1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘的合成及其對硼酸的雙重光譜響應(yīng)＊

樊紅霞，蔣莉莉，王衛(wèi)平，吳小華

(浙江師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004)

硼酸通常作為化工原料用于玻璃、陶瓷、紡織、肥料等工業(yè)中，也可作為收斂劑、防腐劑、殺蟲劑、膨松劑等.早年人們曾將硼酸作為防腐劑、膨松劑加入到水產(chǎn)品、肉制品、豆制品、面制品等［1-3］食品中，但由于硼酸在體內(nèi)影響消化酶的作用，長期攝入可蓄積導(dǎo)致慢性中毒，現(xiàn)已被我國《食品安全法》和《食品添加劑衛(wèi)生管理辦法》明令禁止使用.但仍有不法者在偷偷使用.為了保證廣大消費(fèi)者的身心健康，研究食品中硼酸的測定方法具有重要意義.

目前，硼酸的測定方法主要有分光光度法［4-5］、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICPAES)［6］、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)［7］、原子吸收光譜法［8］、反相高效液相色譜法(RPHPLC)［9］、電位分析法［10］等，其中分光光度法具有靈敏度和準(zhǔn)確度較高、儀器簡單、操作簡便快速等特點(diǎn)，因此應(yīng)用于硼酸測定的報(bào)道較多.但利用熒光光譜法和紫外-可見吸收光譜法對硼酸進(jìn)行雙光譜響應(yīng)的報(bào)道較少.本文以含有大π 共軛平面結(jié)構(gòu)的芘環(huán)作為信號報(bào)告基團(tuán)，以鄰位酚羥基作為硼酸的結(jié)合位點(diǎn)，設(shè)計(jì)合成了新試劑1-(3，4-二羥基苯甲酰基)芘，并研究了其與硼酸間相互作用的光譜行為.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在pH 9.5 Na2HPO4-Na3PO4緩沖溶液中，硼酸使該試劑的吸收光譜發(fā)生明顯的藍(lán)移、熒光增強(qiáng)，硼酸濃度為6.4 ×10-4～6.2 × 10-3mol/L 和5.0 × 10-4～5.7 ×10-3mol/L 時(shí)分別與吸光度的減小程度和熒光的增強(qiáng)程度具有線性關(guān)系，據(jù)此建立了雙光譜法測定硼酸的新方法.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器

Lambda 紫外分光光度計(jì)(PerkinElmer 公司);LS45 熒光分光光度計(jì)(PerkinElmer 公司);Nexus-670-FTIR 紅外光譜儀(美國尼高力公司)，KBr 壓片;Bruker Avance-400MHz 核磁共振儀(美國Bruker 公司)，氘代二甲基亞砜(DMSO-d6)為溶劑，四甲基硅烷(TMS)為內(nèi)標(biāo);ZF-2 型三用紫外儀(上海市安亭電子儀器廠);PB-10 型酸度計(jì)(北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司);1 cm 石英比色皿.

1.2 主要試劑

1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘(實(shí)驗(yàn)室合成);0.10 mol/L 硼酸儲備液;1.0 ×10-3mol/L 十二烷基磺酸鈉溶液;pH 9.5 Na2HPO4-Na3PO4緩沖溶液:0.2 mol/L Na2HPO4溶液和0.2 mol/L Na3PO4溶液在酸度計(jì)上調(diào)至實(shí)驗(yàn)所需酸度.

芘;3，4-二甲氧基苯甲酰氯;無水氯化鋁;三氟乙酸;三乙基硅烷;二甲基硫醚;石油醚(沸點(diǎn)60～90 ℃);乙酸乙酯;氯仿;甲醇;200～300 目硅膠，均購自阿拉丁公司.二氯甲烷用前需重蒸餾除去水分.二甲基亞砜未經(jīng)處理直接使用.

實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純，水為二次蒸餾水.

1.3 1-(3，4-二羥基苯甲酰基)芘的合成和表征

1.3.1 中間體合成

根據(jù)文獻(xiàn)［11］合成中間體(結(jié)構(gòu)式見圖1)，步驟如下:在100 mL 圓底燒瓶中依次加入芘(1.01 g)、3，4-二甲氧基苯甲酰氯(1.30 g)和二氯甲烷(40 mL)，在冰鹽浴中攪拌至固體全溶，在30 min 內(nèi)分批加入AlCl3(1.00 g)，并保持反應(yīng)混合物的溫度不超過5 ℃，繼續(xù)攪拌1.5 h;停止冷卻后，使反應(yīng)混合物升溫至室溫，繼續(xù)攪拌反應(yīng)7 h;之后，向燒瓶中緩慢加入碎冰和濃鹽酸的混合物終止反應(yīng).然后，用二氯甲烷萃取3 次，合并有機(jī)相，依次用5%NaOH 溶液、蒸餾水和飽和氯化鈉溶液洗滌3～5 次，無水硫酸鈉干燥二氯甲烷相，減壓濃縮得黃色固體.將粗產(chǎn)品溶于二氯甲烷，用200～300 目硅膠柱進(jìn)行色譜分離，洗脫劑為體積比6 ∶1 的石油醚(沸點(diǎn)60～90 ℃)-乙酸乙酯，精制得黃色粉末(1.46 g)，產(chǎn)率為80%.

圖1 1-(3，4-二羥基苯甲酰基) 芘的合成

1.3.2 1-(3，4-二羥基苯甲?；? 芘合成

根據(jù)文獻(xiàn)［12］合成1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘(結(jié)構(gòu)式見圖1)，實(shí)驗(yàn)步驟為:在裝有溫度計(jì)、攪拌器、恒壓滴液漏斗的三口燒瓶中加入中間體(0.73 g)、二氯甲烷(13 mL)和無水氯化鋁(1.33 g);在攪拌溶解的同時(shí)將溶液冷卻至0 ℃，在0.5 h內(nèi)加入11 mL 二甲基硫醚;將反應(yīng)混合物的溫度保持在8～11 ℃，攪拌1.5 h;停止冷卻，并使反應(yīng)混合物的溫度緩慢升至室溫，繼續(xù)攪拌反應(yīng)10 h;之后，將懸浮液倒入蒸餾水中，加稀鹽酸調(diào)溶液pH 至4～5，反應(yīng)混合液用二氯甲烷萃取3 次，合并有機(jī)相，水洗、無水硫酸鈉干燥、減壓濃縮得黃色固體.將粗產(chǎn)品溶于二氯甲烷，用200～300 目硅膠柱進(jìn)行色譜分離，洗脫劑為氯仿-甲醇(體積比20 ∶1)，精制得黃色粉末狀產(chǎn)物(0.41 g)，產(chǎn)率為60%.

1.3.3 表征

1)中間體1H NMR(400 MHz，DMSO-d6)δ:8.42～8.09(m，9H，H(pyrene))，7.59(d，J=1.9 Hz，1H，ArH)，7.15～7.17(dd，J=8.4 Hz，J=1.9 Hz，1H，ArH)，7.01(d，J=8.5 Hz，1H，ArH)，3.83(d，J=2.4 Hz，6H，CH3).13C NMR(151 MHz，DMSO-d6)δ:196.55，154.13，149.39，134.15，132.53，131.22，131.07，130.60，129.26，129.09，128.89，127.77，127.27，126.75，126.67，126.55，126.38，124.68，124.68，124.29，124.10，111.69，111.37，56.34，56.05.FT-IR (KBr)σ/cm-1:3 265.42，3 046.08，2 921.66，2 847，1 640.69，1 583.25，1 513.32，1 462.62，1 349.80，1 274.44，857，758.13.

2)1-(3，4-二羥基苯甲酰基)芘1H NMR(400 MHz，DMSO-d6)δ:9.64(s，2H，OH)，8.38～8.03(m，9H，H(pyrene))，7.28(s，1H，ArH)，7.09(d，J=8.0 Hz，1H，ArH)，6.81(d，J=8.5 Hz，1H，ArH).13C NMR(151 MHz，DMSO-d6)δ:196.58，152.21，146.06，135.60，135.53，132.13，131.24，130.65，128.95，128.85，128.56，127.77，127.18，126.50，126.23，126.13，124.85，124.68，124.21，124.16，120.97，115.84，115.82.FT-IR(KBr)σ/cm-1:3 448.02，3 245.89，3 043.63，1 624.61，1 573.07，1 505.88，1 437.53，1 284.38，1 186.12，855.29，759.47.

1.4 硼酸的雙重光譜分析

在10 mL 比色管中，依次加入一定量的1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘溶液，pH 9.5 Na2HPO4-Na3PO4緩沖溶液1 mL，十二烷基磺酸鈉溶液1.2 mL，不同量的硼酸，用水稀釋至刻度，搖勻.在室溫條件下，用1 cm 石英比色皿，掃描吸收光譜或熒光光譜.

2 結(jié)果與討論

2.1 硼酸對1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘吸收光譜的影響

圖2 為不同濃度硼酸存在下1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘吸收光譜的變化軌跡(在pH 9.5 Na2HPO4-Na3PO4緩沖溶液中).由圖2 可見，1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘在波長266，275 和366 nm 處各有一個(gè)吸收峰，296 nm 處有一峰谷，溶液顯黃色.隨著硼酸濃度的增大，266，275 和366 nm 處吸收峰的吸光度均逐漸減小，其中266和275 nm 處的吸收峰位置不變，366 nm 處的吸收峰位置逐漸藍(lán)移至344 nm，并在330 nm 處出現(xiàn)一個(gè)小的肩峰;而峰谷296 nm 處的吸光度逐漸增大、位置紅移，溶液顏色由黃色基本褪成無色;同時(shí)在280，331，340 和347 nm 處形成了4 個(gè)清晰的等吸收點(diǎn).說明硼酸與1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成了具有確定計(jì)量比的絡(luò)合物.將366 nm 處的吸光度變化對硼酸濃度作線性擬合曲線(見圖2 內(nèi)插圖)，表明吸光度減小程度與硼酸濃度呈良好的線性關(guān)系，其線性范圍為6.4 ×10-4～6.2 ×10-3mol/L，回歸方程和相關(guān)系數(shù)為:ΔA=0.004 7 +14.157c，R2=0.997 9.

圖2 硼酸對1-(3，4-二羥基苯甲酰基) 芘吸收光譜的影響

2.2 硼酸對1-(3，4-二羥基苯甲酰基)芘熒光光譜的影響

本實(shí)驗(yàn)考察了硼酸濃度變化對1-(3，4-二羥基苯甲酰基)芘熒光光譜的影響(在pH 9.5 Na2HPO4-Na3PO4緩沖溶液中).由圖3 可見，1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘的熒光發(fā)射峰分別位于379 和399 nm 處.隨著硼酸濃度的增大，379和399 nm 處的熒光強(qiáng)度均逐漸增強(qiáng)，但兩峰的位置基本不變.同時(shí)，發(fā)現(xiàn)在一定濃度范圍內(nèi)熒光增強(qiáng)的程度與硼酸濃度間具有良好的線性關(guān)系.根據(jù)379 nm 處熒光強(qiáng)度隨硼酸濃度變化的線性擬合曲線(見圖3 內(nèi)插圖)，得到線性范圍為5.0 ×10-4～5.7 ×10-3mol/L，回歸方程和相關(guān)系數(shù)為:ΔF=9.916 +12.934 ×103c，R2=0.998 1.

圖3 硼酸對1-(3，4-二羥基苯甲?；? 芘熒光光譜的影響

2.3 反應(yīng)機(jī)理探討

硼原子能通過sp2雜化軌道與氧原子形成共面的3 個(gè)鍵或者通過sp3雜化軌道與氧原子形成四面體構(gòu)型的4 個(gè)價(jià)鍵［13］.由于硼的缺電子性，硼酸能加合水分子的氫氧根離子釋放出質(zhì)子，因此，硼酸在水溶液中存在H3BO3和B(OH)-4兩種形式，其在水溶液中的離解平衡方程式為［13］

當(dāng)溶液酸度較低時(shí)，B(OH)-4 為主要存在形式.文獻(xiàn)［14］認(rèn)為B(OH)-4比H3BO3具有更強(qiáng)的絡(luò)合能力，溶液中硼酸以B(OH)-4 的形式與多羥基化合物反應(yīng)，這是因?yàn)榕鹚釣槠矫嫒切螛?gòu)型，sp2雜化.但硼酸與多羥基化合物反應(yīng)形成的絡(luò)合物為四面體構(gòu)型［15］，sp3雜化，反應(yīng)過程中鍵長、鍵角有大的改變;而B(OH)-4 為四面體構(gòu)型，形成絡(luò)合物時(shí)基本上無鍵角改變.在pH 9.5 的Na2HPO4-Na3PO4緩沖溶液中，硼酸主要以B(OH)-4形式存在，因此可與1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘分子結(jié)構(gòu)中的鄰位酚羥基結(jié)合.采用等摩爾連續(xù)變化法測定了硼酸與1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘形成絡(luò)合物的組成，結(jié)果見圖4，表明兩者形成了1 ∶2 絡(luò)合物.結(jié)合文獻(xiàn)［16］，可推斷反應(yīng)式如圖5 所示.

圖4 1-(3，4-二羥基苯甲酰基) 芘與硼酸的Job 曲線

圖5 硼酸與1-(3，4-二羥基苯甲?；? 芘的反應(yīng)

圖6 硼酸對1-(3，4-二羥基苯甲?；? 芘激發(fā)光譜和發(fā)射光譜的影響

為了進(jìn)一步闡述硼酸與1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘之間的結(jié)合模式，在1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘溶液中連續(xù)加入硼酸，掃描激發(fā)光譜和發(fā)射光譜的變化軌跡，得圖6.由圖6 可見，激發(fā)光譜和發(fā)射光譜的強(qiáng)度均呈規(guī)律性增強(qiáng).因1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘分子結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)熒光體芘連接了吸電子基團(tuán)(羰基氧C=O)，且羰基氧、酚氧離子的n 電子均與芘環(huán)的π 電子云不共平面，使得n-π*躍遷屬于禁戒躍遷［17-18］，造成1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘為弱熒光體;當(dāng)缺電子的硼酸與1-(3，4-二羥基苯甲酰基)芘分子結(jié)構(gòu)中的酚羥基氧結(jié)合形成四面體構(gòu)型的絡(luò)合物后，使得1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘的激發(fā)態(tài)發(fā)生了規(guī)律性的變化，造成1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘的熒光增強(qiáng).

3 結(jié)論

以芘和3，4-二甲氧基苯甲酰氯為原料，經(jīng)?；?、脫甲基等步驟合成了1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘，在pH 9.5 Na2HPO4-Na3PO4緩沖溶液介質(zhì)中，利用雙重光譜法研究了硼酸與1-(3，4-二羥基苯甲酰基)芘之間的作用模式.結(jié)果表明，硼酸與1-(3，4-二羥基苯甲?；?芘結(jié)合形成1 ∶2 絡(luò)合物，吸收光譜藍(lán)移和熒光增強(qiáng)，根據(jù)吸光度減小程度和熒光增強(qiáng)程度分別與硼酸濃度的相關(guān)性建立了熒光分析法和分光光度法測定硼酸的新方法.

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