7-二乙胺基-3-[(噻吩-2-亞甲氨基)甲基]香豆素的合成及對(duì)Fe3+的熒光識(shí)別

吳芳輝*， 楊俊卿， 徐 帆， 董天涯， 陳 晨， 儲(chǔ)心萍

(安徽工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，安徽馬鞍山 243002)

近年來(lái)，通過(guò)簡(jiǎn)單的光學(xué)儀器甚至裸眼觀察響應(yīng)信號(hào)的變化簡(jiǎn)單方便地識(shí)別金屬離子已廣泛應(yīng)用于食品分析、醫(yī)藥學(xué)、環(huán)境保護(hù)和生命科學(xué)等領(lǐng)域[1 - 2]，而設(shè)計(jì)能結(jié)合金屬離子引起光譜變化的分子探針化合物是金屬離子識(shí)別檢測(cè)中的關(guān)鍵，其決定了光學(xué)傳感器的識(shí)別選擇性和結(jié)合靈敏度。其中含有甲亞胺基團(tuán)的席夫堿化合物，因其合成方法較為簡(jiǎn)單、配位作用強(qiáng)、結(jié)構(gòu)多樣化并具有優(yōu)良光電和催化性能等特點(diǎn)，常被用于金屬陽(yáng)離子的識(shí)別[3-5]。另一方面，廣泛存在于自然界，光穩(wěn)定性好、可見(jiàn)區(qū)光激發(fā)，具有生物活性的香豆素類(lèi)化合物，也具備了作為分子探針的優(yōu)勢(shì)，并且在香豆素母環(huán)上不同位置修飾不同的官能團(tuán)，還能使其具有更加優(yōu)良的熒光傳感性能[6 - 7]。因此，有文獻(xiàn)報(bào)道[8-9]，通過(guò)在席夫堿類(lèi)化合物結(jié)構(gòu)中鍵連香豆素衍生物作為發(fā)光體后，因含有C=O和C=N等螯合基團(tuán)，并提供了S、O和N等多種配位點(diǎn)，對(duì)某些金屬陽(yáng)離子產(chǎn)生了較強(qiáng)的識(shí)別活性。目前，有很多種類(lèi)的熒光探針被用于識(shí)別和檢測(cè)Fe3+[10 - 13]，然而結(jié)合香豆素鍵連席夫堿構(gòu)建的“turn-off”型Fe3+熒光探針較為稀少。

本文采用4-二乙胺基水楊醛和丙二酸二乙酯為原料，在哌啶存在的條件下生成二乙胺基香豆素前驅(qū)體化合物，接著再與三氯氧磷生成7-二乙胺基香豆素，最后和噻吩-2-甲胺通過(guò)簡(jiǎn)單的一步反應(yīng)合成了一種新型的7-二乙胺基-3-[(噻吩-2-亞甲氨基)甲基]香豆素(DTMC)化合物，表征了其結(jié)構(gòu)并研究了其對(duì)金屬離子的光學(xué)響應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)DTMC對(duì) Fe3+的有明顯的識(shí)別活性。即當(dāng)有Fe3+存在時(shí)，可以檢測(cè)到DTMC熒光強(qiáng)度明顯地降低甚至產(chǎn)生熒光“關(guān)”的現(xiàn)象，并且其它金屬離子對(duì)其識(shí)別Fe3+幾乎無(wú)干擾。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

紅外光譜采用美國(guó)Nicolet/Nexus-870型傅立葉變換紅外光譜儀(KBr壓片)；核磁共振譜在德國(guó)布魯克公司Bruker Avance Ⅲ 400MHz型核磁共振儀(TMS為內(nèi)標(biāo))上測(cè)定；采用美國(guó)Perkin-Elmer 2400元素分析儀進(jìn)行元素分析；香豆素席夫堿化合物DTMC與其它離子之間的作用分別采用美國(guó)Perkin Elmer LS55型熒光光譜儀測(cè)量。

4-二乙胺基水楊醛和噻吩-2-甲胺購(gòu)自阿拉丁試劑公司，濃HCl和冰HAc購(gòu)自上海中試化工總公司，其余試劑均購(gòu)自國(guó)藥試劑公司，所用化學(xué)試劑均為分析純，使用前未經(jīng)進(jìn)一步純化。所有吸收光譜和熒光光譜實(shí)驗(yàn)均在DMF溶劑中于室溫下進(jìn)行，所用水均為二次蒸餾水。

1.2 7-二乙胺基-3-醛基香豆素的合成

采用改進(jìn)的文獻(xiàn)方法[14]，于裝有30 mL乙醇的燒瓶中分別加入1.93 g(10 mmol)4-二乙胺基水楊醛、3.20 g(20 mmol)丙二酸二乙酯和1 mL的哌啶，于80 ℃條件下加熱回流反應(yīng)6 h，然后再加入20 mL濃HCl及20 mL冰HAc繼續(xù)反應(yīng)6 h。反應(yīng)完成后將反應(yīng)液傾入100 mL冰水中，使用40%的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至6后，抽濾干燥得到7-二乙胺基香豆素。在無(wú)水無(wú)氧裝置中先將含2 mL三氯氧磷的無(wú)水DMF(2 mL)于30 ℃條件下攪拌0.5 h，然后將含有1.5 g(6.91 mmol)7-二乙胺基香豆素的10 mL無(wú)水DMF加入至該反應(yīng)器中于60 ℃的條件下加熱回流反應(yīng)12 h。反應(yīng)結(jié)束后將反應(yīng)液倒入100 mL冰水中，使用30%的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至有大量沉淀產(chǎn)生結(jié)束反應(yīng)，抽濾并使用乙醇多次重結(jié)晶得到產(chǎn)物7-二乙胺基-3-醛基香豆素(1.2 g)。產(chǎn)率：71%。

1.3 7-二乙胺基-3-[(噻吩-2-亞甲氨基)甲基]香豆素的合成

將1.235 g 7-二乙胺基-3-醛基香豆素(5 mmol)與0.57 g噻吩-2-甲胺(5 mmol)溶于20 mL乙醇中，于85 ℃條件下加熱回流反應(yīng)6 h后冷卻，抽濾并使用乙醇重結(jié)晶得到產(chǎn)物7-二乙胺基-3-[(噻吩-2-亞甲氨基)甲基]香豆素(1.13 g)。產(chǎn)率：66.5%。1H NMR(400 MHz,CDCl3),δ(ppm):1.23(t,6H),3.43(m,4H),4.79(m,2H),6.48(d,J=2.0Hz,1H),6.63(dd,J=2.8Hz and 2.4Hz,1H),6.94(m,1H),7.02(m,1H),7.20(dd,J=1.2Hz and 1.2Hz,1H),7.41(m,1H),8.73(s,1H),9.18(s,1H).IR(KBr,cm-1):2972(-CH3),2928(-CH2-),1697(-COOR),1617(C=N),1227(C=O),1134(C-N).元素分析計(jì)算值(%)C19H20N2O2S:C 67.03，H 5.92， N 8.23，O 9.40 S 9.42；測(cè)定值(%):C 67.22，H 5.81，N 8.34，O 9.53 S 9.61。

1.4 熒光測(cè)定方法

熒光探針DTMC與其它離子之間的作用采用1 cm石英比色皿，于Perkin Elmer LS55型熒光光譜儀上測(cè)量。金屬離子均由乙酸鹽配制成DMF溶液，DTMC于室溫下溶解于DMF中先配制成10-3mol/L儲(chǔ)備液，再將1 mL儲(chǔ)備液稀釋至100 mL容量瓶中用于光譜研究，測(cè)試溶液現(xiàn)配現(xiàn)用。熒光滴定實(shí)驗(yàn)則是在DTMC的DMF溶液中不斷滴加0～10-3mol/L的Fe3+，觀察光譜強(qiáng)度的變化來(lái)進(jìn)行研究的。

2 結(jié)果與討論

2.1 DTMC的合成與表征

本文在文獻(xiàn)報(bào)道[14]的基礎(chǔ)上，先采用改進(jìn)的方法將4-二乙胺基水楊醛和丙二酸二乙酯在哌啶存在的條件下加熱回流反應(yīng)得到7-二乙胺基香豆素前驅(qū)體化合物，然后繼續(xù)加入濃HCl及冰HAc反應(yīng)生成7-二乙胺基香豆素；第二步在無(wú)水無(wú)氧裝置中采用三氯氧磷與7-二乙胺基香豆素反應(yīng)并通過(guò)重結(jié)晶后獲得產(chǎn)物7-二乙胺基-3-醛基香豆素；第三步則采用7-二乙胺基-3-醛基香豆素與2-噻吩甲胺為原料，通過(guò)一步法合成得到了一種基于香豆素和噻吩的新型香豆素席夫堿類(lèi)分子探針7-二乙胺基-3-[(噻吩-2-亞甲氨基)甲基]香豆素(DTMC)，并使用核磁共振氫譜和傅里葉變換紅外光譜表征了其結(jié)構(gòu)。核磁共振氫譜中1.23 ppm處對(duì)應(yīng)的是二乙胺基上的甲基峰，3.43 ppm處對(duì)應(yīng)二乙胺基上的亞甲基峰，4.79 ppm處對(duì)應(yīng)的是甲胺基中的亞甲基峰，9.18 ppm處對(duì)應(yīng)C=N中碳原子鏈接的氫的峰，其余為香豆素環(huán)和噻吩環(huán)上的氫峰。紅外光譜中2 972 cm-1處和2 928 cm-1處對(duì)應(yīng)二乙胺基的甲基峰和亞甲基峰，1 697 cm-1處對(duì)應(yīng)香豆素的內(nèi)酯峰，1 617 cm-1處對(duì)應(yīng)C=N雙鍵的峰，結(jié)合元素分析結(jié)果可知各項(xiàng)表征所得數(shù)據(jù)與化合物結(jié)構(gòu)一致。DTMC的合成路線見(jiàn)圖1。

圖1 DTMC的合成步驟Fig.1 Synthesis of DTMC

2.2 化學(xué)傳感器DTMC的光學(xué)性質(zhì)和抗干擾性能研究

圖2 DTMC的DMF溶液中加入不同金屬離子(10-5 mol/L)后的熒光光譜圖(λex=384 nm,λem=476 nm,狹縫為2 nm)Fig.2 Fluorescence spectrum of DCTC in the presence of different metal ions(10-5 mol/L)(λex=384 nm,λem=476 nm,slit:2 nm)

圖3 DTMC的DMF溶液中(10-5 mol/L)加入等量(10-4 mol/L)的Fe3+與其它金屬離子后的熒光強(qiáng)度柱形圖Fig.3 Fluorescence intensity of DTMC in DMF(10-5 mol/L) adding same amount of Fe3+ with other metal ions(10-4 mol/L)

2.3 DTMC的應(yīng)用和結(jié)合性能研究

圖4 DTMC的DMF溶液(10-5 mol/L)中加入的不同量Fe3+后的熒光強(qiáng)度Fig.4 Fluorescence spectra of DTMC in DMF(10-5 mol/L) with the addition of 0 - 10-3 mol/L Fe3+λex=384 nm,λem=476 nm,slit:2 nm.

向DTMC的DMF溶液中滴加Fe3+后發(fā)現(xiàn)其熒光發(fā)射峰會(huì)不斷地下降(圖4)。并且研究結(jié)果還表明，DTMC在476 nm處的熒光強(qiáng)度差值(ΔF=F0-F)與Fe3+的濃度在0 ～ 10-4mol/L之間呈很好的線性關(guān)系，線性方程為：ΔF=42.15528+13.19892×cF3+(μmol/L)，線性相關(guān)系數(shù)R=0.9975。而當(dāng)加入的Fe3+達(dá)到飽和濃度時(shí)(10-3mol/L)，其熒光會(huì)減弱至基本消失，如圖4所示。本文根據(jù)熒光光譜光譜數(shù)據(jù)計(jì)算并畫(huà)出Benesi-Hilderbrand圖(圖略)，DTMC在476 nm處的1/(F0-F)與1/cFe3+(0 ～10-4mol/L)有很好線性關(guān)系(R=0.9999)，通過(guò)B-H方程計(jì)算出其結(jié)合常數(shù)為4.04×103(mol/L)-1 [16]。采用Job’s圖(圖略)進(jìn)一步分析表明當(dāng)DTMC的摩爾分?jǐn)?shù)為0.67左右時(shí)，熒光強(qiáng)度變化值達(dá)到最大，證明DTMC與Fe3+之間以2∶1的摩爾比配位[17]。

3 結(jié)論

本文使用了7-二乙胺基-3-醛基香豆素與噻吩-2-甲胺反應(yīng)合成了一種新型的基于噻吩和香豆素基團(tuán)的化合物7-二乙胺基-3-[(噻吩-2-亞甲氨基)甲基]香豆素(DTMC)。研究結(jié)果表明DTMC對(duì)Fe3+能快速實(shí)現(xiàn)熒光抑制響應(yīng)(時(shí)間小于2 s)，當(dāng)在DTMC的DMF溶液中加入的Fe3+達(dá)到飽和濃度(10-3mol/L)后，DTMC的熒光甚至?xí)弧瓣P(guān)閉”，并且其它離子不干擾測(cè)定，表明該分子探針對(duì)Fe3+的熒光識(shí)別選擇性較好。有望發(fā)展分子探針DTMC用于定量檢測(cè)微量Fe3+。