水楊醛肼二腙類聚集誘導發光染料合成及對F-的檢測

張凱明,李澤培,徐 斌,丁小勇,蔣維東

(四川輕化工大學 化學與環境工程學院,四川 自貢 643000)

有機熒光分子是容易獲得且被廣泛使用的一類染料。近幾十年來,基于有機小分子的熒光染料在化學傳感、生物成像、有機發光二極管以及有機光伏領域的應用越來越廣泛[1-6]。目前被報道的傳統熒光分子通常在稀溶液中發射很強的熒光;聚集后,其光物理行為普遍呈現出聚集導致發光淬滅(ACQ),發光效率下降明顯[7]。然而在實際應用中,材料往往處于聚集狀態。例如,在生物成像應用中,疏水的有機染料分子往往在水相體系中使用,不可避免引起聚集;在光電器件應用中,染料分子總是處于固態薄膜狀態。所以ACQ效應嚴重影響傳統熒光分子的實際應用效果。

里面由吳樾飾演的張三全劇沒有大名，就一直叫張三。事實上這部劇的原型人物應該是清末的一位武林奇人——張長禎。當時這位在武林中的外號叫做“醉鬼”，電視劇中美化成了“醉俠”。

2001年,Luo等[8]在研究六苯基噻咯(HPS)衍生物時,偶然發現HPS溶于四氫呋喃時幾乎不發光;但向四氫呋喃中加入不良溶劑后,HPS分子發生聚集,體系的熒光強度反而大幅增強。這明顯與ACQ現象相反,該課題組將其稱為聚集誘導發光(AIE)。一般認為分子內運動受限(RIM)是聚集誘導發光的機理[9-11]。這種聚集態發光的特性克服了傳統染料熒光聚集淬滅的弊端,可滿足很多實際應用需求。因此自AIE概念以專用名詞形式提出以來,受到了廣泛關注。2020年AIE被國際純粹和應用化學聯合會(IUPAC)評選為年度化學領域十大新興技術之一。目前已開發出多種有機AIE基元(AIEgen),包括四苯基乙烯(TPE)、9,10-二苯乙烯基蒽(DSA)、四苯基苯(TPB)、四苯基吡嗪(TPP)、多芳基并吡咯(MAP)和水楊醛肼二腙(SAA)等[12-15]。因AIE分子在聚集態的獨特發光性,它們已被廣泛用于熒光傳感、生物成像以及光電器件領域。

在各種各樣的AIE化合物中,具有激發態分子內質子轉移(ESIPT)光學性能的AIE分子因其結構簡單、應用廣泛而備受關注[16-19]。ESIPT是分子內氫鍵快速介入(亞皮秒)的光誘導質子轉移過程,分子在這個過程中往往具有烯醇式(E)和酮式(K)的互變異構。以水楊醛席夫堿為例(圖1),當分子吸收光子從基態躍遷到激發態后立即以輻射方式回到基態,表現出正常激發態產生的E式發射。另外,處于激發態分子的質子給體—OH和鄰近的質子受體N=C—通過分子內氫鍵發生質子轉移,烯醇式結構互變異構為酮式結構,隨后以光輻射的形式回到基態,表現出K式發射[20]。ESIPT過程賦予分子低自吸收和大的斯托克斯位移,能有效避免自熒光干擾,提高靈敏度。且在聚集態時,“ESIPT”型分子可通過分子內氫鍵形成穩定的六元環,分子內運動受限,導致聚集誘導發光。因此,多數“ESIPT”型分子被報道具有AIE性能。

水楊醛肼二腙是一類典型的具有ESIPT性能的AIE分子。由于其合成方便,水楊醛肼二腙常常被用來構建具有AIE特性的新型熒光分子,并應用于檢測各種金屬陽離子、陰離子以及生物小分子。例如,Zhang等[21]利用水楊醛肼二腙設計合成了兩個熒光探針AIE-Pd和AIE-BO3-,用于識別Pd0和BO3-負離子;Peng等[22]以5-氯水楊醛肼二腙為AIE熒光團,設計合成了一個可間接檢測β-內酰胺酶的新型熒光探針DNBS-CSA。然而基于水楊醛肼二腙的AIE分子仍需進一步開發。

試劑:5-甲基水楊醛(98%)和水合肼(80%)分別購自中國安耐吉試劑和成都科隆試劑,溶劑均是市售分析純。

本工作基于5-甲基-2-羥基苯甲醛設計合成了1個新的水楊醛肼二腙類分子——5-甲基水楊醛肼二腙,評估了該分子的ESIPT和AIE性能,并研究其對F-的識別檢測能力。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

HRMS (ESI)測試,計算值(C16H16N2O2):m/z 268.1212,實測值[M+H]+:m/z 269.1292。

F-是最小的陰離子,隨著它在工業上的廣泛應用,對環境造成的不可逆轉的污染和傷害日益明顯,發展具有選擇性、高靈敏、低成本的F-檢測方法具有重要意義。熒光技術是分析檢測領域的理想工具,具有諸多優點:靈敏度高、選擇性優、響應速度快、操作簡便等。因此,F-熒光探針的開發受到了越來越多的關注。目前報道的F-熒光探針根據識別機理可分為兩種[23-24],一種是基于Si—O鍵化學的反應型探針:F-與Si原子有很強的作用力,因此含Si—O鍵的熒光團Si—OR易與F-發生置換反應Si—OR+F-→-OR+Si—F,導致熒光團分子結構變化,同時熒光性質改變,從而實現對F-的識別檢測;另一種是基于H…F鍵合去質子化型探針:F-的半徑小且電負性大,可以與—OH或—NH2鍵合形成氫鍵,在F-作用下含—OH或—NH2的熒光探針發生去質子化,其光學性質也隨之改變。

利用核磁共振以及質譜對化合物5-Me-SAA的結構進行表征。氫譜給出6組譜峰(圖3a),其中6.92～7.21 ppm間的3組峰是苯環上3個氫的共振峰,11.22、8.64和2.32 ppm分別歸屬為—OH、—CH=N和—CH3的質子信號峰,7.26 ppm為溶劑峰。目標化合物含有16個碳,由于結構對稱,碳譜給出了8組峰(圖3b),其中162.48和156.52 ppm歸屬為亞胺碳和與羥基相連的苯環碳的信號峰,116.41～133.97間的5組峰是苯環上其余5個碳的共振峰,19.95 ppm為甲基碳,39.52 ppm處的七重峰為溶劑峰。5-Me-SAA的分子式為C16H16N2O2,其分子量的理論值為268.1212(圖3c),高分辨質譜正離子[M+H]+模式的測試結果為269.1292,與理論結果吻合。

1.2 合成與表征

此外,為了探究響應時間對探針識別F-的影響,選擇響應時間分別為1、2、5 min的熒光光譜進行比較。如圖10所示,探針對2、4、10倍當量F-的響應均在1 min內達到穩定,繼續增加響應時間至2 min甚至5 min,熒光不再變化,意味著探針5-Me-SAA可快速檢測F-。

儀器:Bruker AVANCE III HD 600M核磁共振波譜儀(德國布魯克)、Bruker micrOTOF-Q-II質譜儀(德國布魯克)、Purkinje TU-1950紫外分光光度計(中國普林索)、Agilent Cary Eclipse熒光光譜儀(美國安捷倫)、FA12048電子天平(上海佑科)、循環水多用真空泵(北京科偉永興)、DZF-6020AB真空干燥箱(北京中興偉業)。

11月2日，中國人民銀行發布了《中國金融穩定報告（2018）》，對2017年以來我國金融體系的穩健性狀況進行了全面評估。報告認為，2017年以來特別是進入2018年，世界政治經濟格局發生深度調整變化。外部不確定性的增加，使得中國經濟金融體系面臨的外部環境日趨復雜。即便如此，在世界主要經濟體中，中國經濟仍然保持了較高增長水平，而且隨著防范化解重大風險、精準脫貧、污染防治三大攻堅戰的展開，經濟增長質量持續改進，供給側結構性改革在復雜多變的環境中持續向前推進，中國金融體系彈性增強，金融運行總體穩定。

1.3 光學測試

稱取13.4 mg化合物5-Me-SAA,用四氫呋喃定容于5 mL的容量瓶中,配制成1×10-2mol·L-1的儲備液;向4 mL不同溶劑(正己烷、甲苯、四氫呋喃、乙腈、四氫呋喃-水、甲醇-甘油、DMF)中加入4 μL儲備液,獲得濃度為1×10-5mol·L-1的測試液。稱取15.7 mg三水合四丁基氟化銨固體,用DMF定容于5 mL的容量瓶中,配制成1×10-2mol·L-1的F-溶液。用四丁基銨鹽、鈉鹽或鉀鹽配置所需的陰離子溶液,用硝酸鹽配置所需的金屬離子溶液。本研究的光譜測量均在室溫下進行,熒光光譜激發波長為360 nm。

2 結果與分析

2.1 結構表征

“女孩子家，不要大聲說話。”他聽到我的聲音后，笑著慢慢站起來，我走過去，鼻子一酸，說的第一句話是：“姥爺，我給你買把電動剃須刀吧。”他笑了笑，說：“剪了一輩子，早習慣了，而且還能打發時光。”

各種各樣的外科治療都有其優點和缺點,但還沒有可以說哪種手術方法更好,必須根據疾病的發展、意識狀態、血腫狀況、全身狀況、手術時間等各種因素和決定。對血腫60毫升以上的患者適用于顱內血腫的清除,尤其是血液腫脹位于大腦皮層或腦疝的形成患者。對血腫高血壓腦出血患者(30~60毫升),尤其是血腫較深的患者適用于微創血腫穿刺引流[2]。對于有并發癥不能容忍大手術患者,采用微創血腫穿刺引流為一種積極有效的治療。有越來越多的微創技術,由于其創傷小、操作簡單、腦損傷小,已成為一種常見的手術方法。

2.2 ESIPT性能

5-Me-SAA易溶于四氫呋喃而難溶于水,因此在四氫呋喃-水混合溶劑體系(fw=0～100%,fw值表示混合溶劑中水的體積含量)中研究其AIE性能(圖5)。當fw<70%時,5-Me-SAA發射很弱,在365 nm紫外光照射下幾乎觀察不到熒光。因為水含量低時,化合物在溶液中以單分子形式存在,分子內的C—C和N—N單鍵自由旋轉不受限制,激發態的非輻射衰減占主導,熒光發射較弱。當fw=80%時,熒光強度顯著增強;當fw=100%時,即在純水溶液中的熒光強度是其在純四氫呋喃溶液中的22倍(圖6)。圖7是5-Me-SAA在純四氫呋喃和純水中的紫外吸收光譜。與四氫呋喃溶液相比,水溶液的吸收變弱,并且由于顆粒的光散射效應,長波區域有拖尾現象,表明該化合物在純水中形成了聚集體[20]。由此可見,5-Me-SAA在純水中的熒光增強是由其聚集誘導引起,即該分子具有明顯的AIE性能。5-Me-SAA表現出AIE性能的主要原因是聚集體一旦形成,很大程度上限制了分子內的C—C和N—N單鍵等自由旋轉,從而抑制激發態的非輻射衰減,輻射躍遷占主導,熒光發射增強。此外,可以發現增強的熒光主要表現為K式發射,說明該分子在聚集態時主要保持平面構象。

2.3 AIE性能

圖4a是化合物5-Me-SAA在溶劑正己烷、四氫呋喃和乙腈中的紫外吸收光譜。在小極性溶劑正己烷(Δf=0.001)中,它的吸收峰位于295 nm和370 nm處,屬于SAA分子特有的π→π*激子躍遷。在四氫呋喃(Δf=0.210)和乙腈(Δf=0.310)中,該分子的紫外吸收光譜與正己烷溶液類似,表明吸收光譜基本不受溶劑極性變化的影響。但5-Me-SAA在激發態經歷ESIPT,E式和K式共存,在不同溶劑中的發射行為明顯不同(圖4b)。在正己烷中,5-Me-SAA呈雙發射峰,分別歸屬E式(450 nm)和K式(575 nm)的發射,K/E峰強度比例接近1/1。隨溶劑極性的增大,發射峰的位置幾乎不變,但K/E比例逐漸下降。如在四氫呋喃中,K/E的發射峰強度比例約1/3;而在乙腈中幾乎表現為E式發射。這是因為ESIPT過程需要分子內氫鍵(—OH…N=C—)參與,而氫鍵易受極性溶劑的干擾。一般情況下,隨著溶劑極性增大,溶劑分子與熒光分子的—OH相互作用力增強,化合物的分子內氫鍵可能會被溶劑分子阻斷,ESIPT過程受到抑制,K式發射減少。

圖8為5-Me-SAA在甲醇-甘油混合體系中的發射光譜。化合物5-Me-SAA易溶于甲醇,分子處于自由分散狀態,被激發后分子吸收的能量以分子內旋轉或熱的形式耗散,所以其甲醇溶液幾乎沒有熒光。在甲醇∶甘油(體積比)=2∶8(fg=80%,fg值表示混合溶劑中甘油的體積含量)的混合溶液中,由于丙三醇的粘度很大,混合體系粘度增大使分子內的旋轉變得困難,非輻射躍遷通道被抑制,熒光發射增強。這表明分子內旋轉受限是5-Me-SAA具有AIE性能的可能機理。

2.4 F-識別檢測

2.4.1 吸收光譜和發射光譜對F-響應變化

首先研究探針5-Me-SAA的紫外吸收光譜對F-響應變化,響應時間1 min(圖9a)。在DMF溶劑中,濃度為1×10-5mol·L-1的化合物5-Me-SAA的吸收峰出現在297 nm和367 nm,溶液無色透明。隨著F-濃度的增加,這2個吸收逐漸減弱,同時在490 nm處出現新的吸收且逐漸增強,等吸收點的波長為401 nm。當體系中F-濃度達到1.8×10-4mol·L-1(即探針含量的18倍當量)時,吸收光譜變化趨于穩定,此時溶液為淡粉色。以490 nm處的吸收強度為縱坐標,當F-濃度(0～5×10-5mol·L-1)為橫坐標作圖并線性擬合,展現出良好的線性關系,相關系數R2=0.982 1(圖9b)。進一步考察了發射光譜對F-的響應變化(圖9c)。由于在DMF溶劑中完全溶解,處于自由分散態的5-Me-SAA幾乎沒有熒光。加入F-后,雖然其E式發射(445 nm)變化不明顯,但是K式發射(571 nm)逐漸增強。與紫外光譜變化相似,當體系中F-含量接近探針含量的18倍當量時,熒光強度達到最大,約為初始強度的20倍,在365 nm紫外燈下溶液發出明顯的棕色熒光。同樣地,F-濃度在0～5×10-5mol·L-1范圍內,K式發射的強度與F-濃度呈良好線性相關性,相關系數R2值為0.988 7(圖9d)。根據公式LOD=3σ·S-1(σ為11次空白樣品發射強度的標準偏差,S為擬合直線的斜率)計算得出探針的檢測限為0.64 μmol·L-1,靈敏度較高。綜上表明,5-Me-SAA在DMF中能裸眼識別F-,而且可以在一定濃度范圍內定量檢測F-。

5-甲基水楊醛肼二腙的合成(圖2):向5-甲基水楊醛(680 mg,5 mmol)的甲醇溶液(10 mL)中加入80%水合肼溶液(156 mg,2.5 mmol),室溫攪拌2 h,有大量固體生成。抽濾,濾餅用冷甲醇洗滌,真空干燥,得淡黃色固體5-甲基水楊醛肼二腙(650 mg,產率97%),標記為5-Me-SAA。1H NMR (600 MHz,CDCl3) δ 11.22 (s,2H),8.64 (s,2H),7.19 (dd,J=8.4,2.0 Hz,2H),7.13 (s,2H),6.94 (d,J=8.4 Hz,2H),2.32 (s,6H);13C NMR (151 MHz,DMSO) δ 162.48,156.52,133.97,130.46,128.16,117.90,116.41,19.95。

2.4.2 選擇性和干擾性

選擇性是探針的一個重要指標,好的選擇性能保證探針分子排除其他物質的干擾,因此在DMF中考察了探針(10 μmol·L-1)對常見陰離子和陽離子(180 μmol·L-1)的熒光響應。從圖11a中可以看出,其他離子對探針的熒光幾乎沒有影響,相比之下F-能引起探針發射顯著增強,同時顏色從無色變為淡粉色,說明探針對F-表現出較高的選擇性。而且常見陰離子存在時,幾乎不干擾探針對F-的識別(圖11b)。該結果表明探針5-Me-SAA對F-的響應具有良好的選擇性。

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2.4.3 識別機理

紫外光譜和熒光光譜對F-的響應變化均表明5-Me-SAA可以與F-發生相互作用。為了闡明作用機理,對探針與F-反應前后的核磁氫譜進行比較。如圖12所示,與F-以物質的量之比1∶1作用后,探針的酚羥基質子(—OHa)信號峰消失,而其他質子的化學位移和峰面積均不受影響。這說明在F-作用下,探針的酚羥基發生去質子化,其光學性質隨之改變。

對于混凝土構件，受拉力作用時是最不利的，因為混凝土抗壓強度很高，抗拉強度很低，配筋混凝土在受到拉力時極易產生裂縫，GB 50077—2017《鋼筋混凝土筒倉設計規范》對裂縫的要求比較嚴格，為0.2mm，因此，當收到的拉力越大，構件中鋼筋用于“抗裂”的占比越大，結構就越不經濟。

3 結 論

基于5-甲基水楊醛合成了1個具有ESIPT性能的AIE染料分子5-Me-SAA,并用于檢測F-。利用吸收和發射光譜對ESIPT和AIE效應進行了表征。在F-作用下,5-Me-SAA的酚羥基發生去質子化,實現對F-的選擇性識別。