唐定國，曾榕清，姚凱月，李襄宏

(中南民族大學 化學與材料科學學院，武漢430074)

隨著化學化工、生物、醫(yī)藥及環(huán)境學科的迅速發(fā)展，對陰離子的高效識別與傳感已成為研究的熱點.HSO3-可作為食品和藥品添加劑，具有防腐、抗氧化、保鮮和抑制酶促褐變等作用.HSO3-在生理過程中起到積極作用，包括血管舒張，抗高血壓，調(diào)節(jié)血管平滑肌和心臟通道功能[1,2]，但是過量攝入會引發(fā)哮喘、呼吸困難、蕁麻疹和腸胃不適等[3].在工業(yè)排放的大量廢氣中，SO2作為有毒有害氣體，可經(jīng)呼吸系統(tǒng)進入人體或動物，經(jīng)葉面氣孔進入植物體內(nèi)后，能與水結(jié)合再分解為其衍生物SO32-和HSO3-[4,5]，過量的SO2極易轉(zhuǎn)化為HSO3-而引起酸雨，破壞陸地生態(tài)系統(tǒng)和水域生態(tài)系統(tǒng).因此，發(fā)展新的選擇性好、方便、靈敏度高的檢測陰離子的分析方法具有重要意義.

目前檢測HSO3-的方法主要有化學發(fā)光法[6]、磷光色譜分析法[7]、電化學分析法[8]和離子選擇性電極法[9,10]等.然而，這些方法或選擇性差，或需要復雜的樣品預處理，或靈敏度不足以達到樣品的檢測要求.相較而言，利用吸收光譜和熒光光譜設(shè)計的離子傳感器無需借助昂貴的儀器設(shè)備，可通過“裸眼”觀察來檢測，在實際應用中更為簡便、直觀，具有高選擇性、高靈敏度、低檢測限、操作簡單等優(yōu)點[11,12]，頗受青睞.

本文以1-乙基碘化-2-甲基苯并噻唑為原料，與5-(2-吡啶基)噻吩-2-甲醛反應制備得到目標產(chǎn)物1(合成路線如圖1).用1H NMR和MS對該化合物進行了表征，并利用紫外-可見光譜研究了Cl-，Br-，I-，NO3-，H2PO4-，CO32-，HCO3-，ClO4-，SO42-，Ac-，HS-，HSO3-等陰離子對化合物1光譜的作用情況.該化合物在CH3CN/HEPES(pH=7.0，體積比1∶99)中與HSO3-和HS-發(fā)生親核加成反應，打破了其共軛結(jié)構(gòu)，導致紫外光譜藍移137 nm，顏色由深黃色變?yōu)闊o色，裸眼即可識別.

圖1 化合物1的合成路線Fig.1 The synthetic route of the compound 1

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

紫外可見分光光度計(Shimadzu UV-2550型,日本島津)，核磁共振儀(AVAVCE III-500 MHz型,瑞士Burker)，質(zhì)譜儀(AB Scies MALDI-TOF-TOF, 北京柏萊斯特科技).4-(2-噻吩基)苯甲醛按文獻[13]合成并通過1H NMR表征，其他所用試劑購自國藥集團化學試劑有限公司，均為分析純，除特別注明外，未進行純化.

1.2 1-乙基碘化-2-甲基苯并噻唑的合成

根據(jù)文獻[14]合成1-乙基碘化-2-甲基苯并噻唑，稱取2-甲基苯并噻唑(1.0145 g，6.80 mmol)于三口燒瓶中，用真空泵抽干2-甲基苯并噻唑，加入碘化乙烷(1.2845 g，8.24 mmol)，無水乙腈(15 mL)，通入氬氣，回流24 h，停止反應，冷卻至室溫，有固體析出，減壓抽濾，濾渣用石油醚洗滌3次，真空干燥后，得到淺綠色固體0.8450 g，產(chǎn)率為37 %.1H NMR (400 MHz, Acetonitrile-d3),δ: 8.26 (d,J=8.2 Hz, 1H), 8.14 (d,J=8.5 Hz, 1H), 8.01～7.87 (m, 1H), 7.82 (t,J=7.7 Hz, 1H), 4.70(q,J=7.4 Hz, 2H), 3.13 (s, 3H), 1.55 (t,J=7.4 Hz, 3H).

1.3 化合物1的合成

依次加入1-乙基碘化-2-甲基苯并噻唑(0.0510 g，0.17 mmol)、5-(2-吡啶基)噻吩-2-甲醛(0.0394 g，0.21 mmol)，無水乙醇(10 mL)于三口燒瓶中，通入氬氣，攪拌，于80 ℃回流24 h.停止反應，冷卻至室溫，有大量橘紅色固體析出，減壓抽濾，固體用V(石油醚)∶V(乙酸乙酯)=3∶1的混溶液洗滌3次.真空干燥后，得到0.050 g紅色固體1，產(chǎn)率為57%.1H NMR (CD3CN, 400 MHz),δ: 8.58 (s, 1H), 8.25(q,J=8.30 Hz, 2H), 8.04(d,J=7.72 Hz, 1H), 7.93～7.84(m, 3H), 7.77(d,J=4.68 Hz, 3H), 7.45～7.34 (m, 2H), 4.78(q,J=6.60 Hz, 2H),1.56(t,J=6.90 Hz, 3H). MS(Maldi-TOF, CHCA):m/zcalculated for 348.97(M-I--H+), found: 348.97.

1.4 陰離子與化合物1作用的滴定實驗

準確稱取該化合物0.0040 g，并用少量乙腈溶解后轉(zhuǎn)移至10 mL容量瓶中定容得到濃度為0.9 mmol·L-1的儲備液.移取儲備液33 μL，用CH3CN/HEPES緩沖液[20 mmol·L-1，pH=7.0，V(CH3CN)∶V(HEPES)=1∶99]稀釋得到濃度為10 μmol·L-1的溶液，在光譜儀上測試得到其紫外-可見吸收光譜.

用移液槍移取3 mL化合物1溶液[10 μmol·L-1,V(CH3CN)∶V(HEPES)=1∶99]于1 cm光程長的石英槽中，以微量注射器取定量的陰離子儲備液逐步加入到石英槽內(nèi)，靜置3 min充分混合，再測定其紫外-可見吸收光譜.陰離子的總加入量不超過150 μL，以保證溶液體積無明顯變化.

2 結(jié)果與討論

2.1 紫外-可見吸收光譜研究化合物1對不同陰離子及氨基酸的識別

在HEPES緩沖體系中，研究了化合物1(10 μmol·L-1)與不同陰離子作用的紫外-可見光譜變化情況并作出其在437 nm處吸光度的柱形圖，結(jié)果見圖2.如圖2所示：當分別加入500 μmol·L-1的Cl-，Br-，I-，NO3-，H2PO4-，CO32-，HCO3-，ClO4-，SO42-，Ac-，gly，Cys，Hcys等陰離子及氨基酸時，其位于437 nm的吸收峰強度無明顯變化；而加入HSO3-之后，其位于437 nm處的最大吸收峰強度幾乎降為0. 值得一提的是，當加入HS-時，437 nm處的吸收峰強度明顯降低，但未完全消失.由此可見，在常見陰離子中，僅HSO3-和HS-對化合物1的UV-Vis吸收光譜有顯著作用.

1～15)Cl-，Br-，I-，Ac-，ClO4-，CO32-，H2PO4-，HCO3-，NO3-，SO42-，gly，Cys，Hcys，HSO3-，HS-圖2 化合物1與500 μmol·L-1不同陰離子混合后的吸光度圖Fig.2 Absorption spectra of compound 1 in the presence of 500 μmol·L-1 of different anions

2.2 紫外-可見吸收光譜研究化合物1對HSO3-的識別

化合物1與不同濃度的HSO3-作用的紫外-可見吸收光譜滴定結(jié)果見圖3.如圖3所示：向化合物1溶液中加入HSO3-后，它在437 nm處的吸光值逐漸降低，300 nm處的吸光值逐漸增強.當加入HSO3-的濃度達到2 μmol·L-1，最大吸收峰強度降至最低，再繼續(xù)加入HSO3-時，溶液的吸收光譜則不再發(fā)生明顯變化(見圖3插圖).此時，吸收光譜藍移了137 nm，溶液顏色由黃色褪為無色.這種吸收光譜和溶液顏色的變化是由于化合物1提供了與HSO3-進行1,4-加成反應的位點，導致二者反應后，化合物1中的共軛結(jié)構(gòu)被破壞，引起吸收光譜藍移.

插圖：化合物1與HSO3-的滴定曲線圖圖3 化合物1 (10 μmol·L-1)在不同濃度HSO3-溶液(0～10 μmol·L-1)中的紫外-可見光譜圖Fig.3 UV-Vis spectra of compound 1 (10 μmol·L-1) in the presence of HSO3- (0-10 μmol·L-1)

化合物1在437 nm處的吸光度值與HSO3-濃度的線性相關(guān)曲線結(jié)果見圖4.從圖4可見：化合物1與HSO3-(0～8 μmol·L-1)有較好的線性關(guān)系(線性相關(guān)系數(shù)R2=0.998),表明化合物1可用來定量檢測HSO3-的濃度.根據(jù)文獻計算方法[15], 化合物1對HSO3-的檢出限為0.21 μmol·L-1.

圖4 化合物1在437 nm處的吸光度值與HSO3-濃度的線性相關(guān)曲線Fig.4 Linear relation between absorption of compound 1 at 437 nm and concentration of HSO3-

2.3 紫外-可見吸收光譜研究化合物1對HS-的識別

圖5為不同濃度的HS-與化合物1(10 μmol·L-1)反應的紫外-可見吸收光譜變化圖.由圖5可知：加入HS-后，其紫外-可見光譜圖的峰位變化與HSO3-基本一致.與HSO3-相比，盡管二者變化趨勢和峰位十分相近，但HS-需要的反應濃度明顯增加，且437 nm處的吸收峰不能完全消失.圖5插圖a為1與HS-反應的滴定曲線，要使二者反應完全，即吸光度不再變化時所需要的HS-達到化合物1本身濃度的20倍以上，大大高于HSO3-的量.如圖5插圖b所示，化合物1與HS-(0～90 μmol·L-1)有較好的線性關(guān)系(線性相關(guān)系數(shù)R2=0.994)，表明化合物1可以用來定量檢測HS-的濃度.經(jīng)計算，化合物1對HS-的檢出限為2.5 μmol·L-1.

插圖：a)化合物1與HS-的滴定曲線圖；b)化合物1在437 nm處的吸光度值與HS-濃度(0 ～ 90 μmol·L-1)的線性相關(guān)曲線圖5 化合物1在不同濃度HS-溶液(0～400 μmol·L-1)中的紫外-可見光譜圖Fig.5 UV-Vis spectra of compound 1 in the presence of HS- solution (0-400 μmol·L-1)

2.4 化合物1對HSO3-和HS-響應的動力學研究

圖6為化合物1(10 μmol·L-1)溶液中分別加入不同濃度的HSO3-和HS-后，其吸收光譜隨時間變化的情況.可以看出，化合物1與 HSO3-的反應速度快，且需要的濃度低.尤為值得一提的是，在加入相同濃度(100 μmol·L-1)的HSO3-和HS-后，HSO3-可引起437 nm處的吸光度值迅速下降，在1 min 時即可達到平衡，吸光度值接近0；而在1 min時，HS-僅引起吸光度下降了10%，在7 min時，溶液在437 nm 處的吸光度仍然為初始值的65%.這一結(jié)果表明，在離子濃度較低的情況下，HSO3-反應速度更快，短時間內(nèi)HS-對HSO3-的識別無明顯干擾.因此，化合物1可用于快速選擇性檢測HSO3-.

圖6 化合物1在不同濃度的HSO3-和HS-溶液中紫外光譜隨時間變化曲線Fig.6 Time-dependence of UV-Vis absorption changes of compound 1 in the presence of HSO3- and HS- with different concentrations

3 結(jié)語

合成了結(jié)構(gòu)新穎，肉眼可識別HSO3-的化合物1，該化合物在CH3CN/HEPES [pH=7.0，V(CH3CN)∶V(HEPES)=1∶99] 中與HSO3-發(fā)生親核加成反應，破壞其共軛結(jié)構(gòu)，導致其吸收光譜發(fā)生顯著藍移，顏色由黃色變?yōu)闊o色，裸眼即可識別，具有很強的實用性.此外，化合物1對HSO3-具有響應時間快、檢測限低(0.21 μmol·L-1)、操作簡便且檢測迅速的特點.盡管HS-的存在可能會對化合物1識別HSO3-造成一定干擾，但因其反應需要較高濃度和較長時間，化合物1仍然可在離子濃度較低的情況下，短時間內(nèi)快速地選擇性識別HSO3-.

參 考 文 獻

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