程鵬飛，劉永真，祖福麗，李 茜，徐括喜＊

（1.河南大學 化學化工學院，河南 開封475004； 2.河南大學 醫(yī)學院，河南 開封475004）

一些金屬離子（如 Zn2＋、Cu2＋、Fe3＋、Ca2＋、K＋、Na＋等）在生命活動過程中發(fā)揮著十分重要的作用［1］.然而當這些金屬離子在體內的濃度穩(wěn)態(tài)受到破壞時，就會擾亂正常的生命系統(tǒng)，造成生理功能的紊亂，一些過渡金屬及重金屬離子超標還會導致癌癥、腫瘤等疾病的發(fā)生.高濃度的銅離子會干擾生物機體內的細胞穩(wěn)態(tài)平衡，過量的鐵離子會引起神經(jīng)變性、結膜炎和視網(wǎng)膜炎等疾?。?－6］.銅、鐵是工業(yè)上被廣泛應用的重要原料，是重要的污染物之一.因此，對自然環(huán)境和生物體內銅離子和鐵離子的檢測就顯得十分必要.

熒光化學傳感器已被廣泛應用在分析化學、生物化學和細胞生物學等領域［7－12］，許多優(yōu)秀的的熒光化學傳感器也已有報道［13－16］.然而迄今為止，只有少數(shù)的熒光化學傳感器在與Fe3＋離子和Cu2＋離子鍵合后表現(xiàn)出熒光猝滅現(xiàn)象.

由于咔唑衍生物具有高的熒光量子產(chǎn)率而在熒光化學傳感器中被經(jīng)常用作熒光基團，作者設計合成了兩個咔唑衍生物，并通過熒光光譜滴定法研究了它們在體積比為1∶1的DMSO／H2O（Tris－HCl，pH＝7.4）緩沖溶液中對不同金屬離子的選擇性識別性能.化合物的合成路線見圖1.

圖1 化合物的合成路線Fig.1 Synthetic route for the compounds

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

元素分析采用Italian 110型元素分析儀測定；熔點用Reichert 7905型顯微熔點儀測定（溫度計未校正）；核磁共振譜用BrukerAV－400型核磁共振波譜儀測定；質譜用Esquire3000型LC－MS質譜儀測定；熒光光譜用F－7000FL熒光光譜儀測定.所用試劑均為市售分析純試劑，所有溶劑使用前均使用標準方法純化.

1.2 實驗步驟

1.2.1 3，6－二氯咔唑的合成

將10.0g（0.06mol）咔唑和100mL CH2Cl2放入250mL三頸圓底燒瓶中，冰浴，保持溫度在0℃以下，機械劇烈攪拌下逐滴加入9.6mL（0.12mol）SO2Cl2.滴加過程溫度不超過2℃，滴加完成后移除冰浴，在室溫下繼續(xù)反應4h后抽濾.取濾渣，用CH2Cl2（3×30mL）洗滌得粉色固體.用250mL CH2Cl2溶解濾渣，攪拌下于70℃回流30min.冷卻抽濾，濾液蒸干后于真空干燥箱干燥，得粉色固態(tài)粉末7.30g，產(chǎn)率51.5%.mp 204～206℃ （文獻［17］mp 198℃）；1H NMR（DMSO－d6）δ：11.58（s，1H，NH），8.28（d，2H，J＝2.0Hz，aromatic H－4and H－5），7.52（d，2H，J＝8.6Hz，aromatic H－1and H－8），7.42（dd，2H，J＝8.6Hz，aromatic H－2and H－7）；MS（ESI）m／z234（M－1）.

1.2.2 1，8－二硝基－3，6－二氯咔唑的合成

在250mL三頸圓底燒瓶中分別加入7.30g 3，6－二氯咔唑，19mL乙酸酐和25mL乙酸，在冰浴和攪拌下，逐滴加入0.5mL 100%HNO3，然后將冰浴換成油浴，保持溫度在60℃，攪拌下逐滴加入0.5mL 100%HNO3，再將溫度調成75℃，加入3mL 100%HNO3.滴加完成后，溫度調成110℃.繼續(xù)反應10 min后冷卻抽濾得黃色濾渣，用50mL乙酸溶解濾渣，回流20min后冷卻抽濾，用乙醚（2×30mL）洗滌得黃色固態(tài)粉末，放在真空干燥箱中干燥得產(chǎn)物8.3g，產(chǎn)率84.9%.mp 286～288℃ （文獻［17］mp 285～286℃）；1H NMR（DMSO－d6）δ：11.24（bs，1H，NH），8.93（d，2H，J＝2.0Hz，aromatic H－4and H－5），8.44（d，2H，J＝2.0Hz，aromatic H－2and H－7）；MS（ESI）m／z 325（M－1）.

1.2.3 1，8－二胺基－3，6－二氯咔唑的合成

在裝有100mL乙醇的250mL三頸圓底燒瓶中，分別加入1.6g 1，8－二硝基－3，6－二氯咔唑和0.2g Pd／C.在不斷攪拌和回流下，逐滴加入10mL 30%的水合肼和30mL乙醇的混合溶液，滴加完成后，回流12h.趁熱過濾并用乙醇洗滌濾渣，濾液蒸干得1.1g灰白色固體，產(chǎn)率84.6%.1H NMR（DMSO－d6）：δ11.30（s，1H，NH），8.98（s，2H），8.49（d，2H）；MS（ESI）m／z265（M－1）.

1.2.4 化合物1的合成

將0.27g 1，8－二胺基－3，6－二氯咔唑和0.40g對硝基異硫氰酸苯酯加入含5mL DMF的20mL無水氯仿的三頸圓底燒瓶中，在N2保護和攪拌下反應24h，減壓蒸除溶劑后水洗，在乙醇中重結晶得黃色固體0.31g，產(chǎn)率49%.mp＞350℃；1H NMR（DMSO－d6）δ：10.87（s，1H），10.31（s，2H，ArNHCS），9.07（s，2H），8.67（s，2H，NHCS），8.54（d，2H），8.03（d，J＝8.2Hz，4H，ArH），7.54（t，J＝8.2Hz，4H，ArH），ESI－MSm／z：625（M－1）；元素分析C26H17Cl2N7O4S2計算值（%）：C 49.85，H 2.74，N 15.65；測定值（%）：C 49.76，H 2.81，N 15.44.

1.2.5 化合物2的合成

用1－萘基異硫氰酸酯代替對硝基異硫氰酸苯酯以相似的方法得黃色固體0.34g，產(chǎn)率54%.mp＞350℃；1H NMR（DMSO－d6）δ：10.81（s，1H），10.18（s，2H，ArNHCS），9.07（s，2H），8.67（s，2H，NHCS），8.41（d，2H），7.48－8.35（m，14H，ArH），ESI－MSm／z：635（M－1）；元素分析 C34H23Cl2N5S2計算值（%）：C 64.15，H 3.64，N 11.00；測定值（%）：C 64.03，H 3.69，N 10.87.

1.2.6 熒光光譜測定

將化合物1和2均用體積比為1∶1的DMSO／H2O（Tris－HCl，pH＝7.4）緩沖溶液配制成2.0×10－4mol·L－1的溶液.用同樣的緩沖溶液將各金屬氯化物（Li＋，Na＋，K＋，Cu2＋，Zn2＋，Co2＋，Mn2＋，Cr3＋，F(xiàn)e3＋）配制成0.1mol·L－1的溶液.分別移取1.0mL化合物1或2的溶液于一系列10mL容量瓶中，分別加入不同體積的金屬氯化物溶液，用緩沖溶液稀釋至刻度，得到一系列化合物1和2濃度為2.0×10－5mol·L－1金屬離子濃度不同的溶液，放置過夜后測其熒光光譜（激發(fā)和發(fā)射的狹縫寬度均為5nm）.

2 結果與討論

圖2 不同金屬離子對化合物1熒光強度的影響Fig.2 Effect of different metal ions on the fluorescence intensity of chemosensor 1

2.1 化合物1和2對金屬離子滴定的熒光光譜

如圖2所示，在化合物1的緩沖溶液中分別加入5倍量的不同金屬離子時，Cu2＋和Fe3＋使1的熒光強度急劇降低，而其他金屬離子如Li＋，Na＋，K＋，Zn2＋，Co2＋，Mn2＋，Cr3＋等，對1的熒光強度基本沒有影響；化合物2在緩沖溶液中（2.0×10－5mol·L－1）熒光光譜隨著Li＋，Na＋，K＋，Cu2＋，Zn2＋，Co2＋，Mn2＋，Cr3＋，F(xiàn)e3＋等金屬離子的加入而發(fā)生的變化與1的變化相似，當Cu2＋和Fe3＋被加入到2的溶液中時，在400nm的熒光發(fā)射強度（λex＝340nm）隨之減小，而加入其他金屬離子時，化合物2的熒光強度也基本不變.因此，化合物1和2對Cu2＋和Fe3＋有很好的選擇性識別作用.

2.2 化合物1和2對Cu2＋和Fe3＋離子的熒光光譜滴定

向化合物1（2.0×10－5mol·L－1）的緩沖溶液中逐漸加入Cu2＋離子時，在400nm（激發(fā)波長340nm）的發(fā)射峰強度逐漸減弱，當Cu2＋濃度為化合物1濃度的9.2倍時，化合物1的熒光強度幾乎不再發(fā)生變化（圖3a）；當Fe3＋濃度是化合物1濃度的5.2倍時，化合物1的熒光強度也不再發(fā)生變化，說明化合物1與Cu2＋和Fe3＋之間形成了穩(wěn)定的配合物［18］.化合物2（2.0×10－5mol·L－1）的緩沖溶液熒光光譜隨著各種金屬離子的加入而發(fā)生的變化與化合物1的變化相似，當Cu2＋濃度為化合物2濃度的10.4倍時（圖3b），F(xiàn)e3＋濃度為化合物2濃度的6.4倍時化合物2的熒光強度也幾乎不再變化，這說明化合物2與Cu2＋和Fe3＋之間也形成了穩(wěn)定的配合物［18］.

2.3 化合物1和2對Cu2＋和Fe3＋離子絡合常數(shù)的計算

在假設主客體間能形成1∶1的絡合物的條件下，熒光傳感器1或2與金屬離子的絡合常數(shù)可以通過以下方程式進行計算：

圖3 Cu2＋離子濃度對傳感器1（a）和2（b）熒光強度的影響Fig.3 Effect of Cu2＋ion concentration on the fluorescence intensity of chemosensor 1 and 2 I＝I0＋0.5Δε ｛cH ＋cG＋1／Kass［（cH ＋cG＋1／Kass）2－4 cHcG］1／2｝

其中I表示熒光傳感器中加入不同濃度的金屬離子后的熒光強度，I0表示熒光傳感器不加金屬離子的熒光強度，cH、cG分別表示熒光傳感器和金屬離子的濃度.圖4為將400nm處熒光強度相對于Cu2＋與傳感器1濃度比值按1∶1絡合的關系式作非線性最小二乘法曲線擬合.化合物1、2與Cu2＋和Fe3＋通過熒光光譜滴定的結果經(jīng)非線性擬合所得的主客體絡合常數(shù)見表1.相關系數(shù)均在0.99以上，說明傳感器1、2與Cu2＋、Fe3＋之間形成了1∶1配合物［18］.圖5為傳感器與Cu2＋相互作用的可能鍵合模式示意圖.

圖4 隨Cu2＋的加入傳感器1的熒光強度變化的非線性擬合曲線Fig.4 The changes of fluorescence intensity of chemosensor 1 at 400nm upon addition of Cu2＋

圖5 傳感器1，2與Cu2＋的可能鍵合模式Fig.5 Proposed binding mode of Cu2＋to chemosensor 1 and 2

表1 傳感器1和2與Cu2＋和Fe3＋在25℃時的絡合常數(shù)（Kass）與非線性擬合的相關系數(shù)（R）Table 1 The association constants（Kass）and correlation coefficient（R）of sensors 1 and 2 with Cu2＋ and Fe3＋at 25℃

3 結論

以含咔唑的熒光團為起始原料，分別與2個芳香基化合物（對硝基異硫氰酸苯酯和1－萘基異硫氰酸酯）反應得到了2個新型化合物1和2，并通過質譜、核磁共振氫譜和元素分析等進行了結構表征.化合物1和2對Fe3＋和Cu2＋同時具有選擇性識別作用.測定了一系列熒光數(shù)據(jù)；分析計算了化合物1和2與Fe3＋和Cu2＋的絡合比及絡合常數(shù)，化合物1和2有望作為識別Fe3＋和Cu2＋的熒光化學傳感器.

［1］SILVIA J，WILLIAMS R.The inorganic chemistry of life［M］.Claredon Press：Oxford，1991.

［2］XIANG Y，TONG A J.A new rhodamine－based chemosensor exhibiting selective FeⅢ－amplified fluorescence［J］.Org Lett，2006，8（8）：1549－1552.

［3］BARNHAM K J，BUSH A I.Metals in alzheimes and parkinson diseases［J］.Curr Opin Chem Biol，2008，12（2）：222－228.

［4］MA Y M，HIDER R C.The selective quantification of iron by hexadentate fluorescent probes［J］.Bioorg Med Chem，2009，17（23）：8093－8101.

［5］QI J，SHIN H M，TUNG C H.A benzothiazole alkyne fluorescent sensor for Cu detection in living cell［J］.Bioorg Med Chem Lett，2012，22（4）：1747－1749.

［6］JEONG Y S，YOON J Y.Recent progress on fluorescent chemosensors for metal ions［J］.Inorg Chim Acta，2012，381：2－18.

［7］JOHNSON K S，NEEDOBA J A，RISER S C，et al.Chemical sensor networks for the aquatic environment［J］.Chem Rev，2007，107（2）：623－640.

［8］MCDONAGH C，BURKER C S，MACCRAITH B D.Optical chemical sensors［J］.Chem Rev，2008，108（2）：400－422.

［9］NOLAN E M，LIPPARD S J.A selective“Off－On”fluorescent sensor for Zn2＋based on hydrazone－pyrene derivative and its application for imaging of intracellular Zn2＋［J］.Acc Chem Res，2009，42（1）：193－203.

［10］ZHOU Y，KIM H N，YOON J Y.Novel naphthalene－based fluorescent chemosensors for Cu2＋and Fe3＋in aqueous media［J］.Bioorg Med Chem Lett，2010，20（1）：125－128.

［11］YAO W Y，XU K X，KONG H J，et al.Novel naphthalene－based fluorescent chemosensors for Cu2＋and Fe3＋in aqueous media［J］.Supramol Chem，2013，25（3）：146－150.

［12］GONG W T，ZHANG Q L，SHANG L，et al.A new principle for selective sensing cyanide anions based on 2－h(huán)ydroxynaphthaldeazine compound［J］.Sens Actuat B，2013，177：22－326.

［13］XU K X，JIAO S Y，YAO W Y，et al.Syntheses and highly enantioselective fluorescent recognition ofα－h(huán)ydroxyl／amino carboxylic acid anions in protic solutions［J］.Sens Actuat B，2013，177：384－389.

［14］NI X L，ZENG X，REDSHAW C，et al.Synthesis and evaluation of a novel pyrenyl－appended triazole－based thiacalix［4］arene as a fluorescent sensor for Ag＋ion［J］.Tetrahedron.2011，67（18）：3248－3253.

［15］MALDONADO C R，TOUCEDA－VARELA A，JONESA A C，et al.A turn on fluorescence sensor for cyanide from mechanochemical reactions between quantum dots and copper complexes［J］.Chem Commun，2011，47：11700－11702.

［16］ZHANG L Z，WANG J Y，F(xiàn)AN J L，et al.A highly selective，fluorescent chemosensor for bioimaging of Fe3＋［J］.Bioorg Med Chem Lett，2011，21：5413－5416.

［17］TAKAHASHI K，EGUCHI H，SHIWAKU S，et al.Sulphur nitride in organic chemistry.Part 17.Preparation of 1，8－diaminocarbazole［J］.J Chem Soc Perkin Trans 1，1988：1869－1873.

［18］BOURSON J，POUGET J，VALEUR B.Ion－responsive fluorescent compounds.4.Effect of cation binding on the photophysical properties of a coumarin linked to monoaza－and diaza－crown ethers［J］.J Phys Chem，1993，97：4552－4557.