新型吡啶-杯[4]芳烴熒光探針的合成及其對Fe3+的檢測性能

李云劍, 石 靖, 肖唐鑫, 孫小強, 楊 科, 李正義

(常州大學 石油化工學院 江蘇省先進催化材料與技術重點實驗室,江蘇 常州 213164)

鐵是人體不可缺少的微量元素,在生物和病理過程中發揮著重要作用,如參與氧化、細胞代謝和酶促反應[1-3]。在缺鐵時,人體紅細胞中的血紅蛋白水平會下降,導致疲勞、工作性能差、免疫力下降、肝損傷和帕金森病等;而鐵元素過量也會引發一系列疾病,如心臟病、胰腺功能障礙和某些類型的癌癥等[4-5]。由此可見,可靠且靈敏的Fe3+檢測在生物醫學診斷和環境監測中尤為重要。目前,盡管已有多種方法可用于Fe3+的檢測,如電感耦合等離子體質譜法、原子吸收光譜法和電化學方法[6-8],但這些技術多存在耗時較長和需要精密設備等缺點。因此,開發一種高靈敏度、高選擇性和快速定量的Fe3+檢測方法具有重要的現實意義。

目前,有機熒光傳感器因其響應快、靈敏度高、選擇性高、檢測限低和使用方便等優點受到廣泛關注[9-10]。其中,基于杯芳烴骨架的熒光探針研究取得了較快的發展[11-12]。通過調節熒光基團與杯[4]芳烴不同連接方式和位點,研究人員開發出了多種陽離子、陰離子和生物分子的傳感器[13-15]。CHAWLA課題組報道了一種新型的上沿連接雙杯芳烴化合物,以兩個碳酰肼基團作為橋聯單元,該平臺對Fe3+表現出選擇性的熒光強度增強效果[16]。同年,CHEN等報道一種蒽-1,2,4-惡二唑取代杯[4]芳烴化合物,用于Fe3+的高選擇性熒光檢測[17]。SABAH課題組合成了下沿含糖硫雜冠醚功能化修飾的叔丁基杯[4]芳烴化合物,用于Fe2+和Fe3+的熒光檢測[18]。RAHMAN等報道了一種含萘和1,2,3-三唑基團的新型杯[4]芳烴熒光探針,用于Fe3+和Hg2+的同時檢測[19]。MOSEEV等利用1,3,7-三氮雜吡啶取代的杯[4]芳烴實現了對Al3+和Fe3+的雙重檢測[20]。本課題組長期致力于熒光探針[21]及杯芳烴化學傳感器的研究[22],在吡啶-杯[4]芳烴衍生物的功能化方面取得了一定突破。

本文以杯[4]芳烴(1)為原料,在氫化鈉作用下與溴化芐反應生成25,26-二芐氧基-27,28-二羥基杯[4]芳烴(2)。隨后,通過與N-溴代丁二酰亞胺(NBS)的選擇性溴化反應,生成5,11-二溴-25,26-二芐氧基-27,28-二羥基杯[4]芳烴(3)。接著,繼續利用溴化芐保護剩余的兩個羥基,得到5,11-二溴-25,26,27,28-四芐氧基杯[4]芳烴(4)。最后,與3-吡啶硼酸通過Suzuki反應合成了5,11-二(3-吡啶基)-25,26,27,28-四芐氧基杯[4]芳烴(L, 圖1)。目標產物結構經1H NMR,13C NMR和HR-MS表征。

圖1 探針L的合成

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

X4-A型顯微熔點儀(溫度計未校正);ARX-300 MHz型核磁共振儀器(CDCl3為溶劑,TMS為內標);6540 UHD Accurate-Mass Q-TOF LC/MS型高分辨質譜儀;UV-1700型紫外-可見分光光度計;Cary Eclipse型熒光光譜儀;Nicolet 8700型傅里葉變換紅外光譜儀(KBr 壓片)。

所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1) 25,26-二芐氧基-27,28-二羥基杯[4]芳烴(2)的合成

向杯[4]芳烴1(3.39 g, 8.00 mmol)和NaH(1.92 g, 48.00 mmol,以60%比例分散在石蠟油中)的CH3CN(200.00 mL)溶液中添加溴化芐(2.09 mL, 17.60 mmol),室溫下攪拌反應30 min,溶液變為淡紫色。加入HCl(1 N, 20.00 mL)淬滅反應,蒸除有機溶劑,殘余物加入水(30.00 mL),用CHCl3(2×30.00 mL)萃取,合并有機層,用Na2SO4干燥,濃縮,殘余物經硅膠柱純化得白色固體21.98 g,產率41%, m.p.222～224 ℃(m.p.224～227 ℃[23]);1H NMR(300 MHz, CDCl3)δ: 8.91(s, 2H, OH), 7.43～7.30(m, 10H, ArH), 7.01～6.76(m, 10H, ArH), 6.51(t,J=7.6 Hz, 2H, ArH), 4.99(d,J=11.4 Hz, 2H, OCH2Ar), 4.82(d,J=11.3 Hz, 2H, OCH2Ar), 4.40(d,J=13.1 Hz, 1H, ArCH2Ar), 4.16(d,J=13.7 Hz, 1H, ArCH2Ar), 4.03(d,J=12.5 Hz, 2H, ArCH2Ar), 3.25(d,J=13.3 Hz, 2H, ArCH2Ar), 3.15(d,J=13.1 Hz, 2H, ArCH2Ar)。

(2) 5,11-二溴-25,26-二芐氧基-27,28-二羥基杯[4]芳烴(3)的合成

向化合物2(2.41 g, 4.00 mmol)的2-丁酮(50.00 mL) 溶液中加入N-溴代琥珀酰亞胺(1.57 g, 8.80 mmol),室溫下攪拌24 h。蒸除溶劑,將殘余物在MeOH—CHCl3中重結晶得白色固體3(2.58 g, 85%, m.p.112～114 ℃(m.p.113～116 ℃[23]);1H NMR(300 MHz, CDCl3)δ: 8.84(s, 2H, OH), 7.39～7.30(m, 10H, ArH), 7.06～6.88(m, 8H, ArH), 6.79(t,J=7.5 Hz, 2H, ArH), 4.98(d,J=11.1 Hz, 2H, OCH2Ar), 4.78(d,J=11.3 Hz, 2H, OCH2Ar), 4.37(d,J=12.7 Hz, 1H, ArCH2Ar), 4.09(d,J=13.7 Hz, 1H, ArCH2Ar), 3.94(d,J=13.0 Hz, 2H, ArCH2Ar), 3.27(d,J=12.6 Hz, 1H, ArCH2Ar), 3.16(d,J=13.8 Hz, 1H, ArCH2Ar), 3.12(d,J=13.0 Hz, 2H, ArCH2Ar)。

(3) 5,11-二溴-25,26,27,28-四芐氧基杯[4]芳烴(4)的合成

室溫下,將溴化芐(0.24 mL, 2.00 mmol)加入到化合物3(0.76 g, 1.00 mmol)和NaH(0.12 g, 3.00 mmol)的CH3CN(10.00 mL)溶液中,室溫下攪拌1 h,加入HCl(1 N, 10.00 mL)淬滅反應。用CHCl3(3×10.00 mL)萃取,合并有機層,用Na2SO4干燥,濃縮,殘余物經硅膠柱層析純化得白色固體4[24](0.56 g, 62%), m.p.173～175 ℃;1H NMR(300 MHz, CDCl3)δ: 7.23～7.12(m, 20H, ArH), 6.64～6.44(m, 10H, ArH), 4.84～4.79(m, 8H, OCH2Ar), 4.18(d,J=13.6 Hz, 1H, ArCH2Ar), 4.05(d,J=13.6 Hz, 2H, ArCH2Ar), 3.90(d,J=13.5 Hz, 1H, ArCH2Ar), 2.95(d,J=13.5 Hz, 1H, ArCH2Ar), 2.80(d,J=13.6 Hz, 2H, ArCH2Ar), 2.63(d,J=13.7 Hz, 1H, ArCH2Ar)。

(4) 5,11-二(3-吡啶基)-25,26,27,28-四芐氧基杯[4]芳烴(L)的合成

將化合物4(0.54 g, 0.60 mmol), 3-吡啶硼酸(0.18 g, 1.50 mmol), K2CO3(0.33 g, 2.40 mmol)和Pd(PPh3)4(97 mg, 0.08 mmol)依次放入Schlenk管中,加入1,4-二氧六環(4.00 mL)和水(1.00 mL), 100 ℃下攪拌4 h。冷卻至室溫,過濾,濾液用CH2Cl2萃取(3×10.00 mL),Na2SO4干燥,濃縮,殘余物經硅膠柱層析純化得白色固體L(0.21 g, 37%), m.p.71～73 ℃;1H NMR(300 MHz, CDCl3)δ: 8.49(s, 2H, ArH), 8.40(d,J= 5.0 Hz, 2H, ArH), 7.56(d,J=8.1 Hz, 2H, ArH), 7.25～7.14(m, 22H, ArH), 6.70(s, 4H, ArH), 6.47(t,J=7.2 Hz, 4H, ArH), 6.30(t,J=7.5 Hz, 2H, ArH), 4.97～4.83(m, 8H, OCH2Ar), 4.19(d,J=13.8 Hz, 2H, ArCH2Ar), 4.18(d,J=13.8 Hz, 2H, ArCH2Ar), 2.95(d,J=13.8 Hz, 2H, ArCH2Ar), 2.93(d,J=13.8 Hz, 2H, ArCH2Ar);13C NMR(75 MHz, CDCl3)δ: 156.00, 155.52, 147.95, 147.41, 137.71, 137.50, 136.72, 136.48, 136.04, 135.54, 135.10, 134.28, 131.49, 129.79, 129.74, 128.55, 128.28, 128.24, 128.18, 128.08, 127.25, 126.81, 123.51, 122.50, 76.72, 76.63, 31.77, 31.60, 31.46; IRν: 3027, 2923, 2854, 1583, 1495, 1454, 1431, 1374, 1287, 1244, 1211, 1190, 1173, 1150, 1085, 1021, 975, 916, 872, 804, 769, 757, 730, 711, 698, 614 cm-1; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C66H55N2O4{[M+H]+}939.4162, found 939.4156。

2 結果與討論

2.1 離子選擇性分析

考察了探針L對陽離子的選擇性,結果見圖2。由圖2可知,在295 nm激發下,探針L在371 nm處顯示出較強的熒光發射帶。當分別加入10 eq.不同陽離子時(Ba2+、 Al3+、 Ce2+、 Na+、 Mg2+、 Mn2+、 Ag+、 Ca2+、 Cr3+、 Cu2+、Cd2+、 Zr4+、 K+、 Fe2+、 Li+、 Ni2+、 NH4+、 Zn2+、 Sr2+、 Co2+),盡管體系熒光強度有不同程度的降低,但均不能完全淬滅;而加入Fe3+后,出現明顯的熒光淬滅現象，這表明探針L對Fe3+具有選擇性識別作用。

λ/nm

2.2 檢測條件優化

首先,對不同溶劑進行篩選,結果顯示乙醇是最佳選擇(圖2a)。其次,考察探針L濃度影響,發現2×10-4M時探針L熒光強度達到最大(圖3b)。再次,研究pH值對檢測的影響,結果表明中性或弱堿性條件下,熒光強度高且穩定,pH=8.0時最佳(圖3c)。最后,L與Fe3+的相互作用可以實時完成,且幾乎不隨時間變化(圖3d)。因此,當探針L濃度為2×10-4M時,在緩沖溶液(EtOH∶Tris-HCl,V∶V=4∶1, pH=8.0)中檢測Fe3+效果最佳。

Solvent

2.3 抗干擾性分析

為了探究探針L對Fe3+識別的抗干擾能力,開展了共存離子干擾實驗。如圖4所示,橙色條形圖代表了空白及加入10 eq.各種陽離子時體系的熒光強度,綠色條形圖則代表了上述溶液中額外加入10 eq. Fe3+時體系的熒光強度。結果表明,其他陽離子的加入不影響Fe3+對體系熒光的淬滅作用,即L對Fe3+具有較好的選擇性識別和較強的抗干擾能力。

圖4 探針L(2.0×10-4 M)的緩沖溶液(EtOH∶Tris-HCl, V∶V=4∶1, pH=8.0)中加入不同陽離子后的熒光強度

2.4 檢測限和締合常數

如圖5所示,從0到3×10-5M,熒光強度與Fe3+濃度呈線性遞減關系,根據公式[25]計算出探針L對Fe3+的檢測限為7.9×10-7M。其中,Job曲線(圖6)顯示L與Fe3+的結合化學計量比為2∶1。再結合熒光滴定結果(圖7),根據公式[26]計算出L與Fe3+的締合常數為3.26×107M-1。此外,在365 nm紫外燈下也觀察到L中加入Fe3+后體系的藍色熒光發生了明顯的淬滅現象(圖7)。

Fe3+/μM

[Fe3+]/[Fe3+/L]

λ/nm

2.5 傳感機理

Job曲線(圖6)顯示L與Fe3+形成2∶1的配位化合物,說明有4個吡啶單元參與絡合作用。如圖8所示,該傳感機理可歸因于螯合猝滅熒光(CHQF)效應[27],即當探針分子L與Fe3+結合后,在光激發下受激發的電子可以從配體的HOMO軌道轉移至Fe3+的LUMO軌道,產生了光致電子轉移(PET)過程,導致熒光淬滅。

圖8 可能的傳感機制

本文制備了一種杯口上沿功能化修飾的吡啶-杯[4]芳烴L。L可作為熒光探針用于Fe3+檢測。該探針對Fe3+的檢測限低,響應速度快,且具有較高的選擇性識別和較強的抗干擾能力。L與Fe3+以2∶1計量比形成穩定的絡合物,結合常數為3.26×107M-1,檢測限為7.90×10-7M。該研究為新型超分子熒光探針的開發及Fe3+檢測提供了參考。