姜思泉，周子彥

(山東理工大學 化學工程學院， 山東 淄博 255049)

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一種1,8-萘酰亞胺類鐵離子熒光探針的合成和性能研究

姜思泉，周子彥

(山東理工大學 化學工程學院， 山東 淄博 255049)

摘要：設(shè)計并合成了以1,8-萘酰亞胺為發(fā)光基團，以希夫堿結(jié)構(gòu)為識別基團的鐵離子熒光探針，使用核磁共振氫譜對其結(jié)構(gòu)進行了表征.研究了其發(fā)光性能，并對其作為熒光探針檢測Fe3+進行了研究. 研究發(fā)現(xiàn)在四氫呋喃THF/H2O (95/5, v/v)體系中其對Fe3+具有很高的選擇性，加入Fe3+會導致體系的熒光淬滅.該探針對Fe3+的檢出限可達到8.12×10-7mol/L，是一種很有前景的含水介質(zhì)Fe3+熒光探針.

關(guān)鍵詞：1,8-萘酰亞胺；希夫堿；熒光探針；Fe3+

金屬離子與環(huán)境科學、生命科學、醫(yī)學等多個領(lǐng)域的關(guān)系都是十分密切的，其識別、檢測在分析化學中也占據(jù)著重要的地位，尤其是生命科學中離子分析方向，更是人們所矚目的前沿課題[1]. 鐵作為地殼中含量第三的元素，其在含水介質(zhì)中的定向檢測和測量更是受到了極大的關(guān)注[2]. 鐵離子在許多細胞水平上的生理代謝中起到了關(guān)鍵作用[3]. 當機體內(nèi)鐵離子濃度超出或低于細胞所需的濃度范圍時就會擾亂生命系統(tǒng)的正?；顒佣辜毎卸? 從而引起嚴重的鐵代謝障礙疾病，比如阿耳茨海默氏老年癡呆病[4]，帕金森氏綜合癥[5]和其他神經(jīng)退化性疾病[6]. 因此，對鐵離子熒光傳感器的研究對于環(huán)境及生命科學都具有重大的意義[7]. 與其他過渡金屬如銅離子、汞離子相比，關(guān)于鐵離子的熒光傳感器的報道相對較少.Gao等人報道了以香豆素衍生物作為鐵離子熒光探針，但無水的檢測體系限制了其應(yīng)用[8]. 鐵離子由于順磁特性，所報道的鐵離子傳感器絕大多都是熒光淬滅型的. 本文以1,8-萘酰亞胺為熒光基團，以希夫堿結(jié)構(gòu)為識別基團，合成了一種新的熒光物質(zhì)，并對其在含水介質(zhì)中檢測鐵離子的能力進行了研究.

1　實驗部分

1.1試劑和儀器

核磁共振波譜儀(AV-400 瑞士布魯克)紫外-可見分光光度計(UV-3600 日本島津)熒光分光光度計(F-380 中國港東) 數(shù)字熔點儀(WRS-1B上海物光)數(shù)顯智能控溫磁力攪拌器(SZCL-A鄭州長城)真空干燥箱(DZF-6021 上海一恒)．

4-溴-1,8-萘酐；80%水合肼；正辛胺；β-萘酚；六次甲基四胺；無水乙醇；乙二醇丁醚；冰乙酸；濃硫酸；所用試劑和溶劑為國內(nèi)市售分析純. 各種不同金屬離子溶液的配制為:Ag+，Pb2+由其硝酸鹽配制，其他金屬離子由其氯化物配制．

1.2探針化合物的合成(圖1)

圖1　探針化合物的合成路線

1.2.1N-氨基-4-溴-1,8-萘酰亞胺(Inter-M1)的合成

在裝有攪拌磁子，恒壓漏斗和回流冷凝管的100mL三口燒瓶中加入4-溴-1,8-萘酐 (0.75g，2.7mmol)，50mL無水乙醇，攪拌加熱回流條件下緩慢加入80%水合肼(0.17g, 2.7mmol)，加畢，回流反應(yīng)過夜.TLC跟蹤反應(yīng)完全，趁熱抽濾，用熱無水乙醇洗滌濾餅(50mL×3). 真空干燥，得淡綠色固體0.75g，產(chǎn)率95%.1HNMR(氘代DMSO,TMS)δ：8.66~8.49 (m, 2H), 8.40~ 8.29 (m, 1H), 8.28~8.16 (m, 1H), 8.08~7.94 (m, 1H), 5.81 (s, 2H).

1.2.2N-氨基-4-((N-正辛基)-氨基)-1,8-萘酰亞胺(Inter-M2)的合成

在裝有攪拌磁子和回流冷凝管的50mL三口燒瓶中加入Inter-M1 (0.29g, 1.0mmol)，正辛胺(0.26g, 2.0mmol)，20mL乙二醇丁醚，攪拌加熱至回流反應(yīng)3h. 反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，將反應(yīng)液傾入到200mL蒸餾水中析出大量固體，劇烈攪拌1h后靜置過夜，抽濾，得深黃色固體，濾餅用蒸餾水洗滌，真空干燥得產(chǎn)物0.28g，產(chǎn)率86%.1HNMR(氘代DMSO,TMS)δ： 8.73 (d,J= 8.0Hz, 1H), 8.45 (d,J= 7.0Hz, 1H), 8.27 (d,J= 8.3Hz, 1H), 7.84 (s, 1H), 7.69 (t,J= 7.1Hz, 1H), 6.77 (d,J= 8.1Hz, 1H), 5.73 (s, 2H), 3.43 ~3.33 (m, 2H), 1.79~ 1.61 (m, 2H), 1.51~1.16 (m, 10H), 0.85 (s, 3H).

1.2.32-羥基-1-萘甲醛(Inter-M3)的合成

參考文獻[9]的方案，在裝有攪拌器、滴液漏斗和回流冷凝管的三口瓶中加入15mL乙酸，加熱攪拌下依次加入β-萘酚(10.5g, 0.073mol)和六次甲基四胺(12g, 0.086mol). 在90℃滴加濃硫酸(9mL, 0.166mol). 滴畢，于97℃攪拌反應(yīng)2.5 h后傾入100mL蒸餾水中，抽濾，濾餅水洗至中性，干燥，無水乙醇重結(jié)晶得淺黃色針狀晶體8.68g，產(chǎn)率69%. 熔點:81.0~81.7℃(文獻值80 ~ 81℃).1H NMR (CDCl3, TMS) δ：13.12 (s, 1H), 10.83 (s, 1H), 8.36 (d, J = 8.3 Hz, 1H), 7.99 (d, J = 7.1 Hz, 1H), 7.83 (d, J = 8.1 Hz, 1H), 7.63~ 7.43 (m, 1H), 7.45~7.32 (m, 1H), 7.15 (d, J = 8.0 Hz, 1H).

1.2.4探針化合物1的合成

在裝有攪拌磁子和回流冷凝管的100mL三口燒瓶中加入Inter-M2 (0.28g, 0.8mmol)，Inter-M3 (0.18mg，1.0mmol)，催化劑量的冰乙酸和40mL無水乙醇.攪拌加熱至回流反應(yīng)2h，反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，析出黃色沉淀. 抽濾, 濾餅用無水乙醇重結(jié)晶，得淡黃色絮狀固體0.38g，產(chǎn)率90.0%.1HNMR(氘代DMSO, 400MHz,TMS)δ(ppm) 12.72 (s, 1H), 9.79 (s, 1H), 8.80 (d,J= 8.4Hz,1H),8.54(d,J=7.2Hz,1H),8.47(d,J=8.8Hz,1H),8.36(d,J=8.8Hz,1H),8.11(t,J=9.2Hz,1H),7.96~7.94(m,2H),7.77(dd,J1=8.0Hz,J2=7.6Hz,1H),7.63(dd,J1=7.6Hz,J2=7.6Hz,1H),7.47(dd,J1=7.6Hz,J2=7.2Hz,1H),7.32(d,J=8.8Hz,1H),6.86(d,J=8.4Hz,1H),1.75~1.71(m,2H),1.43~1.27(m,12H),0.86~0.84(m,3H).

2　結(jié)果與分析

2.1化合物1發(fā)光性能的研究

1,8-萘酰亞胺類化合物在可見光下可以發(fā)出強烈的黃綠色熒光且具有較高的熒光量子產(chǎn)率，因此是最早被廣泛研究的熒光類發(fā)光物質(zhì)，并且已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于紡織、油墨、印染、涂料、染料等行業(yè). 本方案設(shè)計合成的探針化合物1不僅具有1,8-萘酰亞胺骨架，并且含有C=N雙鍵使其共軛鏈得到增強，因此也應(yīng)該具有良好的發(fā)光性能.

為了探究化合物1的發(fā)光性能，對化合物1在THF溶液中的發(fā)光光譜進行了測試，結(jié)果如圖2所示，化合物1的最大激發(fā)波長λex為467nm，最大發(fā)射波長λem為512nm，這屬于典型的萘酰亞胺衍生物的發(fā)射光譜. 為了研究化合物1的發(fā)光能力，使用相對值法對化合物1的熒光量子產(chǎn)率(φf)進行了測量，公式(1)如下：

(1)

其中φfstand=0.55，nx和nstand分別為樣品溶液和標準物溶液的折射率，F(xiàn)x和Fstand分別為樣品和標準物的熒光發(fā)射強度.

圖2　探針化合物1在四氫呋喃溶液中的發(fā)光光譜(激發(fā)，發(fā)射狹縫均為2.5nm)

標準物的成分是硫酸奎寧濃度為1.0×10-5mol·L-1的稀硫酸溶液，樣品溶液是化合物1濃度為1.0×10-5mol·L-1的THF溶液. 測量方法是分別測定兩種溶液的紫外-可見吸收光譜，選取化合物1吸收曲線與硫酸奎寧標準曲線交點處的波長作為激發(fā)波長，測試化合物1的熒光發(fā)射光譜，得到其熒光發(fā)射光譜的強度，然后利用式(1)計算得到化合物1的熒光量子產(chǎn)率[10]. 化合物1的熒光量子效率的相關(guān)測試結(jié)果列于表1中.

表1化合物1熒光量子產(chǎn)率的測定結(jié)果

化合物1硫酸奎寧折射率相交處波長/nmλex/λemFxFstand?fx1.407353467/51258.57532.51.337353384/452109.695

表1中φfx為樣品的熒光量子產(chǎn)率.

2.2化合物1熒光探針性能的研究

2.2.1化合物1的選擇性研究

通過研究發(fā)現(xiàn)，化合物1在不同溶劑中發(fā)射光譜和吸收光譜的研究，我們決定使用THF/H2O(95/5,v/v)系對化合物1的識別能力進行檢測. 當1濃度為在25μmol/L時，在溶液中加入過量的常見金屬離子(包括Fe3+,Ag+,Ca2+,Cd2+,Fe2+,Ba2+,K+,Mg2+,Mn2+,Na+,Pb2+,Zn2+,Co2+)實驗結(jié)果如圖3所示，當加入過量的上述金屬離子后，其他金屬離子并沒有對1的熒光發(fā)射產(chǎn)生明顯影響，只有Fe3+對1的熒光發(fā)射產(chǎn)生了顯著的影響. 當Fe3+加入到1的溶液中后，熒光強度劇烈下降，同時溶液顏色也由黃綠色變成深褐色，并且這個顏色變化可以用肉眼所觀察到. 因此，化合物1表現(xiàn)出了對Fe3+特有的選擇性，并且整個傳感過程肉眼可見，因此1在比色傳感Fe3+方面有潛在的應(yīng)用空間.

圖3　化合物1 (25 μmol/L, THF/H2O =95/5, v/v)中加入不同金屬離子(100 μmol/L)熒光強度的變化

2.2.2不同濃度的Fe3+對化合物1熒光光譜的影響

為了進一步研究化合物1對Fe3+的傳感性能，一系列的熒光滴定實驗用以探究不同濃度的Fe3+對1熒光光譜的影響. 將不同濃度的Fe3+加入到化合物1濃度為25μmol/L的THF/H2O(95/5,v/v)溶液中，分別測定不同F(xiàn)e3+濃度下體系的發(fā)射光譜，結(jié)果如圖4所示，在Fe3+濃度在0~25μmol/L范圍內(nèi)，體系的熒光強度逐漸下降，當加入Fe3+濃度也為25μmol/L時，體系熒光幾乎完全淬滅，繼續(xù)增加體系中Fe3+含量對體系的發(fā)光影響基本不大，這說明化合物1與Fe3+是化合物1是1:1絡(luò)合的. 同時，在Fe3+濃度為0~25μmol/L范圍內(nèi)，體系熒光強度與Fe3+和1的濃度比存在相對良好的線性關(guān)系，如圖4插圖所示，在[Fe3+]/[1]在0~1之間時，體系熒光強度呈線性下降，當[Fe3+]/[1]大于1時，體系熒光強度基本不發(fā)生變化. 這同樣說明化合物1與Fe3+是1:1絡(luò)合的.

圖4　化合物1中逐漸加入Fe3+的熒光發(fā)射光譜的變化圖(25μmol/L, 298 K, THF/H2O =95/5, v/v)

2.2.3化合物1對Fe3+檢出限的研究

通過熒光滴定實驗可以發(fā)現(xiàn)Fe3+可以導致探針化合物1發(fā)射光譜的線性淬滅，為了進一步研究1對Fe3+的傳感性能，使用統(tǒng)計計量學的方法對Fe3+的檢出限進行了研究.在化合物1濃度為10μmol/L的THF/H2O(95/5,v/v)中分別加入不同濃度的Fe3+(0.25，0.5，0.75，1.0，1.25，1.5，1.75，2.0，2.25，2.5μmol/L)，并分別測定其熒光光譜，結(jié)果如圖5所示.

圖5　化合物1(10μmol/L)在THF/H2O=95/5, v/v溶液中512nm處的發(fā)射強度與Fe3+濃度(0~2.5μmol/L)的工作曲線

在化合物1濃度為10μmol/L，F(xiàn)e3+濃度為0~2.5μmol/L范圍內(nèi)，溶液體系的熒光強度隨著Fe3+的線性增加而線性降低，其變化關(guān)系為F=239.72-24.21C(R=0.99674，N=11)，結(jié)果分析如下：

線性方程組：Y=-24.21×X+239.72，R= 0.99674，S= 2.421×107，K=3.3

化合物1在THF/H2O(95/5,v/v)溶液中對Fe3+的檢出下限為8.12×10-7mol/L.

3　結(jié)論

本文設(shè)計合成了一種以1,8-萘酰亞胺為發(fā)光基團，以C=N結(jié)構(gòu)作為識別基團的一種希夫堿類化合物1，并通過核磁共振氫譜對其結(jié)構(gòu)進行了表征. 研究了化合物1的發(fā)光性能，發(fā)現(xiàn)其在四氫呋喃溶液中的最大激發(fā)和發(fā)射波長分別為467nm和512nm，熒光量子效率為0.36. 研究了化合物1在THF/H2O(95/5,v/v)溶液中對常見的金屬離子的識別能力，研究發(fā)現(xiàn)，體系中引入Fe3+能使化合物1的熒光完全淬滅，其他離子對1的發(fā)射強度影響不大，同時，隨著Fe3+的加入量逐漸增大，1的熒光強度呈現(xiàn)線性下降. 通過統(tǒng)計計量學的方法對1檢出Fe3+的下限進行了研究，發(fā)現(xiàn)1對Fe3+的檢出下限達到了8.12×10-7mol/L，遠遠低于國家規(guī)定的Fe3+檢測標準. 我們合成的探針是一種比色比率熒光探針，并且可以在含水介質(zhì)中工作，其對Fe3+的選擇性和高靈敏性使得其值得廣泛推廣.

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(編輯：姚佳良)

Synthesisandcharacterizationofafluorescentprobe

forironionbasedon1,8-naphthalimide

JIANGSi-quan,ZHOUZi-yan

(SchoolofChemicalEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Abstract:A novel fluorescent probe for the recognition of iron ionsthat utilizes naphthalimide as a luminescent group and schiff base as a recognizing group was designed and synthesized. The compound was characterized by1H NMR and the luminescence behavior was investigated. A series of Host-Guest recognition experiments revealed that the new fluorescent probe exhibited excellent selectivity for iron ions among several common metal ions in THF/H2O (95/5, v/v) solution, Fe3+could cause THF-water (95/5, v/v) solution of probe fluorescence quenching and the detection limit of Fe3+was 8.12×10-7mol/L.

Key words:1,8-naphthalimide; schiff base; fluorescent probe; Fe3+

中圖分類號：O625.63

文獻標志碼：A

文章編號：1672-6197(2015)04-0056-04

通信作者:

作者簡介：姜思泉，男，274715036@qq.com； 周子彥，男，zyzhou@sdut.edu.cn

基金項目：山東省自然科學基金資助項目(ZR2009BL024)

收稿日期：2014-10-24