对硝基偶氮邻苯二酚的合成及其对硼酸的选择性识别*

吴小华， 徐 靓， 周炳江， 王 鑫，王利民， 张 栋， 张 蕴， 王 芳

(浙江师范大学化学与生命科学学院，浙江金华 321004)

分子识别指主体对客体选择性结合并产生某种特定功能的过程，分子识别研究已成为化学家和生物化学家共同关注的重大课题，也是分析化学和超分子化学交叉的前沿领域．光化学传感因灵敏度高且选择性好而被广泛地应用于分子识别研究［1］，其中分光光度法所需仪器价廉、操作简单，特别是裸眼比色法无需任何仪器即能实现定性和定量检测，已广泛用于阳离子和阴离子的识别研究［2-5］．

硼酸曾用作食品防腐剂和膨松剂．由于硼酸在人体内排泄缓慢，长期摄入可产生蓄积而影响消化酶的作用，对人体健康造成危害．目前我国已禁止使用硼酸作为食品添加剂［6-7］，但仍有某些不法商贩将其添加到米粉、面制品等食品中，以增加其弹性并改善口感．因此，检测食品中是否含有硼酸非常重要．由于裸眼比色法简单、方便快捷，因此，设计结构简单、易于合成并可选择性比色检测硼酸的受体，具有十分重要的现实意义．

硝基苯偶氮二酚类衍生物用于识别阴离子已有报道［8］，但用于识别硼酸未见报道．笔者合成了对硝基偶氮邻苯二酚(主体分子)，以邻位酚羟基为识别位点、偶氮基为信号报告基团，在pH 8．3的EDTA-NaOH介质中，与硼酸结合形成1∶1的稳定络合物，导致主体分子的吸收光谱蓝移51 nm，溶液颜色由红色变为黄色，常见阴离子、阳离子均不影响其对硼酸的识别．同时，对主体分子识别硼酸的机理作了初步探讨，认为在弱碱性条件下，硼酸主要以络合能力很强的形式存在，因此与主体分子之间很容易发生相互作用而结合．

1 实验部分

1．1 仪器与试剂

Evolution 500 LC紫外分光光度计(美国热电公司);PB-10型酸度计(北京赛多利斯仪器系统有限公司);1 cm石英比色池．Nexus-670-FTIR红外光谱仪，KBr压片．Bruker Avance-400 MHz核磁共振仪，氘代二甲亚砜(DMSO-d6)为溶剂，四甲基硅烷(TMS)为内标．

硼酸:配成 0．1 mol/L 溶液;pH 8．3 EDTANaOH缓冲溶液:0．1 mol/L乙二胺四乙酸二钠(EDTA，Na2H2Y·2H2O)溶液和0．2 mol/L NaOH溶液在酸度计上调至所需酸度;阴离子、阳离子溶液分别用相应的钠盐、氯化物配制，浓度均为5 ×10－2mol/L．

实验所用试剂均为分析纯，水为二次蒸馏水．

1．2 主体分子的合成与表征

主体分子——对硝基偶氮邻苯二酚的结构如图1所示，根据文献［9］的方法合成主体分子．

图1 对硝基偶氮邻苯二酚(主体分子)

主体分子:熔点为230～232℃，与文献值相符．1H NMR(400 MHz，DMSO-d6)δ:9．96(s，2H，OH)，8．39(d，J=6．7 Hz，2H，ArH)，7．97(d，J=5．9 Hz，2H，ArH)，7．47(d，J=5．2 Hz，1H，ArH)，7．38(s，1H，ArH)，6．96(d，J=5．9 Hz，1H，ArH)．FT-IR(KBr)υ/cm－1:3 354，3 060，1 591，1 552，1 508，1 442，1 270，848，739．

1．3 实验方法

主体分子溶于乙醇中，配制成1×10－3mol/L的溶液．在pH 8．3 EDTA-NaOH介质中，主体分子溶液稀释至3×10－5mol/L，考察硼酸及常见离子对其吸收光谱的影响．

2 结果与讨论

2．1 主体分子对硼酸的选择性识别

在pH 8．3 EDTA-NaOH介质中，主体分子(3×10－5mol/L)溶液中分别加入50倍量的硼酸，F－，Cl－，Br－，I－，Ac－，NO－3，C2O2－4，Na+，K+，Ca2+，Mg2+，Zn2+，Ba2+，Pb2+，Cd2+，Cu2+，Fe3+，Al3+等离子，考察这些物质对主体分子吸收光谱及溶液颜色的影响，结果见图2和图3．

由图2和图3可知:主体分子的最大吸收波长为504 nm;硼酸使主体分子的最大吸收波长由504 nm蓝移至453 nm处，溶液颜色由红色变为黄色;Cu2+由于与EDTA(H2Y2－)反应形成深蓝色的CuY2－，使溶液颜色由红色变为紫红色;Fe3+与H2Y2－形成棕黄色的FeY－，使溶液颜色由红色变为橙红色;其他离子均未引起主体分子吸收光谱及溶液颜色发生变化．因此，主体分子对硼酸具有选择性识别作用，能够用于裸眼识别．

图2 主体分子溶液中分别加入50倍量硼酸、阴离子及阳离子时的吸收光谱

图3 主体分子溶液中分别加入50倍量硼酸、阴离子及阳离子后的颜色变化

图4 50倍量阴离子、阳离子存在下主体分子溶液中分别加入50倍量硼酸后的吸光度

在50倍量F－，Cl－，Br－，I－，Ac－，NO－3，C2O2－4，Na+，K+，Ca2+，Mg2+，Zn2+，Ba2+，Pb2+，Cd2+或Cu2+存在的主体分子溶液中，分别加入50倍量硼酸，测定溶液的吸光度，结果(见图4)表明:上述离子溶液中主体分子的最大吸收波长均由504 nm蓝移至453 nm，溶液颜色由红色变为黄色，说明上述离子均不干扰主体分子与硼酸的显色反应．进一步说明主体分子能选择性地识别硼酸．

2．2 主体分子对硼酸识别机理的探讨

图5 硼酸浓度对主体分子吸收光谱的影响

硼酸浓度变化对主体分子吸收光谱的影响见图5．随着硼酸浓度的增加，主体分子的吸收光谱发生明显的变化:在504 nm处的吸光度逐渐减小，且硼酸浓度在0．025～0．30 mmol/L时，吸光度减小的程度与硼酸浓度之间呈良好的线性关系(见图5内插图);在315～450 nm的吸光度逐渐增大，最大吸收波长蓝移至453 nm;在315和450 nm出现2个清晰的等吸收点，表明主体分子与硼酸形成了具有确定计量比的主-客体化合物．

硼酸可与多羟基化合物形成络合物．1925年，Hermans发现顺式邻羟基化合物与硼酸反应可以分离出2种不同的络合物，即1∶1和1∶2络合物，酚类化合物的酚羟基和苯环处于同一平面，因而邻苯二酚可以顺利地与硼酸络合［10］．由图6可得出硼酸与主体分子反应形成1∶1的络合物．根据图 5、图 6及方程式(1)［11］，采用非线性拟合方式(见图7)得到两者的结合常数Ka为1．5 ×103L·mol－1．

图6 主体分子与硼酸反应的Job曲线

式(1)中:A0，A，Alim分别为指定波长处主体分子的吸光度、在硼酸存在下的吸光度及吸光度的极限值;c0，cB分别是主体分子和硼酸的浓度;Ka为结合常数．

硼酸在水溶液中的离解平衡方程式为

B(OH)4－具有比硼酸更强的络合能力［10］．在pH 8．3的 EDTA-NaOH介质中，硼酸主要以B(OH)4－的形式存在，因此可推出主体分子与硼酸的反应式如图8所示．

硝基苯偶氮二酚类衍生物可用于阴离子的识别，其识别机理是在非质子溶剂中，硝基苯偶氮二酚类衍生物分子中的羟基与阴离子之间通过氢键作用结合，根据氢键作用力的大小识别不同结构的阴离子［8］．在 pH 8．3 EDTA-NaOH 缓冲介质中，阴离子与主体分子的氢键作用遭到破坏，无法识别阴离子;金属离子可以和H2Y2－形成稳定的螯合物MY(n－4)+．因此，主体分子能在阴离子、阳离子存在下选择性识别硼酸，且与硼酸等量的阴、阳离子不干扰主体分子与硼酸的显色反应．

图7 主体分子与硼酸反应的拟合曲线

3 结论

笔者设计合成了对硝基偶氮邻苯二酚;在pH 8．3 EDTA-NaOH介质中，考察了主体分子与硼酸及常见阴离子、阳离子的反应．结果表明:硼酸使主体分子的吸收光谱蓝移51 nm，溶液颜色由红色变为黄色;水溶液中阴离子与主体分子无法以氢键结合，且由于采用了EDTA-NaOH介质，使阳离子以很稳定的螯合物形式存在，因此常见阴离子、阳离子均不影响主体分子与硼酸的显色反应，主体分子对硼酸具有选择性识别作用．

图8 络合反应方程式

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