一种基于罗丹明-硫脲类衍生物的新型活性染料的合成
2020-04-10伊廷秀光善仪徐洪耀1c
伊廷秀, 赵 岗, 光善仪*, 徐洪耀,1c
(1.东华大学 a.化学化工与生物工程学;b.材料科学与工程学院;c.分析测试中心,上海 201620)
罗丹明B衍生物具有较高的荧光量子产率、较高的摩尔消光系数、优良的水溶性以及对人体几乎无毒无害等一系列优点，可作为一种优良的活性染料。罗丹明衍生物的母体内含有氧桥键，分子具有刚性共平面的特点，可在激发光的照射下表现出强烈荧光。近年来，研究人员已报道了大量的基于罗丹明衍生物类荧光探针。
三嗪环具有独特的芳环结构，其结构中的氮原子具有孤对电子，可以作为氢键的受体形成氢键。3个氯原子不仅具有类似酰氯的反应活性，且反应活性不同，可通过控制实验条件分步进行。在有机光电子学领域，三嗪衍生物由于其强的吸电子能力而备受关注[9]。
硫脲衍生物结合荧光基团后具有良好的协同性、较高的热稳定性及良好的生物相容性。硫脲结构中含有能参与配位的氮、硫原子，可以作为电子的给予体与多种金属离子配位形成配合物，从而能做到对某种金属离子特异性识别，达到检测金属离子的目的。因此，硫脲结构经常作为荧光探针的识别基团，广泛用于荧光探针的设计。
本文以活性基团三聚氯嗪为桥基，通过亲核取代反应将硫脲结构及罗丹明B酰肼连接到三嗪环上，设计并合成了一种具有荧光探针性能的活性染料。即以罗丹明B为原料，与水合肼在无水乙醇中经缩合取代反应制得中间体罗丹明B酰肼(1);1在无水四氢呋喃中与三聚氯嗪发生亲核取代反应，制得罗丹明酰B酰肼-三聚氯嗪化合物(2)，最后在N2氛下，化合物2与4-苯基-硫代氨基脲反应生成一种新型的具有化学传感器性能的目标产物——罗丹明B酰肼-三聚氯嗪-硫代氨基脲(3,RCP,Scheme 1),其结构经1H NMR、IR、HR-MS和元素分析表征。并研究了化合物对Hg2+的识别性能。
1 实验
1.1 仪器与试剂
SGWX-4型熔点仪；Bruker AVANCE/DMX 600 MHz型核磁共振仪器(DMSO-d6为溶剂，TMS为内标)；Nicolet 8700 型红外光谱仪(KBr压片)；VARIAN 310型四极杆质谱仪。
1和2参考文献方法合成；所用试剂均为分析纯。
1.2 合成
(1) 4-苯基-硫代氨基脲(M)的合成
取 80%水合肼1.2 mL(19.8 mmol)加入20 mL乙腈中，搅拌下缓慢滴加异硫氰酸苯酯0.85 mL(19.8 mmol)，滴毕，氮气气氛下，于82 ℃回流反应5 h。冷却至室温，抽滤，滤饼依次用乙腈洗涤，用丙酮重结晶，真空干燥得白色粉末状固体M,m.p.143～144 ℃，收率97%;1H NMR(600 MHz)δ:3.33(s,2H),7.16～7.55(m,5H),9.64～9.87(d,2H);13C NMR(600 MHz)δ:156.1,141.7,129.3,121.5,117.2;FT-IRν:3116,3221,2496,1541 cm-1。
(2) RCP的合成
在150 mL的三口烧瓶中，加入M 0.10 g(0.6 mmol)和K2CO30.17 g(1.2 mmol)和20 mL THF，搅拌使其溶解；氮气气氛下，搅拌下于40～45 ℃滴加RHC 0.3 g(0.57 mmol)的THF(50 mL)溶液，滴毕(约30 min)，回流反应15 h。冷却至室温，过滤，滤液旋蒸除溶，残余物经硅胶柱层析[洗脱剂:V(乙酸乙酯)/V(石油醚)=1/3]纯化得淡红色的固体，浓缩，残余物真空干燥得淡红色固体RCP，收率91.3%;1H NMR(600 MHz)δ:1.06(t,J=16.0 Hz,12H),3.36(q,J=8.0 Hz,CH2,8H),6.99(d,J=1.2 Hz,1H),6.96(s,4H),7.15(s,3H),7.43(d,J=2.0 Hz,2H),7.48(d,J=3.0 Hz,2H);13C NMR(600 MHz)δ:12.9,17.5,38.6,44.6,97.9,108.6,111.4,117.8,118.5,121.7,122.8,123.2,124.9,127.5,128.0,129.2,130.2,132.4,132.6,134.8,136.6，139.9,142.3,146.0,148.8,160.5;FT-IRν:2978,2935,2562,1707,1603,1566,1521,1271 cm-1;MALDI-TOF(MS)m/z:Calcd for C38H39N10O2SCl{[M+H]+}735.34,found 735.31;Anal.calcd for C38H39ClN10O2S:C 62.07,H 5.35,N 19.05,found C 62.14,H 5.38,N 19.17。
2 结果与讨论
2.1 合成分析
在化合物M的合成过程中，水合肼有很高的反应活性，随着反应的进行产物不断从乙腈中析出。此反应中，原料水合肼和异硫氰酸苯酯两者物质的量比是控制实验的关键。为了提高产物的纯度，在1的合成中采用了柱层析分离。与重结晶的提纯方法相比，柱层析得到的产量相对较多，纯度也较高。在2的合成中，由于三聚氯嗪具有较活泼的化学性质，反应必须在N2保护下进行，并且要严格控制反应在无水且低温条件下进行，反应几乎按计量进行。在3的合成中，由于K2CO3的量会影响最终产率，所以用量不宜过多，可通过升高温度至约40 ℃实现氯原子的亲核取代反应。为了提高产物纯度，采用硅胶色谱柱进行分离目标产物。
2.2 结构表征
中间产物4-苯基-硫代氨基脲(M)的1H NMR与IR谱如图1～2所示。由图1可见，中间产物M为异硫氰酸苯酯与水合肼反应后的产物，δ3.33为NH2的质子吸收峰，δ7.16～7.55为苯环的特征吸收峰，δ9.64～9.87为NH的吸收振动峰。由图2可知，对于化合物M 3116,3221 cm-1处的峰为NH2吸收振动峰，2496 cm-1处的峰为C=S的伸缩振动峰，1541 cm-1处的峰为NH的伸缩振动峰。
δ图1 M的1H NMR谱图Figure 1 1H NMR spectrum of compound M
ν/cm-1图2 化合物M的IR谱图Figure 2 FT-IR spectrum of comound M
δ图 3 化合物RCP的1H NMRFigure 3 1H NMR spectrum of comound RCP
ν/cm-1图 4 化合物RCP的IR谱图Figure 4 IR spectrum of RCP
m/z图 5 化合物RCP的MS谱图Figure 5 MS spectrum of compound RCP
目标产物RCP的1H NMR谱图、IR谱图和质谱如图3～5所示。由图3可知，化合物M与化合物2发生反应后，δ1.06处特征峰为CH3的吸收峰，δ3.06处特征峰为CH2的吸收峰，δ6.99，-7.48处特征峰为苯环的吸收峰。由图4可知，2978 cm-1处特征峰为CH2的吸收峰，2562 cm-1处特征峰为碳硫双键的伸缩振动峰,1707 cm-1处特征峰为羰基的伸缩振动吸收峰，1603,1566,1521 cm-1处特征峰为苯环骨架振动吸收峰,1271 cm-1处特征峰为C—N键吸收峰。由图5可知，m/z735.34处特征峰为[C38H39N10O2SCl+H]+的吸收峰。综上可知，该化合物已成功合成。
2.3 离子检测
图6为RCP在DMF-水溶液中对不同金属离子响应的荧光发射光谱。由图6可见，RCP仅对Hg2+有响应[21-23]，RCP-Hg2+的荧光强度为单纯探针荧光强度的数倍。其他离子(Pb2+，Cd2+，Mg2+，Ca2+，Mn2+，Ni2+，Fe3+，Ba2+，Cu2+，Zn2+，Co2+)在586 nm处的荧光强度与探针本身基本相同。
图7为不同DMF-水溶液中探针对不同浓度Hg2+荧光响应图。由图7可见，随着Hg2+浓度的增加，荧光强度逐渐变大；在5.0～9.0 μmol/L间呈现良好的线性关系。
λ/nm图 6 DMF/水溶液中,RCP对不同金属离子的荧光发射光谱(λex=566 nm)Figure 6 Fluorescence emission spectra of RCP and different metal ions in V(DMF)/V(water)=1/1
λ/nm图 7 DMF/水溶液中探针对不同浓度Hg2+的荧光响应图(λex=566 nm，λem=586 nm)Figure 7 FL response of probe to different concentrations of Hg2+ in V(DMF)/V(water)=1/1
以活性基团三聚氯嗪为桥基，成功合成了一种基于罗丹明-硫脲结构的新型活性染料(RCP)。RCP可以在V(DMF)/V(水)=1/1溶液中检测Hg2+。
