陰離子探針性質及應用的最新研究進展

劉 閣，高 玲，秦巧玲

（赤峰學院 化學系，內蒙古 赤峰 024000）

陰離子探針性質及應用的最新研究進展

劉 閣，高 玲，秦巧玲

（赤峰學院 化學系，內蒙古 赤峰 024000）

由于陰離子在化學和生命過程中的重要作用，設計和合成生物學、醫學和環境中重要陰離子的受體分子是當前超分子化學中迅速發展的研究領域之一，如酰胺、脲、胺基、酚羥基等氫鍵供體作為識別點，已被廣泛應用于陰離子受體的設計和合成中.將熒光基團鍵聯于這類受體的超分子識別體系，既具有選擇性的識別陰離子性能，又具有在識別過程中靈敏的熒光響應和傳感特性，對開發以陰離子識別為基礎的在環境陰離子污染物監控、有害陰離子的醫療診斷和微量分析等方面的靈敏的熒光傳感器具有重要意義和廣闊的應用前景.本文對不同結構的陰離子受體脲、硫脲、胺基、酰胺等及它們對陰離子選擇性識別和光化學傳感的研究進展做了較詳細的綜述.

陰離子識別；氫鍵；光化學傳感

1 前言

陰離子作為與陽離子相對應的離子，它在自然界和生物體內無所不在.生物體內，酶和底物、酶和輔酶以及蛋白質、RNA或DNA與ATP、磷酸肌酸等生物大分子間的相互作用涉及大量的陰離子聚集、識別過程，這些作用過程對物質合成、能量轉化等生物過程起著十分重要的作用.但是一些離子的大量存在又會對環境造成污染，對生命體造成危害.因此對陰離子識別和檢測的研究就顯得尤為重要.分子識別是離子或分子之間一種特殊、專一性的相互作用，是主體對客體的選擇性結合并產生某種特定功能的過程.熒光分子(Fluorophore)或生色基團(Chromophore)經過特殊設計引入到待測體系中，能夠將分子識別的信息轉換成熒光信號或顏色變化傳遞給外界，從而使人與分子間的對話成為可能，架起宏觀世界和微觀世界聯系的橋梁，具有這種功能的分子稱之為熒光或比色探針分子(Fluorogenic Probeor Chromogenic Probe).特別地，能與陰離子相互作用產生熒光變化或顏色變化的熒光或比色探針分子被稱為陰離子熒光比色探針[2]，氫鍵是生物體內大量存在的一種作用力，利用氫鍵作用已經設計出大量陰離子熒光或比色探針.在陰離子氫鍵識別中，如果質子供體的酸性和陰離子的堿性足夠強，就有可能發生從供體到陰離子的分子間質子轉移反應，受體分子繼而發生結構變化，這就使得發展一系列基于陰離子導致分子結構互變機理(Anion-induced Tautomerism)的探針成為可能.下面就相關的問題進行詳細論述.

1.1 陰離子在生命體中的重要作用

陰離子在廣泛的生化過程中也扮演著重要的角色，比如：氟是人體內重要的微量元素之一，氟化物是以氟離子的形式廣泛分布于自然界.骨和牙齒中含有人體內氟的大部分，氟化物與人體生命活動及牙齒、骨骼組織代謝密切相關.氟是牙齒及骨骼不可缺少的成分，少量氟可以促進牙齒琺瑯質對細菌酸性腐蝕的抵抗力，防止齲齒，因此水處理廠一般都會在自來水、飲用水中添加少量的氟.目前許多關于氟離子的選擇性熒光或比色探針已經被報道.此外，碘也是人體不可缺少的一種營養素，當攝入不足時，機體會出現一系列的障礙.碘缺乏病是由于自然環境缺碘而對人體所造成的損害，可表現出各種疾病形成.地方性甲狀腺腫、地方性克汀病、地方性亞臨床型克汀病及影響生育而出現的不育癥、早產兒、死產、先畸形兒等這些病統稱為“碘缺乏病”.

磷元素是生命最重要的元素之一，磷酸根與雜環的堿基、脫氧核糖一起構成核酸，從而組成基因——生命的遺傳物質.另外，磷和它的衍生物，尤其是三磷酸腺苷——ATP，在各種各樣的生物過程中，ATP在能量的利用和信號傳導中扮演著重要的角色.在活體內，磷酸根基團通過氧原子作為電子給體與金屬離子配位能形成金屬配合物，事實上，當金屬離子是硬的路易斯酸，比如Mg2+或C a2+離子時，磷酸根更容易與它們形成金屬配合物.檢測水中磷酸根的濃度，在水質量控制上是很重要的，因為就超營養作用而言，磷酸根是基本的營養之一.水體中磷酸根濃度的增加會導致浮游生物生長的加速.這樣的話，就導致這些水不適合飲用了.因此就很需要一個迅速，靈敏的檢測水中磷酸根的方法.目前，已有大量的磷酸根離子的探針被設計和報道.

總之，由于陰離子在醫學領域，催化領域，環境科學領域，生命科學領域以及化學過程中都有著舉足輕重的作用，因此設計和合成能夠選擇性識別陰離子并能顯示其識別過程的人工受體，引起了人們的廣泛關注.對生物學上和環境中重要陰離子具有選擇性識別的人工受體在工業生產(例如監測追蹤化學過程的污染)、疾病診斷和治療醫學(監測電解、應急醫學鑒定分析、光化學治療法)、環境治理(各種各樣的環境監測)等方面有著廣泛的應用前景.

1.2 陰離子與受體分子的作用類型

近年來，陰離子受體的設計與合成工作取得了很大的進展，陰離子與受體分子之間的相互絡合識別的作用形式也是多種多樣，但無論是生物體內的受體還是人工合成的受體，它們與陰離子之間的相互作用類型不外乎以下幾種：

1.2.1 氫鍵作用

氫鍵是一種有方向的，有飽和度的作用力，所以就有可能利用這一特性，設計出具有特定幾何構型的受體分子來識別不同空間構型及氫鍵接受能力的陰離子.一般地，這類陰離子受體含有氫鍵供體基團，如酰胺、胺基、(硫)脲、酚羥基等，通過氫鍵作用與陰離子結合形成穩定的配合物.

1.2.2 靜電引力作用

靜電引力作用是基于主客體分子間的電荷性質不同而產生的.此類受體分子多為環狀多胺，在一定的酸度條件下，受體分子質子化而帶正電荷，與帶負電荷的陰離子(主要為鹵素離子)通過靜電作用并輔以空間尺寸效應而達到專一識別的目的.例如，P.Ghosh及其合作者設計[2]，合成了籠狀化合物4，該受體與48%HBr溶液(其中含有小于0.05%的氯離子)反應將生成質子化的六溴鹽4’.晶體結構結果表明這個質子化的溴鹽4’空腔中并沒有包結任何陰離子客體，但在含有Cl-，Br-混合離子和F-，Br-混合離子的溶液中分別培養出包結Cl-和F-陰離子的主客體絡合物.進一步研究發現將包結Cl-的主客體絡合物用氟陰離子處理后，Cl-離子被置換出來，而F-離子卻被包結到4’的空腔中，并得到上述含有F-主客體絡合物的晶體結構.這些結果說明了，受體4在酸性條件下質子化后，表現出選擇性包結F-離子的能力.

這類受體分子的最大的優點就在于能夠實現水溶液中陰離子的識別與傳感，其缺點是由于靜電引力作用沒有方向性及飽和性，從而使得這類受體分子對陰離子客體難以實現較好的選擇性，難于達到專一識別的目的.此外，這類受體要求在較低pH值下，質子化后方能與陰離子產生靜電引力作用，但是有些陰離子(比如F-，CO32-)在酸性pH下是以其共軛酸形式存在，這就使得該類受體對這些陰離子的識別存在困難.因此為提高該類受體分子在水溶液中對陰離子的選擇性，需要其它作用力來共同作用，如氫鍵作用.綜上所述，陰離子識別是通過主客體分子間的非共價相互作用力實現的，需從主體和客體雙方著手，充分利用超分子化學體系中的各種效應，方可設計合理的陰離子識別體系.

2 以氫鍵或靜電作用鍵合陰離子的受體

2.1 胺和酰胺類

胺和酰胺的NH能與陰離子發生配位作用，被廣泛地用作陰離子的識別基團.任海仙，唐靜[3]等人設計合成本文設計合成了3種新型的酰腙類受體分子.利用紫外-可見吸收光譜及1H N M R考察了其與F-、C l-、B r-、I-、C H3C O O-、H S O4-、N O3-等陰離子的作用.

受體1、2、3的酰腙N H化學位移值出現在較低場,說明形成了分子內氫鍵;在受體分子1、2、3的DMSO溶液中加入C l-、B r-、I-、HSO4-、NO3-、的四丁基銨鹽的DMSO溶液時,溶液顏色及吸收光譜均無明顯變化,說明此類受體分子對這幾種陰離子沒有明顯作用,而加入F-、C H3COO-時,溶液顏色及吸收光譜都有不同程度的變化,說明此類受體分子對這2種陰離子有好的選擇性.

圖1 受體可能的結構

在受體分子1、2、3的D M S O溶液中.分別加入F-、C H3C O O-客體陰離子時均能引起受體分子吸收光譜的顯著變化,同時都使溶液顏色從無色立刻轉變為有色,并隨陰離子濃度增大,溶液顏色逐漸加深.受體分子3,加入F-時,292n m處吸光度隨濃度增大而逐漸減小,同時在355.5n m處出現一組新的吸收峰,此峰為受體分子與陰離子之間形成新的加合物的吸收峰,峰值相應增大,并發生紅移.表明受體分子與陰離子的結合進一步促進了分子內電荷轉移的程度.同時可明顯觀察到在315n m處有一個等吸收點,說明有穩定的超分子生成;加入C H3C O O-時,292n m處吸光度隨陰離子濃度增大而逐漸減小,在323n m處出現一組新的吸收峰,峰值相應增大.在316n m有一個等吸收點.加入F-時,溶液顏色立刻由無色轉變為暗紅色,加入C H3C O O-時,溶液顏色由無色轉變為黃色.

結果表明,該類受體分子能較好地識別陰離子F-和C H3C O O-,在D M S O溶液中主客體之間形成氫鍵加合物.尤其對于受體3(間苯雙對硝基苯氧乙酰腙),加入F-和C H3C O O-時,溶液顏色有明顯變化,受體3對這兩種陰離子可實現裸眼識別[2].

劉斌和田禾[4]設計合成了一種以酰胺為識別基團含萘酰亞胺熒光團的F-比色和熒光比率化學傳感器4(ratiometric nuorescent chemosensor).1H N M R實驗的結果表明，4和F-鍵合后酰胺上的N H基團會發生分子間質子轉移(intermolecular protontontransfer，IPT)過程從而促進了酰胺上負離子向萘酰亞胺半體的分子內電荷轉移(intermolecular charge transfer，ICT).加入F-后(10當量)，最大吸收波長從360n m移動到405n m熒光滴定光譜表明加入F-后(10當量)，3在468n m處的強熒光發射逐漸減弱，583n m處出現一個中等強度的熒光發射峰，550n m處形成一個等發射點.通過熒光比率信號對比發現相對于C l-、B r-、I-等其他離子來說，3對于F-有著很高的選擇性[4].

受體5鍵合F-后，破壞了原有的分子內氫鍵作用后，改變了結構的剛性，繼而形成激基締合物[6].熒光光譜表明加入F-后化合物4波長360n m處的熒光猝滅，同時出現一個新的波長為455n m的熒光發射峰.其他陰離子如H2P 04-、C H3C O2-、H S 04-、N O3-、C l-、B r-和I-則對熒光光譜沒有太大的影響.

以蒽為熒光團，酰胺為識別基團的受體6可以和F-或A c-形成1：1的絡合物.加入F-或A c-后，波長為420n m的蒽的熒光發射峰紅移至445n m處，同時紫外吸收也發生紅移.1H N M R結果表明，F-／A c-不僅和酰胺上的H發生鍵合作用，而且也可以鍵合蒽中間苯環上氫.這可以看作是熒光發射峰紅移的原因.相比于H2P 04-，H S 04-，C 1-和B r-，受體5對于A c-和F-具有高選擇性.

4

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2.2 脲和硫脲類

硫脲類化合物具有生物活性,是優良的氫鍵供體,與陰離子特別是含氧陰離子形成氫鍵配合物.吳芳英，趙永強[5]設計合成了系列二苯基硫脲衍生物,通過取代基效應調控硫脲衍生物分子內電轉移過程,陰離子與硫脲基團結合后,增強了分子內供體的給電子能力,進一步促進電荷轉移過程,據此識別不同的陰離子.由于主體分子與陰離子間形成氫鍵的能力及陰離子堿性的差異,可達到選擇性結合的目的.

由于這類電子的躍遷遵循Laporte規則,其摩爾吸光系數都較高.在苯環兩端分別引入不同的取代基,因苯環上碳原子的電子云密度分布不均勻,使分子產生偶極,出現分子內電荷轉移吸收峰.由于分子中π→π躍遷能級差減小,分子的最大吸收向長波方向移動,顏色加深.二苯硫脲類分子中,硫脲作為一弱的電子供體將兩個苯環聯為一體,當苯環另一端連有吸電子基團時,分子內電荷產生分離.硫脲基作為陰離子的識別結合部位與陰離子結合后,增強了電子給體的供電子能力,也將促進電荷轉移,使其吸收帶進一步向長波長方向移動.主體分子1～7中的硫脲基團是有效的氫鍵供體,在乙腈介質中均能與陰離子形成氫鍵配合物,其吸收光譜產生不同程度的變化.主體1-4的陰離子配合物吸收光譜較5～7的變化更顯著,再次表明電荷轉移吸收光譜對環境的靈敏性.在主體2與AcO-結合的吸收光譜的變化曲線可知，2的最大吸收峰的波長在333nm處,較二苯基硫脲的吸收峰(最大吸收波長為275nm)紅移了58nm,這表明此吸收帶不是苯基硫脲分子的吸收峰而是分子內電荷轉移特征吸收峰.在加入不同濃度的陰離子后,2的吸收光譜發生顯著的變化.隨著A c O-濃度的增大,333n m處的吸光度值逐漸下降,而在長波區425n m處出現新的吸收帶,溶液顏色由無色變為黃色,且在290nm和369nm處出現兩個等吸收點.這一結果表明:2與AcO-形成了具有確定化學計量比的主客體配合物.

在相同的實驗條件下,加入H2P O4-或F-,主體分子的吸收光譜產生相似的變化趨勢,即在長波段425n m處出現新的吸收帶;然而加入10倍量的H S O4-、C l-、B r-、ClO4-及N O3-,主體分子的吸收光譜均無變化.主體分子對AcO-、H2P O4-及F-的高選擇性結合源于陰離子的堿性強弱,一般情況下,陰離子的堿性越強形成氫鍵能力就越強.

主體分子

史達清，王海營，楊芳，李小躍[6]設計合成了3種芳酰基硫脲受體分子.利用紫外-可見吸收光譜考察了其與F-,Cl-,Br-,AcO-,HSO4-,H2P O4-等陰離子的作用.結果表明該類受體分子與陰離子形成氫鍵配合物.加入F-,AcO-時,溶液立刻由無色變為黃色,而加入其它陰離子則無變化,從而實現對這兩種陰離子的裸眼識別.

他們分別對三種主體做了不同的受體識別，結果陰離子客體誘導受體化合物吸收光譜的變化如圖所示.

這表明受體化合物1～3加入不同陰離子后吸收光譜的變化情況.從圖中可清楚地看到受體化合物對6種不同陰離子有著不同的光譜響應情況.在不加陰離子時,由于分子內電荷轉移(I C T),受分子1～3均在約280n m處有吸收峰,加入陰離子A c O-,F-時均能引起受體分子1～3吸收光譜的顯著變化,以及溶液顏色的變化.加入A c O-時,立刻能用肉眼觀察到溶液由無色變為黃色,但對H2P O4-,H S O4-,C l-及B r-幾乎沒有響應.

聶麗，李愛芳，江云寶[7]設計合成了N-(取代苯甲酰氨基)脲衍生物(取代基＝p-O C 2H 5,H,p-C l) 1～3,乙腈中氟離子存在時受體分子1最大吸收峰位于243n m,加入氟離子(四丁基胺鹽)后,該吸收峰藍移并減弱,同時在300n m處出現了新的吸收峰,且吸光度隨F-濃度的增大而提高,并可于235,272n m處觀察到明晰的等吸收點,表明受體分子1與F-形成了具有確定組成的陰離子配合物.相同條件下,考察了C H3C H2C O-,H2P O4-,H S O4-,C l O4-, N O3-,C l-和B r-對受體分子1的吸收光譜影響,如果加入10倍量的陰離子，其它陰離子幾乎不影響1的吸收光譜,顯示出F-的高選擇性識別響應.而F-對受體分子2，3的光譜幾乎和相似,但最大吸收波長略有差異,C H3C H2C O-存在時對受體分子2,3略有影響,但影響程度遠不及F-,其它離子與受體分子1,2,3幾乎無作用.由此可見,(1)受體分子中取代基不同,對陰離子識別結合能力的影響不同;(2)相同的陰離子(F-)存在下,受體分子的吸收光譜紅移程度不同.供電子取代基(p-O C2H5)的存在,使得受體分子中脲N H給質子能力減弱,僅能與堿性較大的氟離子作用,對其它陰離子作用力較小,顯示出受體分子對氟陰離子高的結合選擇性;取代基為吸電子p-C l時,受體分子中脲N H給質子能力增強,對陰離子識別能力提高,不僅可與氟離子作用,還能與醋酸根離子作用,選擇性確有所降低.F-陰離子存在下,受體1吸收光譜由243n m紅移至300n m,波長變化57n m;受體3吸收光譜由238n m紅移至320n m,波長變化82nm.可見,吸電子取代基(p-C l)有利于陰離子結合物中分子內電荷轉移,受體分子光譜紅移顯著.因此,改變N-苯甲酰基芳環取代基可調控或改善受體分子的陰離子的結合能力和結合選擇性.

江洪，馬續紅，方利，韋慶益[8]設計合成兩種新型的陰離子識別受體N-硝基-N-(2,6-二硝基-4-三氟甲基苯基)-N'-(4-氯苯基)脲(受體1)和N-硝基-N-(2,6-二硝基-4-三氟甲基苯基)-N'-(4-甲基苯基)脲(受體2).利用紫外-可見吸收光譜考了其與F-、C l-、B r-、I-、H2P O4-、HPO42-、PO43-陰離子客體的識別作用.

2.3 其他類型

史達清，李燕，石春玲，王海營[9]合成了5種呋喃并[3',4':5,6]吡啶并[2,3-c]吡唑受體分子,利用紫外-可見吸收光譜考察了其與F-,C l-,B r-,A c O-, H S O4-,H2P O4-等陰離子的作用.乙腈中受體分子1對6種不同陰離子有著不同的光譜響應.在不加陰離子時,由于分子內電荷轉移(I C T),受體分子1,2,3,4,5均在約264n m處有吸收峰,加入陰離子A c O-,F-時均能引起受體分子1,2,3,4,5吸收光譜的顯著變化,但是對H2P O4-,H S O4-,C l-及B r-幾乎沒有響應.說明對F-,A c O-這兩種陰離子有顯著效應.結果表明該類受體分子與陰離子形成氫鍵配合物,導致呋喃并吡啶并吡唑受體的光譜發生變化.測定了配合物的結合比和穩定常數,發現受體化合物對F-,A c O-離子具有良好的選擇性,對其它多種陰離子無影響.

魏太保,王軍,郭瀟迪,張有明[10]將相應的醛或酮溶于適量乙醇,室溫攪拌下加入含氨基化合物反應半小時后有不溶物,將不溶物用無水乙醇和二甲基甲酰胺的混合溶劑重結晶得到產物1、2、3.主體分子結構示意圖見S c h e m e1.化合物數據表征如下:

不加陰離子時,主體化合物1、2、3的最大吸收波長分別為:355、333、310n m.當加入F-離子時,主體化合物的最大吸收峰均隨F-離子濃度的增大而減小,并且出現了一個新的吸收峰,分別在:432、365、375n m,在此過程中可以明顯地觀察到兩個清晰的等吸收點,說明有穩定的1∶1主-客體配合物生成.值得一提的是,在大量其它鹵素離子存在的條件下,受體分子同樣能夠選擇性識別F-,其中化合物1可通過比色即可區別F-和其它鹵素離子.由此可見,受體分子1、2、3對F-有很好的選擇性識別作用而對其它鹵素離子沒有作用,這主要是因為F-較其它鹵素離子具有較小的離子半徑、較強的堿性,因而具有較強的形成氫鍵的能力.由受體分子2與F-的J o b曲線可以看出,365n m處吸光度最大值對應的客體物質的量分數為0.5,說明受體分子與陰離子之間形成了1∶1的穩定配合物.

實驗表明此三種受體分子對F的選擇性識別能力不一樣,其識別能力的大小順序為:2>>3>>1.結果說明:①主客體之間形成的氫鍵數目越多,其對F-離子的選擇性識別能力越強,這主要是因為隨著主體分子所含識別位點的增多,主客體之間的有效碰撞隨之而增加,使主體分子更易與客體F結合而形成穩定的氫鍵配合物.②氫鍵性質對F離子的選擇性識別能力同樣存在影響,酰胺質子形成氫鍵的能力比酚羥基質子強.③受體2對客體的親和力較3更強是由于其與客體F-離子形成了穩定的三重氫鍵所致.從而我們可以得知:主體化合物對客體的選擇性識別主要是由所形成的氫鍵數目、氫鍵性質以及所形成氫鍵的空間構型所決定.

3 小結與展望

總的來說,有關基于氫鍵和靜電作用的陰離子熒光受體的設計、合成及各種熒光響應機制的研究仍是一個較新的課題,有待進一步深入.目前所獲得的熒光化學傳感器由于設計思想的局限,多重功能的獲得往往需要多種基團的集成.因此合成路線相當漫長,產率較低,不具備實用性.因此用簡單結構獲取優異性能將是陰離子熒光化學傳感器的發展趨勢.隨著該領域研究范圍的不斷擴展和更多新型陰離子熒光受體的開發,必將在生命科學、環境、醫學等方面發揮巨大的作用.

〔1〕曾振亞，何永炳.具光學響應的中性受體的合成及對陰離子化學傳感器性質研究.武漢大學出版社，2004（4）：10486.

〔2〕邵杰，林華寬.含水介質中比色陰離子探針的設計、合成及其性質的研究.南開大學研究生院，2009（4）.

〔3〕任海仙，唐靜，魏太保，張有明.酰腙類化合物的合成和陰離子識別研究.無機化學學報，2007，11（23）：730070.

〔4〕許勝，劉斌，田禾.陰離子熒光化學傳感器新進展.華東理工大學結構可控先進功能材料及其制備教育部重點實驗室精細化工研究所，2006.

〔5〕吳芳英，趙永強.硫脲類陰離子受體的設計合成與陰離子識別.分析實驗室，2008，09，27.

〔6〕史達清，王海營，楊芳，李小躍.芳酰基硫脲受體的合成及對陰離子識別研究.化學學報，2007，1713-1717.

〔7〕聶麗，李愛芳，江云寶.苯甲酰氨基脲的合成及其陰離子識別.化學學報，2009（6）：564-568.

〔8〕江洪，馬續紅，方利，韋慶益.N-硝基脲類的合成及其陰離子識別研究，無機化學學報，2008（07）：1073-1078.

〔9〕史達清，李燕，石春玲，王海營.新型受體呋喃并[3',4':5,6]吡啶并[2,3-c]吡唑的合成及對陰離子的識別研究，2009：645-650.

〔10〕魏太保,王軍,郭瀟迪,張有明.含酚羥基Schiff堿化合物的陰離子識別研究.化學研究與應用，2008（07）.

O613.41

A

1673-260X（2010）08-0011-05

內蒙古自治區高等學校自然科學研究項目基金資助(NG09168)