2,4-二-(5-甲氧基-2-噻唑基)吡啶的合成及其对Ag+和pH值的荧光响应

郑明花， 刘希玲， 金京一

( 延边大学理学院 化学系， 吉林 延吉 133002 )

重金属的富集及其迁移等问题对生态环境的影响日趋严重，其中Ag+的过度累积而导致的生态环境问题及其对人类健康的危害引起了人们的高度重视[1].另一方面，环境的pH值的测量在化学领域、细胞生物学、医学、农业、工业和环境科学等方面具有十分重要的意义：因此，开发高灵敏度的Ag+和pH值的选择性探针成为目前研究的热点.在Ag+和pH值的检测方法中，荧光分析法具有操作简便、响应快、高选择性和灵敏度高等特点.与其他基于单发射波长变化的“关-开”或“开-关”型荧光探针比较，基于双发射波长变化的比率荧光探针能有效地消除背景干扰、降低荧光探针浓度、消除光源强度的漂移和探针的光漂白等因素所引起的误差.目前，对Ag+和pH值的荧光分子探针的研究已取得一定的进展[2-4]，但有关比率荧光探针的研究还较少[5-6].本文以2,4-吡啶二甲酸为原料合成了2,4-二-(5-甲氧基-2-噻唑基)吡啶(MTP)(图1)，光谱研究表明MTP可作为Ag+和pH值的比率荧光探针.

图1 化合物MTP的合成

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂

主要仪器有熔点测定仪(北京泰克，X-5)，核磁共振谱仪(瑞士布鲁克，AV-300)，紫外分光光度计(日本岛津公司，U-3010)，傅里叶变换红外光谱仪(日本岛津公司，IR Prestige-21)，荧光分光光度计(日本岛津公司，RF-5301)，液-质联用仪(美国安捷伦科技公司，1100-HPLC/MSD)，精密酸度计(上海雷磁仪器厂，PHS-3C)等.除光谱测试时所用溶剂为色谱纯外，其余所用试剂均为分析纯.

1.2 实验步骤

1.2.1化合物1的合成[7]在0～5 ℃冰浴下，向15 mL含有2,4-吡啶二甲酸(1.002 g, 6 mmol)和4-硝基苯酚(2.004 g, 14.4 mmol)的吡啶溶液中滴加10 mL的含N,N′-二环己基碳酰亚胺(DCC, 2.476 g, 6 mmol)的吡啶溶液.滴加完毕后，在冰水浴下搅拌3 h，再于室温下继续搅拌1 h.抽滤，滤液用饱和碳酸氢钠溶液调节至pH值为10，析出白色固体1 (11.71 g，收率为70%).M.p.: 135.2～135.8 ℃.1H-NMR(300 MHz, DMSO-d6) δ:7.69(d,2H,J=4.9 Hz), 7.72(d,2H,J=4.9 Hz), 8.39～8.41(m,5H), 8.74(1H,s), 9.15(d,1H,J=5.0 Hz).13C-NMR(75 MHz, CDCl3) δ: 117.6, 117.9, 118.1, 118.3, 119.3, 121.1,121.3, 121.4, 121.5, 123.7, 144.4, 144.7, 147.0, 148.7, 155.3, 157.1, 158.3, 161.1, 163.3.IR(KBr, cm-1): 2 928, 2 849, 1 740, 1 636, 1 521,1 348, 1 230, 1 088, 866, 669, 640.MS(m/z): [M]+=410(M+1).

1.2.2化合物2的合成[8]在室温下，向7 mL含化合物1 (757.5 mg， 1.85 mmol)的N,N′-二甲基甲酰胺溶液中滴加10 mL的含甘氨酸甲酯(580.6 mg, 4.63 mmol)的中性无水甲醇溶液.滴加结束后，在室温持续搅拌10 h后向反应体系加入饱和碳酸氢钠溶液和50 mL水.用乙酸乙酯萃取，有机层用饱和食盐溶液洗涤，无水硫酸钠干燥，经柱层析(乙酸乙酯、石油醚体积比为6∶5)得到白色油状物2 (132 mg，收率为30%).1H-NMR(300 MHz, DMSO-d6) δ: 3.65(s,3H), 3.66(s,3H), 4.06(d,2H,J=6.3 Hz), 4.08(d,2H,J=6.3 Hz), 8.00(br,1H), 8.45(s,1H), 8.84(br,1H), 9.24(d,1H,J=5.8 Hz), 9.51(d,1H,J=5.8 Hz).13C-NMR(75 MHz, DMSO-d6) δ: 40.1, 41.5, 52.2, 52.3, 119.8, 124.7, 142.6, 150.0, 150.7， 164.3, 165.0, 170.4, 170.5.IR(KBr, cm-1): 2 953, 2 922, 1 751, 1 670, 1 541, 1 525, 1 292, 1 213, 1 051, 1 026, 1 005, 824, 764.MS(m/z): [M]+=310(M+1).

1.2.3MTP的合成[9]向7 mL甲苯中依次加入化合物2 (124 mg, 0.398 mmol)和劳伦斯试剂(Lawesson’s reagent, 354 mg, 0.87 mmol)后，升温至140 ℃，反应12 h.冷却至室温后，减压除去溶剂，加入适量的5 mol/L氢氧化钠溶液调节体系至弱碱性.用乙酸乙酯萃取后，有机相经无水Na2SO4干燥.柱层析(乙酸乙酯、石油醚体积比为4∶1)，重结晶后得到白色固体为MTP(20 mg，收率为16%).M.p.: 130.2～130.8 ℃.1H-NMR(300 MHz, Acetone-d6) δ: 4.05(s,3H), 4.08(s,3H), 7.34(s,1H), 7.40(s,1H), 7.76(d,1H,J=6.7 Hz), 8.40(s,1H), 8.59(d,1H,J=6.7 Hz).13C-NMR(75 MHz,Acetone-d6) δ： 54.9， 55.0， 115.1， 121.1， 121.3， 126.2， 141.8， 142.0， 146.0， 150.6， 154.9， 158.8， 165.2.IR(KBr, cm-1): 2 922， 2 851， 1 529， 1 487， 1 445， 1 412， 1 279， 1 233， 980， 895， 820， 772.MS(m/z):[M]+=306(M+1).计算值(C13H11N3O2S2)：305.029 3， HRMS(m/z): 305.027 7.

1.3 光谱测试

光谱测试均使用色谱级甲醇作为溶剂.紫外光谱测试时， [MTP]=2.0×10-5mol/L；荧光光谱测试时， [MTP]=2.0×10-6mol/L.对于金属离子，除Fe2+为盐酸盐，其余(Ag+、Ca2+、Cd2+、Co2+、Cu2+、Fe3+、Hg2+、Mg2+、Ni2+、Pb2+、Zn2+)均为高氯酸盐.在滴定实验中，除Ag+之外其他所有金属离子的浓度均为1×10-4mol/L.溶液pH值的调节采用盐酸或氢氧化钠水溶液，以pH计显示的数值为准.

2 结果与讨论

2.1 MTP对金属离子的选择性识别性能

MTP的最大激发波长(λex)与最大发射波长(λem)分别为355 nm和467 nm(图2).由于MTP的分子骨架中有可能存在金属离子螯合位点，因此本文对金属离子对其荧光发射行为的影响进行了探讨.在本文所考察的Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Ag+、Zn2+、Co2+、Cu2+，Ni2+、Cd2+、Hg2+、Pb2+等金属离子中，金属离子对MTP的荧光发射行为的影响可分为3类(图2)： ① Ag+使MTP在467 nm处的荧光强度降低，同时在434 nm处形成一个新的蓝移发射峰； ② Ca2+、Mg2+、Fe2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+等金属离子使MTP在467 nm处的荧光强度降低，但在434 nm处没有出现新的峰； ③ Fe3+、Hg2+、Co2+、Cu2+、Ni2+等金属离子使MTP基本失去了荧光发射性能，即只有Ag+能在猝灭MTP的原发射波长的同时产生一个新的发射峰.

图2 金属离子对MTP的荧光响应

荧光滴定实验表明，随着Ag+浓度的增加(0～50 eq)，MTP在467 nm处的荧光强度逐渐降低，同时发射峰逐渐蓝移，最终在434 nm处出现新峰(图3).这种基于Ag+的双发射波长变化，应该是由MTP与Ag+配位所导致的.考虑到Ag+具有d10电子结构，它与MTP配位结合后，由于重原子效应导致MTP的原荧光发射发生猝灭.另一方面，MTP与Ag+配位后，所形成的配位化合物有效降低了从邻位噻唑单元到中心吡啶单元的电子转移效率，导致荧光发射峰蓝移.由此可见，MTP对Ag+具有良好的选择性，可以作为以发射波长467 nm和434 nm处的荧光强度为比率的比率荧光探针.

图3 MTP在甲醇中Ag+的荧光滴定光谱

根据滴定曲线，MTP与Ag+在溶液中应存在络合平衡：

MTP+Ag+[Ag(MTP)]+.

(1)

假设体系中MTP的浓度为[N]0，未配位的MTP的浓度为[N]，未配位的MTP所占全部配体的分数为α， Ag+在体系中的浓度为[M]，则其络合常数可以表达为：

K络合=(1-α)/α[M].

(2)

根据朗-比耳定律，α可表示为

α=(F-F0)/(F1-F0),

(3)

式中:F0是体系中未引入Ag+时，434 nm处的荧光强度值；F1是体系中Ag+大大过量时，434 nm处的荧光强度值；F是体系中Ag+的浓度在此区间时，434 nm处的荧光强度值.

结合方程(1)和(2)，由荧光滴定分析结果拟合得到MTP-Ag+的络合常数K络合，约为1.34×104L/mol[10-11]，如图4所示.从图4可以进一步推导出MTP在甲醇中对Ag+的最低检测限为2.45×10-5mol/L.

图4 MTP与Ag+的络合常数拟合图

2.2 MTP对pH值的敏感性

由于MTP分子骨架中存在对质子敏感的吡啶单元，因此本文对pH值对MTP的荧光发射行为的影响进行了考察(图5).如图5所示：体系的pH值在1～6范围内时，MTP在467 nm处的荧光发射逐渐减弱；而在碱性范围内，荧光强度没有明显的变化.在pH=1～6范围内，随着酸性的增强，猝灭程度越大，同时在552 nm处形成新的荧光发射峰，并且逐渐增强.图6显示在525 nm处有一个等发射点，这说明在体系中存在着MTP的质子化平衡.因此，以MTP在467 nm和552 nm两处的荧光发射强度为比率，可以检测pH=1～6范围的酸度值.

图5 MTP在不同pH值下的荧光强度比率变化

图6 MTP在pH=1～6范围内荧光强度变化

3 结论

本文合成了2,4-二-(5-甲氧基-2-噻唑基)吡啶(MTP)，并利用红外光谱、核磁共振和质谱对化合物的结构进行了表征.MTP的荧光性能测试结果表明，MTP对Ag+具有比率荧光响应，络合常数为1.34×104L/mol，最低检测限为2.45×10-5mol/L，说明MTP对Ag+的识别有高灵敏度和专一的选择性.考察MTP对pH值的敏感性表明，MTP在pH=1～6范围内也具有比率荧光响应.

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