馮泳蘭　方敬賢　劉超　伍徐孟　許猛　蔣伍玖　庾江喜　譚宇星　鄺代治(衡陽師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，功能金屬有機(jī)材料湖南省普通高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，衡陽4008)(湘南學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)系，郴州43043)

3，5-二氯水楊醛縮羅丹明B酰腙的合成及對Cu2+高選擇性識別

馮泳蘭＊,1方敬賢1劉超1伍徐孟2許猛1蔣伍玖1庾江喜1譚宇星1鄺代治1
(1衡陽師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，功能金屬有機(jī)材料湖南省普通高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，衡陽421008)
(2湘南學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)系，郴州423043)

設(shè)計合成了一種可逆的Cu2+比色探針3，5-二氯水楊醛縮羅丹明B酰腙(L)，采用IR、1H NMR、13C NMR、元素分析和X射線單晶衍射對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。利用紫外-可見吸收光譜考察了探針對金屬離子的識別性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，探針L在乙腈/烏洛托品(pH 5.6)緩沖體系中，當(dāng)加入Cu2+后，溶液從無色變?yōu)槊倒寮t色，而加入其它金屬離子，溶液顏色幾乎無變化，可實(shí)現(xiàn)3，5-二氯水楊醛縮羅丹明B酰腙探針對Cu2+高靈敏、專一顯色響應(yīng)，最低檢測限達(dá)到了9.30×10-8mol·L-1。

3，5-二氯水楊醛縮羅丹明B酰腙；晶體結(jié)構(gòu)；銅離子；識別

銅及其化合物和合金廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和醫(yī)藥，銅也是人體內(nèi)一種非常重要的微量元素[1-2]，但生命體內(nèi)超量的銅有害[3-5]，影響人類的健康和動植物的繁衍生存。隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，銅又造成對環(huán)境嚴(yán)重的重金屬污染，檢測環(huán)境中銅離子含量已成為環(huán)境檢測中的一項(xiàng)重要指標(biāo)；因此，建立對環(huán)境中銅離子簡便、快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測方法具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，一直也是化學(xué)工作者高度關(guān)注的領(lǐng)域。檢測銅離子的方法主要有電化學(xué)分析法[6]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法[7]、原子吸收光譜法[8]、熒光光譜法[9]、分光光度法[10]等。在眾多檢測銅離子方法中，因分光光度法儀器廉價、操作簡便、分析快速和成本低等特點(diǎn)受到分析工作者的青睞[11]。

羅丹明B衍生物具有良好的水溶性，吸收波長位于可見光區(qū)，摩爾吸光系數(shù)大，是一種良好的金屬離子探針的發(fā)色團(tuán)，當(dāng)羅丹明衍生物中加入重金屬離子時，能從閉環(huán)內(nèi)酰胺狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_環(huán)酰胺狀態(tài)，導(dǎo)致溶液顏色的改變，實(shí)現(xiàn)對金屬離子的可視檢測[12-13]。表1列出了紫外可見光度法中環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(HJ 485-2009，HJ 486-2009)和羅丹明衍生物用于環(huán)境水中測定銅的方法。

表1不同試劑用于環(huán)境水中Cu2+測定結(jié)果(紫外可見光度法)Table 1 Different reagents for the measurement results for Cu2+in environmental water(UV-Visible spectroscopy)

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器和試劑

IR用日本島津Prestige-21紅外光譜儀(4 000～400 cm-1，KBr壓片)測定；1H和13C NMR用瑞士Bruker AVANCE-400核磁共振儀(TMS內(nèi)標(biāo))測定；元素分析用美國PE-2400(Ⅱ)元素分析儀測定；晶體結(jié)構(gòu)用Bruker SMART APEXⅡCCD單晶衍射儀測定；紫外-可見光譜用日本島津UV-2550光譜儀測定；酸度用上海雷磁PHS-3C酸度計測定；熔點(diǎn)用北京泰克X-4雙目體視顯微熔點(diǎn)測定儀測定(溫度計未經(jīng)校正)。

硝酸、鹽酸為優(yōu)級純，金屬或金屬離子試劑均為高純試劑，乙腈為色譜純，其他試劑為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1.2合成

圖1探針L的合成線路圖Fig.1 Synthesis of Probe L

1.2.1羅丹明B酰肼的合成

[18-19]方法，在250 mL三口燒瓶中，加入9.58 g(10 mmol)羅丹明B和120 mL乙醇，混勻后，滴加24 mL一水合肼，攪拌回流2 h。反應(yīng)完成后，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)部分溶劑，用1 mol·L-1的NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH值為9～10，析出紅色固體，抽濾，用少量蒸餾水洗滌，干燥，得桃紅色粉末6.94 g，產(chǎn)率76%。m.p.296～297℃(dec)。元素分析(C28H34N4O2)實(shí)測值(計算值)%：C，72.99(73.33)；H，7.51(7.47)；N，12.76(12.22)。IR(KBr，cm-1)：2 972(w)，2 365(w)，1 693 (m)，1 612(s)，1 547(m)，1 513(vs)，1 467(m)，1 426 (m)，1 398(w)，1 374(w)，1 358(m)，1 327(w)，1 302(w)，1 216(s)，1 116(vs)，818(m)，786(m)，757(m)，698(m)。1H NMR(CDCl3，400 MHz):δ 7.93(m，1H，Ar-H)，7.48 (m，2H，Ar-H)，7.10(m，1H，Ar-H)，6.45(t，J=8.4 Hz，2H，Xanthene-H)，6.42(s，2H，Xanthene-H)，6.30(d，J= 8.0 Hz，2H，Xanthene-H)，3.61(s，2H，N H2)，3.45(m，8H，N(C H2CH3)2)，1.17(t，J=8.5 Hz，12H，N(CH2C H3)2)。13C NMR(CDCl3，100 MHz):δ 166.09，153.88，151.57，148.96，132.41，130.09，128.06，128.01，123.81，122.9 4，108.18，104.87，98.12，66.00，44.43，12.60。

1.2.23，5-二氯水楊醛縮羅丹明B酰肼的合成

在50 mL圓底燒瓶中，加入0.457 g(1 mmol)羅丹明B酰肼、0.191 g(1 mmol)3，5-二氯水楊醛、25 mL無水乙醇，攪拌回流8 h，待反應(yīng)完成后，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)溶劑，析出固體，用甲醇重結(jié)晶。得到淡黃色晶體0.453 g，產(chǎn)率72%。m.p.203～206℃。元素分析(C35H34Cl2N4O3)實(shí)測值(計算值)%：C，66.71(66.77)；H，5.49(5.44)；N，8.99(8.90)。IR(KBr，cm-1)：3 358(m)，2 965(m)，2 872(m)，2 358(m)，1 708(m)，1 651(w)，1 515(w)，1 429(m)，1 377(m)，1 238(w)，1 134(s)，1 091 (s)，1 047(vs)，995(s)，880(m)，808(m)，661(m)。1H NMR (CDCl3，400 MHz):δ 11.47(s，1H，phen-O H)，8.82(s，1H，N=C-H)，7.98(d，J=7.2 Hz，1H，Ar-H)，7.54～7.48 (m，2H，Ar-H)，7.14(d，J=7.2 Hz，1H，Ar-H)，7.24(s，1H，phen-H)，6.94(s,1H,phen-H)，6.47(d，J=8.4 Hz，2H,Xanthene-H),6.47(s,2H，Xanthene-H),6.26(d，J=8.8 Hz,2H,Xanthene-H),3.33(q,J=7.2 Hz,8H,-N(C H2CH3)2), 1.16(t,J=7.2 Hz,12H,-N(CH2C H3)2)。13C NMR(CDCl3, 100 MHz):δ 164.48，153.29，152.92，151.35，149.23，148.91,133.78,130.56，128.84，128.75，128.55，127.87, 124.06，123.46，123.17，122.30，120.32,108.33,104.87, 98.23，66.28，44.33，12.56。

1.3晶體結(jié)構(gòu)測定

選取尺寸為0.20 mm×0.20 mm×0.18 mm的探針L晶體，在Bruker SMART APEXⅡCCD單晶衍射儀上，采用經(jīng)石墨單色化的Mo Kα射線(λ= 0.071 073 nm)，以φ～ω掃描方式收集衍射數(shù)據(jù)?；衔風(fēng)在1.82°～25.10°范圍內(nèi)共收集16 347個衍射點(diǎn)，其中獨(dú)立衍射點(diǎn)5 641個(Rint=0.025 2)，用于結(jié)構(gòu)精修的可觀察衍射點(diǎn)4 585個(I＞2σ(I))。全部數(shù)據(jù)經(jīng)Lp因子和多重掃描吸收校正。晶體結(jié)構(gòu)由直接法解出，全部非氫原子坐標(biāo)在隨后的差值傅立葉合成中陸續(xù)確定。對非氫原子坐標(biāo)及其各向異性熱參數(shù)用SHELXL[20]進(jìn)行全矩陣最小二乘法修正至收斂。氫原子為理論加氫并采用“跨式(riding model)模型”進(jìn)行修正。

CCDC：1053264，L。

1.4溶液的配制及樣品的前處理

探針L儲備液(1 mmol·L-1)：稱取0.031 5 g探針L，用DMF溶解，定容至50 mL。

乙腈-烏洛托品緩沖溶液(約0.05 mol·L-1)：稱取0.7 g烏洛托品，用水稀釋至約50 mL，用濃鹽酸調(diào)pH值至5.6，再加入50 mL乙腈混勻(該溶液現(xiàn)用現(xiàn)配)。

Cu2+標(biāo)準(zhǔn)液(1 mmol·L-1)：稱取0.124 8 g CuSO4· 5H2O溶解于水中，并稀釋至500 mL。

其它金屬離子溶液(1 mmol·L-1)：Hg2+為汞單質(zhì)經(jīng)硝酸溶解配置，Sm3+為Sm2O3經(jīng)鹽酸溶解配置，Ca2+為CaCO3經(jīng)鹽酸溶解配置，Mn2+、Fe2+為硫酸鹽配置，其余均為硝酸鹽或氯化物配置。

樣品處理：湘江水樣品取自衡陽市湘江東洲島段，水樣經(jīng)普通抽濾，再經(jīng)0.45 μm水系濾膜過濾，冷藏備用；自來水樣品經(jīng)0.45 μm水系濾膜過濾，冷藏備用。

1.5測定方法

探針L對金屬離子的識別測定：于10 mL比色管中依次加入100 μL 1 mmol·L-1探針L、100 μL 1 mmol·L-1不同金屬離子標(biāo)準(zhǔn)液，用乙腈-烏洛托品緩沖溶液定容至5 mL，搖勻，放置10 min后，用1 cm石英比色皿，掃描吸收光譜(450～700 nm)。

樣品測定：在10 mL比色管中依次加入50 μL 1 mmol·L-1探針L、不同濃度的樣品溶液，用乙腈-烏洛托品緩沖溶液定容至5 mL，搖勻，放置10 min后，用1 cm石英比色皿，于560 nm處，測定其吸光值。

2　結(jié)果與討論

2.1探針L的晶體結(jié)構(gòu)分析

探針L的晶體學(xué)數(shù)據(jù)見表2，化合物的分子結(jié)構(gòu)如圖2所示，從圖中可以看出C15、C13、C8、C14、N3原子組成五元雜環(huán)，說明探針L是以閉合螺環(huán)的形式存在；3，5-二氯水楊醛酚羥基氧原子O3與Schiff堿部分中C=N雙鍵中的N4原子形成分子內(nèi)氫鍵，形成一個由N4、C7、C1、C2、O3組成的六元環(huán)結(jié)構(gòu)，此六元環(huán)與3，5-二氯水楊醛基苯環(huán)共平面，且與氧蒽雜環(huán)接近垂直。

圖2探針L的分子結(jié)構(gòu)圖(橢球率30%)Fig.2 Molecular structure of probe L with 30% probability ellipsoids

2.2紫外-可見光譜實(shí)驗(yàn)條件的選擇

實(shí)驗(yàn)考察了溶劑體系、pH值及響應(yīng)時間對探針L識別Cu2+的影響。在乙腈含量20%～80%(體積分?jǐn)?shù))范圍內(nèi)，探針L對Cu2+產(chǎn)生較為穩(wěn)定的吸收增強(qiáng)響應(yīng)，因此實(shí)驗(yàn)選擇乙腈與緩沖溶液體積比為1∶1進(jìn)行測試。由圖3可知，在560 nm處，探針L在pH=3左右存在較弱吸收，在pH＞5無明顯吸收；當(dāng)加入Cu2+后，探針L在560 nm處的吸收顯著增強(qiáng)，且在pH=5～6吸收增強(qiáng)最大，因此選擇pH 5.6(烏洛托品-鹽酸緩沖體系)為最優(yōu)pH值。在乙腈-烏洛托品(體積比1∶1)溶液中，測試了探針L(10 μmol·L-1)對Cu2+的響應(yīng)時間，如圖4所示，探針L識別Cu2+的過程在5 min后達(dá)到穩(wěn)定；因此，在紫外-可見光譜法研究中，實(shí)驗(yàn)選擇乙腈-烏洛托品(體積比1∶1)為溶劑體系，加入金屬離子10 min后記錄光譜數(shù)據(jù)。

圖3不同pH值下探針L對Cu2+的識別(560 nm處吸收)Fig.3 Recognition of Cu2+by L under different pH values (absorbance at 560 nm)

表2探針L的晶體學(xué)數(shù)據(jù)Table 2 Crystallographic data of probe L

圖4時間對探針L識別Cu2+的影響(560 nm處吸收)Fig.4 Time dependent absorbance changes of L with Cu2+(absorbance at 560 nm)

2.3探針L對Cu2+的選擇性識別

在20 μmol·L-1探針L的乙腈-烏洛托品(體積比1∶1)溶液中分別加入20 μmol·L-1的不同金屬離子，掃描其吸收光譜，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明：當(dāng)未加金屬離子時，探針L基本為無色；當(dāng)加入Cu2+后，探針L顯玫瑰紅色，在560 nm處吸光度明顯增強(qiáng)；當(dāng)加入其他金屬離子如：Na+，K+，Mg2+，Ba2+，Al3+，Ag+，Zn2+，Cd2+，Hg2+，F(xiàn)e2+，Mn2+，Co2+，Ni2+，Cr3+，Pb2+，Sm3+，探針L均無明顯響應(yīng)。

共存離子的影響是探針識別重要性質(zhì)之一，我們研究了金屬離子共存下，探針L對Cu2+的識別，結(jié)果顯示，當(dāng)其他金屬離子加入到探針L的乙腈-烏洛托品(體積比1∶1)溶液中時，不會產(chǎn)生明顯的吸收峰及顏色變化，但是再向該體系中加入Cu2+后，在560 nm處，吸光度明顯增強(qiáng)，溶液顏色也由無色變?yōu)槊倒寮t色。這表明在共存離子干擾存在下，探針L對Cu2+的識別具有很強(qiáng)的抗干擾能力，是一個高選擇性的Cu2+比色探針。

圖5探針L(20 μmol·L-1)中加入不同金屬離子(20 μmol·L-1)的紫外-可見吸收光譜Fig.5 Absorption spectra of probe L(20 μmol·L-1)upon addition of various metal ions(20 μmol·L-1)

2.4探針L與Cu2+的結(jié)合機(jī)理分析

Cu2+離子對探針L的紫外-可見吸收光譜滴定如圖6所示。當(dāng)不加Cu2+時，探針L主要以螺環(huán)形式存在，溶液無色；隨著Cu2+的加入，吸光度在560 nm處逐漸增強(qiáng)，證明探針L分子明顯發(fā)生了開環(huán)，溶液顏色也從無色變?yōu)槊倒寮t色，裸眼能定性分辨出溶液中是否含有Cu2+。

由圖6內(nèi)插圖(a)可以看出，在對探針L滴定中，Cu2+在與L等量時達(dá)到飽和吸光度，推測其配位比1∶1。為進(jìn)一步確定探針L與Cu2+的結(jié)合比，進(jìn)行了等物質(zhì)的量連續(xù)變化(Job′s plot)法實(shí)驗(yàn)。如圖7所示，在固定探針L與Cu2+總濃度為10 μmol·L-1條件下，測得探針L與Cu2+在物質(zhì)的量之比為0.5處出現(xiàn)最大吸收值，表明探針L與Cu2+的結(jié)合比為1∶1，探針L與Cu2+的結(jié)合常數(shù)Ka可由Benesi-Hildebrand方程[21-22]確定：

式中A0和A分別為加入Cu2+前后體系的吸光度，Amax為加入過量Cu2+時L的飽和吸光度。如圖6內(nèi)插圖(b)所示，1/(A-A0)與1/cCu存在良好的線性關(guān)系，線性系數(shù)r=0.999 5，這進(jìn)一步表明探針L與Cu2+的結(jié)合比為1∶1，由擬合曲線的截距與斜率的比值計算得出結(jié)合常數(shù)Ka=2.86×104L·mol-1。

圖6乙腈-烏洛托品(1∶1,V/V)溶液中Cu2+對探針L (10 μmol·L-1)的紫外-可見光譜滴定Fig.6 UV-Vis spectra changes of probe L(10 μmol·L-1) upon the addition of different amounts of Cu2+in acetonitrile-methenam ine(1∶1,V/V)

圖7探針L與Cu2+作用的Job曲線(cCu+cL=10 μmol·L-1)Fig.7 Job′s plot of L with Cu2+(cCu+cL=10 μmol·L-1)

2.5探針L對Cu2+的可逆性實(shí)驗(yàn)

實(shí)際應(yīng)用中，探針重復(fù)使用十分重要，可逆性試驗(yàn)是推斷探針與金屬離子反應(yīng)模式的一種重要方法。如圖8所示，在探針L(10 μmol·L-1)的乙腈-烏洛托品(體積比1∶1)溶液中加入等量Cu2+(10 μmol·L-1)后，在560 nm附近產(chǎn)生強(qiáng)的吸收譜帶；當(dāng)加入等量EDTA(乙二胺四乙酸二鈉)后，吸收強(qiáng)度明顯減弱；當(dāng)體系中再加入等量的Cu2+時，在560 nm附近吸收譜帶再次恢復(fù)，溶液又呈玫瑰紅色，如此循環(huán)3次后，探針L的顯色略有下降，但是靈敏度依然較高。實(shí)驗(yàn)研究表明，探針L對Cu2+的識別過程是一可逆過程，結(jié)合文獻(xiàn)[12,17,23-26]的報道，推測其識別過程：探針L的羰基氧原子以及羥基與Cu2+發(fā)生配位，并誘導(dǎo)螺內(nèi)酰胺開環(huán)，當(dāng)加入EDTA后，Cu2+與EDTA配合并導(dǎo)致探針L螺內(nèi)酰胺閉環(huán)，如圖9所示。

圖8探針L(10 μmol·L-1)中循環(huán)加入Cu2+和EDTA的紫外-可見吸收光譜Fig.8 Absorbance spectra of probe L(10 μmol·L-1) alternating upon addition of Cu2+and EDTA cycles

圖9探針L對Cu2+的識別機(jī)理Fig.9 Mechanism of probe L recognizing Cu2+

2.6線性范圍與檢出限

圖10探針L測定Cu2+的工作曲線Fig.10 Working curve of probe L determining Cu2+

探針L測定Cu2+的工作曲線如圖10所示，當(dāng)Cu2+濃度在5×10-7～1×10-5mol·L-1范圍時，其線性方程為A=0.103 1[cCu/(μmol·L-1)]，r=0.998 9；測定11次探針空白，得標(biāo)準(zhǔn)偏差S=3.21×10-3，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計算得檢出限為9.3×10-8mol·L-1。

2.7樣品測定

分別取湘江水和自來水樣品進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)(n=11)，平均回收率為99.5%～104.8%和100.2%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)分別為1.78%～6.34%和1.30%。因此方法具有較好的準(zhǔn)確性和精密度，可用于水體中Cu2+含量的測定。

表3樣品分析結(jié)果Table 3 Determ ination of Cu2+in sam ples

3　結(jié)論

合成了3，5-二氯水楊醛縮羅丹明B酰肼新探針(L)，利用紫外-可見光譜法可實(shí)現(xiàn)對水體中Cu2+的檢測。探針對Cu2+的檢出限為9.3×10-8mol·L-1，當(dāng)Cu2+存在時，溶液顏色從無色變?yōu)槊导t色，能實(shí)現(xiàn)裸眼定性識別環(huán)境水樣中Cu2+。本方法識別Cu2+具有高選擇性，常見金屬離子對檢測無干擾。建立識別的新方法成功應(yīng)用于湘江水及自來水中Cu2+的檢測，回收率在99.5%～104.8%之間，方法簡便、快捷、實(shí)用。

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3,5-Dichlorosalicylaldehyde-o-rhodam ine B Hydrazone: Synthesis and Highly Selective Recognition for Cu2+

FENG Yong-Lan＊,1FANG Jing-Xian1LIU Chao1WU Xu-Meng2XU Meng1JIANG Wu-Jiu1YU Jiang-Xi1TAN Yu-Xing1KUANG Dai-Zhi1
(1Department of Chemistry and Material Science,Key Laboratory of Functional Organometallic Materials of Hunan Provincial College;Hengyang Normal University,Hengyang,Hunan 421008,China)
(2Department of Chemistry and Life Science,Xiangnan University,Chenzhou,Hunan 423043,China)

A novel colorimetric probe,3,5-dichlorosalicylaldehyde-o-rhodamine B hydrazone(L),for Cu2+was designed,synthesized.Its structure was characterized with IR,1H NMR,13C NMR,elemental analysis and X-ray crystal diffraction.The binding property of the probe with Cu2+was examined by UV-Vis spectroscopy.The result showed in acetonitrile/methenamine(pH 5.6)buffer system,when Cu2+was added to the solution of 3,5-dichlorosalicylaldehyde-o-rhodamine B hydrazone,a dramatic color change from colorless to rose red was observed,while the other metal ions did not cause noticeable changes,which indicates that 3,5-dichlorosalicylaldehyde-orhodamine B hydrazone had a high sensitivity single selectivity colorimetric recognition for Cu2+.The detection limit for Cu2+was 9.30×10-8mol·L-1by UV-Vis spectroscopy.

3,5-dichlorosalicylaldehyde-o-rhodamine B hydrazone;crystal structure;copper ion;recognition

O614.121

A

1001-4861(2016)01-0056-07

10.11862/CJIC.2016.006

2015-06-29。收修改稿日期：2015-10-04。

湖南省自然科學(xué)基金(No.13JJ3112)、湖南省高校創(chuàng)新平臺開放基金(No.13K105)和湖南省普通高校功能金屬有機(jī)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(No.13K01)資助項(xiàng)目。

＊通信聯(lián)系人。E-mail：hnhyfyl@163.com