基于氢键策略卟啉荧光探针的合成及其在2，4，6-三硝基苯酚选择性检测中的应用

2018-11-12张恒顾承志马晓伟代斌

石河子大学学报（自然科学版） 2018年4期

张恒，顾承志*，马晓伟，代斌

（石河子大学化学化工学院/新疆兵团化工绿色过程重点实验室，新疆石河子 832003）

多硝基芳烃如 2，4，6-三硝基甲苯（TNT）和2，4，6- 三硝基苯酚（PA）（苦味酸，picric acid）是典型的爆炸物，尤其后者苦味酸具有更强的爆炸威力，而且苦味酸还广泛应用于火箭燃料、烟花、药物等领域[1-2]。近些年的研究表明：长期暴露于苦味酸气氛中，能引起严重的贫血症，肺损伤和皮肤刺激，且具有强的致癌性[3]。相比较TNT，苦味酸具有更低的表面蒸气压（7.7×10-7Pa，25℃）和更好的水溶性。考虑到苦味酸的社会安全和环境危害问题，过去几十年间，可利用的用于此类爆炸物的检测方法主要有离子迁移谱、气相-质谱联用、表面增强拉曼光谱、电化学方法和基于半导体的气体传感器等等[4-8]，然而，这些仪器方法通常需要高成本，复杂的协议和耗时的校准，这限制了它们的实际应用。近几年，基于荧光淬灭原理的方法被认为是最理想最有效的检测方法，归咎于荧光方法具有成本低、高灵敏度、高选择性和可视化优点。迄今为止，大量的荧光PA传感器已被深入和广泛地研究，包括小分子染料、共轭聚合物、荧光金属有机骨架（MOF）和荧光纳米材料等，但上述荧光探针由于光漂白引起接收荧光强度的不稳定，进而引起测量误差，还有响应时间过长等问题[9-10]。因而寻找长波激发的光热稳定性荧光分子材料是发展荧光传感技术的核心内容。

我们一直致力于拓展卟啉分子的功能化研究[11-12]。卟啉化合物及其金属配合物在可见光区400-450 nm附近有强烈的光谱响应以及550-700 nm附近有中等强度的吸收，在600 nm左右处能够发出很强的荧光。由于具有良好的光、热和化学稳定性，卟啉衍生物作为一类极具潜力、环境友好的光电转换材料成为国际上人们的研究的热门领域。在不对称催化有机合成中，手性脲和硫脲作为一类重要的氢键给体催化剂可作用于含硝基化合物的不对称转化[13-14]。基于此，本研究拟在卟啉骨架上设计引入脲官能团，当富电子的卟啉荧光化合物与缺电子的硝基爆炸物接触时，通过脲与硝基的氢键作用，快速发生电子转移作用，使体系荧光淬灭，从而实现痕量硝基芳烃爆炸物的快速检测（图1）。

图1 基于卟啉脲结构的荧光淬灭Fig.1 Fluorimetric quenching based on porphyrin urea structure

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

仪器：IKA加热磁力搅拌器，IKA机械搅拌器，Agilent7890A-5975C气质联用仪，BrukerAvanceⅢ400 HD核磁共振仪，Thermo Fisher Scientific LTQ FTICR-MS高分辨质谱仪，Agilent荧光光谱仪，太原国家计算中心天河2号服务器。

试剂：对碘苯甲醛，对乙酰氨基苯甲醛，吡咯，三氟乙酸，DDQ，苦味酸，四氢呋喃，二氯甲烷，上述试剂均为分析纯。

1.2 实验步骤

1.2.1 5-对乙酰氨基苯基-10，15，20-三对碘苯基卟啉合成

称取1 mmol（163.17 mg）对乙酰氨基苯甲醛和3 mmol（696 mg）的对碘苯甲醛置于500 mL的三颈圆底烧瓶中，抽真空充氮气置换3次，加入400 mL的无水二氯甲烷，用氮气吹扫5 min后，缓慢加入4 mmol的吡咯和 6 mmol（0.446 mL）的三氟乙酸（TFA）；放入冰水混合物中反应5 h后，加入3 mmol(0.68 g)的DDQ搅拌过夜；最后减压旋蒸，将反应液真空浓缩，加入少量CH2Cl2溶解，加硅胶拌样，柱层析分离得紫色结晶，产率为15%。

1H NMR(400 MHz，CDCl3) δ 8.88-8.81(m，8 H，pyrrolic-H)，8.16-8.07 (m，8H，Ph-H)，7.94-7.89(m，8H，Ph-H)，7.49(s，1H，-NH-COCH3)，2.36(s，3H，-NHCOCH3)，-2.86(s，2 H，inter NH)。13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ 168.52,141.51，137.75，136.11，135.91，135.88，135.08，120.10，118.92，118.79，118.02，94.26，94.24，24.87。

图2 5-对乙酰氨基苯基-10，15，20-三对碘苯基卟啉的合成Fig.2 The synthesis of 5-(4-acetaminophenyl)-10，15，20-tri(4-iodophenyl)porphyrin

1.2.2 5-氨基苯基-10，15，20-三对碘苯基卟啉合成

称取0.191 mmol（200 mg）5-对乙酰氨基苯基-10，15，20-三对碘苯基卟啉于250 mL的圆底烧瓶中，然后加入 HCl（18%，100 mL）和 30 mL 的 TFA；加热回流3 h后，冷却到室温，减压蒸除三氟乙酸；残留物用三乙胺和二氯甲烷（1∶9）萃取，有机层用无水硫酸镁干燥，过滤，减压蒸除溶剂后，残留物进行柱层析分离得粗品；进一步用甲醇和二氯甲烷重结晶得紫色晶体，产率90%。1H NMR(400 MHz，CDCl3)δ8.96(d，J=4.4Hz，2H，pyrrolic-H)，8.82-8.81(m，6 H，pyrrolic-H)，8.09(d，J=8.0 Hz，6 H，Ph-H)，7.97(d，J=8.0 Hz，2 H，p-NH2Ph-H)，7.93(d，J=8.0 Hz，6 H，Ph-H)，7.05(d，J=8.0 Hz，2 H，p-NH2Ph-H)，4.02(s，2 H，-NH2)，-2.82(s，2H，inter NH)。13C NMR(101 MHz，CDCl3)δ 146.17，141.66，141.58，136.13，135.89，135.86，135.70，132.01，121.54，118.73，118.36，113.47，94.18。

图3 5-氨基苯基-10，15，20-三对碘苯基卟啉的合成Fig.3 The synthesis of 5-(4-aminophenyl)-10，15，20-tri(4-iodophenyl)porphyrin

1.2.3 带有脲基团的卟啉合成

称取 0.1 mmol（100.7 mg）5- 氨基苯基 -10，15，20-三对碘苯基卟啉于50 mL反应管中，加入20 mL无水THF充分溶解后，向上述溶液中滴加0.5 mmol的异氰酸苯酯，反应30 min停止搅拌，反应液减压浓缩，残留物硅胶柱层析分离得紫色固体，产率 96%。1H NMR(400 MHz，THF)δ10.83(s，1 H，Por-NH-CO-NH-Ph)，8.94-8.84(m，8 H，pyrrolic-H)，8.31(s，1 H，Por-NH-CO-NH-Ph)，8.14-8.08(m，8 H，Ph-H)，7.96-7.93(m，8 H，Ph-H)，7.61(d，J=8.0 Hz，2 H，Por-NH-CO-NH-Ph-H)，7.29(t，J=7.8 Hz，2 H，Por-NH-CO-NH-Ph-H)，6.98(t，J=7.2 Hz，1 H，Por-NH-CONH-Ph-H)，-2.75(s，2H，inter NH)。13C NMR(101 MHz，TH F)δ153.40，142.92，142.88，141.50，141.37，137.20，137.08，137.06，136.41，135.93，129.66，122.92，121.98 ，119.94，119.68，119.34，117.51，95.09。HR-MS(MALDI)Calcd for[M+H]C51H34I3N6O 1126.9923，found 1126.9894。

图4 带有脲基团的卟啉合成Fig.4 The synthesis of porphyrin bearing urea functional group

1.2.4 带有脲基团的锌卟啉ZH-1合成

称取 0.08 mmol（90.8 mg）脲卟啉于 250 mL 二颈圆底烧瓶中，加入100 mL甲醇和氯仿（1∶3）混合溶剂，再加入0.24 mmol的二水醋酸锌，回流搅拌3 h后，停止搅拌，待降至室温后，减压浓缩，残留物硅胶柱层析分离的紫红色固体，产率98%。1H NMR(400 MHz，THF) δ 10.83(s，1H，Por-NH-CO-NH-Ph)，8.95(d，J=4.8 Hz，2H，pyrrolic-H)，8.86(s，4H，pyrrolic-H)，8.85(d，J=4.8 Hz，2H，pyrrolic-H)，8.24(s，1 H，Por-NHCO-NH-Ph)，8.13-8.03(m，8H，Ph-H)，7.97-7.91(m，8H，Ph-H)，7.61(d，J=7.6 Hz，2 H，Por-NH-CO-NH-Ph-H)，7.29(t，J=8.0 Hz，2 H，Por-NH-CO-NH-Ph-H)，6.98(t，J=7.4 Hz，1 H，Por-NH-CO-NH-Ph-H)。13C NMR(101 MHz，THF)δ153.41，151.69，150.90，150.87，150.75，144.23，1 41.42，141.03，137.78，137.25，136.64，135.85，132.96，132.38，132.32，132.14，129.65，122.88，122.40，120.37，120.14，119.33，117.18，94.48。

图5 带有脲基团的锌卟啉ZH-1合成Fig.5 The synthesis ofzinc porphyrin ZH-1 bearing urea functional group

1.2.5 带有脲基团的锌卟啉ZH-1与含硝基芳烃的荧光光谱分析

配制10-6mol/L带有脲基团的锌卟啉ZH-1的THF和 2，4-二硝基氯代苯、2，4，6-三硝基苯酚、3，5-二硝基苯甲酸、4-硝基酚、对硝基甲苯、对氯硝基苯、苯酚等7种试剂的3种梯度溶液，分别为10-2、10-3、10-4mol/L 的 THF 溶液，通过向 3 mL 的锌卟啉溶液中每次分别加入5 μL的2，4-二硝基氯代苯、2，4，6- 三硝基苯酚（PA）、3，5- 二硝基苯甲酸、4-硝基酚、对硝基甲苯、对氯硝基苯、苯酚7种试剂配成的不同浓度溶液检测卟啉的荧光强度减弱情况，据此了解卟啉化合物是否对含硝基芳烃化合物具有检测效果。

2 结果与讨论

2.1 密度泛函理论计算

为了探讨所设计卟啉荧光探针分子结构的合理性以及增进对这些荧光探针分子性质的了解，通过量子化学密度泛函理论计算的方法对卟啉荧光探针分子和硝基芳烃的结构和电子云分布情况进行了研究。本文中所有的密度泛函理论 (Density Functional Theory，DFT)计算都是利用GAUSSIAN 09软件进行的，选用的方法和基组分别为RB3LYP和6-31G(d，p)。相应的计算结果如表1和图7所示。

表1 Fluorescent Probe ZH-1以及各种硝基芳烃的优化结构和前线轨道Tab.1 The optimized molecular structures and frontier molecular orbital of fluorescent probe ZH-1 and various nitroaromatics

基于荧光淬灭原理，荧光探针分子激发电子能否传递必须遵循以下热力学要求：淬灭分子激发态能级和荧光探针分子的激发态能级必须匹配。也就是说作为荧光探针分子要有足够高的最低未占据轨道(LUMO)能级，必须高于淬灭分子的LUMO能级0.2 eV，激发态的电子才能从热力学角度有效地注入到淬灭分子的导带中，从而导致荧光淬灭。

从表1可知，对硝基苯酚（N2）、邻硝基甲苯（N5）和对硝基甲苯（N6）的最低未占据轨道(LUMO)能级高于荧光探针分子LUMO能级，故不能淬灭卟啉荧光。其中苦味酸（N4）具有最小的LUMO能量，其与锌卟啉荧光探针具有较大的热力学驱动力，其电势差达到1.5 eV，预计有较好的荧光淬灭效果。

图6 锌卟啉ZH-1和各种硝基芳烃的结构Fig.6 Structure of zinc porphyrin ZH-1 and various nitroaromatics

图7 锌卟啉ZH-1和各种硝基芳烃的能级匹配关系Fig.7 Energylevel matching between zinc-porphyrin ZH-1 and various nitroaromatics

2.2 锌卟啉ZH-1对含硝基芳烃化合物的荧光谱图分析

锌卟啉ZH-1的荧光数据（表2）显示：在激发波长为422 nm，其最大发射波长为626 nm。为了探索锌卟啉ZH-1的潜在应用，进行荧光滴定实验，PA的梯度从0-50当量递增，每次滴加量为5 μL。图8为锌卟啉ZH-1具有不同浓度的响应的PA。图8显示：当添加少量PA626 nm处的发射强度逐渐降低，当加入50当量的PA，几乎90%发射被淬灭。

表2 化合物ZH-1的荧光谱图数据Tab.2 The date of photolueneuminescence for compounds ZH-1

图8 ZH-1滴加7种不同试剂的荧光谱图Fig.8 Fluorescence spectra of ZH-1(10-6 M)with gradual increment of PA

此外，其它硝基芳烃按照同样的方法也进行了荧光梯度测试，但是遗憾的是，这些含硝基化合物并不能淬灭锌卟啉ZH-1的荧光，结果如图8b至 h。

2.3 锌卟啉ZH-1与滴加PA的核磁滴定实验

为了进一步了解PA淬灭锌卟啉ZH-1的荧光机制，本研究进行了相应的核磁滴定实验，结果（图9）显示：在没有滴加PA前，锌卟啉ZH-1的核磁氢谱低场化学位移为11左右有一个尖锐的单峰，此峰为锌卟啉ZH-1脲基团的一个NH峰，当滴加3倍当量的PA，核磁氢谱证实存在明显的氢键作用，此时低场化学位移11左右的峰变矮变宽，并且向低场移动，表明正如图1所示氢键加速了PA选择性淬灭锌卟啉ZH-1的荧光。