孫林，柴蘭蘭，郝扶影，王鵬陽，金鳳

(阜陽師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 阜陽 236037)

隨著工業(yè)化進程的快速發(fā)展，過渡金屬離子成為重要的環(huán)境污染物之一。目前，各種金屬離子的檢測主要有分光光度法、原子吸收光譜法、電化學(xué)法和熒光法等。其中熒光探針檢測法對測量儀器要求不高，容易在溶液中使用，且對金屬離子具有很高的選擇性和靈敏度，因而將熒光探針應(yīng)用于金屬離子的檢測識別越來越引起人們的關(guān)注［1-7］。

對二乙氨基苯甲醛和丙二酸可以發(fā)生Knoevenagel 反應(yīng)，合成的產(chǎn)物具有D-π-A 共軛結(jié)構(gòu)(D =供電子基;A =吸電子基;π =共軛π 鍵)，同時具有良好的熒光性能。此反應(yīng)一般在苯、甲苯中進行，催化劑使用有機堿，如吡啶、六氫吡啶等，副產(chǎn)物是水，容易分離。同時，該法所用溫度較低，產(chǎn)率高。所得產(chǎn)物是一種重要的有機染料、醫(yī)藥中間體，產(chǎn)物還可用于發(fā)光材料的合成。由于產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中含有—COOH，具有良好的與金屬離子配位的能力，可以作為熒光探針分子實現(xiàn)對金屬離子的識別。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

對二乙氨基苯甲醛、丙二酸、無水乙醇、丙酮、乙腈、乙酸乙酯、二氯甲烷、二甲基甲酰胺(DMF)、金屬離子(均為硝酸鹽)等均為分析純。

FTS-40 傅里葉紅外光譜儀;UV-1901 紫外可見分光光度計;78HW-1 數(shù)顯恒溫磁力攪拌器;Bruker AV 400 核磁共振波譜儀;Cary Eclipse 熒光分光光度計;78-1 型磁力加熱攪拌器;FA1004 電子天平;SHB-Ⅲ循環(huán)水式真空泵;DHG-9070B 智能數(shù)顯電熱鼓風(fēng)干燥箱。

1.2 β-對二乙氨基苯丙烯酸的合成

將對二乙氨基苯甲醛1.77 g (0.01 mol)、丙二酸2.08 g(0.02 mol)加入250 mL 圓底燒瓶中，用60 mL吡啶作溶劑，待溶質(zhì)完全溶解后加入1 mL 哌啶作催化劑，在油浴中加熱至95 ～100 ℃，反應(yīng)約3 h 完全。反應(yīng)物倒入大量蒸餾水中，調(diào)節(jié)pH 到1左右，有大量黃色結(jié)晶物出現(xiàn)，抽濾，并用乙醇-水重結(jié)晶，烘干，即可得黃色產(chǎn)物，產(chǎn)率67.03%。

2 結(jié)果與討論

2.1 核磁圖譜分析

1H NMR((CD3)2SO，400 MHz)δ:1.08 ～1.11(t，6H，CH3)，3.37 ～3.40(t，4H，CH2)，5.54 ～5.67(d，反0.11H)，6.14 ～6.18(d，順0.85H)，6.64 ～6.66(d，2H)，7.43 ～7.46(d，2H)，7.65 ～7.76(d，1H)，11.92(s，1H)。

2.2 紅外吸收光譜分析

圖1 是采用溴化鉀壓片法得到的產(chǎn)物的紅外吸收光譜。

圖1 產(chǎn)物的紅外吸收光譜Fig.1 IR spectrum of compound

由圖1 可知，波數(shù)在1 658 cm－1的是 C C的伸縮振動吸收峰;2 996 cm－1的是C—H 的伸縮振動吸收峰;波數(shù)在818 cm－1和673 cm－1的是苯環(huán)上的Ar—H 的伸縮振動吸收峰;波數(shù)在980 cm－1和943 cm－1的是 C C—H 的伸縮振動吸收峰;波數(shù)在1 406 cm－1左右為苯環(huán)骨架的伸縮振動吸收峰。

2.3 紫外吸收光譜分析

準(zhǔn)確稱取產(chǎn)物，以乙醇為溶劑配制成1 ×10－3mol/L溶液。用微量進樣器分別量取100 μL溶液至10 mL 的容量瓶中，分別以無水乙醇、丙酮、乙腈、乙酸乙酯、二氯甲烷、三氯甲烷、DMF 定容，配制成不同極性溶劑1 ×10－5mol/L 的溶液，并測其紫外吸收曲線，結(jié)果見圖2 和表1。

表1 化合物在不同溶劑中的最大紫外吸收波長Table 1 Maximum UV absorption wavelength of compound in different solvents

圖2 化合物不同溶劑中的紫外吸收曲線Fig.2 UV spectrum of compound in different solvents

由圖2 和表1 可知，產(chǎn)物在不同極性的溶劑中，在355 ～372 nm 的范圍內(nèi)出現(xiàn)較明顯的紫外吸收，主要對應(yīng)的是化合物共軛體系內(nèi)n-π*的吸收。隨著溶液極性增大，其紫外最大吸收波長向短波方向移動，即藍移，表現(xiàn)為負溶劑化效應(yīng)。這是由于化合物中的羥基氧上的未成鍵孤對電子受激會產(chǎn)生n→π*躍遷，導(dǎo)致該化合物基態(tài)時的極性比激發(fā)態(tài)要大，隨著溶劑極性的增大，極性較大的基態(tài)與極性溶劑作用在增強，從而導(dǎo)致能量下降較大，而激發(fā)態(tài)極性較小，能量下降也較小，故凈效果是導(dǎo)致能級差增大，躍遷能量增加，吸收譜帶向短波方向移動，從而發(fā)生藍移現(xiàn)象。

2.4 熒光光譜分析

2.4.1 化合物在不同極性溶劑中的熒光光譜 見圖3 和表2。

表2 化合物在不同溶劑中的熒光光譜檢測結(jié)果Table 2 Fluorescence spectrum determination results of compound in different solvents

圖3 化合物在不同溶劑中的熒光光譜Fig.3 Fluorescence spectrum of compound in different solvents

由圖3 和表2 可知，隨著溶劑極性(極性大小順序乙腈＞DMF ＞乙醇＞丙酮＞乙酸乙酯＞二氯甲烷)的增加，熒光發(fā)射峰出現(xiàn)了紅移趨勢(可能在二氯甲烷溶劑中含有雜質(zhì)酸)。這類分子產(chǎn)生熒光的是π*-n 躍遷造成。由此推測，該化合物分子激發(fā)態(tài)的偶極矩比基態(tài)的偶極矩更大一些，隨著溶劑極性的增大，激發(fā)態(tài)時分子與溶劑分子之間的作用力在增強，從而導(dǎo)致化合物分子在激發(fā)態(tài)時能量損失更多一些，發(fā)生π*-n 躍遷時，發(fā)射的熒光峰出現(xiàn)了紅移的趨勢。乙醇是極性質(zhì)子性溶劑，乙醇分子與化合物分子之間存在強烈的氫鍵相互作用，這種分子間強的相互作用使得化合物分子出現(xiàn)了較其他溶劑中明顯的紅移。

熒光量子效率是指激發(fā)態(tài)分子中通過發(fā)射熒光而回歸到基態(tài)的分子占全部激發(fā)分子的分數(shù)，用Ф表示，本文采用的熒光量子效率簡化測量方法計算公式如下［8］:

其中，Ф 是熒光量子產(chǎn)率;n 是折光率;A 是紫外吸光強度;F 是相對熒光強度;x 是未知物;std 是標(biāo)準(zhǔn)物;0.55 是標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(硫酸奎寧)在此條件下的熒光量子效率。

由表2 可知，化合物在選擇的幾種溶劑中熒光量子效率都比較高，在乙醇和DMF 溶劑中熒光量子效率最大達到13.1%，在乙酸乙酯中熒光量子效率較小，為6.9%。

2.4.2 化合物對過渡金屬離子的識別 化合物配成濃度為1 ×10－5mol/L 的乙醇溶液。分別移取2 mL 溶液，用微量進樣器逐漸加入濃度為0.01 mol/L 的Cr(NO3)3、Fe(NO3)3、Co(NO3)2、Ni(NO3)2、Cu (NO3)2、AgNO3、Zn (NO3)2、Cd(NO3)2的乙醇溶液，每加一次放置2 min，然后記錄其熒光光譜。圖4、圖5 為化合物溶液中逐漸增加Fe3+、Cr3+濃度時熒光光譜的變化軌跡。

圖4 Cr3+的存在對化合物熒光強度的影響Fig.4 Fluorescence spectrum of compound in the presence of Cr3+ metal ions

圖5 Fe3+的存在對化合物熒光強度的影響Fig.5 Fluorescence spectrum of compound in the presence of Fe3+ metal ions

由圖可知，隨著金屬離子Fe3+、Cr3+的加入及濃度的提高，化合物發(fā)射峰位置沒有改變，但熒光強度在逐漸降低，即發(fā)生了猝滅?？梢娫摲N化合物作為熒光探針識別Fe3+和Cr3+時為熒光猝滅型探針。表明該化合物分子與Fe3+、Cr3+發(fā)生了相互作用，可能是由于Fe3+或Cr3+與化合物分子中的羧基基團中的氧原子和氨基中的氮原子發(fā)生了配位作用，以及由于金屬離子的順磁性、電子轉(zhuǎn)移或電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)對化合物的熒光產(chǎn)生了猝滅作用［9］。

圖6 給出了各種金屬離子濃度為2 ×10－5mol/L時，對化合物熒光強度的影響。

圖6 各種金屬離子在濃度2 ×10 －5 mol/L 時對化合物熒光強度的影響Fig.6 Fluorescence spectrum of compound in the presence of various metal ions (2 ×10－5 mol/L)

由圖6 可知，F(xiàn)e3+對化合物熒光強度影響最明顯(熒光強度猝滅了75%)。

圖7 是各種金屬離子隨著濃度增加時，對化合物熒光強度的影響。

圖7 各種金屬離子隨著濃度的增加(1 ×10 －5 ～20 ×10 －5 mol/L)對化合物熒光強度比(I/I0)的影響Fig.7 Fluorescence intensity(I/I0)of compound in the presence of various metal ions (1 ×10 －5 ～20 ×10 －5 mol/L)

由圖7 可知，當(dāng)金屬離子濃度＜2 ×10－5mol/L時，加入Fe3+時化合物的熒光強度迅速降低，表明化合物對Fe3+最敏感，識別能力最強，此時Cu2+、Ni2+、Cr3+也能使熒光強度降低，但不如Fe3+明顯;當(dāng)離子濃度超過2 ×10－5mol/L(即金屬離子和化合物分子物質(zhì)的量比超過2)時，Cu2+、Ni2+的加入對化合物的熒光強度基本沒有了影響，Cr3+的加入使得化合物的熒光強度開始迅速降低，表明在濃度較大時化合物分子對Cr3+識別能力強于Cu2+、Ni2+。

Ag+和Zn2+的加入可以使化合物熒光強度略有增強，當(dāng)濃度超過2 ×10－5mol/L 時，強度基本不變。Cd2+和Co2+的加入對化合物的熒光強度始終影響不大。這可能是由于這些金屬離子在乙醇溶液中與化合物分子沒有相互作用或相互作用比較弱。

3 結(jié)論

合成了產(chǎn)物β-(對二乙氨基苯)丙烯酸，在不同極性的溶劑中隨著溶劑極性的增大，紫外最大吸收波長出現(xiàn)了藍移，表現(xiàn)出負溶劑化效應(yīng);隨著溶劑極性的增大，熒光最大發(fā)射波長出現(xiàn)了紅移的趨勢;該化合物在選擇的幾種不同極性的溶劑中也呈現(xiàn)較高的熒光量子效率。作為猝滅型探針分子對Fe3+和Cr3+有著良好的識別能力。

［1］ 韓丙星，吳芳英. N，N-二甲基吡啶苯甲醛縮對二甲氨基苯甲酰腙的合成及對Cu2+的選擇性識別［J］.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報，2013，34(11):2483-2487.

［2］ 孫一峰，潘文龍，吳仁濤，等. 微波輔助合成雙1，2，4-三嗪化合物及其熒光特性研究［J］. 有機化學(xué)，2006，26(8):1079-1082.

［3］ 徐棟，王鳴明，曾瑞杰，等. 雙席夫堿熒光探針的合成及金屬離子的選擇性識別［J］. 應(yīng)用化工，2013，42(9):1712-1715.

［4］ 龐田田，王輝，史建華，等. 水楊醛類雙希夫堿合成及其離子響應(yīng)研究［J］.應(yīng)用化工，2013，42(5):926-928.

［5］ Zhang Junli，Zhang Lin，Zhou Yanmei，et al.A highly selective fluorescent probe for the detection of palladium(II)ion in cells and aqueous media［J］. Microchimica Acta，2013，180(3/4):211-217.

［6］ Nolan E M，Lippard S J. Tools and tactics for the optical detection of mercuric ion［J］.Chem Rev，2008，108(9):3443-3480.

［7］ Domaille D W，Que E L，Chang C J.Synthetic fluorescent sensors for studying the cell biology of metal［J］. Nat Chem Biol，2008(4):168-175.

［8］ 慈云祥，賈欣.熒光量子效率的簡化測量方法［J］. 分析化學(xué)，1986，14(8):616-617.

［9］ De Silva A P，Gunaratne H Q N，Gunnlaugsson T，et al.Signaling recognition events with fluorescent sensors and switches［J］.Chem Rev，1997，97(5):1515-1566.