基于Glaser偶合反應(yīng)的銅離子探針的合成及性能

屈 濤，鄭長征

（西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安 710048）

基于Glaser偶合反應(yīng)的銅離子探針的合成及性能

屈 濤，鄭長征

（西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安 710048）

為準(zhǔn)確檢測溶液中銅離子濃度，首先合成結(jié)構(gòu)簡單的有機(jī)小分子銅離子探針，利用探針分子能夠發(fā)生Glaser偶合反應(yīng)的性質(zhì)對銅離子進(jìn)行實時檢測，研究探針分子結(jié)構(gòu)對銅離子響應(yīng)的靈敏度.其次通過核磁共振確定探針分子的結(jié)構(gòu)，利用紫外吸收光譜和熒光光譜分析探針分子對銅離子的識別作用.最后通過紫外光譜確定熒光光譜的激發(fā)波長為370nm，且熒光發(fā)射強(qiáng)度隨銅離子濃度的增加而減弱，隨時間的延長而降低.

銅離子；熒光探針；Glaser偶合；熒光強(qiáng)度

重金屬離子是化學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域研究的重點，對溶液中銅離子的識別和檢測是分析化學(xué)的主要任務(wù)之一［1］.銅離子是一種廣泛存在于環(huán)境中的常見重金屬離子，它在人體內(nèi)的適量存在有益于維持機(jī)體的正常工作，如參與體內(nèi)的造血作用、酶反應(yīng)以及一些氧化還原過程等.若體內(nèi)銅離子的代謝平衡受到破壞，則有可能導(dǎo)致一系列疾?。?－3］.因此，尋求一種快速而靈敏的檢測銅離子的方法具有非常重要的意義.目前主要的檢測方法有化學(xué)法、光譜法以及熒光探針法.其中化學(xué)法也稱為滴定法，是利用無機(jī)沉淀劑或者有機(jī)沉淀劑定量滴定，但離子的選擇性太差；光譜法是通過原子吸收光譜，電感耦合等離子體發(fā)射光譜以及光譜電化學(xué)法來分析檢測，但操作繁瑣，儀器價格高昂.熒光分子探針檢測法不僅簡便，而且在高靈敏度、選擇性、時間分辨、實時原位檢測方面均有突出優(yōu)點［4－7］.有機(jī)探針分子的結(jié)構(gòu)多樣，種類繁多，可選擇性高，并且其價格低廉，操作簡便，檢測效果明顯，快速高效.因此，尋求新型兼具分子質(zhì)量小，易操作合成的銅離子探針對于環(huán)境及生命科學(xué)都極為重要［8－9］.本文通過合成結(jié)構(gòu)簡單的有機(jī)小分子銅離子探針，利用探針分子能夠發(fā)生Glaser偶合反應(yīng)的性質(zhì)對銅離子進(jìn)行檢測.

1 實 驗

1.1 儀器

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG－9123A，上海精宏）；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（RE52GS－1，上海亞榮生化儀器廠）；電子天平（BS124S型，北京賽多利斯儀器有限公司）；核磁共振波譜儀（Advance Bruker 400M）；熒光分光光度計（日本島津RF－5301PC）；紫外可見分光光度計（日本島津UV－2450）.

1.2 藥品

四丁基氟化銨（天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所）；四氫呋喃（天津市天力化學(xué)試劑有限公司）；氫氧化鈉（天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司）；無水乙醇（CH3CH2OH，天津市永大化學(xué)試劑開發(fā)中心，分析純）；丙酮（天津市富宇精細(xì)化工有限公司，分析純）；氨水（西安三浦化學(xué)試劑有限公司，分析純）.

1.3 原理

銅離子的檢測過程只需在合成探針分子后配制成有機(jī)溶液或者水溶液，便可以進(jìn)行快速檢測.但合成適于含水體的新型探針分子仍具有挑戰(zhàn)性.若改善探針分子在水中的檢測效果，可加入羧基，但檢測時增加有機(jī)試劑的用量會對環(huán)境和生物體系不利，所以增加探針分子的水溶性顯得更加重要.文中利用Glaser偶合原理，在銅催化作用下，化合物發(fā)生偶合反應(yīng)，將三鍵連在一起生成一定的聚合物，并進(jìn)行水解反應(yīng)，分子上的羧基可增加其水溶性，為熒光銅離子探針進(jìn)入人體體液中進(jìn)行檢測創(chuàng)造可能性.

1.4 合成

熒光銅離子探針分子合成路線如圖1所示.

圖1 H－Cu1熒光銅離子探針分子合成路線Fig.1The synthetic route of H－Cu1fluorescent copper ion probe

1.4.1 中間產(chǎn)物2的合成 分別稱取1.398g（4.1mmol）的化合物1，0.145g（0.21mmol）的三苯基膦二氯化鈀及0.078g（4.92mmol）碘化亞銅.首先將稱好的化合物1和50mL的四氫呋喃加入到三口燒瓶中，氮氣鼓泡20min除去空氣［10］.鼓泡結(jié)束后，在溶液中加入0.145g的三苯基膦二氯化鈀及0.078g碘化亞銅，攪拌溶解.混合溶液用氮氣鼓泡20min后，加入0.7mL的TMSA，攪拌均勻再鼓泡20min.把反應(yīng)混合物加熱到50℃，攪拌反應(yīng)24h后冷卻，再旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑.過層析柱后旋干溶劑，展開劑極性為乙酸乙酯／正己烷＝1／6，得到最終產(chǎn)物為無色油狀液體.通過核磁測定其結(jié)構(gòu)超參數(shù)為：1H NMR（400MHz，CDCl3）δ8.11（d，J＝1.4Hz，1H），7.87（dd，J＝8.2，1.7Hz，1H），7.52（d，J＝8.2Hz，1H），3.92（s，3H），1.16（s，21H），0.25（s，9H）.

1.4.2 中間產(chǎn)物3的合成 將1.4g（3.39mmol）的化合物2，0.258g（1.87mmol）的碳酸鉀，30mL的四氫呋喃，30mL的甲醇依次加入到100mL單口圓底燒瓶中，混合溶液在室溫（28℃）下攪拌5h后，待反應(yīng)完全，停止反應(yīng).將混合液移入500mL的燒杯中，加入100mL的去離子水和50mL的乙醚，將混合液分兩次萃取后，收集有機(jī)相，加入無水硫酸鎂干燥1h，過濾除去硫酸鎂.旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)掉溶劑后，收集產(chǎn)物.過柱子后旋干溶劑，展開劑極性為乙酸乙酯／正己烷＝1／19，得到最終產(chǎn)物為無色油狀液體.通過核磁測定其結(jié)構(gòu)參數(shù)為1H NMR（400MHz，CDCl3）δ8.13（d，J＝1.5Hz，1H），7.90（dd，J＝8.1，1.7Hz，1H），7.54（d，J＝8.1Hz，1H），3.93（s，3H），3.41（s，1H），1.15（s，21H）.

1.4.3 中間產(chǎn)物4的合成 稱取0.98g（2.88mmol）的化合物3，將其與100mL二氯甲烷，3mL的四甲基乙二胺（TMEDA）依次加入到200mL的圓底燒瓶中.再稱取0.3g（3mmol）的氯化亞銅加入到上述燒瓶中.混合物在38℃攪拌4h，點板后發(fā)現(xiàn)反應(yīng)物消耗完，停止反應(yīng).將混合物倒入500mL的燒杯中，加入100mL水，攪拌均勻.萃取混合物3次后，收集有機(jī)相，用無水硫酸鎂干燥1h后，過濾，除去無水硫酸鎂，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除掉溶劑，過柱子分離產(chǎn)物，得到淺黃色油狀物.通過核磁測定其結(jié)構(gòu)參數(shù)為：1H NMR（400MHz，CDCl3）δ8.14（d，J＝1.3Hz，1H），7.93（dd，J＝8.2，1.6Hz，1H），7.52（d，J＝8.2Hz，1H），3.94（s，3H），1.17（s，21H）.

1.4.4 化合物5的合成 稱取200mg上述反應(yīng)式的化合物4，放入圓底燒瓶中，加入40mL四氫呋喃，30mL的NaOH（2mol／L）溶液，室溫下（28℃）攪拌反應(yīng)10h進(jìn)行點板.待反應(yīng)完全后，將圓底燒瓶放置在冰水浴的環(huán)境下慢慢滴加稀鹽酸.在pH為5時產(chǎn)生白色沉淀物，過濾，然后收集產(chǎn)品，通過核磁測定其結(jié)構(gòu)參數(shù)為：1H NMR（400MHz，DMSO）δ7.99（d，J＝1.1HZ，2H），7.97（dd，J＝8.1，1.6Hz，2H），7.71（d，J＝8.1Hz，2H），3.31（2H）.

2 結(jié)果與討論

2.1 儲備液的配置

稱取0.003 4g化合物5，溶于1mL的四氫呋喃中，制成1×10－2mol／L的溶液.用微量進(jìn)樣器取50μL上述溶液，稀釋到濃度為1×10－5mol／L的四氫呋喃溶液.稱取0.026 6g氯化銅固體并溶于20mL的水中，配置1×10－2mol／L的氯化銅溶液.稱取0.019 8g氯化亞銅固體，將其溶于20mL的水中，配置1×10－2mol／L溶液.

2.2 Cu2＋對化合物5的紫外熒光光譜影響

2.2.1 不同Cu2＋加入量的影響 加入銅離子的反應(yīng)量對化合物5發(fā)生偶合反應(yīng)非常重要.因此，文中考察Cu2＋加入量對化合物光譜的影響.取2mL 1×10－5mol／L的探針分子溶液于比色皿中，用微量進(jìn)樣器取50μL濃度為1×10－2mol／L的氯化銅溶液于比色皿中，攪拌10min進(jìn)行紫外、熒光測試.共滴加300μL氯化銅溶液，測試6組數(shù)據(jù)，圖2所示為滴加不同Cu2＋量的化合物5的紫外光譜圖和熒光光譜圖.

從圖2（a）可以看出，紫外光譜曲線中最大的吸收峰所對應(yīng)的波長是躍遷時所吸收光線的波長，光譜圖波峰位置的波長都擇350nm.所以熒光測試的激發(fā)波長選擇350nm.化合物5的紫外－可見吸收峰隨著Cu2＋加入量的增加逐漸減弱，當(dāng)加入300μL Cu2＋時達(dá)到最低值.

圖2（b）可以看出，圖譜中熒光的峰值位于410nm，有一個尖峰位于425nm.隨著Cu2＋加入量的增加，位于410nm的熒光峰逐漸減弱；位于425nm處的熒光峰先增加，當(dāng)Cu2＋加入量達(dá)到250μL時開始減弱.從峰值變化可知，隨著Cu2＋加入量的增加，化合物5的熒光強(qiáng)度出現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的現(xiàn)象.因此，Cu2＋加入量會改變化合物的熒光強(qiáng)度.

2.2.2 反應(yīng)時間的影響 考慮Glaser偶合反應(yīng)需要一定的時間.因此在銅離子加入后，測試化合物5與銅離子反應(yīng)時間對光譜的影響.將配好的20mL 1×10－5mol／L的探針分子溶液放于小燒杯中，用微量進(jìn)樣器取100μL于小燒杯中，攪拌10min后取2mL于比色皿中進(jìn)行紫外光譜和熒光光譜測試.測試時繼續(xù)攪拌小燒杯中溶液.第1次測試完后將比色皿中溶液倒掉，取2mL再次攪拌10min的溶液于比色皿中再進(jìn)行紫外熒光測試.如此循環(huán)共測試6次.圖3為化合物5隨著反應(yīng)時間變化的紫外熒光光譜圖.

圖2 不同Cu2＋濃度下化合物5的紫外熒光光譜圖Fig.2UV－Visible spectra and fluorescence spectra of compound 5in different concentration of Cu2＋

從圖3（a）可以看出，光譜曲線中最大的吸收峰所對應(yīng)的波長是躍遷時所吸收光線的波長.光譜圖波峰位置的波長都370nm.所以熒光測試的激發(fā)波長都選擇370nm.同時，化合物5的紫外－可見吸收峰隨著Cu2＋加入后攪拌時間的增加逐漸增強(qiáng).

圖3（b）是隨著時間變化Cu2＋與化合物5反應(yīng)的熒光光譜圖.從圖中可以看出化合物5的主熒光峰值位于420nm，同時在400nm，450nm處分別有兩個肩峰.隨著Cu2＋離子與化合物作用時間的延長，化合物5的3個熒光峰的強(qiáng)度都在減弱.當(dāng)反應(yīng)60min時熒光強(qiáng)度達(dá)到了最低，降低至之前的一半.

從以上對Cu2＋加入量和攪拌時間的光譜測試可以初步判斷化合物5檢測Cu2＋時會隨著化合物5溶液中Cu2＋濃度的增加，熒光減弱.同樣隨著攪拌時間的延長熒光強(qiáng)度也會減弱.這說明Cu2＋可能使得化合物發(fā)生了Glaser偶合，從而使得探針分子生成了偶合化合物，熒光強(qiáng)度降低.

圖3 不同反應(yīng)時間下化合物5的紫外熒光光譜圖Fig.3UV－Visible spectra and fluorescence spectra of compound 5in different reaction time

2.3 Cu＋對化合物5的紫外熒光光譜性能影響

2.3.1 不同Cu＋加入量的影響 取2mL 1×10－5mol／L的探針分子溶液于比色皿中，用微量進(jìn)樣器取50μL濃度為1×10－2mol／L的氯化亞銅溶液于比色皿中，攪拌10min后進(jìn)行紫外、熒光測試.然后每次多加50μL氯化亞銅溶液于比色皿中攪拌10min，檢測其紫外、熒光性能.共加入300μL氯化亞銅溶液，測試6組數(shù)據(jù).

從圖4（a）可以看出，光譜曲線中最大的吸收峰所對應(yīng)的波長是躍遷時所吸收光線的波長.光譜圖波峰位置的波長都在360nm.所以熒光測試的激發(fā)波長都選在360nm.從紫外光譜圖可以看出，化合物5的紫外－可見吸收峰隨著Cu＋加入量的增加逐漸增強(qiáng)，當(dāng)加入300μL Cu＋時，紫外可見吸光度達(dá)到最大值.

圖4（b）是隨著Cu＋加入量的增加，化合物5的熒光光譜圖.觀察圖中化合物5有2個明顯的熒光峰，即在440～450nm左右有2個明顯的尖峰.熒光主峰峰值位于410nm，另一個熒光峰位于395nm.隨著Cu＋加入量的增加，位于395nm和410nm的熒光峰明顯減弱，當(dāng)Cu＋加入量達(dá)到300μL時，熒光強(qiáng)度降低最多.從峰值變化可知隨著一價銅離子加入量的增加，化合物5的熒光強(qiáng)度出現(xiàn)明顯減弱，Cu＋加入越多，化合物5的熒光強(qiáng)度就越弱，說明化合物能夠定性檢測Cu＋離子.

圖4 不同Cu＋濃度下化合物5的紫外熒光光譜圖Fig.4UV－Visible spectra and fluorescence spectra of compound 5in different concentration Cu＋

2.3.2 反應(yīng)時間的影響 取20mL配好的1×10－5mol／L的探針分子溶液放于小燒杯中，用微量進(jìn)樣器取100μL氯化亞銅溶液于小燒杯中，加入磁石攪拌10min后取2mL于比色皿中進(jìn)行紫外熒光光譜測試.測試時讓小燒杯中溶液繼續(xù)攪拌.測試完后將比色皿中溶液倒掉，再次抽取2mL攪拌10min后的溶液于比色皿中再進(jìn)行紫外熒光光譜測試.

圖5（a）是Cu＋隨著時間變化的紫外光譜，曲線中最大的吸收峰所對應(yīng)的波長是躍遷時所吸收光線的波長.波峰位置的波長都在370nm.化合物5的紫外－可見吸收峰隨著攪拌時間的增加逐漸增強(qiáng)，當(dāng)加入300μL時Cu＋紫外可見吸收峰達(dá)到最大值.

觀察隨著時間變化Cu＋與化合物5反應(yīng)的熒光光譜圖（圖5（b）），發(fā)現(xiàn)化合物5的熒光吸收峰值位于410nm，在430nm處有尖峰.隨著Cu＋與化合物作用時間的延長，化合物5熒光峰的強(qiáng)度在不斷減弱.當(dāng)反應(yīng)60min時熒光強(qiáng)度達(dá)到了最低.從以上對Cu＋加入量和攪拌時間的光譜測試可以初步判斷化合物5檢測Cu＋時會隨著Cu＋加入量的增加熒光減弱，同樣隨著攪拌時間的增長熒光強(qiáng)度也會減弱.這說明Cu＋可使化合物5發(fā)生Glaser偶合，生成偶合化合物，從而使得熒光強(qiáng)度降低.

圖5 不同反應(yīng)時間下化合物5的紫外熒光光譜圖Fig.5UV－Visible spectra and fluorescence spectra of compound 5in different reaction time

2.4 Cu2＋和Cu＋與化合物5的反應(yīng)機(jī)制分析

結(jié)合上述的紫外可見光譜和熒光光譜數(shù)據(jù)，可以推測銅離子的加入使得探針分子化合物5的熒光強(qiáng)度減弱，主要是由于化合物5在銅離子的催化下發(fā)生了Glaser偶合反應(yīng)，生成了具有三鍵－單鍵－單鍵單元結(jié)構(gòu)的螺旋狀產(chǎn)物，該產(chǎn)物可能是聚合物，無法測試其熒光.圖6是推測化合物5發(fā)生Glaser偶合反應(yīng)后生成的化合物.圖7通過計算軟件對生成偶合產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化.以此為據(jù)，能夠得到為何探針分子在加入銅離子之后其紫外和熒光光譜均發(fā)生了變化，也可以說明化合物5作為銅離子探針的潛質(zhì).

圖6 化合物5發(fā)生的Glaser偶合反應(yīng)Fig.6The Glaser coupling reaction of compound 5

圖7 化合物5耦合后的優(yōu)化結(jié)構(gòu)Fig.7The optimized structure of compound 5produced by Glaser coupling reaction

3 結(jié)束語

本文合成一種新型的小分子銅離子熒光探針，通過核磁共振對

其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征.紫外吸收和熒光光譜測定表明熒光銅離子探針可以檢測到銅離子并能反應(yīng)出銅離子的濃度大小.結(jié)合光譜數(shù)據(jù)，銅離子的加入使得探針分子的熒光強(qiáng)度減弱，主要是由于熒光探針分子在銅離子的催化下發(fā)生了Glaser偶合反應(yīng)，生成了聚合物.

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編輯、校對：武 暉

Synthesis and characterization of Cu iron fluorescence probes based on Glaser coupling reaction

QU Tao，ZHENG Changzheng
（School of Environmental and Chemical Engineering，Xi′an Polytechnic University，Xi′an 710048，China）

In order to test copper ion in solution，firstly，fluorescent copper ion probes with simple structure is synthesized，the copper ion could be detected by Glaser coupling reaction of the fluorescent probe.Then，the molecular structure of copper ion probe is confirmed by1HNMR data.The UV－Vis and fluorescence spectra were used to study the role of the probe for recognizing copper ion.The fluorescence spectra were measured at 370nm determined by the UV－Vis spectra.The results of fluorescence spectra show that the fluorescence emission intensity is weakened with the increase of concentration of copper ion，and decreased with the extension of reaction time.

copper ion；fluorescence probes；Glaser coupling reaction；fluorescence intensity

O 622.5

A

1674－649X（2015）05－0561－06

10.13338／j.issn.1674－649x.2015.05.008

2015－05－20

鄭長征（1959—），男，陜西省橫山縣人，西安工程大學(xué)教授，研究方向為金屬有機(jī)煤化工.E－mail：zgcgzg＠126.com