新型呋咱陰離子探針的合成、晶體結構及性質研究

傅 玉 曾 晞 牟 蘭＊, 江學凱 鄧 敏 張云黔 張建新 衛 鋼

(1貴州省大環化學及超分子化學重點實驗室；貴州大學化學與化工學院，貴陽 550025)(2中國科學院貴州省天然產物化學重點實驗室，貴陽 550002)

(3澳大利亞聯邦科學與工業研究組織，材料科學與工程，新南威爾士州，澳大利亞)

新型呋咱陰離子探針的合成、晶體結構及性質研究

傅 玉1曾 晞1牟 蘭＊,1江學凱1鄧 敏1張云黔1張建新2衛 鋼3

(1貴州省大環化學及超分子化學重點實驗室；貴州大學化學與化工學院，貴陽 550025)(2中國科學院貴州省天然產物化學重點實驗室，貴陽 550002)

(3澳大利亞聯邦科學與工業研究組織，材料科學與工程，新南威爾士州，澳大利亞)

設計合成了一種AcO-和F-的陰離子比色/熒光探針4-氯-7-硝基-2,1,3-苯并呋咱(NBD-Cl)衍生物。探針結構經X-ray單晶衍射測定屬于三斜晶系、空間群為P1。用紫外-可見吸收及熒光光譜研究了其識別性能。探針的乙腈溶液加入AcO-，F-后，在較短時間內裸眼能觀察到顏色由橘黃色變為紅色，同時有顯著的熒光增強。核磁滴定及質子溶劑實驗證明識別過程為探針與陰離子之間形成的氫鍵作用力，伴隨著質子化過程發生。

呋咱衍生物；晶體結構；比色/熒光探針；陰離子識別

在生物、醫藥、催化、環境等領域中陰離子所具有的作用越來越被重視，設計、合成性能優越的陰離子探針受到無機化學、有機合成、分析化學以及生命科學等領域研究者的廣泛關注[1-5]。多種作用方式被應用于陰離子探針分子的設計中，如氫鍵作用、庫侖作用、陰離子的偶極作用及路易斯酸中心陰離子配位作用等[6-9]。利用形成氫鍵的非共價作用而選擇識別陰離子的研究得到了較快發展，基于氫鍵作用的供體成功地應用在很多陰離子識別體系中。 如酰胺[10-11]、硫脲[12]、吡咯[13]、酚羥基[14-15]等化合物作為陰離子識別主體的研究多有報道。在這些研究中利用N-H、S-H、O-H等基團質子酸性、分子中取代基推-拉電子效應、共軛效應和空間效應等作用實現光誘導電子、電荷轉移、激基締合、復合物生成而提高識別能力。近年來，在陰離子識別研究中，人們關注的是合成方法簡便、分子結構簡單、光學性能敏感、檢測手段便捷，能實現物質定性定量檢測的陰離子探針的研究。其中，具有比色檢測性能的陰離子探針倍受青睞[16-19]此類探針主要有包括含硝基的苯基硫脲衍生物[20]、偶氮類衍生物[21-23]、大環酰胺衍生物[24]、蒽醌硫脲衍生物[25]等。文獻報道在芳香環上引入硝基作為生色團，有可能實現裸眼觀測，同時利用其較強的拉電子能力，增強對陰離子的識別[26-27]。

4-氯-7-硝基-2，1，3-苯并呋咱 (NBD-Cl)是一種含活性鹵素及芳香環硝基的熒光衍生試劑，幾乎能與所有伯胺和仲胺類化合物反應，具有衍生速率較快，副產物少，反應條件溫和等特點[28]，在陰離子識別領域的應用目前還鮮有報道。利用其酚羥基易與陰離子形成氫鍵配合物的特點，我們設計在鄰氨基酚的氨基上引入熒光衍生試劑NBD-Cl，一步縮合得到對AcO-和F-具有比色及熒光探針性能的NBD-Cl衍生物。該化合物含有較強拉電子能力的硝基和酸性的推電子酚羥基，能有效增強分子內的電荷轉移，同時含有氮氫和羥基兩個陰離子結合位點，增強了對陰離子的識別能力，實現了對陰離子AcO-和F-比色識別。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：Varian Cary Eclipse熒光分光光度計；TU-1901紫外-可見分光光度計；Bruker Smart Apex2單晶衍射儀；Varian Nova-400核磁共振波譜儀；Agilent LC/MSD質譜儀；Bruker Vertex 70 FTIR紅外光譜儀(KBr壓片)；X-5數字顯示顯微熔點測定儀(溫度未校正)。

所有藥品均為分析純。陰離子溶液均由其四丁基銨鹽(上海晶純試劑有限公司)用乙腈配制。其它藥品及試劑均為分析純。

1.2 合成及晶體培養

1.2.1 探針的合成

稱取純化后的鄰氨基酚 (109 mg，1.0 mmol)，4-氯-7-硝 基 -2，1，3-苯 并 呋 咱 (NBD-Cl，200 mg，1.0 mmol)，量取 25 mL 四氫呋喃(THF)，加至 50 mL 圓底燒瓶中，加熱回流3 h。反應完全后，溶液由無色變為橘紅色，減壓抽濾，得粗產品，用乙醇重結晶得產物NBD-Cl衍生物。合成路線如Scheme 1所示。

衍生物為棕色塊狀晶體，產率 62%；m.p.104.3～105.9 ℃；1H NMR(400 MHz，CD3CN)δ：6.259～6.281(d，1H，J=8.8 Hz，ArH)，6.699～7.037(t，1H，J=7.6 Hz，ArH)，7.056～7.077(d，1H，J=8.4 Hz，ArH)，7.265～7.308(t，1H，J=8.0 Hz，ArH)，7.365～7.384(d，1H，J=9.2 Hz，ArH)，7.508(s，1H，NH)，8.434～8.456(d，1H，J=8.0 Hz，ArH)，8.526(s，1H，OH)；IR(KBr，cm-1) ν：3 362.85(N-H),1301.68，1568.23(NO2)；MS m/z：(ESI：273.3[M+H]+)；元素分析:按 C12H8N4O4的計算值(%)：C 52.95，H 2.96,N 20.58;實驗值(%):C 52.88，H 2.93，N 20.70。

1.2.2 探針晶體的培養及結構測定

將0.27 g探針完全溶解于5 mL乙醇中，自然揮發溶劑后得到棕色透明塊狀、適合衍射測定的單晶。

晶體結構測定儀器、方法及參數見文獻[29]。CCDC：855144。

1.3 光譜測試

1.3.1 標準溶液的配置

探針儲備液 (4.0×10-4mol·L-1)：稱取 10.8 mg，用乙腈溶解，配制100 mL溶液。所有陰離子均用乙腈配制 (1.0×10-2mol·L-1)。配制四丁基銨鹽陰離子AcO-，F-儲備液 (4.0×10-4mol·L-1)： 分別稱取 12.1、12.6 mg四丁基醋酸銨、四丁基氟化銨，用乙腈溶解，配制100 mL溶液。其它實驗陰離子配制方法相同。

1.3.2 光譜測量過程

分別移取1 mL探針的乙腈溶液 (4.0×10-4mol·L-1)于一系列10.0 mL容量瓶中，溶液均無色。分別加入 1 mL 陰離子 AcO-，HSO4-，H2PO4-，F-，Cl-，Br-，I-和 NO3-的四丁基銨鹽的乙腈溶液(1.0×10-2mol·L-1)，用乙腈稀釋至刻度，使各種陰離子濃度為探針濃度的25倍，搖勻，放置30 min。移入1 cm的石英比色皿進行紫外-可見吸收和熒光光譜測定。熒光光譜測定的激發和發射波長為461/554 nm。

Scheme 1 Synthesis of probe

光譜滴定，配制一系列探針分子濃度恒定(4.0×10-5mol·L-1)， 加入濃度不同的陰離子 AcO-或 F-乙腈溶液，測其紫外-可見吸收光譜和熒光光譜。

利用Job法測定探針分子與陰離子的化學物質量之比，保持探針和陰離子的總濃度恒定(8.00×10-5mol·L-1)，分別改變探針與陰離子的物質的量分數，以未加陰離子的探針溶液作參比，一一對應，測量紫外-可見吸收和熒光光譜。

2 結果與討論

2.1 晶體結構解析

探針的晶體結構如圖1所示，其晶體衍射數據、主要鍵長和鍵角分別列于表1和表2。該分子屬于三斜晶系、空間群為P1。其中苯并呋咱部分為一個共軛結構，并通過C-N鍵與苯環相連，對應的 C與N的鍵長分別為0.134 6(3)、0.141 0(3)nm，C-N-C的鍵角為134.7(2)°。苯并呋咱的平面與苯環平面的夾角為2.57°，幾乎為共平面結構。

表1 探針主要晶體學參數Table 1 Crystal data and structure refinement for the probe

表2 探針鍵長和鍵角Table 2 Bond lengths(nm)and bond angle(°)for probe

圖1 探針的橢球圖Fig.1 Molecular structure of the probe with probability of ellipsoid at 50%

2.1 光譜性質

探針乙腈溶液的紫外-可見吸收光譜在330和461 nm波長處有明顯的吸收峰；在461 nm波長的激發下，呈現了554 nm處最大的熒光發射。當分別加入 HSO4-，H2PO4-，Cl-，Br-，I-和 NO3-的四丁基銨鹽乙腈溶液時，其吸收和熒光光譜與未加入相比均無明顯變化，顯示探針對上述陰離子沒有明顯的識別作用；而分別加入 AcO-，F-離子，放置 30 min 后，即可觀察到探針溶液的吸收光譜和熒光強度均發生了顯著變化。結果如圖2(a)和(b)所示，表明探針對這2種陰離子具有識別性能。在探針溶液中加入AcO-，F-后，吸收光譜發生顯著變化，吸收峰紅移。顏色由橘黃色變成紅色，如圖3。而加入相對于探針25 倍量的 HSO4-，H2PO4-，Cl-，Br-，I-，NO3-其他陰離子不會使探針的光譜及顏色發生改變，從而實現了對AcO-，F-這兩種陰離子的裸眼和光譜識別。在有上述試驗陰離子共存時也不對識別的選擇性產生影響。

紫外-可見光譜滴定考察了AcO-，F-與探針的結合能力。在探針溶液中分別逐步增加AcO-或F-量的吸收光譜變化曲線如圖4。加入AcO-或F-后，探針330 nm處的峰逐漸減弱，在398 nm出現新峰，并隨陰離子濃度的增大而增加；同時461 nm處的吸收峰紅移至498 nm并隨濃度增大逐漸增強。探針的吸收峰出現紅移現象，歸因于分子中苯環上的強吸電子基團硝基及強供電子基團羥基的協同作用，在陰離子與其配合作用時能快速有效地轉移電子，使得配合物的光譜向長波方向移動[30-31]。同時，在345、420 nm處可以觀察到2個明晰的等吸收點，表明探針與AcO-或F-形成了具有確定組成的陰離子配合物[26]。化學物質量之比法和Job法測其紫外-可見吸收光譜。均推測出AcO-或F-與探針的配合化學物質量之比均為1∶1。

圖2 探針與不同陰離子的紫外-可見吸收(a)和熒光光譜(b)Fig.2 Absorption(a)and Fluorescence spectra(b)of probe with different anions

圖3 自然光下探針乙腈溶液及陰離子存在時的顏色Fig.3 Color of probe in different anions in CH3CN under natural light

圖4 探針與AcO-(a)，F-(b)吸收光譜滴定曲線及Job法Fig.4 Curves of absorption spectrum titration of probe with AcO-(a)or F-(b)and Job′s plot

圖5 探針與AcO-(a)，F-(b)熒光光譜滴定曲線及Job法Fig.5 Curves of fluorescence spectrum titration of probe with AcO-(a)or F-(b)and Job′s plot

熒光滴定實驗如圖5所示。隨著陰離子逐步滴加，熒光強度呈有規律的增強。通過AcO-或F-對探針的熒光滴定，化學物質量之比法和 Job法均推測出AcO-、F-與探針的配合化學物質量之比均為1∶1，與吸收光譜滴定結果吻合。

2.2 配合物穩定常數的測定

根據吸光度和熒光強度隨陰離子濃度變化曲線，由探針與陰離子1∶1的化學化學物質量之比[32]，經非線性擬和計算出AcO-或F-與探針作用的穩定常數列于表3。兩種光譜法測定結果都表明探針與F-的作用常數略大于與AcO-的作用常數。說明前者結合更穩定。

2.3 識別機理探討

在陰離子識別研究中，用1H NMR共振譜研究識別體系中的氫鍵作用是最為經典的方法之一，也是揭示陰離子配合物作用的直接證據。利用1H NMR滴定研究探針與F-的相互作用如圖6所示。當加入相對于探針0.5倍量F-時，探針分子中OH(Ha δ=8.526 ppm)與 NH(Hc δ=7.508 ppm)的化學位移值分別向低場移動了0.015和0.052 ppm，此時芳環上質子(Hh，Hf，He，Hd，Hb)的位移很小，這 2 個質子(Ha，Hc)為與F-作用的相關質子，即為以氫鍵配合的結合位點。隨著F-離子量的增加，OH和NH質子向低場移動及強度減弱更加明顯，苯環上質子信號明顯向高場位移，表明由于探針中2個芳環之間進一步的共平面作用，導致共軛作用增強，苯環上的電子密度增加。陰離子結合位點的質子峰信號繼續向低場移動并最終消失，表明過量的F-導致探針的識別位點發生了去質子化。

表3 探針與陰離子作用常數及相關系數Table 3 Binding constants of probe with anions and correlation coefficients

圖6 探針與F-的核磁滴定Fig.6 1H NMR titration spectral of probe with F-

圖7的紅外光譜觀察到探針在3 362.85 cm-1處一個峰頂尖銳而峰底寬的NH和OH伸縮振動峰，當加入2倍量的F-后，只在3 425.96 cm-1處觀察到一個寬而平滑的峰。主要原因可能是F-使探針的NH識別位點去失質子而不再觀察到峰頂尖銳的NH峰。而探針本身在1269.83，1178.33 cm-1處含有C-O的伸縮振動峰，當加入F-后兩峰分別移至1249.06，1165.17 cm-1，說明了芳環上的OH參與了F-的作用。與此相同，加入AcO-后測定的紅外光譜也有相似的結果，表明探針與這兩種陰離子的作用機理相似。

質子性溶劑常用于與陰離子競爭結合探針，觀察配合物作用穩定性，考察是否為氫鍵結合作用。用水為質子性溶劑，試驗對配合物吸收光譜和顏色影響的結果表明，探針與AcO-或F-共存的乙腈溶液顯紅色，向該溶液中逐滴加入質子溶劑，隨著溶劑量的逐漸增加，其配合物吸收光譜逐漸恢復為單純探針分子的吸收光譜，并且溶液顏色由紅色逐漸恢復為橘黃色。核磁滴定及質子溶劑效應實驗都證明了探針與陰離子間的氫鍵作用本質。

綜上所述，探針與F-或AcO-作用可能模式為：F-或AcO-與探針分子中的NH和OH首先形成氫鍵作用，隨著F-或AcO-的繼續加入發生了分子間質子轉移。探針的陰離子結合點的氫脫去后，電子云密度增加，促進整個體系分子內電荷轉移，吸收光譜大幅紅移。同時，帶有硝基的芳環上電子云密度大大增加，芳環上氫的化學位移明顯向高場移動。推測探針與F-或AcO-之間形成氫鍵時的相互作用模式如圖示2所示。

圖7 探針與F-，AcO-的紅外光譜Fig.7 Infrared spectra of probe and F-,AcO-

圖示2 推測的作用機理Scheme 2 Proposed bound structure of probe and F-,AcO-

氫鍵作用型探針對陰離子的識別能力取決于形成氫鍵能力、離子半徑大小及識別作用的構型匹配效應。在鹵素陰離子中F-半徑最小，形成氫鍵能力最強，因此探針表現出對F-的識別能力最強。其他鹵素離子Cl-，Br-，I-與氫鍵配位能力低而沒有觀察到識別信息。探針對AcO-具有良好的選擇性，一方面是由于AcO-的堿性強，與質子結合能力強；另一方面其平面三角型結構中2個氧原子的距離和角度可能剛好與探針分子的NH和OH適合形成氫鍵。當然這種空間幾何匹配性低于F-，從而結合常數要比F-略小。

3 結 論

通過簡單的一步合成，得到了一種能選擇性識別陰離子AcO-和F-的新型呋咱衍生物探針。探針與陰離子的識別響應快，選擇性高，通過裸眼實現快速檢測，可作為陰離子的比色和熒光檢測探針。探針分子設計中，基于探針對陰離子鍵合能力的強弱取決于形成氫鍵的能力和與響應離子的構型空間匹配程度。利用酚羥基和氨基為作用位點，同時引入推-拉電子基團，增強了作為氫鍵給予體的能力，即增強與陰離子的結合能力，而表現出快速靈敏的識別性能。

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Synthesis,Crystal Structure and Characteristics on Furazan as a New Anion Probe

FU Yu1ZENG Xi1MU Lan＊,1JIANG Xue-Kai1DENG Min1ZHANG Jian-Xin2WEI Gang3
(1Key Laboratory of Macrocyclic and Supramolecular Chemistry of Guizhou Province,Guizhou University,Guiyang 550025,China)(2Key Laboratory of Chemistry for Natural Products of Guizhou Province and Chinese Academy of Sciences;Guiyang 550002,China)(3CSIRO Materials Science and Engineering,P.O.Box 218,Lindfield,NSW 2070,Australia)

4-chloro-7-nitrobenzofurazan derivative was prepared as colorimetric and fluorescenc anion probe which recognized F-and AcO-selectively.The crystal structure was determined by X-ray singlecrystal diffraction and showed that the crystal belongs to triclinic;space group was.After addition of F-or AcO-to the probe solution of CH3CN,it gave rise to colour change from orange to red,which was visible to the naked eyes in a short time,and it also led to the fluorescence enhancement.The solvent effect and1H NMR investigation confirmed that the hydrogen bonds were formed between F-or AcO-and probe,and there was also a deprotonation of binding fragment during the hydrogen bond formation.CCDC:855144.

furazan derivative;X-ray crystallographic;fluorescent and colorimetric chemosensor;anion recognition

O657.32；O657.34

A

1001-4861(2012)08-1635-08

2011-12-16。收修改稿日期：2012-03-14。

國家自然科學基金(No.21165006)；教育部“春暉計劃”(No.Z2009-1-52001)；貴州省國際合作(No.20107002)基金資助項目。＊

。 E-mail：sci.lmou@gzu.edu.cn