李麗妹，王梅閣，楊秋生，2，段中余，2

（1 河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津300130；2 天津市本質(zhì)安全化工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300130）

鋅和銅是大多數(shù)生物必需的微量元素，也是人體內(nèi)第二和第三重要的金屬元素[1-2]，在細(xì)胞呼吸、結(jié)締組織發(fā)育等基本生理過程中起重要作用。鋅和銅過量存在于人體內(nèi)會(huì)引起嚴(yán)重的神經(jīng)退行性疾病，比如阿爾茨海默癥、前列腺癌、威爾遜氏病等[3-7]；缺銅可能會(huì)導(dǎo)致血液和神經(jīng)系統(tǒng)問題[8-9]。同時(shí)，過量的鋅和銅金屬排放還會(huì)引起嚴(yán)重的環(huán)境問題。因此，對(duì)金屬鋅和銅的識(shí)別檢測(cè)至關(guān)重要，是化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。目前對(duì)金屬鋅和銅的檢測(cè)方法很多，如原子吸收分光光度法（AAS）、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）及原子熒光分光光度法（AFS）等。離子探針作為檢測(cè)、識(shí)別離子的一種方法，具有合成簡單、靈敏度高、選擇性好、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生物、食品分析、藥物診斷等方面，具有廣闊前景[10-12]。

均三嗪是一種含大共軛結(jié)構(gòu)的含氮芳雜環(huán)，在熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)腐蝕、耐酸堿性、高強(qiáng)度等方面具有優(yōu)異性能。均三嗪衍生物具有較強(qiáng)的電子親和能力，易發(fā)生特定反應(yīng)，在分子識(shí)別、自組裝、傳感器及構(gòu)建樹狀分子中均占有重要地位[13]。席夫堿類化合物因其結(jié)構(gòu)特殊，含有C==N，是一種良好的配體，并且合成方法比較簡單[14]。將席夫堿與均三嗪結(jié)合，為離子識(shí)別提供了更多的可能性。本文以對(duì)氨基苯腈、鄰叔丁基苯酚以及3,5-二叔丁基水楊醛為原料利用醛胺縮合反應(yīng)合成了兩種含均三嗪結(jié)構(gòu)對(duì)稱三爪離子探針（見圖1），更加有利于專一性識(shí)別離子。探針1 可高選擇性識(shí)別Zn2+，探針2 通過觀察顏色變化可裸眼識(shí)別Cu2+，具有潛在的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 儀器與試劑

Bruker AC 400MHz 型核磁共振波譜儀（德國Bruker 公司生產(chǎn)，內(nèi)標(biāo)為TMS，溶劑為CDCl3，DMSO-d6）；Bruker Vector-22 型傅里葉交換紅外光 譜 儀（KBr 壓 片）； Hermo-Finnigan TLCQ Advantage 型和Shimadzu LCMS-2020 液質(zhì)聯(lián)用儀（ESI模式）；SDT-TG Q600型熱重分析儀（美國TA公司生產(chǎn)）；UV-6100 紫外-可見分光光度儀（上海元析儀器有限公司）；F-4600 Hitachi熒光光譜儀（天美科學(xué)儀器有限公司）。對(duì)氨基苯腈、三氟甲磺酸、鄰叔丁基苯酚、3,5-二叔丁基水楊醛均來自市售分析純；其他試劑均經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)方法純化后使用。

1.2 化合物制備

1.2.1 1,3,5-三-(4-胺基-苯基)三嗪（TAPT）的合成[15]

將3.86g（0.0325mol）4-氨基苯甲腈加入單口瓶中，冰浴，氬氣環(huán)境下滴加15mL（0.1665mol）三氟甲磺酸。撤去冰浴，室溫下反應(yīng)24h。加入25mL的蒸餾水，產(chǎn)生橙黃色沉淀，加入2mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH=7，沉淀溶解后變成淡黃色懸濁液，用300mL蒸餾水多次洗滌，過濾，取固體于55℃真空干燥12h，得到3.32g 淡黃色固體，產(chǎn)率86%。1H NMR（400MHz，DMSO-d6）δ=8.339～8.360（d，J=8.4Hz，6H）， 6.677～6.698 （d，J=8.4Hz， 6H）， 5.918（s，6H）。

圖1 離子探針1和2的合成路線

1.2.2 鄰叔丁基水楊醛的合成

將5.0g（0.033mol）鄰叔丁基苯酚加入到雙口瓶中，加入9.8g（0.103mol）無水氯化鎂，氬氣環(huán)境下加入100mL 四氫呋喃，開啟攪拌，加入13mL（0.101mol）三乙胺，25℃下攪拌20min，顏色變青色，再加入3.5g（0.116mol）多聚甲醛，升溫至回流，反應(yīng)5h。加入80mL蒸餾水，加入濃鹽酸調(diào)節(jié)pH=2～3，顏色為橙黃色，再加入100mL二氯甲烷攪拌，分層，將有機(jī)層用飽和食鹽水洗滌3次，無水硫酸鈉干燥有機(jī)相過夜，抽濾，旋蒸，得到黃綠色液體。柱層析（SiO2，石油醚/乙酸乙酯=200∶1）收集第一組分，得到2.36g淺黃色液體，產(chǎn)率40%。

1H NMR（400MHz，CDCl3）δ=11.82（s，1H），9.91（s，1H），7.47（s，1H），7.34（s，1H，ph-H），6.90（s，1H），1.34（s，9H）。

1.2.3 探針1的合成

將0.7g（0.002mol）TAPT 放入雙口瓶中，氬氣環(huán)境下加入100mL 乙醇，攪拌，升溫到85℃，加入1.87g （0.008mol） 鄰叔丁基水楊醛，反應(yīng)24h。趁熱將反應(yīng)液倒入冷乙醇中，過濾，用50mL 冷乙醇反復(fù)洗滌， 35℃真空干燥12h，得1.23g 黃色固體，產(chǎn)率73.8%。1H NMR（400MHz，DMSO-d6）δ=14.068 （s，3H），9.122 （s，3H），8.882～8.860 （d，J=8.8Hz，6H），7.739～7.718（d，J=8.4Hz，6H），7.593～7.570 （d，J=9.2Hz，3H），7.455～7.385 （t，J=14Hz，3H），6.996～6.957 （t，J=7.8Hz， 3H）， 1.406 （s， 27H）；13C NMR （100MHz， DMSO-d6）δ=28.2， 29.7，33.5，119.2，121.9，129.2，134.4，135.6，159.0，162.3； IR （KBr）ν： 3448 （ —OH）， 3080（Imine==C—H），2860（tert-butyl —C—H），1627（—C==N—），912，810（triazine）cm-1；ESI-MS（m/z）：[M+Na]+：857.42，F(xiàn)ound：856.30。

1.2.4 探針2的合成

將1.05g（0.003mol）TAPT 放入雙口燒瓶中，氬氣環(huán)境下加入30mL DMF 使之溶解，將2.43g（0.01mol）3,5-二叔丁基水楊醛溶于100mL 無水乙醇，用注射器將其加入雙口瓶中，在氬氣環(huán)境下，85℃反應(yīng)48h。待反應(yīng)完畢，冷卻至室溫，抽濾，并用無水乙醇沖洗，取固體60℃真空干燥，得1.60g 淡黃色固體， 產(chǎn)率53.8%。1H NMR（400MHz，CDCl3）δ=8.872～8.894 （d，J=8.8Hz，6H），8.778（s，3H），7.525～7.530（d，J=2.0Hz，6H），7.496～7.517 （d，J=8.4Hz，3H），7.312～7.318（d，J=2.4Hz，3H），1.527（s，27H），1.381（s，27H）；13C NMR （100MHz CDCl3）δ=171.0，164.8，158.5，152.5，140.8，137.2，134.3，130.3，128.6，127.1，121.5，121.4，118.2，35.1，34.2，31.5，29.4；IR （KBr）ν：3403 （—OH），2950，1913，2867（tert-butyl C—H），1621（—C==N—），873，811（triazine）cm-1；LCMS（m/z）：[M+Na]+：1026.39，F(xiàn)ound：1027.5。

1.3 離子識(shí)別實(shí)驗(yàn)

向1.0×10-5mol/L濃度的探針1 和2的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液中加入2.0×10-5mol/L的不同陽離子（Cr3+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、K+、Na+）的DMF溶液，混合均勻后，進(jìn)行紫外吸收光譜測(cè)試，觀察金屬離子加入前后的譜圖變化。向1.0×10-6mol/L濃度的探針1 和2 的DMF溶液中加入2.0×10-6mol/L的不同陽離子（Cr3+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、K+、Na+）的DMF溶液，混合均勻后，進(jìn)行熒光光譜測(cè)試，觀察金屬離子加入前后的譜圖變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱穩(wěn)定性

通過對(duì)兩種探針的熱穩(wěn)定性分析，探針1的熱分解溫度為272℃，探針2 的熱分解溫度為340℃，見圖2。探針2 的熱穩(wěn)定性比探針1 好，可能是由于叔丁基增多，使得探針共軛程度增強(qiáng)。表明引入叔丁基基團(tuán)可以提高熱穩(wěn)定性。

圖2 探針1和2的熱重分析

2.2 探針1和2識(shí)別性能

2.2.1 紫外-可見光吸收光譜分析

為了探究探針1 和2 對(duì)金屬離子的識(shí)別性能，向探針1 和2 溶液中分別加入2.0×10-5mol/L 不同金屬離子（Cr3+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、K+、Na+），紫外吸收光譜變化如圖3所示。由于探針分子具有大的共軛體系，n→π*躍遷，探針1在λ=360nm有最大吸收峰，加入Hg2+后，吸收峰強(qiáng)度顯著降低，其他離子的加入沒有引起明顯變化。探針2 在λ=345nm、373nm 處有最大吸收峰，出現(xiàn)雙峰可能是由另一個(gè)叔丁基的引入造成的。加入Cu2+后，吸收峰發(fā)生明顯變化，λ=345nm處吸收峰藍(lán)移，λ=373nm 處吸收峰消失并且在λ=430nm處出現(xiàn)新的吸收峰，自然光下，加入Cu2+后的探針溶液由無色變?yōu)辄S色；加入Hg2+后在λ=360nm形成新的吸收單峰，其他離子的加入沒有引起明顯變化。以上結(jié)果表明通過紫外吸收光譜探針1和2均能對(duì)Hg2+有識(shí)別作用，并且探針2對(duì)Cu2+還可以實(shí)現(xiàn)高選擇性的裸眼識(shí)別。

圖3 不同金屬離子對(duì)探針（1.0×10-5mol/L）的紫外吸收光譜的影響

通過探針2 與Cu2+的紫外滴定實(shí)驗(yàn)，定量研究了不同濃度的Cu2+對(duì)探針2 紫外吸收光譜的影響。如圖4 所示，隨著Cu2+濃度增加，探針2 在λ=316nm 的吸收峰藍(lán)移，λ=373nm 吸收峰逐漸消失，λ=430nm 處逐漸出現(xiàn)新的吸收峰并且吸收峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。在λ=327nm 和407nm 處形成兩個(gè)等吸收點(diǎn)，表明Cu2+與探針2 形成穩(wěn)定的配合物。通過數(shù)據(jù)的線性擬合[16-17]，計(jì)算出探針2對(duì)Cu2+的紫外最低檢出限LOD 為2.24×10-6mol/L，因此探針2 可定量檢測(cè)Cu2+。

圖4 Cu2+濃度對(duì)探針2（1.0×10-5mol/L）紫外-可見光吸收光譜圖

2.2.2 熒光光譜分析

向探針1 和2（1.0×10-6mol/L）溶液中分別加入不同金屬離子（Cr3+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、K+、Na+），進(jìn)行熒光光譜測(cè)試。如圖5(a)所示，探針1 熒光強(qiáng)度很弱，加入Zn2+后熒光強(qiáng)度發(fā)生顯著增強(qiáng)。這可能是由于探針1 中的C==N 雙鍵發(fā)生異構(gòu)化使其表現(xiàn)出很弱的熒光，加入Zn2+后，與C==N 的氮原子及—OH 的氧原子配位，C==N 異構(gòu)化受阻，分子剛性增強(qiáng)，分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移受阻，使得熒光強(qiáng)度增強(qiáng)[18-19]。在460nm 和540nm 出現(xiàn)兩個(gè)峰是由于形成配合物時(shí)，探針1 結(jié)構(gòu)發(fā)生構(gòu)型變化，出現(xiàn)了雙發(fā)射通道[20]。而加入其他金屬離子的熒光譜圖沒有明顯變化，這說明探針1 對(duì)Zn2+具有極高的選擇性。如圖5(b)所示，向探針2 中加入金屬離子后譜圖均沒有明顯變化。熒光譜圖表明，探針1 可以高選擇性地識(shí)別Zn2+。

通過探針1 與Zn2+的熒光滴定譜圖（圖6）可以看出，隨著Zn2+濃度的不斷增加，熒光強(qiáng)度不斷增強(qiáng)并逐漸趨于飽和狀態(tài)，說明探針1 與Zn2+已形成穩(wěn)定配合物。通過線性擬合計(jì)算出探針1 對(duì)Zn2+熒光最低，檢出限LOD為1.02×10-6mol/L。

2.3 探針識(shí)別離子的抗干擾性能

圖5 不同金屬離子對(duì)探針（1.0×10-6mol/L）熒光光譜的影響

圖6 Zn2+濃度對(duì)探針1（1.0×10-6mol/L）熒光強(qiáng)度影響

為了檢測(cè)其他金屬離子的存在對(duì)探針1 熒光識(shí)別Zn2+以及探針2 紫外識(shí)別Cu2+有無干擾，首先進(jìn)行了探針1 在Zn2+和其他金屬離子共存時(shí)的干擾實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7(a)所示。在其他金屬離子（Cr3+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Cd2+、Hg2+、K+、Na+）存在時(shí)，向探針1 加入Zn2+引起的熒光增強(qiáng)現(xiàn)象基本沒有發(fā)生變化，由此說明探針1 識(shí)別Zn2+有很好的抗干擾性。同樣進(jìn)行了探針2 的抗干擾實(shí)驗(yàn)，如圖7(b)所示。在其他金屬離子（Cr3+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、K+、Na+）存在時(shí)，向探針2 加入Cu2+使λ=430nm處出現(xiàn)新吸收峰且強(qiáng)度增強(qiáng)，而加入Hg2+基本沒有變化。Hg2+的加入使λ=430nm吸收峰強(qiáng)度有所減弱，這表明當(dāng)Hg2+與Cu2+共存時(shí)，探針2 識(shí)別Cu2+會(huì)受到一定的干擾，探針2 抗干擾性相對(duì)探針1 較差。

2.4 探針識(shí)別機(jī)理

為了進(jìn)一步研究探針對(duì)金屬離子的相互作用，利用核磁共振氫譜探究了探針1 和Zn2+的作用機(jī)理，結(jié)果如圖8 所示。對(duì)比探針1 和向探針1 加入Zn2+的核磁共振氫譜可以看出Ha消失，表明探針1 與Zn2+結(jié)合時(shí)發(fā)生去質(zhì)子化[16]；與羥基相連的苯環(huán)中的He、Hc、Hd的化學(xué)位移均向高磁場(chǎng)低位移方向偏移，表明羥基參與配位，這是由于氫鍵被破壞，去屏蔽效應(yīng)消失，質(zhì)子峰向高場(chǎng)移動(dòng)；亞胺鍵的Hf同樣向高場(chǎng)偏移，表明亞胺鍵中的N 原子參與配位。這些變化表明探針1 中的—OH、—C==N—的N 原子與Zn2+配位形成1-Zn2+配合物，配位模式如圖9所示。

圖7 金屬離子和Zn2+、Cu2+共存時(shí)，對(duì)探針的熒光強(qiáng)度和吸光度的影響

圖8 加入Zn2+后探針1氘代DMSO中的1H NMR對(duì)比圖

圖9 探針1識(shí)別Zn2+的機(jī)理

3 結(jié)論

通過醛胺縮合反應(yīng)制備了兩種含均三嗪結(jié)構(gòu)的離子探針，具有良好的熱穩(wěn)定性能。探針1作為一種熒光增強(qiáng)型探針，利用熒光光譜可高選擇性地識(shí)別Zn2+；探針2是一種可裸眼識(shí)別的Cu2+探針，同時(shí)紫外吸收光譜中長波長處出現(xiàn)新吸收峰，可以高選擇性地識(shí)別Cu2+。該方法簡便高效，為實(shí)際應(yīng)用提供一定依據(jù)。