基于希夫堿型噻二唑的氟陰離子比色探針

聶 麗，張 漢，張 正，段永延，嚴(yán)正權(quán)

（皖西學(xué)院安徽省仿生傳感與檢測技術(shù)實驗室，安徽 六安237012）

陰離子在生命科學(xué)和化學(xué)過程中扮演著重要角色，在生物學(xué)、病理學(xué)和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域都起著重要作用［1］。其中氟是人體中必需的一種微量元素，它對于預(yù)防牙齒齲齒、老年化的骨質(zhì)疏松起到了重要的調(diào)節(jié)作用［2］。但同時氟又是一種累積性毒物，如攝入的氟過量，在人體內(nèi)進(jìn)行累積可引起氟中毒，從而引起疾?。?］。因此，防治和控制氟離子具有現(xiàn)實的重要意義。在對氟離子檢測中，測試的手段通常有電極法［4］離子色譜法［5］和極譜法［6］等，但這些方法需要儀器昂貴，操作時比較復(fù)雜。因此，設(shè)計合成選擇性好、靈敏度高氟離子識別受體備受研究者們的高度重視，尤其是簡單、快速通過顯色反應(yīng)即能達(dá)到檢測氟離子的方法更加受到了人們的青睞［7-9］。

噻二唑及其衍生物是一類極具應(yīng)用價值的雜環(huán)化合物，由于分子中存在—N—C—S—基團(tuán)，因而具有廣譜生物活性，常用于抑菌、抗病毒及藥物分子設(shè)計中［10-11］，同時因含有N、S等多種雜原子，所以也是一類重要的有機(jī)配體，能夠與金屬作用形成配合物，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測及材料工業(yè)等多個領(lǐng)域中［12-15］。近年來，有關(guān)希夫堿型噻二唑?qū)饘匐x比色檢測屢見不鮮，其作用機(jī)理是以噻二唑環(huán)作為金屬離子接受體，以取代苯基為信號報告基或發(fā)色團(tuán)，利用亞氨基作連接臂，通過紫外、比色等方法研究含噻二唑的希夫堿對金屬離子識別性能。如陶文波［14］等合成了希夫堿-1，3，4-噻二唑，用比色法實現(xiàn)了對Cu2＋靈敏的檢測。但希夫堿型噻二唑用于對陰離子識別報道相對較少，據(jù)此，本文在前期工作的基礎(chǔ)上，以對氨基苯甲酸、硫酸二甲酯、氨基硫脲、水楊醛等為原料，經(jīng)過取代、環(huán)化、縮合等反應(yīng)，合成得到希夫堿型噻二唑（A），并將A作為陰離子識別探針（圖1）。實驗表明，探針A對氟離子具有快速、靈敏、顯色的識別性能，是優(yōu)良的氟陰離子裸眼識別傳感器。

圖1 陰離子比色探針A的結(jié)構(gòu)式

1 實驗部分

1．1 儀器和試劑

TU1901紫外可見分光光度計（北京譜析）；Bruker AV400MHz核磁共振儀（DMSO-d6，TMS內(nèi)標(biāo)）；Bruker傅立葉變換紅外光譜儀（KBr壓片）；PE-2400CHE型元素分析儀；元素分析使用Flash EA 1112型元素分析儀測定。

對氨基苯甲酸、硫酸二甲酯、三氯氧磷和氨基硫脲為國藥集團(tuán)產(chǎn)品。乙腈使用前重蒸餾，并經(jīng)光譜檢驗無雜質(zhì)。氟化四丁基銨為Acros產(chǎn)品，其它陰離子四丁基銨鹽是由相應(yīng)的酸與四丁基氫氧化銨溶液反應(yīng)制得。光譜測繪中主體分子濃度恒定為1×10-5mol·L-1。

1．2 探針A的合成

1．2．1 對二甲氨基苯甲酸合成

將0．05mol對氨基苯甲酸溶于適量的飽和碳酸鈉溶液中，磁力攪拌下滴加0．10mol硫酸二甲酯（密度1．33g／mL）至白色沉淀析出完全，室溫繼續(xù)反應(yīng)2h后過濾得對二甲氨基苯甲酸粗品，用乙醇-水重結(jié)晶純化得白色針葉狀純品，待用。

1．2．2 2-氨基-5-（對二甲氨基）苯基-1，3，4-噻二唑合成

按文獻(xiàn)［13］合成2-氨基-5-（對二甲氨基）苯基-1，3，4-噻二唑。分別取0．02mol對二甲氨基苯甲酸與0．02mol氨基硫脲于100mL圓底燒瓶中，緩慢加入20mL三氯氧磷加以混合并置于75℃油浴中回流反應(yīng)1h。冷卻至室溫，磁力攪拌下于反應(yīng)液中加入40mL的水，再置于110℃油浴中回流4h。停止反應(yīng)后，冷卻至室溫，滴加50%KOH調(diào)節(jié)pH至8～10，抽濾、水洗，粗品用乙醇重結(jié)晶得純品，待用。

1．2．3 水楊醛縮氨基-5-（對二甲氨基）苯基-1，3，4-噻二唑（A）合成［14］

在50mL圓底燒瓶中，分別取0．01mol 2-氨基-5-（對二甲氨基）苯基-1，3，4-噻二唑、0．01mol水楊醛以及25ml無水乙醇，加以混合后于90℃油浴中回流反應(yīng)4h。停止反應(yīng)后蒸出過量的溶劑，有橙紅色固體析出，乙醇重結(jié)晶兩次得到橙色晶體，產(chǎn)率為78%。

圖2 乙腈中探針A（a）及其6倍量的F-存在（b）時吸收光譜變化軌跡

2 結(jié)果與討論

2．1 探針A的表征

分別用IR、1H NMR、13C NMR及元素分析表征其結(jié)構(gòu)。IR（KBr，cm-1）ν：3 286，3 113，2 913，1 606，1 525，1 421，1 367，1 191，943，815，750，607。1H-NMR（400MHz，DMSO-d6），δ （ppm）：11．45（s，1H），9．17（s，1H），7．89（d，J＝6．8Hz，1H），7．77（d，J＝8．9Hz，2H），7．52～7．46（m，1H），6．99（d，J＝8．1Hz，2H），6．81（d，J＝5．9 Hz，2H），3．01（s，6H）；13C-NMR（400MHz，DMso-d6），δ （ppm）：171．51，166．91，166．80，161．12，152．60，151．49，135．90，130．85，129．06，127．86，120．38，120．01，119．05，117．60，117．39，112．42，112．37，40．64，40．43，40．22，40．14，40．01， 39．80， 39．59， 39．38。 元 素 分 析 按C17H16N4OS：實驗值（計算值）／%：C，61．89（62．94）；H，4．82（4．97）；N，16．95（17．27）。

2．2 探針A對氟離子吸收光譜響應(yīng)

圖3 乙腈中20倍量陰離子存在時探針A的吸收光譜變化軌跡

圖4 50倍量陰離子存在時探針A的顏色變化

2．3 探針A對F-識別機(jī)理

2．3．1 A與F-作用本質(zhì)

F-存在時探針A溶液中顏色的變化、吸收光譜的紅移，表明探針分子與陰離子之間發(fā)生了反應(yīng)，生成了A-F-配合物；吸收光譜等吸收點(diǎn)出現(xiàn)，意味著探針A與F-之間有確定的定量作用關(guān)系。

為了考察受體分子與陰離子的作用本質(zhì)，在探針A與F-共存的乙腈溶液中引入質(zhì)子性溶劑甲醇，發(fā)現(xiàn)隨甲醇量的遞增（0～100μL），504nm處的吸收峰逐漸減弱，413nm處吸收峰逐漸增強(qiáng)，并逐漸恢復(fù)至未加氟離子時探針A的吸收光譜（圖5）。這是由于甲醇分子給質(zhì)子能力大于探針A，致使A-F-配合物發(fā)生離解，這種現(xiàn)象為探針A與陰離子間的氫鍵作用本質(zhì)提供了證據(jù)。

2．3．2 A-F結(jié)合比、穩(wěn)定常數(shù)及定量關(guān)系

采用摩爾比（Job-Plot）法［16］測定受體分子與陰離子結(jié)合比為1∶1，根據(jù)504nm處吸光度與氟離子濃度的變化曲線（圖6）進(jìn)行非線性擬合［17］，得到乙腈中 A-F-的結(jié)合常數(shù)為（5．57±1．38）×106mol-1·L，其它陰離子結(jié)合常數(shù)因太小不能擬合。

圖5 F-加入A乙腈溶液中吸收光譜（a）；CH3OH引入A-F-乙腈溶液中吸收光譜（b）

圖6內(nèi)插圖顯示：當(dāng)氟離子濃度在0～35μmol·L-1范圍內(nèi)，504處吸光度與氟離子濃度之間有極好的線性關(guān)系，回歸方程為Abs（504nm）＝4971C-4．743，相關(guān)系數(shù)為0．9993，F(xiàn)-最低檢出限為2．6×10-7mol·L-1（n＝20）。

圖6 504nm處A與氟離子濃度之間的擬合曲線

3 結(jié)論

用簡便的方法設(shè)計合成了結(jié)構(gòu)簡單的氟離子比色探針——水楊醛縮氨基-5-（對二甲氨基）苯基-1，3，4-噻二唑（A）。紫外光譜研究發(fā)現(xiàn)，探針A在F-引入時，吸收光譜發(fā)生明顯紅移，比色反應(yīng)顯示氟離子存在A溶液的顏色由黃色變?yōu)榧t色。Job-Plot法測出A與F-的結(jié)合比比為1∶1，非線性擬合得到A與F-結(jié)合常數(shù)大于106mol-1·L；當(dāng)氟離子濃度在0～35μmol·L-1區(qū)間內(nèi)，探針A與F-濃度之間呈極好的線性關(guān)系，最低檢出限為2．6×10-7mol·L-1（n＝20），可見，探針A是優(yōu)良的氟離子比色探針。本文工作對于設(shè)計和發(fā)展雜環(huán)型的靈敏度高、選擇性好的比色傳感陰離子探針分子模型提供一定的設(shè)計思路。

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