嗎啉基修飾的新型香豆素Fe3+熒光探針化合物的合成及其性能

蔣祺驊, 劉 鋼, 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)

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嗎啉基修飾的新型香豆素Fe3+熒光探針化合物的合成及其性能

蔣祺驊, 劉 鋼, 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)

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與碘甲烷在乙醚中反應(yīng)制得7-甲氧基-4-甲基香豆素(2)； 2與N-溴代丁二酰亞胺在四氯化碳中經(jīng)2步反應(yīng)制得3-溴-4(溴甲基)-7-甲氧基香豆素(4)； 4在四氫呋喃溶劑中與嗎啉反應(yīng)合成了一種新型的基于香豆素的熒光探針化合物——3-溴-7-甲氧基-4-(嗎啉代)-2H-吡喃-2-酮(5)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR,13C NMR和MS表征。光學(xué)性能和金屬離子識(shí)別性能研究結(jié)果表明：5的激發(fā)波長為340.15 nm，發(fā)射波長為408.35 nm； 5對(duì)Fe3+有良好的識(shí)別作用，在1.0 ×10-5mol·L-1～9.0×10-5mol·L-1可定量檢測(cè)Fe3+含量。

香豆素; 嗎啉; 熒光探針; 合成; 離子識(shí)別

香豆素類化合物的母體為苯并吡喃酮結(jié)構(gòu), 具有熒光量子產(chǎn)率高、Stokes位移大和光穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是熒光傳感器分子設(shè)計(jì)中的優(yōu)秀候選熒光團(tuán)，近年來在熒光探針方面的研究備受關(guān)注[1-6]。但在針對(duì)香豆素陽離子探針的研究中，F(xiàn)e3+的報(bào)道相對(duì)較少，Hu等[7]報(bào)道了一個(gè)基于FRET的香豆素-羅丹明衍生物能選擇性識(shí)別痕量的Fe3+。

Scheme 1

含有氮原子的六元雜環(huán)已被證明是潛在的化療藥物和藥物中間體[8]。嗎啉及其衍生物由于其與許多生物和臨床應(yīng)用具有密切的關(guān)聯(lián)而被廣泛研究[9]。嗎啉基的高關(guān)注度主要源于以下因素，首先，嗎啉環(huán)上的氧原子可以參與相應(yīng)受體的供體-受體型相互作用，增加結(jié)合的緊密性；其次，氧原子的高電負(fù)性降低了氮原子的堿性[10]。

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與碘甲烷在乙醚中反應(yīng)制得7-甲氧基-4-甲基香豆素(2)； 2與N-溴代丁二酰亞胺(NBS)經(jīng)2步反應(yīng)制得3-溴-4(溴甲基)-7-甲氧基香豆素(4)； 4在四氫呋喃中與嗎啉反應(yīng)合成了一種新型的單側(cè)臂探針化合物——3-溴-7-甲氧基-4-(嗎啉代)-2H-吡喃-2-酮(5， Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR，13C NMR和LC-MS表征。并利用UV-Vis和FL研究了其對(duì)金屬離子(Mn+)的識(shí)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)；UV-1700型紫外-可見吸收光譜儀；Bruker VANCE 300 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；Cary6000i optics型熒光光譜儀；LCMS-2010EV型質(zhì)譜儀。

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) 1的合成[11]

在100 mL三口燒瓶中依次加入間苯二酚5.51 g(50 mmol)，乙酰乙酸乙酯10 mL(75 mmol)和濃硫酸20 mL，攪拌10 min散熱，保持溫度低于10 ℃反應(yīng)12 h(TLC跟蹤)。置于0 ℃冰水中冷卻(有淡黃色固體析出)，過濾，濾餅置燒瓶中，加入10%NaOH溶液至無沉淀析出，過濾，濾餅用無水乙醇重結(jié)晶得白色粉末1 7.17 g，產(chǎn)率81.4%, m.p. 189.0～190.8 ℃;1H NMR(300 MHz, DMSO-d6)δ: 10.54(s, 1H, OH), 7.58(d,J=9.0 Hz, 1H, ArH), 6.81(m, 1H, ArH), 6.70(d,J=3.0 Hz, 1H, ArH), 6.13(d,J=3.0 Hz, 1H, ArH), 2.36(s, 3H, CH3);13C NMR(75 MHz, DMSO-d6)δ: 161.62, 160.75, 156.30, 154.02, 127.10, 113.32, 112.48, 110.71, 102.63, 18.68; MSm/z: 177{[M+H]+}。

(2) 2的合成[12]

向100 mL三口燒瓶中依次加入1 704 mg(4 mmol)，碘甲烷1.3 mL(20 mmol)，碳酸鉀600 mg(3.34 mmol)和乙醚50 mL，攪拌下升溫至50 ℃，反應(yīng)4 h(TLC跟蹤)。過濾，濾液蒸干得白色粉末，用乙酸乙酯(50 mL)溶解，倒入分液漏斗中，依次用1 mol·L-1鹽酸(30 mL)、去離子水(30 mL)和飽和NaCl溶液(20 mL)洗滌，無水硫酸鈉干燥，旋蒸除去溶劑得白色粉末2 699 mg，產(chǎn)率92.1%, m.p.156.7～158.2 ℃;1H NMRδ: 7.50(d,J=8.73 Hz, 1H, ArH), 6.87(dd,J=8.72 Hz, 2.55 Hz, 1H, ArH), 6.82(d,J=2.43 Hz, 1H, ArH), 6.14(d,J=1.17 Hz, 1H, ArH), 3.88(s, 3H, OCH3), 2.40(d,J=1.19 Hz, 3H, PhCH3);13C NMRδ: 161.62, 160.75, 156.30, 154.02, 127.10, 113.32, 112.48, 110.71, 102.63, 55.74, 18.68; MSm/z: 191{[M+H]+}。

(3) 3-溴-7-甲氧基-4-甲基香豆素(3)的合成[13]

在三口燒瓶中依次加入2 456.6 mg(2.4 mmol)， NBS 470.0 mg(2.64 mmol)和四氯化碳20 mL，攪拌下加入過氧化苯甲酰(BPO)32.0 mg(0.12 mmol)，反應(yīng)體系呈黃色渾濁液，回流(80 ℃)反應(yīng)12 h(TLC跟蹤)。過濾，濾液旋蒸除去溶劑得淡黃色固體，用乙酸乙酯(20 mL)溶解，置于分液漏斗中，依次用去離子水(20 mL)和飽和NaCl溶液(20 mL)洗滌，無水硫酸鈉干燥，蒸干后經(jīng)硅膠柱層析[洗脫劑：A=V(二氯甲烷)∶V(石油醚)=1 ∶1]純化得淡黃色固體3 498.0 mg，產(chǎn)率77.1%, m.p.146.3～146.9 ℃;1H NMRδ: 7.56(d,J=8.91 Hz, 1H, ArH), 6.90(dd,J=8.91 Hz, 2.52 Hz, 1H, ArH), 6.83(d,J=2.52 Hz, 1H, ArH), 3.88(s, 3H, OCH3), 2.60(s, 3H, PhCH3);13C NMRδ: 161.70, 156.39, 152.56, 150.16, 125.02, 112.35, 111.99, 108.63, 99.62, 54.82, 18.49; MSm/z: 268{[M+H]+}。

(4) 4的合成[13]

在三口燒瓶中依次加入3 126.4 mg(0.470 mmol)， NBS 92.1 mg(0.517 mmol)和四氯化碳30 mL，攪拌下加入偶氮二異丁腈(AIBN)4.2 mg(0.024 mmol)，反應(yīng)體系呈黃色渾濁液，升溫至回流(80 ℃)，反應(yīng)24 h(TLC跟蹤)。過濾，濾液旋蒸除去溶劑得淡黃色固體，用乙酸乙酯20 mL溶解，置于分液漏斗中，依次用去離子水(20 mL)和飽和NaCl溶液(20 mL)洗滌，蒸干后經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑：A=1 ∶1)純化得淡黃色固體4 136.4 mg，產(chǎn)率83.4%， m.p. 181.7～183.2 ℃;1H NMRδ: 7.54(d,J=8.94 Hz, 1H, ArH), 6.88(dd,J=8.94 Hz, 2.52 Hz, 1H, ArH), 6.79(d,J=2.49 Hz, 1H, ArH), 4.62(s, 2H, BrCH2), 3.82(s, 3H, OCH3);13C NMRδ: 162.12, 153.15, 147.48, 124.67, 124.51, 112.43, 109.78, 109.63, 100.05, 54.93, 25.51; MSm/z: 349{[M+H]+}。

(5) 5的合成

在10 mL史萊克管中加入4 109.4 mg(0.316 mmol)和嗎啉31.1 mg(0.357 mmol)，抽真空換N2，注入新蒸THF 2.5 mL，于室溫反應(yīng)5 h(反應(yīng)體系呈淡黃色,TLC跟蹤)。過濾，濾液旋蒸除溶，殘余物加入乙酸乙酯(20 mL)溶解，依次用去離子水(10 mL)和飽和NaCl溶液(3×10 mL)洗滌，干燥后旋蒸除去溶劑得微黃色固體粗品，經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑：A=2 ∶1)純化得淡黃色固體5 0.107 g，產(chǎn)率95.6%， m.p. 159.1～160.9 ℃;1H NMRδ: 7.85(d,J=9.00 Hz, 1H, ArH), 6.82(dd,J=9.00 Hz, 2.55 Hz, 1H, ArH), 6.74(d,J=2.52 Hz, 1H, ArH), 3.84(s, 2H, PhCH2), 3.81(s, 3H, OCH3), 3.81(t,J=4.47 Hz, 4H, CH2), 2.54(t,J=4.51 Hz, 4H, CH2);13C NMRδ: 162.67, 157.41, 153.82, 149.36, 127.39, 112.90, 112.83, 111.76, 100.29, 66.91, 59.48, 55.84, 53.45; MSm/z: 377{[M+Na]+}。

2 結(jié)果與討論

2.1 光學(xué)性能

圖1為合成的探針化合物5在不同溶劑中的熒光譜圖。由圖1可見，在濃度相同的情況下5在THF中的發(fā)射波長為408.35 nm，其熒光強(qiáng)度最大，這是由于5與THF分子間產(chǎn)生相互作用增強(qiáng)了分子的剛性導(dǎo)致熒光強(qiáng)度增大。

λ/nm

λ/nm

Temperature/K

在四氫呋喃溶劑中，考察了溫度對(duì)化合物5(c=1.0×10-4mol·L-1)熒光性能的影響，結(jié)果見圖2和圖3。由圖可見，在273～348 K，隨著溫度升高，5的熒光強(qiáng)度線性減弱。這是由于隨著溫度的升高，分子運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，溫度的上升使得熒光分子與溶劑分子碰撞的機(jī)會(huì)增大導(dǎo)致熒光淬滅現(xiàn)象增強(qiáng)，從而使得其熒光強(qiáng)度下降。

2.2 對(duì)Mn+的選擇性識(shí)別性能

研究表明化合物5對(duì)Mn+具有一定的識(shí)別能力。加入等摩爾量Mn+后溶液熒光強(qiáng)度的變化，較為清晰地反映出化合物對(duì)Mn+的識(shí)別能力。5對(duì)不同Mn+的選擇性識(shí)別作用見圖4。

λ/nm

由圖4可以看出，堿金屬(Na+和K+)、堿土金屬(Cd2+和Mg2+)和過渡金屬離子(Cu2+， Co2+， Pb2+， Ag+和Zn2+)在與5絡(luò)合后熒光強(qiáng)度變化不明顯，而Fe3+加入后熒光強(qiáng)度有明顯增強(qiáng)。這是由于Fe3+與5有較好的螯合作用，抑制了5的PET熒光淬滅效應(yīng)。

根據(jù)5與Fe3+的Job’s工作曲線圖(圖5)可以看出，在5與Fe3+的摩爾比為1 ∶1時(shí)，熒光增強(qiáng)現(xiàn)象最明顯，可以得出5與Fe3+以配位比為1 ∶1形成配合物。

n(5)∶[Fe3+]

[Fe3+]/×10-4mol·L-1

進(jìn)一步研究不同濃度的Fe3+對(duì)同一濃度的探針化合物5熒光強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖6。由圖6可見，隨著Fe3+濃度增大，熒光強(qiáng)度逐漸減弱。在Fe3+濃度為1.0×10-5mol·L-1～9.0×10-5mol·L-1時(shí)，探針熒光強(qiáng)度Y與[Fe3+]具有良好的線性關(guān)系。線性方程為Y=285.73+4.756×105[Fe3+]，相關(guān)系數(shù)R=0.992 5，根據(jù)該線性方程可以定量檢測(cè)1.0×10-5mol·L-1～9.0×10-5mol·L-1Fe3+的含量。

設(shè)計(jì)并合成了一種新型的基于香豆素的熒光探針化合物——3-溴-7-甲氧基-4-(嗎啉代)-2H-吡喃-2-酮(5)。 5的激發(fā)波長為340.15 nm，發(fā)射波長為408.35 nm。 5對(duì)Fe3+有良好的識(shí)別作用，在1.0×10-5mol·L-1～9.0×10-5mol·L-1可定量檢測(cè)Fe3+含量。該研究對(duì)Fe3+的識(shí)別檢測(cè)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Synthesis and Properties of A Novel Coumarin-based Fe3+Fluorescent Probe Modified by Morpholin

JIANG Qi-hua, LIU Gang, ZHANG Zhen, SUN Xiao-qiang, XI Hai-tao*

(Institute of Petrochemical Technology, Changzhou University, Changzhou 213164, China)

7-Hydroxy-4-methyl coumarin(1) was prepared by nucleophilic substitution reaction of resorcinol with ethyl acetoacetate. 7-Methoxy-4-methyl-coumarin(2) was synthesized by reaction of 1 with methyl iodide. 3-Bromo-4-(bromomethyl)-7-methoxy-coumarin(4) was prepared by two-step reaction of 2 withN-bromosuccinimide in CCl4. A novel coumarin-based fluorescent probe, 3-bromo-7-methoxy-4-(morpholino)-2H-pyran-2-one(5), was synthesized by reaction of 4 with morpholine. The structure was characterized by1H NMR,13C NMR and MS. The optical properties of 5 were investigated. The results showed theλexwas 340.15 nm andλemwas 408.35 nm. A study of the identification effect of 5 for different cations was carried out. The result showed that 5 exhibited good selectivity for Fe3+at 1.0×10-5mol·L-1～9.0×10-5mol·L-1.

coumarin; morpholine; fluorescent probe; synthesis; ion recognition

2016-05-24;

2016-11-15

蔣祺驊(1991-)，男，漢族，江蘇無錫人，碩士研究生，主要從事有機(jī)合成和超分子化學(xué)的研究。 E-mail: wuxijqh@163.com

席海濤，博士，教授， E-mail： xht@cczu.edu.cn

O621； O626

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.01.16130