一種新型甘脲熒光分子夾的合成及其性能研究

朱 超,桂 艷,陳曉春,朱 麗,黃 遙

(云南開放大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,云南 昆明 650500)

分子鑷子或分子夾人工受體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,具有能夠結(jié)合不同大小及功能的客體的環(huán)境和空腔,被廣泛應(yīng)用于超分子化學(xué)研究[1-3]。甘脲具有窩狀剛性結(jié)構(gòu),制備原料簡(jiǎn)單易得,可修飾性強(qiáng),常被作為主體分子的基本結(jié)構(gòu)單元。在甘脲及其衍生物的肩上引入苯環(huán)、萘環(huán)等富電子結(jié)構(gòu)可得到C型、U型等構(gòu)象的甘脲分子夾[4-5]。Nolte研究團(tuán)隊(duì)[6-8]系統(tǒng)研究了3U甘脲分子夾的合成方法和識(shí)別性質(zhì),并探究了其與芳香化合物和酚類化合物的選擇性識(shí)別;吳安心團(tuán)隊(duì)[9-10]開發(fā)了一系列具有熒光性質(zhì)的新型甘脲分子夾,其水溶性比甘脲強(qiáng)很多,能夠高選擇性識(shí)別三價(jià)鐵離子;Isaacs課題組[11]利用甘脲環(huán)與鄰芐基鹵素的縮合制備了4U、5U甘脲分子夾,可與醇、胺、酸、離子鹽等分子作用;Tiefenbacher等[12]合成了隔離分子為4個(gè)芳環(huán)、4個(gè)甘脲邊墻的分子膠囊,在藥物傳遞、分子識(shí)別、分子篩和分子催化方面顯示出極其廣闊的應(yīng)用前景。

但上述研究在考察主體與客體分子的識(shí)別過程時(shí),主要采取核磁滴定的分析方法,操作繁瑣。若將熒光基團(tuán)引入甘脲分子骨架中,采用熒光光譜法研究識(shí)別過程,具有便捷、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。基于此,作者以甘脲分子作為基礎(chǔ)骨架,探索其與熒光分子的縮合反應(yīng),設(shè)計(jì)并合成一種新型的非對(duì)稱的甘脲熒光分子夾,通過紅外光譜、核磁共振波譜和質(zhì)譜對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,并研究其對(duì)金屬離子的選擇性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

尿素、甲醛、1,8-萘二甲酸酐、乙二胺、甘氨酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、甲醇、乙醇、二氯甲烷均為分析純,北京化工廠;乙腈、甲醇均為色譜純,山東禹王集團(tuán)。

IKA加熱磁力攪拌器,德國(guó)IKA公司;EYELA N1000型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,東京理化器械株式會(huì)社;循環(huán)水式真空泵,鞏義予華儀器有限責(zé)任公司;Spectrum One型傅立葉變換紅外光譜儀,PerkinElmer;Varian Mercury-Plus 400 MHz型核磁共振波譜儀,美國(guó)Varian公司;CMS型質(zhì)譜儀,美國(guó)Advion公司;F-7000型熒光分光光度計(jì),日本日立。

1.2 方法

1.2.1 甘脲熒光分子夾的合成

取甘氨酸1.5 g(0.02 mol)置于6 mL水中,再分批加入1.12 g(0.02 mol)KOH,攪拌反應(yīng)20 min,得到澄清的甘氨酸鉀溶液,備用。取實(shí)驗(yàn)室自制的5 g(0.02 mol)二羥甲基甘脲、10 mL水于100 mL三口燒瓶中,攪拌下加入甘氨酸鉀溶液,調(diào)節(jié)pH值為9,升溫至45 ℃反應(yīng)5 h;加入1.2 g(0.04 mol)甲醛,用K2CO3溶液調(diào)節(jié)pH值為9,升溫至70 ℃繼續(xù)反應(yīng)2 h;反應(yīng)液旋蒸濃縮至黏稠,加入25 mL水、10 mL乙醇、3.6 g(0.015 mol)1,8-萘二甲酰氨乙二胺,回流反應(yīng)10 h;冷卻至室溫,過濾,用稀鹽酸調(diào)節(jié)濾液pH值至5～6,析出白色沉淀,離心,過濾,用甲醇水溶液洗滌固體,真空干燥得到白色粉末狀固體甘脲熒光分子夾3.42 g,產(chǎn)率45.1%。

通過IR、1HNMR、13CNMR、MS對(duì)甘脲熒光分子夾進(jìn)行表征。

1.2.2 甘脲熒光分子夾的性能測(cè)試

甘脲熒光分子夾儲(chǔ)備液的配制:將甘脲熒光分子夾用色譜純乙腈定容于容量瓶中,超聲30 s,使其混勻,即得20 μmol·L-1甘脲熒光分子夾儲(chǔ)備液。

金屬離子儲(chǔ)備液的配制:分別將一定質(zhì)量的FeSO4·7H2O、FeCl3、AgNO3、AlCl3、CaCl2·6H2O、CoCl2、Cr(NO3)3·9H2O、KCl、MgCl2·6H2O、NaCl、Pd(NO3)2·H2O、Ni(NO3)2·6H2O、Pb(NO3)2、SnCl2·2H2O、ZnCl2、Cu(NO3)2·3H2O用超純水定容于容量瓶中,即得100 μmol·L-1金屬離子儲(chǔ)備液。

性能測(cè)試:取3 mL 20 μmol·L-1甘脲熒光分子夾儲(chǔ)備液置于比色皿(1 cm×1 cm×4 cm)中,再用移液槍加入金屬離子儲(chǔ)備液,振蕩均勻,測(cè)試熒光光譜,研究甘脲熒光分子夾對(duì)金屬離子的選擇性。熒光光譜測(cè)試條件:室溫,激發(fā)、發(fā)射狹縫寬度為2.5 nm,靈敏度為1,響應(yīng)時(shí)間為0.5 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 甘脲熒光分子夾的合成路線

最初,課題組考慮將四羥甲基甘脲分子與2分子1,8-萘二甲酰氨乙二胺直接縮合得到對(duì)稱的甘脲熒光分子夾,但由于空間位阻效應(yīng),只成功引入了1分子1,8-萘二甲酰氨乙二胺。因而在上述反應(yīng)基礎(chǔ)上,參照文獻(xiàn)[13],再引入1個(gè)空間位阻較小的基團(tuán),設(shè)計(jì)并合成得到甘脲熒光分子夾,合成路線如圖1所示。

圖1 甘脲熒光分子夾的合成路線

控制甲醛的加入量和反應(yīng)條件,使甘脲部分羥甲基化得到二羥甲基甘脲;甘氨酸鉀與二羥甲基甘脲縮合后不分離,加入稍過量的甲醛繼續(xù)羥甲基化;接著與1,8-萘二甲酰氨乙二胺縮合,用質(zhì)譜監(jiān)測(cè)反應(yīng),待原分子離子峰消失后直接酸化,游離出羧基;由于溶解度減小,甘脲熒光分子夾直接從反應(yīng)液中析出。

2.2 甘脲熒光分子夾的表征

2.2.1 IR、1HNMR、13CNMR、MS分析(圖2)

圖2 甘脲熒光分子夾的IR(a)、1HNMR(b)、13CNMR(c)、MS(d)圖譜

IR(KBr),ν,cm-1:3 346,2 956,1 697,1 654,1 589,1 436,1 230,1 080,869,779;1HNMR(400 MHz,DMSO),δ:8.49(m,6H),7.87(m,4H),5.73(s,1H),5.55(m,2H),4.65(dt,5H),4.26(m,7H),2.92(dd,2H);13CNMR(151 MHz,DMSO),δ:171.25,163.98,161.16,159.67,134.85,131.35,128.00,127.82,127.70,122.34,119.50,64.65,64.24,59.83,55.00,52.07,48.59;ESI-MS,m/z:506.7 [M+H]+。

2.2.2 紫外吸收光譜和熒光發(fā)射光譜分析(圖3)

圖3 甘脲熒光分子夾的紫外吸收光譜(a)和熒光發(fā)射光譜(b)

由圖3可知,甘脲熒光分子夾在216 nm、236 nm、265 nm、301 nm處均有較強(qiáng)的紫外吸收。選擇335 nm作為激發(fā)波長(zhǎng)時(shí),在381 nm處的熒光峰具有強(qiáng)度和峰型合適的特點(diǎn),因而,選擇335 nm作為激發(fā)波長(zhǎng)測(cè)試其熒光性質(zhì)。

2.3 甘脲熒光分子夾對(duì)金屬離子的選擇性

分別將16種金屬離子(Fe2+、Fe3+、Ag+、Al3+、Ca2+、Co2+、Cr3+、K+、Mg2+、Na+、Pd2+、Ni2+、Pb2+、Sn2+、Zn2+、Cu2+)儲(chǔ)備液加入到甘脲熒光分子夾儲(chǔ)備液中,其熒光光譜如圖4所示。

圖4 加入金屬離子后甘脲熒光分子夾的熒光光譜

由圖4可知,在甘脲熒光分子夾儲(chǔ)備液中加入16種金屬離子儲(chǔ)備液后,381 nm附近的熒光強(qiáng)度均增強(qiáng),其中加入Ca2+儲(chǔ)備液后的熒光光譜在470 nm處產(chǎn)生了一個(gè)新的熒光峰。表明,甘脲熒光分子夾對(duì)Ca2+具有很好的識(shí)別能力,且不受其它金屬離子的干擾。

為了進(jìn)一步研究甘脲熒光分子夾對(duì)Ca2+的識(shí)別能力,將不同濃度Ca2+(0.1～25 μmol·L-1)儲(chǔ)備液加入到甘脲熒光分子夾儲(chǔ)備液中,測(cè)試其在470 nm處熒光強(qiáng)度,并對(duì)熒光曲線進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖5所示。

由圖5a可知,隨著Ca2+濃度的增加,熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),待增強(qiáng)到一定程度后又逐漸減弱直至熒光消失。由圖5b可知,Ca2+濃度在0.1～3.2 μmol·L-1范圍內(nèi)與甘脲熒光分子夾的熒光強(qiáng)度呈良好的線性關(guān)系,線性相關(guān)系數(shù)R2為0.989;通過三倍噪音法,計(jì)算出甘脲熒光分子夾檢測(cè)Ca2+的檢測(cè)限為0.047 μmol·L-1。由此可見,甘脲熒光分子夾作為Ca2+的熒光探針,具有較高的選擇性和靈敏度以及較低的檢測(cè)限。

3 結(jié)論

合成了一種新型甘脲熒光分子夾,其在216 nm、236 nm、265 nm、301 nm處均有較強(qiáng)的紫外吸收,在381 nm處有強(qiáng)的熒光發(fā)射峰。加入Ca2+后,甘脲熒光分子夾的熒光光譜會(huì)在470 nm處產(chǎn)生一個(gè)新的熒光峰,且不受其它金屬離子的干擾;Ca2+濃度在0.1～3.2 μmol·L-1范圍內(nèi)與甘脲熒光分子夾的熒光強(qiáng)度呈良好的線性關(guān)系,線性相關(guān)系數(shù)R2為0.989,檢測(cè)限為0.047 μmol·L-1。甘脲熒光分子夾對(duì)Ca2+具有較高的選擇性和靈敏度以及較低的檢測(cè)限,是優(yōu)良的Ca2+熒光探針。