吳福勇，余 梅，牟 蘭，曾 晞*，王瑞曉，大和武彥

1. 貴州省大環(huán)化學(xué)及超分子化學(xué)重點實驗室，貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽 550025 2. Department of Applied Chemistry, Faculty of Science and Engineering, Saga University, Honjo-machi 1, Saga 840-8502, Japan

硫雜杯[4]熒光探針的離子識別及分子邏輯門研究

吳福勇1，余 梅1，牟 蘭1，曾 晞1*，王瑞曉1，大和武彥2

1. 貴州省大環(huán)化學(xué)及超分子化學(xué)重點實驗室，貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽 550025 2. Department of Applied Chemistry, Faculty of Science and Engineering, Saga University, Honjo-machi 1, Saga 840-8502, Japan

以硫雜杯[4]芳烴為母體，在其1,3-位連接羥乙基鄰苯二甲酰亞胺，2,4-位以三氮唑為連接基，將芐基引入硫雜杯[4]芳烴的下沿，得到硫雜杯[4]-鄰苯二甲酰亞胺衍生物熒光探針(s1)。探針s1發(fā)射強烈熒光，在CH3CN介質(zhì)中的相對熒光量子產(chǎn)率為0.43。在DMF/H2O介質(zhì)中，以310 nm為激發(fā)波長，F(xiàn)e3+能選擇性猝滅探針s1在390 nm處的熒光；在CH3CN介質(zhì)中，以245 nm為激發(fā)波長，I-能選擇性猝滅探針s1在310 nm處的熒光，光譜滴定和等溫滴定量熱均測出探針s1與Fe3+或與I-形成1∶1配合物，結(jié)合常數(shù)均達105。結(jié)合自由能表明配合為自發(fā)過程。熒光猝滅檢測Fe3+和 I-的濃度線性范圍分別為1.0×10-7～1.6×10-4mol·L-1和1.0×10-7～8.5×10-5mol·L-1，檢測限分別為2.30×10-8mol·L-1和1.17×10-8mol·L-1。同時，利用識別和競爭配合作用，控制Fe3+和F-的輸入使探針s1發(fā)射熒光或熒光猝滅，構(gòu)建了分子水平上的邏輯電路。紅外光譜推測探針s1分子中三氮唑基的氮原子參與了識別Fe3+的配位，而探針s1分子中三氮唑環(huán)上的芳?xì)渑cI-形成氫鍵而實現(xiàn)識別。

1,3-交替硫雜杯[4]芳烴；熒光探針；分子邏輯門；Fe3+；I-

引 言

近年來，由于橋聯(lián)硫原子的引入，硫雜杯[4]芳烴衍生物作為熒光探針顯示了比經(jīng)典杯芳烴對軟、硬金屬離子更好的識別性能[1-5]，但在響應(yīng)的專屬性、識別的多功能性及條件應(yīng)用的廣泛性等方面存在很多值得研究的空間，特別是能同時檢測陰、陽離子的研究報道相對較少。分子邏輯門作為分子器件之一，具有尺寸小、設(shè)計合成可控、存儲量大、反應(yīng)速度快、人工智能等優(yōu)點[6]。利用探針對不同離子的選擇性識別導(dǎo)致的光開關(guān)效應(yīng)，通過簡單的分子/離子信號傳輸，在分子水平構(gòu)建有效邏輯電路，可運用于微處理器電子儲存[7]、分子鍵盤鎖[8]、分子交通信號邏輯電路[9]等。Tomiyasu等[10]報道了1,3-交替硫雜杯[4]芳烴冠醚連接芘的探針，通過變構(gòu)結(jié)合選擇性識別K+，Cl-，Br-；Kumar等[11]合成了系列含萘基團的1,3-交替硫雜杯[4]芳烴作為CN-比率熒光探針，并與Fe3+形成互斥或非邏輯門(XNOR Gate)；Sharma等[12]合成的1,3-交替熒光素硫雜杯[4]芳烴，在乙腈-水溶液中為CN-的熒光增強型探針，并與Cu2+組成時序邏輯電路(Sequential Logic Circuit)。作為重要的生命相關(guān)離子，F(xiàn)e3+和I-在不同生理過程及環(huán)境中都起著重要作用[13, 14]，因此設(shè)計結(jié)構(gòu)新穎，性能優(yōu)越，能同時檢測微量Fe3+和I-的熒光探針在生命科學(xué)研究中有應(yīng)用前景。

以硫雜杯[4]芳烴為結(jié)構(gòu)平臺，利用三步反應(yīng)分別對杯芳烴上、下沿進行修飾，得到含三唑環(huán)的硫雜杯[4]-鄰苯二甲酰亞胺衍生物探針s1。探針s1在DMF/H2O的中性介質(zhì)或CH3CN中能檢測微量Fe3+和I-，識別選擇性好、檢測靈敏度高。同時，控制Fe3+和F-輸入，構(gòu)建了以探針熒光為輸出信號的隱示門分子邏輯電路(Imply Gate)。顯示了硫雜杯[4]芳烴類熒光探針在離子識別檢測和分子器件研究中潛在的價值。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Cary Eclipse熒光分光光度計(美國Varian)；Nova-400核磁共振波譜儀(美國Varian)；JEOL ECX-500核磁共振譜儀(日本電子株式會社)；LC/MSD質(zhì)譜儀(美國Agilent)；Vertex 70 FTIR紅外光譜儀(德國Bruker)；Nano等溫量熱滴定儀(美國TA)；X-5數(shù)字顯示顯微熔點測定儀(北京泰克儀器有限公司，溫度未校正)。

1.2 探針s1的合成

以硫雜杯[4]芳烴為原料，在1,3-位的兩個酚羥基上引入羥乙基鄰苯二甲酰亞胺得到中間體a；碳酸銫存在下，再將a與溴丙炔作用，得到1,3-交替硫雜杯[4]芳烴b；以碘化亞銅作催化劑將中間體b與疊氮化芐反應(yīng)，得到目標(biāo)探針s1。合成路線如Scheme 1。

Scheme 1 Synthesis of probe s1

N2保護下，50 mL圓底燒瓶中分別加入硫雜杯[4]芳烴(721 mg，1.00 mmol)，羥乙基鄰苯二甲酰亞胺(1.75 g，8.57 mmol)，三苯基膦(800 mg，3.05 mmol)及20 mL四氫呋喃(THF)，冰浴下攪拌緩慢滴加偶氮二甲酸二乙酯(531 mg，3.05 mmol)，而后室溫攪拌反應(yīng)，TLC檢測反應(yīng)進程(乙酸乙酯/正己烷=1/4，φ)，直至硫雜杯[4]芳烴反應(yīng)完畢。蒸除溶劑，趁熱加入熱甲醇，冷卻后析出大量白色固體，柱層析分離(二氯甲烷過柱)得748 mg白色固體中間體a，產(chǎn)率70%。m.p. 288～290 ℃;1H NMR(500 MHz, CDCl3)δ(ppm): 7.830～7.840(m, 2H, ArH), 7.560～7.577(m, 2H, ArH), 7.487(s, 2H, ArH), 7.264(d, 2H, J=7.5Hz, -OH), 6.828(s, 2H, ArH), 4.880(t, 2H, J=6.0Hz, —OCH2-), 4.457(t, 2H, J=5.5 Hz, —NCH2-), 1.284[s, 9H, C(CH3)3], 0.738[s, 9H, C(CH3)3]; IR(KBr, cm-1)ν: 2 961, 1 775, 1 716, 1 445, 1 392, 1 242, 1 168, 1 008, 721, 530; ESI-MS：m/z1 067.10 [M+H]+。

在500 mL三口燒瓶中，加入中間體a(5.0 g，4.7 mmol)、300 mL丙酮，加熱溶解，再加入Cs2CO3(9.2 g，28.2 mmol)，加熱回流1 h。降至室溫后再加入溴代丙炔(6 g，47 mmol)，N2保護下回流反應(yīng)24 h，反應(yīng)過程用TLC監(jiān)測直至中間體a反應(yīng)完畢。蒸除溶劑，用2 mol·L-1HCl酸化至pH為2～3，CHCl3(3×60 mL)萃取，依次用蒸餾水(3×50 mL)、50 mL飽和NaHCO3溶液及50 mL飽和NaCl溶液洗滌，無水MgSO4干燥。次日過濾，蒸除CHCl3得白色固體中間體b 4.78g，產(chǎn)率為89%。m.p. 268～270 ℃;1H NMR(500 MHz, CDC13),δ(ppm): 7.89～7.87(m, 2H, ArH), 7.76(s, 2H, ArH), 7.74～7.72(m, 2H, ArH), 7.57(s, 2H, ArH), 4.70(d, 2H, J=2Hz, —OCH2-), 3.97 (t, 2H, J=8Hz, —OCH2-), 3.72(t, 2H, J=6.8Hz, —NCH2-), 2.4(s, 1H, —C≡CH), 1.34[s, 9H, C(CH3)3], 1.27[s, 9H, C(CH3)3]; IR(KBr, cm-1)ν: 3 320, 2 960, 2 126, 1 718, 1 439, 1 393, 1 266, 1 087, 1 022, 877, 718; ESI-MS:m/z1 165.30 [M+Na]+。

在100 mL三口燒瓶中，加入中間體b(200 mg, 0.176 mmol)、50 mL四氫呋喃/水(φ，4/1)，攪拌使其溶解，再加入20 mg碘化亞銅，最后加入疊氮化芐(74 mg，0.704 mmol)，N2保護下于50 ℃反應(yīng)12 h，反應(yīng)過程用TLC監(jiān)測直至中間體b反應(yīng)完畢。降至室溫，過濾，旋除THF，用CHCl3萃取，無水Na2SO4干燥。次日，過濾，蒸除溶劑，硅膠柱層析，展開劑為：石油醚/乙酸乙酯(2/1，φ)。得淡黃色固體探針s1 178 mg，產(chǎn)率72%。m.p.253～257 ℃;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ(ppm): 7.87～7.85(m, 2H, ArH), 7.72～7.69(m, 4H, ArH), 7.38～7.33(m, 5H, ArH), 7.23(s, 2H, ArH), 7.09(s, 1H, ArH), 5.58(s, 2H, —OCH2Ar), 5.06(s, 2H, ArCH2Ar), 4.14(t, 2H, J=7.2Hz, —OCH2-), 3.77(t, 2H, J=7.2Hz, —NCH2-), 1.33[s, 9H, C(CH3)3], 0.98[s, 9H, C(CH3)3]; IR(KBr, cm-1)ν: 2 958, 1 775, 1 717, 1 436, 1 390, 1 266, 1 085, 1 020, 878, 719, 533; ESI-MS：m/z1 409.30 [M+H]+。

1.3 方法

1.3.1 溶液配制

探針s1儲備液用DMF溶解，配制1.00×10-4mol·L-1濃度用于金屬離子測定；或用CH3CN溶解，配成相同濃度用于陰離子測定。Fe3+儲備液(2.00×10-3mol·L-1)：稱取80.8 mg的Fe(NO3)3·9H2O用DMF溶解，配制成100 mL溶液。其他金屬離子配制方法相同。I-儲備液(2.00×10-3mol·L-1)：稱取73.9 mg的四丁基碘化銨用CH3CN溶解，配制成100 mL溶液。其他陰離子配制方法相同。Tris-HCl 緩沖溶液(2.00×10-3mol·L-1，pH 7)：用0.02 mol·L-1的Tris和適量的HCl，調(diào)節(jié)pH值。

1.3.2 光譜測量

在10.0 mL容量瓶中依次加入探針s1(1.00×10-4mol·L-1，DMF，1 mL)，F(xiàn)e3+(2.00×10-3mol·L-1，1 mL)或其他金屬離子，Tris-HCl緩沖溶液(2.00×10-3mol·L-1，1 mL)，用DMF/H2O(φ，9/1)稀釋至刻度。測量熒光光譜，激發(fā)/發(fā)射波長為310/390 nm；在10.0 mL容量瓶中依次加入探針s1(1.00×10-4mol·L-1，CH3CN，1 mL)，I-(2.00×10-3mol·L-1，1 mL)或其陰離子，用CH3CN稀釋至刻度，測量熒光光譜，激發(fā)/發(fā)射波長為245/310 nm。

1.3.3 等溫滴定量熱測定

取1.0 mL探針s1溶液(1.00×10-4mol·L-1，DMF)注入量熱滴定池，將Fe3+溶液(1.00×10-3mol·L-1，DMF)裝入250 μL滴定注射器，恒溫至298.15 K，以250 r·min-1速率攪拌，間隔180 s，連續(xù)滴加6 μL Fe3+到量熱池中，至滴定達平衡。以DMF作為參比，扣除稀釋熱影響。I-滴定操作步驟同上，溶劑為CH3CN。

2 結(jié)果與討論

2.1 光譜性質(zhì)

在上述光譜測試條件下，分別用Fe3+或I-對探針s1(1.00×10-5mol·L-1)進行熒光光譜滴定，通過摩爾比和Job 法分別推測出探針s1與Fe3+、探針s1與I-的配合比均為1∶1。計算得Fe3+或I-與探針s1的結(jié)合常數(shù)分別為2.32×105L·mol-1和5.71×105L·mol-1。利用熒光猝滅效應(yīng)，探針s1檢測Fe3+和I-的濃度線性范圍分別為1.0×10-7～1.6×10-4mol·L-1(R=0.992 3，n=11)和1.0×10-7～8.5×10-5mol·L-1(R=0.998 9，n=10)；檢測限分別為2.30×10-8mol·L-1和1.17×10-8mol·L1，分析性能好。

相同條件下，分別考察了共存離子對探針s1識別Fe3+或I-的干擾。在探針s1-Fe3+配合物溶液中分別加入與Fe3+(2.00×10-4mol·L-1)濃度相同量的上述金屬離子作為共存離子，除Cu2+對探針s1-Fe3+配合物熒光強度有微弱影響外，其他共存離子對s1-Fe3+配合物熒光強度影響的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%[圖2(a)]。同樣，探針s1-I-配合物溶液中分別加入與I-(2.00×10-4mol·L-1)濃度相同量的上述陰離子作為共存離子，對探針s1-I-配合物的熒光強度影響的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%[圖2(b)]。探針s1對特定離子識別的選擇性高。

Fig.2 Effect of coexisting metal ions to probe s1-Fe3+complex (a) and coexisting anions to probe s1-I-complex (b)

在不同溫度下測定不同濃度Fe3+或I-對探針s1熒光強度的猝滅，根據(jù)文獻方法[15]對曲線擬合，由靜態(tài)猝滅方程得到不同溫度下的kSV(Stern-Volmer猝滅常數(shù))和kq(猝滅速率常數(shù))，結(jié)果見表1。猝滅曲線斜率均隨溫度升高而降低，根據(jù)kSV值求出的kq值均遠(yuǎn)大于2.0×1010L·moL-1，推測探針s1與Fe3+或I-的猝滅過程均為靜態(tài)猝滅。

Table 1 Interaction Sterm-Volmer quenching constant, quenching rate constants of probe s1 with Fe3+or I-at different temperatures

IonT/KrkSV×105/(L·mol-1)kq×1013/(L·mol-1·s-1)Fe3+298.15313.150.99650.99760.110.0640.110.064I-298.15313.150.99690.99811.020.611.020.61

2.2 分子邏輯門

利用Fe3+使探針s1熒光猝滅，F(xiàn)-能將探針s1-Fe3+配合物中Fe3+絡(luò)合而釋放出探針s1，使其熒光恢復(fù)的光譜現(xiàn)象，以探針s1(1×10-5mol·L-1，DMF/H2O，φ，9/1，pH 7)溶液為起始狀態(tài)，F(xiàn)e3+(2×10-4mol·L-1)，F(xiàn)-(6×10-4mol·L-1)為兩個輸入信號(Input1和Input2)，熒光為輸出信號(Output)，構(gòu)建了隱示門邏輯電路。無離子輸入時(0，0)，探針發(fā)射強熒光，輸出為1；只有F-輸入(0，1)，探針不與F-作用，仍發(fā)射強熒光，輸出為1；Fe3+和F-同時輸入(1，1)，F(xiàn)e3+與F-絡(luò)合，游離的探針仍然發(fā)射強熒光，輸出為1；而只有Fe3+輸入(1，0)，因Fe3+與探針絡(luò)合而猝滅探針熒光，輸出信號為0。圖3給出了該體系在四種不同條件下的熒光發(fā)射光譜，表2是各體系邏輯門對應(yīng)的真值表。

Fig.3 Fluorescence spectra of probe s1 (1.00×10-5mol·L-1, DMF/H2O,φ, 9/1, pH 7) with Fe3+and/or the presence of F-. Inset is implying gate logic circuit

Table 2 Truth Table for memory unit for two input signals, where 1 and 0 indicate on and off signal of probe s1

Input1(Fe3+)Input2(F-)Output(Fluo)Ⅰ001(high)Ⅱ011(high)Ⅲ100(low)Ⅳ111(high)

2.3 配合作用的表征

用等溫量熱滴定(ITC)測定了探針與離子配合作用的熱力學(xué)參數(shù)。分別在DMF和CH3CN溶劑中測得探針s1與Fe3+[圖4(a)]、與I-作用[圖4(c)]的ITC曲線，結(jié)合反應(yīng)熱對探針s1與Fe3+[圖4(b)]、或與I-[圖4(d)]的摩爾比的非線性擬合曲線。探針s1與Fe3+的配合反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，隨Fe3+濃度逐漸增大而達平衡；探針s1與I-的結(jié)合隨I-濃度逐漸增大由放熱變?yōu)槲鼰岷筅呌谄胶狻M合計算出探針s1與Fe3+和I-的結(jié)合作用常數(shù)Kα、作用位點數(shù)n、摩爾結(jié)合焓ΔH°、摩爾結(jié)合熵ΔS°及摩爾結(jié)合自由能ΔG°(表3)，表明配合反應(yīng)自發(fā)進行。配位比及結(jié)合常數(shù)與光譜檢測結(jié)果相互吻合。

Fig.4 Isothermal titration calorimetry profile (a), (c) and non-linear curve fitting (b), (d) for the binding of probe s1 to Fe3+or I-

Table 3 Complex stability constant (Kα), enthalpy (ΔH°), entropy change (TΔS°) and free energy (ΔG°) for the complexation of probe s1 with Fe3+ or I- in DMF or CH3CN solution at 298.15 K, respectively

3 結(jié) 論

研究了一種含三氮唑基的硫雜杯[4]-鄰苯二甲酰亞胺熒光探針s1，具有如下優(yōu)勢：(1)在不同溶劑介質(zhì)中，分別與Fe3+或I-形成1∶1的穩(wěn)定配合物而實現(xiàn)熒光猝滅識別，實現(xiàn)了同一探針對特定陰、陽離子的同時識別；(2)在中性水溶性介質(zhì)中對微量Fe3+的識別有別于大多數(shù)杯芳烴探針只能在有機介質(zhì)中識別金屬離子的性能，其應(yīng)用性能更好；(3)雖為熒光猝滅方式識別，但檢測Fe3+和I-的濃度線性范圍分別達3個和2個數(shù)量級，檢測限均低至10-8mol·L-1，且共存離子干擾極小，分析性能優(yōu)越；(4)利用探針及F-對Fe3+競爭配合作用，以探針的熒光發(fā)射為輸出信號，F(xiàn)e3+和F-為輸入信號，在分子水平構(gòu)建了簡單而有效的邏輯電路，探索了探針在分子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。

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*Corresponding author

The Ion Identification and Molecular Logic Gate of a Thiacalix[4]arene Fluorescent Probe

WU Fu-yong1, YU Mei1, MU Lan1, ZENG Xi1*, WANG Rui-xiao1, Takehiko Yamato2

1. Key Laboratory of Macrocyclic and Supramolecular Chemistry of Guizhou Province, Guizhou University, Guiyang 550025, China

2. Department of Applied Chemistry, Faculty of Science and Engineering, Saga University, Honjo-machi 1, Saga 840-8502, Japan

A disubstituted phthalimide-based thiacalix[4] arene derivative (probe s1) was synthesized from cone 1,3-thiacalix[4] arene and hydroxyethyl phthalimide, with benzyl appended the lower edge of thiacalix[4]-arene by triazole ring in the 2,4 position. The relative fluorescence quantum yield of probe s1 is 0.43 in CH3CN solvent. The strong fluorescence emission of probe s1 at 390 nm wavelength can be selectively quenched by Fe3+in DMF/H2O solution. Similarly, the presence of I-also induced a significant fluorescence quenching of probe s1 at 310 nm wavelength in CH3CN solution. Spectral titration and isothermal titration calorimetry were showed that probe s1 with Fe3+or I-both form 1∶1 complexes, the binding constants up to 105and coordinate process were spontaneous. The linear ranges of fluorescence detect Fe3+or I-were 1.0×10-7～1.6×10-4mol·L-1and 1.0×10-7～8.5×10-5mol·L-1, detection limits were up to 2.30×10-8mol·L-1and 1.17×10-8mol·L-1, respectively. Meanwhile, take advantage of identification and coordination action, a logic circuit constructed at the molecular level by controlling two input signals of Fe3+and F-, which causing probe s1 cycling of fluorescence emission or quenching. IR spectrum speculated that the nitrogen atoms of triazole groups are involved in the complexation with Fe3+, while the hydrogen atoms of triazole groups were complexed with I-by hydrogen bonding.

Thiacalix[4] arene derivatives; Fluorescent probe; Molecular logic gata; Fe3+; I-

Sep. 19, 2014; accepted Dec. 19, 2014)

2014-09-19，

2014-12-19

國家自然科學(xué)基金項目(21165006)，教育部“春暉計劃”項目(Z2012053)和貴州省國際合作項目(20137002)資助

吳福勇，1987年生，貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院碩士研究生 e-mail: wufuyong1987@sina.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: sci.lmou@gzu.edu.cn

O657

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)01-0157-06