嗎啉基修飾的新型香豆素Fe3+熒光探針化合物的合成及其性能

蔣祺驊, 劉 鋼, 張 震, 孫小強, 席海濤

(常州大學 石油化工學院，江蘇 常州 213164)

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嗎啉基修飾的新型香豆素Fe3+熒光探針化合物的合成及其性能

蔣祺驊, 劉 鋼, 張 震, 孫小強, 席海濤*

(常州大學 石油化工學院，江蘇 常州 213164)

間苯二酚與乙酰乙酸乙酯經親核取代反應制得7-羥基-4-甲基香豆素(1)； 1與碘甲烷在乙醚中反應制得7-甲氧基-4-甲基香豆素(2)； 2與N-溴代丁二酰亞胺在四氯化碳中經2步反應制得3-溴-4(溴甲基)-7-甲氧基香豆素(4)； 4在四氫呋喃溶劑中與嗎啉反應合成了一種新型的基于香豆素的熒光探針化合物——3-溴-7-甲氧基-4-(嗎啉代)-2H-吡喃-2-酮(5)，其結構經1H NMR,13C NMR和MS表征。光學性能和金屬離子識別性能研究結果表明：5的激發波長為340.15 nm，發射波長為408.35 nm； 5對Fe3+有良好的識別作用，在1.0 ×10-5mol·L-1～9.0×10-5mol·L-1可定量檢測Fe3+含量。

香豆素; 嗎啉; 熒光探針; 合成; 離子識別

香豆素類化合物的母體為苯并吡喃酮結構, 具有熒光量子產率高、Stokes位移大和光穩定性好等優點，是熒光傳感器分子設計中的優秀候選熒光團，近年來在熒光探針方面的研究備受關注[1-6]。但在針對香豆素陽離子探針的研究中，Fe3+的報道相對較少，Hu等[7]報道了一個基于FRET的香豆素-羅丹明衍生物能選擇性識別痕量的Fe3+。

Scheme 1

含有氮原子的六元雜環已被證明是潛在的化療藥物和藥物中間體[8]。嗎啉及其衍生物由于其與許多生物和臨床應用具有密切的關聯而被廣泛研究[9]。嗎啉基的高關注度主要源于以下因素，首先，嗎啉環上的氧原子可以參與相應受體的供體-受體型相互作用，增加結合的緊密性；其次，氧原子的高電負性降低了氮原子的堿性[10]。

本文以間苯二酚與乙酰乙酸乙酯經親核取代反應制得7-羥基4-甲基香豆素(1)； 1與碘甲烷在乙醚中反應制得7-甲氧基-4-甲基香豆素(2)； 2與N-溴代丁二酰亞胺(NBS)經2步反應制得3-溴-4(溴甲基)-7-甲氧基香豆素(4)； 4在四氫呋喃中與嗎啉反應合成了一種新型的單側臂探針化合物——3-溴-7-甲氧基-4-(嗎啉代)-2H-吡喃-2-酮(5， Scheme 1)，其結構經1H NMR，13C NMR和LC-MS表征。并利用UV-Vis和FL研究了其對金屬離子(Mn+)的識別性能。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

WRS-2型微機熔點儀(溫度未校正)；UV-1700型紫外-可見吸收光譜儀；Bruker VANCE 300 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內標)；Cary6000i optics型熒光光譜儀；LCMS-2010EV型質譜儀。

柱層析用硅膠H，青島海洋化工有限公司；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1) 1的合成[11]

在100 mL三口燒瓶中依次加入間苯二酚5.51 g(50 mmol)，乙酰乙酸乙酯10 mL(75 mmol)和濃硫酸20 mL，攪拌10 min散熱，保持溫度低于10 ℃反應12 h(TLC跟蹤)。置于0 ℃冰水中冷卻(有淡黃色固體析出)，過濾，濾餅置燒瓶中，加入10%NaOH溶液至無沉淀析出，過濾，濾餅用無水乙醇重結晶得白色粉末1 7.17 g，產率81.4%, m.p. 189.0～190.8 ℃;1H NMR(300 MHz, DMSO-d6)δ: 10.54(s, 1H, OH), 7.58(d,J=9.0 Hz, 1H, ArH), 6.81(m, 1H, ArH), 6.70(d,J=3.0 Hz, 1H, ArH), 6.13(d,J=3.0 Hz, 1H, ArH), 2.36(s, 3H, CH3);13C NMR(75 MHz, DMSO-d6)δ: 161.62, 160.75, 156.30, 154.02, 127.10, 113.32, 112.48, 110.71, 102.63, 18.68; MSm/z: 177{[M+H]+}。

(2) 2的合成[12]

向100 mL三口燒瓶中依次加入1 704 mg(4 mmol)，碘甲烷1.3 mL(20 mmol)，碳酸鉀600 mg(3.34 mmol)和乙醚50 mL，攪拌下升溫至50 ℃，反應4 h(TLC跟蹤)。過濾，濾液蒸干得白色粉末，用乙酸乙酯(50 mL)溶解，倒入分液漏斗中，依次用1 mol·L-1鹽酸(30 mL)、去離子水(30 mL)和飽和NaCl溶液(20 mL)洗滌，無水硫酸鈉干燥，旋蒸除去溶劑得白色粉末2 699 mg，產率92.1%, m.p.156.7～158.2 ℃;1H NMRδ: 7.50(d,J=8.73 Hz, 1H, ArH), 6.87(dd,J=8.72 Hz, 2.55 Hz, 1H, ArH), 6.82(d,J=2.43 Hz, 1H, ArH), 6.14(d,J=1.17 Hz, 1H, ArH), 3.88(s, 3H, OCH3), 2.40(d,J=1.19 Hz, 3H, PhCH3);13C NMRδ: 161.62, 160.75, 156.30, 154.02, 127.10, 113.32, 112.48, 110.71, 102.63, 55.74, 18.68; MSm/z: 191{[M+H]+}。

(3) 3-溴-7-甲氧基-4-甲基香豆素(3)的合成[13]

在三口燒瓶中依次加入2 456.6 mg(2.4 mmol)， NBS 470.0 mg(2.64 mmol)和四氯化碳20 mL，攪拌下加入過氧化苯甲酰(BPO)32.0 mg(0.12 mmol)，反應體系呈黃色渾濁液，回流(80 ℃)反應12 h(TLC跟蹤)。過濾，濾液旋蒸除去溶劑得淡黃色固體，用乙酸乙酯(20 mL)溶解，置于分液漏斗中，依次用去離子水(20 mL)和飽和NaCl溶液(20 mL)洗滌，無水硫酸鈉干燥，蒸干后經硅膠柱層析[洗脫劑：A=V(二氯甲烷)∶V(石油醚)=1 ∶1]純化得淡黃色固體3 498.0 mg，產率77.1%, m.p.146.3～146.9 ℃;1H NMRδ: 7.56(d,J=8.91 Hz, 1H, ArH), 6.90(dd,J=8.91 Hz, 2.52 Hz, 1H, ArH), 6.83(d,J=2.52 Hz, 1H, ArH), 3.88(s, 3H, OCH3), 2.60(s, 3H, PhCH3);13C NMRδ: 161.70, 156.39, 152.56, 150.16, 125.02, 112.35, 111.99, 108.63, 99.62, 54.82, 18.49; MSm/z: 268{[M+H]+}。

(4) 4的合成[13]

在三口燒瓶中依次加入3 126.4 mg(0.470 mmol)， NBS 92.1 mg(0.517 mmol)和四氯化碳30 mL，攪拌下加入偶氮二異丁腈(AIBN)4.2 mg(0.024 mmol)，反應體系呈黃色渾濁液，升溫至回流(80 ℃)，反應24 h(TLC跟蹤)。過濾，濾液旋蒸除去溶劑得淡黃色固體，用乙酸乙酯20 mL溶解，置于分液漏斗中，依次用去離子水(20 mL)和飽和NaCl溶液(20 mL)洗滌，蒸干后經硅膠柱層析(洗脫劑：A=1 ∶1)純化得淡黃色固體4 136.4 mg，產率83.4%， m.p. 181.7～183.2 ℃;1H NMRδ: 7.54(d,J=8.94 Hz, 1H, ArH), 6.88(dd,J=8.94 Hz, 2.52 Hz, 1H, ArH), 6.79(d,J=2.49 Hz, 1H, ArH), 4.62(s, 2H, BrCH2), 3.82(s, 3H, OCH3);13C NMRδ: 162.12, 153.15, 147.48, 124.67, 124.51, 112.43, 109.78, 109.63, 100.05, 54.93, 25.51; MSm/z: 349{[M+H]+}。

(5) 5的合成

在10 mL史萊克管中加入4 109.4 mg(0.316 mmol)和嗎啉31.1 mg(0.357 mmol)，抽真空換N2，注入新蒸THF 2.5 mL，于室溫反應5 h(反應體系呈淡黃色,TLC跟蹤)。過濾，濾液旋蒸除溶，殘余物加入乙酸乙酯(20 mL)溶解，依次用去離子水(10 mL)和飽和NaCl溶液(3×10 mL)洗滌，干燥后旋蒸除去溶劑得微黃色固體粗品，經硅膠柱層析(洗脫劑：A=2 ∶1)純化得淡黃色固體5 0.107 g，產率95.6%， m.p. 159.1～160.9 ℃;1H NMRδ: 7.85(d,J=9.00 Hz, 1H, ArH), 6.82(dd,J=9.00 Hz, 2.55 Hz, 1H, ArH), 6.74(d,J=2.52 Hz, 1H, ArH), 3.84(s, 2H, PhCH2), 3.81(s, 3H, OCH3), 3.81(t,J=4.47 Hz, 4H, CH2), 2.54(t,J=4.51 Hz, 4H, CH2);13C NMRδ: 162.67, 157.41, 153.82, 149.36, 127.39, 112.90, 112.83, 111.76, 100.29, 66.91, 59.48, 55.84, 53.45; MSm/z: 377{[M+Na]+}。

2 結果與討論

2.1 光學性能

圖1為合成的探針化合物5在不同溶劑中的熒光譜圖。由圖1可見，在濃度相同的情況下5在THF中的發射波長為408.35 nm，其熒光強度最大，這是由于5與THF分子間產生相互作用增強了分子的剛性導致熒光強度增大。

λ/nm

λ/nm

Temperature/K

在四氫呋喃溶劑中，考察了溫度對化合物5(c=1.0×10-4mol·L-1)熒光性能的影響，結果見圖2和圖3。由圖可見，在273～348 K，隨著溫度升高，5的熒光強度線性減弱。這是由于隨著溫度的升高，分子運動加強，溫度的上升使得熒光分子與溶劑分子碰撞的機會增大導致熒光淬滅現象增強，從而使得其熒光強度下降。

2.2 對Mn+的選擇性識別性能

研究表明化合物5對Mn+具有一定的識別能力。加入等摩爾量Mn+后溶液熒光強度的變化，較為清晰地反映出化合物對Mn+的識別能力。5對不同Mn+的選擇性識別作用見圖4。

λ/nm

由圖4可以看出，堿金屬(Na+和K+)、堿土金屬(Cd2+和Mg2+)和過渡金屬離子(Cu2+， Co2+， Pb2+， Ag+和Zn2+)在與5絡合后熒光強度變化不明顯，而Fe3+加入后熒光強度有明顯增強。這是由于Fe3+與5有較好的螯合作用，抑制了5的PET熒光淬滅效應。

根據5與Fe3+的Job’s工作曲線圖(圖5)可以看出，在5與Fe3+的摩爾比為1 ∶1時，熒光增強現象最明顯，可以得出5與Fe3+以配位比為1 ∶1形成配合物。

n(5)∶[Fe3+]

[Fe3+]/×10-4mol·L-1

進一步研究不同濃度的Fe3+對同一濃度的探針化合物5熒光強度的影響，結果見圖6。由圖6可見，隨著Fe3+濃度增大，熒光強度逐漸減弱。在Fe3+濃度為1.0×10-5mol·L-1～9.0×10-5mol·L-1時，探針熒光強度Y與[Fe3+]具有良好的線性關系。線性方程為Y=285.73+4.756×105[Fe3+]，相關系數R=0.992 5，根據該線性方程可以定量檢測1.0×10-5mol·L-1～9.0×10-5mol·L-1Fe3+的含量。

設計并合成了一種新型的基于香豆素的熒光探針化合物——3-溴-7-甲氧基-4-(嗎啉代)-2H-吡喃-2-酮(5)。 5的激發波長為340.15 nm，發射波長為408.35 nm。 5對Fe3+有良好的識別作用，在1.0×10-5mol·L-1～9.0×10-5mol·L-1可定量檢測Fe3+含量。該研究對Fe3+的識別檢測具有一定的實際應用價值。

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Synthesis and Properties of A Novel Coumarin-based Fe3+Fluorescent Probe Modified by Morpholin

JIANG Qi-hua, LIU Gang, ZHANG Zhen, SUN Xiao-qiang, XI Hai-tao*

(Institute of Petrochemical Technology, Changzhou University, Changzhou 213164, China)

7-Hydroxy-4-methyl coumarin(1) was prepared by nucleophilic substitution reaction of resorcinol with ethyl acetoacetate. 7-Methoxy-4-methyl-coumarin(2) was synthesized by reaction of 1 with methyl iodide. 3-Bromo-4-(bromomethyl)-7-methoxy-coumarin(4) was prepared by two-step reaction of 2 withN-bromosuccinimide in CCl4. A novel coumarin-based fluorescent probe, 3-bromo-7-methoxy-4-(morpholino)-2H-pyran-2-one(5), was synthesized by reaction of 4 with morpholine. The structure was characterized by1H NMR,13C NMR and MS. The optical properties of 5 were investigated. The results showed theλexwas 340.15 nm andλemwas 408.35 nm. A study of the identification effect of 5 for different cations was carried out. The result showed that 5 exhibited good selectivity for Fe3+at 1.0×10-5mol·L-1～9.0×10-5mol·L-1.

coumarin; morpholine; fluorescent probe; synthesis; ion recognition

2016-05-24;

2016-11-15

蔣祺驊(1991-)，男，漢族，江蘇無錫人，碩士研究生，主要從事有機合成和超分子化學的研究。 E-mail: wuxijqh@163.com

席海濤，博士，教授， E-mail： xht@cczu.edu.cn

O621； O626

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.01.16130