對硝基偶氮鄰苯二酚的合成及其對硼酸的選擇性識別*

吳小華， 徐 靚， 周炳江， 王 鑫，王利民， 張 棟， 張 蘊， 王 芳

(浙江師范大學化學與生命科學學院，浙江金華 321004)

分子識別指主體對客體選擇性結合并產生某種特定功能的過程，分子識別研究已成為化學家和生物化學家共同關注的重大課題，也是分析化學和超分子化學交叉的前沿領域．光化學傳感因靈敏度高且選擇性好而被廣泛地應用于分子識別研究［1］，其中分光光度法所需儀器價廉、操作簡單，特別是裸眼比色法無需任何儀器即能實現定性和定量檢測，已廣泛用于陽離子和陰離子的識別研究［2-5］．

硼酸曾用作食品防腐劑和膨松劑．由于硼酸在人體內排泄緩慢，長期攝入可產生蓄積而影響消化酶的作用，對人體健康造成危害．目前我國已禁止使用硼酸作為食品添加劑［6-7］，但仍有某些不法商販將其添加到米粉、面制品等食品中，以增加其彈性并改善口感．因此，檢測食品中是否含有硼酸非常重要．由于裸眼比色法簡單、方便快捷，因此，設計結構簡單、易于合成并可選擇性比色檢測硼酸的受體，具有十分重要的現實意義．

硝基苯偶氮二酚類衍生物用于識別陰離子已有報道［8］，但用于識別硼酸未見報道．筆者合成了對硝基偶氮鄰苯二酚(主體分子)，以鄰位酚羥基為識別位點、偶氮基為信號報告基團，在pH 8．3的EDTA-NaOH介質中，與硼酸結合形成1∶1的穩定絡合物，導致主體分子的吸收光譜藍移51 nm，溶液顏色由紅色變為黃色，常見陰離子、陽離子均不影響其對硼酸的識別．同時，對主體分子識別硼酸的機理作了初步探討，認為在弱堿性條件下，硼酸主要以絡合能力很強的形式存在，因此與主體分子之間很容易發生相互作用而結合．

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

Evolution 500 LC紫外分光光度計(美國熱電公司);PB-10型酸度計(北京賽多利斯儀器系統有限公司);1 cm石英比色池．Nexus-670-FTIR紅外光譜儀，KBr壓片．Bruker Avance-400 MHz核磁共振儀，氘代二甲亞砜(DMSO-d6)為溶劑，四甲基硅烷(TMS)為內標．

硼酸:配成 0．1 mol/L 溶液;pH 8．3 EDTANaOH緩沖溶液:0．1 mol/L乙二胺四乙酸二鈉(EDTA，Na2H2Y·2H2O)溶液和0．2 mol/L NaOH溶液在酸度計上調至所需酸度;陰離子、陽離子溶液分別用相應的鈉鹽、氯化物配制，濃度均為5 ×10－2mol/L．

實驗所用試劑均為分析純，水為二次蒸餾水．

1．2 主體分子的合成與表征

主體分子——對硝基偶氮鄰苯二酚的結構如圖1所示，根據文獻［9］的方法合成主體分子．

圖1 對硝基偶氮鄰苯二酚(主體分子)

主體分子:熔點為230～232℃，與文獻值相符．1H NMR(400 MHz，DMSO-d6)δ:9．96(s，2H，OH)，8．39(d，J=6．7 Hz，2H，ArH)，7．97(d，J=5．9 Hz，2H，ArH)，7．47(d，J=5．2 Hz，1H，ArH)，7．38(s，1H，ArH)，6．96(d，J=5．9 Hz，1H，ArH)．FT-IR(KBr)υ/cm－1:3 354，3 060，1 591，1 552，1 508，1 442，1 270，848，739．

1．3 實驗方法

主體分子溶于乙醇中，配制成1×10－3mol/L的溶液．在pH 8．3 EDTA-NaOH介質中，主體分子溶液稀釋至3×10－5mol/L，考察硼酸及常見離子對其吸收光譜的影響．

2 結果與討論

2．1 主體分子對硼酸的選擇性識別

在pH 8．3 EDTA-NaOH介質中，主體分子(3×10－5mol/L)溶液中分別加入50倍量的硼酸，F－，Cl－，Br－，I－，Ac－，NO－3，C2O2－4，Na+，K+，Ca2+，Mg2+，Zn2+，Ba2+，Pb2+，Cd2+，Cu2+，Fe3+，Al3+等離子，考察這些物質對主體分子吸收光譜及溶液顏色的影響，結果見圖2和圖3．

由圖2和圖3可知:主體分子的最大吸收波長為504 nm;硼酸使主體分子的最大吸收波長由504 nm藍移至453 nm處，溶液顏色由紅色變為黃色;Cu2+由于與EDTA(H2Y2－)反應形成深藍色的CuY2－，使溶液顏色由紅色變為紫紅色;Fe3+與H2Y2－形成棕黃色的FeY－，使溶液顏色由紅色變為橙紅色;其他離子均未引起主體分子吸收光譜及溶液顏色發生變化．因此，主體分子對硼酸具有選擇性識別作用，能夠用于裸眼識別．

圖2 主體分子溶液中分別加入50倍量硼酸、陰離子及陽離子時的吸收光譜

圖3 主體分子溶液中分別加入50倍量硼酸、陰離子及陽離子后的顏色變化

圖4 50倍量陰離子、陽離子存在下主體分子溶液中分別加入50倍量硼酸后的吸光度

在50倍量F－，Cl－，Br－，I－，Ac－，NO－3，C2O2－4，Na+，K+，Ca2+，Mg2+，Zn2+，Ba2+，Pb2+，Cd2+或Cu2+存在的主體分子溶液中，分別加入50倍量硼酸，測定溶液的吸光度，結果(見圖4)表明:上述離子溶液中主體分子的最大吸收波長均由504 nm藍移至453 nm，溶液顏色由紅色變為黃色，說明上述離子均不干擾主體分子與硼酸的顯色反應．進一步說明主體分子能選擇性地識別硼酸．

2．2 主體分子對硼酸識別機理的探討

圖5 硼酸濃度對主體分子吸收光譜的影響

硼酸濃度變化對主體分子吸收光譜的影響見圖5．隨著硼酸濃度的增加，主體分子的吸收光譜發生明顯的變化:在504 nm處的吸光度逐漸減小，且硼酸濃度在0．025～0．30 mmol/L時，吸光度減小的程度與硼酸濃度之間呈良好的線性關系(見圖5內插圖);在315～450 nm的吸光度逐漸增大，最大吸收波長藍移至453 nm;在315和450 nm出現2個清晰的等吸收點，表明主體分子與硼酸形成了具有確定計量比的主-客體化合物．

硼酸可與多羥基化合物形成絡合物．1925年，Hermans發現順式鄰羥基化合物與硼酸反應可以分離出2種不同的絡合物，即1∶1和1∶2絡合物，酚類化合物的酚羥基和苯環處于同一平面，因而鄰苯二酚可以順利地與硼酸絡合［10］．由圖6可得出硼酸與主體分子反應形成1∶1的絡合物．根據圖 5、圖 6及方程式(1)［11］，采用非線性擬合方式(見圖7)得到兩者的結合常數Ka為1．5 ×103L·mol－1．

圖6 主體分子與硼酸反應的Job曲線

式(1)中:A0，A，Alim分別為指定波長處主體分子的吸光度、在硼酸存在下的吸光度及吸光度的極限值;c0，cB分別是主體分子和硼酸的濃度;Ka為結合常數．

硼酸在水溶液中的離解平衡方程式為

B(OH)4－具有比硼酸更強的絡合能力［10］．在pH 8．3的 EDTA-NaOH介質中，硼酸主要以B(OH)4－的形式存在，因此可推出主體分子與硼酸的反應式如圖8所示．

硝基苯偶氮二酚類衍生物可用于陰離子的識別，其識別機理是在非質子溶劑中，硝基苯偶氮二酚類衍生物分子中的羥基與陰離子之間通過氫鍵作用結合，根據氫鍵作用力的大小識別不同結構的陰離子［8］．在 pH 8．3 EDTA-NaOH 緩沖介質中，陰離子與主體分子的氫鍵作用遭到破壞，無法識別陰離子;金屬離子可以和H2Y2－形成穩定的螯合物MY(n－4)+．因此，主體分子能在陰離子、陽離子存在下選擇性識別硼酸，且與硼酸等量的陰、陽離子不干擾主體分子與硼酸的顯色反應．

圖7 主體分子與硼酸反應的擬合曲線

3 結論

筆者設計合成了對硝基偶氮鄰苯二酚;在pH 8．3 EDTA-NaOH介質中，考察了主體分子與硼酸及常見陰離子、陽離子的反應．結果表明:硼酸使主體分子的吸收光譜藍移51 nm，溶液顏色由紅色變為黃色;水溶液中陰離子與主體分子無法以氫鍵結合，且由于采用了EDTA-NaOH介質，使陽離子以很穩定的螯合物形式存在，因此常見陰離子、陽離子均不影響主體分子與硼酸的顯色反應，主體分子對硼酸具有選擇性識別作用．

圖8 絡合反應方程式

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