對十四烷氧基亞胺衍生物對CN-的高選擇性“雙響應”識別

籍向東 劉彩云 張書芳 王文霞 岳國仁,2 曹 成＊,,2

(1河西學院化學化工學院，甘肅省河西走廊特色資源利用重點實驗室，張掖 734000)(2河西學院，甘肅凱源生物技術開發(fā)中心，張掖 734000)

鑒于陰離子在臨床、環(huán)境和生物等領域扮演的重要角色，在過去的幾十年中，通過化學傳感器實現(xiàn)對特定陰離子選擇性識別在分析化學領域受到了廣泛的關注[1-4]。在眾多陰離子中，CN-是一種高毒性陰離子，進入人體以后將會對視覺、內分泌、心臟及中樞神經造成一定損傷，并且工業(yè)生產中強毒性的氰離子可對環(huán)境造成長期持續(xù)污染，被人體吸收可使呼吸酶及血液中血紅蛋白中毒，抑制呼吸導致死亡[5]。對于人體而言，氰化物含量為0.5～3.5 mg·kg-1即足以致命[6]。盡管如此，氰化物仍然廣泛應用于許多化學工業(yè)生產過程，例如電鍍、塑料制造、金和銀的提取等[7-8]。基于此，高敏感度、高選擇性且制備簡單的氰化物傳感器發(fā)展空間巨大，開發(fā)對CN-具有高靈敏度響應的識別受體則顯得尤為重要[9]。

大量研究表明，基于光信號響應的離子識別技術可以簡便高效地識別陰離子，且能通過吸光度等的規(guī)律變化確定特定陰離子的濃度[10-11]。例如氨基、脲/硫脲、酚羥基等多種類型基團的化合物被應用于陰離子識別體系中，并且在選擇性和靈敏度方面均取得了較好效果[12-15]。特別是亞胺類化合物，由于其具有合成簡單、產率高、結構可控性好等優(yōu)點而在近年來受到研究人員的廣泛關注[16-17]。2015年，Kim課題組[18]利用氨基吡嗪與2-羥基-1-萘甲醛通過縮合反應得到一種亞胺型吡嗪類衍生物，該化合物可以高靈敏度、高選擇性地識別CN-和F-離子。2019年，Hu課題組[19]設計合成了一種長鏈烷氧基苯甲酰肼類衍生物，并探索了該化合物的凝膠行為及陰離子識別特性。結果表明，通過上述化合物制備的2種金屬(Hg和Fe)凝膠，對CN-和H2PO4-離子表現(xiàn)出良好的選擇性。在本課題組前期離子識別工作的基礎上[20-21]，我們以對十四烷氧基苯甲醛、2-氨基-4-硝基苯酚為主要原料，通過縮合反應制備了一種同時含有—OH和—CH＝N—陰離子結合基團的亞胺型陰離子受體R，通過核磁滴定、理論計算等技術手段探索了受體與陰離子作用的識別機理，闡述了受體R識別CN-過程中發(fā)現(xiàn)的“反應型”與“氫鍵型”的雙響應現(xiàn)象。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

對十四烷氧基苯甲醛按文獻方法合成制備[22]；2-氨基-4-硝基苯酚、陰離子(四丁基銨鹽)購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乙醇、DMSO、冰醋酸、乙腈等試劑均為分析純或化學純，以上試劑未進行純化直接使用。所用儀器有：上海儀電物理光學熔點儀、Bruker-NMR 400 MHz型核磁共振儀(氘代DMSO，TMS為內標)、美國Thermo Scientific Nico1et iS50型紅外光譜儀、日本日立公司(Hitachi)U-3900H型紫外-可見分光光度計、Bruker-micrOTOF-QⅢ型電噴霧質譜儀。

1.2 受體R的合成及表征

在50 mL圓底燒瓶中依次加入化合物對十四烷氧基苯甲醛0.64 g(2 mmo1)、2-氨基-4-硝基苯酚0.31 g(2 mmo1)、20 mL乙醇和3滴乙酸，加熱回流3 h后，冷卻至室溫，將反應混合液進行過濾，濾餅用冷乙醇(3×10 mL)洗滌，真空干燥后，利用乙腈重結晶得受體R。淡黃色晶體，產率78%。m.p.137～139℃。UV-Vis(DMSO)：λmax=402 nm。1H NMR(DMSO，400 MHz)：δ10.59(s,1H)，8.70(s，1H)，8.01(d，J=8 Hz，2H)，8.00(t,J=8 Hz,2H),7.07(d，J=8 Hz，2H)，7.06(t，J=8 Hz,2H),4.06(t，J=8 Hz，2H)，1.74(m，2H)，1.42(m，2H)，1.24(m，18H)，0.85(t，J=8 Hz，2H)。13C NMR(DMSO，100 MHz)：δ191.16，161.67，150.56，131.70，131.10，123.43,122.00,114.80，114.51，113.02，112.94，31.18，28.93,28.92，28.90，28.89，28.85，28.83，28.62，28.59，28.57,28.34,25.27,21.98,13.84。IR(KBr,cm-1)：3 301，2 918,2 852，1 600，1 567，1 512，1 470，1 428，1 344，1 267，1 249，1 169，1 108，1 011，903，827，748，716。HRMS Ca1cd.for[C27H38N2O4-CH3-OH]-：424.272 6，F(xiàn)ound：424.271 6。

2 結果與討論

2.1 合成

如Scheme 1所示，以對十四烷氧基苯甲醛和2-氨基-4-硝基苯酚為原料，將反應物的物質的量之比控制在1∶1，在少許乙酸催化下，通過簡單的醛胺縮合反應得到目標產物R，產率較高(78%)。通過核磁共振等技術手段對R的結構進行了表征。在1H NMR中，—OH信號在δ=10.59處，—CH＝N—信號在δ=8.70處[23]。在IR中可以看到，3 301 cm-1信號來自—OH的伸縮振動，而1 600 cm-1的信號來自—C＝N—的伸縮振動。此外，通過高分辨質譜驗證了受體R的分子量與上述方式表征的結構相符。

Scheme 1 Synthetic route of imine derivative R

2.2 受體R對陰離子的UV-Vis光譜響應

通過向受體R的DMSO溶液(20 μmo1·L-1)中分別加入50倍物質的量的10種不同陰離子(F-、C1-、Br-、I-、HSO4-、NO3-、C1O4-、H2PO4-、CN-、Ac-)，研究了受體R對多種陰離子的識別性能。如圖1所示，在受體R的DMSO溶液中加入不同陰離子，其中F-、Ac-、CN-三種陰離子使受體R的紫外最大吸收波長396 nm處的吸收峰強度明顯降低，分別在479、489和460 nm處產生新的吸收峰，發(fā)生了明顯的紅移現(xiàn)象，其余 7種陰離子(C1-、Br-、I-、HSO-、NO-、C1O-、434H2PO4-)的加入基本未引起R吸收光譜的變化，這就達到了對于F-、Ac-、CN-三種陰離子識別的目的。圖S5a(Supporting information)給出在490 nm波長下，各種陰離子的識別效果柱狀圖，可以更明顯地看到其光譜識別效果。

圖1 在受體R的DMSO溶液中加入各種陰離子后的UV-Vis吸收光譜Fig.1 UV-Vis absorption spectra of R in DMSO after addition of different anions

受體R在純DMSO體系中實現(xiàn)了選擇性識別F-、Ac-和 CN-，同時 UV-Vis光譜最大吸收峰發(fā)生明顯紅移現(xiàn)象。一般情況下，加入競爭性溶劑可以提高受體對陰離子的選擇性，實現(xiàn)單一識別[24]。我們逐步增加體系的含水量，發(fā)現(xiàn)在受體R的50% H2O+50% DMSO(體積分數(shù))溶液中分別加入50倍物質的量的10種不同陰離子時，可以實現(xiàn)對CN-的單一識別(圖2)，此時受體R的紫外最大吸收波長402 nm處的吸收峰強度明顯降低，而在474 nm處產生新的吸收峰，伴隨明顯的紅移現(xiàn)象。各種陰離子在474 nm處響應的柱狀圖(圖S5b)明顯地表現(xiàn)出單一識別特征。

為了進一步考察受體R與陰離子之間的作用關系，開展了受體R在純DMSO體系中對F-、Ac-和CN-，以及在50% H2O+50% DMSO體系中對CN-的UV-Vis滴定實驗。圖3給出了向濃度為20 μmo1·L-1受體R的DMSO溶液中依次滴加5.8～38.3倍物質的量的F-時體系的UV-Vis光譜圖變化。未加入F-時，受體R在396 nm處有一特征吸收峰，隨著F-的加入量逐漸增加，受體R與F-相互作用使特征吸收峰位置逐步紅移，即受體R中396 nm處的特征吸收峰逐漸減弱，而形成的R-F-復合物特征吸收峰(485 nm)逐漸增強，且在376和415 nm處出現(xiàn)等吸收點，說明受體R與F-形成了穩(wěn)定的主客體復合物。同理，如圖4所示，當逐漸加入3.7～31.3倍物質的量的Ac-時，396 nm處的吸收峰減弱，488 nm處吸收峰逐漸增強，且等吸收點在375和421 nm處。以上結果主要是由于受體R中的質子與客體陰離子形成氫鍵，使特征吸收峰產生明顯的紅移現(xiàn)象。

圖2 在受體R的50% H2O+50% DMSO(體積分數(shù))溶液中加入各種陰離子后的UV-Vis吸收光譜Fig.2 UV-Vis absorption spectra of receptor R in 50% H2O+50% DMSO(vo1ume fraction)after addition of different anions

圖3 在受體R的DMSO溶液中加入不同濃度F-的UV-Vis滴定吸收光譜圖Fig.3 UV-Vis titration spectra of receptor R in DMSO after addition of different concentrations of F-

圖4 在受體R的DMSO溶液中加入不同濃度Ac-的紫外滴定吸收光譜圖Fig.4 UV-Vis titration spectra of receptor R in DMSO after addition of different concentrations of Ac-

圖5 在受體R的DMSO溶液中加入不同濃度CN-的UV-Vis滴定吸收光譜圖Fig.5 UV-Vis titration spectra of receptor R in DMSO after addition of different concentrations of CN-

圖6 在受體R的50% H2O+50% DMSO溶液中加入不同濃度CN-的UV-Vis滴定吸收光譜圖Fig.6 UV-Vis titration spectra of receptor R in 50% H2O+50% DMSO after addition of different concentrations of CN-

同樣，如圖5所示，當向濃度為20 μmo1·L-1的受體R中逐漸滴加1.5～8.5倍物質的量的CN-時，可以觀察到396 nm處的吸收峰減弱，486 nm處吸收峰逐漸增強，且等吸收點在371和420 nm處。通過前面UV-Vis光譜分析可知，在50% H2O+50% DMSO體系下，受體R可以單一識別CN-，在此體系下將CN-逐漸加入(10～13倍物質的量)體系中(圖6)，可以看到402 nm處的吸收峰減弱，469 nm處吸收峰逐漸增強，且等吸收點在337 nm處。此外，在400 nm處未觀察到明顯的等交點，而是吸光度逐漸增大的2組峰(358和470 nm)，說明隨著CN-的增加，有2種新的物種逐漸形成，這一結果與后續(xù)氰根核磁滴定結果相符合。通過上述受體R對F-、Ac-和CN-的UV-Vis滴定分析可知，加入物質的量之比與吸光度之間均基本呈現(xiàn)線性關系，為陰離子的定量分析提供了一定依據(jù)。

2.3 受體R的裸眼識別性能

為了提高受體R在生活中的實際應用價值，研究了識別各種陰離子過程中溶液顏色發(fā)生的變化。在純DMSO體系中(圖S6)，當向受體R中分別加入50倍物質的量的F-、C1-、Br-、I-、HSO-、NO-、C1O-、434H2PO4-、CN-、Ac-時，受體R與 F-、Ac-、CN-形成的體系顏色由淺黃色變?yōu)殚偌t色，與紫外吸收光譜紅移現(xiàn)象相符，實現(xiàn)了對3種陰離子的裸眼識別。如圖7所示，在50% H2O+50% DMSO體系中，當向濃度為20 μmo1·L-1的受體R中分別加入50倍物質的量的上述各種陰離子時，受體R僅與CN-形成的體系顏色由淺黃色變?yōu)闇\橘紅色。因此，受體R可以達到裸眼單一識別CN-的效果，這種顏色變化可能是由于分子內形成氫鍵，產生分子內電荷傳遞效應(ICT)所致。

圖7 在受體R的50% H2O+50% DMSO溶液加入各種陰離子的顏色變化Fig.7 Co1orimetric response upon addition of different cations into 50% H2O+50% DMSO so1utions of receptor R

2.4 受體R檢測試紙的制備及應用

基于受體R與陰離子(F-、Ac-、CN-)結合得到的UV-Vis光譜圖信息和裸眼識別實驗結果，嘗試制備受體R試紙用于檢測不同濃度的F-、Ac-和CN-離子。分別將不同濃度(0.01、0.05和1 mo1·L-1)F-、Ac-和CN-離子的DMSO溶液書寫在受體R檢測試紙上，通過發(fā)生顏色變化而達到檢測不同濃度特定陰離子的目的，是一種經濟效益高且無需附加設備的簡便識別方法。

如圖8所示，在受體R試紙上分別用不同濃度F-、Ac-和CN-離子的DMSO溶液進行書寫，可以看到上述3種離子的字體顏色由淺黃色變?yōu)樯铋冱S色，且陰離子的濃度越大，顏色越深，這是由于隨著陰離子濃度越大，受體R通過氫鍵與陰離子形成的復合物越多。這種效果有望應用于不同濃度F-、Ac-和CN-離子的比色識別。

圖8 受體R試紙檢測不同濃度的F-、Ac-和CNFig.8 Photograph of test papers with receptor R for detecting different concentrations of F-,Acand CN-

2.5 受體R的核磁滴定

通過UV-Vis光譜信息、裸眼識別及試紙檢測實驗，仍難以解釋受體R與陰離子(F-、Ac-、CN-)如何通過氫鍵作用相結合，進而實現(xiàn)識別效應。通常情況下，受體與陰離子的結合機制可以利用受體中活潑氫及其他質子在核磁氫譜中的顯著變化來解釋[25-26]。圖9為受體R與不同倍數(shù)物質的量的F-離子在DMSO-d6(c=2.0 mmo1·L-1)中的核磁氫譜圖。在加入F-離子之前，受體R中OH的Ha和—CH＝N—的Hb質子的化學位移分別在10.59和8.70。當向受體R中逐漸加入F-離子時，芳香環(huán)上的氫原子信號向高場發(fā)生部分位移且Ha質子信號逐漸減弱直至消失，—CH＝N—中Hb信號向低場發(fā)生明顯位移。當加入0.5倍的F-離子時，Ha質子信號明顯減弱，說明F-離子與部分羥基中的Ha形成氫鍵，得到新的RF-復合物。當加入1.0倍的F-離子時，Ha質子信號基本消失，說明F-離子與羥基中Ha基本全部形成氫鍵。當加入1.5倍或2.0倍的F-離子時，Ha質子信號完全消失，且—CH＝N—的Hb質子化學位移向低場發(fā)生明顯位移，說明F-離子與受體中的Ha質子以1∶1的關系完全形成氫鍵，過量的F-離子以“接力識別模式”與Hb質子形成氫鍵進而實現(xiàn)識別過程。當加入5.0倍的F-離子時，可以觀察到在δ=16.12處出現(xiàn)HF2-信號，說明受體R發(fā)生了脫質子行為。為了進一步證實受體R與F-結合可以得到相應的陰離子復合物，我們對反應后的產物進行了高分辨質譜分析。在質譜圖(圖S7)中發(fā)現(xiàn)來自[R+Na+HF]+的信號(497.278 0)，與理論值(497.279 2)基本一致，證實了受體R與F-結合得到R-F-復合物。

圖9 受體R在DMSO中的F-離子核磁滴定圖Fig.9 1H NMR titration of receptor R with F-in DMSO

為了探索氰根的識別機制，進行了受體R與氰根的核磁滴定情況分析。如圖10所示，未加入CN-離子時，將受體R中OH(δ=10.59)和—CH＝N—(δ=8.70)的質子分別標記為Hc和Hd。當加入1.0倍的CN-離子時，質子Hc基本完全消失，說明受體R與氰根以1∶1的比例發(fā)生了脫質子行為，形成新的化合物c。當加入2.0倍或5.0倍的CN-離子時，Hd質子信號發(fā)生明顯位移，且新出現(xiàn)的質子He峰相對逐漸增大。此外，用質譜對受體R與CN-離子結合情況進行分析(圖 S8)，發(fā)現(xiàn)來自[R+CN]-的信號(480.289 9)，與理論值(480.286 2)基本一致。

圖10 受體R在DMSO中的CN-離子核磁滴定圖Fig.10 1H NMR titration of receptor R with CN-in DMSO

2.6 識別機理

根據(jù)上述核磁滴定及UV-Vis光譜數(shù)據(jù)可知(圖11)，當向受體R中逐漸加入F-時，首先是—OH質子信號逐漸消失，表明高電負性F-與羥基中氫原子Ha形成穩(wěn)定的氫鍵，得到化合物a，再進一步增加F-離子，發(fā)生脫質子行為并與—CH＝N—中質子Hb形成氫鍵，得到化合物b。

圖11 受體R對F-可能的識別機理Fig.11 Possib1e recognition mechanism of receptor R to F-

同樣由上述核磁滴定及UV-Vis光譜數(shù)據(jù)可知(圖12)，受體R首先與1.0倍的CN-結合，發(fā)生脫質子后形成化合物c，通過向化合物c中進一步加入CN-離子，化合物c同時通過“反應型”識別得到化合物d和“氫鍵”識別得到化合物e。同時發(fā)現(xiàn)隨著CN-離子的增多，化合物e逐漸轉化為化合物d。此外，當CN-的使用量從0.5倍增加至5.0倍時，化合物d的含量從15.78%增至43.10%(以Hd與He的積分和為100%為標準計算)，達到平衡。據(jù)此，推斷受體R的識別機理為“反應型[27]”與“氫鍵型[28]”雙響應識別。綜上分析，通過受體R與CN-形成復合物的識別過程，進一步驗證了主體-陰離子復合物的形成。這一發(fā)現(xiàn)為陰離子識別機制模式的擴展及延伸提供了堅實的理論支撐。

圖12 受體R對CN-可能的識別機理Fig.12 Possib1e recognition mechanism of receptor R to CN-

2.7 離子競爭

為了進一步擴展受體R的應用范圍，研究了比色識別受體R在其他陰離子存在的條件下對CN-的選擇性。向受體R(0.2 mmo1·L-1)的50% H2O+50% DMSO溶液中依次加入50倍物質的量的CN-和其他陰離子，測試每種溶液的UV-Vis吸收光譜。如圖13所示，在464 nm處的吸光度僅F-略有影響，而其他陰離子對受體R識別CN-的過程基本無影響。因此，受體R在選擇性識別CN-方面表現(xiàn)出較好的抗干擾性能，具有更廣泛的環(huán)境適應性和實用性。

圖13 競爭陰離子對受體R識別CN-的影響Fig.13 Effect of competitive anions on interaction between receptor R and CN-

2.8 結合常數(shù)和Job曲線

通過Benesi-Hidebrand方程擬合、計算受體R在DMSO 溶液中分別與 F-、Ac-、CN-以及在50% H2O+50% DMSO溶液中與CN-形成的結合常數(shù)(Ka)、相關系數(shù)(R2)及檢出限(LOD)[29]，結果如表1所示(擬合直線見圖S9)。在DMSO溶劑體系下，R與3種離子的結合常數(shù)均大于8.85×102L·mo1-1，表明受體R對F-、Ac-、CN-三種離子均具有良好的選擇性識別能力。此外，受體R對F-、Ac-、CN-三種離子的檢出限可通過標準偏差σ和線性擬合的斜率k得到：LOD=3σ/k[30]。受體 R 對于 F-、Ac-、CN-的檢出限分別可達11.2、8.82 和 2.26 μmo1·L-1。 在 50% H2O+50% DMSO體系下，受體R識別CN-離子的結合常數(shù)可達1.31×103L·mo1-1，可以實現(xiàn)單一高選擇性高靈敏度識別效應。受體R對于CN-的檢出限可達7.02 μmo1·L-1。以上結果進一步證實了在DMSO或50% H2O+50% DMSO體系下，受體R對F-、Ac-和CN-具有較高的檢測靈敏度。

表1 受體R在DMSO或50% H2O+50% DMSO溶液中識別陰離子的Ka、R2及LODTable 1 Ka,R2and LOD of receptor R recognizing the anions in DMSO or 50% H2O+50% DMSO

為了確定受體R與客體陰離子之間的結合比例，利用濃度持續(xù)變化(Job法)的方式進行驗證。以F-的Job曲線為例，在保持受體R與F-的總濃度為40 μmo1·L-1基礎上，持續(xù)改變chost/(chost+cguest)，從而得到F-的Job曲線。如圖14所示，當cR/(cR+cF-)=0.67時，R-F-復合物的濃度接近最大值，說明受體R與F-形成了1∶2的主客體復合物，且圖中2條直線的擬合相關系數(shù)分別為0.98與0.95，這一結果進一步驗證了上述推斷的識別機理。

圖14 受體R與F-相互作用的Job曲線Fig.14 Job′s p1ot for interaction between receptor R and F-

2.9 理論計算

為了更好地理解R的識別機理，我們通過Gaussian09[31]量子化學軟件，在B3LYP密度泛函下，用6-311G(d)基組來描述C、N、O、H原子，在此水平上加入PCM溶劑化模型對受體R及其陰離子復合物在DMSO溶液中的吸收光譜、振子強度和能量等信息進行理論計算，結構圖和軌道圖應用Mu1tiwfn3.7和VMD1.9.3軟件共同繪制[32]，結果如圖15、S10、S11、S12及表2所示。結合CN-及F-后主體的HOMO-LUMO能級差由3.48 eV分別降低到2.17和2.94 eV，這與UV-Vis上結合陰離子吸收光譜明顯紅移相吻合。結果表明，主體R及R結合陰離子的物種 R-F-、R-CN-(結構 d)、R-CN-(結構 e)的電子能分別為-39.78、-42.50、-43.31和-42.28 kJ·mo1-1，表明主體容易結合陰離子形成主客體復合物[33]。主體R的HOMO軌道電子云離域分布明顯，在硝基芳胺和芳醛的π軌道上均有分布，而在結合陰離子之后則明顯地向硝基芳胺的π*軌道偏移，而R-F-及RCN-的HOMO和LUMO更多分布在硝基芳胺上，F(xiàn)-及CN-的引入對躍遷性質有明顯影響，計算結果與實驗結果基本一致(圖S13)。從HOMO軌道電子云分布可以看出，F(xiàn)-離子與主體分子上OH結合，使得OH上的H從O上解離，和CN-或F-結合并最終發(fā)生脫質子行為。

圖15 復合物R-F-的最優(yōu)結構及前線分子軌道HOMO-LUMO能量差Fig.15 DFT method-optimized minimum energy structure and HOMO-LUMO energy difference of comp1exes R-F-

表2 受體R、R-F-、R-CN-(結構d)和R-CN-(結構e)的分子軌道能量Table 2 Molecular orbital energy of compounds R,R-F-,R-CN-(structure d)and R-CN-(structure e)

3 結 論

設計、合成了一種新型含O—H及—CH＝N—官能團的亞胺類陰離子受體R，通過核磁滴定、高分辨質譜、UV-Vis分析等技術手段對識別性能進行研究。結果表明，受體R在DMSO溶液中對3種陰離子F-、Ac-、CN-具有良好的識別性能。此外，在50% H2O+50% DMSO溶液中可單一識別CN-離子，檢出限可達 7.02 μmo1·L-1，且裸眼檢測發(fā)現(xiàn)僅 CN-使 R有明顯的顏色變化。通過受體R的試紙可以裸眼檢測到不同濃度的F-、Ac-及CN-，具有一定的實用價值。通過對結合常數(shù)、Job曲線、高分辨質譜及核磁滴定等數(shù)據(jù)的分析，我們提出了可能的識別機理，發(fā)現(xiàn)受體R識別CN-離子過程中存在“反應型”與“氫鍵型”雙響應識別現(xiàn)象，通過理論計算部分進一步證實了該結論。綜上，本工作對于新型亞胺類陰離子受體的開發(fā)及識別機理的研究具有一定參考價值。

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