香豆素修饰的均三嗪环荧光探针的合成及其光学性能*

刘一龙，蒋祺骅，张 震，孙小强，席海涛

(常州大学石油化工学院，江苏常州 213164)

香豆素类化合物具有优良的生理活性、光稳定性好、荧光量子产率高、Stocks位移大等特性，是很好的荧光增白剂、荧光探针和药物等精细化工产品的原料和中间体，近年来在荧光探针方面的研究备受关注［1－4］。

Scheme 1

均三嗪衍生物分子结构中含有均三嗪环，具有较为稳定的化学性质［5］、良好的光学性质以及抗菌、抗癌性，已经被广泛地应用于农药、医药、荧光增白剂、抗氧剂、润滑剂、纸张处理剂、橡胶、纺织助剂等多个领域［6］。均三嗪环可以通过氢键作用、与金属离子的配合作用以及p－p作用进行分子识别，可以将其应用到超分子领域。三聚氯氰是含氮的六元杂环，其杂环上的氮原子与金属离子的配位能力较好［7－9］;且环上的碳原子可以作为反应中心，与胺基和羟基等基团之间发生亲核取代反应，而且三嗪环上的三个氯原子的反应活性有着特异性，可以通过控制反应条件进行分级取代，从而实现在三聚氯氰上选择性地引入一个或多个取代基［10－11］。

本文以间苯二酚与乙酰乙酸乙酯经亲核取代反应制得7-羟基-4-甲基香豆素(1);1与3-溴-1-丙醇经取代反应制得 3-(4，6-二氯-1，3，5-三嗪-2-氧基)-1-丙醇(4);1和4分别与三聚氯氰(2)经取代反应合成了两种新型的单侧臂探针化合物——7-(4，6-二氯-1，3，5-三嗪-2-氧基)-4-甲基香豆素(3)和 7-［3-(4，6-二氯-1，3，5-三嗪-2-氧基)丙氧基］-4-甲基香豆素(5)(Scheme 1)，其结构经1H NMR和LC-MS表征。并利用UV-Vis和FL研究了其对金属离子(Mn+)的识别性能。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

WRS-2型微机熔点仪(温度未校正);Bruker VANCE 300MHz型核磁共振仪(DMSO-d6为溶剂，TMS为内标);LCMS-2010EV型质谱仪。

1按文献［12］方法合成;柱层析用硅胶 H，青岛海洋化工有限公司;其余所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

(1)3的合成

在反应瓶中依次加入2 4.00 g(20 mmol)和乙腈40 mL，搅拌使其溶解;加入碳酸钾0.86 g(6 mmol)和1 1.08 g(6 mmol)，于0 ℃反应8 h。抽滤，滤液蒸干得淡黄色固体，经硅胶柱层析［洗脱剂:A=V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)=1∶2］纯化得淡黄色固体3，收率51.5%;1H NMR(CDCl3)δ:7.71(d，J=8.7 Hz，1H，ArH)，7.23(d，J=2.3 Hz，1H，ArH)，7.16(m，1H，CH)，2.48(s，3H，CH3);13C NMR δ:18.8，110.9，112.4，113.5，114.9，118.7，127.1，150.3，153.1，153.4，160.2，160.2，161.8;LC-MS m/z:324.95{［M+H］+}。

(2)4的合成

在反应瓶中加入1 2.02 g(11.4 mol)和丙酮30 mL，搅拌使其溶解;加入 3-溴-1-丙醇 2.36 g(17 mmol)和碳酸钾 8.61 g(62 mmol)，于 60 ℃反应8 h。抽滤，滤液蒸干后经硅胶柱层析(洗脱剂:A=1∶2)纯化得白色固体4，收率80.5%;1H NMR δ:7.48(d，J=8.7 Hz，1H，ArH)，6.85(m，2H，ArH)，6.12(d，J=1.2 Hz，1H，ArH)，4.18(t，J=6.1 Hz，2H，CH2OH)，3.87(t，J=6.0 Hz，2H，OCH2)，2.39(d，J=1.2 Hz，3H，CH3)，2.08(m，2H，CH2)，1.6(s，1H，OH);13C NMR δ:163.71，159.3，154.15，154.64，128.53，115.61，110.56，111.02，100.43，68.86，60.73，31.81，20.52;HR-ESI-MS m/z:Calcd for C13H14O4{［M+H］+}235.096 5，found 235.096 2。

(3)5的合成

于0℃，反应瓶中依次加入2 0.26 g(10 mmol)和乙腈30 mL，搅拌使其溶解;加入4 0.51 g(15 mmol)和碳酸钾 0.26 g(15 mol)，加毕，于85℃反应8 h。冷却，抽滤，滤液经硅胶柱层析(洗脱剂:A=1∶1)纯化得淡黄色固体5，收率67.5%;1H NMR δ:7.68(d，J=8.5 Hz，1H)，6.98 ～6.95(m，2H，ArH)，6.21(s，1H，CH)，4.46(t，J=6.2 Hz，2H，CH2)，4.19(t，J=6.2 Hz，2H，CH2)，2.39(s，3H，CH3)，2.17(t，J=6.2 Hz，2H，CH2);13C NMR δ:162.83，160.35，155.25，155.25，153.90，126.35，113.81，112.79，112.79，111.71，101.82，65.49，42.27，31.90，18.81;HR-ESI-MS m/z:Calcd for C16H13N3O4Cl2{［M+H］+}382.035 6，found 382.035 2。

2 结果与讨论

2.1 光学性能

(1)UV-Vis

图1为1，3～5的 UV-Vis谱图(甲醇为溶剂，c=1.0 ×10－4mol·L－1)。由图 1 可见，4 的紫外吸收峰位于近紫外区，最大吸收波长为320.80 nm。这是由于4中存在C=O键，O原子的跃迁是因为其最外层电子受到激发而产生的，故其紫外吸收发生红移。

图1 1，3～5的UV-Vis谱图*Figure 1 UV-Vis spectra of 1，3～5

(2)FL

图2为1，3～5的FL谱图(甲醇为溶剂，c=1.0 ×10－4mol·L－1)。由图 2 可见，4 在甲醇溶液中的激发波长为 324.29 nm，发射波长为371.80 nm。3在甲醇溶液中的激发波长为320.80 nm，发射波长为412.75 nm。探针分子中引入了三嗪基团，由于PET作用导致呈现探针分子3和5的荧光强度减弱。

以5 为例(甲醇为溶剂，c=1.0 ×10－5mol·L－1)，考察了温度和pH对荧光性能的影响，结果分别见图3和图4。由图3可见，在0℃ ～60℃，随着温度升高，5的荧光强度呈现下降的趋势。原因在于随着温度的升高，分子内部能量的转换作用增强，温度上升导致介质黏度变小，增加了荧光分子与溶剂分子碰撞淬灭的机会，使得其荧光强度下降。

图2 1，3～5的FL谱图*Figure 2 FL spectra of 1，3～5

图3 温度对5的FL谱图的影响*Figure 3 Relationship between FL of 5 and temperature

图4 pH对5的FL谱图的影响*Figure 4 Relationship between FL of 5 and pH

由图4可见，在 pH 1.35～6.23条件下，随pH值升高，5的荧光强度逐渐增强，在pH 8.22～13.15，随pH升高，5的荧光强度基本保持不变，具有一定稳定性，由于人体体内为弱碱环境(pH 7.3)，因此5为药物类荧光探针提供了可行性。

2.2 对Mn+的选择性识别

由于经荧光基团修饰过的均三嗪环具有一定的Mn+识别能力，通过比较加入等摩尔量Mn+后溶液荧光强度的变化，可以较为清晰地反映出该化合物对Mn+的识别能力。5对不同Mn+的选择性识别作用见图5。由图5可知，碱金属(Na+和K+)、碱土金属(Ca2+和 Mg2+)、过渡金属离子(Cu2+，Fe3+，Co2+，Ni2+，Mn2+，Hg2+和 Zn2+)在与5络合后荧光强度变化不明显，而Cu2+加入后荧光强度有较大减弱。这是由于三聚氯氰氮杂环上的氮原子和侧链上的氧原子能够和Cu2+发生螯合作用，促进或激发了5的PET过程，使得电子发生转移，电子由低能级向高能级跃迁，同时削弱了分子的刚性结构，产生了荧光淬灭的现象。

图5 5对Mn+的选择性图*Figure 5 Selectivity of 5 for Mn+

根据5与Cu2+的工作曲线图(图6)可以看出，在5与Cu2+的摩尔比接近2∶1时，荧光淬灭现象最明显，因此可以得出5与Cu2+以2∶1配位形成络合物(Chart 1)。

图6 5与Cu2+的工作曲线图Figure 6 Job’s plot of 5 with Cu2+

进一步研究不同［Cu2+］对同一浓度的探针化合物荧光强度影响，结果见图7。由图7可见，随着［Cu2+］增大，荧光强度逐渐减弱。

图7 5的荧光强度随［Cu2+］的变化关系图Figure 7 Relationship between FL of 5 with［Cu2+］

［Cu2+］在1.0 ×10－6mol·L－1～5.0 ×10－5mol·L－1范围内，探针荧光强度(Y)与［Cu2+］呈良好的线性关系，线性方程为:Y=13.66×10－6［Cu2+］+297.67(mol·L－1)，相关系数 R=0.982 09，根据该线性方程可以检测 1.0 × 10－6mol·L－1～5.0 ×10－5mol·L－1范围内 Cu2+含量。

图8 5的荧光强度随［Cu2+］的变化关系图Figure 8 Relationship between FL of 5 with［Cu2+］

3 结论

设计并合成了以三聚氯氰为母体的新型荧光探针化合物(5)，其发射波长为371.80 nm。5在中性至碱性条件下(pH 7.3～13.15)荧光变化较为稳定，对于铜离子在较宽的pH范围内有着良好的识别作用，在 1.0 ×10－6mol·L－1～5.0 ×10－5mol·L－1范围内可以定量检测 Cu2+的含量。该研究对在一定酸碱条件下铜离子的识别检测应用有着一定的实际应用价值。

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