宋玉梅
(西華師范大學(xué),四川 南充 637000)
陰離子在生物系統(tǒng)中無處不在,在制藥、生物學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域也發(fā)揮著非常重要的作用[1-2]?;陉庪x子引起熒光變化的陰離子選擇性受體和化學(xué)感受器的研究已引起了廣泛的關(guān)注。在過去的幾十年里,人們做了大量的努力來設(shè)計(jì)新的化學(xué)傳感器,包括顯色傳感器和熒光化學(xué)傳感器,以快速高效識(shí)別陰離子。與陽離子相比,陰離子具有較低的電荷密度、復(fù)雜的幾何形狀、且體積較大,因此對(duì)陰離子的選擇性識(shí)別具有更大的挑戰(zhàn)性。
含咪唑基團(tuán)的主體化合物對(duì)陰離子的識(shí)別得到了積極的研究。咪唑環(huán)2-位碳?xì)洌–2-H)具有一定的酸性,咪唑鎓環(huán)蕃的空腔能與陰離子形成氫鍵,是一種良好的氫鍵供體。近幾十年來,咪唑鎓環(huán)蕃一直是超分子化學(xué)研究的熱門領(lǐng)域之一。隨著對(duì)咪唑鎓環(huán)蕃化合物的深入研究,人們發(fā)現(xiàn),不同的咪唑鎓環(huán)蕃化合物具有不同的空腔結(jié)構(gòu),而不同的空腔結(jié)構(gòu)具有各自的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和性能特點(diǎn)。利用環(huán)蕃獨(dú)特的空腔結(jié)構(gòu),可以使主體化合物與外來分子或離子,形成配位化合物或超分子自組裝體系,從而到達(dá)主體化合物可以選擇性識(shí)別客體分子、離子的能力。
相關(guān)課題組報(bào)道了一系列基于咪唑類環(huán)蕃的超分子化學(xué)的陰離子識(shí)別主體,對(duì)無機(jī)陰離子,如F-,Br-,H2PO4-等,和生物有機(jī)陰離子,如ATP,GTP等,取得了較好的研究成果。本文選用與陰離子結(jié)合較強(qiáng)的咪唑鎓環(huán)蕃和比較常見的冠醚類化合物為識(shí)別位點(diǎn),設(shè)計(jì)合成了一種結(jié)構(gòu)新穎的咪唑鎓環(huán)蕃。
聯(lián)苯,氯化鋅,四丁基溴化銨,鹽酸,氫氧化鈉,石油醚,甲酸,二氯甲烷,1,2-二溴乙烷,無水碳酸鉀,間苯二酚,三氯甲烷,四氫呋喃,氫化鈉,乙腈,咪唑,碳酸氫銨,甲醇,氨水,無水硫酸鎂等均為分析純(A.R.)。
THF:加金屬Na及二苯甲酮回流到變色,蒸餾。無水乙腈:用P2O5回流,蒸餾。
W210恒溫水浴鍋;R-201型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀;DF-101S集熱式磁力攪拌器;Brucker-400型核磁共振儀;Nicolet 6700傅立葉紅外光譜儀;Bruker micrOTOF-Q II質(zhì)譜儀
1.3.1 中間產(chǎn)物1的合成
準(zhǔn)確稱取1 g(0.65mmol)聯(lián)苯、1.6 g(11.5mmol)氯化鋅、12.5 mg(0.4mmol)四丁基溴化銨、7.5mL濃鹽酸及5mL甲酸加入干燥的三頸燒瓶中,攪拌狀態(tài)下通入新制的干燥的氯化氫氣體,升溫至90℃后攪拌4h。待反應(yīng)體系冷卻至室溫后,用氯仿萃取三次。再用飽和食鹽水萃取以除去無機(jī)物。有機(jī)層用無水硫酸鎂除水,過濾,濃縮濾液。濃縮液經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑:V二氯甲烷∶V正己烷=4∶1) 分離提純得中間產(chǎn)物 1(見圖1),收率:68%,1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:7.58(d,4H,Ph-H),7.47(d,4H,Ph-H),4.64 (s,4H,-CH2-)。
圖1 中間產(chǎn)物1的合成路線
1.3.2 中間產(chǎn)物2的合成
在干燥的三頸瓶中,加入20 mL乙腈,10 mL1,2-二溴乙烷,攪拌下加入6g(40mmol)無水碳酸鉀。氮?dú)獗Wo(hù)下加入1g(10mmol)間苯二酚,回流反應(yīng)。反應(yīng)完后除去溶劑及未反應(yīng)完的1,2-二溴乙烷,加入適量NaOH溶液攪拌半小時(shí),調(diào)節(jié)pH=8~9,用氯仿萃取三次。萃取液用無水硫酸鎂干燥,過濾后濃縮濾液。濃縮液經(jīng)硅膠柱層析(VPE∶VCH2Cl2=4∶1) 分離提純,得白色固體 2。產(chǎn)率:57%,1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ:7.20(t,1H,Ph-H),6.55(d,2H,Ph-H),6.51(t,1H,Ph-H),4.28(t,4H,-CH2-),3.64 (t,4H,-CH2-)。
1.3.3 中間產(chǎn)物3的合成
在干燥的三頸瓶中,加入2.6g(100mmol)氫化鈉和10mL四氫呋喃,氮?dú)獗Wo(hù)。將6.1g(90mmol)咪唑溶于25mL四氫呋喃溶液中,再緩慢滴加到三頸瓶中,室溫?cái)嚢璋胄r(shí)后升溫到60℃,緩慢滴加含9.7g(30mmol)化合物2的四氫呋喃。反應(yīng)結(jié)束后,加入少量無水乙醇除去未反應(yīng)的氫化鈉,再減壓除去溶劑得到油狀物,在攪拌狀態(tài)下,將油狀物倒入冰水中,析出淺黃色固體。將淡黃色固體用PE-CHCl3重結(jié)晶后得白色固體3(見圖2)。1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ: 7.69(s,2H,Im-H),7.19(t,1H,Ph-H),7.10(s,2H,Im-H),7.06(s,2H,Im-H),6.51(dd,2H,Ph-H),6.39(s,1H,Ph-H),4.35(t,4H,-CH2-),4.21(t,4H,-CH2-)。
圖2 中間產(chǎn)物3的合成
1.3.4 目標(biāo)化合物咪唑鎓環(huán)蕃4的合成
將1.0 g(4mmol)4,4’-二氯甲基聯(lián)苯溶于20mL氯仿中,將1.2g(4mmol)二咪唑化合物2溶于20mL乙腈中,分別同時(shí)緩慢將兩種溶液滴入30mL乙腈中,回流反應(yīng)48 h,除去乙腈得白色固體。白色固體溶解后經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑:V甲醇∶V氨水∶V飽和碳酸氫銨溶液=5∶2∶0.5) 分離提純。將得到的固體用水溶解,過濾,將濾液滴入飽和六氟磷酸銨溶液中,析出白色沉淀,過濾,洗滌,干燥,得到目標(biāo)化合物咪唑鎓環(huán)蕃4(見圖3),產(chǎn)率:43%。1H NMR (400 MHz,DMSO) δ:9.35(s,2H,Im-H),7.81-7.80(d,4H,Im-H),7.68-7.66(d,4H,Ph-H),7.48-7.46(d,4H,Ph-H),7.20-7.16(m,1H,Ph-H),6.55-6.53(d,2H,Ph-H),6.46(s,1H,Ph-H),5.45(s,4H,-CH2-),4.55(s,4H,-CH2-),4,30(t,4H,-CH2-)。13C NMR(100 MHz,DMSO)δ:159.25,140.17,137.03,134.80,130.58,129.44,127.75,123.71,122.84,107.87,102.30,66.04,56.50,52.05,49.02,19.03。
1.3.5 陰離子識(shí)別性能測(cè)試
圖3 目標(biāo)化合物的合成
通過熒光發(fā)射光譜研究了咪唑鎓化合物4及其與不同陰離子 F-,Cl-,Br-,I-,CH3COO-,NO3-,HSO4-和H2PO4-之間的相互作用。在乙腈溶液中,以260nm光作為激發(fā)光時(shí),化合物4在308 nm處有一個(gè)較強(qiáng)的熒光發(fā)射峰(見圖4)。在咪唑鎓化合物4的乙腈溶液中分別加入F-,Cl-,Br-,I-,CH3COO-,NO3-,HSO4-和 H2PO4-陰離子的乙腈溶液后,只有H2PO4-的加入使得主體化合物在308 nm處的熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng),而其它陰離子的加入只引起熒光強(qiáng)度的微小變化。
圖4 化合物4的熒化光譜圖
已有文獻(xiàn)報(bào)道了一系列咪唑類環(huán)蕃,并研究了其對(duì)鹵素陰離子和復(fù)合陰離子的識(shí)別作用。研究證實(shí)含咪唑環(huán)的環(huán)蕃化合物是一類良好的陰離子受體。本文以間苯二酚和聯(lián)苯為原料,采用比較簡(jiǎn)單的一鍋法設(shè)計(jì)合成了新型的氧雜咪唑鎓環(huán)蕃主體化合物。該化合物中添加了氧原子,增加了環(huán)的可變形性和較多的識(shí)別位點(diǎn)。熒光測(cè)試結(jié)果表明,主體化合物4對(duì)H2PO4-具有一定的選擇性響應(yīng),有可能作為識(shí)別H2PO4-的熒光探針。