蔡 苗, 林怡婷, 黃 莉, 詹紅菊, 王 勇

(荊楚理工學院 化工與藥學院 荊門醫(yī)藥工業(yè)技術研究院,湖北 荊門 448000)

近年來,隨著科學技術的飛速發(fā)展,以重金屬為代表的環(huán)境問題受到日益重視。眾所周知,有些金屬離子作為人體必不可少的微量元素,直接參與大多數生物生命相關的代謝過程,在生命活動中起到重要作用[1-4]。鐵作為人體含量最豐富的微量元素,參與血紅蛋白、肌紅蛋白和腦白蛋白等重要蛋白質以及核酸的合成,對氧代謝、細胞代謝和電子轉移等生理活動也具有重要意義[5-6]。鐵含量過多會嚴重損害肝臟和腎臟,過少則會引起缺鐵性貧血。同樣,銅作為人體所必需的微量元素,在各種生物的新陳代謝過程中也起著十分重要的作用,例如銅與酶和蛋白質結合形成的含銅酶和含銅蛋白質可有效清除體內自由基代謝廢物,還可作為造血“助手”,維持細胞正常造血功能[7-8]。但是,銅過量同樣會危害人體健康,導致肝硬化和肝腹水等,嚴重時還會引發(fā)神經系統(tǒng)疾病,如阿爾茨海默氏癥和帕金森氏癥等[9-10]。

肟類化合物含有—C=N—OH結構,=N—OH中的N和O都有很強的配位能力,同時由于2個原子間的距離十分相近,導致肟中的N和O不會形成單獨的雙齒螯合結構,而是傾向于和不同的金屬離子配位形成多核的配合物。同時,肟類配體又存在多種多樣的配位結構,使配位化合物有可能呈現(xiàn)多種多樣的特殊結構[11-12]。芳香結構的肟類化合物的分子結構中有共軛π鍵體系,且當芳環(huán)上的取代基為給電子基團(—CH3、 —OCH3等)時,給電子基團上的電子云與芳環(huán)上的軌道基本平行,擴大了體系的共軛程度,從而使化合物熒光增強。給電子基團上的C、 N和O等雜原子還可以通過氫鍵來增強配體與金屬離子的相互作用[13]。

肟類化合物與金屬離子形成的配合物往往具有獨特光、電、磁和生物活性,不僅可以廣泛用于重金屬離子檢測,而且在催化劑、新材料、有機合成、醫(yī)藥和生物活性等領域具有潛在的應用[14-15]?；诖?本文以2-甲氧基-4-溴苯甲酸(1)為起始原料制得目標產物2-甲氧基-4-甲醛肟基苯甲酸乙酯(圖1,4)。通過電子吸收光譜和熒光光譜方法,研究化合物4對多種重金屬離子如Cu(II)、 Fe(III)、 Pb(II)、 Co(II)、 Cr(III)、 Ni(II)、 Fe(II)、 Mn(II)、 Zn(II)和Cd(II))的選擇識別。

圖1 化合物4的合成路線

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

JACSO-V770型紫外-可見分光光度儀(日本JACSO公司); F-4600型日立熒光分光光度計(日本日立公司); Nicolet iS50型傅立葉紅外光譜儀(美國Thermo公司); AVANCE III TMHD 400 MHz型核磁共振波譜儀(瑞士Bruker公司,CDCl3為溶劑,TMS為內標); Vario EL cube型有機元素分析儀(德國Elementar公司)。

無水氯化鎳、乙酸銅一水合物、氯化鉛(薩思化學技術有限公司);硝酸鎘、乙酸鈷四水合物、鹽酸羥胺(上海思域化工科技有限公司);2-甲氧基-4-溴苯甲酸、氰化亞銅、四水乙酸錳、硫酸亞鐵銨六水合物(上海泰坦科技股份有限公司);無水碳酸鈉、氯化鋅、硝酸鉻、硝酸鐵(III)九水合物(上海麥克林生化科技有限公司)。所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1) 2-甲氧基-4-溴苯甲酸乙酯(2)的合成

將2-甲氧基-4-溴苯甲酸(1, 5.00 g, 21.64 mmol)溶解在無水乙醇(60 mL)中,添加二氯亞砜(2 mL, 27.54 mmol)?；亓鞣磻? h后,將該溶液冷卻至室溫,添加飽和碳酸鈉溶液(20 mL),隨后使用乙酸乙酯(3×20 mL)進行萃取,將有機相合并后分別用水(2×10 mL)和飽和氯化鈉溶液(2×10 mL)洗滌。將有機相使用無水硫酸鎂進行干燥、過濾和減壓濃縮,得到黃色油狀液體2-甲氧基-4-溴苯甲酸乙酯(2), 4.70 g,產率83.8%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ：7.66～7.68(q, 1H, Ar—H), 7.10～7.13(m, 2H, Ar—H), 4.31～4.37(q, 2H, —OCH2CH3), 3.89(s, 3H, Ar—OCH3), 1.35～1.38(t, 3H, —OCH2CH3);13C NMR(CDCl3, 100 MHz)δ：165.35(—COO—), 159.68(Ar—C), 132.73(Ar—C), 127.48(Ar—C), 123.33(Ar—C), 119.25(Ar—C), 115.65(Ar—C), 60.97(—OCH2—CH3), 56.28(Ar—C—OCH3), 14.27(—OCH2CH3);元素分析(C10H11BrO3),實測值(計算值) %: C 46.36(46.45), H 4.28(4.21); IR(KBr)νcm-1：3098, 3075(芳香環(huán)上C—H伸縮振動),2980, 2940, 2905, 2854(甲氧基上C—H伸縮振動),1731(C=O), 1589, 1569, 1487, 1464(芳香環(huán)上碳骨架伸縮振動),1285, 1244, 1172(—C—O—C—), 1095, 1025, 862, 834, 772(芳香環(huán)上C—H面外彎曲振動),587(C—Br)。

(2) 4-氰基-2-甲氧基苯甲酸乙酯(3)的合成

將化合物2(4.70 g, 18.14 mmol)用DMF(80 mL)溶解,加入氰化亞銅(16.25 g, 181.44 mmol),回流反應48 h后,冷卻至室溫。加入飽和Na2CO3溶液(100 mL),產生黃色的固體沉淀物,抽濾,濾液用乙酸乙酯溶劑(3×30 mL)萃取,收集有機相。得到的有機層依次用水(2×15 mL)和飽和食鹽水溶液(2×15 mL)洗滌,有機相用無水硫酸鎂干燥,抽濾,得到無色濾液,減壓濃縮得到白色粗產物。將白色粗產物在二氯甲烷和石油醚的混合溶劑中重結晶,得到白色固體化合物3, 1.46 g,產率為39.2%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ：7.81～7.83(d, 1H, Ar—H), 7.27～7.30(dd, 2H, Ar—H), 4.36～4.41(q, 2H, —OCH2CH3), 3.94(s, 3H, Ar—O—CH3), 1.37～1.40(t, 3H, —OCH2CH3);13C NMR(CDCl3, 100 MHz)δ：164.91(—COO—), 158.69(Ar—C), 131.91(Ar—C), 125.17(Ar—C), 123.88(Ar—C), 117.98(Ar—C), 116.27(Ar—C—CN), 115.23(Ar—C—CN), 61.60(—OCH2CH3), 56.38(Ar—O—CH3), 14.22(—OCH2CH3);元素分析(C11H11NO3),實測值(計算值) %: C 64.38(64.57), H 5.40(5.34), N 6.83(6.77); IR(KBr)νcm-1：3118, 3080, 3054(芳香環(huán)C—H伸縮振動),2977, 2952, 2899(甲氧基C—H伸縮振動),2235(氰基伸縮振動),1700(C=O), 1608, 1562, 1468, 1495, 1458(芳香環(huán)上碳骨架伸縮振動),1294, 1255, 1178(—C—O—C—), 1089, 1027, 1011, 934, 883, 777(芳香環(huán)C—H面外彎曲振動)。

(3) 2-甲氧基-4-甲醛肟基苯甲酸乙酯(4)的合成

將步驟(2)中得到的化合物3(1.46 g, 7.11 mmol)溶于乙醇溶液(20 mL)中,加入鹽酸羥胺(0.54 g, 7.77 mmol)和無水碳酸鈉(1.58 g, 14.91 mmol)的水溶液(20 mL),回流反應6 h,冷卻至室溫,將其減壓濃縮除去乙醇后得白色沉淀物。白色沉淀物用乙酸乙酯和石油醚的混合溶劑重結晶,抽濾得到白色固體2-甲氧基-4-甲醛肟基苯甲酸乙酯(4), 0.62 g,產率39.0%;1H NMR(CDCl3, 400 MHZ)δ：7.79～7.81(d, 1H, Ar—H), 7.53(s, 1H, Ar—H), 7.27～7.30(t, 1H, Ar—H), 6.02～6.26(d, 2H, H—C=N+N—O—H), 4.35～4.40(q, 2H, —OCH2CH3), 3.95(s, 3H, Ar—O—CH3), 1.37～1.41(t, 3H, —OCH2CH3);13C NMR(CDCl3, 100 MHz)δ：168.25 (—COO—), 165.50 (—O—Ar—C), 161.81 (—C=N—), 133.15 (Ar—C), 130.93 (Ar—C), 125.08 (Ar—C), 120.10 (Ar—C), 111.91 (Ar—C), 61.29(—OCH2CH3), 56.38(Ar—O—CH3), 14.22(—OCH2CH3);元素分析(C11H13NO4),實測值(計算值) %: C 59.19(59.28), H 5.87(5.46), N 6.27(6.33); IR(KBr)νcm-1：3432(O—H), 3018(芳香環(huán)上C—H伸縮振動),2982, 2932, 2871, 2850(甲氧基C—H伸縮振動),1721(C=O), 1684(C=N), 1627, 1566, 1540, 1500(芳香環(huán)碳骨架伸縮振動),1279, 1238, 1170(—C—O—C—), 881, 808, 784(芳香環(huán)上C—H面外彎曲振動)。

2 結果與討論

2.1 氫譜和碳譜分析

化合物2的核磁共振氫譜如圖2(a)所示。δ7.66～7.68的四重峰是苯環(huán)2號碳上1個氫的化學位移,δ7.10～7.13的多重峰是苯環(huán)1號和5號碳上2個氫的化學位移,δ4.31～4.37的四重峰是—OCH2CH3的CH2中2個氫的化學位移,δ3.89的單峰是直接與苯環(huán)相連的—OCH3中3個氫的化學位移,δ1.35～1.38的三重峰是—OCH2CH3的CH3中3個氫的化學位移。δ7.29處的峰是溶劑CDCl3中氫的化學位移。

δ

化合物2的核磁共振碳譜如圖2(b)所示?；瘜W位移在δ165.35的峰是酯基—COO—中碳的化學位移,δ159.68的峰是苯環(huán)4號碳的化學位移,δ132.73的峰是苯環(huán)2號碳的化學位移,δ127.48的峰是苯環(huán)6號碳的化學位移,δ123.33的峰是苯環(huán)1號碳的化學位移,δ119.25的峰是苯環(huán)3號碳的化學位移,δ115.65的峰是苯環(huán)5號碳的化學位移,δ60.97的峰是—OCH2—CH3基團中—CH2—碳的化學位移,δ56.28的峰是—OCH3基團中碳的化學位移,δ14.27的峰是—OCH2—CH3基團中—CH3碳的化學位移,δ77.43～76.80的峰是溶劑CDCl3中碳的化學位移。

化合物3的核磁共振氫譜如圖3(a)所示。δ7.81～7.83的雙重峰是苯環(huán)2號碳上1個氫的化學位移,δ7.27～7.30的雙重峰是苯環(huán)5號和6號碳上2個氫的化學位移,δ4.36～4.41的四重峰是—OCH2CH3上—CH2—的2個氫的化學位移,δ3.94的單峰是直接與苯環(huán)相連—OCH3基團上3個氫的化學位移,1.37～1.40的三重峰是—OCH2CH3和—CH3上3個氫的化學位移,δ1.57的峰是水中氫的化學位移,δ7.26的峰是溶劑CDCl3中氫的化學位移。

δ

化合物3的核磁共振碳譜如圖3(b)所示。δ164.91的峰是酯基—COO—碳的化學位移,δ158.69的峰是苯環(huán)4號碳的化學位移,δ131.91的峰是苯環(huán)2號碳的化學位移,δ125.17的峰是苯環(huán)6號碳的化學位移,δ123.88的峰是苯環(huán)1號碳的化學位移,δ117.98的峰是苯氰基上碳的化學位移,δ116.27的峰是苯環(huán)3號碳的化學位移,δ115.65的峰是苯環(huán)5號碳的化學位移,δ61.60的峰是—OCH2—CH3基團上—CH2—碳的化學位移,δ56.38的峰是直接與苯環(huán)相連—OCH3基團上碳的化學位移,δ14.22的峰是—OCH2—CH3基團上—CH3碳的化學位移。δ77.36～76.73的峰是溶劑CDCl3中碳的化學位移。

化合物4的核磁共振氫譜如圖4(a)所示?；瘜W位移在δ7.79～7.81的雙重峰是苯環(huán)2號碳上1個氫的化學位移,δ7.53的單重峰是苯環(huán)5號碳上1個氫的化學位移,δ7.27～7.30的三重峰是苯環(huán)1號碳上1個氫的化學位移,δ6.02～6.26的雙重峰是H—C=N和N—O—H上2個氫的化學位移,δ4.35～4.40的四重峰是—OCH2CH3上—CH2—2個氫的化學位移,δ3.95的單峰是直接與苯環(huán)相連的—OCH3基團上3個氫的化學位移,δ1.37～1.41的三重峰是—OCH2CH3上—CH3的3個氫的化學位移。δ7.27的峰是溶劑CDCl3中氫的化學位移。

δ

化合物4的核磁共振碳譜中如圖4(b)所示。δ168.25的峰是酯基—COO— 12號碳的化學位移,δ165.50的峰是苯環(huán)4號碳的化學位移,δ161.81的峰是7號碳的化學位移,δ133.15的峰是苯環(huán)2號碳的化學位移,δ130.93的峰是苯環(huán)6號碳的化學位移,δ125.08的峰是苯環(huán)1號碳的化學位移,δ120.10的峰是苯環(huán)3號碳的化學位移,δ111.91的峰是苯環(huán)5號碳的化學位移,δ61.60的峰是—OCH2—CH3基團上—CH2—碳的化學位移,δ56.38是直接與苯環(huán)相連—OCH3基團上碳的化學位移,δ14.22是—OCH2—CH3基團上—CH3碳的化學位移,δ77.40～76.76是溶劑CDCl3中碳的化學位移。

2.2 熒光光譜分析

在室溫下,用熒光光度儀探究了化合物4對不同金屬離子的熒光響應,具體操作如下:將化合物4配成乙腈溶液(1.0×10-5mol/L)。同時選取了10種常見金屬試劑:無水氯化鎳、乙酸銅一水合物、氯化鉛、硝酸鎘、乙酸鈷四水合物、四水乙酸錳、硫酸亞鐵銨六水合物、氯化鋅、硝酸鉻和硝酸鐵(III)九水合物。分別將這些試劑配制成金屬離子乙腈溶液(10-2mol/L)。測定方法如下:取3.0 mL濃度為1.0×10-5mol/L的化合物4溶液放入4 mL石英比色皿中,對其進行熒光光譜掃描;接著,將30 uL(1.0×10-2mol/L) Fe(NO3)3·9H2O的乙腈溶液加入其中,以保證化合物4與金屬離子的物質的量之比為1 ∶1;保持化合物4的量不變,逐步加入Fe(III),對其進行熒光光譜掃描。其他金屬離子(Ni(II)、 Cu(II)、 Pb(II)、 Cd(II)、 Co(II)、 Mn(II)、 Fe(II)、 Zn(II)和Cr(III))均采用類似Fe(III)離子的配制方法。

化合物4的熒光光譜采用熒光分光光度計測試,發(fā)射波長為311.0 nm,激發(fā)波長為279.0 nm,發(fā)射波長的測量范圍為282～900 nm,掃描速率為2400 nm/min,發(fā)射縫隙的寬度為5.0 nm,激發(fā)縫隙的寬度為2.5 nm, PMT電壓為700 V。在279.0 nm激發(fā)時,化合物4在發(fā)射波長為311.0 nm時出現(xiàn)最大發(fā)射波長,對應苯環(huán)上的π-π*躍遷。接著研究了各種常見的不同重金屬離子,如Cu(II)、 Fe(III)、 Pb(II)、 Co(II)、 Cr(III)、 Ni(II)、 Fe(II)、 Mn(II)、 Zn(II)和Cd(II))對化合物4熒光發(fā)射光譜的影響。如圖5～6所示,隨著Cu(II)、 Fe(III)和Pb(II)離子的加入,化合物4的熒光強度逐漸減弱至最后基本完全消失;而隨著Fe(II)離子的加入,化合物4表現(xiàn)為一定程度的熒光猝滅。此外,Co(II)離子加入后,與Fe(II)離子類似,也出現(xiàn)一定程度的熒光猝滅。而對于其他金屬離子,如Mn(II)、 Cr(III)、 Cd(II)、 Zn(II)和Ni(II),金屬離子的加入對化合物4的熒光強度影響甚微。化合物4對于Cu(II)離子的最低檢測限為2.4×10-4mol·dm-3(F=-2×107c+4900.8),熒光猝滅效率為95.05%。對于Fe(III)離子的最低檢測限為4.4×10-5mol ·dm-3(F=-2×108c+8884.4),熒光猝滅效率為97.64%。對于Pb(II)離子的最低檢測限為8.1×10-5mol·dm-3(F=-6×107c+4896.4),熒光猝滅效率為87.70%,表明化合物4對Cu(II)、 Fe(III)和Pb(II)離子具有一定的選擇識別,對其他金屬離子幾乎沒有識別作用,檢測靈敏度分別是Fe(III)>Cu(II)>Pb(II)。

λ/nm

λ/nm

2.3 電子吸收光譜分析

化合物4的電子吸收光譜測試方法與熒光光譜類似。將化合物4配成1.0×10-5mol/L乙腈溶液,將10種金屬試劑配制成相應10-2mol/L乙腈溶液。取3.0 mL濃度為1.0×10-5mol/L的化合物4溶液放入4 mL比色皿中,對其進行電子吸收光譜掃描。接著,將30 uL(1.0×10-2mol/L) Fe(NO3)3·9H2O的乙腈溶液加入其中,以保證化合物4與金屬離子的物質的量之比為1 ∶1。保持化合物4的量不變,逐步加入Fe(III),對其進行電子吸收光譜掃描。其他金屬離子(Ni(II)、 Cu(II)、 Pb(II)、 Cd(II)、 Co(II)、 Mn(II)、 Fe(II)、 Zn(II)和Cr(III))均采用類似Fe(III)離子的配制方法?；衔?的電子吸收光譜采用紫外-可見分光光度儀完成,測量范圍為190～900 nm,數據間隔0.5 nm收集,掃描速度為1000 nm/min,在350 nm處改變光源,分別以氘燈和鎢燈作光源,以乙腈溶劑作空白背景。

從化合物4的電子吸收光譜可知,其在201 nm處顯示強的電子吸收譜帶,對應苯環(huán)上的π-π*躍遷。接著研究了各種常見的不同重金屬離子(Cu(II)、 Fe(III)、 Pb(II)、 Co(II)、 Cr(III)、 Ni(II)、 Fe(II)、 Mn(II)、 Zn(II)和Cd(II))對化合物4電子吸收光譜的影響。隨著Cu(II)、 Fe(III)、 Cr(III)和Cd(II)離子的加入(圖7～8),化合物4顯示其特征光譜,201 nm處吸收帶強度略微增強。如圖8(b)所示,隨著Pb(II)離子的加入,化合物4在275 nm處出現(xiàn)新的吸收譜帶。對于其他金屬離子的加入,化合物4的電子吸收譜帶幾乎沒有變化。

λ/nm

λ/nm

金屬離子的加入引起化合物4熒光猝滅的可能機制有:(1)電子能量從熒光團化合物4轉移到猝滅劑過渡金屬離子;(2)由于熒光團化合物4和猝滅劑過渡金屬離子之間形成復合物而導致靜態(tài)猝滅;(3)碰撞淬滅劑對激發(fā)態(tài)熒光團的猝滅可能通過多種相互作用進行,如重原子效應、順磁離子相互作用、由發(fā)射或非發(fā)射激基復合物的猝滅和由于電子轉移引起的猝滅[16-17]。熒光光譜和電子吸收光譜研究表明:化合物4對Cu(II)、 Fe(III)和Pb(II)離子有良好的選擇性,而對其他金屬離子選擇性較差,或者沒有選擇性。

2.4 可能的反應機理

本文以2-甲氧基-4-溴苯甲酸(1)為原料,在二氯亞砜的無水乙醇條件下,將2-甲氧基-4-溴苯甲酸與二氯亞砜反應生成2-甲氧基-4-溴苯甲酰,之后得到的酰氯與溶劑乙醇反應制得2-甲氧基-4-溴苯甲酸乙酯(2)。在制備化合物2這步反應中,乙醇既是原料也是溶劑,可以減少副反應的發(fā)生,還可提高產率。將化合物2與氰化亞銅在DMF溶劑中回流反應,以氰化亞銅中的氰基取代4-溴苯環(huán)甲酸乙酯中的溴,得到2-甲氧基-4-氰基苯甲酸乙酸(3)。最后在碳酸鈉溶液堿性條件下,將化合物3與鹽酸羥胺反應。該步反應主要是利用氰基與鹽酸羥胺在堿性條件下一步制得目標化合物2-甲氧基-4-甲醛肟基苯甲酸乙酯(4)。反應中碳酸鈉主要起到2個作用:(1)中和鹽酸羥胺中的鹽酸;(2)與化合物3中的氰基反應。化合物3到4可能的機理見圖9。

圖9 化合物3到4可能的反應機理

本文以2-甲氧基-4-溴苯甲酸(1)為原料,經?；王セ铣?-甲氧基-4-溴苯甲酸乙酯(2),然后將化合物2與氰化亞銅合成2-甲氧基-4-氰基苯甲酸乙酯(3),最后將化合物3與鹽酸羥胺在堿性條件下合成2-甲氧基-4-甲醛肟基苯甲酸乙酯(4)。并對化合物2～4進行1H NMR、13C NMR、元素分析和紅外光譜結構表征。電子吸收光譜和熒光光譜研究表明:化合物4存在π-π*躍遷,且對Cu(II)、 Fe(III)和Pb(II)金屬離子具有較好的選擇性。