基于芳香型多元共軛酸的合成及金屬離子熒光探針研究

王宏亮 張曉娟

忻州師范學院 山西 忻州 034000

1 引言

1.1 研究背景

熒光分析法是一種通過檢測熒光光譜的改變來確定和檢測各種金屬離子的一種新方法。本化合物中還含有芴類物質的特殊聯苯結構,是特殊的剛性平面大π共軛體系,它的熒光量子產率很高,因此,其化學穩定性高、熱穩定性好,且發光量子效率也很高[1]。大π共軛體系是熒光物質的普遍特點結構,離域π電子躍遷時,它的共軛體系越大,激發時就越有利,則越容易產生熒光[1-2]。

1.2 研究意義

重金屬離子的污染是一個全球性的問題,對于Cu2+和Fe3+都是很大的重金屬離子[3]。每年工廠大量廢物排放所堆積的大量Cu2+和Fe3+排放到環境中,也使得其被歸為有很高的重金屬污染毒性[4]。分子檢測探針目前被廣泛應用于安全檢驗、環境質量監測以及生命科學技術分析等領域中,具有靈敏度高、選擇性好、使用方便等特殊優點,研究金屬離子熒光探針技術在化學、生命科學等眾多領域中都存在很大的進步空間。

2 實驗部分

2.1 原料與器材

2.1.1 原料試劑

4,4'-(2,7-二溴-9 H-芴-9,9-二基)二苯酚;4-溴甲基苯甲酸甲酯;4-甲酯苯硼酸;碳酸鉀;碳酸銫;氫氧化鋰;甲醇;四(三苯基膦)鈀;二甲基亞砜;無水硫酸鈉;柱層析硅膠;氮氣;N,N-二甲基甲酰胺;無水乙醇;四氫呋喃;乙酸乙酯;石油醚(天津市北辰方正試劑廠);除特別注明的均為直接使用。

2.1.2 實驗器材

循環水式真空泵;離心機;數顯智能控溫磁力攪拌器;Bruker AV-400型超導核磁共振儀;WFH2 204B型手提式紫外燈;F-4600熒光分光光度計;Esquire 3000型LC-MS質譜儀(日本島津公司)。

2.2 實驗內容

2.2.1 實驗合成步驟

圖2.1 合成路線

2.2.2 合成中間化合物1

稱取0.5 g的4,4'-(2,7-二溴-9H-芴-9,9-二基)二苯酚(1 mmol)和1.28 g的碳酸銫(4 mmol)放在100 m L圓底形瓶中,加入10 m L的N,N-二甲基甲酰胺作溶劑,攪拌加熱到40℃反應。再稱取0.54 g的4-溴甲基苯甲酸甲酯(2.4 mmol)加入反應液繼續反應5小時。反應結束以后,向產物混合液中加入大量的水淬滅反應,冷卻抽濾后,再用無水乙醇洗滌濾餅,濾餅干燥得到米黃色的固體粉末0.75 g,收率95%。

化合物2的核磁表征:1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ:7.99(d,J=19.5,8.1 Hz,6H),7.68-7.53(m,8H),7.13-7.04(m,4H),7.02-6.94(m,4H),5.19(s,4H),3.89(s,6H).

2.2.3 合成中間化合物2

稱取0.5 g的化合物1和0.33 g的4-甲酯苯硼酸于100 m L梨形瓶中,滴加4 m L碳酸鉀水溶液(含0.34 g碳酸鉀),并加入20 m L四氫呋喃作溶劑,將實驗裝置在氮氣保護的條件下加入四(三苯基膦)鈀0.07 g,于70℃恒溫條件下攪拌反應14小時。將反應結束后的產物用乙酸乙酯萃取,取上層有機溶液加入無水硫酸鎂將其干燥,再進行柱層析(V乙酸乙酯:V石油醚=1:8),濃縮得到微黃色的固體粉末0.25 g,收率44%。

2.2.4 合成目標產物BFDC

稱取0.16 g化合物2于50 m L梨形瓶中,滴加6 m L氫氧化鋰水溶液(含0.06 g氫氧化鋰),并加入15 m L四氫呋喃(THF),攪拌加熱至70℃,反應7小時。將反應結束后的產物中的有機溶劑旋干,滴加適量的稀鹽酸調節溶液p H使其呈酸性,將得到的混合溶液放入離心機中離心出固體后過濾自然晾干,干燥得到的固體加乙酸乙酯溶解洗滌,抽濾干燥得到目標產物BFDC米黃色固體粉末0.071 g,收率47%。

目標產物BFDC的核磁表征:1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ:12.94(s,4H),8.13-7.91(m,11 H),7.88-7.69(m,8H),7.52(d,J=7.9 Hz,4H),7.18(d,J=8.4 Hz,4H),6.95(d,J=8.5 Hz,4H),5.12(s,4 H).

3 結果與分析

3.1 紫外吸收光譜(UV)分析

3.1.1 目標產物紫外吸收光譜

取1.0 mg的目標產物(M=858.90 g·mol-1)溶于116μL二甲基亞砜(DMSO)中,配成濃度為10 mmol·L-1的溶液。測目標產物的紫外吸收光譜時,先用移液槍移取濃度為10 mmol·L-1目標產物的溶液10μL于比色管中,再用移液槍移取3000μL二甲基亞砜(DMSO)與其混合后測量。目標產物的紫外吸收光譜如圖3.2有兩處吸收峰,分別為λmax=280 nm和λmax=347nm處有,而最大吸收峰在λmax=347 nm處,這個是共軛體系的吸收峰。

3.1.2 不同濃度金屬離子的影響

根據實驗測量可得知,目標產物對Cu2+,Fe3+的響應較為明顯,而對其他離子的響應不明顯,所以不做討論。在上述測定紫外方法的基礎上,再向其中逐量分別加入Cu2+或Fe3+溶液,混合均勻后,分別逐次測量其紫外吸收數據。

圖3.2 不同濃度Cu2+和Fe3+對目標產物紫外吸收的影響圖

由于溶液中Cu2+濃度的變化,目標產物的兩個紫外吸收峰都有不同程度的變化。在λmax=280 nm處,隨著Cu2+濃度的不斷增大,目標產物的吸光度增大,吸收峰增強。而在λmax=347 nm處,隨著Cu2+濃度的不斷增大,目標產物的吸光度減小,吸收峰減弱。由此可說明,我們的目標產物與Cu2+配位了形成新的配合物。隨著Fe3+濃度的不斷增大,目標產物在λmax=280nm和λmax=347nm兩處的吸收峰都明顯增強了。

3.2 熒光發射光譜(FL)分析

取1.0 mg的目標產物BFDC(M=858.90 g·mol-1)溶于116μL二甲基亞砜(DMSO)中,配成濃度為10 mmol·L-1的溶液。用紫外所測吸收光波長λmax=347 nm作初始激發波長,測初始發射波長,再固定發射波長掃描激發波長,以此方法得出最佳發射波長λmax=461 nm,以此測目標產物BFDC的熒光光譜。

目標產物與不同濃度Cu2+和Fe3+響應的熒光光譜測量熒光光譜時,先用移液槍移取濃度為10 mmol·L-1目標產物的溶液5 μL于比色管中,再用移液槍移取3000μL二甲基亞砜(DMSO)與其混合后,測定目標產物的熒光光譜。再向其中逐次加入不同量的Cu2+或Fe3+溶液,混合均勻后,分別測量其熒光數據。

圖3.3 a)不同濃度Cu2+溶液熒光響應圖b)不同濃度Fe3+溶液熒光響應圖

由于溶液中Cu2+和Fe3+濃度的不斷增大,目標產物的熒光強度也隨之逐漸減弱,由此可見,它們都會在一定程度上淬滅目標產物的熒光。熒光淬滅是由于加入的Cu2+和Fe3+與我們的目標產物中的羧基配位,阻斷了其分子內能量的轉移,使得目標產物的熒光減弱。由圖可知,隨著Cu2+和Fe3+濃度的增大,目標產物上所連的羧基逐漸被Cu2+和Fe3+配位,因此最高峰的逐漸下降。

4 結果與討論

本實驗以4,4'-(2,7-二溴-9H-芴-9,9-二基)二苯酚為起始原料,與4-溴甲基苯甲酸甲酯在40℃下經過Williamson合成法合成了中間化合物1,得到0.75 g產品,收率為95%。再用中間化合物1與4-甲酯苯硼酸反應,經過Suzuki偶聯反應合成了中間化合物2,得到產品0.25 g,收率為44%。最后,在堿性條件下中間化合物2水解生成目標產物BFDC,得到產品0.071 g,收率為47%。

通過紫外和熒光的測定與分析可知,紫外吸收光譜顯示目標產物在二甲基亞砜(DMSO)溶劑中的有兩處吸收峰,分別為λmax=280 nm和λmax=347 nm,最大吸收波長在λmax=347.00 nm處,吸光度為A=0.693296;熒光發射光譜顯示目標產物以347.00 nm為激發波長,測得發射波長為461.00 nm。

本文通過合成芳香型多元共軛酸,設計金屬離子熒光探針,并且通過核磁共振氫譜(1H NMR)、紫外吸收光譜(UV)、熒光發射光譜(FL)等方法來表征目標產物的化學結構并探究其與重金屬離子結合后的熒光性能,測定其光學性質,在一定程度上證明了金屬離子熒光探針的研究前景很廣闊,關于金屬離子熒光探針的設計和修飾還有待進一步探究。