三角架型萘酰亚胺荧光探针合成及识别研究＊

沈 韵，李 丽，牟 兰，曾 晞*，卫 钢

(1.贵州省大环化学及超分子化学重点实验室;贵州大学 化学与化工学院，贵州 贵阳 550025;2.澳大利亚联邦科学与工业研究组织，制造业旗舰，新南威尔士州 悉尼2070)

以氮原子为中心的三角架结构中的柔性侧链通常具有特殊的配位能力，能与多种金属离子配位［1］。与大环化合物相比具有合成方法简便、成本低廉、结构易变、络合性能好，同时具备大环和非环状配体的性质特征。通过改变侧链长度、配位基团及配位原子，从而改变其配位的物理和化学性能。经过合理设计的三角架分子作为荧光探针，可实现对金属离子、阴离子及中性分子的检测。文献报道了在三角架结构中引入4-氯-7-硝基-2，1，3-苯并氧杂恶二唑得到识别Zn2+的荧光探针［2］;在三氨乙基胺分子上连接三个蒽荧光团的Cu2+探针［3］;在三氨乙基胺分子中不对称的引入苊并吡咯酮荧光团，得到识别Zn2+、Cd2+、Hg2+的探针［4］;本研究组也报道了以罗丹明为修饰基团的系列三角架探针［5］。研究表明，三角架型结构的荧光探针对特定离子有优良的检测识别能力。

1，8-萘酰亚胺衍生物为优良的光学染料［6］，分子结构易于修饰［7］。已报道了作为pH 探针应用于生物及超分子体系的哌啶基团修饰的1，8-萘酰亚胺荧光探针［8］;有明显颜色变化并能检测有机体内Cr3+离子的1，8-萘酰亚胺荧光探针［9］;水溶液中Cu2+离子的比率［10］及比色探针［11］等。

本文以三氨乙基胺为三角架结构平台，对其三个侧链氨基进行修饰，以4-溴-1，8-萘二甲酸酐为原料，通过分步反应，在三氨乙基胺的三个氨基链上各引入一个4-吗啡啉基-1，8-萘二甲酸酐为荧光基团，制备得到三［(4-吗啡啉基)-1，8-萘二甲酰亚胺乙基］胺的三角架探针(1)。由于引入三个荧光基团，增强了分子发光性能。同时，氮、氧原子的引入增强了探针的配位和识别能力，可作为检测微量Al3+或Cr3+离子的荧光和比色探针。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Cary Eclipse 荧光分光光度计(美国Varian);TU1901 紫外-可见分光光度计(北京普析通用仪器公司);Vertex 70 FT-IR 红外光谱仪(德国Bruker);Nova-400 核磁共振波谱仪(Varian);LC/MSD质谱仪(美国Agilent);X-5 数字显示显微熔点测定仪(北京泰克仪器有限公司，温度未校正)。

1.2 探针1 的合成

探针1 的合成路线如图1 所示。

图1 探针1 的合成

N2保护下，在250 mL 的圆底烧瓶中，加入4-溴-1，8-萘二甲酸酐(8 g，28.87 mmol)，乙二醇甲醚100 mL，CuI(500 mg，2.625 mmol)，再加入吗啡啉(7.55 g，86.62 mmol)，回流搅拌反应7 h，反应结束后，抽滤，沉淀用氯仿溶解后过滤，滤液部分减压蒸馏，除去溶剂，粗产品柱层析分离(洗脱剂:乙酸乙酯/石油醚，v/v，5/2)得黄色中间体原料4-吗啡啉基-1，8-萘二甲酸酐5.91g，产率72.3%。

N2保护下，250 mL 三口烧瓶中加入4-吗啡啉基-1，8-萘二甲酸酐(2.32 g，8.208 mmol)和150 mL乙醇，溶解后，加入三氨乙基胺(400 mg，2.736 mmol)，加热回流反应5 h。减压蒸馏除去溶剂，粗产品柱层析分离(洗脱剂:氯仿/甲醇/三乙胺，v/v/v，80/4/1)得黄色探针1.55 g，产率60.2%。m.p.231～233 ℃;1H NMR (CDCl3，400 MHz)，δ(ppm):3.07(t，J=6.4 Hz，2H)，3.26(t，J=4.4 Hz，6H)，4.03(t，J=5.2 Hz，6H)，4.33(t，J=4.8 Hz，2H)，7.16(d，J=8 Hz，1H)，7.6(t，J=7.2 Hz，1H)，8.3(d，J=7.2 Hz，1H)，8.34(d，J=8 Hz，1H)，8.39 (d，J=8 Hz，1H);12C NMR(400 MHz，CDCl3)δ:164.23(C=O)，163.83(C=O)，155.15 (ArC)，132.22 (ArC)，130.90(ArC)，129.84 (ArC)，129.56 (ArC)，125.99(ArC)，125.64 (ArC)，123.44 (ArC)，117.43(ArC)，114.78 (ArC)，66.96 (OCH2)，53.40(NCH2)，51.75(NCH2)，37.90(NCH2);ESI-MS:m/z 942.5［M+H］+。

1.3 实验方法

在10.0 mL 容量瓶中加入探针1 的DMF 储备液(1.00×10－5mol·L－1，1 mL)，金属离子Al3+或Cr3+(2.00×10－4mol·L－1，1 mL)。用DMF 和H2O 及Tris-HCl 混合液定容，使测试溶液最终溶剂为DMF/H2O(v/v，3/2，Tris-HCl pH 6)。移入1 cm石英比色皿进行荧光光谱或紫外－可见吸收光谱测定。

2 结果与讨论

2.1 光谱性质

经溶剂选择和酸度影响测试，在DMF/H2O(v/v，3/2，Tris-HCl，pH 6)溶液中，以385 nm为激发波长，探针1(1.00×10－5mol·L－1)发射545 nm 波长的亮绿色强烈荧光，以硫酸奎宁为基准物质，测定并计算出探针1 的荧光量子产率为0.56。在上述探针溶液中，分别加入Al3+或Cr3+(2.00×10－4mol·L－1)后，探针1 的荧光显著降低，波长略有红移(图2a)，Al3+、Cr3+分别使探针1 的荧光降低82%和56%，其他实验金属离子Li+，Na+，K+，Mg2+，Ca2+，Ba2+，Sr2+，Hg2+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Cd2+，Pb2+，Ag+，Zn2+，Fe3+对探针1 溶液的荧光均无明显影响。在与上述相同溶液条件下测试紫外－可见吸收光谱，探针1 在387 nm 有吸收峰，分别加入Al3+、Cr3+后，使探针1 在387 nm 处吸收峰略有红移，吸光度增加约1.8 倍，溶液颜色由淡黄变为柠檬黄，其他上述实验金属离子的加入对探针1溶液的吸收信号均无明显改变(图2b)。表明探针1对Al3+、Cr3+具有荧光猝灭和比色增强识别性能。

相同测试条件下，探针1 检测Al3+、Cr3+的荧光强度在上述金属离子分别作为共存离子存在于1-Al3+或1-Cr3+配合物溶液中，当共存金属离子浓度与测试的Al3+或Cr3+离子相当时，对检测的荧光强度影响的相对偏差在5%以内，不干扰测定。虽然探针1 对Al3+、Cr3+都有识别作用，但作为共存离子时均不相互产生干扰，识别选择性很高。吸收光谱法的共存离子干扰实验与荧光法具有相同的结果。

图2 探针1(10 μmol·L -1)对金属离子(200 μmol·L -1)的荧光发射和吸收光谱

由荧光光谱滴定(图3a、b)的摩尔比及等摩尔连续变化法(图3 插图)测定并计算出探针1 分别与Al3+、Cr3+离子的配合作用比均为1∶1，由此计量比，经非线性拟合计算得Al3+、Cr3+对探针1 荧光猝灭常数分别为9.71×104、2.67×104L·mol－1。

图3 探针1(10 μmol·L -1)对Al3+、Cr3+的荧光滴定曲线

常见金属离子共存干扰测试显示，分别加入相对于探针1 浓度20 倍量的Al3+(或Cr3+)后，再分别加入与Al3+(或Cr3+)浓度相当的Li+，Na+，K+，Mg2+，Ca2+，Ba2+，Sr2+，Hg2+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Cd2+，Pb2+，Ag+，Zn2+，Fe3+离子共存时，探针1-Al3+(或1-Cr3+)配合物的荧光猝灭不受上述离子共存影响，识别选择性好。

2.2 分析参数

在DMF/H2O(v/v，3/2，Tris-HCl，pH 6)溶液中，以385 nm为荧光激发波长，548 nm为荧光发射波长，用探针1 测定Al3+浓度改变相应的荧光强度或吸光度变化;或以400 nm为最大吸收波长，测定Cr3+浓度改变时相应的探针1 溶液的荧光强度或吸光度变化，获得检测的浓度线性范围并计算出检测限见表1。

表1 探针1 检测Al3+、Cr3+的分析参数

2.3 样品测试

取自来水2.0 L，煮沸10 min，冷却，静置放置4 h，过滤，检测水样pH 值，浓缩为10 mL，冷却备用。移取1 mL 自来水样品于10 mL 容量瓶中，加入1 mL 探针1 (100 μmol·L－1)，按标准加入法依次分别加入0、0.2、0.4、0.6 mL 的Al3+或Cr3+(100 μmol·L－1)，用DMF/H2O/Tris-HCl 混合液定容，使溶液最终为DMF/H2O(v/v，3/2，pH 6)。以385 nm/548 nm为激发和发射波长测定荧光强度，平行测定3 次，结果见表2;以400 nm为最大吸收波长测定吸光度，平行测定3 次，结果见表3。测定具有很好的回收率。探针可用于水溶液中微量Al3+、Cr3+测定。

表2 探针1 荧光光谱标准加入法测定合成水样中微量Al3+、Cr3+

表3 探针1 吸收光谱标准加入法测定合成水样中微量Al3+、Cr3+

2.4 配合作用表征

在氯仿介质中，用KBr 压片法分别测定了探针1 及其配合物的IR 光谱(图4)，对比加入金属离子Al3+，Cr3+前后探针的红外谱图发现1731～1586 cm－1范围内的特征峰变化较大，在1720 cm－1处(C=O 的伸缩振动)吸收峰明显减弱，在1106 cm－1处(C—N 的伸缩振动)吸收峰明显增强，推测探针分子N、O 原子是与金属离子作用的位点。

图4 探针1 与Al3+、Cr3+作用的红外谱图

3 结果与讨论

合成了一种萘酰亚胺修饰的三角架型荧光探针，能够以荧光猝灭和吸收增强的方式实现对Al3+、Cr3+的识别。荧光法检测限低至10－8mol·L－1，灵敏度高，共存离子干扰小，选择好。对合成水样中微量Al3+、Cr3+的检测准确度高，探针的分析测试性能优越。

［1］Aminou Mohamadou，Christian Gerard，J erome Marrot.Syntheses，crystal structures，and properties of Ni(II)and Co(III)complexes derived from tripod polypyridine ligands containing N7or N6donor set atoms［J］.Polyhedron，2008，27(13):3036－3040.

［2］Zhaochao Xu，Xuhong Qian，Jingnan Cuia，et al.Exploiting the deprotonation mechanism for the design of ratiometric and colorimetric Zn2+fluorescent chemosensor with a large red－shift in emission［J］.Tetrahedron，2006，62(43):10117－10122.

［3］Surajit Ghosh，Lihi Adler-Abramovich，Ehud Gazit，et al.Spacer driven morphological twist in Phe-Phe dipeptide conjugates［J］.Tetrahedron，2013，69(8):2004－2009.

［4］Turfan B，Akkaya E U.Modulation of Boradiazaindacene Emission by Cation-Mediated Oxidative PET［J］.Org Lett，2002，4(13):2857－2859.

［5］A Coskun，E U Akkaya.Signal ratio amplification via modulation of resonance energy transfer:Proof of principle in an emission ratiometric Hg(II)sensor［J］.J Am Chem Soc，2006，128(45):14474－14475.

［6］Manuel A Palacios，Zhuo Wang，Victor A Montes，et al.Rational design of a minimal size sensor array for metal ion detection［J］.J Am Chem Soc，2008，130(31):10307－10314.

［7］Xie L，Cui J，Qian X H.5-Non-amino aromatic substituted naphthalimides as potential antitumor agents:Synthesis via Suzuki reaction，antiproliferative activity，and DNA-binding behavior［J］.Bioorganic ＆ Medicinal Chemistry，2011，19(2):961－967.

［8］Dawei Cui，Xuhong Qian，Fengyu Liu，et al.Novel fluorescent pH sensors based on intramolecular hydrogen bonding ability of naphthalimide［J］.Organic Letters，2004，6(16):2757－2760.

［9］Zhiguo Zhou，Mengxiao Yu，Hong Yang，et al.FRET-based sensor for imaging chromium(III)in living cells［J］.Chem Commun，2008:3387－3389.

［10］Xu Z C，Yoon J，Spring D R.A selective and ratiometric Cu2+fluorescent probe based on naphthalimide excimer-monomer switching［J］.Chemical Communications，2010，46:2563－2565.

［11］Wang H，Yang L，Zhang W，et al.A colorimetric probe for copper(II)ion based on 4-amino-1，8-naphthalimide［J］.Inorganica Chimica Acta，2012，381:111－116.