阴离子探针性质及应用的最新研究进展

刘 阁，高 玲，秦巧玲

（赤峰学院 化学系，内蒙古 赤峰 024000）

阴离子探针性质及应用的最新研究进展

刘 阁，高 玲，秦巧玲

（赤峰学院 化学系，内蒙古 赤峰 024000）

由于阴离子在化学和生命过程中的重要作用，设计和合成生物学、医学和环境中重要阴离子的受体分子是当前超分子化学中迅速发展的研究领域之一，如酰胺、脲、胺基、酚羟基等氢键供体作为识别点，已被广泛应用于阴离子受体的设计和合成中.将荧光基团键联于这类受体的超分子识别体系，既具有选择性的识别阴离子性能，又具有在识别过程中灵敏的荧光响应和传感特性，对开发以阴离子识别为基础的在环境阴离子污染物监控、有害阴离子的医疗诊断和微量分析等方面的灵敏的荧光传感器具有重要意义和广阔的应用前景.本文对不同结构的阴离子受体脲、硫脲、胺基、酰胺等及它们对阴离子选择性识别和光化学传感的研究进展做了较详细的综述.

阴离子识别；氢键；光化学传感

1 前言

阴离子作为与阳离子相对应的离子，它在自然界和生物体内无所不在.生物体内，酶和底物、酶和辅酶以及蛋白质、RNA或DNA与ATP、磷酸肌酸等生物大分子间的相互作用涉及大量的阴离子聚集、识别过程，这些作用过程对物质合成、能量转化等生物过程起着十分重要的作用.但是一些离子的大量存在又会对环境造成污染，对生命体造成危害.因此对阴离子识别和检测的研究就显得尤为重要.分子识别是离子或分子之间一种特殊、专一性的相互作用，是主体对客体的选择性结合并产生某种特定功能的过程.荧光分子(Fluorophore)或生色基团(Chromophore)经过特殊设计引入到待测体系中，能够将分子识别的信息转换成荧光信号或颜色变化传递给外界，从而使人与分子间的对话成为可能，架起宏观世界和微观世界联系的桥梁，具有这种功能的分子称之为荧光或比色探针分子(Fluorogenic Probeor Chromogenic Probe).特别地，能与阴离子相互作用产生荧光变化或颜色变化的荧光或比色探针分子被称为阴离子荧光比色探针[2]，氢键是生物体内大量存在的一种作用力，利用氢键作用已经设计出大量阴离子荧光或比色探针.在阴离子氢键识别中，如果质子供体的酸性和阴离子的碱性足够强，就有可能发生从供体到阴离子的分子间质子转移反应，受体分子继而发生结构变化，这就使得发展一系列基于阴离子导致分子结构互变机理(Anion-induced Tautomerism)的探针成为可能.下面就相关的问题进行详细论述.

1.1 阴离子在生命体中的重要作用

阴离子在广泛的生化过程中也扮演着重要的角色，比如：氟是人体内重要的微量元素之一，氟化物是以氟离子的形式广泛分布于自然界.骨和牙齿中含有人体内氟的大部分，氟化物与人体生命活动及牙齿、骨骼组织代谢密切相关.氟是牙齿及骨骼不可缺少的成分，少量氟可以促进牙齿珐琅质对细菌酸性腐蚀的抵抗力，防止龋齿，因此水处理厂一般都会在自来水、饮用水中添加少量的氟.目前许多关于氟离子的选择性荧光或比色探针已经被报道.此外，碘也是人体不可缺少的一种营养素，当摄入不足时，机体会出现一系列的障碍.碘缺乏病是由于自然环境缺碘而对人体所造成的损害，可表现出各种疾病形成.地方性甲状腺肿、地方性克汀病、地方性亚临床型克汀病及影响生育而出现的不育症、早产儿、死产、先畸形儿等这些病统称为“碘缺乏病”.

磷元素是生命最重要的元素之一，磷酸根与杂环的碱基、脱氧核糖一起构成核酸，从而组成基因——生命的遗传物质.另外，磷和它的衍生物，尤其是三磷酸腺苷——ATP，在各种各样的生物过程中，ATP在能量的利用和信号传导中扮演着重要的角色.在活体内，磷酸根基团通过氧原子作为电子给体与金属离子配位能形成金属配合物，事实上，当金属离子是硬的路易斯酸，比如Mg2+或C a2+离子时，磷酸根更容易与它们形成金属配合物.检测水中磷酸根的浓度，在水质量控制上是很重要的，因为就超营养作用而言，磷酸根是基本的营养之一.水体中磷酸根浓度的增加会导致浮游生物生长的加速.这样的话，就导致这些水不适合饮用了.因此就很需要一个迅速，灵敏的检测水中磷酸根的方法.目前，已有大量的磷酸根离子的探针被设计和报道.

总之，由于阴离子在医学领域，催化领域，环境科学领域，生命科学领域以及化学过程中都有着举足轻重的作用，因此设计和合成能够选择性识别阴离子并能显示其识别过程的人工受体，引起了人们的广泛关注.对生物学上和环境中重要阴离子具有选择性识别的人工受体在工业生产(例如监测追踪化学过程的污染)、疾病诊断和治疗医学(监测电解、应急医学鉴定分析、光化学治疗法)、环境治理(各种各样的环境监测)等方面有着广泛的应用前景.

1.2 阴离子与受体分子的作用类型

近年来，阴离子受体的设计与合成工作取得了很大的进展，阴离子与受体分子之间的相互络合识别的作用形式也是多种多样，但无论是生物体内的受体还是人工合成的受体，它们与阴离子之间的相互作用类型不外乎以下几种：

1.2.1 氢键作用

氢键是一种有方向的，有饱和度的作用力，所以就有可能利用这一特性，设计出具有特定几何构型的受体分子来识别不同空间构型及氢键接受能力的阴离子.一般地，这类阴离子受体含有氢键供体基团，如酰胺、胺基、(硫)脲、酚羟基等，通过氢键作用与阴离子结合形成稳定的配合物.

1.2.2 静电引力作用

静电引力作用是基于主客体分子间的电荷性质不同而产生的.此类受体分子多为环状多胺，在一定的酸度条件下，受体分子质子化而带正电荷，与带负电荷的阴离子(主要为卤素离子)通过静电作用并辅以空间尺寸效应而达到专一识别的目的.例如，P.Ghosh及其合作者设计[2]，合成了笼状化合物4，该受体与48%HBr溶液(其中含有小于0.05%的氯离子)反应将生成质子化的六溴盐4’.晶体结构结果表明这个质子化的溴盐4’空腔中并没有包结任何阴离子客体，但在含有Cl-，Br-混合离子和F-，Br-混合离子的溶液中分别培养出包结Cl-和F-阴离子的主客体络合物.进一步研究发现将包结Cl-的主客体络合物用氟阴离子处理后，Cl-离子被置换出来，而F-离子却被包结到4’的空腔中，并得到上述含有F-主客体络合物的晶体结构.这些结果说明了，受体4在酸性条件下质子化后，表现出选择性包结F-离子的能力.

这类受体分子的最大的优点就在于能够实现水溶液中阴离子的识别与传感，其缺点是由于静电引力作用没有方向性及饱和性，从而使得这类受体分子对阴离子客体难以实现较好的选择性，难于达到专一识别的目的.此外，这类受体要求在较低pH值下，质子化后方能与阴离子产生静电引力作用，但是有些阴离子(比如F-，CO32-)在酸性pH下是以其共轭酸形式存在，这就使得该类受体对这些阴离子的识别存在困难.因此为提高该类受体分子在水溶液中对阴离子的选择性，需要其它作用力来共同作用，如氢键作用.综上所述，阴离子识别是通过主客体分子间的非共价相互作用力实现的，需从主体和客体双方着手，充分利用超分子化学体系中的各种效应，方可设计合理的阴离子识别体系.

2 以氢键或静电作用键合阴离子的受体

2.1 胺和酰胺类

胺和酰胺的NH能与阴离子发生配位作用，被广泛地用作阴离子的识别基团.任海仙，唐静[3]等人设计合成本文设计合成了3种新型的酰腙类受体分子.利用紫外-可见吸收光谱及1H N M R考察了其与F-、C l-、B r-、I-、C H3C O O-、H S O4-、N O3-等阴离子的作用.

受体1、2、3的酰腙N H化学位移值出现在较低场,说明形成了分子内氢键;在受体分子1、2、3的DMSO溶液中加入C l-、B r-、I-、HSO4-、NO3-、的四丁基铵盐的DMSO溶液时,溶液颜色及吸收光谱均无明显变化,说明此类受体分子对这几种阴离子没有明显作用,而加入F-、C H3COO-时,溶液颜色及吸收光谱都有不同程度的变化,说明此类受体分子对这2种阴离子有好的选择性.

图1 受体可能的结构

在受体分子1、2、3的D M S O溶液中.分别加入F-、C H3C O O-客体阴离子时均能引起受体分子吸收光谱的显著变化,同时都使溶液颜色从无色立刻转变为有色,并随阴离子浓度增大,溶液颜色逐渐加深.受体分子3,加入F-时,292n m处吸光度随浓度增大而逐渐减小,同时在355.5n m处出现一组新的吸收峰,此峰为受体分子与阴离子之间形成新的加合物的吸收峰,峰值相应增大,并发生红移.表明受体分子与阴离子的结合进一步促进了分子内电荷转移的程度.同时可明显观察到在315n m处有一个等吸收点,说明有稳定的超分子生成;加入C H3C O O-时,292n m处吸光度随阴离子浓度增大而逐渐减小,在323n m处出现一组新的吸收峰,峰值相应增大.在316n m有一个等吸收点.加入F-时,溶液颜色立刻由无色转变为暗红色,加入C H3C O O-时,溶液颜色由无色转变为黄色.

结果表明,该类受体分子能较好地识别阴离子F-和C H3C O O-,在D M S O溶液中主客体之间形成氢键加合物.尤其对于受体3(间苯双对硝基苯氧乙酰腙),加入F-和C H3C O O-时,溶液颜色有明显变化,受体3对这两种阴离子可实现裸眼识别[2].

刘斌和田禾[4]设计合成了一种以酰胺为识别基团含萘酰亚胺荧光团的F-比色和荧光比率化学传感器4(ratiometric nuorescent chemosensor).1H N M R实验的结果表明，4和F-键合后酰胺上的N H基团会发生分子间质子转移(intermolecular protontontransfer，IPT)过程从而促进了酰胺上负离子向萘酰亚胺半体的分子内电荷转移(intermolecular charge transfer，ICT).加入F-后(10当量)，最大吸收波长从360n m移动到405n m荧光滴定光谱表明加入F-后(10当量)，3在468n m处的强荧光发射逐渐减弱，583n m处出现一个中等强度的荧光发射峰，550n m处形成一个等发射点.通过荧光比率信号对比发现相对于C l-、B r-、I-等其他离子来说，3对于F-有着很高的选择性[4].

受体5键合F-后，破坏了原有的分子内氢键作用后，改变了结构的刚性，继而形成激基缔合物[6].荧光光谱表明加入F-后化合物4波长360n m处的荧光猝灭，同时出现一个新的波长为455n m的荧光发射峰.其他阴离子如H2P 04-、C H3C O2-、H S 04-、N O3-、C l-、B r-和I-则对荧光光谱没有太大的影响.

以蒽为荧光团，酰胺为识别基团的受体6可以和F-或A c-形成1：1的络合物.加入F-或A c-后，波长为420n m的蒽的荧光发射峰红移至445n m处，同时紫外吸收也发生红移.1H N M R结果表明，F-／A c-不仅和酰胺上的H发生键合作用，而且也可以键合蒽中间苯环上氢.这可以看作是荧光发射峰红移的原因.相比于H2P 04-，H S 04-，C 1-和B r-，受体5对于A c-和F-具有高选择性.

4

5

6

2.2 脲和硫脲类

硫脲类化合物具有生物活性,是优良的氢键供体,与阴离子特别是含氧阴离子形成氢键配合物.吴芳英，赵永强[5]设计合成了系列二苯基硫脲衍生物,通过取代基效应调控硫脲衍生物分子内电转移过程,阴离子与硫脲基团结合后,增强了分子内供体的给电子能力,进一步促进电荷转移过程,据此识别不同的阴离子.由于主体分子与阴离子间形成氢键的能力及阴离子碱性的差异,可达到选择性结合的目的.

由于这类电子的跃迁遵循Laporte规则,其摩尔吸光系数都较高.在苯环两端分别引入不同的取代基,因苯环上碳原子的电子云密度分布不均匀,使分子产生偶极,出现分子内电荷转移吸收峰.由于分子中π→π跃迁能级差减小,分子的最大吸收向长波方向移动,颜色加深.二苯硫脲类分子中,硫脲作为一弱的电子供体将两个苯环联为一体,当苯环另一端连有吸电子基团时,分子内电荷产生分离.硫脲基作为阴离子的识别结合部位与阴离子结合后,增强了电子给体的供电子能力,也将促进电荷转移,使其吸收带进一步向长波长方向移动.主体分子1～7中的硫脲基团是有效的氢键供体,在乙腈介质中均能与阴离子形成氢键配合物,其吸收光谱产生不同程度的变化.主体1-4的阴离子配合物吸收光谱较5～7的变化更显著,再次表明电荷转移吸收光谱对环境的灵敏性.在主体2与AcO-结合的吸收光谱的变化曲线可知，2的最大吸收峰的波长在333nm处,较二苯基硫脲的吸收峰(最大吸收波长为275nm)红移了58nm,这表明此吸收带不是苯基硫脲分子的吸收峰而是分子内电荷转移特征吸收峰.在加入不同浓度的阴离子后,2的吸收光谱发生显著的变化.随着A c O-浓度的增大,333n m处的吸光度值逐渐下降,而在长波区425n m处出现新的吸收带,溶液颜色由无色变为黄色,且在290nm和369nm处出现两个等吸收点.这一结果表明:2与AcO-形成了具有确定化学计量比的主客体配合物.

在相同的实验条件下,加入H2P O4-或F-,主体分子的吸收光谱产生相似的变化趋势,即在长波段425n m处出现新的吸收带;然而加入10倍量的H S O4-、C l-、B r-、ClO4-及N O3-,主体分子的吸收光谱均无变化.主体分子对AcO-、H2P O4-及F-的高选择性结合源于阴离子的碱性强弱,一般情况下,阴离子的碱性越强形成氢键能力就越强.

主体分子

史达清，王海营，杨芳，李小跃[6]设计合成了3种芳酰基硫脲受体分子.利用紫外-可见吸收光谱考察了其与F-,Cl-,Br-,AcO-,HSO4-,H2P O4-等阴离子的作用.结果表明该类受体分子与阴离子形成氢键配合物.加入F-,AcO-时,溶液立刻由无色变为黄色,而加入其它阴离子则无变化,从而实现对这两种阴离子的裸眼识别.

他们分别对三种主体做了不同的受体识别，结果阴离子客体诱导受体化合物吸收光谱的变化如图所示.

这表明受体化合物1～3加入不同阴离子后吸收光谱的变化情况.从图中可清楚地看到受体化合物对6种不同阴离子有着不同的光谱响应情况.在不加阴离子时,由于分子内电荷转移(I C T),受分子1～3均在约280n m处有吸收峰,加入阴离子A c O-,F-时均能引起受体分子1～3吸收光谱的显著变化,以及溶液颜色的变化.加入A c O-时,立刻能用肉眼观察到溶液由无色变为黄色,但对H2P O4-,H S O4-,C l-及B r-几乎没有响应.

聂丽，李爱芳，江云宝[7]设计合成了N-(取代苯甲酰氨基)脲衍生物(取代基＝p-O C 2H 5,H,p-C l) 1～3,乙腈中氟离子存在时受体分子1最大吸收峰位于243n m,加入氟离子(四丁基胺盐)后,该吸收峰蓝移并减弱,同时在300n m处出现了新的吸收峰,且吸光度随F-浓度的增大而提高,并可于235,272n m处观察到明晰的等吸收点,表明受体分子1与F-形成了具有确定组成的阴离子配合物.相同条件下,考察了C H3C H2C O-,H2P O4-,H S O4-,C l O4-, N O3-,C l-和B r-对受体分子1的吸收光谱影响,如果加入10倍量的阴离子，其它阴离子几乎不影响1的吸收光谱,显示出F-的高选择性识别响应.而F-对受体分子2，3的光谱几乎和相似,但最大吸收波长略有差异,C H3C H2C O-存在时对受体分子2,3略有影响,但影响程度远不及F-,其它离子与受体分子1,2,3几乎无作用.由此可见,(1)受体分子中取代基不同,对阴离子识别结合能力的影响不同;(2)相同的阴离子(F-)存在下,受体分子的吸收光谱红移程度不同.供电子取代基(p-O C2H5)的存在,使得受体分子中脲N H给质子能力减弱,仅能与碱性较大的氟离子作用,对其它阴离子作用力较小,显示出受体分子对氟阴离子高的结合选择性;取代基为吸电子p-C l时,受体分子中脲N H给质子能力增强,对阴离子识别能力提高,不仅可与氟离子作用,还能与醋酸根离子作用,选择性确有所降低.F-阴离子存在下,受体1吸收光谱由243n m红移至300n m,波长变化57n m;受体3吸收光谱由238n m红移至320n m,波长变化82nm.可见,吸电子取代基(p-C l)有利于阴离子结合物中分子内电荷转移,受体分子光谱红移显著.因此,改变N-苯甲酰基芳环取代基可调控或改善受体分子的阴离子的结合能力和结合选择性.

江洪，马续红，方利，韦庆益[8]设计合成两种新型的阴离子识别受体N-硝基-N-(2,6-二硝基-4-三氟甲基苯基)-N'-(4-氯苯基)脲(受体1)和N-硝基-N-(2,6-二硝基-4-三氟甲基苯基)-N'-(4-甲基苯基)脲(受体2).利用紫外-可见吸收光谱考了其与F-、C l-、B r-、I-、H2P O4-、HPO42-、PO43-阴离子客体的识别作用.

2.3 其他类型

史达清，李燕，石春玲，王海营[9]合成了5种呋喃并[3',4':5,6]吡啶并[2,3-c]吡唑受体分子,利用紫外-可见吸收光谱考察了其与F-,C l-,B r-,A c O-, H S O4-,H2P O4-等阴离子的作用.乙腈中受体分子1对6种不同阴离子有着不同的光谱响应.在不加阴离子时,由于分子内电荷转移(I C T),受体分子1,2,3,4,5均在约264n m处有吸收峰,加入阴离子A c O-,F-时均能引起受体分子1,2,3,4,5吸收光谱的显著变化,但是对H2P O4-,H S O4-,C l-及B r-几乎没有响应.说明对F-,A c O-这两种阴离子有显著效应.结果表明该类受体分子与阴离子形成氢键配合物,导致呋喃并吡啶并吡唑受体的光谱发生变化.测定了配合物的结合比和稳定常数,发现受体化合物对F-,A c O-离子具有良好的选择性,对其它多种阴离子无影响.

魏太保,王军,郭潇迪,张有明[10]将相应的醛或酮溶于适量乙醇,室温搅拌下加入含氨基化合物反应半小时后有不溶物,将不溶物用无水乙醇和二甲基甲酰胺的混合溶剂重结晶得到产物1、2、3.主体分子结构示意图见S c h e m e1.化合物数据表征如下:

不加阴离子时,主体化合物1、2、3的最大吸收波长分别为:355、333、310n m.当加入F-离子时,主体化合物的最大吸收峰均随F-离子浓度的增大而减小,并且出现了一个新的吸收峰,分别在:432、365、375n m,在此过程中可以明显地观察到两个清晰的等吸收点,说明有稳定的1∶1主-客体配合物生成.值得一提的是,在大量其它卤素离子存在的条件下,受体分子同样能够选择性识别F-,其中化合物1可通过比色即可区别F-和其它卤素离子.由此可见,受体分子1、2、3对F-有很好的选择性识别作用而对其它卤素离子没有作用,这主要是因为F-较其它卤素离子具有较小的离子半径、较强的碱性,因而具有较强的形成氢键的能力.由受体分子2与F-的J o b曲线可以看出,365n m处吸光度最大值对应的客体物质的量分数为0.5,说明受体分子与阴离子之间形成了1∶1的稳定配合物.

实验表明此三种受体分子对F的选择性识别能力不一样,其识别能力的大小顺序为:2>>3>>1.结果说明:①主客体之间形成的氢键数目越多,其对F-离子的选择性识别能力越强,这主要是因为随着主体分子所含识别位点的增多,主客体之间的有效碰撞随之而增加,使主体分子更易与客体F结合而形成稳定的氢键配合物.②氢键性质对F离子的选择性识别能力同样存在影响,酰胺质子形成氢键的能力比酚羟基质子强.③受体2对客体的亲和力较3更强是由于其与客体F-离子形成了稳定的三重氢键所致.从而我们可以得知:主体化合物对客体的选择性识别主要是由所形成的氢键数目、氢键性质以及所形成氢键的空间构型所决定.

3 小结与展望

总的来说,有关基于氢键和静电作用的阴离子荧光受体的设计、合成及各种荧光响应机制的研究仍是一个较新的课题,有待进一步深入.目前所获得的荧光化学传感器由于设计思想的局限,多重功能的获得往往需要多种基团的集成.因此合成路线相当漫长,产率较低,不具备实用性.因此用简单结构获取优异性能将是阴离子荧光化学传感器的发展趋势.随着该领域研究范围的不断扩展和更多新型阴离子荧光受体的开发,必将在生命科学、环境、医学等方面发挥巨大的作用.

〔1〕曾振亚，何永炳.具光学响应的中性受体的合成及对阴离子化学传感器性质研究.武汉大学出版社，2004（4）：10486.

〔2〕邵杰，林华宽.含水介质中比色阴离子探针的设计、合成及其性质的研究.南开大学研究生院，2009（4）.

〔3〕任海仙，唐静，魏太保，张有明.酰腙类化合物的合成和阴离子识别研究.无机化学学报，2007，11（23）：730070.

〔4〕许胜，刘斌，田禾.阴离子荧光化学传感器新进展.华东理工大学结构可控先进功能材料及其制备教育部重点实验室精细化工研究所，2006.

〔5〕吴芳英，赵永强.硫脲类阴离子受体的设计合成与阴离子识别.分析实验室，2008，09，27.

〔6〕史达清，王海营，杨芳，李小跃.芳酰基硫脲受体的合成及对阴离子识别研究.化学学报，2007，1713-1717.

〔7〕聂丽，李爱芳，江云宝.苯甲酰氨基脲的合成及其阴离子识别.化学学报，2009（6）：564-568.

〔8〕江洪，马续红，方利，韦庆益.N-硝基脲类的合成及其阴离子识别研究，无机化学学报，2008（07）：1073-1078.

〔9〕史达清，李燕，石春玲，王海营.新型受体呋喃并[3',4':5,6]吡啶并[2,3-c]吡唑的合成及对阴离子的识别研究，2009：645-650.

〔10〕魏太保,王军,郭潇迪,张有明.含酚羟基Schiff碱化合物的阴离子识别研究.化学研究与应用，2008（07）.

O613.41

A

1673-260X（2010）08-0011-05

内蒙古自治区高等学校自然科学研究项目基金资助(NG09168)