一種基于1,5-萘二胺的席夫堿熒光探針的合成及其對Cd2+的熒光識別

邊永軍, 渠星宇

(晉中學院 化學化工系, 山西 晉中 030619)

0 引言

鎘是一種應用廣泛的過渡金屬,可以被應用到電鍍、冶金、農業和核工業等領域[1].但是,廢棄的鎘化合物又是重要的污染源,會對環境和人體健康造成損害[2,3].例如,在人體內富集過量的鎘會導致肺癌、腎功能紊亂及鈣代謝失調等生理疾病[4-6].因此,定量的檢測鎘含量有著重要的意義.

傳統的原子吸收光譜[7]、原子熒光光譜[8]以及質譜[9]等檢測方法都可以用來精確測試鎘離子含量,但這些傳統的方法還是有著許多缺點,比如在測試前需要復雜的預處理、昂貴的設備及較長的測試時間,限制了在實際中的應用.近年來興起的基于有機小分子熒光探針的熒光分析法很好地避免了上述缺點,而且還具有種類豐富、靈敏度高、選擇性好等特點,能夠用于各種分析物的檢測[10,11],被越來越多的化學家所青睞,其研究一直處于方興未艾的階段.

目前,已有許多基于不同熒光團構建的有機小分子熒光探針被開發,并應用于各種離子的檢測,其中也有許多探針被應用于Cd2+的檢測[12-18].在眾多熒光探針中,基于稠環類的席夫堿探針由于結構易修飾、熒光量子產率高和摩爾吸光系數大等優良的光物理性質,是應用最為廣泛的一類[19-21].本文基于1,5-萘二胺合成了一個席夫堿型的熒光探針1(N,N-二(2-甲基-吲哚-3亞甲基)-1,5-萘二胺),該探針通過Cd2+誘導聚集抑制C=N雙鍵異構化導致熒光增強,從而選擇性地識別Cd2+.探針1的合成路線如圖1所示.

圖1 探針1的合成路線

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

所用儀器有:TU-1901紫外光譜儀、Cary Eclips型熒光光譜儀、Bruker AV600核磁共振儀、WQF-510A傅里葉變換紅外光譜儀、Thermo Scientific LTQ Orbitrap XL高分辨質譜儀、X-5T精密顯微熔點測定儀等.

所用試劑均為分析純,2-甲基吲哚(分析純,天津希恩思生化儀器有限公司),1,5-萘二胺(分析純,百靈威試劑有限公司).金屬離子Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cd2+、Zn2+、Ni2+、Co2+、Fe3+、Al3+等溶液所用金屬鹽均為氯化鹽或水合物,金屬Cu2+溶液用CuSO4·5H2O配制.

1.2 實驗方法

1.2.1 2-甲基吲哚-3-甲醛(2)的合成

在50 mL圓底燒瓶中加入5.0 mL DMF(N,N-二甲基甲酰胺),冰浴冷卻下逐滴加入1.73 mL POCl3.在1 ℃～5 ℃維持20 min后,滴加 5.0 mL 2-甲基吲哚(2.033 g,15.5 mmol)的DMF溶液,緩慢升溫至35 ℃反應40 min.待反應完全后,冷卻至室溫,依次加入10 g碎冰和31 mL 5 mol/L NaOH溶液,然后加熱至95 ℃反應30 min.反應結束后,冷卻、過濾、用水洗滌、干燥,得到2-甲基吲哚-3-甲醛(棕色固體),2.18 g,產率88%.m.p.205 ℃～206 ℃,Rf=0.46 (展開劑:V(二氯甲烷)∶V(甲醇)=40∶1).1H NMR (CDCl3,600 MHz),δ:10.18 (s,1H),8.69 (br s,1H),8.26 (d,J=12 Hz,1H),7.37 (d,J=12 Hz,1H),7.31-7.26 (m,2H),2.78 (s,3H); IR(KBr,cm-1):3 188,2 361,1 624,1 582,1 463,1 371,1 239,1 157,747.

1.2.2N,N-二(2-甲基-吲哚-3亞甲基)-1,5-萘二胺(1)的合成

在50 mL圓底燒瓶中加入20 mL無水乙醇,加熱至60 ℃,攪拌下將2-甲基吲哚-3-甲醛(0.318 4 g,2 mmol)分批加入燒瓶中,待2-甲基吲哚-3-甲醛溶解完全,加入45 μL冰乙酸,再加入1,5-萘二胺(0.158 g,1 mmol),然后將溫度升至85 ℃回流3 h.反應結束后,冷卻、濃縮,用乙酸乙酯與水進行萃取,有機層用無水硫酸鈉干燥,過濾、旋蒸得淺粉色固體,用石油醚和乙酸乙酯進行重結晶,得N,N-二(2-甲基-吲哚-3亞甲基)-1,5-萘二胺0.39 g,產率84%.m.p.308 ℃～310 ℃,Rf=0.32(展開劑:V(二氯甲烷)∶V(甲醇)=40∶1).1H NMR (DMSO-d6,600 MHz),δ:11.73 (s,2H),8.87(s,2H),8.51 (d,J=12 Hz,2H),8.28 (d,J=12 Hz,2H),7.55 (t,J=18 Hz,2H),7.42 (t,J=6 Hz,2H),7.25-7.18(m,6H),2.71(s,6H);13C NMR(DMSO-d6,150 MHz),δ:154.83,150.78,144.25,136.21,129.99,126.64,126.37,122.54,121.49,121.43,120.49,113.26,111.72,111.53; IR(KBr)ν,cm-1:3 359,2 923,2 849,2 361,1 606,1 458,1 389,1 249,1 151,961,753; HR-MS(ESI,C30H25N4,[M+H]+),計算值441.207 37;實驗值441.207 46.

1.2.3 金屬離子的識別

金屬離子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Ni2+、Co2+,Cu2+、Fe3+、Al3+)溶解到蒸餾水中,濃度為0.1 mol·L-1.Cd2+溶解到蒸餾水中,濃度為0.01 mol·L-1.探針1溶解到DMSO和醋酸與醋酸鈉緩沖溶液 (4∶1,V/V,pH=5.00),濃度為10 μmol·L-1.探針1對常見金屬離子選擇性實驗中,取用2.5 mL的探針1到比色皿中,依次分別加入125 μL 0.01 mol·L-1的Cd2+離子和250 μL 0.1 mol·L-1的其它常見金屬離子,測定368 nm處的熒光強度.Cd2+識別實驗中,取用2.5 mL的探針1到比色皿中,用微量進樣器不斷加入Cd2+溶液,測定368 nm處的熒光強度.

2 結果與討論

2.1 探針1的光譜學性質

探針1能夠溶解到常見的有機溶劑中,如二甲基亞砜(DMSO)、甲醇(CH3OH)、乙酸乙酯(CH3COOC2H5)、乙腈(CH3CN)、正己烷(n-Hexane)、二氯甲烷(CH2Cl2)等.探針1溶解到常見的不同極性溶劑中的紫外可見吸收光譜圖(如圖2(a)所示)和熒光光譜圖(如圖2(b)所示).

圖2 探針1的光譜性質

探針1在不同溶劑中吸收峰位于230 nm和365 nm左右,365 nm處的吸收峰歸屬于萘環與1,5-位C=N鍵形成大共軛的π→π*躍遷.探針1的吸收光譜在不同溶劑中顯示出明顯的規律,隨著溶劑極性的增大而紅移.探針1在甲醇和二氯甲烷溶液中熒光比較弱,在乙酸乙酯、乙腈、正己烷中熒光發射峰位于330 nm左右,在二甲亞砜溶劑中熒光發射峰位于368 nm,溶劑的極性對探針1的熒光發射峰沒有表現出明顯的規律.探針1對離子的識別選用了DMSO作為有機溶劑.

2.2 DMSO與水的混合比、溶液pH對探針1熒光的影響

為了選取合適的DMSO和水的混合溶劑,測試了探針1溶解到不同比例DMSO和水溶液,在368 nm處的熒光強度隨混合比變化的曲線(如圖3(a)所示).當混合溶液中水的比例增大到20%,探針1在368 nm處的熒光強度基本不變,當水的比例大于20%,探針1在368 nm處的熒光強度有明顯的下降.因此,探針1識別金屬離子選用的混合溶劑中水的比例為20%.同時研究了溶液pH對探針1熒光強度的影響(如圖3(b)所示).

圖3 溶劑混合比和溶液pH對探針1的熒光影響

探針1溶解到DMSO與水的混合溶液(VDMSO∶V水=4∶1),測試了探針1在不同pH溶液中368 nm處的熒光強度.實驗結果表明,探針1在酸性(pH為4～6)溶液中熒光強度變化不大,在強酸性(pH<3)、弱酸性溶液(pH為6～7)和堿性溶液中熒光強度上升.故而在研究探針1對鎘離子識別實驗中采用了DMSO和醋酸與醋酸鈉緩沖溶液(4∶1,v/v,pH=5.00).

2.3 探針1對常見金屬離子識別

探針1對Cd2+具有高效的選擇性,測定了探針1與Cd2+的反應時間和探針1與常見金屬離子的熒光響應.首先測定了探針1與Cd2+的反應時間(如圖4(a)所示).實驗結果顯示,探針1溶解到DMSO和醋酸與醋酸鈉緩沖溶液(4∶1,v/v,pH=5.00)中,368 nm處的熒光強度不隨時間的增加而改變;在相同的條件下,探針1溶液中加入0.5 mmol·L-1的Cd2+溶液,1 min后368 nm處的熒光強度隨時間的增加發生明顯的上升,25 min后熒光強度保持不變.因此,探針1和探針1與Cd2+反應物在DMSO和醋酸與醋酸鈉緩沖溶液(4∶1,v/v,pH=5.00)中能夠穩定存在,同時探針1與Cd2+反應時間為1 min.

其次,測定了探針1與常見金屬離子的熒光響應(如圖4(b)所示).探針1溶解到DMSO和醋酸與醋酸鈉緩沖溶液(4∶1,v/v,pH=5.00),分別加入10 mmol·L-1常見金屬離子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Ni2+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Al3+)和0.5 mmol·L-1Cd2+,靜置1 min,測試了溶液在368 nm處的熒光強度.熒光測試結果表明,加入50倍的Cd2+使探針1在368 nm處的熒光強度增大3.58倍;加入1 000倍的其它常見金屬離子使探針1在368 nm處的熒光強均發生下降,具體下降的數值為:Ca2+、Cu2+、Mg2+、Co2+、Al3+、K+、Ni2+、Zn2+、Na+、Fe3+分別為11%、21%、22%、22%、32%、36%、37%、37%、45%、61%.因此探針1對Cd2+的檢測具有選擇性,可以作為熒光增強型的鎘離子熒光探針.

圖4 金屬離子對探針1的熒光影響

2.4 探針1對溶液中的鎘離子的識別

探針1對Cd2+識別的靈敏度高.測試了探針1的熒光光譜隨著Cd2+加入量不同的變化曲線,其結果如圖5(a)所示.

圖5 探針1對Cd2+的熒光響應

熒光光譜圖及動力學曲線表明,隨著Cd2+加入量的增大,探針1在368 nm處的熒光峰強度增強,當加入20倍的Cd2+時,368 nm處的熒光強度增加到最大.測試了探針1與Cd2+的熒光動力學曲線,其結果如圖5(b)所示.由熒光動力學曲線得到溶液熒光強度和Cd2+濃度的線性關系為y=3 437x-269,線性相關系數為0.922 4,計算出探針1檢測Cd2+的最低檢出限為0.26 μmol·L-1.因此探針1可以在溶液中檢測Cd2+的存在,是熒光增強型的鎘離子熒光探針.

2.5 探針1對Cd2+的識別機理研究

為了探究探針1對Cd2+的識別機理,本文對探針1進行了1H NMR測定實驗.實驗結果顯示,探針1在加入Cd2+(5 eqv)后,1H NMR譜中所有峰的化學位移值均向高場發生了微小的移動(約0.01 ppm),表明探針1與Cd2+發生了微弱的配位.根據相關文獻[21],推測探針1對Cd2+的識別機理為Cd2+對探針1發生誘導聚體,抑制了亞胺C=N雙鍵旋轉異構化,導致熒光增強(如圖6所示).

圖6 探針1對Cd2+的可能識別機理

3 結論

本文合成一個基于萘二胺類的探針,在萘二胺的1,5-位通過席夫堿引入吲哚基團,得到探針1,并進行了相應的表征.探針1能夠在DMSO和緩沖溶液(pH=5.00)中高靈敏度的檢測Cd2+,檢出限為0.26 μmol·L-1.同時探針1對鎘離子檢測的選擇性非常好,常見的金屬離子均不干擾.探針1能夠作為一種熒光增強型的Cd2+熒光探針,可用于檢測水溶液體系中鎘離子的含量.