7-二乙胺基-3-[(噻吩-2-亞甲氨基)甲基]香豆素的合成及對Fe3+的熒光識別

吳芳輝*， 楊俊卿， 徐 帆， 董天涯， 陳 晨， 儲心萍

(安徽工業大學化學與化工學院，安徽馬鞍山 243002)

近年來，通過簡單的光學儀器甚至裸眼觀察響應信號的變化簡單方便地識別金屬離子已廣泛應用于食品分析、醫藥學、環境保護和生命科學等領域[1 - 2]，而設計能結合金屬離子引起光譜變化的分子探針化合物是金屬離子識別檢測中的關鍵，其決定了光學傳感器的識別選擇性和結合靈敏度。其中含有甲亞胺基團的席夫堿化合物，因其合成方法較為簡單、配位作用強、結構多樣化并具有優良光電和催化性能等特點，常被用于金屬陽離子的識別[3-5]。另一方面，廣泛存在于自然界，光穩定性好、可見區光激發，具有生物活性的香豆素類化合物，也具備了作為分子探針的優勢，并且在香豆素母環上不同位置修飾不同的官能團，還能使其具有更加優良的熒光傳感性能[6 - 7]。因此，有文獻報道[8-9]，通過在席夫堿類化合物結構中鍵連香豆素衍生物作為發光體后，因含有C=O和C=N等螯合基團，并提供了S、O和N等多種配位點，對某些金屬陽離子產生了較強的識別活性。目前，有很多種類的熒光探針被用于識別和檢測Fe3+[10 - 13]，然而結合香豆素鍵連席夫堿構建的“turn-off”型Fe3+熒光探針較為稀少。

本文采用4-二乙胺基水楊醛和丙二酸二乙酯為原料，在哌啶存在的條件下生成二乙胺基香豆素前驅體化合物，接著再與三氯氧磷生成7-二乙胺基香豆素，最后和噻吩-2-甲胺通過簡單的一步反應合成了一種新型的7-二乙胺基-3-[(噻吩-2-亞甲氨基)甲基]香豆素(DTMC)化合物，表征了其結構并研究了其對金屬離子的光學響應，結果發現DTMC對 Fe3+的有明顯的識別活性。即當有Fe3+存在時，可以檢測到DTMC熒光強度明顯地降低甚至產生熒光“關”的現象，并且其它金屬離子對其識別Fe3+幾乎無干擾。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

紅外光譜采用美國Nicolet/Nexus-870型傅立葉變換紅外光譜儀(KBr壓片)；核磁共振譜在德國布魯克公司Bruker Avance Ⅲ 400MHz型核磁共振儀(TMS為內標)上測定；采用美國Perkin-Elmer 2400元素分析儀進行元素分析；香豆素席夫堿化合物DTMC與其它離子之間的作用分別采用美國Perkin Elmer LS55型熒光光譜儀測量。

4-二乙胺基水楊醛和噻吩-2-甲胺購自阿拉丁試劑公司，濃HCl和冰HAc購自上海中試化工總公司，其余試劑均購自國藥試劑公司，所用化學試劑均為分析純，使用前未經進一步純化。所有吸收光譜和熒光光譜實驗均在DMF溶劑中于室溫下進行，所用水均為二次蒸餾水。

1.2 7-二乙胺基-3-醛基香豆素的合成

采用改進的文獻方法[14]，于裝有30 mL乙醇的燒瓶中分別加入1.93 g(10 mmol)4-二乙胺基水楊醛、3.20 g(20 mmol)丙二酸二乙酯和1 mL的哌啶，于80 ℃條件下加熱回流反應6 h，然后再加入20 mL濃HCl及20 mL冰HAc繼續反應6 h。反應完成后將反應液傾入100 mL冰水中，使用40%的NaOH溶液調節pH至6后，抽濾干燥得到7-二乙胺基香豆素。在無水無氧裝置中先將含2 mL三氯氧磷的無水DMF(2 mL)于30 ℃條件下攪拌0.5 h，然后將含有1.5 g(6.91 mmol)7-二乙胺基香豆素的10 mL無水DMF加入至該反應器中于60 ℃的條件下加熱回流反應12 h。反應結束后將反應液倒入100 mL冰水中，使用30%的NaOH溶液調節pH至有大量沉淀產生結束反應，抽濾并使用乙醇多次重結晶得到產物7-二乙胺基-3-醛基香豆素(1.2 g)。產率：71%。

1.3 7-二乙胺基-3-[(噻吩-2-亞甲氨基)甲基]香豆素的合成

將1.235 g 7-二乙胺基-3-醛基香豆素(5 mmol)與0.57 g噻吩-2-甲胺(5 mmol)溶于20 mL乙醇中，于85 ℃條件下加熱回流反應6 h后冷卻，抽濾并使用乙醇重結晶得到產物7-二乙胺基-3-[(噻吩-2-亞甲氨基)甲基]香豆素(1.13 g)。產率：66.5%。1H NMR(400 MHz,CDCl3),δ(ppm):1.23(t,6H),3.43(m,4H),4.79(m,2H),6.48(d,J=2.0Hz,1H),6.63(dd,J=2.8Hz and 2.4Hz,1H),6.94(m,1H),7.02(m,1H),7.20(dd,J=1.2Hz and 1.2Hz,1H),7.41(m,1H),8.73(s,1H),9.18(s,1H).IR(KBr,cm-1):2972(-CH3),2928(-CH2-),1697(-COOR),1617(C=N),1227(C=O),1134(C-N).元素分析計算值(%)C19H20N2O2S:C 67.03，H 5.92， N 8.23，O 9.40 S 9.42；測定值(%):C 67.22，H 5.81，N 8.34，O 9.53 S 9.61。

1.4 熒光測定方法

熒光探針DTMC與其它離子之間的作用采用1 cm石英比色皿，于Perkin Elmer LS55型熒光光譜儀上測量。金屬離子均由乙酸鹽配制成DMF溶液，DTMC于室溫下溶解于DMF中先配制成10-3mol/L儲備液，再將1 mL儲備液稀釋至100 mL容量瓶中用于光譜研究，測試溶液現配現用。熒光滴定實驗則是在DTMC的DMF溶液中不斷滴加0～10-3mol/L的Fe3+，觀察光譜強度的變化來進行研究的。

2 結果與討論

2.1 DTMC的合成與表征

本文在文獻報道[14]的基礎上，先采用改進的方法將4-二乙胺基水楊醛和丙二酸二乙酯在哌啶存在的條件下加熱回流反應得到7-二乙胺基香豆素前驅體化合物，然后繼續加入濃HCl及冰HAc反應生成7-二乙胺基香豆素；第二步在無水無氧裝置中采用三氯氧磷與7-二乙胺基香豆素反應并通過重結晶后獲得產物7-二乙胺基-3-醛基香豆素；第三步則采用7-二乙胺基-3-醛基香豆素與2-噻吩甲胺為原料，通過一步法合成得到了一種基于香豆素和噻吩的新型香豆素席夫堿類分子探針7-二乙胺基-3-[(噻吩-2-亞甲氨基)甲基]香豆素(DTMC)，并使用核磁共振氫譜和傅里葉變換紅外光譜表征了其結構。核磁共振氫譜中1.23 ppm處對應的是二乙胺基上的甲基峰，3.43 ppm處對應二乙胺基上的亞甲基峰，4.79 ppm處對應的是甲胺基中的亞甲基峰，9.18 ppm處對應C=N中碳原子鏈接的氫的峰，其余為香豆素環和噻吩環上的氫峰。紅外光譜中2 972 cm-1處和2 928 cm-1處對應二乙胺基的甲基峰和亞甲基峰，1 697 cm-1處對應香豆素的內酯峰，1 617 cm-1處對應C=N雙鍵的峰，結合元素分析結果可知各項表征所得數據與化合物結構一致。DTMC的合成路線見圖1。

圖1 DTMC的合成步驟Fig.1 Synthesis of DTMC

2.2 化學傳感器DTMC的光學性質和抗干擾性能研究

圖2 DTMC的DMF溶液中加入不同金屬離子(10-5 mol/L)后的熒光光譜圖(λex=384 nm,λem=476 nm,狹縫為2 nm)Fig.2 Fluorescence spectrum of DCTC in the presence of different metal ions(10-5 mol/L)(λex=384 nm,λem=476 nm,slit:2 nm)

圖3 DTMC的DMF溶液中(10-5 mol/L)加入等量(10-4 mol/L)的Fe3+與其它金屬離子后的熒光強度柱形圖Fig.3 Fluorescence intensity of DTMC in DMF(10-5 mol/L) adding same amount of Fe3+ with other metal ions(10-4 mol/L)

2.3 DTMC的應用和結合性能研究

圖4 DTMC的DMF溶液(10-5 mol/L)中加入的不同量Fe3+后的熒光強度Fig.4 Fluorescence spectra of DTMC in DMF(10-5 mol/L) with the addition of 0 - 10-3 mol/L Fe3+λex=384 nm,λem=476 nm,slit:2 nm.

向DTMC的DMF溶液中滴加Fe3+后發現其熒光發射峰會不斷地下降(圖4)。并且研究結果還表明，DTMC在476 nm處的熒光強度差值(ΔF=F0-F)與Fe3+的濃度在0 ～ 10-4mol/L之間呈很好的線性關系，線性方程為：ΔF=42.15528+13.19892×cF3+(μmol/L)，線性相關系數R=0.9975。而當加入的Fe3+達到飽和濃度時(10-3mol/L)，其熒光會減弱至基本消失，如圖4所示。本文根據熒光光譜光譜數據計算并畫出Benesi-Hilderbrand圖(圖略)，DTMC在476 nm處的1/(F0-F)與1/cFe3+(0 ～10-4mol/L)有很好線性關系(R=0.9999)，通過B-H方程計算出其結合常數為4.04×103(mol/L)-1 [16]。采用Job’s圖(圖略)進一步分析表明當DTMC的摩爾分數為0.67左右時，熒光強度變化值達到最大，證明DTMC與Fe3+之間以2∶1的摩爾比配位[17]。

3 結論

本文使用了7-二乙胺基-3-醛基香豆素與噻吩-2-甲胺反應合成了一種新型的基于噻吩和香豆素基團的化合物7-二乙胺基-3-[(噻吩-2-亞甲氨基)甲基]香豆素(DTMC)。研究結果表明DTMC對Fe3+能快速實現熒光抑制響應(時間小于2 s)，當在DTMC的DMF溶液中加入的Fe3+達到飽和濃度(10-3mol/L)后，DTMC的熒光甚至會被“關閉”，并且其它離子不干擾測定，表明該分子探針對Fe3+的熒光識別選擇性較好。有望發展分子探針DTMC用于定量檢測微量Fe3+。