1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘的合成及其对硼酸的双重光谱响应＊

樊红霞，蒋莉莉，王卫平，吴小华

(浙江师范大学 化学与生命科学学院，浙江 金华 321004)

硼酸通常作为化工原料用于玻璃、陶瓷、纺织、肥料等工业中，也可作为收敛剂、防腐剂、杀虫剂、膨松剂等.早年人们曾将硼酸作为防腐剂、膨松剂加入到水产品、肉制品、豆制品、面制品等［1-3］食品中，但由于硼酸在体内影响消化酶的作用，长期摄入可蓄积导致慢性中毒，现已被我国《食品安全法》和《食品添加剂卫生管理办法》明令禁止使用.但仍有不法者在偷偷使用.为了保证广大消费者的身心健康，研究食品中硼酸的测定方法具有重要意义.

目前，硼酸的测定方法主要有分光光度法［4-5］、电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICPAES)［6］、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)［7］、原子吸收光谱法［8］、反相高效液相色谱法(RPHPLC)［9］、电位分析法［10］等，其中分光光度法具有灵敏度和准确度较高、仪器简单、操作简便快速等特点，因此应用于硼酸测定的报道较多.但利用荧光光谱法和紫外-可见吸收光谱法对硼酸进行双光谱响应的报道较少.本文以含有大π 共轭平面结构的芘环作为信号报告基团，以邻位酚羟基作为硼酸的结合位点，设计合成了新试剂1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘，并研究了其与硼酸间相互作用的光谱行为.实验结果表明，在pH 9.5 Na2HPO4-Na3PO4缓冲溶液中，硼酸使该试剂的吸收光谱发生明显的蓝移、荧光增强，硼酸浓度为6.4 ×10-4～6.2 × 10-3mol/L 和5.0 × 10-4～5.7 ×10-3mol/L 时分别与吸光度的减小程度和荧光的增强程度具有线性关系，据此建立了双光谱法测定硼酸的新方法.

1 实验部分

1.1 主要仪器

Lambda 紫外分光光度计(PerkinElmer 公司);LS45 荧光分光光度计(PerkinElmer 公司);Nexus-670-FTIR 红外光谱仪(美国尼高力公司)，KBr 压片;Bruker Avance-400MHz 核磁共振仪(美国Bruker 公司)，氘代二甲基亚砜(DMSO-d6)为溶剂，四甲基硅烷(TMS)为内标;ZF-2 型三用紫外仪(上海市安亭电子仪器厂);PB-10 型酸度计(北京赛多利斯仪器系统有限公司);1 cm 石英比色皿.

1.2 主要试剂

1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘(实验室合成);0.10 mol/L 硼酸储备液;1.0 ×10-3mol/L 十二烷基磺酸钠溶液;pH 9.5 Na2HPO4-Na3PO4缓冲溶液:0.2 mol/L Na2HPO4溶液和0.2 mol/L Na3PO4溶液在酸度计上调至实验所需酸度.

芘;3，4-二甲氧基苯甲酰氯;无水氯化铝;三氟乙酸;三乙基硅烷;二甲基硫醚;石油醚(沸点60～90 ℃);乙酸乙酯;氯仿;甲醇;200～300 目硅胶，均购自阿拉丁公司.二氯甲烷用前需重蒸馏除去水分.二甲基亚砜未经处理直接使用.

实验所用试剂均为分析纯，水为二次蒸馏水.

1.3 1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘的合成和表征

1.3.1 中间体合成

根据文献［11］合成中间体(结构式见图1)，步骤如下:在100 mL 圆底烧瓶中依次加入芘(1.01 g)、3，4-二甲氧基苯甲酰氯(1.30 g)和二氯甲烷(40 mL)，在冰盐浴中搅拌至固体全溶，在30 min 内分批加入AlCl3(1.00 g)，并保持反应混合物的温度不超过5 ℃，继续搅拌1.5 h;停止冷却后，使反应混合物升温至室温，继续搅拌反应7 h;之后，向烧瓶中缓慢加入碎冰和浓盐酸的混合物终止反应.然后，用二氯甲烷萃取3 次，合并有机相，依次用5%NaOH 溶液、蒸馏水和饱和氯化钠溶液洗涤3～5 次，无水硫酸钠干燥二氯甲烷相，减压浓缩得黄色固体.将粗产品溶于二氯甲烷，用200～300 目硅胶柱进行色谱分离，洗脱剂为体积比6 ∶1 的石油醚(沸点60～90 ℃)-乙酸乙酯，精制得黄色粉末(1.46 g)，产率为80%.

图1 1-(3，4-二羟基苯甲酰基) 芘的合成

1.3.2 1-(3，4-二羟基苯甲酰基) 芘合成

根据文献［12］合成1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘(结构式见图1)，实验步骤为:在装有温度计、搅拌器、恒压滴液漏斗的三口烧瓶中加入中间体(0.73 g)、二氯甲烷(13 mL)和无水氯化铝(1.33 g);在搅拌溶解的同时将溶液冷却至0 ℃，在0.5 h内加入11 mL 二甲基硫醚;将反应混合物的温度保持在8～11 ℃，搅拌1.5 h;停止冷却，并使反应混合物的温度缓慢升至室温，继续搅拌反应10 h;之后，将悬浮液倒入蒸馏水中，加稀盐酸调溶液pH 至4～5，反应混合液用二氯甲烷萃取3 次，合并有机相，水洗、无水硫酸钠干燥、减压浓缩得黄色固体.将粗产品溶于二氯甲烷，用200～300 目硅胶柱进行色谱分离，洗脱剂为氯仿-甲醇(体积比20 ∶1)，精制得黄色粉末状产物(0.41 g)，产率为60%.

1.3.3 表征

1)中间体1H NMR(400 MHz，DMSO-d6)δ:8.42～8.09(m，9H，H(pyrene))，7.59(d，J=1.9 Hz，1H，ArH)，7.15～7.17(dd，J=8.4 Hz，J=1.9 Hz，1H，ArH)，7.01(d，J=8.5 Hz，1H，ArH)，3.83(d，J=2.4 Hz，6H，CH3).13C NMR(151 MHz，DMSO-d6)δ:196.55，154.13，149.39，134.15，132.53，131.22，131.07，130.60，129.26，129.09，128.89，127.77，127.27，126.75，126.67，126.55，126.38，124.68，124.68，124.29，124.10，111.69，111.37，56.34，56.05.FT-IR (KBr)σ/cm-1:3 265.42，3 046.08，2 921.66，2 847，1 640.69，1 583.25，1 513.32，1 462.62，1 349.80，1 274.44，857，758.13.

2)1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘1H NMR(400 MHz，DMSO-d6)δ:9.64(s，2H，OH)，8.38～8.03(m，9H，H(pyrene))，7.28(s，1H，ArH)，7.09(d，J=8.0 Hz，1H，ArH)，6.81(d，J=8.5 Hz，1H，ArH).13C NMR(151 MHz，DMSO-d6)δ:196.58，152.21，146.06，135.60，135.53，132.13，131.24，130.65，128.95，128.85，128.56，127.77，127.18，126.50，126.23，126.13，124.85，124.68，124.21，124.16，120.97，115.84，115.82.FT-IR(KBr)σ/cm-1:3 448.02，3 245.89，3 043.63，1 624.61，1 573.07，1 505.88，1 437.53，1 284.38，1 186.12，855.29，759.47.

1.4 硼酸的双重光谱分析

在10 mL 比色管中，依次加入一定量的1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘溶液，pH 9.5 Na2HPO4-Na3PO4缓冲溶液1 mL，十二烷基磺酸钠溶液1.2 mL，不同量的硼酸，用水稀释至刻度，摇匀.在室温条件下，用1 cm 石英比色皿，扫描吸收光谱或荧光光谱.

2 结果与讨论

2.1 硼酸对1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘吸收光谱的影响

图2 为不同浓度硼酸存在下1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘吸收光谱的变化轨迹(在pH 9.5 Na2HPO4-Na3PO4缓冲溶液中).由图2 可见，1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘在波长266，275 和366 nm 处各有一个吸收峰，296 nm 处有一峰谷，溶液显黄色.随着硼酸浓度的增大，266，275 和366 nm 处吸收峰的吸光度均逐渐减小，其中266和275 nm 处的吸收峰位置不变，366 nm 处的吸收峰位置逐渐蓝移至344 nm，并在330 nm 处出现一个小的肩峰;而峰谷296 nm 处的吸光度逐渐增大、位置红移，溶液颜色由黄色基本褪成无色;同时在280，331，340 和347 nm 处形成了4 个清晰的等吸收点.说明硼酸与1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘发生化学反应形成了具有确定计量比的络合物.将366 nm 处的吸光度变化对硼酸浓度作线性拟合曲线(见图2 内插图)，表明吸光度减小程度与硼酸浓度呈良好的线性关系，其线性范围为6.4 ×10-4～6.2 ×10-3mol/L，回归方程和相关系数为:ΔA=0.004 7 +14.157c，R2=0.997 9.

图2 硼酸对1-(3，4-二羟基苯甲酰基) 芘吸收光谱的影响

2.2 硼酸对1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘荧光光谱的影响

本实验考察了硼酸浓度变化对1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘荧光光谱的影响(在pH 9.5 Na2HPO4-Na3PO4缓冲溶液中).由图3 可见，1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘的荧光发射峰分别位于379 和399 nm 处.随着硼酸浓度的增大，379和399 nm 处的荧光强度均逐渐增强，但两峰的位置基本不变.同时，发现在一定浓度范围内荧光增强的程度与硼酸浓度间具有良好的线性关系.根据379 nm 处荧光强度随硼酸浓度变化的线性拟合曲线(见图3 内插图)，得到线性范围为5.0 ×10-4～5.7 ×10-3mol/L，回归方程和相关系数为:ΔF=9.916 +12.934 ×103c，R2=0.998 1.

图3 硼酸对1-(3，4-二羟基苯甲酰基) 芘荧光光谱的影响

2.3 反应机理探讨

硼原子能通过sp2杂化轨道与氧原子形成共面的3 个键或者通过sp3杂化轨道与氧原子形成四面体构型的4 个价键［13］.由于硼的缺电子性，硼酸能加合水分子的氢氧根离子释放出质子，因此，硼酸在水溶液中存在H3BO3和B(OH)-4两种形式，其在水溶液中的离解平衡方程式为［13］

当溶液酸度较低时，B(OH)-4 为主要存在形式.文献［14］认为B(OH)-4比H3BO3具有更强的络合能力，溶液中硼酸以B(OH)-4 的形式与多羟基化合物反应，这是因为硼酸为平面三角形构型，sp2杂化.但硼酸与多羟基化合物反应形成的络合物为四面体构型［15］，sp3杂化，反应过程中键长、键角有大的改变;而B(OH)-4 为四面体构型，形成络合物时基本上无键角改变.在pH 9.5 的Na2HPO4-Na3PO4缓冲溶液中，硼酸主要以B(OH)-4形式存在，因此可与1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘分子结构中的邻位酚羟基结合.采用等摩尔连续变化法测定了硼酸与1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘形成络合物的组成，结果见图4，表明两者形成了1 ∶2 络合物.结合文献［16］，可推断反应式如图5 所示.

图4 1-(3，4-二羟基苯甲酰基) 芘与硼酸的Job 曲线

图5 硼酸与1-(3，4-二羟基苯甲酰基) 芘的反应

图6 硼酸对1-(3，4-二羟基苯甲酰基) 芘激发光谱和发射光谱的影响

为了进一步阐述硼酸与1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘之间的结合模式，在1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘溶液中连续加入硼酸，扫描激发光谱和发射光谱的变化轨迹，得图6.由图6 可见，激发光谱和发射光谱的强度均呈规律性增强.因1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘分子结构中的强荧光体芘连接了吸电子基团(羰基氧C=O)，且羰基氧、酚氧离子的n 电子均与芘环的π 电子云不共平面，使得n-π*跃迁属于禁戒跃迁［17-18］，造成1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘为弱荧光体;当缺电子的硼酸与1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘分子结构中的酚羟基氧结合形成四面体构型的络合物后，使得1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘的激发态发生了规律性的变化，造成1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘的荧光增强.

3 结论

以芘和3，4-二甲氧基苯甲酰氯为原料，经酰基化、脱甲基等步骤合成了1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘，在pH 9.5 Na2HPO4-Na3PO4缓冲溶液介质中，利用双重光谱法研究了硼酸与1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘之间的作用模式.结果表明，硼酸与1-(3，4-二羟基苯甲酰基)芘结合形成1 ∶2 络合物，吸收光谱蓝移和荧光增强，根据吸光度减小程度和荧光增强程度分别与硼酸浓度的相关性建立了荧光分析法和分光光度法测定硼酸的新方法.

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