新型吡啶-杯[4]芳烃荧光探针的合成及其对Fe3+的检测性能

李云剑, 石 靖, 肖唐鑫, 孙小强, 杨 科, 李正义

(常州大学 石油化工学院 江苏省先进催化材料与技术重点实验室,江苏 常州 213164)

铁是人体不可缺少的微量元素,在生物和病理过程中发挥着重要作用,如参与氧化、细胞代谢和酶促反应[1-3]。在缺铁时,人体红细胞中的血红蛋白水平会下降,导致疲劳、工作性能差、免疫力下降、肝损伤和帕金森病等;而铁元素过量也会引发一系列疾病,如心脏病、胰腺功能障碍和某些类型的癌症等[4-5]。由此可见,可靠且灵敏的Fe3+检测在生物医学诊断和环境监测中尤为重要。目前,尽管已有多种方法可用于Fe3+的检测,如电感耦合等离子体质谱法、原子吸收光谱法和电化学方法[6-8],但这些技术多存在耗时较长和需要精密设备等缺点。因此,开发一种高灵敏度、高选择性和快速定量的Fe3+检测方法具有重要的现实意义。

目前,有机荧光传感器因其响应快、灵敏度高、选择性高、检测限低和使用方便等优点受到广泛关注[9-10]。其中,基于杯芳烃骨架的荧光探针研究取得了较快的发展[11-12]。通过调节荧光基团与杯[4]芳烃不同连接方式和位点,研究人员开发出了多种阳离子、阴离子和生物分子的传感器[13-15]。CHAWLA课题组报道了一种新型的上沿连接双杯芳烃化合物,以两个碳酰肼基团作为桥联单元,该平台对Fe3+表现出选择性的荧光强度增强效果[16]。同年,CHEN等报道一种蒽-1,2,4-恶二唑取代杯[4]芳烃化合物,用于Fe3+的高选择性荧光检测[17]。SABAH课题组合成了下沿含糖硫杂冠醚功能化修饰的叔丁基杯[4]芳烃化合物,用于Fe2+和Fe3+的荧光检测[18]。RAHMAN等报道了一种含萘和1,2,3-三唑基团的新型杯[4]芳烃荧光探针,用于Fe3+和Hg2+的同时检测[19]。MOSEEV等利用1,3,7-三氮杂吡啶取代的杯[4]芳烃实现了对Al3+和Fe3+的双重检测[20]。本课题组长期致力于荧光探针[21]及杯芳烃化学传感器的研究[22],在吡啶-杯[4]芳烃衍生物的功能化方面取得了一定突破。

本文以杯[4]芳烃(1)为原料,在氢化钠作用下与溴化苄反应生成25,26-二苄氧基-27,28-二羟基杯[4]芳烃(2)。随后,通过与N-溴代丁二酰亚胺(NBS)的选择性溴化反应,生成5,11-二溴-25,26-二苄氧基-27,28-二羟基杯[4]芳烃(3)。接着,继续利用溴化苄保护剩余的两个羟基,得到5,11-二溴-25,26,27,28-四苄氧基杯[4]芳烃(4)。最后,与3-吡啶硼酸通过Suzuki反应合成了5,11-二(3-吡啶基)-25,26,27,28-四苄氧基杯[4]芳烃(L, 图1)。目标产物结构经1H NMR,13C NMR和HR-MS表征。

图1 探针L的合成

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

X4-A型显微熔点仪(温度计未校正);ARX-300 MHz型核磁共振仪器(CDCl3为溶剂,TMS为内标);6540 UHD Accurate-Mass Q-TOF LC/MS型高分辨质谱仪;UV-1700型紫外-可见分光光度计;Cary Eclipse型荧光光谱仪;Nicolet 8700型傅里叶变换红外光谱仪(KBr 压片)。

所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

(1) 25,26-二苄氧基-27,28-二羟基杯[4]芳烃(2)的合成

向杯[4]芳烃1(3.39 g, 8.00 mmol)和NaH(1.92 g, 48.00 mmol,以60%比例分散在石蜡油中)的CH3CN(200.00 mL)溶液中添加溴化苄(2.09 mL, 17.60 mmol),室温下搅拌反应30 min,溶液变为淡紫色。加入HCl(1 N, 20.00 mL)淬灭反应,蒸除有机溶剂,残余物加入水(30.00 mL),用CHCl3(2×30.00 mL)萃取,合并有机层,用Na2SO4干燥,浓缩,残余物经硅胶柱纯化得白色固体21.98 g,产率41%, m.p.222～224 ℃(m.p.224～227 ℃[23]);1H NMR(300 MHz, CDCl3)δ: 8.91(s, 2H, OH), 7.43～7.30(m, 10H, ArH), 7.01～6.76(m, 10H, ArH), 6.51(t,J=7.6 Hz, 2H, ArH), 4.99(d,J=11.4 Hz, 2H, OCH2Ar), 4.82(d,J=11.3 Hz, 2H, OCH2Ar), 4.40(d,J=13.1 Hz, 1H, ArCH2Ar), 4.16(d,J=13.7 Hz, 1H, ArCH2Ar), 4.03(d,J=12.5 Hz, 2H, ArCH2Ar), 3.25(d,J=13.3 Hz, 2H, ArCH2Ar), 3.15(d,J=13.1 Hz, 2H, ArCH2Ar)。

(2) 5,11-二溴-25,26-二苄氧基-27,28-二羟基杯[4]芳烃(3)的合成

向化合物2(2.41 g, 4.00 mmol)的2-丁酮(50.00 mL) 溶液中加入N-溴代琥珀酰亚胺(1.57 g, 8.80 mmol),室温下搅拌24 h。蒸除溶剂,将残余物在MeOH—CHCl3中重结晶得白色固体3(2.58 g, 85%, m.p.112～114 ℃(m.p.113～116 ℃[23]);1H NMR(300 MHz, CDCl3)δ: 8.84(s, 2H, OH), 7.39～7.30(m, 10H, ArH), 7.06～6.88(m, 8H, ArH), 6.79(t,J=7.5 Hz, 2H, ArH), 4.98(d,J=11.1 Hz, 2H, OCH2Ar), 4.78(d,J=11.3 Hz, 2H, OCH2Ar), 4.37(d,J=12.7 Hz, 1H, ArCH2Ar), 4.09(d,J=13.7 Hz, 1H, ArCH2Ar), 3.94(d,J=13.0 Hz, 2H, ArCH2Ar), 3.27(d,J=12.6 Hz, 1H, ArCH2Ar), 3.16(d,J=13.8 Hz, 1H, ArCH2Ar), 3.12(d,J=13.0 Hz, 2H, ArCH2Ar)。

(3) 5,11-二溴-25,26,27,28-四苄氧基杯[4]芳烃(4)的合成

室温下,将溴化苄(0.24 mL, 2.00 mmol)加入到化合物3(0.76 g, 1.00 mmol)和NaH(0.12 g, 3.00 mmol)的CH3CN(10.00 mL)溶液中,室温下搅拌1 h,加入HCl(1 N, 10.00 mL)淬灭反应。用CHCl3(3×10.00 mL)萃取,合并有机层,用Na2SO4干燥,浓缩,残余物经硅胶柱层析纯化得白色固体4[24](0.56 g, 62%), m.p.173～175 ℃;1H NMR(300 MHz, CDCl3)δ: 7.23～7.12(m, 20H, ArH), 6.64～6.44(m, 10H, ArH), 4.84～4.79(m, 8H, OCH2Ar), 4.18(d,J=13.6 Hz, 1H, ArCH2Ar), 4.05(d,J=13.6 Hz, 2H, ArCH2Ar), 3.90(d,J=13.5 Hz, 1H, ArCH2Ar), 2.95(d,J=13.5 Hz, 1H, ArCH2Ar), 2.80(d,J=13.6 Hz, 2H, ArCH2Ar), 2.63(d,J=13.7 Hz, 1H, ArCH2Ar)。

(4) 5,11-二(3-吡啶基)-25,26,27,28-四苄氧基杯[4]芳烃(L)的合成

将化合物4(0.54 g, 0.60 mmol), 3-吡啶硼酸(0.18 g, 1.50 mmol), K2CO3(0.33 g, 2.40 mmol)和Pd(PPh3)4(97 mg, 0.08 mmol)依次放入Schlenk管中,加入1,4-二氧六环(4.00 mL)和水(1.00 mL), 100 ℃下搅拌4 h。冷却至室温,过滤,滤液用CH2Cl2萃取(3×10.00 mL),Na2SO4干燥,浓缩,残余物经硅胶柱层析纯化得白色固体L(0.21 g, 37%), m.p.71～73 ℃;1H NMR(300 MHz, CDCl3)δ: 8.49(s, 2H, ArH), 8.40(d,J= 5.0 Hz, 2H, ArH), 7.56(d,J=8.1 Hz, 2H, ArH), 7.25～7.14(m, 22H, ArH), 6.70(s, 4H, ArH), 6.47(t,J=7.2 Hz, 4H, ArH), 6.30(t,J=7.5 Hz, 2H, ArH), 4.97～4.83(m, 8H, OCH2Ar), 4.19(d,J=13.8 Hz, 2H, ArCH2Ar), 4.18(d,J=13.8 Hz, 2H, ArCH2Ar), 2.95(d,J=13.8 Hz, 2H, ArCH2Ar), 2.93(d,J=13.8 Hz, 2H, ArCH2Ar);13C NMR(75 MHz, CDCl3)δ: 156.00, 155.52, 147.95, 147.41, 137.71, 137.50, 136.72, 136.48, 136.04, 135.54, 135.10, 134.28, 131.49, 129.79, 129.74, 128.55, 128.28, 128.24, 128.18, 128.08, 127.25, 126.81, 123.51, 122.50, 76.72, 76.63, 31.77, 31.60, 31.46; IRν: 3027, 2923, 2854, 1583, 1495, 1454, 1431, 1374, 1287, 1244, 1211, 1190, 1173, 1150, 1085, 1021, 975, 916, 872, 804, 769, 757, 730, 711, 698, 614 cm-1; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C66H55N2O4{[M+H]+}939.4162, found 939.4156。

2 结果与讨论

2.1 离子选择性分析

考察了探针L对阳离子的选择性,结果见图2。由图2可知,在295 nm激发下,探针L在371 nm处显示出较强的荧光发射带。当分别加入10 eq.不同阳离子时(Ba2+、 Al3+、 Ce2+、 Na+、 Mg2+、 Mn2+、 Ag+、 Ca2+、 Cr3+、 Cu2+、Cd2+、 Zr4+、 K+、 Fe2+、 Li+、 Ni2+、 NH4+、 Zn2+、 Sr2+、 Co2+),尽管体系荧光强度有不同程度的降低,但均不能完全淬灭;而加入Fe3+后,出现明显的荧光淬灭现象，这表明探针L对Fe3+具有选择性识别作用。

λ/nm

2.2 检测条件优化

首先,对不同溶剂进行筛选,结果显示乙醇是最佳选择(图2a)。其次,考察探针L浓度影响,发现2×10-4M时探针L荧光强度达到最大(图3b)。再次,研究pH值对检测的影响,结果表明中性或弱碱性条件下,荧光强度高且稳定,pH=8.0时最佳(图3c)。最后,L与Fe3+的相互作用可以实时完成,且几乎不随时间变化(图3d)。因此,当探针L浓度为2×10-4M时,在缓冲溶液(EtOH∶Tris-HCl,V∶V=4∶1, pH=8.0)中检测Fe3+效果最佳。

Solvent

2.3 抗干扰性分析

为了探究探针L对Fe3+识别的抗干扰能力,开展了共存离子干扰实验。如图4所示,橙色条形图代表了空白及加入10 eq.各种阳离子时体系的荧光强度,绿色条形图则代表了上述溶液中额外加入10 eq. Fe3+时体系的荧光强度。结果表明,其他阳离子的加入不影响Fe3+对体系荧光的淬灭作用,即L对Fe3+具有较好的选择性识别和较强的抗干扰能力。

图4 探针L(2.0×10-4 M)的缓冲溶液(EtOH∶Tris-HCl, V∶V=4∶1, pH=8.0)中加入不同阳离子后的荧光强度

2.4 检测限和缔合常数

如图5所示,从0到3×10-5M,荧光强度与Fe3+浓度呈线性递减关系,根据公式[25]计算出探针L对Fe3+的检测限为7.9×10-7M。其中,Job曲线(图6)显示L与Fe3+的结合化学计量比为2∶1。再结合荧光滴定结果(图7),根据公式[26]计算出L与Fe3+的缔合常数为3.26×107M-1。此外,在365 nm紫外灯下也观察到L中加入Fe3+后体系的蓝色荧光发生了明显的淬灭现象(图7)。

Fe3+/μM

[Fe3+]/[Fe3+/L]

λ/nm

2.5 传感机理

Job曲线(图6)显示L与Fe3+形成2∶1的配位化合物,说明有4个吡啶单元参与络合作用。如图8所示,该传感机理可归因于螯合猝灭荧光(CHQF)效应[27],即当探针分子L与Fe3+结合后,在光激发下受激发的电子可以从配体的HOMO轨道转移至Fe3+的LUMO轨道,产生了光致电子转移(PET)过程,导致荧光淬灭。

图8 可能的传感机制

本文制备了一种杯口上沿功能化修饰的吡啶-杯[4]芳烃L。L可作为荧光探针用于Fe3+检测。该探针对Fe3+的检测限低,响应速度快,且具有较高的选择性识别和较强的抗干扰能力。L与Fe3+以2∶1计量比形成稳定的络合物,结合常数为3.26×107M-1,检测限为7.90×10-7M。该研究为新型超分子荧光探针的开发及Fe3+检测提供了参考。