蘇 柯，何盈春，劉 利，李佳銳，劉矩葦，楊 穎，雍 芮

(1.四川文理學院 化學化工學院，四川 達州 635000；2.阿壩師范學院 資源與環(huán)境學院，四川 阿壩 623002；3.四川職業(yè)技術(shù)學院 能源化工學院，四川 遂寧 629099)

0 引 言

自21世紀以來，工業(yè)技術(shù)發(fā)展迅速，人民的生活水平得到了很大的提高，但同時，人類與環(huán)境都付出了十分慘痛的代價.[1]由于工業(yè)“三廢”不節(jié)制排放，許多重金屬及其化合物被排放到大自然中，嚴重地污染了自然環(huán)境.[2]其中，重金屬污染[3]問題往往首當其沖，在土壤之中富集的重金屬，可能會使土壤的質(zhì)地發(fā)生不可能逆轉(zhuǎn)的破壞，使得農(nóng)作物污染且導致產(chǎn)量下降，給農(nóng)業(yè)帶來巨大的負面影響；其次重金屬污染環(huán)境并聚集到植物體中，然后通過食物鏈逐級富集，最終進入人體.重金屬在體內(nèi)不僅會破壞金屬離子濃度的平衡，當超過最大存在濃度就會造成重金屬中毒，比如鈀中毒、汞中毒等，而且，還不會被代謝排出體外.

當前重金屬離子濃度檢測的方法有很多種，[4]包括有電化學法、原子吸收光譜和分光光度分析法等.但是大多數(shù)方法都存在著一些弊端，[5]比如說：實驗條件十分苛刻、儀器設(shè)備特別昂貴和樣品的預處理程序非常復雜等.所以，如今找到一種簡潔且方便、快速并抗干擾能力強的檢測重金屬離子的濃度方法尤為重要.[6]

研究發(fā)現(xiàn)，作為可以簡便且快速地檢測重金屬離子的濃度的方法——熒光探針化學傳感器，相較于經(jīng)典方法，該方法檢測速度更快、操作比較簡單、成本也更加低廉.[7]目前，該方法已經(jīng)在生物醫(yī)藥、化學化工、材料科學、水質(zhì)環(huán)境等多個領(lǐng)域得到初步應(yīng)用，已成為一種重要的分析檢測手段.[8]但是目前，部分已研究的熒光探針[9]還存在一些不足，比如合成步驟繁瑣難度大、靈敏度弱、檢測溶劑往往依賴于有機溶劑，因此設(shè)計合成新型小分子探針，并使得它們有更加優(yōu)異的綜合性能，具有重要意義.

縱覽文獻，[10]噻二唑類化合物具有較大的共軛體系與電子推拉結(jié)構(gòu)，并且其結(jié)構(gòu)式中的氮和硫原子結(jié)構(gòu)上都具有孤對電子，可以形成多齒的配位點，理論上可以特異性的與某些金屬離子進行螯合作用.本文以糠酸為原料，一步縮合，得到一種呋喃與噻二唑互聯(lián)的雙環(huán)熒光化合物2.通過多種表征技術(shù)對其進行了結(jié)構(gòu)表征和熒光性能研究.結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和guassian09計算結(jié)果，對其熒光探針機理進行了初步的討論.

1 實驗

1.1 實驗試劑及儀器

硅膠板(三色分開)：青島海洋化工廠分廠；糠酸：綿陽達高特試劑公司；鹽酸氨基硫脲：成都西亞試劑公司；三氯氧磷，氫氧化鈉甲醇和乙醇：成都科隆化工；反滲透水(RO)：自制.所有試劑均為分析純(AR).

x-4數(shù)顯顯微熔點測定儀：鞏義市予華儀器有限責任公司(溫度計未再校正)；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101S)：上海臨科實業(yè)科技有限公司；真空干燥箱(DZF-6050AB) ：北京中興偉業(yè)儀器有限公司；電子天平(HZK-FA210)：福州華志科學儀器有限公司；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(RE52CS-1)：上海亞榮生化儀器廠；三用紫外分析儀(ZF-1)：杭州齊威儀器有限公司；循環(huán)水真空泵(SHB-B95A)：北京中興偉業(yè)儀器有限公司；熒光光譜儀(LS55)：美國珀金埃爾默儀器公司；紫外可見分光光度計(UV-1800PC)：上海美譜達儀器有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀(Spectrum 100)：美國Perkin Elmer儀器公司；液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(1200L)：美國Varian公司；超導核磁共振波譜儀(Bruker Avance III 600)：瑞士Bruker公司.

1.2 互聯(lián)雙環(huán)類化合物的合成

一般來說，羧酸可以在強酸如硫酸、鹽酸、三氯氧磷或氯化磷等的作用下進行縮合反應(yīng)構(gòu)建噻二唑環(huán).所以，本文以糠酸為原料，氨基硫脲為縮合試劑，在三氯氧磷的作用下，一鍋生成5-氨基-2-呋喃基-1,3,4-噻二唑.請注意，本實驗具一定的危險性，應(yīng)該采取科學的實驗保護措施，此外三氯氧磷的量必須過量，以確保硫脲完全溶解于反應(yīng)體系中，才能獲得較高的化合物2的產(chǎn)率，反應(yīng)結(jié)束后，除去過量的三氯氧磷，否則淬滅時危險性較高.目標產(chǎn)物通過紫外-可見光(UV-Vis)、傅里葉-紅外(FT-IR)、液相質(zhì)譜(LC-MS)、核磁(1H-NMR)進行了結(jié)構(gòu)表征.

在裝有磁子、溫度計和冷凝管的反應(yīng)瓶(100 mL)中，加入2.240 g糠酸(化合物1，20 mmol)，氨基硫脲(1.820 g，20 mmol)，再緩慢加入30 mL三氯氧磷.在攪拌時，將反應(yīng)物緩慢加熱到75 ℃，直至固體完全溶解，使其保持反應(yīng)5 h.冷卻至室溫后，減壓蒸餾除去過量的三氯氧磷.在所得剩余物中緩慢滴加60 mL RO水，加熱回流，并且攪拌5 h，由薄層色譜(TLC)確定反應(yīng)終點，冷卻，冰水浴中用10 mol/L氫氧化鈉溶液中和反應(yīng)至pH =8，析出黃褐色的固體.過濾析出固體，水洗，干燥，甲醇重結(jié)晶，得到2.492g的亮黑色晶體，收率為74.6%， m.p.>300℃.

1.3 光學性能和反應(yīng)機理研究

通過熒光發(fā)射光譜儀和紫外可見光分光光度計測定化合物2的熒光和紫外性能，研究不同金屬離子對其熒光和紫外性能的影響及其規(guī)律. 將化合物2 和多種金屬離子配制為ppm級別的溶液，分別取相等摩爾的化合物2和對應(yīng)的金屬離子溶液充分混合，測試熒光發(fā)射光譜、紫外吸收光譜并用肉眼觀察溶液顏色變化，探索金屬離子與化合物2的反應(yīng)特性.對能與化合物2特征性作用的金屬Pd2+離子，利用紫外與熒光滴定，jobs方程確定熒光物質(zhì)與金屬離子的配比，通過Stern-V?lmer 方程計算化合物2對Pd2+離子檢測限.此外，結(jié)合化合物2的金屬Pd2+離子的配比，通過guassian09，使用密度泛函理論，對它們的理論機構(gòu)進行模擬計算，并初步分析化合物2與金屬離子的作用機理.

2 結(jié)果與討論

2.1 化合物的表征數(shù)據(jù)

化合物2的UV-Vis圖譜是將化合物2溶于水中，在紫外可見光分光光度計中測試得到的(圖2(a))，化合物2的FT-IR圖譜是將化合物2與無水KBr充分研磨混合壓片，在紅外光譜儀測試而得(圖2(b)).在UV-Vis圖譜中，我們可以看到，化合物2在200-350 nm間的波長范圍內(nèi)出現(xiàn)吸收峰，λmax為305 nm，此外245 nm 處還伴隨有肩峰.由FT-IR圖可以看出，在化合物2 中，氨基中N-H伸縮振動峰在 3298.1 cm-1處左右；芳烴的C-H伸縮振動峰在3085.2 cm-1左右，氨基中N-H的伸縮振動峰2952.1cm-1左右；C=C和C=N的伸縮振動峰在1620.1 cm-1處左右，N-H彎曲振動峰1496.3 cm-1處，N-H伸縮振動峰在1149.2 cm-1處左右.

(a)

(b)

化合物2的MS圖3(a)是將化合物2溶于甲醇后進樣，采用ESI正離子模式，在液質(zhì)聯(lián)用質(zhì)譜儀中測試而得，化合物2的NMR圖譜是將化合物2溶于氘代DMSO中，在掃描分辨率為600 MHz條件下，在超導核磁共振波譜儀測試而得.通過chemdraw計算可知化合物2的分子量是167.0，圖3(a)中168.0處的離子碎片峰為該化合物的[M+H]+分子離子峰.化合物2的1H-NMR譜圖(圖3(b))，分析可知7.83 ppm (d，1H)，6.94 ppm(d，1H)和6.66 ppm處的三種氫質(zhì)子的化學位移為呋喃環(huán)的三種氫的核磁信號，然后，噻二唑環(huán)不具有氫質(zhì)子，故噻二唑環(huán)上沒有化學位移峰，而噻二唑環(huán)上的伯氨基具有7.44 ppm處的氫信號 (s，2H).總體而言，核磁信號中出峰的化學位移，裂分情況與化合物2化學結(jié)構(gòu)中四組氫相匹配，也與其氫的位置結(jié)構(gòu)相符合.

(a)

(b)

2.2 光學性能結(jié)果與討論

2.2.1紫外光譜性質(zhì)

圖4(a)為化合物2的水溶液在有無不同金屬離子作用下的紫外-可見光譜圖. 如圖所示，化合物2的最大吸收波長為305 nm，其最大吸收波長不受Zn2+、Mn2+、Mg2+、Pd2+、Ca2+、Ni2+、Ce3+、Rb+、Y3+、La3+和Cu2+等金屬離子的影響.但是當引入金屬Pd2+波長還從305nm 紅移到了350nm 左右，發(fā)生了紅移，這可能是由于化合物2可以時，我們可以看到化合物2發(fā)生了明顯的的紅移，并且在最大吸收波長下吸光度(A)有了明顯的增加，這可能是由于化合物2與Pd2+形成配位化合物，降低了它的共軛程度，導致其發(fā)生紅移. 將化合物2和金屬Pd2+的濃度之和固定為10-2M，改變組成比例，得到j(luò)ob’s圖3(b)，由圖可知，化合物2和Pd2+的化學計量比為1：1.

(a)

(b)

2.2.2熒光光譜光譜

圖5(a)為化合物2的水溶液在有無不同金屬離子作用下的熒光發(fā)射強度圖， 數(shù)據(jù)表明，化合物2具有很強的熒光，當一當量的Zn2+、Mn2+、Mg2+、Pd2+、Ca2+、Ni2+、Ce3+、Rb+、Y3+、La3+或Cu2+金屬離子溶液與化合物2充分混合后，化合物2熒光發(fā)射光譜強度幾乎沒有改變.然而，一當量的Pd2+卻可以將化合物2的熒光強度淬滅一半以上.這可能是因為化合物2和Pd2+的配位形成了非熒光絡(luò)合物.這一特性表明，化合物2可作為選擇性檢測Pd2+的化學傳感器.為了進一步探究化合物2與金屬Pd2+的作用情況，在PBS(pH = 7.4)中對化合物2進行熒光滴定實驗.由圖4(b)可知，化合物2在最大發(fā)射波長425 nm處的發(fā)光強度隨著金屬鈀濃度的增加而逐步降低.當分子摩爾比達到1：1時，化合物2的熒光強度降到原來的1/3以下.再增加Pd2+的量，熒光強度幾乎沒有改變，熒光滴定實驗發(fā)現(xiàn)，化合物2對Pd2+具有選擇性，也再一次證明化合物2與Pd2+之間形成的配位比為1：1.

(a)

(b)

2.2.3應(yīng)用潛力探討

通過熒光滴定數(shù)據(jù)探究了化合物2的靈敏度(圖6(a).由圖可見，加入Pd2+濃度在0.01 μM-0.1 μM之間時，化合物2的熒光發(fā)射強度與加入的Pd2+濃度呈負相關(guān)關(guān)系.通過Stern-V?lmer方程計算可知，化合物2對Pd2+離子的檢出限低至4.35×10-7mol/L.此外，熒光化合物中熒光團的熒光性能往往受到溶液pH作用，從而干擾金屬離子的檢測.因此，研究了水溶液中pH濃度對化合物2的Pd2+識別作用效果.在6.0-9.0的pH范圍，化合物2的熒光發(fā)射強度幾乎不變.有趣的是，如圖所示，在加入1eq Pd2+后，在所有pH范圍內(nèi)化合物2的熒光淬滅嚴重，表明化合物2可以用于6.0-9.0的pH范圍內(nèi)檢測Pd2+.本文在PBS(磷酸鹽緩沖鹽水)的pH=7.4處進行了進一步的熒光實驗，以期日后開發(fā)其生物系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用.

(a)

(b)

2.3 熒光淬滅機理討論

通過上述實驗我們發(fā)現(xiàn)化合物2和金屬Pd2+離子的配位比為1:1，為了研究其作用機制，本文利用Guassian09 軟件，采用用密度泛函理論(DFT)，優(yōu)化了化合物2配位前后的結(jié)構(gòu)(C，H，O，N和S元素選用b3lyp/6-311+g基組，Pd元素選擇lanl2dz基組)的.注：感謝李良春博士對計算機仿真實驗的支持.有趣的是，Pd2+和化合物2中的呋喃環(huán)上的O噻二唑環(huán)上的N之間形成了配位鍵，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu).由圖7可見，Pd2+的引入，破壞了化合物2的共平面性，降低了它的的共軛度，使其熒光淬滅.

圖7 化合物2配位前后的優(yōu)勢構(gòu)象示意圖

為了進一步了解絡(luò)合后的光學變化原因，進一步計算了化合物2在配位前后優(yōu)勢構(gòu)象的前沿軌道形狀和能量(圖8).在化合物2中，HOMO和LUMO電荷分布均勻，但在絡(luò)合物中的電荷主要位于金屬Pd2+附近上.由此推斷Pd2+的配位阻礙了化合物2的分子內(nèi)電荷(ICT)轉(zhuǎn)移，導致熒光猝滅.此外，絡(luò)合物的HOMO和LUMO之間的能級差比化合物2的要小一些，這與之前的紫外與熒光滴定過程中的紅移一致.

圖8 化合物2配位前后的分子軌道示意圖

3 總結(jié)與展望

綜上所述，本文以糠酸為原料，合成了一種新型的呋喃并噻二唑的雙環(huán)熒光化合物2，該化合物具有良好的熒光性能和對Pd2+的高選擇性識別.pH對Pd2+識別的影響表明，化合物2可以用于在6.0-10.0的很寬的pH范圍內(nèi)檢測Pd2+.PBS中Pd2+化合物2(磷酸緩沖鹽pH=7.4)熒光滴定表明，Pd2+檢測極限為4.35×10-7M(0.114ng/L).化合物2可以實現(xiàn)簡單、快速、方便的現(xiàn)場檢測，而無需復雜、昂貴的設(shè)備.熒光滴定和紫外jobs圖表明， Pd2+與化合物2的配位摩爾比為1：1，以及化合物2中的3′N和呋喃環(huán)上O原子是可能的配位位點.密度函數(shù)理論表明，Pd2+的配位使化合物2的共平面度和共軛性降低，導致熒光淬滅.此外，絡(luò)合后，LUMO和HOMO之間能隙更小，這與Pd2+對化合物2的紫外-可見滴定中的紅移結(jié)果吻合. 化合物2具有高靈敏度、短響應(yīng)時間、好選擇性、高準確度等優(yōu)點，可用于檢測Pd2+.此外化合物2作為一個呋喃并噻二唑的有機小分子熒光探針，合成容易不同于傳統(tǒng)熒光探針分子，具有后續(xù)開發(fā)潛力.