基于芳香型多元共轭酸的合成及金属离子荧光探针研究

王宏亮 张晓娟

忻州师范学院 山西 忻州 034000

1 引言

1.1 研究背景

荧光分析法是一种通过检测荧光光谱的改变来确定和检测各种金属离子的一种新方法。本化合物中还含有芴类物质的特殊联苯结构,是特殊的刚性平面大π共轭体系,它的荧光量子产率很高,因此,其化学稳定性高、热稳定性好,且发光量子效率也很高[1]。大π共轭体系是荧光物质的普遍特点结构,离域π电子跃迁时,它的共轭体系越大,激发时就越有利,则越容易产生荧光[1-2]。

1.2 研究意义

重金属离子的污染是一个全球性的问题,对于Cu2+和Fe3+都是很大的重金属离子[3]。每年工厂大量废物排放所堆积的大量Cu2+和Fe3+排放到环境中,也使得其被归为有很高的重金属污染毒性[4]。分子检测探针目前被广泛应用于安全检验、环境质量监测以及生命科学技术分析等领域中,具有灵敏度高、选择性好、使用方便等特殊优点,研究金属离子荧光探针技术在化学、生命科学等众多领域中都存在很大的进步空间。

2 实验部分

2.1 原料与器材

2.1.1 原料试剂

4,4'-(2,7-二溴-9 H-芴-9,9-二基)二苯酚;4-溴甲基苯甲酸甲酯;4-甲酯苯硼酸;碳酸钾;碳酸铯;氢氧化锂;甲醇;四(三苯基膦)钯;二甲基亚砜;无水硫酸钠;柱层析硅胶;氮气;N,N-二甲基甲酰胺;无水乙醇;四氢呋喃;乙酸乙酯;石油醚(天津市北辰方正试剂厂);除特别注明的均为直接使用。

2.1.2 实验器材

循环水式真空泵;离心机;数显智能控温磁力搅拌器;Bruker AV-400型超导核磁共振仪;WFH2 204B型手提式紫外灯;F-4600荧光分光光度计;Esquire 3000型LC-MS质谱仪(日本岛津公司)。

2.2 实验内容

2.2.1 实验合成步骤

图2.1 合成路线

2.2.2 合成中间化合物1

称取0.5 g的4,4'-(2,7-二溴-9H-芴-9,9-二基)二苯酚(1 mmol)和1.28 g的碳酸铯(4 mmol)放在100 m L圆底形瓶中,加入10 m L的N,N-二甲基甲酰胺作溶剂,搅拌加热到40℃反应。再称取0.54 g的4-溴甲基苯甲酸甲酯(2.4 mmol)加入反应液继续反应5小时。反应结束以后,向产物混合液中加入大量的水淬灭反应,冷却抽滤后,再用无水乙醇洗涤滤饼,滤饼干燥得到米黄色的固体粉末0.75 g,收率95%。

化合物2的核磁表征:1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ:7.99(d,J=19.5,8.1 Hz,6H),7.68-7.53(m,8H),7.13-7.04(m,4H),7.02-6.94(m,4H),5.19(s,4H),3.89(s,6H).

2.2.3 合成中间化合物2

称取0.5 g的化合物1和0.33 g的4-甲酯苯硼酸于100 m L梨形瓶中,滴加4 m L碳酸钾水溶液(含0.34 g碳酸钾),并加入20 m L四氢呋喃作溶剂,将实验装置在氮气保护的条件下加入四(三苯基膦)钯0.07 g,于70℃恒温条件下搅拌反应14小时。将反应结束后的产物用乙酸乙酯萃取,取上层有机溶液加入无水硫酸镁将其干燥,再进行柱层析(V乙酸乙酯:V石油醚=1:8),浓缩得到微黄色的固体粉末0.25 g,收率44%。

2.2.4 合成目标产物BFDC

称取0.16 g化合物2于50 m L梨形瓶中,滴加6 m L氢氧化锂水溶液(含0.06 g氢氧化锂),并加入15 m L四氢呋喃(THF),搅拌加热至70℃,反应7小时。将反应结束后的产物中的有机溶剂旋干,滴加适量的稀盐酸调节溶液p H使其呈酸性,将得到的混合溶液放入离心机中离心出固体后过滤自然晾干,干燥得到的固体加乙酸乙酯溶解洗涤,抽滤干燥得到目标产物BFDC米黄色固体粉末0.071 g,收率47%。

目标产物BFDC的核磁表征:1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ:12.94(s,4H),8.13-7.91(m,11 H),7.88-7.69(m,8H),7.52(d,J=7.9 Hz,4H),7.18(d,J=8.4 Hz,4H),6.95(d,J=8.5 Hz,4H),5.12(s,4 H).

3 结果与分析

3.1 紫外吸收光谱(UV)分析

3.1.1 目标产物紫外吸收光谱

取1.0 mg的目标产物(M=858.90 g·mol-1)溶于116μL二甲基亚砜(DMSO)中,配成浓度为10 mmol·L-1的溶液。测目标产物的紫外吸收光谱时,先用移液枪移取浓度为10 mmol·L-1目标产物的溶液10μL于比色管中,再用移液枪移取3000μL二甲基亚砜(DMSO)与其混合后测量。目标产物的紫外吸收光谱如图3.2有两处吸收峰,分别为λmax=280 nm和λmax=347nm处有,而最大吸收峰在λmax=347 nm处,这个是共轭体系的吸收峰。

3.1.2 不同浓度金属离子的影响

根据实验测量可得知,目标产物对Cu2+,Fe3+的响应较为明显,而对其他离子的响应不明显,所以不做讨论。在上述测定紫外方法的基础上,再向其中逐量分别加入Cu2+或Fe3+溶液,混合均匀后,分别逐次测量其紫外吸收数据。

图3.2 不同浓度Cu2+和Fe3+对目标产物紫外吸收的影响图

由于溶液中Cu2+浓度的变化,目标产物的两个紫外吸收峰都有不同程度的变化。在λmax=280 nm处,随着Cu2+浓度的不断增大,目标产物的吸光度增大,吸收峰增强。而在λmax=347 nm处,随着Cu2+浓度的不断增大,目标产物的吸光度减小,吸收峰减弱。由此可说明,我们的目标产物与Cu2+配位了形成新的配合物。随着Fe3+浓度的不断增大,目标产物在λmax=280nm和λmax=347nm两处的吸收峰都明显增强了。

3.2 荧光发射光谱(FL)分析

取1.0 mg的目标产物BFDC(M=858.90 g·mol-1)溶于116μL二甲基亚砜(DMSO)中,配成浓度为10 mmol·L-1的溶液。用紫外所测吸收光波长λmax=347 nm作初始激发波长,测初始发射波长,再固定发射波长扫描激发波长,以此方法得出最佳发射波长λmax=461 nm,以此测目标产物BFDC的荧光光谱。

目标产物与不同浓度Cu2+和Fe3+响应的荧光光谱测量荧光光谱时,先用移液枪移取浓度为10 mmol·L-1目标产物的溶液5 μL于比色管中,再用移液枪移取3000μL二甲基亚砜(DMSO)与其混合后,测定目标产物的荧光光谱。再向其中逐次加入不同量的Cu2+或Fe3+溶液,混合均匀后,分别测量其荧光数据。

图3.3 a)不同浓度Cu2+溶液荧光响应图b)不同浓度Fe3+溶液荧光响应图

由于溶液中Cu2+和Fe3+浓度的不断增大,目标产物的荧光强度也随之逐渐减弱,由此可见,它们都会在一定程度上淬灭目标产物的荧光。荧光淬灭是由于加入的Cu2+和Fe3+与我们的目标产物中的羧基配位,阻断了其分子内能量的转移,使得目标产物的荧光减弱。由图可知,随着Cu2+和Fe3+浓度的增大,目标产物上所连的羧基逐渐被Cu2+和Fe3+配位,因此最高峰的逐渐下降。

4 结果与讨论

本实验以4,4'-(2,7-二溴-9H-芴-9,9-二基)二苯酚为起始原料,与4-溴甲基苯甲酸甲酯在40℃下经过Williamson合成法合成了中间化合物1,得到0.75 g产品,收率为95%。再用中间化合物1与4-甲酯苯硼酸反应,经过Suzuki偶联反应合成了中间化合物2,得到产品0.25 g,收率为44%。最后,在碱性条件下中间化合物2水解生成目标产物BFDC,得到产品0.071 g,收率为47%。

通过紫外和荧光的测定与分析可知,紫外吸收光谱显示目标产物在二甲基亚砜(DMSO)溶剂中的有两处吸收峰,分别为λmax=280 nm和λmax=347 nm,最大吸收波长在λmax=347.00 nm处,吸光度为A=0.693296;荧光发射光谱显示目标产物以347.00 nm为激发波长,测得发射波长为461.00 nm。

本文通过合成芳香型多元共轭酸,设计金属离子荧光探针,并且通过核磁共振氢谱(1H NMR)、紫外吸收光谱(UV)、荧光发射光谱(FL)等方法来表征目标产物的化学结构并探究其与重金属离子结合后的荧光性能,测定其光学性质,在一定程度上证明了金属离子荧光探针的研究前景很广阔,关于金属离子荧光探针的设计和修饰还有待进一步探究。