均三嗪衍生物比色識別Cu2+及熒光識別Zn2+

李麗妹，王梅閣，楊秋生，2，段中余，2

（1 河北工業大學化工學院，天津300130；2 天津市本質安全化工技術重點實驗室，天津300130）

鋅和銅是大多數生物必需的微量元素，也是人體內第二和第三重要的金屬元素[1-2]，在細胞呼吸、結締組織發育等基本生理過程中起重要作用。鋅和銅過量存在于人體內會引起嚴重的神經退行性疾病，比如阿爾茨海默癥、前列腺癌、威爾遜氏病等[3-7]；缺銅可能會導致血液和神經系統問題[8-9]。同時，過量的鋅和銅金屬排放還會引起嚴重的環境問題。因此，對金屬鋅和銅的識別檢測至關重要，是化學領域的研究熱點之一。目前對金屬鋅和銅的檢測方法很多，如原子吸收分光光度法（AAS）、電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）及原子熒光分光光度法（AFS）等。離子探針作為檢測、識別離子的一種方法，具有合成簡單、靈敏度高、選擇性好、響應速度快等特點，被廣泛應用于生物、食品分析、藥物診斷等方面，具有廣闊前景[10-12]。

均三嗪是一種含大共軛結構的含氮芳雜環，在熱穩定性、耐化學腐蝕、耐酸堿性、高強度等方面具有優異性能。均三嗪衍生物具有較強的電子親和能力，易發生特定反應，在分子識別、自組裝、傳感器及構建樹狀分子中均占有重要地位[13]。席夫堿類化合物因其結構特殊，含有C==N，是一種良好的配體，并且合成方法比較簡單[14]。將席夫堿與均三嗪結合，為離子識別提供了更多的可能性。本文以對氨基苯腈、鄰叔丁基苯酚以及3,5-二叔丁基水楊醛為原料利用醛胺縮合反應合成了兩種含均三嗪結構對稱三爪離子探針（見圖1），更加有利于專一性識別離子。探針1 可高選擇性識別Zn2+，探針2 通過觀察顏色變化可裸眼識別Cu2+，具有潛在的應用前景。

1 實驗方法

1.1 儀器與試劑

Bruker AC 400MHz 型核磁共振波譜儀（德國Bruker 公司生產，內標為TMS，溶劑為CDCl3，DMSO-d6）；Bruker Vector-22 型傅里葉交換紅外光 譜 儀（KBr 壓 片）； Hermo-Finnigan TLCQ Advantage 型和Shimadzu LCMS-2020 液質聯用儀（ESI模式）；SDT-TG Q600型熱重分析儀（美國TA公司生產）；UV-6100 紫外-可見分光光度儀（上海元析儀器有限公司）；F-4600 Hitachi熒光光譜儀（天美科學儀器有限公司）。對氨基苯腈、三氟甲磺酸、鄰叔丁基苯酚、3,5-二叔丁基水楊醛均來自市售分析純；其他試劑均經標準方法純化后使用。

1.2 化合物制備

1.2.1 1,3,5-三-(4-胺基-苯基)三嗪（TAPT）的合成[15]

將3.86g（0.0325mol）4-氨基苯甲腈加入單口瓶中，冰浴，氬氣環境下滴加15mL（0.1665mol）三氟甲磺酸。撤去冰浴，室溫下反應24h。加入25mL的蒸餾水，產生橙黃色沉淀，加入2mol/L的NaOH溶液調節pH=7，沉淀溶解后變成淡黃色懸濁液，用300mL蒸餾水多次洗滌，過濾，取固體于55℃真空干燥12h，得到3.32g 淡黃色固體，產率86%。1H NMR（400MHz，DMSO-d6）δ=8.339～8.360（d，J=8.4Hz，6H）， 6.677～6.698 （d，J=8.4Hz， 6H）， 5.918（s，6H）。

圖1 離子探針1和2的合成路線

1.2.2 鄰叔丁基水楊醛的合成

將5.0g（0.033mol）鄰叔丁基苯酚加入到雙口瓶中，加入9.8g（0.103mol）無水氯化鎂，氬氣環境下加入100mL 四氫呋喃，開啟攪拌，加入13mL（0.101mol）三乙胺，25℃下攪拌20min，顏色變青色，再加入3.5g（0.116mol）多聚甲醛，升溫至回流，反應5h。加入80mL蒸餾水，加入濃鹽酸調節pH=2～3，顏色為橙黃色，再加入100mL二氯甲烷攪拌，分層，將有機層用飽和食鹽水洗滌3次，無水硫酸鈉干燥有機相過夜，抽濾，旋蒸，得到黃綠色液體。柱層析（SiO2，石油醚/乙酸乙酯=200∶1）收集第一組分，得到2.36g淺黃色液體，產率40%。

1H NMR（400MHz，CDCl3）δ=11.82（s，1H），9.91（s，1H），7.47（s，1H），7.34（s，1H，ph-H），6.90（s，1H），1.34（s，9H）。

1.2.3 探針1的合成

將0.7g（0.002mol）TAPT 放入雙口瓶中，氬氣環境下加入100mL 乙醇，攪拌，升溫到85℃，加入1.87g （0.008mol） 鄰叔丁基水楊醛，反應24h。趁熱將反應液倒入冷乙醇中，過濾，用50mL 冷乙醇反復洗滌， 35℃真空干燥12h，得1.23g 黃色固體，產率73.8%。1H NMR（400MHz，DMSO-d6）δ=14.068 （s，3H），9.122 （s，3H），8.882～8.860 （d，J=8.8Hz，6H），7.739～7.718（d，J=8.4Hz，6H），7.593～7.570 （d，J=9.2Hz，3H），7.455～7.385 （t，J=14Hz，3H），6.996～6.957 （t，J=7.8Hz， 3H）， 1.406 （s， 27H）；13C NMR （100MHz， DMSO-d6）δ=28.2， 29.7，33.5，119.2，121.9，129.2，134.4，135.6，159.0，162.3； IR （KBr）ν： 3448 （ —OH）， 3080（Imine==C—H），2860（tert-butyl —C—H），1627（—C==N—），912，810（triazine）cm-1；ESI-MS（m/z）：[M+Na]+：857.42，Found：856.30。

1.2.4 探針2的合成

將1.05g（0.003mol）TAPT 放入雙口燒瓶中，氬氣環境下加入30mL DMF 使之溶解，將2.43g（0.01mol）3,5-二叔丁基水楊醛溶于100mL 無水乙醇，用注射器將其加入雙口瓶中，在氬氣環境下，85℃反應48h。待反應完畢，冷卻至室溫，抽濾，并用無水乙醇沖洗，取固體60℃真空干燥，得1.60g 淡黃色固體， 產率53.8%。1H NMR（400MHz，CDCl3）δ=8.872～8.894 （d，J=8.8Hz，6H），8.778（s，3H），7.525～7.530（d，J=2.0Hz，6H），7.496～7.517 （d，J=8.4Hz，3H），7.312～7.318（d，J=2.4Hz，3H），1.527（s，27H），1.381（s，27H）；13C NMR （100MHz CDCl3）δ=171.0，164.8，158.5，152.5，140.8，137.2，134.3，130.3，128.6，127.1，121.5，121.4，118.2，35.1，34.2，31.5，29.4；IR （KBr）ν：3403 （—OH），2950，1913，2867（tert-butyl C—H），1621（—C==N—），873，811（triazine）cm-1；LCMS（m/z）：[M+Na]+：1026.39，Found：1027.5。

1.3 離子識別實驗

向1.0×10-5mol/L濃度的探針1 和2的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液中加入2.0×10-5mol/L的不同陽離子（Cr3+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、K+、Na+）的DMF溶液，混合均勻后，進行紫外吸收光譜測試，觀察金屬離子加入前后的譜圖變化。向1.0×10-6mol/L濃度的探針1 和2 的DMF溶液中加入2.0×10-6mol/L的不同陽離子（Cr3+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、K+、Na+）的DMF溶液，混合均勻后，進行熒光光譜測試，觀察金屬離子加入前后的譜圖變化。

2 結果與討論

2.1 熱穩定性

通過對兩種探針的熱穩定性分析，探針1的熱分解溫度為272℃，探針2 的熱分解溫度為340℃，見圖2。探針2 的熱穩定性比探針1 好，可能是由于叔丁基增多，使得探針共軛程度增強。表明引入叔丁基基團可以提高熱穩定性。

圖2 探針1和2的熱重分析

2.2 探針1和2識別性能

2.2.1 紫外-可見光吸收光譜分析

為了探究探針1 和2 對金屬離子的識別性能，向探針1 和2 溶液中分別加入2.0×10-5mol/L 不同金屬離子（Cr3+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、K+、Na+），紫外吸收光譜變化如圖3所示。由于探針分子具有大的共軛體系，n→π*躍遷，探針1在λ=360nm有最大吸收峰，加入Hg2+后，吸收峰強度顯著降低，其他離子的加入沒有引起明顯變化。探針2 在λ=345nm、373nm 處有最大吸收峰，出現雙峰可能是由另一個叔丁基的引入造成的。加入Cu2+后，吸收峰發生明顯變化，λ=345nm處吸收峰藍移，λ=373nm 處吸收峰消失并且在λ=430nm處出現新的吸收峰，自然光下，加入Cu2+后的探針溶液由無色變為黃色；加入Hg2+后在λ=360nm形成新的吸收單峰，其他離子的加入沒有引起明顯變化。以上結果表明通過紫外吸收光譜探針1和2均能對Hg2+有識別作用，并且探針2對Cu2+還可以實現高選擇性的裸眼識別。

圖3 不同金屬離子對探針（1.0×10-5mol/L）的紫外吸收光譜的影響

通過探針2 與Cu2+的紫外滴定實驗，定量研究了不同濃度的Cu2+對探針2 紫外吸收光譜的影響。如圖4 所示，隨著Cu2+濃度增加，探針2 在λ=316nm 的吸收峰藍移，λ=373nm 吸收峰逐漸消失，λ=430nm 處逐漸出現新的吸收峰并且吸收峰強度逐漸增強。在λ=327nm 和407nm 處形成兩個等吸收點，表明Cu2+與探針2 形成穩定的配合物。通過數據的線性擬合[16-17]，計算出探針2對Cu2+的紫外最低檢出限LOD 為2.24×10-6mol/L，因此探針2 可定量檢測Cu2+。

圖4 Cu2+濃度對探針2（1.0×10-5mol/L）紫外-可見光吸收光譜圖

2.2.2 熒光光譜分析

向探針1 和2（1.0×10-6mol/L）溶液中分別加入不同金屬離子（Cr3+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、K+、Na+），進行熒光光譜測試。如圖5(a)所示，探針1 熒光強度很弱，加入Zn2+后熒光強度發生顯著增強。這可能是由于探針1 中的C==N 雙鍵發生異構化使其表現出很弱的熒光，加入Zn2+后，與C==N 的氮原子及—OH 的氧原子配位，C==N 異構化受阻，分子剛性增強，分子內電子轉移受阻，使得熒光強度增強[18-19]。在460nm 和540nm 出現兩個峰是由于形成配合物時，探針1 結構發生構型變化，出現了雙發射通道[20]。而加入其他金屬離子的熒光譜圖沒有明顯變化，這說明探針1 對Zn2+具有極高的選擇性。如圖5(b)所示，向探針2 中加入金屬離子后譜圖均沒有明顯變化。熒光譜圖表明，探針1 可以高選擇性地識別Zn2+。

通過探針1 與Zn2+的熒光滴定譜圖（圖6）可以看出，隨著Zn2+濃度的不斷增加，熒光強度不斷增強并逐漸趨于飽和狀態，說明探針1 與Zn2+已形成穩定配合物。通過線性擬合計算出探針1 對Zn2+熒光最低，檢出限LOD為1.02×10-6mol/L。

2.3 探針識別離子的抗干擾性能

圖5 不同金屬離子對探針（1.0×10-6mol/L）熒光光譜的影響

圖6 Zn2+濃度對探針1（1.0×10-6mol/L）熒光強度影響

為了檢測其他金屬離子的存在對探針1 熒光識別Zn2+以及探針2 紫外識別Cu2+有無干擾，首先進行了探針1 在Zn2+和其他金屬離子共存時的干擾實驗，結果如圖7(a)所示。在其他金屬離子（Cr3+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Cd2+、Hg2+、K+、Na+）存在時，向探針1 加入Zn2+引起的熒光增強現象基本沒有發生變化，由此說明探針1 識別Zn2+有很好的抗干擾性。同樣進行了探針2 的抗干擾實驗，如圖7(b)所示。在其他金屬離子（Cr3+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、K+、Na+）存在時，向探針2 加入Cu2+使λ=430nm處出現新吸收峰且強度增強，而加入Hg2+基本沒有變化。Hg2+的加入使λ=430nm吸收峰強度有所減弱，這表明當Hg2+與Cu2+共存時，探針2 識別Cu2+會受到一定的干擾，探針2 抗干擾性相對探針1 較差。

2.4 探針識別機理

為了進一步研究探針對金屬離子的相互作用，利用核磁共振氫譜探究了探針1 和Zn2+的作用機理，結果如圖8 所示。對比探針1 和向探針1 加入Zn2+的核磁共振氫譜可以看出Ha消失，表明探針1 與Zn2+結合時發生去質子化[16]；與羥基相連的苯環中的He、Hc、Hd的化學位移均向高磁場低位移方向偏移，表明羥基參與配位，這是由于氫鍵被破壞，去屏蔽效應消失，質子峰向高場移動；亞胺鍵的Hf同樣向高場偏移，表明亞胺鍵中的N 原子參與配位。這些變化表明探針1 中的—OH、—C==N—的N 原子與Zn2+配位形成1-Zn2+配合物，配位模式如圖9所示。

圖7 金屬離子和Zn2+、Cu2+共存時，對探針的熒光強度和吸光度的影響

圖8 加入Zn2+后探針1氘代DMSO中的1H NMR對比圖

圖9 探針1識別Zn2+的機理

3 結論

通過醛胺縮合反應制備了兩種含均三嗪結構的離子探針，具有良好的熱穩定性能。探針1作為一種熒光增強型探針，利用熒光光譜可高選擇性地識別Zn2+；探針2是一種可裸眼識別的Cu2+探針，同時紫外吸收光譜中長波長處出現新吸收峰，可以高選擇性地識別Cu2+。該方法簡便高效，為實際應用提供一定依據。