李曉東,邵科峰,宣紅云,吳 珺,常其沛,孔曉光,趙 波
一種用于汞檢測的三聯(lián)吡啶釕配合物的分子設(shè)計與合成
李曉東,邵科峰,宣紅云,吳 珺,常其沛,孔曉光,趙 波*
(南京師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210023)
設(shè)計合成一種具有延長共軛體系的三聯(lián)吡啶釕配合物:4’-(p-硝基苯基)-2,2’6’∶2’-三聯(lián)吡啶基-三異硫氰基釕Ru(tpy)(NCS)3,該配合物與汞離子作用后由墨藍色變?yōu)榉奂t色,如以肉眼可見粉紅色作為檢測靈敏度,則對汞離子的檢測限約為0.03 μg/g。通過密度泛函理論B3LYP方法優(yōu)化得到了Ru(tpy)(NCS)3以及Ru(tpy)(NCS)3與Hg2+離子結(jié)合形成的配離子[Ru(tpy)(NCS)3·HgCl]+的幾何構(gòu)型,通過對其前線分子軌道成分的分析,探討釕配合物作用于汞離子檢測的基本機理。
三聯(lián)吡啶釕配合物;汞檢測;量子化學(xué)計算
汞是環(huán)境中毒性及危害性最大的污染物質(zhì)之一。環(huán)境中的汞可經(jīng)過動植物的富集,由食物鏈進入人體,產(chǎn)生神經(jīng)毒性、腎毒性、免疫毒性、生殖毒性、致癌、致畸等[1-3]多種嚴重危害人體健康的毒性作用,甚至威脅到生命。鑒于汞對身體極大的危害性,世界各國對環(huán)境或食品中的汞最大殘留限量(maximum residue limit,MRL)作了嚴格規(guī)定,如我國規(guī)定飲用水中汞的MRL為1 ng/g,在蔬菜、水果中為10 ng/g。
目前測定汞離子含量的方法主要有原子吸收法[4]、原子熒光法[5]、電化學(xué)分析方法[6-8]、以及生物傳感器法[9-12]等。釕多聯(lián)吡啶配合物作為選擇性識別汞離子探針是近年來發(fā)展起來的一種快速可視化汞離子檢測方法,具有操作簡便、時間短、不需要大型儀器等優(yōu)點,具有較好的應(yīng)用前景[13-16]。
本研究合成了一種具有延長共軛體系的三聯(lián)吡啶釕配合物:4’-(p-硝基苯基)-2,2’∶6’,2’-三聯(lián)吡啶基-三異硫氰基釕Ru(tpy)(NCS)3,并通過應(yīng)用Gaussian 09[17]程序中的密度泛函理論B3LYP[18]方法優(yōu)化得到了Ru(tpy) (NCS)3的幾何構(gòu)型。晶體結(jié)構(gòu)實驗數(shù)據(jù)表明[19]:異硫氰根釕配合物與Hg2+離子結(jié)合時化學(xué)比為1∶1,結(jié)合通過對Ru(tpy)(NCS)3分子軌道成分的分析,又構(gòu)建、優(yōu)化得到了Ru(tpy)(NCS)3與Hg2+離子結(jié)合可能形成的配離子結(jié)構(gòu)[Ru(tpy)(NCS)3·HgCl]+,通過對其構(gòu)型參數(shù)、分子軌道能級、分子軌道主要成分的分析,解釋了釕配合物用于汞離子檢測的基本機理。
1.1 材料與試劑
2-乙酰吡啶、4-硝基苯甲醛(均分析純) 阿拉丁試劑(上海)有限公司;三氯化釕(分析純) 國藥集團化學(xué)試劑有限公司。
1.2 儀器與設(shè)備
UV-1700型紫外-可見分光光度計 上海鳳凰光學(xué)科儀有限公司;AV400型核磁共振波譜儀(配有寬帶正相高分辨液體探頭) 德國Bruker公司;3800型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(配有火焰離子化檢測器、電子捕獲檢測器和脈沖式火焰光度檢測器) 美國Varian公司。
1.3 方法
1.3.1 4’-(p-硝基苯基)-2,2’∶6’,2’-三聯(lián)吡啶基-三異硫氰基釕Ru(tpy)(NCS)3的合成
具有延長共軛體系的三聯(lián)吡啶釕配合物:4’-(p-硝基苯基)-2,2’∶6’,2’-三聯(lián)吡啶基-三異硫氰基釕Ru(tpy) (NCS)3的合成路線見圖1。
圖1 Ru(tpy)(NCS)3的合成路線Fig.1 Synthesis route of Ru(tpy)(NCS)3
3-(p-硝基苯基)-1,5-二(2-吡啶基)戊烷-1,5-二酮的制備:將2-乙酰吡啶(1.08 g)和4-硝基苯甲醛(1.51 g)溶于70 mL無水乙醇中,加入35mL 2 mol/L氫氧化鈉溶液,室溫攪拌15min,抽濾,乙醇重結(jié)晶,得產(chǎn)物3-(p-硝基苯基)-1,5-二(2-吡啶基)戊烷-1,5-二酮。
4’-(p-硝基苯基)-2,2’∶6’,2’-三聯(lián)吡啶的制備:將上一步驟所得產(chǎn)物(0.242 g)溶于20 mL乙酸中,加入乙酸銨(1.44 g)回流2 h,抽濾,甲苯重結(jié)晶,得產(chǎn)物4’-(p-硝基苯基)-2,2’∶6’,2’-三聯(lián)吡啶。
4’-(p-硝基苯基)-2,2’∶6’,2’-三聯(lián)吡啶基-三異硫氰基釕Ru(tpy)(NCS)3的制備:將上一步驟所得產(chǎn)物(0.386 g)溶于70 mL無水乙醇中,加入RuCl3(0.278 g)避光回流24 h,再加入硫氰化鉀(0.106 g)避光回流14 h,抽濾,乙醇洗滌,烘干得到產(chǎn)物4’-(p-硝基苯基)-2,2’∶6’,2’-三聯(lián)吡啶基-三異硫氰基釕Ru(tpy)(NCS)3。對于含釕化合物的結(jié)構(gòu)表征,通??捎迷胤治鰜龛b定[20]。
1.3.2 Ru(tpy)(NCS)3用于汞離子的檢測
將質(zhì)量濃度分別為0.02、0.05、0.1、0.5、1、5、10 μg/g的一系列汞離子標(biāo)準(zhǔn)溶液(體積均為100 μL)加入到2 mL 0.01 mmol/L的Ru(tpy)(NCS)3的二甲基甲酰胺(dimethylformamide,DMF)溶液中,混合均勻,觀察溶液顏色變化。
1.3.3 量子化學(xué)計算方法
運用Gaussian 09程序中的密度泛函理論B3LYP方法,對Ru和Hg原子采用LanL2DZ[21-23]基組,其他原子(C、H、O、N、Cl和S)采用6-311+G*基組,優(yōu)化得到了Ru(tpy)(NCS)3和[Ru(tpy)(NCS)3·HgCl]+的幾何構(gòu)型,頻率計算結(jié)果確認其均為勢能面上的能量極小點。
2.1 Ru(tpy)(NCS)3的合成與表征
3-(p-硝基苯基)-1,5-二(2-吡啶基)戊烷-1,5-二酮:產(chǎn)率81%。MS(m/z):347.6,1HNMR(400 MHz,acetone-d6),δ:4.59(s,1 H),7.52(d,2 H,J=8.0 Hz),7.76-7.79(m,4 H),7.97(t,2 H),8.16(d,2 H,J=7.6 Hz),8.72(d,2 H,J=7.6 Hz)。
4’-(p-硝基苯基)-2,2’∶6’,2’-三聯(lián)吡啶:產(chǎn)率50%。MS(m/z):354.3,1HNMR(400 MHz,CDCl3),δ:7.20(t,2H,J=7.2 Hz),7.65(m,2 H),7.82(d,2 H,J=7.6 Hz),8.22(d,2 H,J=7.6 Hz),8.47(d,2 H,J=8.0 Hz),9.21(s,2 H),9.45(d,2 H,J=8.0 Hz)。
4’-(p-硝基苯基)-2,2’∶6’,2’-三聯(lián)吡啶基-三異硫氰基釕Ru(tpy)(NCS)3:產(chǎn)率46%。元素分析測量值(計算值/%)為:C,45.78(45.86);H,2.24(2.20);N,15.57(15.48),元素分析結(jié)果與理論值相吻合。
2.2 Ru(tpy)(NCS)3對汞離子的識別能力
當(dāng)加入汞離子質(zhì)量濃度逐漸增加時,溶液的顏色由墨藍色變?yōu)榉奂t色,如以肉眼可見粉紅色作為檢測汞離子的靈敏度,則其靈敏度約0.03 μg/g。
2.3 量子化學(xué)計算Ru(tpy)(NCS)3和[Ru(tpy) (NCS)3·HgCl]+的幾何構(gòu)型
從圖2、表1可以看出,在Ru(tpy)(NCS)3結(jié)構(gòu)中,中心金屬離子Ru3+與周圍配體中的N原子形成了近似八面體的結(jié)構(gòu):Ru—N鍵最長為2.111 ?,最短為2.006 ?;鍵角∠N2—Ru1—N4、∠N2—Ru1—N6略大于90°,∠N6—Ru1—N5略小于90°,這些結(jié)構(gòu)參數(shù)與相關(guān)的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)基本一致[19]。在三聯(lián)吡啶配體中,二面角∠N3—C10—C11—N5接近0°、∠H13—C12—N3—C10為-180°,說明三聯(lián)吡啶配體中各原子基本處于共平面結(jié)構(gòu)。對于配體異硫氰根,與Ru3+配位后基本保持線性結(jié)構(gòu)。
當(dāng)Ru(tpy)(NCS)3與Hg2+結(jié)合形成配離子結(jié)構(gòu)[Ru(tpy) (NCS)3·HgCl]+后,中心金屬離子Ru3+與周圍N原子形成的近似八面體結(jié)構(gòu)基本沒有發(fā)生大的變化:Ru—N鍵長除鍵Ru1—N5外基本都略有增大,說明隨著Hg2+與S原子配位結(jié)合后,Ru(tpy)(NCS)3內(nèi)部中心金屬與配位原子間結(jié)合力稍有減弱。此外,Hg—S鍵長為2.538 ?,鍵角∠S—Hg—Cl接近180°,這些結(jié)構(gòu)特點與實驗得到的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)相吻合,同時也說明Ru(tpy)(NCS)3分子可與Hg2+形成強的化學(xué)鍵而結(jié)合形成[Ru(tpy) (NCS)3·HgCl]+。這一計算結(jié)果充分說明Ru(tpy)(NCS)3對Hg2+離子能夠表現(xiàn)出較強的識別能力。
圖2 優(yōu)化得到的Ru(tpy)(NCS)3(A)和[Ru(tpy)(NCS)3·HgCl]+(B)的幾何結(jié)構(gòu)Fig.2 Optimized configurations of Ru(tpy)(NCS)3(A) and [Ru(tpy)(NCS)3·HgCl]+(B)
表1 Ru(tpy)(NCS)3和[Ru(tpy)(NCS)3·HgCl]+的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of Ru(tpy)(NCS)3and [Ru(tpy)(NCS)3·HgCl]+
2.4 Ru(tpy)(NCS)3和[Ru(tpy)(NCS)3·HgCl]+的電荷分布
在優(yōu)化所得構(gòu)型基礎(chǔ)上,通過自然布局分析計算得到了Ru(tpy)(NCS)3和[Ru(tpy)(NCS)3·HgCl]+中各原子的電荷分布,如表2所示。
表2 Ru(tpy)(NCS)3和[Ru(tpy)(NCS)3·HgCl]+中原子的電荷分布Table 2 The atomic charge distribution of Ru(tpy)(NCS)3and [Ru(tpy)(NCS)3?HgCl]+
從表2可以看出,Ru(tpy)(NCS)3和[Ru(tpy) (NCS)3·HgCl]+中負電荷主要集中在三聯(lián)吡啶配位N原子和異硫氰根配位N原子區(qū)域,此外異硫氰根中S原子也表現(xiàn)出一定的負電荷性質(zhì),而中心金屬Ru和Hg表現(xiàn)明顯的正電性質(zhì)。當(dāng)Hg與S9配位結(jié)合后,S9原子負電荷性質(zhì)有所增加,與此同時,S16原子負電荷性質(zhì)明顯降低,僅為-0.016 e,這一變化將阻止Hg與其他2個異硫氰根的進一步結(jié)合,從而使得Ru(tpy)(NCS)3與Hg2+形成1∶1配位結(jié)構(gòu)[Ru(tpy)(NCS)3·HgCl]+,這與晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)相一致。
2.5 Ru(tpy)(NCS)3和[Ru(tpy)(NCS)3·HgCl]+的前線分子軌道分析
從圖3可以看出,Ru(tpy)(NCS)3中最高占據(jù)軌道(highest occupied molecular orbital,HOMO)為2個異硫氰根配體和中心金屬離子Ru3+所形成的π軌道,最低空軌道(lowest unoccupied molecular orbital,LUMO)為三聯(lián)吡啶配體所形成的π*軌道,當(dāng)電子從π軌道躍遷至π*軌道時產(chǎn)生電子吸收,對應(yīng)于電子吸收光譜吸收峰的位置約為653 nm(1.90 eV),此吸收伴隨著電荷由異硫氰根配體和中心金屬離子向三聯(lián)吡啶配體的轉(zhuǎn)移。
表3 Ru(tpy)(NCS)3和[Ru(tpy)(NCS)3·HgCl]+的前線軌道能級Table 3 Frontier molecular orbital energy level (eV) of Ru(tpy)(NCS) and [Ru(tpy)(NCS)3?HgCl]+
圖3 Ru(tpy)(NCS)3(A)和[Ru(tpy)(NCS)3·HgCl]+(B)的前線分子軌道圖Fig.3 Frontier molecular orbitals of Ru(tpy)(NCS)3(A) and [Ru(tpy)(NCS)3?HgCl]+(B)
對于[Ru(tpy)(NCS)3·HgCl]+,其HOMO也是由2個異硫氰根配體和中心金屬離子Ru3+所形成的π軌道,但其LUMO是由S—Hg—Cl所形成的σ*軌道,由于對稱性的限制,電子不可能發(fā)生π→σ*的躍遷,而LUMO+1為三聯(lián)吡啶配體所形成的π*軌道,此時電子可以發(fā)生π→π*,對應(yīng)于電子吸收光譜吸收峰的位置約為506 nm(2.45 eV),與此同時伴隨著電荷由異硫氰根配體和中心金屬離子向三聯(lián)吡啶配體的轉(zhuǎn)移,此吸收本質(zhì)與Ru(tpy)(NCS)3分子本身相同。但是由于S原子和Hg原子的結(jié)合,使得吸收峰的位置發(fā)生了藍移,根據(jù)補色光原理,其顯現(xiàn)顏色將發(fā)生紅移,這與實驗中所觀察到的結(jié)果完全一致。
本研究設(shè)計合成了一種具有延長共軛體系的三聯(lián)吡啶釕配合物:4’-(p-硝基苯基)-2,2’∶6’,2’-三聯(lián)吡啶基-三異硫氰基釕Ru(tpy)(NCS)3,加入汞離子時可以發(fā)生明顯的由墨藍色到粉紅色的顏色變化。如以肉眼可視粉紅色出現(xiàn)作為汞離子檢測靈敏度,則其檢測靈敏度約為0.03 μg/g。量子化學(xué)計算得到的[Ru(tpy)(NCS)3·HgCl]+的幾何結(jié)構(gòu)表明:Ru(tpy)(NCS)3和Hg2+可以形成較強的共價鍵而結(jié)合在一起,使得Ru(tpy)(NCS)3對Hg2+表現(xiàn)出較強的識別能力;通過對它們的前線軌道能級、前線軌道成分的分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)電荷從異硫氰根配體和中心金屬Ru3+所形成的π軌道轉(zhuǎn)移至三聯(lián)吡啶配體形成的π*軌道時,Ru(tpy)(NCS)3和[Ru(tpy)(NCS)3·HgCl]+均可吸收可見光中某一波長的輻射,而Hg2+與Ru(tpy)(NCS)3的結(jié)合使得這種吸收發(fā)生了藍移,這與實驗中所觀察到的結(jié)果完全吻合。
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Molecular Design and Synthesis of a Ruthenium Terpyridine Complex for Mercury Determination
LI Xiao-dong, SHAO Ke-feng, XUAN Hong-yun, WU Jun, CHANG Qi-pei, KONG Xiao-guang, ZHAO Bo*
(School of Chemistry and Materials Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China)
A ruthenium terpyridine complex, 4’-(p-nitrobenzyl)-2,2’:6’,2’-terpyridineyl-tri-isothiocyanate ruthenium (Ru(tpy)(NCS)3), was designed and synthesized. Color changes from dark-blue to pink-red could be obviously observed when different concentrations of mercury (Ⅱ) ions were added to Ru(tpy)(NCS)3solution. The limit of naked-eye detection was about 0.03 μg/g while the pink-red color just appeared. Based on the density functional theory by B3LYP method, then, the geometric configurations of Ru(tpy)(NCS)3and [Ru(tpy)(NCS)3·HgCl]+were optimized. Based on analysis of their frontier molecular orbitals, the basic mechanism of ruthenium complex applied to the determination of mercury ion was discussed.
ruthenium terpyridine complex; mercury determination; quantum chemistry calculation
TS202.3
A
1002-6630(2014)08-0217-05
10.7506/spkx1002-6630-201408043
2014-03-06
江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目(CX123088)
李曉東(1977—),男,副教授,博士,研究方向為食品安全分析與檢測。E-mail:07181@njnu.edu.cn*
趙波(1969—),男,教授,博士,研究方向為食品安全檢測與預(yù)警。E-mail:zbchem@126.com