王宏亮 張曉娟

忻州師范學(xué)院 山西 忻州 034000

1 引言

1.1 研究背景

熒光分析法是一種通過檢測(cè)熒光光譜的改變來確定和檢測(cè)各種金屬離子的一種新方法。本化合物中還含有芴類物質(zhì)的特殊聯(lián)苯結(jié)構(gòu),是特殊的剛性平面大π共軛體系,它的熒光量子產(chǎn)率很高,因此,其化學(xué)穩(wěn)定性高、熱穩(wěn)定性好,且發(fā)光量子效率也很高[1]。大π共軛體系是熒光物質(zhì)的普遍特點(diǎn)結(jié)構(gòu),離域π電子躍遷時(shí),它的共軛體系越大,激發(fā)時(shí)就越有利,則越容易產(chǎn)生熒光[1-2]。

1.2 研究意義

重金屬離子的污染是一個(gè)全球性的問題,對(duì)于Cu2+和Fe3+都是很大的重金屬離子[3]。每年工廠大量廢物排放所堆積的大量Cu2+和Fe3+排放到環(huán)境中,也使得其被歸為有很高的重金屬污染毒性[4]。分子檢測(cè)探針目前被廣泛應(yīng)用于安全檢驗(yàn)、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)以及生命科學(xué)技術(shù)分析等領(lǐng)域中,具有靈敏度高、選擇性好、使用方便等特殊優(yōu)點(diǎn),研究金屬離子熒光探針技術(shù)在化學(xué)、生命科學(xué)等眾多領(lǐng)域中都存在很大的進(jìn)步空間。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 原料與器材

2.1.1 原料試劑

4,4'-(2,7-二溴-9 H-芴-9,9-二基)二苯酚;4-溴甲基苯甲酸甲酯;4-甲酯苯硼酸;碳酸鉀;碳酸銫;氫氧化鋰;甲醇;四(三苯基膦)鈀;二甲基亞砜;無水硫酸鈉;柱層析硅膠;氮?dú)?N,N-二甲基甲酰胺;無水乙醇;四氫呋喃;乙酸乙酯;石油醚(天津市北辰方正試劑廠);除特別注明的均為直接使用。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)器材

循環(huán)水式真空泵;離心機(jī);數(shù)顯智能控溫磁力攪拌器;Bruker AV-400型超導(dǎo)核磁共振儀;WFH2 204B型手提式紫外燈;F-4600熒光分光光度計(jì);Esquire 3000型LC-MS質(zhì)譜儀(日本島津公司)。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.2.1 實(shí)驗(yàn)合成步驟

圖2.1 合成路線

2.2.2 合成中間化合物1

稱取0.5 g的4,4'-(2,7-二溴-9H-芴-9,9-二基)二苯酚(1 mmol)和1.28 g的碳酸銫(4 mmol)放在100 m L圓底形瓶中,加入10 m L的N,N-二甲基甲酰胺作溶劑,攪拌加熱到40℃反應(yīng)。再稱取0.54 g的4-溴甲基苯甲酸甲酯(2.4 mmol)加入反應(yīng)液繼續(xù)反應(yīng)5小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束以后,向產(chǎn)物混合液中加入大量的水淬滅反應(yīng),冷卻抽濾后,再用無水乙醇洗滌濾餅,濾餅干燥得到米黃色的固體粉末0.75 g,收率95%。

化合物2的核磁表征:1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ:7.99(d,J=19.5,8.1 Hz,6H),7.68-7.53(m,8H),7.13-7.04(m,4H),7.02-6.94(m,4H),5.19(s,4H),3.89(s,6H).

2.2.3 合成中間化合物2

稱取0.5 g的化合物1和0.33 g的4-甲酯苯硼酸于100 m L梨形瓶中,滴加4 m L碳酸鉀水溶液(含0.34 g碳酸鉀),并加入20 m L四氫呋喃作溶劑,將實(shí)驗(yàn)裝置在氮?dú)獗Ｗo(hù)的條件下加入四(三苯基膦)鈀0.07 g,于70℃恒溫條件下攪拌反應(yīng)14小時(shí)。將反應(yīng)結(jié)束后的產(chǎn)物用乙酸乙酯萃取,取上層有機(jī)溶液加入無水硫酸鎂將其干燥,再進(jìn)行柱層析(V乙酸乙酯:V石油醚=1:8),濃縮得到微黃色的固體粉末0.25 g,收率44%。

2.2.4 合成目標(biāo)產(chǎn)物BFDC

稱取0.16 g化合物2于50 m L梨形瓶中,滴加6 m L氫氧化鋰水溶液(含0.06 g氫氧化鋰),并加入15 m L四氫呋喃(THF),攪拌加熱至70℃,反應(yīng)7小時(shí)。將反應(yīng)結(jié)束后的產(chǎn)物中的有機(jī)溶劑旋干,滴加適量的稀鹽酸調(diào)節(jié)溶液p H使其呈酸性,將得到的混合溶液放入離心機(jī)中離心出固體后過濾自然晾干,干燥得到的固體加乙酸乙酯溶解洗滌,抽濾干燥得到目標(biāo)產(chǎn)物BFDC米黃色固體粉末0.071 g,收率47%。

目標(biāo)產(chǎn)物BFDC的核磁表征:1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ:12.94(s,4H),8.13-7.91(m,11 H),7.88-7.69(m,8H),7.52(d,J=7.9 Hz,4H),7.18(d,J=8.4 Hz,4H),6.95(d,J=8.5 Hz,4H),5.12(s,4 H).

3 結(jié)果與分析

3.1 紫外吸收光譜(UV)分析

3.1.1 目標(biāo)產(chǎn)物紫外吸收光譜

取1.0 mg的目標(biāo)產(chǎn)物(M=858.90 g·mol-1)溶于116μL二甲基亞砜(DMSO)中,配成濃度為10 mmol·L-1的溶液。測(cè)目標(biāo)產(chǎn)物的紫外吸收光譜時(shí),先用移液槍移取濃度為10 mmol·L-1目標(biāo)產(chǎn)物的溶液10μL于比色管中,再用移液槍移取3000μL二甲基亞砜(DMSO)與其混合后測(cè)量。目標(biāo)產(chǎn)物的紫外吸收光譜如圖3.2有兩處吸收峰,分別為λmax=280 nm和λmax=347nm處有,而最大吸收峰在λmax=347 nm處,這個(gè)是共軛體系的吸收峰。

3.1.2 不同濃度金屬離子的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量可得知,目標(biāo)產(chǎn)物對(duì)Cu2+,Fe3+的響應(yīng)較為明顯,而對(duì)其他離子的響應(yīng)不明顯,所以不做討論。在上述測(cè)定紫外方法的基礎(chǔ)上,再向其中逐量分別加入Cu2+或Fe3+溶液,混合均勻后,分別逐次測(cè)量其紫外吸收數(shù)據(jù)。

圖3.2 不同濃度Cu2+和Fe3+對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物紫外吸收的影響圖

由于溶液中Cu2+濃度的變化,目標(biāo)產(chǎn)物的兩個(gè)紫外吸收峰都有不同程度的變化。在λmax=280 nm處,隨著Cu2+濃度的不斷增大,目標(biāo)產(chǎn)物的吸光度增大,吸收峰增強(qiáng)。而在λmax=347 nm處,隨著Cu2+濃度的不斷增大,目標(biāo)產(chǎn)物的吸光度減小,吸收峰減弱。由此可說明,我們的目標(biāo)產(chǎn)物與Cu2+配位了形成新的配合物。隨著Fe3+濃度的不斷增大,目標(biāo)產(chǎn)物在λmax=280nm和λmax=347nm兩處的吸收峰都明顯增強(qiáng)了。

3.2 熒光發(fā)射光譜(FL)分析

取1.0 mg的目標(biāo)產(chǎn)物BFDC(M=858.90 g·mol-1)溶于116μL二甲基亞砜(DMSO)中,配成濃度為10 mmol·L-1的溶液。用紫外所測(cè)吸收光波長λmax=347 nm作初始激發(fā)波長,測(cè)初始發(fā)射波長,再固定發(fā)射波長掃描激發(fā)波長,以此方法得出最佳發(fā)射波長λmax=461 nm,以此測(cè)目標(biāo)產(chǎn)物BFDC的熒光光譜。

目標(biāo)產(chǎn)物與不同濃度Cu2+和Fe3+響應(yīng)的熒光光譜測(cè)量熒光光譜時(shí),先用移液槍移取濃度為10 mmol·L-1目標(biāo)產(chǎn)物的溶液5 μL于比色管中,再用移液槍移取3000μL二甲基亞砜(DMSO)與其混合后,測(cè)定目標(biāo)產(chǎn)物的熒光光譜。再向其中逐次加入不同量的Cu2+或Fe3+溶液,混合均勻后,分別測(cè)量其熒光數(shù)據(jù)。

圖3.3 a)不同濃度Cu2+溶液熒光響應(yīng)圖b)不同濃度Fe3+溶液熒光響應(yīng)圖

由于溶液中Cu2+和Fe3+濃度的不斷增大,目標(biāo)產(chǎn)物的熒光強(qiáng)度也隨之逐漸減弱,由此可見,它們都會(huì)在一定程度上淬滅目標(biāo)產(chǎn)物的熒光。熒光淬滅是由于加入的Cu2+和Fe3+與我們的目標(biāo)產(chǎn)物中的羧基配位,阻斷了其分子內(nèi)能量的轉(zhuǎn)移,使得目標(biāo)產(chǎn)物的熒光減弱。由圖可知,隨著Cu2+和Fe3+濃度的增大,目標(biāo)產(chǎn)物上所連的羧基逐漸被Cu2+和Fe3+配位,因此最高峰的逐漸下降。

4 結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)以4,4'-(2,7-二溴-9H-芴-9,9-二基)二苯酚為起始原料,與4-溴甲基苯甲酸甲酯在40℃下經(jīng)過Williamson合成法合成了中間化合物1,得到0.75 g產(chǎn)品,收率為95%。再用中間化合物1與4-甲酯苯硼酸反應(yīng),經(jīng)過Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)合成了中間化合物2,得到產(chǎn)品0.25 g,收率為44%。最后,在堿性條件下中間化合物2水解生成目標(biāo)產(chǎn)物BFDC,得到產(chǎn)品0.071 g,收率為47%。

通過紫外和熒光的測(cè)定與分析可知,紫外吸收光譜顯示目標(biāo)產(chǎn)物在二甲基亞砜(DMSO)溶劑中的有兩處吸收峰,分別為λmax=280 nm和λmax=347 nm,最大吸收波長在λmax=347.00 nm處,吸光度為A=0.693296;熒光發(fā)射光譜顯示目標(biāo)產(chǎn)物以347.00 nm為激發(fā)波長,測(cè)得發(fā)射波長為461.00 nm。

本文通過合成芳香型多元共軛酸,設(shè)計(jì)金屬離子熒光探針,并且通過核磁共振氫譜(1H NMR)、紫外吸收光譜(UV)、熒光發(fā)射光譜(FL)等方法來表征目標(biāo)產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)并探究其與重金屬離子結(jié)合后的熒光性能,測(cè)定其光學(xué)性質(zhì),在一定程度上證明了金屬離子熒光探針的研究前景很廣闊,關(guān)于金屬離子熒光探針的設(shè)計(jì)和修飾還有待進(jìn)一步探究。