二甲基姜黃素對Fe3+的選擇性識別研究

李正義，嚴金貝，殷 樂，徐德峰，孫小強*

(1.常州大學 石油化工學院，江蘇 常州 213164；2.常州大學 制藥與生命科學學院，江蘇 常州 213164)

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二甲基姜黃素對Fe3+的選擇性識別研究

李正義1，嚴金貝1，殷 樂1，徐德峰2，孫小強1*

(1.常州大學 石油化工學院，江蘇 常州 213164；2.常州大學 制藥與生命科學學院，江蘇 常州 213164)

以姜黃素和碘甲烷為原料，一步合成了二甲基姜黃素分子探針L，其結構經X-射線單晶衍射、1H NMR,13C NMR和ESI-MS等分析手段確證。該化合物晶體屬單斜晶系，空間群C2/c，晶胞參數：a=22.317(6) nm，b=8.703 8(19) nm，c=23.039(5) nm，β=93.378(10)°，V=4 467.4(18) nm3，Z=4，Dc=1.206 g·cm-3，F(000)=1 720，μ(MoKα)=0.088 mm-1，R=0.080 9，ωR=0.216 3。探針L在甲醇-水溶液(體積比 9∶1，Tris-HCl緩沖溶液，pH 7.2)中對Fe3+具有選擇性識別和較強的抗干擾能力。通過紫外滴定以及質譜確證探針L與Fe3+形成1∶1配合物，結合常數(K)為1.089×106L/mol。該識別體系在Fe3+濃度為5.5×10-6～3×10-5mol/L范圍內具有較好的線性關系(r2=0.997 8)，檢出限為2.2×10-6mol/L。

二甲基姜黃素；分子探針；Fe3+；識別；紫外光譜

鐵是自然界最常見的過渡金屬之一，也是一種人體重要的微量元素，廣泛存在于生物體細胞中，與人體的造血功能有著很大的關系[1]。但鐵的過量或缺乏會對生命體的健康產生嚴重影響[2-3]，人體攝入過多的鐵會引起某些器官的功能紊亂，例如心臟病和老年癡呆癥等[4]。因此，有關Fe3+檢測方法的研究已成為熱點問題。目前，檢測Fe3+的方法繁多，其中原子吸收法、質譜法和伏安法操作較為繁瑣耗時且實驗成本相對較高[5-6]，而熒光法和紫外檢測法操作方便、快捷且準確度和靈敏度高。因此基于熒光和紫外檢測的Fe3+分子探針的研究受到了廣泛關注，如羅丹明類[7]、共軛聚合物[8]、苯并咪唑類衍生物[9]和香豆素[10]等功能分子對Fe3+具有較好的識別性能。但其中某些識別體系由于受其他金屬離子的干擾限制了其在特定環境中的應用，且絕大多數探針分子具有一定的毒性，也限制了其在生物體內的應用。因此，設計、開發一種對Fe3+具有高選擇性且無毒或低毒的探針分子具有重要的理論意義和應用價值。

β-二酮類化合物能通過酮-烯醇互變形成配位能力較強的O-鰲合雙齒，與金屬離子配位可形成穩定的六元螯合環，從而生成功能化的金屬配合物[11-13]。姜黃素及其衍生物具有β-二羰基結構，同樣也能與多種金屬離子(如Cu2+,Pt2+,Hg2+,Re3+等)配位，形成穩定的配合物[14-19]。二甲基姜黃素[1，7-二(3,4-甲氧基苯基)-1，6-庚二烯-3，5-二酮]作為天然姜黃素重要的衍生物之一，具有抗炎、抗腫瘤、抗氧化、抗過敏等藥理作用，特別是對前列腺癌有抑制作用[20-21]，且具有較低的毒副作用。因此，本文基于二甲基姜黃素的配位性能及其低毒性，開發了新型的分子探針，并研究了其對各種金屬離子的識別性能。實驗結果表明該探針對Fe3+具有很好的選擇性識別性能，且識別過程不受其它金屬離子干擾。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

姜黃素(純度≥97%，阿拉丁有限公司)，碘甲烷(純度≥99%，國藥集團化學試劑有限公司)，氘代試劑(上海凌峰化學試劑有限公司)，其他試劑和所有的金屬鹽均為國產分析純。

Brucker ARX-300MHz 核磁共振儀(300 MHz，瑞士布魯克公司，TMS為內標)；Shimadzu LCMS-2020 液相色譜-質譜聯用儀、Shimadzu UV-1700 紫外分光光度計(日本島津公司)；Bruker ApexⅡ型X 射線單晶衍射儀(瑞士布魯克公司)。

1.2 探針L的合成

探針L的合成路線如圖1所示。稱取200 mg (0.54 mmol)姜黃素溶于36 mL無水丙酮中，加入100 mg (0.72 mmol)無水K2CO3和342 mg (2.41 mmol)碘甲烷，回流攪拌反應6 h。反應結束后加入15 mL二氯甲烷，水洗(2×10 mL)后用無水Na2SO4干燥。減壓蒸除溶劑后采用硅膠柱分離，二氯甲烷進行洗脫，產物進一步用干燥的乙腈結晶，得到黃色晶體。Yield：45%，m.p.129～131 ℃ (Lit.[22]129～130 ℃)。1H NMR (DMSO-d6，300 MHz)δ：3.81(s，6H)，3.83(s，6H)，6.12(s，1H)，6.85(d，J=15.9 Hz，2H)，7.01(d，J=8.4 Hz，2H)，7.27(d，J=8.4 Hz，2H) 7.36(d，J=1.5 Hz，2H)，7.59(d，J=15.9 Hz，2H)，16.35(s，1H);13C NMR(DMSO-d6，75 MHz)δ：56.0，101.5，110.8，112.1,122.5，123.4，128.0，140.9，149.5，151.4，183.7。 ESI-MSm/z(%)：397 [(M + H)+，100]。

圖1 探針L的合成路線Fig.1 The synthetic route to probe L

1.3 探針L晶體結構的測定

選取大小為0.22 mm×0.20 mm×0.18 mm的單晶，置于Bruker Smart Apex-Ⅱ型CCD單晶衍射儀，在297(2) K 下采用石墨單色器單色化的MoKα射線(λ= 0.071 073 nm)，以ω-2θ掃描方式，在1.771°≤θ≤24.999°范圍內共收集12 252個衍射點，其中獨立衍射點3 947(Rint=0.070 2)個。所有計算均由SHELXTL-97晶體結構分析軟件包完成。主要晶體學數據列于表1。

表1 探針L的晶體學數據

CCDC：1 433 145

圖2 探針L在不同金屬離子存在下的紫外吸收光譜Fig.2 Ultraviolet spectrum of probe L in the presence of various metal ions

2 結果與討論

2.1 探針L對金屬離子的選擇性識別及抗干擾性

進一步考察了常見的其他金屬離子和Fe3+共存時對體系中Fe3+識別的干擾情況。在10 mL探針L的甲醇-水溶液(10 μmol/L)中分別加入4 μL濃度為0.5 mol/L的Fe3+和其他金屬離子，觀察不同共存金屬離子對探針L識別Fe3+的影響。結果表明，當有不同的金屬離子共存時，對探針L識別Fe3+的影響很小，說明探針L對Fe3+具有很好的選擇性識別能力和較高的抗干擾能力。這可能是由于Fe3+的半徑大小與探針L的空間結構更加匹配，探針L會優先與其結合。

2.2 pH值對探針L識別Fe3+的影響

圖3 探針L對Fe3+的Job曲線Fig.3 Job′s plot of probe L toward Fe3+[L]+[ Fe3+]=50 μmol/L

考察了pH 值對探針L與Fe3+作用的影響。結果顯示，當Fe3+存在時，探針在pH 3.0～7.6之間的吸收強度基本保持不變。當pH 值高于7.6時，隨著pH值增大，體系的吸收強度不斷減弱。這是由于Fe3+在堿性條件下易沉淀，從而減少了其與探針L配位的數量。此外，探針L在堿性條件下結構不穩定，易分解成類似于香蘭素和肉桂酸的系列化合物[25]。本實驗選用Tris-HCl緩沖溶液將體系pH值調至7.2左右，以利于探針L用于生命體系中Fe3+的檢測。

2.3 Job曲線及紫外滴定

等摩爾Job法是測定配合物絡合比的常用方法[26]。本文固定金屬離子與配體的總濃度不變，以紫外吸收強度對金屬離子與配體比例作圖。將探針L和Fe3+的總濃度保持為50 μmol/L，改變Fe3+的摩爾分數。結果顯示，波長362 nm處的紫外吸收強度隨探針L和Fe3+摩爾比的變化而變化(如圖3)。當Fe3+的摩爾分數為0.5時，探針L和Fe3+的絡合物在362 nm處出現最大的紫外吸收強度，表明探針L與Fe3+為1∶1絡合。

紫外滴定實驗結果顯示，空白探針L(10 μmol/L)在423 nm處出現最大吸收峰，隨著Fe3+的加入，在362 nm處出現1個新的吸收峰，且其吸收強度隨著Fe3+濃度的增加而增大，直至 Fe3+的濃度達到10 μmol/L后，362 nm處的吸收強度不再變化，進一步證實了Fe3+與探針L的絡合比為1∶1。

2.4 結合常數及檢出限

確定探針L與Fe3+絡合模式屬于1∶1模型之后，按照Benesi-Hildebrand公式[27]：1/(A-Amin)=1/{K(Amax-Amin)[Fe3+]}+1/(Amax-Amin),計算得到探針L與Fe3+的結合常數，式中，K為探針L與Fe3+的結合常數，Amin代表空白探針L溶液的紫外吸收強度，Amax為在探針L溶液中加入過量Fe3+所產生的最大紫外吸收強度，A代表加入Fe3+后溶液的紫外吸收強度。以1/[Fe3+]為橫坐標，1/(A-A0)為縱坐標作圖，得到擬合曲線方程為y=1.831×10-5x-19.95，r2=0.992 9，其線性關系較好。根據該直線方程，并結合Benesi-Hildebrand公式，得到探針L與Fe3+的結合常數K=1.089×106L/mol，表明二甲基姜黃素對Fe3+有著較強的絡合能力。

探針L對不同濃度Fe3+的響應結果顯示，在5.5×10-6～3×10-5mol/L濃度范圍內,探針L紫外吸收強度的增強(y)與Fe3+濃度(x，mol/L)呈良好的線性關系，線性方程為y=6 774.4x+ 0.145(r2=0.997 8)。以3σ(3倍空白的標準偏差)計算檢出限[28]，得到該探針L對Fe3+的LOD為2.2×10-6mol/L，表明探針L對Fe3+的識別作用具有較高的靈敏度。

圖4 探針L和Fe3+配合物的質譜圖(ESI-MS，負離子掃描)Fig.4 MS spectrum of complex of probe L with Fe3+(ESI-MS，negative scan)

圖5 核磁滴定圖譜(DMSO-d6/D2O)Fig.5 1H NMR titration spectra in DMSO-d6/D2O

2.5 識別機理研究

由于探針L的晶體結構中所有的非氫原子位于同一平面上，且由于分子內氫鍵作用，L主要以烯醇式的結構存在，說明L在對Fe3+識別過程中以烯醇式與Fe3+相互作用；此外，L與Fe3+形成的配合物的質譜圖中,基峰m/z=555.95(100%)，對應[L+FeCl3-H]-的峰(圖4)，證實探針L失去烯醇結構中羥基上的質子后與FeCl3以1∶1的計量比形成穩定的絡合物。

圖6 探針L對Fe3+的識別過程與結合模型Fig.6 Recognition process and complex model for the probe L toward Fe3+

3 結 論

本文以姜黃素和碘甲烷為原料合成了低毒的藥物分子二甲基姜黃素L，并以此作為Fe3+檢測的分子探針。研究結果表明，L在甲醇-水溶液(9∶1，Tris-HCl緩沖溶液，pH 7.2)中對Fe3+具有較好的選擇識別性能、抗干擾能力和靈敏度。紫外滴定和質譜分析結果確證探針L與Fe3+形成了1∶1配合物，結合常數為K=1.089×106L/ mol。在Fe3+濃度為5.5×10-6～3×10-5mol/L范圍內，該識別體系具有較好的線性關系，可定量檢出Fe3+的濃度。通過對探針L的晶體結構、配合物的質譜及核磁滴定研究，提出了探針L與Fe3+的結合模型和識別機理，為其在生物體內的潛在應用提供了參考依據。

[1] Theil E C.Curr.Opin.Chem.Biol.，2011，15：304-311.

[2] Weinstein D A，Roy C N，Fleming M D,Loda M F，Wolfsdorf J I，Andrews N C.Blood，2002，100：3776-3781.

[3] Huang X.Mutat.Res.，2003，533：153-171.

[4] Duvigneau J C，Piskernik C，Haindl S,Kloesch B，Hartl R T,Hüttemann M，Lee I，Ebel T，Moldzio R，Gemeiner M，Redl H,Kozlov A V.Lab.Invest.，2008，88：70-77.

[5] Huang L S，Lin K C.Spectrochim.ActaB，2001，56：123 - 128.

[6] Bobrowski A，Nowak K，Zarebski J.Anal.Bioanal.Chem.，2005，382：1691 - 1697.

[7] She M Y，Yang Z，Yin B，Zhang J，Gu J，Yin W T，Li J L，Zhao G F，Shi Z.DyesPigments，2012，92：1337-1343.

[8] Qin Y A，Zhang X，Liu S Y，Sun M M.J.Instrum.Anal.(秦元安，張獻，劉叔堯，孫明明.分析測試學報)，2015，34(10)：1158-1162.

[9] Jung H J，Singh N，Jang D O.TetrahedronLett.，2008，49：2960-2964.

[10] Kaya E N，Yuksel F，?zpnar G A,Bulut M，Durmus M.Sens.ActuatorB，2014，194：377-388.

[11] Subhasri A，Anbuselvan C.Anal.Methods，2014，6：5596 - 5609.

[12] Shen X，Yan B.J.Mater.Chem.C，2015，3：7038 - 7044.

[13] Kim H M，Yang P R，Seo M S，Yi J S，Hong J H，Jeon S J，Ko Y G，Lee K J，Cho B R.J.Org.Chem.，2007，72:2088 - 2096.

[14] Jiang T，Wang L，Zhang S，Sun P C，Ding C F，Chu Y Q，Zhou P.J.Mol.Struct.，2011，1004：163 - 173.

[15] Zhou S S，Xue X，Jiang B，Lu C H，Tian Y P，Jiang M H.ActaChim.Sin.(周雙生，薛璇，姜波，魯傳華，田玉鵬，蔣明華.化學學報)，2011，69(19)：2335 - 2340.

[16] Jiang B，Wei D，Fan J L，Wang J F，Zhou S S.Chin.J.Synth.Chem.(姜波，魏冬，范九良，汪佳鳳，周雙生.合成化學)，2012，20(4)：430 - 433.

[17] John V D，Krishnankutty K.Transit.MetalChem.，2005，30：229 - 233.

[18] Sagnou M，Benaki D，Triantis C，Tsotakos T，Psycharis V，Raptopoulou C P，Pirmettis I，Papadopoulos M，Pelecanou M.Inorg.Chem.，2011，50：1295 - 1303.

[19] Chittigori J，Kumar A，Li L，Thota S，Kokil A，Samuelson L A，Sandman D J，Kumar J.Tetrahedron，2014，70：991 - 995.

[20] Pfeiffer E，Hoehle S I，Walch S G,Riess A，Sólyom A M，Metzler M.J.Agric.FoodChem.，2007，55：538-554.

[21] Yamashita S，Lai K P，Chuang K L，Xu D F，Miyamoto H，Tochigi T，Pang S T，Li L，Arai Y，Kung H J，Yeh S，Chang C.Neoplasia，2012，14：74-83.

[22] Sagnoua M，Mitsopoulou K P，Koliopoulos G,Pelecanou M，Couladouros E A，Michaelakis A.ActaTrop.，2012，123：190-195.

[23] Zhang P，Zhang Y M，Lin Q，Yao H，Wei T B.Chin.J.Org.Chem.(張鵬，張有明，林奇，姚虹，魏太保.有機化學)，2014，34：1300 - 1321.

[24] Dakhel A A，Cassidy S，Jasim K E，Henari F Z.Microelectron.Reliab.，2015，55：367 - 373.

[25] Wang Y J，Pan M H，Cheng A L，Lin L I，Ho Y S，Hsieh C Y，Lin J K.J.Pharm.Biomed.,1997，15：1867 - 1876.

[26] Yuan P，Xia Z N，Liu Y.J.Instrum.Anal.(袁佩，夏之寧，劉勇.分析測試學報)，2001，20(1)：80-83.

[27] Meng W F，Yang M P，Li B，Cheng Z，Yang B Q.Tetrahedron，2014，70：8577-8581.

[28] Luo D C，Luo Z.J.Instrum.Anal.(羅道成，羅鑄.分析測試學報)，2015，34(10)：1191-1194.

Study on Selective Recognition of Di-O-methylcurcumin toward Fe3+Ion

LI Zheng-yi1，YAN Jin-bei1，YIN Yue1，XU De-feng2，SUN Xiao-qiang1*

(1.Institute of Petrochemical Engineering，Changzhou University，Changzhou 213164，China；2.School of Pharmaceutical Engineering & Life Science，Changzhou University，Changzhou 213164，China)

The di-O-methylcurcumin L as a molecular probe was directly synthesized by using curcumin and iodomethane.The title compound was characterized by X-ray single-crystal diffraction,1H NMR，13C NMR and ESI-MS.The crystal structure of the compound belongs to monoclinic system with a space group of C2/c.The cell parameters were as follows：a=22.317(6) nm,b=8.703 8(19) nm，c=23.039(5) nm，β=93.378(10) °，V=4 467.4(18) nm3，Z=4，Dc=1.206 g·cm-3，F(000)=1 720，μ(MoKα)=0.088 mm-1，R=0.080 9，ωR=0.216 3.The probe L exhibited a selective and sensitive absorption response toward Fe3+over a wide range of metal ions in ethanol-water solution(9∶1，Tris-HCl buffer，pH 7.2).The results of ultraviolet titration and mass spectrometry showed that the probe L and Fe3+formed a 1∶1 complex,and the association constantKwas determined to be 1.089×106L/mol.The mothod showed good linearity(r2= 0.997 8) for Fe3+concontration in the range of 5.5×10-6- 3×10-5mol/L with a limit of detection of 2.2×10-6mol/L.

di-O-methylcurcumin;molecular probe;Fe3+ion;recognition;ultraviolet spectra

2016-03-26；

2016-04-29

國家自然科學基金資助項目(21572026，21002009)；江蘇省高校自然科學研究重大項目(14KJA150002)

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.10.015

O657.32；O614.81

A

1004-4957(2016)10-1306-05

*通訊作者：孫小強，博士，教授，研究方向：超分子化學，Tel：0519-86330257，E-mail：sunxiaoqiang@yahoo.com