一種1,8-萘酰亞胺類鐵離子熒光探針的合成和性能研究

姜思泉，周子彥

(山東理工大學 化學工程學院， 山東 淄博 255049)

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一種1,8-萘酰亞胺類鐵離子熒光探針的合成和性能研究

姜思泉，周子彥

(山東理工大學 化學工程學院， 山東 淄博 255049)

摘要：設計并合成了以1,8-萘酰亞胺為發光基團，以希夫堿結構為識別基團的鐵離子熒光探針，使用核磁共振氫譜對其結構進行了表征.研究了其發光性能，并對其作為熒光探針檢測Fe3+進行了研究. 研究發現在四氫呋喃THF/H2O (95/5, v/v)體系中其對Fe3+具有很高的選擇性，加入Fe3+會導致體系的熒光淬滅.該探針對Fe3+的檢出限可達到8.12×10-7mol/L，是一種很有前景的含水介質Fe3+熒光探針.

關鍵詞：1,8-萘酰亞胺；希夫堿；熒光探針；Fe3+

金屬離子與環境科學、生命科學、醫學等多個領域的關系都是十分密切的，其識別、檢測在分析化學中也占據著重要的地位，尤其是生命科學中離子分析方向，更是人們所矚目的前沿課題[1]. 鐵作為地殼中含量第三的元素，其在含水介質中的定向檢測和測量更是受到了極大的關注[2]. 鐵離子在許多細胞水平上的生理代謝中起到了關鍵作用[3]. 當機體內鐵離子濃度超出或低于細胞所需的濃度范圍時就會擾亂生命系統的正?；顒佣辜毎卸? 從而引起嚴重的鐵代謝障礙疾病，比如阿耳茨海默氏老年癡呆病[4]，帕金森氏綜合癥[5]和其他神經退化性疾病[6]. 因此，對鐵離子熒光傳感器的研究對于環境及生命科學都具有重大的意義[7]. 與其他過渡金屬如銅離子、汞離子相比，關于鐵離子的熒光傳感器的報道相對較少.Gao等人報道了以香豆素衍生物作為鐵離子熒光探針，但無水的檢測體系限制了其應用[8]. 鐵離子由于順磁特性，所報道的鐵離子傳感器絕大多都是熒光淬滅型的. 本文以1,8-萘酰亞胺為熒光基團，以希夫堿結構為識別基團，合成了一種新的熒光物質，并對其在含水介質中檢測鐵離子的能力進行了研究.

1　實驗部分

1.1試劑和儀器

核磁共振波譜儀(AV-400 瑞士布魯克)紫外-可見分光光度計(UV-3600 日本島津)熒光分光光度計(F-380 中國港東) 數字熔點儀(WRS-1B上海物光)數顯智能控溫磁力攪拌器(SZCL-A鄭州長城)真空干燥箱(DZF-6021 上海一恒)．

4-溴-1,8-萘酐；80%水合肼；正辛胺；β-萘酚；六次甲基四胺；無水乙醇；乙二醇丁醚；冰乙酸；濃硫酸；所用試劑和溶劑為國內市售分析純. 各種不同金屬離子溶液的配制為:Ag+，Pb2+由其硝酸鹽配制，其他金屬離子由其氯化物配制．

1.2探針化合物的合成(圖1)

圖1　探針化合物的合成路線

1.2.1N-氨基-4-溴-1,8-萘酰亞胺(Inter-M1)的合成

在裝有攪拌磁子，恒壓漏斗和回流冷凝管的100mL三口燒瓶中加入4-溴-1,8-萘酐 (0.75g，2.7mmol)，50mL無水乙醇，攪拌加熱回流條件下緩慢加入80%水合肼(0.17g, 2.7mmol)，加畢，回流反應過夜.TLC跟蹤反應完全，趁熱抽濾，用熱無水乙醇洗滌濾餅(50mL×3). 真空干燥，得淡綠色固體0.75g，產率95%.1HNMR(氘代DMSO,TMS)δ：8.66~8.49 (m, 2H), 8.40~ 8.29 (m, 1H), 8.28~8.16 (m, 1H), 8.08~7.94 (m, 1H), 5.81 (s, 2H).

1.2.2N-氨基-4-((N-正辛基)-氨基)-1,8-萘酰亞胺(Inter-M2)的合成

在裝有攪拌磁子和回流冷凝管的50mL三口燒瓶中加入Inter-M1 (0.29g, 1.0mmol)，正辛胺(0.26g, 2.0mmol)，20mL乙二醇丁醚，攪拌加熱至回流反應3h. 反應結束后，冷卻至室溫，將反應液傾入到200mL蒸餾水中析出大量固體，劇烈攪拌1h后靜置過夜，抽濾，得深黃色固體，濾餅用蒸餾水洗滌，真空干燥得產物0.28g，產率86%.1HNMR(氘代DMSO,TMS)δ： 8.73 (d,J= 8.0Hz, 1H), 8.45 (d,J= 7.0Hz, 1H), 8.27 (d,J= 8.3Hz, 1H), 7.84 (s, 1H), 7.69 (t,J= 7.1Hz, 1H), 6.77 (d,J= 8.1Hz, 1H), 5.73 (s, 2H), 3.43 ~3.33 (m, 2H), 1.79~ 1.61 (m, 2H), 1.51~1.16 (m, 10H), 0.85 (s, 3H).

1.2.32-羥基-1-萘甲醛(Inter-M3)的合成

參考文獻[9]的方案，在裝有攪拌器、滴液漏斗和回流冷凝管的三口瓶中加入15mL乙酸，加熱攪拌下依次加入β-萘酚(10.5g, 0.073mol)和六次甲基四胺(12g, 0.086mol). 在90℃滴加濃硫酸(9mL, 0.166mol). 滴畢，于97℃攪拌反應2.5 h后傾入100mL蒸餾水中，抽濾，濾餅水洗至中性，干燥，無水乙醇重結晶得淺黃色針狀晶體8.68g，產率69%. 熔點:81.0~81.7℃(文獻值80 ~ 81℃).1H NMR (CDCl3, TMS) δ：13.12 (s, 1H), 10.83 (s, 1H), 8.36 (d, J = 8.3 Hz, 1H), 7.99 (d, J = 7.1 Hz, 1H), 7.83 (d, J = 8.1 Hz, 1H), 7.63~ 7.43 (m, 1H), 7.45~7.32 (m, 1H), 7.15 (d, J = 8.0 Hz, 1H).

1.2.4探針化合物1的合成

在裝有攪拌磁子和回流冷凝管的100mL三口燒瓶中加入Inter-M2 (0.28g, 0.8mmol)，Inter-M3 (0.18mg，1.0mmol)，催化劑量的冰乙酸和40mL無水乙醇.攪拌加熱至回流反應2h，反應結束后，冷卻至室溫，析出黃色沉淀. 抽濾, 濾餅用無水乙醇重結晶，得淡黃色絮狀固體0.38g，產率90.0%.1HNMR(氘代DMSO, 400MHz,TMS)δ(ppm) 12.72 (s, 1H), 9.79 (s, 1H), 8.80 (d,J= 8.4Hz,1H),8.54(d,J=7.2Hz,1H),8.47(d,J=8.8Hz,1H),8.36(d,J=8.8Hz,1H),8.11(t,J=9.2Hz,1H),7.96~7.94(m,2H),7.77(dd,J1=8.0Hz,J2=7.6Hz,1H),7.63(dd,J1=7.6Hz,J2=7.6Hz,1H),7.47(dd,J1=7.6Hz,J2=7.2Hz,1H),7.32(d,J=8.8Hz,1H),6.86(d,J=8.4Hz,1H),1.75~1.71(m,2H),1.43~1.27(m,12H),0.86~0.84(m,3H).

2　結果與分析

2.1化合物1發光性能的研究

1,8-萘酰亞胺類化合物在可見光下可以發出強烈的黃綠色熒光且具有較高的熒光量子產率，因此是最早被廣泛研究的熒光類發光物質，并且已經廣泛的應用于紡織、油墨、印染、涂料、染料等行業. 本方案設計合成的探針化合物1不僅具有1,8-萘酰亞胺骨架，并且含有C=N雙鍵使其共軛鏈得到增強，因此也應該具有良好的發光性能.

為了探究化合物1的發光性能，對化合物1在THF溶液中的發光光譜進行了測試，結果如圖2所示，化合物1的最大激發波長λex為467nm，最大發射波長λem為512nm，這屬于典型的萘酰亞胺衍生物的發射光譜. 為了研究化合物1的發光能力，使用相對值法對化合物1的熒光量子產率(φf)進行了測量，公式(1)如下：

(1)

其中φfstand=0.55，nx和nstand分別為樣品溶液和標準物溶液的折射率，Fx和Fstand分別為樣品和標準物的熒光發射強度.

圖2　探針化合物1在四氫呋喃溶液中的發光光譜(激發，發射狹縫均為2.5nm)

標準物的成分是硫酸奎寧濃度為1.0×10-5mol·L-1的稀硫酸溶液，樣品溶液是化合物1濃度為1.0×10-5mol·L-1的THF溶液. 測量方法是分別測定兩種溶液的紫外-可見吸收光譜，選取化合物1吸收曲線與硫酸奎寧標準曲線交點處的波長作為激發波長，測試化合物1的熒光發射光譜，得到其熒光發射光譜的強度，然后利用式(1)計算得到化合物1的熒光量子產率[10]. 化合物1的熒光量子效率的相關測試結果列于表1中.

表1化合物1熒光量子產率的測定結果

化合物1硫酸奎寧折射率相交處波長/nmλex/λemFxFstand?fx1.407353467/51258.57532.51.337353384/452109.695

表1中φfx為樣品的熒光量子產率.

2.2化合物1熒光探針性能的研究

2.2.1化合物1的選擇性研究

通過研究發現，化合物1在不同溶劑中發射光譜和吸收光譜的研究，我們決定使用THF/H2O(95/5,v/v)系對化合物1的識別能力進行檢測. 當1濃度為在25μmol/L時，在溶液中加入過量的常見金屬離子(包括Fe3+,Ag+,Ca2+,Cd2+,Fe2+,Ba2+,K+,Mg2+,Mn2+,Na+,Pb2+,Zn2+,Co2+)實驗結果如圖3所示，當加入過量的上述金屬離子后，其他金屬離子并沒有對1的熒光發射產生明顯影響，只有Fe3+對1的熒光發射產生了顯著的影響. 當Fe3+加入到1的溶液中后，熒光強度劇烈下降，同時溶液顏色也由黃綠色變成深褐色，并且這個顏色變化可以用肉眼所觀察到. 因此，化合物1表現出了對Fe3+特有的選擇性，并且整個傳感過程肉眼可見，因此1在比色傳感Fe3+方面有潛在的應用空間.

圖3　化合物1 (25 μmol/L, THF/H2O =95/5, v/v)中加入不同金屬離子(100 μmol/L)熒光強度的變化

2.2.2不同濃度的Fe3+對化合物1熒光光譜的影響

為了進一步研究化合物1對Fe3+的傳感性能，一系列的熒光滴定實驗用以探究不同濃度的Fe3+對1熒光光譜的影響. 將不同濃度的Fe3+加入到化合物1濃度為25μmol/L的THF/H2O(95/5,v/v)溶液中，分別測定不同Fe3+濃度下體系的發射光譜，結果如圖4所示，在Fe3+濃度在0~25μmol/L范圍內，體系的熒光強度逐漸下降，當加入Fe3+濃度也為25μmol/L時，體系熒光幾乎完全淬滅，繼續增加體系中Fe3+含量對體系的發光影響基本不大，這說明化合物1與Fe3+是化合物1是1:1絡合的. 同時，在Fe3+濃度為0~25μmol/L范圍內，體系熒光強度與Fe3+和1的濃度比存在相對良好的線性關系，如圖4插圖所示，在[Fe3+]/[1]在0~1之間時，體系熒光強度呈線性下降，當[Fe3+]/[1]大于1時，體系熒光強度基本不發生變化. 這同樣說明化合物1與Fe3+是1:1絡合的.

圖4　化合物1中逐漸加入Fe3+的熒光發射光譜的變化圖(25μmol/L, 298 K, THF/H2O =95/5, v/v)

2.2.3化合物1對Fe3+檢出限的研究

通過熒光滴定實驗可以發現Fe3+可以導致探針化合物1發射光譜的線性淬滅，為了進一步研究1對Fe3+的傳感性能，使用統計計量學的方法對Fe3+的檢出限進行了研究.在化合物1濃度為10μmol/L的THF/H2O(95/5,v/v)中分別加入不同濃度的Fe3+(0.25，0.5，0.75，1.0，1.25，1.5，1.75，2.0，2.25，2.5μmol/L)，并分別測定其熒光光譜，結果如圖5所示.

圖5　化合物1(10μmol/L)在THF/H2O=95/5, v/v溶液中512nm處的發射強度與Fe3+濃度(0~2.5μmol/L)的工作曲線

在化合物1濃度為10μmol/L，Fe3+濃度為0~2.5μmol/L范圍內，溶液體系的熒光強度隨著Fe3+的線性增加而線性降低，其變化關系為F=239.72-24.21C(R=0.99674，N=11)，結果分析如下：

線性方程組：Y=-24.21×X+239.72，R= 0.99674，S= 2.421×107，K=3.3

化合物1在THF/H2O(95/5,v/v)溶液中對Fe3+的檢出下限為8.12×10-7mol/L.

3　結論

本文設計合成了一種以1,8-萘酰亞胺為發光基團，以C=N結構作為識別基團的一種希夫堿類化合物1，并通過核磁共振氫譜對其結構進行了表征. 研究了化合物1的發光性能，發現其在四氫呋喃溶液中的最大激發和發射波長分別為467nm和512nm，熒光量子效率為0.36. 研究了化合物1在THF/H2O(95/5,v/v)溶液中對常見的金屬離子的識別能力，研究發現，體系中引入Fe3+能使化合物1的熒光完全淬滅，其他離子對1的發射強度影響不大，同時，隨著Fe3+的加入量逐漸增大，1的熒光強度呈現線性下降. 通過統計計量學的方法對1檢出Fe3+的下限進行了研究，發現1對Fe3+的檢出下限達到了8.12×10-7mol/L，遠遠低于國家規定的Fe3+檢測標準. 我們合成的探針是一種比色比率熒光探針，并且可以在含水介質中工作，其對Fe3+的選擇性和高靈敏性使得其值得廣泛推廣.

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(編輯：姚佳良)

Synthesisandcharacterizationofafluorescentprobe

forironionbasedon1,8-naphthalimide

JIANGSi-quan,ZHOUZi-yan

(SchoolofChemicalEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Abstract:A novel fluorescent probe for the recognition of iron ionsthat utilizes naphthalimide as a luminescent group and schiff base as a recognizing group was designed and synthesized. The compound was characterized by1H NMR and the luminescence behavior was investigated. A series of Host-Guest recognition experiments revealed that the new fluorescent probe exhibited excellent selectivity for iron ions among several common metal ions in THF/H2O (95/5, v/v) solution, Fe3+could cause THF-water (95/5, v/v) solution of probe fluorescence quenching and the detection limit of Fe3+was 8.12×10-7mol/L.

Key words:1,8-naphthalimide; schiff base; fluorescent probe; Fe3+

中圖分類號：O625.63

文獻標志碼：A

文章編號：1672-6197(2015)04-0056-04

通信作者:

作者簡介：姜思泉，男，274715036@qq.com； 周子彥，男，zyzhou@sdut.edu.cn

基金項目：山東省自然科學基金資助項目(ZR2009BL024)

收稿日期：2014-10-24