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1、基于 C=N 异构化吖啶酮类荧光探针的设计、合成及识别性能研究 李昭 李同祥 堵锡华 李靖 王晓辉 田林 徐州工程学院化学化工学院 徐州工程学院食品(生物)工程学院 摘 要： 以吖啶酮为荧光团, 通过配位抑制 C=N 异构化实现探针的关-开识别, 设计并合成了一种荧光探针, 4- ( (呋喃-2-亚甲基) 氨基) 吖啶-9 (10H) -酮 (4-AAF) , 结构经过氢谱和碳谱确认。系列实验和理论模拟研究了该化合物的识别性能, 研究结果表明, 在水:乙醇 (V:V=37) 的缓冲溶液中, 4-AAF 能够选择性识别Hg2+, 同时具有较强的抗干扰能力, 荧光滴定和 Jobs plot 实验表
2、明 4-AAY与 Hg2+的配位关系为 11, 最低检出限为 9.7410-7mol/L。关键词： 吖啶酮; C=N 异构化; Turn-on 荧光探针; Hg2+; 作者简介：田林, E-mail:收稿日期：2017-06-24基金：国家自然科学基金 (31270577) Design, synthesis and properties study of acridone fluorescent probe based C = N isomerizationLI Zhao LI Tong-xiang DU Xi-hua LI Jing WANG Xiao-hui TIAN Lin Schoo
3、l of Chemical Engineering and Technology; School of Food Science and Technology, Xuzhou Institute of Technlogy; Abstract： Based on acridone fluorophore, off-on recognition was carried out by coordinating inhibition C = N isomerization. A fluorescent probe 4- ( (furan-2-ylmethylene) amino) acridin-9
4、(10 H) -one (4-AAF) was designed and synthesized. The structure of 4-AAF was recognized by 1HNMR and 13 CNMR. A serial of experiments and theory study showed 4-AAY could selectively recognize Hg2+ in water: enthol (V: V = 3: 7) buffer solution. Meanwhile 4-AAF had stronger anti-interference ability.
5、 The experiment of fluorescence titration and Job s plots dedicated the coordination ratio of 4-AAF and Hg2+ was 1 1. The detection limit was 9. 74 10-7mol/L.Keyword： Acridone; C=N isomerization; Fluorescent probe; Hg2+; Received： 2017-06-24吖啶酮类化合物是一类在紫外-可见光区具有强烈吸收的杂环芳香化合物1,2, 因其结构较易修饰, 所以被作为具有潜在用途的
6、光电材料而被广泛的研究3,4。小分子荧光探针是近年发展起来的一门技术, 有望取代传统复杂而高值的分析方法5。吖啶酮做为荧光探针的研究较少, 而且部分研究指出该类化合物不适合作为荧光探针, 主要是该类化合物的水溶性不好, 一般都是 turn-off 型探针, 且发射波长基本上在 400500 nm 之间, 在细胞成像时受背景影响大6,7。C=N 异构化是近年来新发展起来的一种荧光探针的信号传导机理8。研究发现C=N 异构化是导致化合物激发态迅速衰变的主要原因, 所以带有 C=N 键的化合物的一般具有较低的荧光性能9, C=N 键上的 N 原子配位后可以有效地抑制C=N 异构化, 从而实现荧光的
7、off-on10。基于此, 设计合成了一种吖啶酮衍生物 4-AAF, 其结构和合成路线如图 1 所示。图 1 4-AAF 化合物的合成路线 Fig.1 The synthetic route of 4-AAF 下载原图1 实验部分1.1 主要仪器与试剂Hitachi F-2700 型荧光光谱仪 (日本日立公司) ;DPX 400 MHz 核磁共振波谱仪 (DMSO-d6为溶剂, TMS 为内标) (德国 Bruker 公司) ;p HS-2F 型 p H 计 (中国上海雷磁仪器厂) 。药品均购自伊诺凯, 均为分析纯。1.2 4-AAF 的合成1.2.1 4-氨基吖啶酮的合成4-氨基吖啶酮的合成
8、方法见参考文献11。1.2.2 4-AAF 的合成将 105 mg (5 mmol) 4-氨基吖啶酮和 96 mg (10 mmol) 呋喃-2-甲醛加入到 30 m L 甲醇后中回流, TLC 跟踪反应, 待反应不再进行后, 冷却, 静置, 过滤, 干燥, 柱层析分离 (V 二氯甲烷 /V 甲醇 =101) , 产率 30%。m.p.300C。H NMR (400MHz, DMSOd6) 10.78 (s, 1H) , 8.69 (s, 1H) , 8.27 (d, 1H, J=8.0Hz) , 8.16 (d, 1H, J=8.0Hz) , 8.07 (s, 1H) , 8.04 (d,
9、1H, J=8.4Hz) , 7.72 (t, 1H, J=8.0Hz) , 7.63 (d, 1H, J=7.6Hz) , 7.42 (d, 1H, J=3.2Hz) , 7.307.25 (m, 2H) , 6.8 (m, 1H) 。C NMR177.20, 152.64, 149.44, 147.45, 141.07, 139.85, 135.38, 133.72, 125.25, 124.25, 121.84, 121.46, 119.02, 116.63, 113.34。2 结果与讨论2.1 4-氨基吖啶酮和 4-AAF 的荧光性能为了确认 C=N 的引入是否会引起 4-AAF 的荧
10、光强度减小, 首先研究了甲醇溶液中 4-氨基吖啶酮和 4-AAF 的荧光性能, 实验结果如图 2 所示:从图中可以看出C=N 键的引入确实使 4-AAF 的荧光性能大大减小, 说明 C=N 异构化是该类化合物的荧光性能大大减小。同时该化合物的荧光发射峰达到了 550 nm 附近, 这样的波长有利于应用到荧光成像中12。另外可以看出呋喃甲醛的引入使荧光发射图谱的改变并不明显, 这可能是由于该类化合物的荧光主要是由于吖啶酮环发射而成与其他基团的关系较小。图 2 4-氨基吖啶酮与 4-AAF 的荧光发射光谱图 Fig.2Fluorescence emission spectra of 4-amino
11、acridone and 4-AAF 下载原图2.2 4-AAF 对金属的选择性识别将 4-AAF 分别与 16 不同金属离子的盐混合后等浓度混合后 (浓度为 1x10mol/L) , 以水和甲醇 (V:V=3:7) 为溶剂, 分别测试体系的荧光强度, 其测试结果如图 3所示, 从图中可以看出, 加入汞离子后, 体系的荧光强度明显增加, 加入锌离子后体系的荧光强度也呈现小范围的增加, 其他金属离子的加入则基本上不影响 4-AAF 荧光强度的变化。所以 AAY 可以水和甲醇 (V:V=3:7) 的混合溶剂中选择性地识别 Hg。图 3 4-AAY 与金属离子的荧光发射光谱图 Fig.3 Fluor
12、escence emission spectra of 4-AAY with metal ions 下载原图为了研究 p H 对 4-AAF 识别 Hg 的影响, 在 p H 2.013 范围内考察了 4-AAF 和4-AAF-Hg 荧光强度的变化, 结果如图 4 所示:4-AAF 的荧光强度随着 p H 的变大呈不规则变化, 在 p H 7 附近荧光强度最小, 当体系中加入 Hg 后, 荧光强度先减小后增大并在 p H 611 之间趋于稳定, 在 p H 11 附近逐渐减小。该探针在p H 7 时具有较好的识别作用。下面的系列实验都是在水和甲醇 (V:V=3:7) p H 7.14 的缓冲溶
13、液进行研究。图 4 p H 对 4-AAF 识别 Hg 离子的影响 Fig.4 Effect of p H on 4-AAF with Hg 下载原图在真实的体系中金属离子往往是共存的, 研究了共存离子对 4-AAF 识别 Hg 的影响。首先将其他金属离子与 4-AAF 等浓度混合后测试荧光强度, 然后加入 Hg 后再测试荧光强度的变化, 结果表明, 其他金属离子对 4-AAY 的识别 Hg 基本没有影响。接着利用荧光滴定和 Jobs plot 实验进一步研究 4-AAF 与 Hg 的配位作用, Hg的起始浓度为 4-AAF 的 0.1 倍, 然后每次增加一倍, 从图 5 可以看出随着 Hg
14、的加入, 荧光强度逐渐增加, 当加入到 110mol/L 体系荧光强度趋于稳定, 初步说明 4-AAF 和 Hg 的配位关系为 11, 为了进一步确认配位关系进行了 Jobs plot 实验, 结果表明 nHg2+/ (nHg2+n4-AAF) 0.5 及 4-AAF 和 Hg 的配位关系为1:1。图 5 4-AAF 与 Hg 的荧光滴定图 Fig.5 Fluorescence titration of 4-AAF and Hg 下载原图为了研究该探针在水和甲醇 (V:V=3:7) p H7.14 的缓冲溶液中的检测限, 取荧光滴定中线性关系较好的几个点, 以 logHg为横坐标, (I-I
15、min) / (Imax-Imin) 为纵坐标作图, 拟合线性方程为 Y=1.42617X+7.14125, R=0.97983。由方程可以得出 LogHg=-6.0115, 检测限为 9.7410mol/L。2.3 4-AAF 和 Hg 的结合方式研究为了研究 4-AAF 和 Hg 的结合方式, 分别做了配体 4-AAF 和 4-AAF-Hg 的核磁结果, 如图 6 所示, 从图中可以看出配体加入 Hg 后, H 和 H 的化学位移和峰的强度发生了较大的改变, 这说明 Hg 主要是和两个氮原子配位。图 6 4-AAF 和 4-AAY-Hg 的核磁共振氢谱 Fig.6H NMR of AAY
16、and AAY-Co 下载原图为了更好地理解 4-AAF 与 Hg 的结合方式, 利用高斯 09 软件优化计算了分子的结构与轨道能级。从图 7 可以看出, 探针 4-AAF 与 Hg 结合前后, 分子结构和轨道能级都发生了较大的变化, 分子结构由原来的平面结构变成了非平面结构, 4-AAF 的 HOMO-1, HOMO, LUMO 和 LUMO-1 的轨道能级分别是-6.232, -5.372, -2.214 和-1.253 e V;与汞离子结合后, 其轨道能级分别为-13.193, -12.659, -11.480 和-9.538 e V;从 4-AAF 与 Hg 结合前后的轨道能级可以看出, 结合后HOMO 和 LUMO 的轨道能级大大减少, 同时 HOMO 跃迁到 LUMO 所需的能量也相应减少, 这说明了 4-AAF 与 Hg 结合后形成的配合物非常稳定, 同时由于跃迁能量的减弱,
