喹啉類化合物的合成及其結(jié)構(gòu)對(duì)陰離子比色傳感性能影響研究
——介紹一個(gè)研究型綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

黃磊，鄭蕾，包磊，聶麗，傅緒成

皖西學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，安徽 六安 237012

皖西學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心一直秉承“以人為本，因材施教”的教育理念，明確“以能力培養(yǎng)”為核心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想，始終堅(jiān)持將科研引導(dǎo)和訓(xùn)練貫穿人才培養(yǎng)全過(guò)程。中心教師于2007年開(kāi)始指導(dǎo)學(xué)生實(shí)施大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，截至2022年已開(kāi)展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目40余項(xiàng)。學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，不僅對(duì)所學(xué)的基本理論知識(shí)理解更加深入，而且增強(qiáng)了綜合實(shí)驗(yàn)技能、提高了科學(xué)思維[1]。然而在教師指導(dǎo)下開(kāi)展項(xiàng)目研究工作的學(xué)生畢竟是少數(shù)，為了充分發(fā)揮大創(chuàng)的引領(lǐng)作用，形成課堂聯(lián)動(dòng)，教師和學(xué)生將研究項(xiàng)目成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這樣開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不僅增加了學(xué)生對(duì)化學(xué)的興趣，也為后續(xù)的科研訓(xùn)練和本科畢業(yè)論文打下良好的基礎(chǔ)[2]。

離子傳感與識(shí)別是超分子化學(xué)的重要研究方向，目前已有多種檢測(cè)技術(shù)可以準(zhǔn)確檢測(cè)離子，比如流動(dòng)注射、質(zhì)譜、電化學(xué)法、離子色譜法、拉曼光譜法、比色和熒光探針等。比色探針特別是有機(jī)小分子比色探針因合成方法簡(jiǎn)單，具有易操作、即時(shí)性、高選擇性和靈敏性等特點(diǎn)，已被廣泛使用[3-5]。喹啉類化合物是一類重要的有機(jī)雜環(huán)化合物，可以被作為母體設(shè)計(jì)為探針，相關(guān)的研究?jī)?nèi)容已發(fā)表在2017年的SensorsandActuatorsB：Chemical上[6]。筆者所在教研室實(shí)驗(yàn)教師結(jié)合項(xiàng)目改進(jìn)成果和經(jīng)驗(yàn)[7-9]，經(jīng)過(guò)摸索、實(shí)踐已成功將“喹啉類化合物的合成及其結(jié)構(gòu)對(duì)陰離子比色傳感性能影響研究”設(shè)計(jì)為綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目中有機(jī)合成方法簡(jiǎn)單、產(chǎn)率高、成功率高，光譜分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯，激發(fā)了學(xué)生對(duì)探針的設(shè)計(jì)與合成的興趣，為以后個(gè)人的化學(xué)科研方向起到良好的啟蒙作用。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 學(xué)會(huì)查找文獻(xiàn)，了解有機(jī)小分子傳感器研究現(xiàn)狀；

(2) 掌握喹啉類雜環(huán)合成方法，了解紅外等儀器表征手段；

(3) 了解紫外光譜儀器工作原理，并掌握其基本操作方法；

(4) 學(xué)會(huì)使用Origin等軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法。

2 實(shí)驗(yàn)原理

首先以乙酰苯胺和三氯氧磷為原料通過(guò)Vilsmeier-Haack反應(yīng)先制備得到喹啉-2-酮-3-醛，該中間體與取代苯肼(苯肼、對(duì)硝基苯肼和2,4-二硝基苯肼)分別反應(yīng)制備得到喹啉衍生物有機(jī)化合物P。該類化合物合成反應(yīng)路線如圖1所示。

圖1 目標(biāo)P的合成路線

有機(jī)小分子探針一般包括三個(gè)部分，即信號(hào)基團(tuán)、識(shí)別基團(tuán)和連接臂，當(dāng)識(shí)別部位與被分析物特異性結(jié)合后，探針光譜性質(zhì)會(huì)發(fā)生明顯變化。設(shè)計(jì)化學(xué)傳感器識(shí)別陰離子常用的方法有三種(圖2)：(1) 識(shí)別基團(tuán)和信號(hào)基團(tuán)通過(guò)連接臂相連的探針，識(shí)別基團(tuán)與陰離子發(fā)生氫鍵等作用；(2) 置換方法，主要基于配位化合物的置換；(3) 化學(xué)劑量型，這些類型的傳感器依賴于一些特殊反應(yīng)。

圖2 傳感方法

在設(shè)計(jì)的喹啉類化合物探針中，喹啉雜環(huán)母體作為信號(hào)基團(tuán)，通過(guò)單鍵與識(shí)別基團(tuán)相連。當(dāng)體系中有陰離子存在，特別是電負(fù)性強(qiáng)的F-存在時(shí)就會(huì)與化合物P發(fā)生氫鍵作用(圖3)，導(dǎo)致紫外吸收光譜變化，甚至溶液發(fā)生顏色變化，從而為化合物可以作為探針實(shí)現(xiàn)裸眼比色識(shí)別傳感離子提供了理論依據(jù)。

中國(guó)并不是獅子的原故鄉(xiāng)，它們來(lái)自大洋彼岸的非洲、中亞、西亞和美洲。西漢時(shí)期，漢武帝派遣張騫出使西域，獅子隨著“絲綢之路”的開(kāi)辟，成為中國(guó)境內(nèi)的新物種。

圖3 探針P與F-之間作用機(jī)理

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 主要儀器和試劑

3.1.1 試劑

乙酰苯胺(可自制純化)，三氯氧磷(POCl3)，苯肼，對(duì)硝基苯肼，2,4-二硝基苯肼，冰乙酸，乙酸乙酯，無(wú)水乙醇，乙腈，N,N-二甲基甲酰胺等試劑均為市售分析純，使用前均未純化。光譜實(shí)驗(yàn)中采用四丁基季銨鹽陰離子(Sigma-Aldrich公司)。

3.1.2 儀器

雙光束紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京普析TU-1901型)，電子天平(北京賽多利斯SQP型)，磁力加熱攪拌器(上海司樂(lè)儀器有限公司B11-3型)，電熱鼓風(fēng)干燥箱(天津泰斯特101-2A型)，傅立葉變換紅外光譜儀(美國(guó)尼高力Nicolet型)，核磁共振光譜儀(美國(guó)Brucker Avance III型400 MHz，TMS為內(nèi)標(biāo)，DMSO-d6為溶劑)。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.2.1 中間體喹啉-2-氯-3-醛合成(可選做)

向50 mL圓底燒瓶中加入10 mmol乙酰苯胺(1.8 g)和30 mmol DMF (2.3 mL)。將乙酰苯胺溶液在冰水浴下冷卻，并向其中滴加60 mmol POCl3(5.6 mL) (控制滴加速度，防止凝結(jié))。反應(yīng)液在90 °C下，加熱回流4 h。反應(yīng)結(jié)束后將深紅色溶液冷卻。冷卻后的反應(yīng)液在攪拌下被轉(zhuǎn)移至100 mL冷水中，抽濾，得到固體粗產(chǎn)物。粗產(chǎn)物使用約60 mL乙酸乙酯重結(jié)晶，得到1.43 g黃色固體喹啉-2-氯-3-醛，產(chǎn)率為75%。

3.2.2 喹啉衍生物P (探針)的合成

向50 mL圓底燒瓶中依次加入1 mmol喹啉-2-酮-3-醛(0.18 g)、2.3 mmol取代苯肼(苯肼(0.25 g)、對(duì)硝基苯肼(0.35 g)或2,4-二硝基苯肼(0.45 g)、20 mL無(wú)水乙醇。在80 °C下加熱回流4 h。反應(yīng)完畢后，抽濾，分別得到喹啉-2-酮-3-醛縮苯腙衍生物(P1、P2、P3)。粗產(chǎn)品使用20-30 mL乙腈重結(jié)晶，干燥后稱重、計(jì)算產(chǎn)率并進(jìn)行相關(guān)表征。

3.2.3 喹啉衍生物P (探針)的紫外光譜實(shí)驗(yàn)

測(cè)試陰離子用色譜級(jí)乙腈溶解，濃度均為1 × 10-2mol·L-1。稱量0.1 mmol化合物P1，用100 mL DMF溶解并定容，得到1 × 10-3mol·L-1P1母液。同方法，得到P2、P3母液。

光譜測(cè)試時(shí)首先用移液管移取2 mL乙腈轉(zhuǎn)移至比色皿中，再用微量進(jìn)樣器取20 μL測(cè)試母液，此時(shí)探針溶液濃度為1 × 10-5mol·L-1，最后用微量進(jìn)樣器加入陰離子，混勻后測(cè)量溶液的紫外吸收光譜。

4 結(jié)果與討論

4.1 喹啉衍生物P (探針)的核磁表征與紅外表征

P1、P2和P3的紅外和1H NMR表征圖(圖4和圖5)，具體數(shù)據(jù)如下：

圖4 P1、P2與P3化合物的紅外光譜圖

P1化合物: IR (KBr),ν(cm-1): 3449 (N—H), 3055 (Ar—H), 1660, 1602, 1569, 1553, 1432 (芳環(huán)), 691(Ar—H彎曲振動(dòng))。1H NMR (400 MHz, DMSO-d6)δ: 11.81 (s, 1 H, NH), 11.08 (s, 1 H, HC＝N), 8.47 (s,1 H, Ar—H), 8.30 (d,J= 8.4 Hz, 1 H, Ar—H), 8.15 (d,J= 8.6 Hz, 1 H, Ar—H), 7.81 (t,J= 8.1 Hz, 1 H,Ar—H), 7.48 (t,J= 8.2 Hz, 1 H, Ar—H), 7.02 (t,J= 8.2 Hz, 2 H, Ar—H), 6.87 (d,J= 7.9 Hz, 2 H, Ar—H),6.61 (t,J= 7.5 Hz, 1 H, Ar—H)。

P2化合物: IR (KBr),ν(cm-1): 3477 (N—H), 3079 (Ar—H), 1652, 1573, 1478, 1493 (芳環(huán)), 1277(N＝O), 761, 716 (Ar—H彎曲振動(dòng))。1H NMR (400 MHz, DMSO-d6)δ: 12.01 (s, 1 H, NH), 11.08 (s, 1 H,HC＝N), 8.90 (s, 1 H, Ar—H), 8.32 (d,J= 8.5 Hz, 2 H, Ar—H), 8.16 (d,J= 8.4 Hz, 2 H, Ar—H), 7.82(d,J= 7.9 Hz, 1 H, Ar—H), 7.52 (t,J= 8.4 Hz, 1H, Ar—H), 7.34 (J= 8.2 Hz, 1 H, Ar—H), 7.22 (J= 7.8 Hz, 1 H, Ar—H)。

圖5 P1、P2與P3化合物的1H NMR圖

P3化合物: IR (KBr),ν(cm-1): 3450 (N—H), 3053 (Ar—H), 1666, 1555, 1507, 1433 (芳環(huán)), 1276(N＝O), 827, 868 (Ar—H彎曲振動(dòng))。1H NMR (400 MHz, DMSO-d6)δ: 12.09 (s, 1 H, NH), 11.87 (s, 1H,HC＝N), 8.89 (d,J= 8.5 Hz, 1 H, Ar—H), 8.64 (s, 1H, Ar—H), 8.39 (d,J= 8.1 Hz, 1H, Ar—H), 8.21 (s,1 H, Ar—H), 7.84 (d,J= 8.5 Hz, 1 H, Ar—H), 7.58 (t,J= 7.5 Hz, 1 H, Ar—H), 7.36 (d,J= 7.9 Hz, 1 H,Ar—H), 7.25 (t,J= 7.8 Hz, 1 H, Ar—H)。

4.2 喹啉衍生物P (探針)的紫外光譜

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試喹啉衍生物P1、P2和P3在乙腈溶劑中的紫外吸收光譜，如圖6所示，學(xué)生比較之后很容易發(fā)現(xiàn)，由于結(jié)構(gòu)相似，P1、P2和P3具有相同的紫外-可見(jiàn)吸收光譜分布，并表現(xiàn)出相似的最大共軛電子躍遷峰，但由于衍生物π系的擴(kuò)展，其P1在403 nm處吸收最大值向P2的424 nm和P3的416 nm輕微紅移，對(duì)應(yīng)的摩爾吸收系數(shù)(εmax)分別為2.68 × 104、4.46 × 104和3.45 × 104L·mol-1·cm-1。P3的吸收波長(zhǎng)和摩爾吸收系數(shù)異常下降可能是由于第二個(gè)—NO2引入到共軛主鏈的鄰位苯基上，使共軛平面扭曲，電子云密度降低。

圖6 P1、P2和P3紫外吸收光譜圖

4.3 喹啉衍生物P (探針)與各種陰離子響應(yīng)

在CH3CN純有機(jī)溶劑中，通過(guò)裸眼比色分析，學(xué)生可以研究P1、P2和P3對(duì)四丁基銨鹽形式的陰離子(F-、Cl-、Br-、I-、CH3COO-、、和)的比色識(shí)別效果。結(jié)果如圖7所示，P1體系的吸收光譜和顏色都沒(méi)有發(fā)生明顯的變化(圖7a)，這意味著P1與所有被測(cè)陰離子之間的相互作用很小。對(duì)于P2，隨著F-的加入，在424 nm處的吸收強(qiáng)度逐漸降低，在600 nm處出現(xiàn)了一個(gè)新的波長(zhǎng)較長(zhǎng)的吸收峰。同時(shí)，在F-的加入下，由溶液黃變?yōu)樗{(lán)。在和離子存在時(shí)，沒(méi)有觀察到吸收度值的變化或顏色變化(圖7b)，即P2在類似條件下對(duì)F-表現(xiàn)出良好的選擇性比色響應(yīng)。而對(duì)于P3，加入F-后，在416 nm處的吸收下降，在537 nm處明顯出現(xiàn)了一個(gè)新的較長(zhǎng)的波長(zhǎng)吸收峰。此外，在加入CH3COO-或后，在537 nm處也出現(xiàn)了類似的吸收峰，但在紫外可見(jiàn)光譜中出現(xiàn)的強(qiáng)度較低。相比之下，當(dāng)加入F-時(shí)，其顏色發(fā)生了明顯的變化，從黃色變?yōu)樯钭仙?dāng)加入CH3COO-或時(shí)，其顏色發(fā)生了微弱的變化，從黃色變?yōu)榈仙?圖7c)，這表明P3不僅與F-作用，而且與CH3COO-或也作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著吸電子基團(tuán)的引入，P1的比色識(shí)別能力逐漸增強(qiáng)，P1的比色識(shí)別能力從無(wú)離子作用到P2的F-作用，P3的比色識(shí)別能力進(jìn)一步增強(qiáng)，可以與F-、CH3COO-和三個(gè)陰離子作用。這可以解釋為：—NO2是強(qiáng)吸電子基團(tuán)，而—NH2是強(qiáng)供電子基團(tuán)。一旦—NO2引入共軛分子，—NH2中的電子云密度會(huì)降低，更容易提供H原子來(lái)配位和識(shí)別陰離子。因此，喹啉衍生物P的識(shí)別能力為P3 ＞ P2 ＞ P1，即不含—NO2的P1不與所有測(cè)試陰離子配位，含一個(gè)—NO2的P2可與F-配位，含兩個(gè)—NO2的P3可與F-、CH3COO-和作用。因此，通過(guò)紫外-可見(jiàn)光譜圖分析可以得知結(jié)論，即合理改變比色傳感器的分子結(jié)構(gòu)可以影響和控制比色傳感器的傳感性能。

圖7 化合物P1 (a)、P2 (b)和P3 (c)在乙腈中與不同陰離子作用紫外吸收光譜圖(內(nèi)插圖為溶液顏色變化)

4.4 喹啉衍生物P2與F-作用線性關(guān)系圖

如圖8所示，探針P2對(duì)F-離子累積滴定實(shí)驗(yàn)時(shí)，424 nm處吸收峰強(qiáng)度逐漸下降，600 nm處吸收峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，以600 nm處吸收峰強(qiáng)度(A600nm)為縱坐標(biāo)，F(xiàn)-離子濃度為橫坐標(biāo)，當(dāng)F-離子濃度在2.5 × 10-5-5.5 × 10-5mol·L-1范圍內(nèi)，600 nm處P2的吸光度與F-離子濃度之間有很好的線性關(guān)系，用線性擬合得到回歸方程為：A600nm= 4225[F-] - 0.0911，相關(guān)系數(shù)為0.9987。根據(jù)測(cè)定與計(jì)算可以得到P2對(duì)F-離子最低檢出限為1.36 × 10-6mol·L-1(n= 11，最低檢測(cè)限LOD = 3d/K)[4]。

圖8 探針P2與F-滴定圖(左)和線性關(guān)系圖(右)

5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排和建議

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目研究成果主要是由大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目小組成員3-4名同學(xué)完成，項(xiàng)目研究前期中的探針合成方法與光譜測(cè)試條件都需要摸索，耗時(shí)較長(zhǎng)。將成果轉(zhuǎn)化為綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目后，要充分考慮課時(shí)和實(shí)驗(yàn)資源限制，不可能完全按照科研標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此，要注意實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：(1) 該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)形式建議采用模塊化和小組(每組3-4名學(xué)生)教學(xué)。第一階段是喹啉衍生物P (探針)的合成與純化，需要5 h。第二階段主要是利用紫外-可見(jiàn)光譜儀考察探針P與各種陰離子之間的相互作用，還包括探針母液的配制、教師講解儀器原理及操作流程，需要5 h。(2) 部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以課后選做或可由參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的學(xué)生幫助準(zhǔn)備，比如喹啉-2-氯-3-醛合成、各種陰離子溶液配制等，這樣可以避免項(xiàng)目時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施。(3) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程以引導(dǎo)為主，輔以有效監(jiān)督。讓每組成員都參與項(xiàng)目?jī)?nèi)容的每個(gè)過(guò)程，如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范處理光譜數(shù)據(jù)。(4) 對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)和考核表現(xiàn)較好的小組或個(gè)人，要鼓勵(lì)其參與課后延伸的項(xiàng)目?jī)?nèi)容。比如溶劑體系中含有水時(shí)會(huì)影響探針對(duì)陰離子的識(shí)別性能，可以進(jìn)行條件探索；考察探針對(duì)陽(yáng)離子識(shí)別是否具有光譜響應(yīng)等研究?jī)?nèi)容。

6 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

為了提高學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ矠楹罄m(xù)的科研訓(xùn)練和本科畢業(yè)論文打下良好的基礎(chǔ)，結(jié)合大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程、教學(xué)條件以及科研成果，設(shè)計(jì)了喹啉類化合物的合成及其光譜性能研究型綜合性實(shí)驗(yàn)。喹啉類化合物的合成方法簡(jiǎn)單、產(chǎn)率高、可操作性強(qiáng)，同時(shí)將該類化合物作為探針，利用紫外-可見(jiàn)吸收光譜儀分別考察其與陰離子的光譜響應(yīng)性能，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有機(jī)合成和儀器分析實(shí)驗(yàn)有機(jī)融合。通過(guò)紫外-可見(jiàn)光譜圖分析及裸眼識(shí)別觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的科學(xué)觀念的理解，意識(shí)到合理改變比色傳感器的分子結(jié)構(gòu)可以影響和控制比色傳感器的傳感性能，激發(fā)學(xué)生對(duì)探針的設(shè)計(jì)與合成的興趣，為以后個(gè)人的化學(xué)科研方向起到良好的啟蒙作用。