7-二乙胺基-3-[(噻吩-2-亚甲氨基)甲基]香豆素的合成及对Fe3+的荧光识别

吴芳辉*， 杨俊卿， 徐 帆， 董天涯， 陈 晨， 储心萍

(安徽工业大学化学与化工学院，安徽马鞍山 243002)

近年来，通过简单的光学仪器甚至裸眼观察响应信号的变化简单方便地识别金属离子已广泛应用于食品分析、医药学、环境保护和生命科学等领域[1 - 2]，而设计能结合金属离子引起光谱变化的分子探针化合物是金属离子识别检测中的关键，其决定了光学传感器的识别选择性和结合灵敏度。其中含有甲亚胺基团的席夫碱化合物，因其合成方法较为简单、配位作用强、结构多样化并具有优良光电和催化性能等特点，常被用于金属阳离子的识别[3-5]。另一方面，广泛存在于自然界，光稳定性好、可见区光激发，具有生物活性的香豆素类化合物，也具备了作为分子探针的优势，并且在香豆素母环上不同位置修饰不同的官能团，还能使其具有更加优良的荧光传感性能[6 - 7]。因此，有文献报道[8-9]，通过在席夫碱类化合物结构中键连香豆素衍生物作为发光体后，因含有C=O和C=N等螯合基团，并提供了S、O和N等多种配位点，对某些金属阳离子产生了较强的识别活性。目前，有很多种类的荧光探针被用于识别和检测Fe3+[10 - 13]，然而结合香豆素键连席夫碱构建的“turn-off”型Fe3+荧光探针较为稀少。

本文采用4-二乙胺基水杨醛和丙二酸二乙酯为原料，在哌啶存在的条件下生成二乙胺基香豆素前驱体化合物，接着再与三氯氧磷生成7-二乙胺基香豆素，最后和噻吩-2-甲胺通过简单的一步反应合成了一种新型的7-二乙胺基-3-[(噻吩-2-亚甲氨基)甲基]香豆素(DTMC)化合物，表征了其结构并研究了其对金属离子的光学响应，结果发现DTMC对 Fe3+的有明显的识别活性。即当有Fe3+存在时，可以检测到DTMC荧光强度明显地降低甚至产生荧光“关”的现象，并且其它金属离子对其识别Fe3+几乎无干扰。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

红外光谱采用美国Nicolet/Nexus-870型傅立叶变换红外光谱仪(KBr压片)；核磁共振谱在德国布鲁克公司Bruker Avance Ⅲ 400MHz型核磁共振仪(TMS为内标)上测定；采用美国Perkin-Elmer 2400元素分析仪进行元素分析；香豆素席夫碱化合物DTMC与其它离子之间的作用分别采用美国Perkin Elmer LS55型荧光光谱仪测量。

4-二乙胺基水杨醛和噻吩-2-甲胺购自阿拉丁试剂公司，浓HCl和冰HAc购自上海中试化工总公司，其余试剂均购自国药试剂公司，所用化学试剂均为分析纯，使用前未经进一步纯化。所有吸收光谱和荧光光谱实验均在DMF溶剂中于室温下进行，所用水均为二次蒸馏水。

1.2 7-二乙胺基-3-醛基香豆素的合成

采用改进的文献方法[14]，于装有30 mL乙醇的烧瓶中分别加入1.93 g(10 mmol)4-二乙胺基水杨醛、3.20 g(20 mmol)丙二酸二乙酯和1 mL的哌啶，于80 ℃条件下加热回流反应6 h，然后再加入20 mL浓HCl及20 mL冰HAc继续反应6 h。反应完成后将反应液倾入100 mL冰水中，使用40%的NaOH溶液调节pH至6后，抽滤干燥得到7-二乙胺基香豆素。在无水无氧装置中先将含2 mL三氯氧磷的无水DMF(2 mL)于30 ℃条件下搅拌0.5 h，然后将含有1.5 g(6.91 mmol)7-二乙胺基香豆素的10 mL无水DMF加入至该反应器中于60 ℃的条件下加热回流反应12 h。反应结束后将反应液倒入100 mL冰水中，使用30%的NaOH溶液调节pH至有大量沉淀产生结束反应，抽滤并使用乙醇多次重结晶得到产物7-二乙胺基-3-醛基香豆素(1.2 g)。产率：71%。

1.3 7-二乙胺基-3-[(噻吩-2-亚甲氨基)甲基]香豆素的合成

将1.235 g 7-二乙胺基-3-醛基香豆素(5 mmol)与0.57 g噻吩-2-甲胺(5 mmol)溶于20 mL乙醇中，于85 ℃条件下加热回流反应6 h后冷却，抽滤并使用乙醇重结晶得到产物7-二乙胺基-3-[(噻吩-2-亚甲氨基)甲基]香豆素(1.13 g)。产率：66.5%。1H NMR(400 MHz,CDCl3),δ(ppm):1.23(t,6H),3.43(m,4H),4.79(m,2H),6.48(d,J=2.0Hz,1H),6.63(dd,J=2.8Hz and 2.4Hz,1H),6.94(m,1H),7.02(m,1H),7.20(dd,J=1.2Hz and 1.2Hz,1H),7.41(m,1H),8.73(s,1H),9.18(s,1H).IR(KBr,cm-1):2972(-CH3),2928(-CH2-),1697(-COOR),1617(C=N),1227(C=O),1134(C-N).元素分析计算值(%)C19H20N2O2S:C 67.03，H 5.92， N 8.23，O 9.40 S 9.42；测定值(%):C 67.22，H 5.81，N 8.34，O 9.53 S 9.61。

1.4 荧光测定方法

荧光探针DTMC与其它离子之间的作用采用1 cm石英比色皿，于Perkin Elmer LS55型荧光光谱仪上测量。金属离子均由乙酸盐配制成DMF溶液，DTMC于室温下溶解于DMF中先配制成10-3mol/L储备液，再将1 mL储备液稀释至100 mL容量瓶中用于光谱研究，测试溶液现配现用。荧光滴定实验则是在DTMC的DMF溶液中不断滴加0～10-3mol/L的Fe3+，观察光谱强度的变化来进行研究的。

2 结果与讨论

2.1 DTMC的合成与表征

本文在文献报道[14]的基础上，先采用改进的方法将4-二乙胺基水杨醛和丙二酸二乙酯在哌啶存在的条件下加热回流反应得到7-二乙胺基香豆素前驱体化合物，然后继续加入浓HCl及冰HAc反应生成7-二乙胺基香豆素；第二步在无水无氧装置中采用三氯氧磷与7-二乙胺基香豆素反应并通过重结晶后获得产物7-二乙胺基-3-醛基香豆素；第三步则采用7-二乙胺基-3-醛基香豆素与2-噻吩甲胺为原料，通过一步法合成得到了一种基于香豆素和噻吩的新型香豆素席夫碱类分子探针7-二乙胺基-3-[(噻吩-2-亚甲氨基)甲基]香豆素(DTMC)，并使用核磁共振氢谱和傅里叶变换红外光谱表征了其结构。核磁共振氢谱中1.23 ppm处对应的是二乙胺基上的甲基峰，3.43 ppm处对应二乙胺基上的亚甲基峰，4.79 ppm处对应的是甲胺基中的亚甲基峰，9.18 ppm处对应C=N中碳原子链接的氢的峰，其余为香豆素环和噻吩环上的氢峰。红外光谱中2 972 cm-1处和2 928 cm-1处对应二乙胺基的甲基峰和亚甲基峰，1 697 cm-1处对应香豆素的内酯峰，1 617 cm-1处对应C=N双键的峰，结合元素分析结果可知各项表征所得数据与化合物结构一致。DTMC的合成路线见图1。

图1 DTMC的合成步骤Fig.1 Synthesis of DTMC

2.2 化学传感器DTMC的光学性质和抗干扰性能研究

图2 DTMC的DMF溶液中加入不同金属离子(10-5 mol/L)后的荧光光谱图(λex=384 nm,λem=476 nm,狭缝为2 nm)Fig.2 Fluorescence spectrum of DCTC in the presence of different metal ions(10-5 mol/L)(λex=384 nm,λem=476 nm,slit:2 nm)

图3 DTMC的DMF溶液中(10-5 mol/L)加入等量(10-4 mol/L)的Fe3+与其它金属离子后的荧光强度柱形图Fig.3 Fluorescence intensity of DTMC in DMF(10-5 mol/L) adding same amount of Fe3+ with other metal ions(10-4 mol/L)

2.3 DTMC的应用和结合性能研究

图4 DTMC的DMF溶液(10-5 mol/L)中加入的不同量Fe3+后的荧光强度Fig.4 Fluorescence spectra of DTMC in DMF(10-5 mol/L) with the addition of 0 - 10-3 mol/L Fe3+λex=384 nm,λem=476 nm,slit:2 nm.

向DTMC的DMF溶液中滴加Fe3+后发现其荧光发射峰会不断地下降(图4)。并且研究结果还表明，DTMC在476 nm处的荧光强度差值(ΔF=F0-F)与Fe3+的浓度在0 ～ 10-4mol/L之间呈很好的线性关系，线性方程为：ΔF=42.15528+13.19892×cF3+(μmol/L)，线性相关系数R=0.9975。而当加入的Fe3+达到饱和浓度时(10-3mol/L)，其荧光会减弱至基本消失，如图4所示。本文根据荧光光谱光谱数据计算并画出Benesi-Hilderbrand图(图略)，DTMC在476 nm处的1/(F0-F)与1/cFe3+(0 ～10-4mol/L)有很好线性关系(R=0.9999)，通过B-H方程计算出其结合常数为4.04×103(mol/L)-1 [16]。采用Job’s图(图略)进一步分析表明当DTMC的摩尔分数为0.67左右时，荧光强度变化值达到最大，证明DTMC与Fe3+之间以2∶1的摩尔比配位[17]。

3 结论

本文使用了7-二乙胺基-3-醛基香豆素与噻吩-2-甲胺反应合成了一种新型的基于噻吩和香豆素基团的化合物7-二乙胺基-3-[(噻吩-2-亚甲氨基)甲基]香豆素(DTMC)。研究结果表明DTMC对Fe3+能快速实现荧光抑制响应(时间小于2 s)，当在DTMC的DMF溶液中加入的Fe3+达到饱和浓度(10-3mol/L)后，DTMC的荧光甚至会被“关闭”，并且其它离子不干扰测定，表明该分子探针对Fe3+的荧光识别选择性较好。有望发展分子探针DTMC用于定量检测微量Fe3+。