基于喹啉基的噁二唑酮類熒光探針合成及對Fe3+的識別

徐 衡，楊 萍，桂乃成，余強紅，陳太杰，黃榮誼

（安慶師范大學化學化工學院，功能配合物安徽省重點實驗室，安徽 安慶 246011）

1 引 言

近年來，很多金屬離子參與了生命的進程，尤其是成為生命體不可或缺的微量元素，如鐵、鋅、錫、鉻、鋁等低濃度的無機陽離子在細胞水平上參與了重要的生物和化學轉化，如酶活性調節等[1-5]。Fe3+離子是環境中普遍存在的金屬離子，對所有活細胞的正常功能起著核心作用，在體內血紅蛋白質轉運氧氣過程中扮演著重要角色[6-8]。然而，過量攝入這種離子則會對人體產生危害，特別是體內Fe3+離子濃度長期超值會導致多種疾病的發生，如引發肝功能損害、免疫系統紊亂、心臟病和糖尿病等[9-12]。因此，Fe3+離子是研究生物和環境影響最相關、最重要的金屬離子之一。

隨著工業化進程的加深，包括Fe3+離子在內的大量重金屬離子被釋放到環境中，在土壤、水體中積聚，嚴重威脅了人類的生命。為此，開發簡單、有效的檢測環境和生物體中Fe3+離子的方法是十分必要的。目前檢測Fe3+離子的手段主要有原子吸收光譜、電感耦合等離子體原子發射光譜、電化學和色譜法等[13-17]，但普遍存在儀器昂貴/維護復雜、樣品準備繁瑣，以及需要熟練的操作人員等缺點。相比之下，熒光探針具有高選擇性/靈敏度、快速響應、成本低廉、實時檢測和儀器設備相對簡單等特點，因而引起了人們的關注[18-23]。

熒光材料種類多樣，其中有機熒光材料以其良好的可調節性、豐富的顏色、高色純度、通過改變共軛長度可控制其光電性能等特點得到了廣泛研究[24-26]。通常作為熒光材料的有機物可以是含有高度共軛不飽和和擴展的π-電子云結構化合物，或者是具有被電子激發到更高的振動和旋轉能量狀態的空能級的無序有機物。

在此，我們通過分子設計合成了具有π-共軛體系的新型喹啉基酰肼化合物1～3和喹啉基噁二唑酮類衍生物4～6。熒光光譜測定表明合成的6種化合物均具有較強的固體熒光發射能力。同時制備了化合物4～6的熒光探針，探測其在不同金屬離子存在下溶液熒光的發射行為，并觀察到該3種化合物探針對Fe3+離子具有高效熒光猝滅效應，是良好的Fe3+離子熒光探針。

2 實 驗

2.1 儀器與試劑

測試儀器：Nicolet iS50 FTIR光譜儀（KBr壓片）；STA-409PC綜合熱重分析儀；Hitachi 850型熒光分光光度計；AVANCE AV 400核磁共振譜儀；AutoSystem-XL GC/Turbomass MS質譜分析儀。所有合成用試劑均為分析純，測試所用溶劑為色譜純，均來自于阿拉丁試劑有限公司，使用前均未提純。

2.2 實驗方法

2.2.1 化合物的合成

化合物1～6的合成路線如圖1所示。

圖1 化合物1～6的合成路線Fig.1 Synthesis route of compounds 1-6

2.2.2 8-肼基喹啉中間體的合成

按照文獻[27]以8-氨基喹啉為原料通過重氮化、還原反應制備8-肼基喹啉。

2.2.3 喹啉基酰肼化合物1～3的合成

4-氟-N'-（8-喹啉基）苯甲酰肼（1）。將4-氟苯甲酰氯（0.99 g，62.80 mmol）用10 mL二氯甲烷（DCM）稀釋。稱取干燥后的8-肼基喹啉（10.00 g，62.81 mmol）用20 mL的DCM溶解，加入三乙胺（10.60 g，94.22 mmol），在氮氣保護下降溫至0～10℃，并在該溫度下緩慢滴加4-氟苯甲酰氯的DCM溶液，滴加完畢后繼續攪拌半小時。反應完成后將反應液分別用水和NaHCO3水溶液洗滌，用DCM（50 mL）萃取，合并有機層，真空濃縮有機相。濃縮物用乙酸乙酯/石油醚（EA/PE）體積比為1∶2重結晶，得到4-氟-N'-（8-喹啉基）苯甲酰肼固體15.95 g，Yield:90.30%，m.p.:160.4～161.3℃。IR：3 258.98，3 321.41，1 655.83，1 230.23 cm-1。1H NMR（400 MHz,DMSO-d6）δ:10.74（d,J=2.8 Hz,1H）,8.85（dd,J=4.2,1.7 Hz,1H）,8.44（d,J=2.7 Hz,1H）,8.31（dd,J=8.4,1.8 Hz,1H）,8.10～8.00（m,2H）,7.58（dd,J=8.3,4.2 Hz,1H）,7.44（d,J=7.9 Hz,1H）,7.41～7.30（m,3H）,6.99（dd,J=7.5,1.3 Hz,1H）。13C NMR（101 MHz,DMSO-d6）δ:165.42,165.07,162.94,147.83,144.86,137.16,135.99,130.15,130.06,129.32,129.29,128.07,127.22,121.82,117.12,115.58,115.36,107.59。10-6（ppm）。MS（ESI-）:m/z279.95（[M-H]-,計算值280.09,100%）。

N'-（8-喹啉基）苯甲酰肼（2）。合成時將對氟苯甲酰氯更換成苯甲酰氯，其他合成步驟與化合物1的合成方法一致。Yield:90.20%,m.p.：154.8～155.6℃。IR：3 300.64，3 331.84，1 637.96 cm-1。1H NMR（400 MHz,DMSO-d6）δ:10.72（s,1H）,8.86（dd,J=4.2,1.7 Hz,1H）,8.44（s,1H）,8.31（dd,J=8.4,1.7 Hz,1H）,8.02～7.95（m,2H）,7.65～7.54（m,2H）,7.58～7.49（m,2H）,7.43（t,J=7.9 Hz,1H）,7.33（dd,J=8.2,1.3 Hz,1H）,7.00（dd,J=7.6,1.3Hz,1H）。13C NMR（101 MHz,DMSO-d6）δ:166.07,147.82,144.90,137.18,135.99,132.83,131.71,128.47,128.06,127.39,127.22,121.81,117.09,107.61.10-6（ppm）。MS（ESI-）:m/z261.95（[M-H]-,計算值262.10,100%）。

甲氧基-N'-（8-喹啉基）苯甲酰肼（3）。合成時將對氟苯甲酰氯更換成4-甲氧基苯甲酰氯，其他合成步驟與化合物1的合成方法一致。Yield:56.00%,m.p.:180.7～182.2℃。IR：3 257.04，3 342.88，1 644.49，1 259.17，1 022.64 cm-1。1H NMR（400 MHz,DMSO-d6）δ:10.58（d,J=3.0 Hz,1H）,8.85（dd,J=4.2,1.7 Hz,1H）,8.38（d,J=3.2 Hz,1H）,8.31（dd,J=8.4,1.7 Hz,1H）,8.00～7.92（m,2H）,7.57（dd,J=8.3,4.2 Hz,1H）,7.42（t,J=7.8 Hz,1H）,7.32（dd,J=8.2,1.3 Hz,1H）,7.10～7.02（m,2H）,6.97（dd,J=7.6,1.3 Hz,1H）,3.84（s,3H）。13C NMR（101 MHz,DMSO-d6）δ:165.59,161.98,147.78,145.08,137.18,135.97,129.26,128.05,127.21,124.96,121.78,117.00,113.71,107.60,55.38。10-6（ppm）。MS（ESI-）:m/z292.00（[M-H]-,計算值292.11,100%）。

2.2.4 喹啉基噁二唑酮化合物4～6的合成

5-（4-氟苯基）-3-（8-喹啉基）-1,3,4,-噁二唑-2-酮（4）。將三光氣（3.59 g，12.09 mmol）用10 mL DCM溶解。稱取干燥后的4-氟-N'-（8-喹啉基）苯甲 酰肼（10.00 g，35.55 mmol）用20 mL DCM溶解，加入三乙胺（12.59 g，124.43 mmol），在氮氣保護下降溫至0～10℃，并在該溫度下逐滴滴加三光氣的THF溶液，滴加完畢后繼續攪拌半小時。反應完成后過濾，濾液在40℃下，真空濃縮至干，加入EA攪拌后過濾繼續濃縮至干。加入PE后攪拌，過濾得5-（4-氟苯基）-3-（8-喹啉基）-1,3,4,-噁二唑-2-酮固體10.1 g。Yield:90.20%,m.p.：174.4～176.0℃。IR：1 782.11，1 226.29 cm-1。1H NMR（400 MHz,DMSO-d6）δ:8.98（dd,J=4.3,1.7 Hz,1H）,8.56（dd,J=8.4,1.7 Hz,1H）,8.25（dd,J=8.3,1.4 Hz,1H）,8.13（dd,J=7.3,1.4 Hz,1H）,8.09～7.93（m,2H）,7.81（dd,J=8.3,7.3 Hz,1H）,7.69（dd,J=8.3,4.2 Hz,1H）,7.51～7.33（m,2H）。13C NMR（101 MHz,DMSO-d6）δ:165.28,162.79,152.44,151.59,142.99,136.61,131.73,130.66,129.44,128.78,128.15,126.28,122.57,120.01,116.64。10-6（ppm）。MS（ESI+）:m/z308.00（[M+H]+,計算值308.08,100%）。

5-苯基-3-（8-喹啉基）-1,3,4-噁二唑-2-酮（5）。合成時將N'-（8-喹啉基）苯甲酰肼替換4-氟-N'-（8-喹啉基）苯甲酰肼，其他合成步驟與化合物4的合成方法一致。Yield:78.53%,m.p.：140.5～141.5℃。IR：1 783.25 cm-1。1H NMR（400 MHz,DMSO-d6）δ：8.98（dd,J=4.2,1.7 Hz,1H）,8.56（dd,J=8.4,1.7 Hz,1H）,8.25（dd,J=8.3,1.4 Hz,1H）,8.14（dd,J=7.4,1.4 Hz,1H）,7.95～7.88（m,2H）,7.81（dd,J=8.3,7.4 Hz,1H）,7.73～7.66（m,1H）,7.66～7.56（m,3H）。13C NMR（101 MHz,DMSOd6）δ:153.15,152.44,151.59,143.02,136.61,131.93,131.77,130.66,129.46,129.38,128.78,126.29,125.44,123.38,122.57。10-6（ppm）。MS（ESI+）:m/z290.10（[MH]+,計算值290.09,100%）。

5-（4-甲氧基苯基）-3-（8-喹啉基）-1,3,4-噁二唑-2-酮（6）。合成時用4-甲氧基-N'-（8-喹啉基）苯甲酰肼代替4-氟-N'-（8-喹啉基）苯甲酰肼，其他合成步驟與化合物4的合成方法一致。Yield:67.00%,m.p.：200.7～201.1℃。IR：1 784.17，1 181.1，1 126.32 cm-1。1H NMR（400 MHz,DMSO-d6）δ:8.98（dd,J=4.2,1.7 Hz,1H）,8.56（dd,J=8.4,1.7 Hz,1H）,8.24（dd,J=8.3,1.4 Hz,1H）,8.12（dd,J=7.4,1.4 Hz,1H）,7.84（dd,J=8.3,6.2 Hz,2H）,7.79（d,J=7.8 Hz,1H）,7.68（dd,J=8.3,4.2 Hz,1H）,7.19～7.11（m,2H）,3.86（s,3H）。13CNM R（101 MHz,DMSO-d6）δ:162.00,153.21,152.48,151.55,143.03,136.60,131.89,130.56,129.46,128.77,127.33,126.29,122.55,115.63,114.87,55.50。10-6（ppm）。MS（ESI+）:m/z320.05（[MH]+,計算值320.10,100%）。

2.3 熒光檢測試驗

首先研究了化合物1～6的固態發光性能，其次研究了金屬陽離子對化合物4～6溶液熒光性能的影響，最后研究了化合物4～6作為熒光探針對Fe3+的檢測能力。

（1）溶液的配制：稱取化合物4～6溶于THF中，定容配制0.50 g/L（濃度分別為1.60,1.70,1.60 mmol/L）的探針溶液備用。稱取適量的各類金屬硝酸鹽或水合金屬硝酸鹽溶于20 mL水溶液，再定容至100 mL，配制0.10 mol/L的金屬離子水溶液，備用。

（2）熒光探針檢測陽離子：用移液槍吸取2 mL探針溶液置于比色皿中，加入40 μL已配制的待測離子的水溶液，測得其熒光發射光譜，檢測14種不 同金屬離子（K+、Ca2+、Mg2+、Al3+、Mn2+、Fe3+、Co2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+、Cr3+、Pb2+、Hg2+）對化合物溶液熒光性能的影響。同一化合物探針測試條件相同，其中化合物4的激發波長359 nm，化合物5的激發波長347 nm,化合物6的激發波長345 nm。

（3）熒光探針識別Fe3+離子：每種探針溶液均用移液槍吸取2 mL置于比色皿中，逐步加入配制好的0.10 mol/L的Fe3+離子溶液，測得其熒光發射光譜，激發波長均為338 nm。

（4）熒光探針識別Fe3+的離子競爭實驗：每種探針溶液均用移液槍吸取2 mL置于比色皿中；先分別加入20 μL除Fe3+以外的其他13種金屬離子，測得其熒光發射光譜；再繼續加入20 μL Fe3+離子溶液，測得混合離子溶液的發射光譜；激發波長均為338 nm。

3 結果與討論

3.1 熱重分析

為了確定所合成的6個化合物的熱穩定性，在氮氣氛圍下對其進行熱分解實驗，測定的溫度范圍為25～500℃，升溫速率設置為10℃/min，其熱失重曲線如圖2所示。對于合成的喹啉基酰肼類化合物1～3，其起始分解溫度分別為195，200，210℃，并均經歷了兩個熱失重過程；對于合成的喹啉基噁二唑酮衍生物4～6，其分解溫度均高于其相應的喹啉基酰肼化合物，大約在300℃時開始分解，且均經歷了一個快速的失重過程。熱重分析結果表明，所合成的6種化合物都具有較好的熱穩定性。

圖2 化合物1～6的熱重曲線Fig.2 Thermogravimetric curve of compounds 1-6

3.2 固體熒光分析

化合物1～6在320 nm波長激發下，均有很強的熒光發射，其固體粉末熒光光譜如圖3所示。化合物1～3的發射峰分別為432，431，429 nm，化合物4～6的發射峰分別為394，390～426，387 nm。相對于8-氨基喹啉（8-aql）459 nm的發射峰[28]，化合物1～3發射光譜藍移了27～20 nm，其主要是由于喹啉的氨基氫被酰胺基團取代導致能隙增大所致。而化合物4～6相比較化合物1～3而言，熒光發射光譜繼續藍移了40 nm左右，且相對于化合物1～3發射光強度明顯變弱，這是由于喹啉環和苯環之間成功地引入了噁二唑酮環，破壞了8-氨基喹啉分子的氨基的p-軌道和喹啉環π-軌道共軛性，共軛體系減小，能隙增大，分子的發射光譜繼續向短波位移，發射光強度減小。

圖3 化合物1～6的固體發射光譜Fig.3 The emission spectra of compounds 1-6

為了進一步理解發光和電子躍遷機理，我們利用密度泛函數理論（DFT）和含時密度泛函數理論（TD-DFT）對6個標題化合物進行了理論分析。采用cam-b3lyp密度泛函方法，在6-311g（d,p）基組級別下獲得了8-aql和6個化合物的穩定幾何構型，其前線分子軌道和能級如圖4所示。從圖4中可以看出，8-aql和化合物1～3的最低空軌道（LUMO）基本上分布在喹啉環和氨基的氮原子上，而化合物4～6由于存在噁二唑酮環，破壞了氨基氮原子的p-軌道和喹啉環π-軌道的共面性，其LUMO主要分布在喹啉環上，且其LUMO能級降低的幅度比化合物1～3的大。對于最高占有軌道（HOMO），8-aql和化合物1～3較相似，也主要分布在8-aql骨架上，而化合物4～6卻分布于整個分子骨架上。相較于8-aql，6個化合物的HOMO的能級也發生了不同程度的降低。從分子軌道分布特征來看，6個標題化合物的HOMO和LUMO均為離域的π-軌道，因此，其具有良好的發光性質，與實驗結果一致。從計算的LUMO和HOMO能級差來看，6個標題化合物的能極差大于8-aql，所以其光譜要發生藍移，這也與上述實驗結果一致。另外，在同樣方法和基組級別下，計算了S0→S1單電子垂直躍遷，如圖4所示。對于8-aql和化合物1～5，S0→S1電子躍遷主要為HOMO→LUMO躍遷，其貢獻都在85%以上，而化合物6電子躍遷為HOMO→LUMO（79%）和HOMO-1→LUMO（13%）躍遷。從分子軌道分布來看，化合物1～3的電子躍遷過程為本體躍遷，而化合物4～6為本體躍遷和電荷轉移的復合躍遷。從計算的化合物的光學能隙（Eg）14（2），4.13（3），4.37（4），4.36（5），4.27（6）eV）來看，化合物1～6的Eg值均大于8-aql，所以其光譜峰均發生了藍移，且化合物4～6的Eg大于化合物1～3，所以化合物4～6發射峰藍移程度更大，計算結果和實驗結果一致。

圖4 化合物1～6的單電子躍遷圖Fig.4 The computed excitation of compounds 1-6

3.3 3種熒光探針分析

3.3.1 對金屬離子的選擇性識別

基于化合物4～6具有良好的熱穩定性和固體熒光性能，我們將其作為熒光探針來檢測金屬離子。將40 μL 14種常見的無機金屬離子水溶液（K+、Ca2+、Mg2+、Al3+、Mn2+、Fe3+、Cu2+、Ni2+、Co2+、Zn2+、Cd2+、Cr3+、Pb2+、Hg2+）分別移入到2 mL含化合物4～6探針的THF溶液中進行熒光識別性能的研究，實驗結果如圖5所示。

由圖5可以看出，除了Fe3+離子，其他金屬離子加入時，3種熒光探針的發射波長及強度改變較小；當加入Fe3+時，3種熒光探針均發生熒光猝滅，且發射峰發生紅移。這一特征表明，制備的化合物4～6均可以作為檢測Fe3+離子的選擇性熒光探針。該類型的熒光猝滅可能是由于化合物4～6均屬于含芳香環的富電子底物，可以通過供體-受體相互作用很容易地與順磁性的Fe3+離子結合，共軛體增大，發射峰向長波位移，同時猝滅富電子底物的發光[29-30]。當這種相互作用發生在熒光材料與特定的離子之間時，就會表現出熒光材料對所選離子的檢測能力。

圖5 化合物4（a）、5（b）、6（c）的THF溶液對金屬陽離子的熒光識別。Fig.5 The metal cation recognition of compounds 4（a），5（b），6（c）in THF.

3.3.2 對Fe3+的滴定實驗

上述實驗表明，化合物4～6對Fe3+具有非常強的熒光識別能力，為此我們通過改變滴加的Fe3+的量，研究Fe3+濃度對化合物熒光猝滅的影響。如圖6所示，隨著離子濃度的增加，3種化合物的相對熒光強度快速減弱。由表1可見，當Fe3+濃 度 在2.0×10-5～5.2×10-4mol/L范 圍 內時，化合物4的相對熒光強度與離子濃度呈線性 關 系；當Fe3+濃 度 在1.0×10-5～7.6×10-4mol/L范圍內時，化合物5的相對熒光強度與離子濃度 呈 線 性 關 系；當Fe3+濃 度 在1.0×10-5～4.0×10-4mol/L范圍內時，化合物6的相對熒光強度與離子濃度呈線性關系。同時通過計算還得出了化合物4～6的檢出限（LOD）D分別為8.70×10-6，1.64×10-6，1.01×10-6mol/L（D=3S/σ，S為空白標準偏差，σ=Ksv）。

圖6 化合物4（a）、5（b）、6（c）隨Fe3+濃度增加熒光強度的變化曲線。Fig.6 The fluorescence intensity curve of compounds 4（a），5（b），6（c）with the increase of Fe3+concentration.

表1 化合物4～6的I0/I值與Fe3+濃度的關系Tab.1 The relationship between the I0/I value of the compounds 4-6 and the concentration of Fe3+

3.3.3 共存離子對Fe3+熒光識別的影響

在實際的生物和環境系統中，被檢測樣品常常是多離子共存，所以探針的高選擇性是評價其性能的一個非常重要的特征，為此我們研究了一些常見離子（K+、Ca2+、Mg2+、Al3+、Mn2+、Co2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+、Cr3+、Pb2+、Hg2+）的存在對化合物4～6檢測Fe3+的影響（圖7）。如圖7所示，加入等量的Fe3+和其他金屬離子的化合物的溶液，與未加Fe3+的相比，其熒光強度顯著下降。這表明，該3種探針在共存離子存在下對Fe3+均具有較高的選擇性，為其進一步應用提供了可能。

圖7 化合物4～6對Fe3+的離子干擾柱狀圖Fig.7 Ionic interference histograms of compounds 4-6 with Fe3+ion

4 結 論

本文以8-氨基喹啉為起始原料設計合成了喹啉基酰肼、喹啉基噁二唑酮等6種新的化合物；通過紅外光譜、核磁共振譜和質譜對結構進行表征；通過熱重和熒光光譜對性質進行了分析；通過理論計算對目標化合物發光原理進行了探討。6種化合物均具有良好的熱穩定性和固體熒光性能，可作為潛在的熒光材料。其中利用3種噁二唑酮類化合物作為熒光探針對14種常見金屬離子進行了識別，結果表明，3種探針對Fe3+均具有較強的熒光識別性能和良好的靈敏度；且離子干擾實驗結果表明，探針抗金屬離子干擾能力較強，可快速、高效地檢測環境中的微量Fe3+。

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