基于氫鍵策略卟啉熒光探針的合成及其在2，4，6-三硝基苯酚選擇性檢測中的應(yīng)用

張恒，顧承志*，馬曉偉，代斌

（石河子大學化學化工學院/新疆兵團化工綠色過程重點實驗室，新疆 石河子 832003）

多硝基芳烴如 2，4，6-三硝基甲苯（TNT）和2，4，6- 三硝基苯酚（PA）（苦味酸，picric acid）是典型的爆炸物，尤其后者苦味酸具有更強的爆炸威力，而且苦味酸還廣泛應(yīng)用于火箭燃料、煙花、藥物等領(lǐng)域[1-2]。近些年的研究表明：長期暴露于苦味酸氣氛中，能引起嚴重的貧血癥，肺損傷和皮膚刺激，且具有強的致癌性[3]。相比較TNT，苦味酸具有更低的表面蒸氣壓（7.7×10-7Pa，25℃）和更好的水溶性。考慮到苦味酸的社會安全和環(huán)境危害問題，過去幾十年間，可利用的用于此類爆炸物的檢測方法主要有離子遷移譜、氣相-質(zhì)譜聯(lián)用、表面增強拉曼光譜、電化學方法和基于半導體的氣體傳感器等等[4-8]，然而，這些儀器方法通常需要高成本，復雜的協(xié)議和耗時的校準，這限制了它們的實際應(yīng)用。近幾年，基于熒光淬滅原理的方法被認為是最理想最有效的檢測方法，歸咎于熒光方法具有成本低、高靈敏度、高選擇性和可視化優(yōu)點。迄今為止，大量的熒光PA傳感器已被深入和廣泛地研究，包括小分子染料、共軛聚合物、熒光金屬有機骨架（MOF）和熒光納米材料等，但上述熒光探針由于光漂白引起接收熒光強度的不穩(wěn)定，進而引起測量誤差，還有響應(yīng)時間過長等問題[9-10]。因而尋找長波激發(fā)的光熱穩(wěn)定性熒光分子材料是發(fā)展熒光傳感技術(shù)的核心內(nèi)容。

我們一直致力于拓展卟啉分子的功能化研究[11-12]。卟啉化合物及其金屬配合物在可見光區(qū)400-450 nm附近有強烈的光譜響應(yīng)以及550-700 nm附近有中等強度的吸收，在600 nm左右處能夠發(fā)出很強的熒光。由于具有良好的光、熱和化學穩(wěn)定性，卟啉衍生物作為一類極具潛力、環(huán)境友好的光電轉(zhuǎn)換材料成為國際上人們的研究的熱門領(lǐng)域。在不對稱催化有機合成中，手性脲和硫脲作為一類重要的氫鍵給體催化劑可作用于含硝基化合物的不對稱轉(zhuǎn)化[13-14]?；诖?，本研究擬在卟啉骨架上設(shè)計引入脲官能團，當富電子的卟啉熒光化合物與缺電子的硝基爆炸物接觸時，通過脲與硝基的氫鍵作用，快速發(fā)生電子轉(zhuǎn)移作用，使體系熒光淬滅，從而實現(xiàn)痕量硝基芳烴爆炸物的快速檢測（圖1）。

圖1 基于卟啉脲結(jié)構(gòu)的熒光淬滅Fig.1 Fluorimetric quenching based on porphyrin urea structure

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：IKA加熱磁力攪拌器，IKA機械攪拌器，Agilent7890A-5975C氣質(zhì)聯(lián)用儀，BrukerAvanceⅢ400 HD核磁共振儀，Thermo Fisher Scientific LTQ FTICR-MS高分辨質(zhì)譜儀，Agilent熒光光譜儀，太原國家計算中心天河2號服務(wù)器。

試劑：對碘苯甲醛，對乙酰氨基苯甲醛，吡咯，三氟乙酸，DDQ，苦味酸，四氫呋喃，二氯甲烷，上述試劑均為分析純。

1.2 實驗步驟

1.2.1 5-對乙酰氨基苯基-10，15，20-三對碘苯基卟啉合成

稱取1 mmol（163.17 mg）對乙酰氨基苯甲醛和3 mmol（696 mg）的對碘苯甲醛置于500 mL的三頸圓底燒瓶中，抽真空充氮氣置換3次，加入400 mL的無水二氯甲烷，用氮氣吹掃5 min后，緩慢加入4 mmol的吡咯和 6 mmol（0.446 mL）的三氟乙酸（TFA）；放入冰水混合物中反應(yīng)5 h后，加入3 mmol(0.68 g)的DDQ攪拌過夜；最后減壓旋蒸，將反應(yīng)液真空濃縮，加入少量CH2Cl2溶解，加硅膠拌樣，柱層析分離得紫色結(jié)晶，產(chǎn)率為15%。

1H NMR(400 MHz，CDCl3) δ 8.88-8.81(m，8 H，pyrrolic-H)，8.16-8.07 (m，8H，Ph-H)，7.94-7.89(m，8H，Ph-H)，7.49(s，1H，-NH-COCH3)，2.36(s，3H，-NHCOCH3)，-2.86(s，2 H，inter NH)。13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ 168.52,141.51，137.75，136.11，135.91，135.88，135.08，120.10，118.92，118.79，118.02，94.26，94.24，24.87。

圖2 5-對乙酰氨基苯基-10，15，20-三對碘苯基卟啉的合成Fig.2 The synthesis of 5-(4-acetaminophenyl)-10，15，20-tri(4-iodophenyl)porphyrin

1.2.2 5-氨基苯基-10，15，20-三對碘苯基卟啉合成

稱取0.191 mmol（200 mg）5-對乙酰氨基苯基-10，15，20-三對碘苯基卟啉于250 mL的圓底燒瓶中，然后加入 HCl（18%，100 mL）和 30 mL 的 TFA；加熱回流3 h后，冷卻到室溫，減壓蒸除三氟乙酸；殘留物用三乙胺和二氯甲烷（1∶9）萃取，有機層用無水硫酸鎂干燥，過濾，減壓蒸除溶劑后，殘留物進行柱層析分離得粗品；進一步用甲醇和二氯甲烷重結(jié)晶得紫色晶體，產(chǎn)率90%。1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ8.96(d，J=4.4Hz，2H，pyrrolic-H)，8.82-8.81(m，6 H，pyrrolic-H)，8.09(d，J=8.0 Hz，6 H，Ph-H)，7.97(d，J=8.0 Hz，2 H，p-NH2Ph-H)，7.93(d，J=8.0 Hz，6 H，Ph-H)，7.05(d，J=8.0 Hz，2 H，p-NH2Ph-H)，4.02(s，2 H，-NH2)，-2.82(s，2H，inter NH)。13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ 146.17，141.66，141.58，136.13，135.89，135.86，135.70，132.01，121.54，118.73，118.36，113.47，94.18。

圖3 5-氨基苯基-10，15，20-三對碘苯基卟啉的合成Fig.3 The synthesis of 5-(4-aminophenyl)-10，15，20-tri(4-iodophenyl)porphyrin

1.2.3 帶有脲基團的卟啉合成

稱取 0.1 mmol（100.7 mg）5- 氨基苯基 -10，15，20-三對碘苯基卟啉于50 mL反應(yīng)管中，加入20 mL無水THF充分溶解后，向上述溶液中滴加0.5 mmol的異氰酸苯酯，反應(yīng)30 min停止攪拌，反應(yīng)液減壓濃縮，殘留物硅膠柱層析分離得紫色固體，產(chǎn)率 96%。1H NMR(400 MHz，THF)δ10.83(s，1 H，Por-NH-CO-NH-Ph)，8.94-8.84(m，8 H，pyrrolic-H)，8.31(s，1 H，Por-NH-CO-NH-Ph)，8.14-8.08(m，8 H，Ph-H)，7.96-7.93(m，8 H，Ph-H)，7.61(d，J=8.0 Hz，2 H，Por-NH-CO-NH-Ph-H)，7.29(t，J=7.8 Hz，2 H，Por-NH-CO-NH-Ph-H)，6.98(t，J=7.2 Hz，1 H，Por-NH-CONH-Ph-H)，-2.75(s，2H，inter NH)。13C NMR(101 MHz，TH F)δ153.40，142.92，142.88，141.50，141.37，137.20，137.08，137.06，136.41，135.93，129.66，122.92，121.98 ，119.94，119.68，119.34，117.51，95.09。HR-MS(MALDI)Calcd for[M+H]C51H34I3N6O 1126.9923，found 1126.9894。

圖4 帶有脲基團的卟啉合成Fig.4 The synthesis of porphyrin bearing urea functional group

1.2.4 帶有脲基團的鋅卟啉ZH-1合成

稱取 0.08 mmol（90.8 mg）脲卟啉于 250 mL 二頸圓底燒瓶中，加入100 mL甲醇和氯仿（1∶3）混合溶劑，再加入0.24 mmol的二水醋酸鋅，回流攪拌3 h后，停止攪拌，待降至室溫后，減壓濃縮，殘留物硅膠柱層析分離的紫紅色固體，產(chǎn)率98%。1H NMR(400 MHz，THF) δ 10.83(s，1H，Por-NH-CO-NH-Ph)，8.95(d，J=4.8 Hz，2H，pyrrolic-H)，8.86(s，4H，pyrrolic-H)，8.85(d，J=4.8 Hz，2H，pyrrolic-H)，8.24(s，1 H，Por-NHCO-NH-Ph)，8.13-8.03(m，8H，Ph-H)，7.97-7.91(m，8H，Ph-H)，7.61(d，J=7.6 Hz，2 H，Por-NH-CO-NH-Ph-H)，7.29(t，J=8.0 Hz，2 H，Por-NH-CO-NH-Ph-H)，6.98(t，J=7.4 Hz，1 H，Por-NH-CO-NH-Ph-H)。13C NMR(101 MHz，THF)δ153.41，151.69，150.90，150.87，150.75，144.23，1 41.42，141.03，137.78，137.25，136.64，135.85，132.96，132.38，132.32，132.14，129.65，122.88，122.40，120.37，120.14，119.33，117.18，94.48。

圖5 帶有脲基團的鋅卟啉ZH-1合成Fig.5 The synthesis ofzinc porphyrin ZH-1 bearing urea functional group

1.2.5 帶有脲基團的鋅卟啉ZH-1與含硝基芳烴的熒光光譜分析

配制10-6mol/L帶有脲基團的鋅卟啉ZH-1的THF和 2，4-二硝基氯代苯、2，4，6-三硝基苯酚、3，5-二硝基苯甲酸、4-硝基酚、對硝基甲苯、對氯硝基苯、苯酚等7種試劑的3種梯度溶液，分別為10-2、10-3、10-4mol/L 的 THF 溶液，通過向 3 mL 的鋅卟啉溶液中每次分別加入5 μL的2，4-二硝基氯代苯、2，4，6- 三硝基苯酚（PA）、3，5- 二硝基苯甲酸、4-硝基酚、對硝基甲苯、對氯硝基苯、苯酚7種試劑配成的不同濃度溶液檢測卟啉的熒光強度減弱情況，據(jù)此了解卟啉化合物是否對含硝基芳烴化合物具有檢測效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 密度泛函理論計算

為了探討所設(shè)計卟啉熒光探針分子結(jié)構(gòu)的合理性以及增進對這些熒光探針分子性質(zhì)的了解，通過量子化學密度泛函理論計算的方法對卟啉熒光探針分子和硝基芳烴的結(jié)構(gòu)和電子云分布情況進行了研究。本文中所有的密度泛函理論 (Density Functional Theory，DFT)計算都是利用GAUSSIAN 09軟件進行的，選用的方法和基組分別為RB3LYP和6-31G(d，p)。相應(yīng)的計算結(jié)果如表1和圖7所示。

表1 Fluorescent Probe ZH-1以及各種硝基芳烴的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和前線軌道Tab.1 The optimized molecular structures and frontier molecular orbital of fluorescent probe ZH-1 and various nitroaromatics

基于熒光淬滅原理，熒光探針分子激發(fā)電子能否傳遞必須遵循以下熱力學要求：淬滅分子激發(fā)態(tài)能級和熒光探針分子的激發(fā)態(tài)能級必須匹配。也就是說作為熒光探針分子要有足夠高的最低未占據(jù)軌道(LUMO)能級，必須高于淬滅分子的LUMO能級0.2 eV，激發(fā)態(tài)的電子才能從熱力學角度有效地注入到淬滅分子的導帶中，從而導致熒光淬滅。

從表1可知，對硝基苯酚（N2）、鄰硝基甲苯（N5）和對硝基甲苯（N6）的最低未占據(jù)軌道(LUMO)能級高于熒光探針分子LUMO能級，故不能淬滅卟啉熒光。其中苦味酸（N4）具有最小的LUMO能量，其與鋅卟啉熒光探針具有較大的熱力學驅(qū)動力，其電勢差達到1.5 eV，預(yù)計有較好的熒光淬滅效果。

圖6 鋅卟啉ZH-1和各種硝基芳烴的結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of zinc porphyrin ZH-1 and various nitroaromatics

圖7 鋅卟啉ZH-1和各種硝基芳烴的能級匹配關(guān)系Fig.7 Energylevel matching between zinc-porphyrin ZH-1 and various nitroaromatics

2.2 鋅卟啉ZH-1對含硝基芳烴化合物的熒光譜圖分析

鋅卟啉ZH-1的熒光數(shù)據(jù)（表2）顯示：在激發(fā)波長為422 nm，其最大發(fā)射波長為626 nm。為了探索鋅卟啉ZH-1的潛在應(yīng)用，進行熒光滴定實驗，PA的梯度從0-50當量遞增，每次滴加量為5 μL。圖8為鋅卟啉ZH-1具有不同濃度的響應(yīng)的PA。圖8顯示：當添加少量PA626 nm處的發(fā)射強度逐漸降低，當加入50當量的PA，幾乎90%發(fā)射被淬滅。

表2 化合物ZH-1的熒光譜圖數(shù)據(jù)Tab.2 The date of photolueneuminescence for compounds ZH-1

圖8 ZH-1滴加7種不同試劑的熒光譜圖Fig.8 Fluorescence spectra of ZH-1(10-6 M)with gradual increment of PA

此外，其它硝基芳烴按照同樣的方法也進行了熒光梯度測試，但是遺憾的是，這些含硝基化合物并不能淬滅鋅卟啉ZH-1的熒光，結(jié)果如圖8b至 h。

2.3 鋅卟啉ZH-1與滴加PA的核磁滴定實驗

為了進一步了解PA淬滅鋅卟啉ZH-1的熒光機制，本研究進行了相應(yīng)的核磁滴定實驗，結(jié)果（圖9）顯示：在沒有滴加PA前，鋅卟啉ZH-1的核磁氫譜低場化學位移為11左右有一個尖銳的單峰，此峰為鋅卟啉ZH-1脲基團的一個NH峰，當?shù)渭?倍當量的PA，核磁氫譜證實存在明顯的氫鍵作用，此時低場化學位移11左右的峰變矮變寬，并且向低場移動，表明正如圖1所示氫鍵加速了PA選擇性淬滅鋅卟啉ZH-1的熒光。

圖9 氘代四氫呋喃中鋅卟啉ZH-1與加入10當量PA的核磁滴定氫譜Fig.9 1H NMR titration of Zinc porphyrin ZH-1 upon the addition of 3 equiv.of PA in THF-d8.

3 結(jié)論

本研究結(jié)合密度泛函理論計算，設(shè)計合成了帶有脲基團的卟啉熒光探針分子，熒光淬滅實驗證實了該分子能夠快速、選擇性檢測痕量硝基芳烴爆炸物苦味酸，核磁滴定實驗進一步證實了脲基團與硝基之間形成強的氫鍵作用從而導致熒光淬滅，從而為氫鍵策略應(yīng)用于熒光探針分子設(shè)計用于苦味酸快速和選擇性檢測提供了實驗基礎(chǔ)。