新型香豆素类荧光探针的合成及其对Cu2+的识别性能

2017-10-13邵阳,徐鉴

合成化学 2017年10期

关键词：香豆素苯基甲氧基

邵阳, 徐鉴

(南京晓庄学院环境科学学院，江苏南京 211171)

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新型香豆素类荧光探针的合成及其对Cu2+的识别性能

邵阳, 徐鉴*

(南京晓庄学院环境科学学院，江苏南京 211171)

以2-羟基-4-甲氧基苯甲醛和丙二酸二乙酯为起始原料，设计并合成了一种新型的Cu2+荧光探针7-甲氧基-2-氧代-N-[2-(苯基氨基)乙基]-2H-色烯-3-甲酰胺(NPC)，其结构经1H NMR,13C NMR, MS(EI)和元素分析表征。并研究了室温下，NPC在乙醇和水的混合溶液中对Cu2+的识别性能。结果表明：NPC对Cu2+表现出荧光猝灭效应，具有对Cu2+的选择性识别性能。

香豆素; 甲酰胺; 合成; 荧光探针; Cu2+选择性识别

Abstract： A novel fluorescent probe for Cu2+, 7-methoxy-2-oxo-N-[2-(phenylamino)ethyl]-2H-chromene-3-carboxamide(NPC), was designed and synthesized from 2-hydroxy-4-methoxybenzaldehyde and diethyl malonate. The structure was characterized by1H NMR,13C NMR, MS(EI) and elemental analysis. The recognition property for Cu2+at room temperature in EtOH/H2O was investigated. The results showed that NPC exhibited a specific selective recognition for Cu2+in solution with a fluorescent quenching signal.

Keywords： coumarin; carboxamide; synthesis; fluorescent probe; Cu2+selective recognition

铜是生物体内必需的微量元素之一，在细胞中的含量仅次于铁和锌。铜离子广泛参与了生物体内多种生理过程[1-2]。人体内铜元素水平与多种疾病(如心血管疾病、糖尿病、癌症和神经退行性疾病等)密切相关[3-5]。因此研究Cu2+的检测方法对人类健康有重要的实际意义。

传统的铜离子检测方法主要有：原子吸收光谱法、电感耦合等离子体-质谱法、分光光度测定法和循环伏安法等[6-9]。这些方法灵敏度较高和精确度较好，但是操作繁琐、耗时长，仪器昂贵，不利于推广使用。

荧光分析方法作为一种优秀的现代分析手段，具有很高的灵敏度和时空分辨率，特别是荧光探针分子能够透过细胞膜进入细胞，使其在生物传感方面具有较大的应用潜力[10-11]。香豆素及其衍生物是一类含内酯环结构的化合物，荧光性较强[12]。该类化合物应用于荧光传感器研究已经取得了初步成果[13]。

Scheme1

本文以2-羟基-4-甲氧基苯甲醛(1)和丙二酸二乙酯(2)为起始原料，设计并合成了一种新型的Cu2+荧光探针7-甲氧基-2-氧代-N-[2-(苯基氨基)乙基]-2H-色烯-3-甲酰胺(NPC, Scheme 1)，其结构经1H NMR,13C NMR, MS(EI)和元素分析表征。并研究了室温下，NPC在乙醇和水的混合溶液中对Cu2+的识别性能。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

RF-5301型荧光分光光度计；UV 2450型紫外-可见分光光度计；Bruker AMX-500 MHz型核磁共振仪；PE 2400型元素分析仪。

1、二环己基碳二亚胺、N-苯基乙二胺、4-二甲氨基吡啶，Sigma-Aldrich公司；2、六氢吡啶、冰醋酸、无水乙醇、氢氧化钠、二氯甲烷，南京化学试剂股份有限公司；实验涉及的金属离子均为高氯酸盐[溶剂：乙醇/水=5/1,V/V, pH 7.4]，阿拉丁试剂(上海)有限公司；实验用水为二次去离子水;其余所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

(1)3的合成

将13.1 g(20 mmol)和24.0 g(25 mmol)溶于无水乙醇(50 mL)中;加入六氢吡啶0.5 mL和两滴冰醋酸，回流反应3 h。冷却至室温，缓慢倒入100 mL冰水中，过滤，滤饼用50%乙醇重结晶得白色固体33.8 g，产率77%;1H NMRδ: 8.33(s, 1H), 7.45(d,J=7.2 Hz, 1H), 6.81(d,J=7.2 Hz, 1H), 6.65(d,J=6.8 Hz, 1H), 4.36(q,J=7.2 Hz, 2H), 3.87(s, 3H), 1.38(t,J=7.2 Hz, 3H);13C NMRδ: 165.3, 160.1, 155.4, 153.8, 130.1, 119.4, 112.5, 111.2, 100.8, 100.3, 62.4, 55.7, 14.9; MS(EI)m/z: Calcd for 248.07[M+], found 248.04; Anal. calcd for C13H12O5: C 61.4, H 6.7, found C 61.2, H 6.8。

(2)4的合成

回流条件下,将32.48 g(10 mmol)的乙醇(15 mL)溶液缓慢滴加至10%氢氧化钠溶液(15 mL)中，滴毕，反应30 min。冰浴冷却，用浓盐酸调至pH 2，析出沉淀，过滤，滤饼真空干燥得淡黄色固体41.95 g，产率89%;1H NMRδ: 8.35(s, 1H), 7.43(d,J=7.2 Hz, 1H), 6.83(d,J=7.2 Hz, 1H), 6.63(d,J=6.8 Hz, 1H), 3.85(s, 3H);13C NMRδ: 187.1, 165.4, 160.2, 159.6, 153.8, 147.5, 134.4, 129.7, 110.9, 109.7, 55.3; MS(EI)m/z: Calcd for 248.03[M+], found 247.97; Anal. calcd for C12H8O6: C 58.1, H 3.3, found C 58.3, H 3.4。

(3) NPC的合成

搅拌下,在反应瓶中依次加入41.24 g(5 mmol)的二氯甲烷(100 mL)溶液,二环己基碳二亚胺(DCC)1.2 g(6 mmol),N-苯基乙二胺0.82 g(6 mmol)和4-二甲氨基吡啶0.025 g(0.2 mmol)，反应8 h。过滤，滤液用水(3×100 mL)洗涤，无水硫酸钠干燥过夜；蒸除溶剂，残余物经硅胶柱层析(洗脱剂：乙酸乙酯/二氯甲烷=1/5,V/V)纯化得淡黄色固体NPC 1.06 g，产率63%;1H NMRδ: 9.27(s, 1H), 8.41(s, 1H), 8.04～7.96(m, 2H), 7.51～7.47(m, 2H), 7.20～7.15(m, 3H), 7.01～6.96(m, 2H), 3.87(s, 3H), 3.63(m, 2H), 3.43(s, 2H);13C NMRδ: 160.7, 159.5, 159.5, 153.8, 147.3, 130.1, 129.4, 129.4, 120.8, 119.3, 114.7, 113.6, 113.6, 111.0, 110.2, 100.3, 55.7, 42.3, 39.1; MS(EI)m/z: Calcd for 228.13[M+], found 338.02; Anal. calcd for C19H18N2O4: C 67.4, H 5.4, N 8.3, found C 67.1, H 5.3, N 8.5。

1.3 NPC对Cu2+的选择性识别

将NPC配制成10 μmol·L-1的溶液，分别加入1×10-3mol·L-1Cu2+(0.1、 0.2、 0.3、 0.4、 0.5、 0.6、 0.7、 0.8、 0.9、 1.0、 1.2和1.5 eq.)。以440 nm为激发波长，测定荧光发射光谱。

在10 μmol·L-1NPC溶液中，分别加入1×10-3mol·L-1金属离子溶液(Al3+、 Na+、 Ba2+、 Mg2+、 Ca2+、 Cu2+、 Zn2+、 Mn2+、 Pb2+、 Hg2+、 Cd2+、 Ni2+、 Co2+和Fe3+)1.5 eq.。以440 nm为激发波长，测定荧光发射光谱。

1.4 其它金属离子存在下NPC对Cu2+的选择性识别

在10 μmol·L-1NPC溶液中，分别加入1×10-3mol·L-1金属离子(Na+、 Ba2+、 Mg2+、 Ca2+、 Al3+、 Zn2+、 Mn2+、 Pb2+、 Hg2+、 Cd2+、 Ni2+、 Co2+、 Fe3+)1.5 eq.,以440 nm为激发波长，在495 nm处测定荧光强度。然后在上述溶液中分别加入Cu2+1 eq.，相同条件下测定荧光强度。

2 结果与讨论

2.1 NPC对Cu2+的选择性识别

图1为在NPC中加入金属离子后的UV-Vis谱图。从图1可以看出，NPC的最大吸收波长为428 nm，在加入金属离子(除Cu2+之外)后，体系的谱图基本没有变化。加入Cu2+后，最大吸收波长从428 nm红移到440 nm，溶液的颜色由黄色变为深黄色。这说明NPC对Cu2+有独特的响应效果。

图2为NPC加入金属离子(Al3+、 Na+、 Ba2+、 Mg2+、 Ca2+、 Cu2+、 Zn2+、 Mn2+、 Pb2+、 Hg2+、Cd2+、 Ni2+、 Co2+、 Fe3+)后的荧光谱图。由图2可以看出，NPC溶液中只有在加入Cu2+后,会产生荧光猝灭现象，加入其他金属离子，体系的荧光谱线变化很小。

图3为Cu2+加入量对NPC荧光光谱的影响。由图3可以看出，在440 nm波长激发下，NPC在495 nm处有一个很强的荧光峰。随着Cu2+的加入，NPC在495 nm处的荧光强度逐渐减弱，当Cu2+的加入量达到1 eq.后，NPC的荧光光谱基本不再变化。这说明探针分子与Cu2+可能以1 ∶1配位结合。

λ/nm

2.2 共存金属离子干扰下NPC对Cu2+的识别性能

表1为共存金属离子干扰下NPC对Cu2+的选择性识别性能。由表1可以看出，即使体系内有其他金属离子(1.5 eq.)存在，NPC依然对Cu2+(1 eq.)有良好的识别效果。

表1 共存金属离子对探针分子NPC识别Cu2+影响Table 1 Influence of co-existing metal ions on recognition property of NPC with Cu2+

此外，我们还考察了溶液pH值对NPC识别Cu2+的影响，结果见图4。由图4可见，当溶液pH 5～10时，NPC溶液的荧光在加入Cu2+前后均表现出良好的稳定性，这说明NPC的pH适用范围较宽。

2.3 识别机理

香豆素类化合物是一种经典的具有荧光发射性能的化合物。尤其是在香豆素环的3-位和7-位上引入取代基，可加强香豆素分子内电荷转移(ICT)过程，使探针分子的荧光性质显著加强。此外，在7-位上引入亚胺基可以为Cu2+提供合适的配位环境，由于Cu2+本身的顺磁性，往往会导致体系产生荧光猝灭现象。

设计并合成了一种新型的Cu2+荧光探针7-甲氧基-2-氧代-N-[2-(苯基氨基)乙基]-2H-色烯-3-甲酰胺(NPC)。并研究了室温下，NPC在乙醇和水的混合溶液中对Cu2+的识别性能。结果表明：NPC对Cu2+表现出荧光猝灭效应，具有对Cu2+的选择性识别性能。该研究对Cu2+的识别检测具有一定的实际应用价值。

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SynthesisofANovelCoumarin-basedFluorescentProbeandItsSelectiveRecognitionPropertyforCu2+

SHAO Yang, XU Jian*

(School of Environmental Science, Nanjing Xiaozhuang University, Nanjing 211171, China)

O621.3; O657.3

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.10.17071

2017-03-28;

2017-08-22

南京晓庄学院校级科研项目(2015NXY37)

邵阳(1981-)，女，汉族，江苏南京人，硕士，讲师，主要从事应用化学的研究。 E-mail: 310353368@qq.com