对十四烷氧基亚胺衍生物对CN-的高选择性“双响应”识别

籍向东 刘彩云 张书芳 王文霞 岳国仁,2 曹 成＊,,2

(1河西学院化学化工学院，甘肃省河西走廊特色资源利用重点实验室，张掖 734000)(2河西学院，甘肃凯源生物技术开发中心，张掖 734000)

鉴于阴离子在临床、环境和生物等领域扮演的重要角色，在过去的几十年中，通过化学传感器实现对特定阴离子选择性识别在分析化学领域受到了广泛的关注[1-4]。在众多阴离子中，CN-是一种高毒性阴离子，进入人体以后将会对视觉、内分泌、心脏及中枢神经造成一定损伤，并且工业生产中强毒性的氰离子可对环境造成长期持续污染，被人体吸收可使呼吸酶及血液中血红蛋白中毒，抑制呼吸导致死亡[5]。对于人体而言，氰化物含量为0.5～3.5 mg·kg-1即足以致命[6]。尽管如此，氰化物仍然广泛应用于许多化学工业生产过程，例如电镀、塑料制造、金和银的提取等[7-8]。基于此，高敏感度、高选择性且制备简单的氰化物传感器发展空间巨大，开发对CN-具有高灵敏度响应的识别受体则显得尤为重要[9]。

大量研究表明，基于光信号响应的离子识别技术可以简便高效地识别阴离子，且能通过吸光度等的规律变化确定特定阴离子的浓度[10-11]。例如氨基、脲/硫脲、酚羟基等多种类型基团的化合物被应用于阴离子识别体系中，并且在选择性和灵敏度方面均取得了较好效果[12-15]。特别是亚胺类化合物，由于其具有合成简单、产率高、结构可控性好等优点而在近年来受到研究人员的广泛关注[16-17]。2015年，Kim课题组[18]利用氨基吡嗪与2-羟基-1-萘甲醛通过缩合反应得到一种亚胺型吡嗪类衍生物，该化合物可以高灵敏度、高选择性地识别CN-和F-离子。2019年，Hu课题组[19]设计合成了一种长链烷氧基苯甲酰肼类衍生物，并探索了该化合物的凝胶行为及阴离子识别特性。结果表明，通过上述化合物制备的2种金属(Hg和Fe)凝胶，对CN-和H2PO4-离子表现出良好的选择性。在本课题组前期离子识别工作的基础上[20-21]，我们以对十四烷氧基苯甲醛、2-氨基-4-硝基苯酚为主要原料，通过缩合反应制备了一种同时含有—OH和—CH＝N—阴离子结合基团的亚胺型阴离子受体R，通过核磁滴定、理论计算等技术手段探索了受体与阴离子作用的识别机理，阐述了受体R识别CN-过程中发现的“反应型”与“氢键型”的双响应现象。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

对十四烷氧基苯甲醛按文献方法合成制备[22]；2-氨基-4-硝基苯酚、阴离子(四丁基铵盐)购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乙醇、DMSO、冰醋酸、乙腈等试剂均为分析纯或化学纯，以上试剂未进行纯化直接使用。所用仪器有：上海仪电物理光学熔点仪、Bruker-NMR 400 MHz型核磁共振仪(氘代DMSO，TMS为内标)、美国Thermo Scientific Nico1et iS50型红外光谱仪、日本日立公司(Hitachi)U-3900H型紫外-可见分光光度计、Bruker-micrOTOF-QⅢ型电喷雾质谱仪。

1.2 受体R的合成及表征

在50 mL圆底烧瓶中依次加入化合物对十四烷氧基苯甲醛0.64 g(2 mmo1)、2-氨基-4-硝基苯酚0.31 g(2 mmo1)、20 mL乙醇和3滴乙酸，加热回流3 h后，冷却至室温，将反应混合液进行过滤，滤饼用冷乙醇(3×10 mL)洗涤，真空干燥后，利用乙腈重结晶得受体R。淡黄色晶体，产率78%。m.p.137～139℃。UV-Vis(DMSO)：λmax=402 nm。1H NMR(DMSO，400 MHz)：δ10.59(s,1H)，8.70(s，1H)，8.01(d，J=8 Hz，2H)，8.00(t,J=8 Hz,2H),7.07(d，J=8 Hz，2H)，7.06(t，J=8 Hz,2H),4.06(t，J=8 Hz，2H)，1.74(m，2H)，1.42(m，2H)，1.24(m，18H)，0.85(t，J=8 Hz，2H)。13C NMR(DMSO，100 MHz)：δ191.16，161.67，150.56，131.70，131.10，123.43,122.00,114.80，114.51，113.02，112.94，31.18，28.93,28.92，28.90，28.89，28.85，28.83，28.62，28.59，28.57,28.34,25.27,21.98,13.84。IR(KBr,cm-1)：3 301，2 918,2 852，1 600，1 567，1 512，1 470，1 428，1 344，1 267，1 249，1 169，1 108，1 011，903，827，748，716。HRMS Ca1cd.for[C27H38N2O4-CH3-OH]-：424.272 6，Found：424.271 6。

2 结果与讨论

2.1 合成

如Scheme 1所示，以对十四烷氧基苯甲醛和2-氨基-4-硝基苯酚为原料，将反应物的物质的量之比控制在1∶1，在少许乙酸催化下，通过简单的醛胺缩合反应得到目标产物R，产率较高(78%)。通过核磁共振等技术手段对R的结构进行了表征。在1H NMR中，—OH信号在δ=10.59处，—CH＝N—信号在δ=8.70处[23]。在IR中可以看到，3 301 cm-1信号来自—OH的伸缩振动，而1 600 cm-1的信号来自—C＝N—的伸缩振动。此外，通过高分辨质谱验证了受体R的分子量与上述方式表征的结构相符。

Scheme 1 Synthetic route of imine derivative R

2.2 受体R对阴离子的UV-Vis光谱响应

通过向受体R的DMSO溶液(20 μmo1·L-1)中分别加入50倍物质的量的10种不同阴离子(F-、C1-、Br-、I-、HSO4-、NO3-、C1O4-、H2PO4-、CN-、Ac-)，研究了受体R对多种阴离子的识别性能。如图1所示，在受体R的DMSO溶液中加入不同阴离子，其中F-、Ac-、CN-三种阴离子使受体R的紫外最大吸收波长396 nm处的吸收峰强度明显降低，分别在479、489和460 nm处产生新的吸收峰，发生了明显的红移现象，其余 7种阴离子(C1-、Br-、I-、HSO-、NO-、C1O-、434H2PO4-)的加入基本未引起R吸收光谱的变化，这就达到了对于F-、Ac-、CN-三种阴离子识别的目的。图S5a(Supporting information)给出在490 nm波长下，各种阴离子的识别效果柱状图，可以更明显地看到其光谱识别效果。

图1 在受体R的DMSO溶液中加入各种阴离子后的UV-Vis吸收光谱Fig.1 UV-Vis absorption spectra of R in DMSO after addition of different anions

受体R在纯DMSO体系中实现了选择性识别F-、Ac-和 CN-，同时 UV-Vis光谱最大吸收峰发生明显红移现象。一般情况下，加入竞争性溶剂可以提高受体对阴离子的选择性，实现单一识别[24]。我们逐步增加体系的含水量，发现在受体R的50% H2O+50% DMSO(体积分数)溶液中分别加入50倍物质的量的10种不同阴离子时，可以实现对CN-的单一识别(图2)，此时受体R的紫外最大吸收波长402 nm处的吸收峰强度明显降低，而在474 nm处产生新的吸收峰，伴随明显的红移现象。各种阴离子在474 nm处响应的柱状图(图S5b)明显地表现出单一识别特征。

为了进一步考察受体R与阴离子之间的作用关系，开展了受体R在纯DMSO体系中对F-、Ac-和CN-，以及在50% H2O+50% DMSO体系中对CN-的UV-Vis滴定实验。图3给出了向浓度为20 μmo1·L-1受体R的DMSO溶液中依次滴加5.8～38.3倍物质的量的F-时体系的UV-Vis光谱图变化。未加入F-时，受体R在396 nm处有一特征吸收峰，随着F-的加入量逐渐增加，受体R与F-相互作用使特征吸收峰位置逐步红移，即受体R中396 nm处的特征吸收峰逐渐减弱，而形成的R-F-复合物特征吸收峰(485 nm)逐渐增强，且在376和415 nm处出现等吸收点，说明受体R与F-形成了稳定的主客体复合物。同理，如图4所示，当逐渐加入3.7～31.3倍物质的量的Ac-时，396 nm处的吸收峰减弱，488 nm处吸收峰逐渐增强，且等吸收点在375和421 nm处。以上结果主要是由于受体R中的质子与客体阴离子形成氢键，使特征吸收峰产生明显的红移现象。

图2 在受体R的50% H2O+50% DMSO(体积分数)溶液中加入各种阴离子后的UV-Vis吸收光谱Fig.2 UV-Vis absorption spectra of receptor R in 50% H2O+50% DMSO(vo1ume fraction)after addition of different anions

图3 在受体R的DMSO溶液中加入不同浓度F-的UV-Vis滴定吸收光谱图Fig.3 UV-Vis titration spectra of receptor R in DMSO after addition of different concentrations of F-

图4 在受体R的DMSO溶液中加入不同浓度Ac-的紫外滴定吸收光谱图Fig.4 UV-Vis titration spectra of receptor R in DMSO after addition of different concentrations of Ac-

图5 在受体R的DMSO溶液中加入不同浓度CN-的UV-Vis滴定吸收光谱图Fig.5 UV-Vis titration spectra of receptor R in DMSO after addition of different concentrations of CN-

图6 在受体R的50% H2O+50% DMSO溶液中加入不同浓度CN-的UV-Vis滴定吸收光谱图Fig.6 UV-Vis titration spectra of receptor R in 50% H2O+50% DMSO after addition of different concentrations of CN-

同样，如图5所示，当向浓度为20 μmo1·L-1的受体R中逐渐滴加1.5～8.5倍物质的量的CN-时，可以观察到396 nm处的吸收峰减弱，486 nm处吸收峰逐渐增强，且等吸收点在371和420 nm处。通过前面UV-Vis光谱分析可知，在50% H2O+50% DMSO体系下，受体R可以单一识别CN-，在此体系下将CN-逐渐加入(10～13倍物质的量)体系中(图6)，可以看到402 nm处的吸收峰减弱，469 nm处吸收峰逐渐增强，且等吸收点在337 nm处。此外，在400 nm处未观察到明显的等交点，而是吸光度逐渐增大的2组峰(358和470 nm)，说明随着CN-的增加，有2种新的物种逐渐形成，这一结果与后续氰根核磁滴定结果相符合。通过上述受体R对F-、Ac-和CN-的UV-Vis滴定分析可知，加入物质的量之比与吸光度之间均基本呈现线性关系，为阴离子的定量分析提供了一定依据。

2.3 受体R的裸眼识别性能

为了提高受体R在生活中的实际应用价值，研究了识别各种阴离子过程中溶液颜色发生的变化。在纯DMSO体系中(图S6)，当向受体R中分别加入50倍物质的量的F-、C1-、Br-、I-、HSO-、NO-、C1O-、434H2PO4-、CN-、Ac-时，受体R与 F-、Ac-、CN-形成的体系颜色由浅黄色变为橘红色，与紫外吸收光谱红移现象相符，实现了对3种阴离子的裸眼识别。如图7所示，在50% H2O+50% DMSO体系中，当向浓度为20 μmo1·L-1的受体R中分别加入50倍物质的量的上述各种阴离子时，受体R仅与CN-形成的体系颜色由浅黄色变为浅橘红色。因此，受体R可以达到裸眼单一识别CN-的效果，这种颜色变化可能是由于分子内形成氢键，产生分子内电荷传递效应(ICT)所致。

图7 在受体R的50% H2O+50% DMSO溶液加入各种阴离子的颜色变化Fig.7 Co1orimetric response upon addition of different cations into 50% H2O+50% DMSO so1utions of receptor R

2.4 受体R检测试纸的制备及应用

基于受体R与阴离子(F-、Ac-、CN-)结合得到的UV-Vis光谱图信息和裸眼识别实验结果，尝试制备受体R试纸用于检测不同浓度的F-、Ac-和CN-离子。分别将不同浓度(0.01、0.05和1 mo1·L-1)F-、Ac-和CN-离子的DMSO溶液书写在受体R检测试纸上，通过发生颜色变化而达到检测不同浓度特定阴离子的目的，是一种经济效益高且无需附加设备的简便识别方法。

如图8所示，在受体R试纸上分别用不同浓度F-、Ac-和CN-离子的DMSO溶液进行书写，可以看到上述3种离子的字体颜色由浅黄色变为深橘黄色，且阴离子的浓度越大，颜色越深，这是由于随着阴离子浓度越大，受体R通过氢键与阴离子形成的复合物越多。这种效果有望应用于不同浓度F-、Ac-和CN-离子的比色识别。

图8 受体R试纸检测不同浓度的F-、Ac-和CNFig.8 Photograph of test papers with receptor R for detecting different concentrations of F-,Acand CN-

2.5 受体R的核磁滴定

通过UV-Vis光谱信息、裸眼识别及试纸检测实验，仍难以解释受体R与阴离子(F-、Ac-、CN-)如何通过氢键作用相结合，进而实现识别效应。通常情况下，受体与阴离子的结合机制可以利用受体中活泼氢及其他质子在核磁氢谱中的显著变化来解释[25-26]。图9为受体R与不同倍数物质的量的F-离子在DMSO-d6(c=2.0 mmo1·L-1)中的核磁氢谱图。在加入F-离子之前，受体R中OH的Ha和—CH＝N—的Hb质子的化学位移分别在10.59和8.70。当向受体R中逐渐加入F-离子时，芳香环上的氢原子信号向高场发生部分位移且Ha质子信号逐渐减弱直至消失，—CH＝N—中Hb信号向低场发生明显位移。当加入0.5倍的F-离子时，Ha质子信号明显减弱，说明F-离子与部分羟基中的Ha形成氢键，得到新的RF-复合物。当加入1.0倍的F-离子时，Ha质子信号基本消失，说明F-离子与羟基中Ha基本全部形成氢键。当加入1.5倍或2.0倍的F-离子时，Ha质子信号完全消失，且—CH＝N—的Hb质子化学位移向低场发生明显位移，说明F-离子与受体中的Ha质子以1∶1的关系完全形成氢键，过量的F-离子以“接力识别模式”与Hb质子形成氢键进而实现识别过程。当加入5.0倍的F-离子时，可以观察到在δ=16.12处出现HF2-信号，说明受体R发生了脱质子行为。为了进一步证实受体R与F-结合可以得到相应的阴离子复合物，我们对反应后的产物进行了高分辨质谱分析。在质谱图(图S7)中发现来自[R+Na+HF]+的信号(497.278 0)，与理论值(497.279 2)基本一致，证实了受体R与F-结合得到R-F-复合物。

图9 受体R在DMSO中的F-离子核磁滴定图Fig.9 1H NMR titration of receptor R with F-in DMSO

为了探索氰根的识别机制，进行了受体R与氰根的核磁滴定情况分析。如图10所示，未加入CN-离子时，将受体R中OH(δ=10.59)和—CH＝N—(δ=8.70)的质子分别标记为Hc和Hd。当加入1.0倍的CN-离子时，质子Hc基本完全消失，说明受体R与氰根以1∶1的比例发生了脱质子行为，形成新的化合物c。当加入2.0倍或5.0倍的CN-离子时，Hd质子信号发生明显位移，且新出现的质子He峰相对逐渐增大。此外，用质谱对受体R与CN-离子结合情况进行分析(图 S8)，发现来自[R+CN]-的信号(480.289 9)，与理论值(480.286 2)基本一致。

图10 受体R在DMSO中的CN-离子核磁滴定图Fig.10 1H NMR titration of receptor R with CN-in DMSO

2.6 识别机理

根据上述核磁滴定及UV-Vis光谱数据可知(图11)，当向受体R中逐渐加入F-时，首先是—OH质子信号逐渐消失，表明高电负性F-与羟基中氢原子Ha形成稳定的氢键，得到化合物a，再进一步增加F-离子，发生脱质子行为并与—CH＝N—中质子Hb形成氢键，得到化合物b。

图11 受体R对F-可能的识别机理Fig.11 Possib1e recognition mechanism of receptor R to F-

同样由上述核磁滴定及UV-Vis光谱数据可知(图12)，受体R首先与1.0倍的CN-结合，发生脱质子后形成化合物c，通过向化合物c中进一步加入CN-离子，化合物c同时通过“反应型”识别得到化合物d和“氢键”识别得到化合物e。同时发现随着CN-离子的增多，化合物e逐渐转化为化合物d。此外，当CN-的使用量从0.5倍增加至5.0倍时，化合物d的含量从15.78%增至43.10%(以Hd与He的积分和为100%为标准计算)，达到平衡。据此，推断受体R的识别机理为“反应型[27]”与“氢键型[28]”双响应识别。综上分析，通过受体R与CN-形成复合物的识别过程，进一步验证了主体-阴离子复合物的形成。这一发现为阴离子识别机制模式的扩展及延伸提供了坚实的理论支撑。

图12 受体R对CN-可能的识别机理Fig.12 Possib1e recognition mechanism of receptor R to CN-

2.7 离子竞争

为了进一步扩展受体R的应用范围，研究了比色识别受体R在其他阴离子存在的条件下对CN-的选择性。向受体R(0.2 mmo1·L-1)的50% H2O+50% DMSO溶液中依次加入50倍物质的量的CN-和其他阴离子，测试每种溶液的UV-Vis吸收光谱。如图13所示，在464 nm处的吸光度仅F-略有影响，而其他阴离子对受体R识别CN-的过程基本无影响。因此，受体R在选择性识别CN-方面表现出较好的抗干扰性能，具有更广泛的环境适应性和实用性。

图13 竞争阴离子对受体R识别CN-的影响Fig.13 Effect of competitive anions on interaction between receptor R and CN-

2.8 结合常数和Job曲线

通过Benesi-Hidebrand方程拟合、计算受体R在DMSO 溶液中分别与 F-、Ac-、CN-以及在50% H2O+50% DMSO溶液中与CN-形成的结合常数(Ka)、相关系数(R2)及检出限(LOD)[29]，结果如表1所示(拟合直线见图S9)。在DMSO溶剂体系下，R与3种离子的结合常数均大于8.85×102L·mo1-1，表明受体R对F-、Ac-、CN-三种离子均具有良好的选择性识别能力。此外，受体R对F-、Ac-、CN-三种离子的检出限可通过标准偏差σ和线性拟合的斜率k得到：LOD=3σ/k[30]。受体 R 对于 F-、Ac-、CN-的检出限分别可达11.2、8.82 和 2.26 μmo1·L-1。 在 50% H2O+50% DMSO体系下，受体R识别CN-离子的结合常数可达1.31×103L·mo1-1，可以实现单一高选择性高灵敏度识别效应。受体R对于CN-的检出限可达7.02 μmo1·L-1。以上结果进一步证实了在DMSO或50% H2O+50% DMSO体系下，受体R对F-、Ac-和CN-具有较高的检测灵敏度。

表1 受体R在DMSO或50% H2O+50% DMSO溶液中识别阴离子的Ka、R2及LODTable 1 Ka,R2and LOD of receptor R recognizing the anions in DMSO or 50% H2O+50% DMSO

为了确定受体R与客体阴离子之间的结合比例，利用浓度持续变化(Job法)的方式进行验证。以F-的Job曲线为例，在保持受体R与F-的总浓度为40 μmo1·L-1基础上，持续改变chost/(chost+cguest)，从而得到F-的Job曲线。如图14所示，当cR/(cR+cF-)=0.67时，R-F-复合物的浓度接近最大值，说明受体R与F-形成了1∶2的主客体复合物，且图中2条直线的拟合相关系数分别为0.98与0.95，这一结果进一步验证了上述推断的识别机理。

图14 受体R与F-相互作用的Job曲线Fig.14 Job′s p1ot for interaction between receptor R and F-

2.9 理论计算

为了更好地理解R的识别机理，我们通过Gaussian09[31]量子化学软件，在B3LYP密度泛函下，用6-311G(d)基组来描述C、N、O、H原子，在此水平上加入PCM溶剂化模型对受体R及其阴离子复合物在DMSO溶液中的吸收光谱、振子强度和能量等信息进行理论计算，结构图和轨道图应用Mu1tiwfn3.7和VMD1.9.3软件共同绘制[32]，结果如图15、S10、S11、S12及表2所示。结合CN-及F-后主体的HOMO-LUMO能级差由3.48 eV分别降低到2.17和2.94 eV，这与UV-Vis上结合阴离子吸收光谱明显红移相吻合。结果表明，主体R及R结合阴离子的物种 R-F-、R-CN-(结构 d)、R-CN-(结构 e)的电子能分别为-39.78、-42.50、-43.31和-42.28 kJ·mo1-1，表明主体容易结合阴离子形成主客体复合物[33]。主体R的HOMO轨道电子云离域分布明显，在硝基芳胺和芳醛的π轨道上均有分布，而在结合阴离子之后则明显地向硝基芳胺的π*轨道偏移，而R-F-及RCN-的HOMO和LUMO更多分布在硝基芳胺上，F-及CN-的引入对跃迁性质有明显影响，计算结果与实验结果基本一致(图S13)。从HOMO轨道电子云分布可以看出，F-离子与主体分子上OH结合，使得OH上的H从O上解离，和CN-或F-结合并最终发生脱质子行为。

图15 复合物R-F-的最优结构及前线分子轨道HOMO-LUMO能量差Fig.15 DFT method-optimized minimum energy structure and HOMO-LUMO energy difference of comp1exes R-F-

表2 受体R、R-F-、R-CN-(结构d)和R-CN-(结构e)的分子轨道能量Table 2 Molecular orbital energy of compounds R,R-F-,R-CN-(structure d)and R-CN-(structure e)

3 结 论

设计、合成了一种新型含O—H及—CH＝N—官能团的亚胺类阴离子受体R，通过核磁滴定、高分辨质谱、UV-Vis分析等技术手段对识别性能进行研究。结果表明，受体R在DMSO溶液中对3种阴离子F-、Ac-、CN-具有良好的识别性能。此外，在50% H2O+50% DMSO溶液中可单一识别CN-离子，检出限可达 7.02 μmo1·L-1，且裸眼检测发现仅 CN-使 R有明显的颜色变化。通过受体R的试纸可以裸眼检测到不同浓度的F-、Ac-及CN-，具有一定的实用价值。通过对结合常数、Job曲线、高分辨质谱及核磁滴定等数据的分析，我们提出了可能的识别机理，发现受体R识别CN-离子过程中存在“反应型”与“氢键型”双响应识别现象，通过理论计算部分进一步证实了该结论。综上，本工作对于新型亚胺类阴离子受体的开发及识别机理的研究具有一定参考价值。

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