基于希夫堿型噻二唑的氟陰離子比色探針

聶 麗，張 漢，張 正，段永延，嚴正權

（皖西學院安徽省仿生傳感與檢測技術實驗室，安徽 六安237012）

陰離子在生命科學和化學過程中扮演著重要角色，在生物學、病理學和環境監測等領域都起著重要作用［1］。其中氟是人體中必需的一種微量元素，它對于預防牙齒齲齒、老年化的骨質疏松起到了重要的調節作用［2］。但同時氟又是一種累積性毒物，如攝入的氟過量，在人體內進行累積可引起氟中毒，從而引起疾病［3］。因此，防治和控制氟離子具有現實的重要意義。在對氟離子檢測中，測試的手段通常有電極法［4］離子色譜法［5］和極譜法［6］等，但這些方法需要儀器昂貴，操作時比較復雜。因此，設計合成選擇性好、靈敏度高氟離子識別受體備受研究者們的高度重視，尤其是簡單、快速通過顯色反應即能達到檢測氟離子的方法更加受到了人們的青睞［7-9］。

噻二唑及其衍生物是一類極具應用價值的雜環化合物，由于分子中存在—N—C—S—基團，因而具有廣譜生物活性，常用于抑菌、抗病毒及藥物分子設計中［10-11］，同時因含有N、S等多種雜原子，所以也是一類重要的有機配體，能夠與金屬作用形成配合物，廣泛應用于農業、醫藥、環境監測及材料工業等多個領域中［12-15］。近年來，有關希夫堿型噻二唑對金屬離比色檢測屢見不鮮，其作用機理是以噻二唑環作為金屬離子接受體，以取代苯基為信號報告基或發色團，利用亞氨基作連接臂，通過紫外、比色等方法研究含噻二唑的希夫堿對金屬離子識別性能。如陶文波［14］等合成了希夫堿-1，3，4-噻二唑，用比色法實現了對Cu2＋靈敏的檢測。但希夫堿型噻二唑用于對陰離子識別報道相對較少，據此，本文在前期工作的基礎上，以對氨基苯甲酸、硫酸二甲酯、氨基硫脲、水楊醛等為原料，經過取代、環化、縮合等反應，合成得到希夫堿型噻二唑（A），并將A作為陰離子識別探針（圖1）。實驗表明，探針A對氟離子具有快速、靈敏、顯色的識別性能，是優良的氟陰離子裸眼識別傳感器。

圖1 陰離子比色探針A的結構式

1 實驗部分

1．1 儀器和試劑

TU1901紫外可見分光光度計（北京譜析）；Bruker AV400MHz核磁共振儀（DMSO-d6，TMS內標）；Bruker傅立葉變換紅外光譜儀（KBr壓片）；PE-2400CHE型元素分析儀；元素分析使用Flash EA 1112型元素分析儀測定。

對氨基苯甲酸、硫酸二甲酯、三氯氧磷和氨基硫脲為國藥集團產品。乙腈使用前重蒸餾，并經光譜檢驗無雜質。氟化四丁基銨為Acros產品，其它陰離子四丁基銨鹽是由相應的酸與四丁基氫氧化銨溶液反應制得。光譜測繪中主體分子濃度恒定為1×10-5mol·L-1。

1．2 探針A的合成

1．2．1 對二甲氨基苯甲酸合成

將0．05mol對氨基苯甲酸溶于適量的飽和碳酸鈉溶液中，磁力攪拌下滴加0．10mol硫酸二甲酯（密度1．33g／mL）至白色沉淀析出完全，室溫繼續反應2h后過濾得對二甲氨基苯甲酸粗品，用乙醇-水重結晶純化得白色針葉狀純品，待用。

1．2．2 2-氨基-5-（對二甲氨基）苯基-1，3，4-噻二唑合成

按文獻［13］合成2-氨基-5-（對二甲氨基）苯基-1，3，4-噻二唑。分別取0．02mol對二甲氨基苯甲酸與0．02mol氨基硫脲于100mL圓底燒瓶中，緩慢加入20mL三氯氧磷加以混合并置于75℃油浴中回流反應1h。冷卻至室溫，磁力攪拌下于反應液中加入40mL的水，再置于110℃油浴中回流4h。停止反應后，冷卻至室溫，滴加50%KOH調節pH至8～10，抽濾、水洗，粗品用乙醇重結晶得純品，待用。

1．2．3 水楊醛縮氨基-5-（對二甲氨基）苯基-1，3，4-噻二唑（A）合成［14］

在50mL圓底燒瓶中，分別取0．01mol 2-氨基-5-（對二甲氨基）苯基-1，3，4-噻二唑、0．01mol水楊醛以及25ml無水乙醇，加以混合后于90℃油浴中回流反應4h。停止反應后蒸出過量的溶劑，有橙紅色固體析出，乙醇重結晶兩次得到橙色晶體，產率為78%。

圖2 乙腈中探針A（a）及其6倍量的F-存在（b）時吸收光譜變化軌跡

2 結果與討論

2．1 探針A的表征

分別用IR、1H NMR、13C NMR及元素分析表征其結構。IR（KBr，cm-1）ν：3 286，3 113，2 913，1 606，1 525，1 421，1 367，1 191，943，815，750，607。1H-NMR（400MHz，DMSO-d6），δ （ppm）：11．45（s，1H），9．17（s，1H），7．89（d，J＝6．8Hz，1H），7．77（d，J＝8．9Hz，2H），7．52～7．46（m，1H），6．99（d，J＝8．1Hz，2H），6．81（d，J＝5．9 Hz，2H），3．01（s，6H）；13C-NMR（400MHz，DMso-d6），δ （ppm）：171．51，166．91，166．80，161．12，152．60，151．49，135．90，130．85，129．06，127．86，120．38，120．01，119．05，117．60，117．39，112．42，112．37，40．64，40．43，40．22，40．14，40．01， 39．80， 39．59， 39．38。 元 素 分 析 按C17H16N4OS：實驗值（計算值）／%：C，61．89（62．94）；H，4．82（4．97）；N，16．95（17．27）。

2．2 探針A對氟離子吸收光譜響應

圖3 乙腈中20倍量陰離子存在時探針A的吸收光譜變化軌跡

圖4 50倍量陰離子存在時探針A的顏色變化

2．3 探針A對F-識別機理

2．3．1 A與F-作用本質

F-存在時探針A溶液中顏色的變化、吸收光譜的紅移，表明探針分子與陰離子之間發生了反應，生成了A-F-配合物；吸收光譜等吸收點出現，意味著探針A與F-之間有確定的定量作用關系。

為了考察受體分子與陰離子的作用本質，在探針A與F-共存的乙腈溶液中引入質子性溶劑甲醇，發現隨甲醇量的遞增（0～100μL），504nm處的吸收峰逐漸減弱，413nm處吸收峰逐漸增強，并逐漸恢復至未加氟離子時探針A的吸收光譜（圖5）。這是由于甲醇分子給質子能力大于探針A，致使A-F-配合物發生離解，這種現象為探針A與陰離子間的氫鍵作用本質提供了證據。

2．3．2 A-F結合比、穩定常數及定量關系

采用摩爾比（Job-Plot）法［16］測定受體分子與陰離子結合比為1∶1，根據504nm處吸光度與氟離子濃度的變化曲線（圖6）進行非線性擬合［17］，得到乙腈中 A-F-的結合常數為（5．57±1．38）×106mol-1·L，其它陰離子結合常數因太小不能擬合。

圖5 F-加入A乙腈溶液中吸收光譜（a）；CH3OH引入A-F-乙腈溶液中吸收光譜（b）

圖6內插圖顯示：當氟離子濃度在0～35μmol·L-1范圍內，504處吸光度與氟離子濃度之間有極好的線性關系，回歸方程為Abs（504nm）＝4971C-4．743，相關系數為0．9993，F-最低檢出限為2．6×10-7mol·L-1（n＝20）。

圖6 504nm處A與氟離子濃度之間的擬合曲線

3 結論

用簡便的方法設計合成了結構簡單的氟離子比色探針——水楊醛縮氨基-5-（對二甲氨基）苯基-1，3，4-噻二唑（A）。紫外光譜研究發現，探針A在F-引入時，吸收光譜發生明顯紅移，比色反應顯示氟離子存在A溶液的顏色由黃色變為紅色。Job-Plot法測出A與F-的結合比比為1∶1，非線性擬合得到A與F-結合常數大于106mol-1·L；當氟離子濃度在0～35μmol·L-1區間內，探針A與F-濃度之間呈極好的線性關系，最低檢出限為2．6×10-7mol·L-1（n＝20），可見，探針A是優良的氟離子比色探針。本文工作對于設計和發展雜環型的靈敏度高、選擇性好的比色傳感陰離子探針分子模型提供一定的設計思路。

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