噁唑酮类衍生物的合成及其对金属离子识别研究

刘 茜，张 业

（1.梧州学院 数理系,广西 梧州 543002；

2.桂林师范高等专科学校 化学与工程技术系,广西 桂林 541001）

噁唑酮类衍生物的合成及其对金属离子识别研究

刘 茜1，张 业2

（1.梧州学院 数理系,广西 梧州 543002；

2.桂林师范高等专科学校 化学与工程技术系,广西 桂林 541001）

以甘氨酸和苯甲酰氯为原料合成苯甲酰甘氨酸，在超声波的辅助下苯甲酰甘氨酸与醛类缩合得到噁唑酮衍生物4a-4d，并以荧光光谱法研究化合物对Zn2+、Fe3+、Cu2+三种金属离子的识别作用。实验表明，随着金属离子的加入，化合物的荧光光谱均发生不同程度的猝灭现象；化合物4c对Fe3+的识别作用最优，猝灭常数为1.57×104 L·mol-1，表现出一定的选择性。

合成；识别；噁唑酮；金属离子

金属离子在人体中发挥着重要的作用，如被喻为“生命的火花”的锌、“铁血丹心”的铁，“微量却不低微”的铜等金属离子都是人体健康所必需的微量元素；另一方面，一些有害的金属离子（如铅，镉等）也可以通过各种途径在生物体内沉积，对人和自然环境造成极大的危害[1]。因此，对金属离子进行有效的检测在环境和医学等领域都具有重大意义。目前，荧光分子探针以其灵敏度高、快速等优点而在金属离子的检测中得到广泛的应用，设计、合成新型荧光分子探针也备受关注。

噁唑酮具有良好的发色基团，同时可通过与不饱和基团相连而使噁唑酮类化合物分子的共轭体系增大，使其荧光性能得以改善，从而使噁唑酮类化合物在荧光增白剂和荧光分子探针方面有新的开发前景。因此，本文拟通过苯甲酰甘氨酸与四种不同的醛类在超声波辐射下合成噁唑酮类衍生物，并研究它们对锌、铁、铜离子的识别作用。合成路线如下：

1 实验部分

1.1 试剂及主要仪器

苯甲酰氯；甘氨酸；水杨醛；桂皮醛；苯甲醛；N,N-二甲基苯甲醛；1,4-二氧六环；N,N-二甲基甲酰胺；氢氧化钠；浓盐酸； 无水乙醇（试剂均为分析纯）。

KQ2200DE型数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；BRUKERESQUIREHCT质谱仪（美国，布鲁克道尔顿公司）；BRUKERWRS-1A数字熔点仪（上海精密科学仪器有限公司）；AVANCE500核磁共振仪超导核磁共振仪（瑞士，布鲁克公司）；RF-5301型荧光分光光度计（日本，岛津公司）。

1.2 化合物的合成

1.2.1 苯甲酰甘氨酸的合成

合成方法参考文献[2-3]，冰浴下，往2 5 0 m l烧杯加入30mmol甘氨酸和30ml1.0mol/L的NaOH溶液，搅拌溶解，将15ml2.0mol/L的NaOH溶液和3.48ml溶于l,4-二氧六环的苯甲酰氯同时滴加到烧杯中，保持pH值不超过1l（但大于8），滴加完毕后反应物搅拌过夜，反应结束后用浓盐酸调pH至2，自然冷却到室温后再用冰水冷却，有大量固体析出，水洗、抽滤、重结晶，得白色晶体1.81g，产率为88.4%。

1.2.2 化合物4的合成

将0.1mol苯甲酰甘氨酸与0.1mol醛类溶于50ml干燥的圆底烧瓶中，滴加适量乙酸酐，在超声波辅助下，设温度为80℃，振荡40分钟后停止反应，自然冷却，抽滤，得黄色固体4a-4d。

4a：产率85%，m.p.：140—140.7℃，1HNMR（CDCl3,500MHz）δ：9.71（d,J=7.5Hz,1H,ArH）,8.62-8.65（m,1H,C＝CH）,8.1（dd,J=7.5Hz,1H,ArH）,7.98（dd,J=10Hz,1H,ArH）,7.88（dd,J=7.5Hz,1H,ArH）,7.80（d,J=7.5Hz,1H,ArH）,7.56（dd,J=5Hz,1H,ArH）,7.47（d,J=5Hz,1H,ArH）,7.37（s,1H,OH）,3.51（d,J=5Hz,2H,CH2）.MSm/z（%）：264（M-H）。

4b：产率85%，m.p.：149.8—152℃,1HNMR（CDCl3,500MHz）δ：8.19（d,J=2.5Hz,1H,ArH）,8.17（d,J=2.5Hz,1H,ArH）,8.10（dd,J=5Hz,1H,ArH）,8.06（dd,J=5Hz,1H,ArH）,7.85（dd,J=12.5Hz,1H,ArH）,7.69（d,J=7.5Hz,1H,ArH）,7.67（d,J=7.5Hz,1H,ArH）,7.62（dd,J=5Hz,1H,ArH）,7.61（dd,J=5Hz,1H,ArH）,7.45（dd,J=7.5Hz,1H,ArH）,7.23（t,J=10Hz,1H,C＝CH）,.6.84（d,J=10Hz,1H,C＝CH）,6.78（q,J=10Hz,1H,C＝CH）,3.08（d,J=12.5Hz,2H,CH2）.MSm/z（%）：276（M+H）。

4c：产率86%，m.p.：168—169.2℃（168-169）,1HNMR（CDCl3,500MHz）δ：7.89（t,J=12.5Hz,1H,C＝CH）,7.64（d,J=10Hz,1H,ArH）,7.62（d,J=10Hz,1H,ArH）,7.46（dd,J=2.5Hz,1H,ArH）,7.44（dd,J=2.5Hz,1H,ArH）,7.43（d,J=2.5Hz,1H,ArH）,7.42（dd,J=7.5Hz,1H,ArH）,7.38（d,J=5Hz,1H,ArH）,7.36（dd,J=5Hz,2H,ArH）,7.28（dd,J=10Hz,1H,ArH）,3.38（d,J=5Hz,2H,CH2）.MSm/z（%）：250（M+H）。

4d：产率88%，m.p.：210.3—211.5℃（210-212）,1HNMR（CDCl3,500MHz）δ：8.19（d,J=2.5Hz,1H,ArH）,8.17（d,J=2.5Hz,1H,ArH）,8.08（dd,J=2.5Hz,1H,ArH）,7.70（dd,J=7.5Hz,1H,ArH）,7.67（dd,J=7.5Hz,1H,ArH）,7.61（t,J=7.5Hz,1H,C＝CH）,7.23（d,J=10Hz,1H,ArH）,7.21（d,J=10Hz,1H,ArH）,6.84（d,J=5Hz,1H,ArH）,6.79（d,J=5Hz,1H,ArH）,3.38（d,2H,CH2）,3.08（s,6H,2CH3）.MSm/z（%）：293（M+H）。

1.2.3 化合物的荧光光谱测定

把化合物4a-4d配成一定浓度的DMF溶液，在RF-5301型荧光分光光度计上扫描化合物的荧光光谱，结果见图1。

1.2.4 化合物对金属离子的识别性能测试

准确配制一定浓度Zn（NO3）2、Fe（NO3）3、Cu（NO3）2的DMF-H2O（V：V=7：3）溶液备用，化合物配成2.5×10-4mol/L的DMF-H2O（V：V=7：3）溶液备用。

取一定量的化合物和金属离子备用溶液混合，并使金属离子浓度为化合物浓度的一定倍数，待混合溶液稳定后测其荧光光谱，其发射波长和激发波长为仪器选出的最优值。

1.3 结果与讨论

1.3.1 目标化合物的合成

合成的目标化合物若用常规的加热回流方法制取，则反应温度为140度，回流时间为2小时。而利用超声波辐射合成，只需在80度的水中震荡40分钟，这不仅可以克服传统加热方法反应时间长、后处理麻烦的不足，而且还具有对环境友好等优点，符合绿色化学的要求。超声波辐射下合成的产率和普通加热回流反应条件下的产率基本相等。

图1 化合物4a-4d的荧光光谱

表1 化合物4a-4d的荧光光谱数据

1.3.1 化合物荧光光谱测试结果

从图1和表1的数据可以看到，化合物都有一定的荧光吸收，这为进一步通过荧光猝灭法研究其与金属离子的识别奠定了基础。

1.3.2 化合物对金属离子的识别作用结果

从结构分析，化合物对三种金属离子的识别作用主要为配位作用，即化合物与金属离子通过配位效应形成配合物而导致化合物荧光强度随溶液浓度的降低而降低。实验结果 （见图2）表明，随着金属离子的加入，化合物溶液的发射波长强度持继降低，实验结果与分析结果吻合。另外，通过化合物与金属离子的猝灭常数也可衡量化合物对金属离子的识别能力。猝灭常数越大，识别作用越强。故结合Stern-Volmer方程[4-5]，测试了化合物与金属离子的猝灭常数。

图2 Zn2+、Fe3+、Cu2+分别对化合物4c的荧光猝灭图

当荧光体与猝灭体发生碰撞时，可引起荧光体的荧光猝灭，这种猝灭服从Stern-Volmer方程[4-5]：

式 （1）中，F0/F分别为加入猝灭体前后的荧光强度，Kq为双分子碰撞猝灭常数，[Q]为猝灭体的浓度，τ0为猝灭体不存在时荧光体的荧光寿命，KD为猝灭常数。根据式 （1）将F0/F与 [Q]作线形方程图，由图的线性方程中的K值即可得猝灭常数 （见上页表2）。

研究表明，合成的四个噁唑酮衍生物对Zn2+、Fe3+、Cu2+离子都表现出了一定的识别能力，其中化合物4a与4b与这三种金属离子虽有作用，但没有一定的规律，故无法计算其猝灭常数。化合物4c对Fe3+、Cu2+与化合物4d对Zn2+的识别有规律性，可通过Stern-Volmer方程分别计算其猝灭常数，值得一提的是化合物4c溶液的荧光光谱被铁离子猝灭约为原来的九分之一，其与Fe3+的猝灭常数达到1.57×104L·mol-1，表现出良好的的识别性，这可能是由于空间位阻与共轭体系导致化合物的结构空穴较适合于Fe3+，同时也可能是因为Fe3+的氧化性较强，从而表现出的荧光猝灭现象更为突出。

[1]TAN Z J,REMCHO V T.Preparation and evaluation of bonded linear polymethacrylate stationary phases for open tubular capillary electrokinetic chromatography[J].Anal Chem,1997,69（4）：58 1-586.

[2] 黄循贵.马尿酸的生产方法[J].江苏化工,1995（2）：24-25.

[3]郭成,覃红华,荀志金.4-芳亚甲基-2-苯基噁唑-5-酮的超声辐射合成[J].应用化学，2003（7）：703-704.

[4]宋峥,梁宏.荧光猝灭法研究Cu（Ⅱ）和Zn（Ⅱ）离子与牛血清蛋白结合竞争[J].光谱学与光谱分析,2003（5）：892-894.

[5] 常希俊,黄艳,贺群.铱（IV）离子与人血丙种球蛋白的作用研究[J].化学学报,2005,63（3）：49-54.

Synthesis and Recognition Study of Oxazolone Derivatives on Metal Ion

Liu Qian1,Zhang Ye2
（1.Department of Mathematics and Physics,Wuzhou University,Wuzhou 543002,China；
2.Department of Chemistry and Engineering Technology,Guilin Normal College,Guilin 541001,China）

This paper describes the synthesis of benzoylglycine from glycine and benzoyl chloride,the synthesis of oxazolone derivatives 4a-4d from benzoylglycine and aldehyde by ultrasound-assisted condensation and the study of the recognition of oxazolone deriavatives 4a-4d on Zn2+、 Fe3+、 Cu2+by fluorescence spectrometry.The results show that metal ions may lead to the quenching of the fluorescence spectrum and that compound 4c exhibit good selective recognition on Fe3+with the dissociation constant as 1.57×104L·mol-1.

synthesis;recognition;oxazolone;metal ion

O622

A

1673-8535（2012）01-0065-06

2011-11-26

广西区教育厅科研项目（201012MS201）

刘茜 （1975-），女，广东揭西人，梧州学院数理系讲师，硕士，研究方向：荧光探针先导化合物的合成研究。

张业 （1981-）,男，广西贵港市人，桂林师范高等专科学校化学与工程技术系讲师，硕士，研究方向：杂环药物先导化合物等的合成。

覃华巧）