香豆素修飾的均三嗪環(huán)熒光探針的合成及其光學(xué)性能*

劉一龍，蔣祺驊，張 震，孫小強(qiáng)，席海濤

(常州大學(xué)石油化工學(xué)院，江蘇常州 213164)

香豆素類化合物具有優(yōu)良的生理活性、光穩(wěn)定性好、熒光量子產(chǎn)率高、Stocks位移大等特性，是很好的熒光增白劑、熒光探針和藥物等精細(xì)化工產(chǎn)品的原料和中間體，近年來在熒光探針方面的研究備受關(guān)注［1－4］。

Scheme 1

均三嗪衍生物分子結(jié)構(gòu)中含有均三嗪環(huán)，具有較為穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)［5］、良好的光學(xué)性質(zhì)以及抗菌、抗癌性，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、熒光增白劑、抗氧劑、潤滑劑、紙張?zhí)幚韯?、橡膠、紡織助劑等多個(gè)領(lǐng)域［6］。均三嗪環(huán)可以通過氫鍵作用、與金屬離子的配合作用以及p－p作用進(jìn)行分子識別，可以將其應(yīng)用到超分子領(lǐng)域。三聚氯氰是含氮的六元雜環(huán)，其雜環(huán)上的氮原子與金屬離子的配位能力較好［7－9］;且環(huán)上的碳原子可以作為反應(yīng)中心，與胺基和羥基等基團(tuán)之間發(fā)生親核取代反應(yīng)，而且三嗪環(huán)上的三個(gè)氯原子的反應(yīng)活性有著特異性，可以通過控制反應(yīng)條件進(jìn)行分級取代，從而實(shí)現(xiàn)在三聚氯氰上選擇性地引入一個(gè)或多個(gè)取代基［10－11］。

本文以間苯二酚與乙酰乙酸乙酯經(jīng)親核取代反應(yīng)制得7-羥基-4-甲基香豆素(1);1與3-溴-1-丙醇經(jīng)取代反應(yīng)制得 3-(4，6-二氯-1，3，5-三嗪-2-氧基)-1-丙醇(4);1和4分別與三聚氯氰(2)經(jīng)取代反應(yīng)合成了兩種新型的單側(cè)臂探針化合物——7-(4，6-二氯-1，3，5-三嗪-2-氧基)-4-甲基香豆素(3)和 7-［3-(4，6-二氯-1，3，5-三嗪-2-氧基)丙氧基］-4-甲基香豆素(5)(Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和LC-MS表征。并利用UV-Vis和FL研究了其對金屬離子(Mn+)的識別性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

WRS-2型微機(jī)熔點(diǎn)儀(溫度未校正);Bruker VANCE 300MHz型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo));LCMS-2010EV型質(zhì)譜儀。

1按文獻(xiàn)［12］方法合成;柱層析用硅膠 H，青島海洋化工有限公司;其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1)3的合成

在反應(yīng)瓶中依次加入2 4.00 g(20 mmol)和乙腈40 mL，攪拌使其溶解;加入碳酸鉀0.86 g(6 mmol)和1 1.08 g(6 mmol)，于0 ℃反應(yīng)8 h。抽濾，濾液蒸干得淡黃色固體，經(jīng)硅膠柱層析［洗脫劑:A=V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)=1∶2］純化得淡黃色固體3，收率51.5%;1H NMR(CDCl3)δ:7.71(d，J=8.7 Hz，1H，ArH)，7.23(d，J=2.3 Hz，1H，ArH)，7.16(m，1H，CH)，2.48(s，3H，CH3);13C NMR δ:18.8，110.9，112.4，113.5，114.9，118.7，127.1，150.3，153.1，153.4，160.2，160.2，161.8;LC-MS m/z:324.95{［M+H］+}。

(2)4的合成

在反應(yīng)瓶中加入1 2.02 g(11.4 mol)和丙酮30 mL，攪拌使其溶解;加入 3-溴-1-丙醇 2.36 g(17 mmol)和碳酸鉀 8.61 g(62 mmol)，于 60 ℃反應(yīng)8 h。抽濾，濾液蒸干后經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑:A=1∶2)純化得白色固體4，收率80.5%;1H NMR δ:7.48(d，J=8.7 Hz，1H，ArH)，6.85(m，2H，ArH)，6.12(d，J=1.2 Hz，1H，ArH)，4.18(t，J=6.1 Hz，2H，CH2OH)，3.87(t，J=6.0 Hz，2H，OCH2)，2.39(d，J=1.2 Hz，3H，CH3)，2.08(m，2H，CH2)，1.6(s，1H，OH);13C NMR δ:163.71，159.3，154.15，154.64，128.53，115.61，110.56，111.02，100.43，68.86，60.73，31.81，20.52;HR-ESI-MS m/z:Calcd for C13H14O4{［M+H］+}235.096 5，found 235.096 2。

(3)5的合成

于0℃，反應(yīng)瓶中依次加入2 0.26 g(10 mmol)和乙腈30 mL，攪拌使其溶解;加入4 0.51 g(15 mmol)和碳酸鉀 0.26 g(15 mol)，加畢，于85℃反應(yīng)8 h。冷卻，抽濾，濾液經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑:A=1∶1)純化得淡黃色固體5，收率67.5%;1H NMR δ:7.68(d，J=8.5 Hz，1H)，6.98 ～6.95(m，2H，ArH)，6.21(s，1H，CH)，4.46(t，J=6.2 Hz，2H，CH2)，4.19(t，J=6.2 Hz，2H，CH2)，2.39(s，3H，CH3)，2.17(t，J=6.2 Hz，2H，CH2);13C NMR δ:162.83，160.35，155.25，155.25，153.90，126.35，113.81，112.79，112.79，111.71，101.82，65.49，42.27，31.90，18.81;HR-ESI-MS m/z:Calcd for C16H13N3O4Cl2{［M+H］+}382.035 6，found 382.035 2。

2 結(jié)果與討論

2.1 光學(xué)性能

(1)UV-Vis

圖1為1，3～5的 UV-Vis譜圖(甲醇為溶劑，c=1.0 ×10－4mol·L－1)。由圖 1 可見，4 的紫外吸收峰位于近紫外區(qū)，最大吸收波長為320.80 nm。這是由于4中存在C=O鍵，O原子的躍遷是因?yàn)槠渥钔鈱与娮邮艿郊ぐl(fā)而產(chǎn)生的，故其紫外吸收發(fā)生紅移。

圖1 1，3～5的UV-Vis譜圖*Figure 1 UV-Vis spectra of 1，3～5

(2)FL

圖2為1，3～5的FL譜圖(甲醇為溶劑，c=1.0 ×10－4mol·L－1)。由圖 2 可見，4 在甲醇溶液中的激發(fā)波長為 324.29 nm，發(fā)射波長為371.80 nm。3在甲醇溶液中的激發(fā)波長為320.80 nm，發(fā)射波長為412.75 nm。探針分子中引入了三嗪基團(tuán)，由于PET作用導(dǎo)致呈現(xiàn)探針分子3和5的熒光強(qiáng)度減弱。

以5 為例(甲醇為溶劑，c=1.0 ×10－5mol·L－1)，考察了溫度和pH對熒光性能的影響，結(jié)果分別見圖3和圖4。由圖3可見，在0℃ ～60℃，隨著溫度升高，5的熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢。原因在于隨著溫度的升高，分子內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)換作用增強(qiáng)，溫度上升導(dǎo)致介質(zhì)黏度變小，增加了熒光分子與溶劑分子碰撞淬滅的機(jī)會(huì)，使得其熒光強(qiáng)度下降。

圖2 1，3～5的FL譜圖*Figure 2 FL spectra of 1，3～5

圖3 溫度對5的FL譜圖的影響*Figure 3 Relationship between FL of 5 and temperature

圖4 pH對5的FL譜圖的影響*Figure 4 Relationship between FL of 5 and pH

由圖4可見，在 pH 1.35～6.23條件下，隨pH值升高，5的熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，在pH 8.22～13.15，隨pH升高，5的熒光強(qiáng)度基本保持不變，具有一定穩(wěn)定性，由于人體體內(nèi)為弱堿環(huán)境(pH 7.3)，因此5為藥物類熒光探針提供了可行性。

2.2 對Mn+的選擇性識別

由于經(jīng)熒光基團(tuán)修飾過的均三嗪環(huán)具有一定的Mn+識別能力，通過比較加入等摩爾量Mn+后溶液熒光強(qiáng)度的變化，可以較為清晰地反映出該化合物對Mn+的識別能力。5對不同Mn+的選擇性識別作用見圖5。由圖5可知，堿金屬(Na+和K+)、堿土金屬(Ca2+和 Mg2+)、過渡金屬離子(Cu2+，F(xiàn)e3+，Co2+，Ni2+，Mn2+，Hg2+和 Zn2+)在與5絡(luò)合后熒光強(qiáng)度變化不明顯，而Cu2+加入后熒光強(qiáng)度有較大減弱。這是由于三聚氯氰氮雜環(huán)上的氮原子和側(cè)鏈上的氧原子能夠和Cu2+發(fā)生螯合作用，促進(jìn)或激發(fā)了5的PET過程，使得電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，電子由低能級向高能級躍遷，同時(shí)削弱了分子的剛性結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了熒光淬滅的現(xiàn)象。

圖5 5對Mn+的選擇性圖*Figure 5 Selectivity of 5 for Mn+

根據(jù)5與Cu2+的工作曲線圖(圖6)可以看出，在5與Cu2+的摩爾比接近2∶1時(shí)，熒光淬滅現(xiàn)象最明顯，因此可以得出5與Cu2+以2∶1配位形成絡(luò)合物(Chart 1)。

圖6 5與Cu2+的工作曲線圖Figure 6 Job’s plot of 5 with Cu2+

進(jìn)一步研究不同［Cu2+］對同一濃度的探針化合物熒光強(qiáng)度影響，結(jié)果見圖7。由圖7可見，隨著［Cu2+］增大，熒光強(qiáng)度逐漸減弱。

圖7 5的熒光強(qiáng)度隨［Cu2+］的變化關(guān)系圖Figure 7 Relationship between FL of 5 with［Cu2+］

［Cu2+］在1.0 ×10－6mol·L－1～5.0 ×10－5mol·L－1范圍內(nèi)，探針熒光強(qiáng)度(Y)與［Cu2+］呈良好的線性關(guān)系，線性方程為:Y=13.66×10－6［Cu2+］+297.67(mol·L－1)，相關(guān)系數(shù) R=0.982 09，根據(jù)該線性方程可以檢測 1.0 × 10－6mol·L－1～5.0 ×10－5mol·L－1范圍內(nèi) Cu2+含量。

圖8 5的熒光強(qiáng)度隨［Cu2+］的變化關(guān)系圖Figure 8 Relationship between FL of 5 with［Cu2+］

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)并合成了以三聚氯氰為母體的新型熒光探針化合物(5)，其發(fā)射波長為371.80 nm。5在中性至堿性條件下(pH 7.3～13.15)熒光變化較為穩(wěn)定，對于銅離子在較寬的pH范圍內(nèi)有著良好的識別作用，在 1.0 ×10－6mol·L－1～5.0 ×10－5mol·L－1范圍內(nèi)可以定量檢測 Cu2+的含量。該研究對在一定酸堿條件下銅離子的識別檢測應(yīng)用有著一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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