单取代罗丹明-硫杂杯[4]芳烃衍生物的合成及对Fe3+离子的荧光探针性质研究

张玲菲 郑相勇 曾 晞 牟 兰＊, 薛赛凤 陶 朱 张建新

(1贵州省大环化学及超分子化学重点实验室，贵州大学化学与化工学院，贵阳 550025)(2中国科学院贵州省天然产物化学重点实验室，贵阳 550002)

单取代罗丹明-硫杂杯[4]芳烃衍生物的合成及对Fe3+离子的荧光探针性质研究

张玲菲1郑相勇1曾 晞1牟 兰＊,1薛赛凤1陶 朱1张建新2

(1贵州省大环化学及超分子化学重点实验室，贵州大学化学与化工学院，贵阳 550025)(2中国科学院贵州省天然产物化学重点实验室，贵阳 550002)

以1，3-交替-二羧基甲氧基硫杂杯[4]芳烃为原料，通过与罗丹明乙二胺衍生物的酰化反应得到罗丹明基团单取代的硫杂杯[4]芳烃衍生物。目标化合物结构经IR，NMR，MS及元素分析等技术表征。荧光及可见吸收光谱法研究表明化合物对Fe3+具有探针性质，在乙醇-水(1/1，V/V)Tris-HCl(pH=6.0)缓冲溶液中，对Fe3+呈现光关-开响应，并观察到显著的荧光增强和颜色变红现象。测定了Fe3+-配合物的组成、稳定常数及荧光量子产率。

罗丹明；硫杂杯[4]芳烃衍生物；荧光-比色探针；Fe3+-配合物

荧光探针是一类重要的分子识别试剂，它通过与目标物质选择性的键合，将微观领域的作用通过荧光信号表现出来，达到某些离子或分子的特效识别，由于其高度的灵敏性及特异的选择性而在分析化学、生物化学、环境科学、材料科学、医药等领域具有广泛的应用[1]。杯芳烃是一类具有独特空穴结构的新型主体分子，其下缘的酚羟基、上缘的苯环及连接苯环单元的亚甲基都能够选择性进行各种功能化得到不同性质的衍生物。以杯芳烃为平台构筑对客体具有良好识别能力的新型主体分子一直备受瞩目[2-6]。硫杂杯芳烃是由硫原子替代普通杯芳烃的亚甲基而得到的一类新型杂化杯芳烃，显现了较强的亲和力、较高分离选择性、易于化学修饰、可控空腔结构和立体构型等许多经典杯芳烃所不具备的新颖特性[7-8]。近年来，以硫杂杯芳烃作为主体、构筑单元、支架分子的研究在超分子化学领域得到了广泛应用。由于硫杂杯芳烃荧光探针具有良好光化学性能、高灵敏度和选择性响应，关于硫杂杯芳烃荧光探针的研究不断有文献报道[9-10]。Bhalla等[11]设计了含有丹酰荧光团的硫杂杯[4]芳烃荧光传感器，在CH2Cl2/CH3CN溶剂中对Cu2+和F-有显著的选择性；Narita等[12]报道了含有丹酰荧光团的水溶性硫杂杯[4]芳烃荧光探针，Cd2+可引起探针的荧光增强，而Co2+、Ni2+和碱金属离子则导致轻微的猝灭；Praveen等[13]利用8-羟基喹啉基取代的1，3-交替硫杂杯[4]芳烃可以作为Hg2+荧光探针；Kumar等报道了两种含芘的硫杂杯[4]芳烃荧光传感器，这类传感器对Cu2+和CN-有显著的选择性[14]；Zhang用二甘醇片段连接2个喹啉基团到锥型硫杂杯[4]芳烃1，3位上，该化合物能够作为 Zn2+、Co2+、Ni2+等的荧光传感器[15]。 在硫杂杯芳烃衍生物的研究中，大都集中在以蒽、芘、喹啉等作荧光修饰基团，响应离子的种类较少，作用机理大多基于能量转移机理，对金属离子响应时大多发生荧光淬灭效应，有可能会限制检测灵敏度进一步提高。最近我们相继报道了在罗丹明荧光传感器方面的一些研究工作[16-17]。因此，构建具有良好光化学性能、高灵敏度和选择性响应的新型硫杂杯芳烃类探针具有重要的研究意义。本工作结合硫杂杯芳烃和罗丹明衍生物各自的优势，首次合成了离子诱导型单取代罗丹明B荧光基团修饰的硫杂杯[4]芳烃衍生物，进行了铁离子配合物及传感性能研究。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

仪器：Varian Cary Eclipse荧光分光光度计；Amersham Biosciences Ultrospec 5300 pro紫外-可见分光光度计；Bruker Vertex 70 FTIR红外光谱仪；Varian Nova-400核磁共振波谱仪；Agilent LC/MSD质谱仪；BAS EC Epsilon电化学分析仪(使用玻碳电极为工作电极，铂丝为辅助电极，Ag/AgCl为参比电极)；Shimadzu LC-20A HPLC 仪，SPD-M20A 二极管阵列检测器(320 nm为检测波长，用ODS3柱5 μm，4.6×150 mm，流动相为 85%乙腈-水溶液)；X-5数字显示显微熔点测定仪(北京泰克仪器有限公司，温度未校正)。

所有药品均为分析纯，金属离子溶液由其硝酸盐或盐酸盐配制。实验用水为二次蒸馏水，丙酮经高锰酸钾和无水碳酸钾回流处理，氯仿用无水氯化钙干燥过夜。

1.2合 成

1，3-交替-二羧基甲氧基硫杂杯[4]芳烃参照文献[18]方法合成。罗丹明取代硫杂杯[4]芳烃衍生物(单取代用1表示；1，3-交替双取代用2表示)合成路线如Scheme 1所示。

图示1 衍生物的合成Scheme 1 Synthesis of derivative

1.2.1 单取代罗丹明-硫杂杯[4]芳烃衍生物的合成

氮气保护下，将1，3-交替-二羧基甲氧基硫杂杯[4]芳烃(0.20 g，0.24 mmol)溶于 20 mL 无水氯仿中，加入二氯亚砜5 mL，加热回流6 h。反应结束后，减压蒸除氯仿和过量的二氯亚砜，再加入10 mL无水氯仿减压蒸干，如此反复操作2次，尽可能除去过量的二氯亚砜。将制得的酰氯溶于无水氯仿(15 mL)溶液中，在冰浴下逐滴加到溶有罗丹明乙二胺(0.23 g，0.48 mmol)及三乙胺(0.10 mL)的混合无水氯仿溶液中，滴加完毕后继续室温反应8 h。减压蒸干溶剂得深红色粗产物，柱层析(V氯仿:V丙酮=10∶1)，得浅红色固体 0.08 g，收率 26%。m.p：164～167 ℃；1H NMR(500 MHz，CDC13)δ：1.02(s，9H，C(CH3)3)，1.13(t，12H，J=6.8 MHz,NCH2CH3),1.20(s,9H,C(CH3)3)，1.25(s，18H，C (CH3)3)，3.22 (s，2H，CONHCH2)，3.26(m，10H,NCH2CH2N and NCH2CH3)，4.65(s，2H，ArOCH2)，5.16(s,2H,ArOCH2),6.28(d，2H，J=8.8 MHz，ArH)，6.37(d,2H，J=8.4 MHz,ArH),6.56(d，2H，J=7.8 MHz，ArH)，7.08(d，1H，J=6.0 MHz，ArH)，7.34～7.42(m，4H，ArH)，7.59(d，4H，J=6.2 MHz，ArH),7.64(s，2H，ArH)，7.84(d，1H，J=4.0 MHz，ArH)，8.30(s，1H，Ar-OH)；IR(KBr，cm-1)γmax：1689，1614，1 516；ESI-MS m/z：1 286[M+H]+。 Anal.Calcd.for C74H84N4O8S4(%)：C，69.13；H，6.59；N，4.36；O，9.95；S，9.98。Found(%)：C，69.15；H，6.57；N，4.37；O，9.91；S，9.96。

1.3 实验方法

1.3.1 标准溶液的配置

衍生物(1)储备液(40.0 μmol·L-1)：称取 5.1 mg，乙醇溶解，配制成100 mL溶液。Fe3+储备液(0.80 mmol·L-1)：称取 32.3 mg Fe(NO3)3·9H2O，乙醇溶解，配制成100 mL溶液。其他金属离子均配制成乙醇溶液 (0.80 mmol·L-1)。 Tris-HCl乙醇-水缓冲溶液(3.0 mmol·L-1，pH=6)：取 3.0 mmol·L-1Tris 及适量的HCl相混合，调节pH值至所需。

1.3.2 光谱测量方法

在10.0mL容量瓶中依次加入衍生物 (1)储备液(40.0 μmol·L-1，0 ～8.0 mL)，Tris-HCl 缓 冲 溶 液 (3.00 mmol·L-1，1.0 mL)，Fe3+储备液(0.80 mmol·L-1， 0～8.0 mL)及其他金属离子。用乙醇-水溶液(1/1，V/V)稀释至刻度，摇匀，放置一定时间，测量荧光和吸收光谱及强度。荧光光谱测定的激发和发射波长为557/577 nm。

1.3.3 荧光量子产率的测量方法

以罗丹明 B 为标准，浓度为 0.1 μg·mL-1(0.208 μmol·L-1)，在557 nm的波长下，控制体系pH=6左右，分别测量待测物 (20.0 μmol·L-1衍生物 1，40.0 μmol·L-1Fe3+)和标准物的荧光积分面积和该波长下紫外吸收的吸光度。由公式可以计算得荧光量子产率[19]。

1.3.4 修饰电极制备

用合成的罗丹明单取代硫杂杯[4]芳烃衍生物(1)采用滴涂法在玻碳电极表面制备化学修饰电极。玻碳电极先在0.05 μm的氧化铝粉末上抛光，然后依次在 HNO3(1∶1，V/V)，无水乙醇和二次水中超声清洗 (约 10 min)。 清洗后的电极放入 0.5 mol·L-1H2SO4中， 在-0.6～1.6 V 电位范围内循环扫描到循环伏安曲线稳定为止。将一定量衍生物(1)用三氯甲烷充分溶解，用50 μL微量注射器取此溶液，适量滴加到玻碳电极中心处。室温下风干，使用前在二次水中浸泡。

2 结果与讨论

2.1 光谱性质

溶液介质酸度和极性对衍生物性质及配合物的形成都有很大的影响，通过酸度滴定和不同溶剂的实验，选择用Tris-HCl缓冲溶液控制体系pH为6 左右的乙醇-水(1∶1，V/V)溶液为实验介质条件，在此条件下，衍生物(1)在可见光区无吸收，在557 nm波长下激发也不产生明显的荧光发射。而Fe3+的加入导致衍生物(1)溶液的荧光显著增强，颜色变红。除 Cr3+有一定的增强、Cu2+，Fe2+有微弱的增强外，其它实验金属离子 Na+，Mg2+，Ca2+，Mn2+，Co2+，Zn2+，Sr2+，Cd2+，Hg2+和 Ni2+的加入，均无明显的响应信号(图 1)，表明衍生物(1)对Fe3+有良好的配合及识别能力。

图1 衍生物(1)与金属离子作用的荧光和紫外光谱Fig.1 Fluorescence and absorption spectra of derivative(1)with different metal ions

通过Fe3+对衍生物(1)的荧光及吸收滴定实验，利用物质的量比和Job法均推测出Fe3+与衍生物(1)的配合比为1∶1，计算配合物的稳定常数分别为1.34×104(荧光法)和 2.73×104(吸收法)。 以罗丹明 B(Φ，0.89，乙醇溶液)为标准测定了配合物的荧光量子产率(Φ)为 0.67[20]。

常见共存金属离子的干扰实验结果见图2，在相同条件下，加入相对于衍生物(1)浓度20倍的Fe3+后，再加入相对于 Fe3+浓度 2.5 倍的 Na+，Mg2+，Ca2+，Fe2+，Mn2+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Zn2+，Sr2+，Cd2+，Hg2+，以及相对于Fe3+浓度0.5倍Cr3+等共存离子，共存离子对配合物的荧光发射及紫外吸收强度影响的相对标准偏差都在5%以内，说明衍生物(1)对Fe3+的识别除Cr3+外几乎不受其它共存离子的影响，具有优良的选择性。

图2 干扰离子影响Fig.2 Effect of interfering ions

2.2 Fe3+-配合物性质

图3 衍生物(1)及Fe3+-配合物的红外谱图Fig.3 Infrared spectra of derivative(1)and Fe3+-complex

用红外光谱分别测定了衍生物(1)及金属配合物混合乙醇溶液的IR光谱(见图3)。衍生物(1)分子中1689 cm-1波数处酯羰基和酰胺羰基特征峰 (图3a)在加入 Fe3+后，强度明显减弱(图 3b)，Cr3+次之，Cu2+微弱减小，而其他常见金属离子的加入，对衍生物(1)的特征吸收几乎没有影响。在1686 cm-1仍有羰基特征峰存在，表明了衍生物(1)分子中酯羰基没有参与作用，而酰胺羰基是铁离子作用位点，配合作用生成C=N键，导致1612 cm-1处的峰强度显著增强，这一现象也与文献及我们的前期工作报道相似[16-17]。

高效液相色谱法分别对衍生物(1)及Fe3+-配合物混合溶液的色谱行为进行了分析。在相同实验条件下，保留值在7.0 min时出现单纯衍生物(1)的色谱峰，当在衍生物(1)中加入Fe3+后，6.2 min处出现了一个新的色谱峰，7.0 min仍然能观察到部分衍生物(1)存在。色谱保留时间和色谱峰形状均表明了Fe3+-配合物的存在。

图4 衍生物(1)及Fe3+-配合物的HPLC谱图Fig.4 HPLC chromatograms of derivative(1)and Fe3+-complex

采用竞争试验考察了配合反应的可逆性和配合物的稳定性。选择EDTA为竞争试剂，在Fe3+-配合物溶液中加入相对于衍生物(1)量200倍的EDTA，发现体系的红色褪去，荧光淬灭；紧接着再加入150倍的Fe3+(相对于衍生物量)后，溶液颜色又恢复为红色，荧光也恢复接近原来的强度，此过程证明了配合反应具有可逆性，也表明配合物稳定性高于同等计量的Fe3+-EDTA配合物。

衍生物(1)与金属配合物形成的特征红外吸收峰、色谱保留值变化以及荧光和吸收光谱滴定实验结果均表明了配合物的形成。结合罗丹明类衍生物的结构特点和相关文献报道的离子诱导配合作用机理[21-22]，推测此配合作用是由于Fe3+诱导了衍生物(1)的螺环结构打开，形成1∶1的配合物，同时导致荧光和可见吸收增强，推测作用机理如图示2。

图示2 配合反应机理Scheme 2 Reaction mechanism

2.3 衍生物(1)结构对性质的影响

我们同时合成了单取代罗丹明-硫杂杯[4]芳烃衍生物(1)及1，3-交替双取代罗丹明-硫杂杯[4]芳烃衍生物(2)，性质研究发现2种结构衍生物均对Fe3+有较高选择性配合作用。相对于衍生物(2)，衍生物(1)分子只有1个罗丹明基团取代，空间构象较灵活，并且具有内酯结构，分子量较相对较小，衍生物(1)的一些性能有别于衍生物(2)。实验显示(1)的最佳介质条件中乙醇与水比例可高达1∶1，而(2)只能达到3∶1；与铁离子配合物的荧光量子产率，前者为0.67后者仅为0.37。 分析性能测试表明Fe3+浓度在2.0～80.0 μmol·L-1范围内， 体系荧光强度与 Fe3+浓度呈线性，检出限可达 16.2 nmol·L-1。 而衍生物(2)的线性范围为 5.0～60.0 μmol·L-1、检出限为 35.0 nmol·L-1，衍生物(1)较衍生物(2)具有更宽的线性范围。单取代衍生物的性能结构更优于双取代。

2.4 化学修饰电极

具有较强亲和力的金属离子配体通常可作为各种化学修饰电极修饰剂。本文采用滴涂法将衍生物(1)物理涂附到玻碳电极表面制成化学修饰电极，考察了修饰电极对Fe3+离子的传感性能。以pH=2的HCl溶液为支持电解质，用差示脉冲伏安法(DPV)分别测定了经衍生物修饰的玻碳电极和未修饰的裸玻碳电极对Fe3+的响应 (图5)。在相同条件下，Fe3+在修饰电极上的还原峰电流(a)比裸玻碳电极(b)明显增大，峰电位正移，峰型尖锐。显然，修饰后的电极性能应更具优越性。

图5 微分脉冲伏安曲线Fig.5 Curves of differentiation pulse volammetry

3 结 论

设计合成了单罗丹明基团取代的硫杂杯[4]芳烃衍生物，衍生物与金属离子配合作用性质表明，该衍生物能选择性地与Fe3+形成1∶1的稳定配合物，配合物显现出对Fe3+优越的荧光和比色增强性能。通过特征吸收基团的变化，推测与铁离子结合时，金属离子的络合作用诱导了衍生物分子中酰胺羰基双键断裂，导致罗丹明内酰胺信号基团的开环，富电子的呫吨环重排为醌式结构，产生荧光及颜色的巨大转变，从而实现了对特定金属离子的选择性识别，并且为一种可逆型络合诱导罗丹明内酰胺荧光探针。研究表明合成的这种衍生物不仅具备了优越的光学传感探针性质，同时有可能还是一种潜在的电化学传感材料。

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Synthesis of Monosubstituted Rhodamine-Based Thiacalix[4]arene Chemosensor and Fluorescene Recognition Properties for Fe3+

ZHANG Ling-Fei1ZHENG Xiang-Yong1ZENG Xi1MU Lan＊,1XUE Sai-Feng1TAO Zhu1ZHANG Jian-Xin2
(1Key Laboratory of Macrocyclic and Supramolecular Chemistry of Guizhou Province,School of Chemistry and Chemical engineering,Guizhou University,Guiyang 550025)(2Key Laboratory of Chemistry for Natural Products of Guizhou Province and Chinese Academy of Sciences,Guiyang 550002)

A monosubstituted rhodamine-based thiacalix[4]arene derivative(1)was synthesized from cone 1,3-bis(hydroxycarbonyl-methoxy)thiacalix[4]arene and rhodamine B ethylenediamine by acylation.Its structure was characterized by IR,NMR,MS and Elemental analysis.Fluorescence and UV absorption spectra studies showed that it can be used as a selective chemosensor for Fe3+.In the ethanol aqueous medium (1/1,V/V,Tris-HCl buffer,pH=6.0),the derivative showed OFF-ON light response to Fe3+.The presence of Fe3+induced a significant fluorescence enhancement,and a distinct color change from colorless to red was observed.The formation,stability constant and fluorescence quantum yield of the Fe3+-complex were calculated,respectively.

rhodamine;thiacalix[4]arene derivative;fluorescent and colorimetric chemosensor;Fe3+-complex

O657；O627.8+1

A

1001-4861(2010)07-1183-06

2010-01-25。收修改稿日期：2010-03-24。

贵州省省长基金(No.200617)，贵州大学人才基金(No.2007039)资助项目。＊

。 E-mail：sci.lmou@gzu.edu.cn

张玲菲，女，24岁，硕士研究生；研究方向：现代分析技术。