吗啉基修饰的新型香豆素Fe3+荧光探针化合物的合成及其性能

蒋祺骅, 刘 钢, 张 震, 孙小强, 席海涛

(常州大学 石油化工学院，江苏 常州 213164)

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吗啉基修饰的新型香豆素Fe3+荧光探针化合物的合成及其性能

蒋祺骅, 刘 钢, 张 震, 孙小强, 席海涛*

(常州大学 石油化工学院，江苏 常州 213164)

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与碘甲烷在乙醚中反应制得7-甲氧基-4-甲基香豆素(2)； 2与N-溴代丁二酰亚胺在四氯化碳中经2步反应制得3-溴-4(溴甲基)-7-甲氧基香豆素(4)； 4在四氢呋喃溶剂中与吗啉反应合成了一种新型的基于香豆素的荧光探针化合物——3-溴-7-甲氧基-4-(吗啉代)-2H-吡喃-2-酮(5)，其结构经1H NMR,13C NMR和MS表征。光学性能和金属离子识别性能研究结果表明：5的激发波长为340.15 nm，发射波长为408.35 nm； 5对Fe3+有良好的识别作用，在1.0 ×10-5mol·L-1～9.0×10-5mol·L-1可定量检测Fe3+含量。

香豆素; 吗啉; 荧光探针; 合成; 离子识别

香豆素类化合物的母体为苯并吡喃酮结构, 具有荧光量子产率高、Stokes位移大和光稳定性好等优点，是荧光传感器分子设计中的优秀候选荧光团，近年来在荧光探针方面的研究备受关注[1-6]。但在针对香豆素阳离子探针的研究中，Fe3+的报道相对较少，Hu等[7]报道了一个基于FRET的香豆素-罗丹明衍生物能选择性识别痕量的Fe3+。

Scheme 1

含有氮原子的六元杂环已被证明是潜在的化疗药物和药物中间体[8]。吗啉及其衍生物由于其与许多生物和临床应用具有密切的关联而被广泛研究[9]。吗啉基的高关注度主要源于以下因素，首先，吗啉环上的氧原子可以参与相应受体的供体-受体型相互作用，增加结合的紧密性；其次，氧原子的高电负性降低了氮原子的碱性[10]。

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与碘甲烷在乙醚中反应制得7-甲氧基-4-甲基香豆素(2)； 2与N-溴代丁二酰亚胺(NBS)经2步反应制得3-溴-4(溴甲基)-7-甲氧基香豆素(4)； 4在四氢呋喃中与吗啉反应合成了一种新型的单侧臂探针化合物——3-溴-7-甲氧基-4-(吗啉代)-2H-吡喃-2-酮(5， Scheme 1)，其结构经1H NMR，13C 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)；UV-1700型紫外-可见吸收光谱仪；Bruker VANCE 300 MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标)；Cary6000i optics型荧光光谱仪；LCMS-2010EV型质谱仪。

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) 1的合成[11]

在100 mL三口烧瓶中依次加入间苯二酚5.51 g(50 mmol)，乙酰乙酸乙酯10 mL(75 mmol)和浓硫酸20 mL，搅拌10 min散热，保持温度低于10 ℃反应12 h(TLC跟踪)。置于0 ℃冰水中冷却(有淡黄色固体析出)，过滤，滤饼置烧瓶中，加入10%NaOH溶液至无沉淀析出，过滤，滤饼用无水乙醇重结晶得白色粉末1 7.17 g，产率81.4%, m.p. 189.0～190.8 ℃;1H NMR(300 MHz, DMSO-d6)δ: 10.54(s, 1H, OH), 7.58(d,J=9.0 Hz, 1H, ArH), 6.81(m, 1H, ArH), 6.70(d,J=3.0 Hz, 1H, ArH), 6.13(d,J=3.0 Hz, 1H, ArH), 2.36(s, 3H, CH3);13C NMR(75 MHz, DMSO-d6)δ: 161.62, 160.75, 156.30, 154.02, 127.10, 113.32, 112.48, 110.71, 102.63, 18.68; MSm/z: 177{[M+H]+}。

(2) 2的合成[12]

向100 mL三口烧瓶中依次加入1 704 mg(4 mmol)，碘甲烷1.3 mL(20 mmol)，碳酸钾600 mg(3.34 mmol)和乙醚50 mL，搅拌下升温至50 ℃，反应4 h(TLC跟踪)。过滤，滤液蒸干得白色粉末，用乙酸乙酯(50 mL)溶解，倒入分液漏斗中，依次用1 mol·L-1盐酸(30 mL)、去离子水(30 mL)和饱和NaCl溶液(20 mL)洗涤，无水硫酸钠干燥，旋蒸除去溶剂得白色粉末2 699 mg，产率92.1%, m.p.156.7～158.2 ℃;1H NMRδ: 7.50(d,J=8.73 Hz, 1H, ArH), 6.87(dd,J=8.72 Hz, 2.55 Hz, 1H, ArH), 6.82(d,J=2.43 Hz, 1H, ArH), 6.14(d,J=1.17 Hz, 1H, ArH), 3.88(s, 3H, OCH3), 2.40(d,J=1.19 Hz, 3H, PhCH3);13C NMRδ: 161.62, 160.75, 156.30, 154.02, 127.10, 113.32, 112.48, 110.71, 102.63, 55.74, 18.68; MSm/z: 191{[M+H]+}。

(3) 3-溴-7-甲氧基-4-甲基香豆素(3)的合成[13]

在三口烧瓶中依次加入2 456.6 mg(2.4 mmol)， NBS 470.0 mg(2.64 mmol)和四氯化碳20 mL，搅拌下加入过氧化苯甲酰(BPO)32.0 mg(0.12 mmol)，反应体系呈黄色浑浊液，回流(80 ℃)反应12 h(TLC跟踪)。过滤，滤液旋蒸除去溶剂得淡黄色固体，用乙酸乙酯(20 mL)溶解，置于分液漏斗中，依次用去离子水(20 mL)和饱和NaCl溶液(20 mL)洗涤，无水硫酸钠干燥，蒸干后经硅胶柱层析[洗脱剂：A=V(二氯甲烷)∶V(石油醚)=1 ∶1]纯化得淡黄色固体3 498.0 mg，产率77.1%, m.p.146.3～146.9 ℃;1H NMRδ: 7.56(d,J=8.91 Hz, 1H, ArH), 6.90(dd,J=8.91 Hz, 2.52 Hz, 1H, ArH), 6.83(d,J=2.52 Hz, 1H, ArH), 3.88(s, 3H, OCH3), 2.60(s, 3H, PhCH3);13C NMRδ: 161.70, 156.39, 152.56, 150.16, 125.02, 112.35, 111.99, 108.63, 99.62, 54.82, 18.49; MSm/z: 268{[M+H]+}。

(4) 4的合成[13]

在三口烧瓶中依次加入3 126.4 mg(0.470 mmol)， NBS 92.1 mg(0.517 mmol)和四氯化碳30 mL，搅拌下加入偶氮二异丁腈(AIBN)4.2 mg(0.024 mmol)，反应体系呈黄色浑浊液，升温至回流(80 ℃)，反应24 h(TLC跟踪)。过滤，滤液旋蒸除去溶剂得淡黄色固体，用乙酸乙酯20 mL溶解，置于分液漏斗中，依次用去离子水(20 mL)和饱和NaCl溶液(20 mL)洗涤，蒸干后经硅胶柱层析(洗脱剂：A=1 ∶1)纯化得淡黄色固体4 136.4 mg，产率83.4%， m.p. 181.7～183.2 ℃;1H NMRδ: 7.54(d,J=8.94 Hz, 1H, ArH), 6.88(dd,J=8.94 Hz, 2.52 Hz, 1H, ArH), 6.79(d,J=2.49 Hz, 1H, ArH), 4.62(s, 2H, BrCH2), 3.82(s, 3H, OCH3);13C NMRδ: 162.12, 153.15, 147.48, 124.67, 124.51, 112.43, 109.78, 109.63, 100.05, 54.93, 25.51; MSm/z: 349{[M+H]+}。

(5) 5的合成

在10 mL史莱克管中加入4 109.4 mg(0.316 mmol)和吗啉31.1 mg(0.357 mmol)，抽真空换N2，注入新蒸THF 2.5 mL，于室温反应5 h(反应体系呈淡黄色,TLC跟踪)。过滤，滤液旋蒸除溶，残余物加入乙酸乙酯(20 mL)溶解，依次用去离子水(10 mL)和饱和NaCl溶液(3×10 mL)洗涤，干燥后旋蒸除去溶剂得微黄色固体粗品，经硅胶柱层析(洗脱剂：A=2 ∶1)纯化得淡黄色固体5 0.107 g，产率95.6%， m.p. 159.1～160.9 ℃;1H NMRδ: 7.85(d,J=9.00 Hz, 1H, ArH), 6.82(dd,J=9.00 Hz, 2.55 Hz, 1H, ArH), 6.74(d,J=2.52 Hz, 1H, ArH), 3.84(s, 2H, PhCH2), 3.81(s, 3H, OCH3), 3.81(t,J=4.47 Hz, 4H, CH2), 2.54(t,J=4.51 Hz, 4H, CH2);13C NMRδ: 162.67, 157.41, 153.82, 149.36, 127.39, 112.90, 112.83, 111.76, 100.29, 66.91, 59.48, 55.84, 53.45; MSm/z: 377{[M+Na]+}。

2 结果与讨论

2.1 光学性能

图1为合成的探针化合物5在不同溶剂中的荧光谱图。由图1可见，在浓度相同的情况下5在THF中的发射波长为408.35 nm，其荧光强度最大，这是由于5与THF分子间产生相互作用增强了分子的刚性导致荧光强度增大。

λ/nm

λ/nm

Temperature/K

在四氢呋喃溶剂中，考察了温度对化合物5(c=1.0×10-4mol·L-1)荧光性能的影响，结果见图2和图3。由图可见，在273～348 K，随着温度升高，5的荧光强度线性减弱。这是由于随着温度的升高，分子运动加强，温度的上升使得荧光分子与溶剂分子碰撞的机会增大导致荧光淬灭现象增强，从而使得其荧光强度下降。

2.2 对Mn+的选择性识别性能

研究表明化合物5对Mn+具有一定的识别能力。加入等摩尔量Mn+后溶液荧光强度的变化，较为清晰地反映出化合物对Mn+的识别能力。5对不同Mn+的选择性识别作用见图4。

λ/nm

由图4可以看出，碱金属(Na+和K+)、碱土金属(Cd2+和Mg2+)和过渡金属离子(Cu2+， Co2+， Pb2+， Ag+和Zn2+)在与5络合后荧光强度变化不明显，而Fe3+加入后荧光强度有明显增强。这是由于Fe3+与5有较好的螯合作用，抑制了5的PET荧光淬灭效应。

根据5与Fe3+的Job’s工作曲线图(图5)可以看出，在5与Fe3+的摩尔比为1 ∶1时，荧光增强现象最明显，可以得出5与Fe3+以配位比为1 ∶1形成配合物。

n(5)∶[Fe3+]

[Fe3+]/×10-4mol·L-1

进一步研究不同浓度的Fe3+对同一浓度的探针化合物5荧光强度的影响，结果见图6。由图6可见，随着Fe3+浓度增大，荧光强度逐渐减弱。在Fe3+浓度为1.0×10-5mol·L-1～9.0×10-5mol·L-1时，探针荧光强度Y与[Fe3+]具有良好的线性关系。线性方程为Y=285.73+4.756×105[Fe3+]，相关系数R=0.992 5，根据该线性方程可以定量检测1.0×10-5mol·L-1～9.0×10-5mol·L-1Fe3+的含量。

设计并合成了一种新型的基于香豆素的荧光探针化合物——3-溴-7-甲氧基-4-(吗啉代)-2H-吡喃-2-酮(5)。 5的激发波长为340.15 nm，发射波长为408.35 nm。 5对Fe3+有良好的识别作用，在1.0×10-5mol·L-1～9.0×10-5mol·L-1可定量检测Fe3+含量。该研究对Fe3+的识别检测具有一定的实际应用价值。

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Synthesis and Properties of A Novel Coumarin-based Fe3+Fluorescent Probe Modified by Morpholin

JIANG Qi-hua, LIU Gang, ZHANG Zhen, SUN Xiao-qiang, XI Hai-tao*

(Institute of Petrochemical Technology, Changzhou University, Changzhou 213164, China)

7-Hydroxy-4-methyl coumarin(1) was prepared by nucleophilic substitution reaction of resorcinol with ethyl acetoacetate. 7-Methoxy-4-methyl-coumarin(2) was synthesized by reaction of 1 with methyl iodide. 3-Bromo-4-(bromomethyl)-7-methoxy-coumarin(4) was prepared by two-step reaction of 2 withN-bromosuccinimide in CCl4. A novel coumarin-based fluorescent probe, 3-bromo-7-methoxy-4-(morpholino)-2H-pyran-2-one(5), was synthesized by reaction of 4 with morpholine. The structure was characterized by1H NMR,13C NMR and MS. The optical properties of 5 were investigated. The results showed theλexwas 340.15 nm andλemwas 408.35 nm. A study of the identification effect of 5 for different cations was carried out. The result showed that 5 exhibited good selectivity for Fe3+at 1.0×10-5mol·L-1～9.0×10-5mol·L-1.

coumarin; morpholine; fluorescent probe; synthesis; ion recognition

2016-05-24;

2016-11-15

蒋祺骅(1991-)，男，汉族，江苏无锡人，硕士研究生，主要从事有机合成和超分子化学的研究。 E-mail: wuxijqh@163.com

席海涛，博士，教授， E-mail： xht@cczu.edu.cn

O621； O626

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.01.16130