吲哚烯類受體對(duì)銅離子的高選擇性識(shí)別研究

王寶娟,薛 靜,徐淑明,魏 薇

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

在生物體內(nèi)的代謝過(guò)程中,金屬陽(yáng)離子起著特殊的作用,它在細(xì)胞膜內(nèi)外的傳輸是在與相應(yīng)蛋白結(jié)合的控制下完成的[1]。從最初的廢水中重金屬離子的檢測(cè)[2],到主族金屬離子的作用研究[3],陽(yáng)離子識(shí)別不斷發(fā)展進(jìn)步,受體分子的選擇更加廣泛,識(shí)別機(jī)制的研究也逐漸成熟,發(fā)展出了大量具有明顯選擇性和反應(yīng)活性的金屬配合物。

過(guò)渡金屬陽(yáng)離子多數(shù)都存在空軌道,可以接收來(lái)自外部的電子。因此,含有孤對(duì)電子的基團(tuán)是過(guò)渡金屬離子良好的配體。銅是人體必需的微量金屬元素之一,在人體中的含量?jī)H次于鐵和鋅。銅與蛋白質(zhì)結(jié)合形成銅蛋白或含銅酶,參與生物體內(nèi)電子轉(zhuǎn)移、氧的輸送和多種有機(jī)底物(胺、多酚和糖等)的生物氧化過(guò)程[4-5],另外還有調(diào)節(jié)體內(nèi)鐵的吸收、促進(jìn)血紅蛋白合成以及形成皮膚、頭發(fā)和眼睛的色素等功能。因此,設(shè)計(jì)合成具有高選擇性、高靈敏度的銅離子受體倍受關(guān)注。順磁性的銅離子還是一種高效的熒光淬滅劑,通過(guò)電子轉(zhuǎn)移或能量轉(zhuǎn)移方式淬滅或增強(qiáng)熒光[6-8]。近年來(lái),基于熒光法識(shí)別銅離子的研究已有較多報(bào)道[9-11],且多集中在有機(jī)介質(zhì)中,但基于比色法識(shí)別銅離子的報(bào)道為數(shù)不多,且含水體系中基于比色法識(shí)別Cu(Ⅱ)的文獻(xiàn)更少。鑒于此,研究設(shè)計(jì)合成了2位連接三吲哚烯受體化合物,其分子中含有不飽和的共軛雙鍵基團(tuán),考察其對(duì)銅離子的識(shí)別與傳感性能,初步揭示了受體與金屬離子的識(shí)別作用機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

100 mL圓底燒瓶(蜀牛公司),磁力攪拌器(FCH202,廣州市深華生物技術(shù)有限公司),布氏漏斗(150 mm,高德),抽濾瓶(250 mL,高德),定性濾紙(7 cm,廣州誠(chéng)儀諾儀器),紫外-可見分光光度計(jì)(Lambda-35型,1 cm石英液池,Perkin-Elmer公司),精密pH計(jì)(PHS-3C型,上海日島科學(xué)儀器有限公司),試管(外徑10 mm,長(zhǎng)度100 mm),微量進(jìn)樣器(15 μL,上海高鴿)。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

3-甲基吲哚(分析純),無(wú)水甲醇(分析純),原甲酸三乙酯(分析純),濃硫酸(分析純),丙酮(分析純),濃鹽酸(分析純),亞硝酸鈉(分析純),60%高氯酸水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),無(wú)水乙醇(分析純),乙腈(分析純),HEPES-NaOH緩沖溶液(pH=7),九水合硝酸鐵(分析純)、四水合硝酸鎘(分析純)、六水合硝酸鈷(分析純)、六水合硝酸鋅(分析純)、九水合硝酸鉻(分析純)、硝酸鉛(分析純)、三水合硝酸銅(分析純)、1/2 水合硝酸汞(分析純)、硝酸銀(分析純)、八水合硝酸鎳(分析純)、x水合高氯酸亞鐵(分析純)。

1.3 2位連接三吲哚烯受體B1的合成與表征

稱取一定量的3-甲基吲哚,用20 mL無(wú)水甲醇溶解在100 mL圓底燒瓶中,加入1/3摩爾量的原甲酸三乙酯,再加入0.5 mL濃硫酸,室溫下攪拌反應(yīng)3 h,有白色沉淀生成,抽濾,干燥,用無(wú)水甲醇重結(jié)晶得到中間體2位連接三吲哚烷A1。中間體2位連接三吲哚烷A1的合成路線如圖1所示。

圖1 2位三吲哚烷A1的合成路線

稱取100 mg的2位連接三吲哚烷A1,用50 mL丙酮溶解,加入5 mL水和0.5 mL濃鹽酸。稱取19 mg亞硝酸鈉,用10 mL水溶解,緩慢滴加上述A1的丙酮溶液,滴加時(shí)間約持續(xù)15 min。滴加完畢后反應(yīng)5 min,再加0.5 mL 60%的高氯酸水溶液,室溫下攪拌反應(yīng)1 h。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑丙酮,有黑藍(lán)色沉淀生成,抽濾,用水洗滌3次,再用無(wú)水乙醇小心洗滌3次,得到產(chǎn)物2位連接三吲哚烯B1。產(chǎn)物2位連接三吲哚烯B1的合成路線如圖2所示。

圖2 2位三吲哚烯B1的合成路線

產(chǎn)物B1以高氯酸鹽的形式存在,為墨綠色晶體。通過(guò)計(jì)算可得產(chǎn)物B1的產(chǎn)率為90%,通過(guò)顯微熔點(diǎn)儀測(cè)得產(chǎn)物B1的熔點(diǎn)為247～249 ℃。通過(guò)紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)得產(chǎn)物B1的摩爾吸光系數(shù)ε為10 566 M-1·cm-1(最大吸收波長(zhǎng)為580 nm)。通過(guò)元素分析儀測(cè)得產(chǎn)物B1的主要元素含量為:C%=67.32%,H%=4.79%,N%=8.42%。產(chǎn)物B1的主要元素含量計(jì)算值為:C%=66.99%,H%=4.82%,N%=8.37%。通過(guò)質(zhì)譜儀測(cè)得產(chǎn)物B1的質(zhì)譜數(shù)據(jù)為:m/z402.5 ([M+H]+)。通過(guò)核磁共振儀測(cè)得產(chǎn)物B1的核磁共振氫譜數(shù)據(jù)為:1H NMR (DMSO-d6,400 MHz):10.81 (s,2H,N-H),7.42 (d,3H,J=8 Hz,Ar-H),7.30 (d,3H,J=8 Hz,Ar-H),6.98 (m,6H,Ar-H),2.12 (s,6H,Me-H),2.07 (s,3H,Me-H)。通過(guò)傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)得產(chǎn)物B1的紅外譜圖出峰位置為:3 612,3 283,3 056,2 946,1 702,1 610,1 519,1 425,1 382,1 115,1 027,924,882,751(以KBr壓片)。

1.4 受體的金屬陽(yáng)離子識(shí)別測(cè)定

受體B1溶液的配制:稱量0.002 g的受體B1于10 mL試管中,以乙腈稀釋定容至5 mL,配制成5.0×10-4M的溶液,待用。

金屬離子溶液的配制:稱量相應(yīng)質(zhì)量的金屬鹽(硝酸鹽或高氯酸鹽)至15 mL試管中,用pH值為7.0的HEPES-NaOH緩沖溶液溶解定容(由于溶解度的問題,Fe(Ⅱ)使用高氯酸鹽),配成金屬離子濃度為1.0×10-2M的中性緩沖水溶液。

乙腈-水(V乙腈∶V水=1∶1)中性緩沖溶液的混合體系中受體B1與不同金屬陽(yáng)離子作用的紫外測(cè)定:用微量進(jìn)樣器分別量取0.8 mL受體B1的乙腈溶液(5.0×10-5M)于一系列試管中。用微量進(jìn)樣器分別量取Fe(Ⅲ)、Cd(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)、Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)、Ag(Ⅰ)、Ni(Ⅱ)、Fe(Ⅱ)等金屬陽(yáng)離子的中性緩沖水溶液(1.0×10-2M)各4 μL,用HEPES-NaOH緩沖溶液稀釋至2 mL,再用乙腈定容至4 mL。定容后,受體B1的溶液濃度為1.0×10-5M,各種金屬陽(yáng)離子濃度為受體濃度的1倍,溶液為乙腈-水(V乙腈∶V水=1∶1)中性緩沖溶液的混合體系,混合均勻后于室溫下測(cè)其紫外-可見吸收光譜(乙腈-水(V乙腈∶V水=1∶1)中性緩沖溶液的混合溶劑作參比)。

乙腈-水(V乙腈∶V水=1∶1)中性緩沖溶液的混合體系中受體B1與Cu(Ⅱ)作用的紫外滴定實(shí)驗(yàn):分別移取3 mL受體B1的乙腈-水(V乙腈∶V水=1∶1)中性緩沖混合溶液(1.0×10-5M)于1 cm石英比色液池中。用微量進(jìn)樣器分別加入不同體積的Cu(Ⅱ)的中性緩沖水溶液(1.0×10-2M),混合均勻后,得到受體B1濃度恒定(1.0×10-5M),Cu(Ⅱ)濃度逐漸增大的乙腈-水(V乙腈∶V水=1∶1)中性緩沖溶液的混合體系,于室溫下測(cè)其紫外-可見吸收光譜(乙腈-水(V乙腈∶V水=1∶1)中性緩沖溶液的混合溶劑作參比)。

2 結(jié)果討論

2.1 不同金屬陽(yáng)離子的識(shí)別

受體B1除了具有比色識(shí)別陰離子的性能,還具有對(duì)某些金屬陽(yáng)離子的比色識(shí)別作用,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,受體B1的乙腈-水(V乙腈∶V水=1∶1)中性緩沖溶液本身在500～600 nm處有一個(gè)較強(qiáng)的吸收譜帶。當(dāng)加入1倍當(dāng)量的各種金屬陽(yáng)離子時(shí),僅Cu(Ⅱ)引起了體系紫外吸收光譜和溶液顏色的明顯變化,受體B1在500～600 nm處的吸收譜帶明顯減弱,而在較短波數(shù)下的362 nm和453 nm處出現(xiàn)2個(gè)新的吸收峰,同時(shí)溶液的顏色由藍(lán)紫色變成黃色。加入其他金屬陽(yáng)離子(Fe(Ⅲ)、Cd(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)、Zn(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)、Ag(Ⅰ)、Ni(Ⅱ)、Fe(Ⅱ))時(shí),沒有出現(xiàn)明顯的溶液顏色和光譜特征變化。

圖3 受體B1的乙腈-水(V乙腈∶V水=1∶1)中性緩沖溶液中加入不同金屬陽(yáng)離子的吸收光譜(1.0×10-5 M)和顏色變化(5.0×10-5 M)

2.2 受體與銅離子作用的紫外滴定

乙腈-水(V乙腈∶V水=1∶1)中性緩沖溶液中B1(1.0×10-5M)與Cu(Ⅱ)作用的紫外滴定光譜如圖4所示。由圖4可見,受體分子B1中逐漸加入Cu(Ⅱ)時(shí),在500～600 nm處的吸收譜帶逐漸減弱直至完全消失,在362 nm和442 nm處出現(xiàn)2組逐漸增強(qiáng)的新吸收峰,同時(shí)可明顯觀察到在458 nm處有1個(gè)等吸收點(diǎn)。

圖4 乙腈-水(V乙腈∶V水=1∶1)中性緩沖溶液中B1(1.0×10-5 M)與Cu(Ⅱ)作用的紫外滴定光譜

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,受體B1對(duì)Cu(Ⅱ)不僅具有較高的比色識(shí)別選擇性,而且還具有較高的靈敏性,能夠快速與Cu(Ⅱ)反應(yīng)。在紫外滴定實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),大約加入2.8倍當(dāng)量的Cu(Ⅱ)就可使受體B1在500～600 nm處的吸收峰降至最低,達(dá)到滴定飽和。因此,受體B1對(duì)Cu(Ⅱ)快速響應(yīng)的性質(zhì)為Cu(Ⅱ)的定量檢測(cè)提供了有利條件。利用Hildebrand-Benesi方程[12]對(duì)光譜滴定數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系(如圖4中左上角插圖),說(shuō)明受體B1與Cu(Ⅱ)形成1∶1的配合物。由線性擬合得到直線方程為

y=6.440 28+0.004 5x,

可以計(jì)算出受體B1與Cu(Ⅱ)作用的結(jié)合常數(shù)K=1 431.2 M-1(R=0.998 5)。

由于受體B1分子為三吲哚烯不飽和共價(jià)鍵,在激發(fā)態(tài)時(shí)具有分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)的特性[13],在乙腈-水(V乙腈∶V水=1∶1)中性緩沖溶液體系中,Cu(Ⅱ)與受體分子形成多氫鍵化合物,使溶液顏色由藍(lán)紫色變?yōu)辄S色,吸收峰發(fā)生藍(lán)移(Δλ=220 nm)。由于加入Cu(Ⅱ)可使體系的顏色發(fā)生明顯變化,因此可裸眼檢測(cè)到Cu(Ⅱ)的存在。

3 結(jié)論

研究設(shè)計(jì)合成了2位連接三吲哚烯類受體的金屬陽(yáng)離子識(shí)別性能,該受體分子在乙腈-水(V乙腈∶V水=1∶1)中性緩沖溶液體系中能高選擇性的比色識(shí)別Cu(Ⅱ),且對(duì)Cu(Ⅱ)可快速響應(yīng),初步推測(cè)受體對(duì)Cu(Ⅱ)的比色識(shí)別可能涉及三吲哚烯不飽和共價(jià)鍵的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移特性,使溶液體系的顏色發(fā)生明顯變化,實(shí)現(xiàn)了裸眼檢測(cè)Cu(Ⅱ)。