Studies with Acyclic Anion Receptors［J］.Accounts of Chemical Research,2006,39（7）:465～475.

［2］DAVIS A P.Anion binding and transport by steroid-based receptors［J］.Coordination Chemistry Reviews,2006,250（23～24）:2939～2951.

［3］SCHMIDTCHEN F P.Reflections on the construction of anion receptors:Is there a sign to resign from design［J］.Coordination Chemistry Reviews,2006,250（23～24）:2918～2928.

［4］KATAYEV E A,USTYNYUK Y ASESSLER J L.Receptors for tetrahedral oxyanions［J］.Coordination Chemistry Reviews,2006,250（23～24）:3004～3037.

［5］YOON J,KIM SK,SINGH N J,et al.Imidazolium receptors for the recognition of anions［J］.Chemical Society Reviews,2006,35（4）:355～360.

［6］MARTíNEZ-Má?EZ R,SANCENóN F.Fluorogenic and Chromogenic Chemosensors and Reagents for Anions［J］.Chemical Reviews,2003,103（11）:4419～4476.

［7］CARVALHO S,DELGADO R,FONSECA N,et al.Recognition of dicarboxylate anions by a ditopic hexaazamacrocycle containing bis-p-xylyl spacers［J］.New Journal of Chemistry,2006,30（2）:247.

［8］LIU S-Y,HE Y-B,WU J-L,et al.Calix［4］arenes containing thiourea and amide moieties:neutral receptors towards α,ω-dicarboxylate anions［J］.Organic&Biomolecular Chemistry,2004,2（11）:1582～1586.

［9］SINGH N,LEE GWJANG D O,p-tert-Butylcalix［4］arenebased fluororeceptor for the recognition of dicarboxylates［J］.Tetrahedron,2008,64（7）:1482～1486.

［10］MATEUS P,DELGADO R,BRAND O P,et al.Dicarboxylate Recognition by Two Macrobicyclic Receptors:Selectivity for Fumarate over Maleate［J］.The Journal of Organic Chemistry,2012,77（10）:4611～4621.

［11］GOUGOUX A,LEMIEUX GLAVOIE N.Maleate-induced bicarbonaturia in the dog:a carbonic anhydrase-independene effect［J］.American Journal of Physiology-Legacy Content,1976,231（4）:1010～1017.

［12］BEER P D,GALE P A.Anion Recognition and Sensing:The State of the Art and Future Perspectives［J］.Angewandte Chemie International Edition,2001,40（3）:486～516.

［13］RAKER J,GLASS T E.Selectivity via Cooperative Interactions:?Detection of Dicarboxylates in Water by a Pinwheel Chemosensor［J］.The Journal of Organic Chemistry,2002,67（17）:6113～6116.

［14］SANCEN N F,MART NEZ-M EZ R,MIRANDA M A,et al.Towards the Development of Colorimetric Probes to Discriminate between Isomeric Dicarboxylates［J］.Angewandte Chemie,2003,115（6）:671～674.

［15］KIM S K,KANG B-G,KOH H S,et al.A New Imidazolium Cavitand for the Recognition of Dicarboxylates［J］.Organic Letters,2004,6（25）:4655～4658.

［16］GUNNLAUGSSON T,LEONARD J PMURRAY N S.Highly Selective Colorimetric Naked-Eye Cu （II）Detection Using an Azobenzene Chemosensor［J］.Organic Letters,2004,6（10）:1557～1560.

［17］GHOSH K,SARKAR A R.Anthracene-based macrocyclic fluorescent chemosensor for selective sensing of dicarboxylate［J］.Tetrahedron Letters,2009,50（1）:85～88.

［18］WISKUR S L,AIT-HADDOU H,LAVIGNE JJ,et al.Teaching Old Indicators New Tricks［J］.Accounts of Chemical Research,2001,34（12）:963～972.

［19］湯立軍，李葉，李明輝，等.指示劑置換法識別陰離子的研究進展［J］.化學通報,2010,73（7）:600～607.

［20］BOIOCCHI M,BONIZZONI M,FABBRIZZI L,et al.A Dimetallic Cage with a Long Ellipsoidal Cavity for the Fluorescent Detection of Dicarboxylate Anions in Water［J］.Angewandte Chemie International Edition,2004,43（29）:3847～3852.

［21］BOIOCCHI M,BONIZZONI M,MOLETTI A,et al.Linear recognition of dicarboxylates by ditopic macrocyclic complexes［J］.New Journal of Chemistry,2007,31（3）:352～356.

［22］TANG L J,PARK J,KIM H-J,et al.Tight Binding and Fluorescent Sensing of Oxalate in Water［J］.Journal of the American Chemical Society,2008,130（38）:12606～12607.

［23］TANG L J,LIU M H.A New Chemosensing Ensemble for Colorimetric Detection of Oxalate in Water［J］.Bull.Korean Chem.Soc,2010,31（11）:3159.

［24］YEN Y-P,HO K-W.Synthesis of colorimetric receptors for dicarboxylate anions:a unique color change formalonate［J］.Tetrahedron Letters,2006,47（7）:1193～1196.

［25］LIU Y,LIANG Z,LIX,et al.Enhanced Sensitivity and Selectivity of Chemosensor for Malonate by Anchoring on Gold Nanoparticles［J］.Chinese Journal of Chemistry,2011,29（3）:531～538.

［26］COSTERO A M,COLOMER JV,GIL S,et al.Fluorescent Cyclohexyl-Based Chemosensors for Selective Sensing of TMA Malonate in DMSO/Water ［J］.European Journal of Organic Chemistry,2009,2009（22）:3673～3677.

［27］COSTERO A M,COLERA M,GAVINA P,et al.Fluorescent chemosensors based on cyclohexane:selective sensing of succinate and malonate versus their longer or shorter homologues［J］.Tetrahedron,2008,64（30）:7252～7257.

［28］GHOSH K,SEN T,PATRA A,et al.（rac）-1,1'-Binaphthyl-Based Simple Receptors Designed for Fluorometric Discrimination of Maleic and Fumaric Acids［J］.The Journal of Physical Chemistry B,2011,115（26）:8597～8608.

［29］LIG,QIAN X,YAN S,et al.Synthesis,Herbicidal Activity,and Structure-Bioactivity Relationship of Pyridyl-Containing 2-Phenyliminothiazolidines［J］.Monatshefte für Chemie/Chemical Monthly,2008,139（2）:169～178.

［30］BENESIH A,HILDEBRAND JH.A Spectrophotometric Investigation of the Interaction of Iodine with Aromatic Hydrocarbons［J］.Journal of the American Chemical Society,1949,71（8):2703～2707.

［31］CONNORSK A,Binding constants:themeasurement ofmolecular complex stability［M］.New York:Wiley,1987.