硫杂杯[4]荧光探针的离子识别及分子逻辑门研究

吴福勇，余 梅，牟 兰，曾 晞*，王瑞晓，大和武彦

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. Department of Applied Chemistry, Faculty of Science and Engineering, Saga University, Honjo-machi 1, Saga 840-8502, Japan

硫杂杯[4]荧光探针的离子识别及分子逻辑门研究

吴福勇1，余 梅1，牟 兰1，曾 晞1*，王瑞晓1，大和武彦2

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. Department of Applied Chemistry, Faculty of Science and Engineering, Saga University, Honjo-machi 1, Saga 840-8502, Japan

以硫杂杯[4]芳烃为母体，在其1,3-位连接羟乙基邻苯二甲酰亚胺，2,4-位以三氮唑为连接基，将苄基引入硫杂杯[4]芳烃的下沿，得到硫杂杯[4]-邻苯二甲酰亚胺衍生物荧光探针(s1)。探针s1发射强烈荧光，在CH3CN介质中的相对荧光量子产率为0.43。在DMF/H2O介质中，以310 nm为激发波长，Fe3+能选择性猝灭探针s1在390 nm处的荧光；在CH3CN介质中，以245 nm为激发波长，I-能选择性猝灭探针s1在310 nm处的荧光，光谱滴定和等温滴定量热均测出探针s1与Fe3+或与I-形成1∶1配合物，结合常数均达105。结合自由能表明配合为自发过程。荧光猝灭检测Fe3+和 I-的浓度线性范围分别为1.0×10-7～1.6×10-4mol·L-1和1.0×10-7～8.5×10-5mol·L-1，检测限分别为2.30×10-8mol·L-1和1.17×10-8mol·L-1。同时，利用识别和竞争配合作用，控制Fe3+和F-的输入使探针s1发射荧光或荧光猝灭，构建了分子水平上的逻辑电路。红外光谱推测探针s1分子中三氮唑基的氮原子参与了识别Fe3+的配位，而探针s1分子中三氮唑环上的芳氢与I-形成氢键而实现识别。

1,3-交替硫杂杯[4]芳烃；荧光探针；分子逻辑门；Fe3+；I-

引 言

近年来，由于桥联硫原子的引入，硫杂杯[4]芳烃衍生物作为荧光探针显示了比经典杯芳烃对软、硬金属离子更好的识别性能[1-5]，但在响应的专属性、识别的多功能性及条件应用的广泛性等方面存在很多值得研究的空间，特别是能同时检测阴、阳离子的研究报道相对较少。分子逻辑门作为分子器件之一，具有尺寸小、设计合成可控、存储量大、反应速度快、人工智能等优点[6]。利用探针对不同离子的选择性识别导致的光开关效应，通过简单的分子/离子信号传输，在分子水平构建有效逻辑电路，可运用于微处理器电子储存[7]、分子键盘锁[8]、分子交通信号逻辑电路[9]等。Tomiyasu等[10]报道了1,3-交替硫杂杯[4]芳烃冠醚连接芘的探针，通过变构结合选择性识别K+，Cl-，Br-；Kumar等[11]合成了系列含萘基团的1,3-交替硫杂杯[4]芳烃作为CN-比率荧光探针，并与Fe3+形成互斥或非逻辑门(XNOR Gate)；Sharma等[12]合成的1,3-交替荧光素硫杂杯[4]芳烃，在乙腈-水溶液中为CN-的荧光增强型探针，并与Cu2+组成时序逻辑电路(Sequential Logic Circuit)。作为重要的生命相关离子，Fe3+和I-在不同生理过程及环境中都起着重要作用[13, 14]，因此设计结构新颖，性能优越，能同时检测微量Fe3+和I-的荧光探针在生命科学研究中有应用前景。

以硫杂杯[4]芳烃为结构平台，利用三步反应分别对杯芳烃上、下沿进行修饰，得到含三唑环的硫杂杯[4]-邻苯二甲酰亚胺衍生物探针s1。探针s1在DMF/H2O的中性介质或CH3CN中能检测微量Fe3+和I-，识别选择性好、检测灵敏度高。同时，控制Fe3+和F-输入，构建了以探针荧光为输出信号的隐示门分子逻辑电路(Imply Gate)。显示了硫杂杯[4]芳烃类荧光探针在离子识别检测和分子器件研究中潜在的价值。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Cary Eclipse荧光分光光度计(美国Varian)；Nova-400核磁共振波谱仪(美国Varian)；JEOL ECX-500核磁共振谱仪(日本电子株式会社)；LC/MSD质谱仪(美国Agilent)；Vertex 70 FTIR红外光谱仪(德国Bruker)；Nano等温量热滴定仪(美国TA)；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s1的合成

以硫杂杯[4]芳烃为原料，在1,3-位的两个酚羟基上引入羟乙基邻苯二甲酰亚胺得到中间体a；碳酸铯存在下，再将a与溴丙炔作用，得到1,3-交替硫杂杯[4]芳烃b；以碘化亚铜作催化剂将中间体b与叠氮化苄反应，得到目标探针s1。合成路线如Scheme 1。

Scheme 1 Synthesis of probe s1

N2保护下，50 mL圆底烧瓶中分别加入硫杂杯[4]芳烃(721 mg，1.00 mmol)，羟乙基邻苯二甲酰亚胺(1.75 g，8.57 mmol)，三苯基膦(800 mg，3.05 mmol)及20 mL四氢呋喃(THF)，冰浴下搅拌缓慢滴加偶氮二甲酸二乙酯(531 mg，3.05 mmol)，而后室温搅拌反应，TLC检测反应进程(乙酸乙酯/正己烷=1/4，φ)，直至硫杂杯[4]芳烃反应完毕。蒸除溶剂，趁热加入热甲醇，冷却后析出大量白色固体，柱层析分离(二氯甲烷过柱)得748 mg白色固体中间体a，产率70%。m.p. 288～290 ℃;1H NMR(500 MHz, CDCl3)δ(ppm): 7.830～7.840(m, 2H, ArH), 7.560～7.577(m, 2H, ArH), 7.487(s, 2H, ArH), 7.264(d, 2H, J=7.5Hz, -OH), 6.828(s, 2H, ArH), 4.880(t, 2H, J=6.0Hz, —OCH2-), 4.457(t, 2H, J=5.5 Hz, —NCH2-), 1.284[s, 9H, C(CH3)3], 0.738[s, 9H, C(CH3)3]; IR(KBr, cm-1)ν: 2 961, 1 775, 1 716, 1 445, 1 392, 1 242, 1 168, 1 008, 721, 530; ESI-MS：m/z1 067.10 [M+H]+。

在500 mL三口烧瓶中，加入中间体a(5.0 g，4.7 mmol)、300 mL丙酮，加热溶解，再加入Cs2CO3(9.2 g，28.2 mmol)，加热回流1 h。降至室温后再加入溴代丙炔(6 g，47 mmol)，N2保护下回流反应24 h，反应过程用TLC监测直至中间体a反应完毕。蒸除溶剂，用2 mol·L-1HCl酸化至pH为2～3，CHCl3(3×60 mL)萃取，依次用蒸馏水(3×50 mL)、50 mL饱和NaHCO3溶液及50 mL饱和NaCl溶液洗涤，无水MgSO4干燥。次日过滤，蒸除CHCl3得白色固体中间体b 4.78g，产率为89%。m.p. 268～270 ℃;1H NMR(500 MHz, CDC13),δ(ppm): 7.89～7.87(m, 2H, ArH), 7.76(s, 2H, ArH), 7.74～7.72(m, 2H, ArH), 7.57(s, 2H, ArH), 4.70(d, 2H, J=2Hz, —OCH2-), 3.97 (t, 2H, J=8Hz, —OCH2-), 3.72(t, 2H, J=6.8Hz, —NCH2-), 2.4(s, 1H, —C≡CH), 1.34[s, 9H, C(CH3)3], 1.27[s, 9H, C(CH3)3]; IR(KBr, cm-1)ν: 3 320, 2 960, 2 126, 1 718, 1 439, 1 393, 1 266, 1 087, 1 022, 877, 718; ESI-MS:m/z1 165.30 [M+Na]+。

在100 mL三口烧瓶中，加入中间体b(200 mg, 0.176 mmol)、50 mL四氢呋喃/水(φ，4/1)，搅拌使其溶解，再加入20 mg碘化亚铜，最后加入叠氮化苄(74 mg，0.704 mmol)，N2保护下于50 ℃反应12 h，反应过程用TLC监测直至中间体b反应完毕。降至室温，过滤，旋除THF，用CHCl3萃取，无水Na2SO4干燥。次日，过滤，蒸除溶剂，硅胶柱层析，展开剂为：石油醚/乙酸乙酯(2/1，φ)。得淡黄色固体探针s1 178 mg，产率72%。m.p.253～257 ℃;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ(ppm): 7.87～7.85(m, 2H, ArH), 7.72～7.69(m, 4H, ArH), 7.38～7.33(m, 5H, ArH), 7.23(s, 2H, ArH), 7.09(s, 1H, ArH), 5.58(s, 2H, —OCH2Ar), 5.06(s, 2H, ArCH2Ar), 4.14(t, 2H, J=7.2Hz, —OCH2-), 3.77(t, 2H, J=7.2Hz, —NCH2-), 1.33[s, 9H, C(CH3)3], 0.98[s, 9H, C(CH3)3]; IR(KBr, cm-1)ν: 2 958, 1 775, 1 717, 1 436, 1 390, 1 266, 1 085, 1 020, 878, 719, 533; ESI-MS：m/z1 409.30 [M+H]+。

1.3 方法

1.3.1 溶液配制

探针s1储备液用DMF溶解，配制1.00×10-4mol·L-1浓度用于金属离子测定；或用CH3CN溶解，配成相同浓度用于阴离子测定。Fe3+储备液(2.00×10-3mol·L-1)：称取80.8 mg的Fe(NO3)3·9H2O用DMF溶解，配制成100 mL溶液。其他金属离子配制方法相同。I-储备液(2.00×10-3mol·L-1)：称取73.9 mg的四丁基碘化铵用CH3CN溶解，配制成100 mL溶液。其他阴离子配制方法相同。Tris-HCl 缓冲溶液(2.00×10-3mol·L-1，pH 7)：用0.02 mol·L-1的Tris和适量的HCl，调节pH值。

1.3.2 光谱测量

在10.0 mL容量瓶中依次加入探针s1(1.00×10-4mol·L-1，DMF，1 mL)，Fe3+(2.00×10-3mol·L-1，1 mL)或其他金属离子，Tris-HCl缓冲溶液(2.00×10-3mol·L-1，1 mL)，用DMF/H2O(φ，9/1)稀释至刻度。测量荧光光谱，激发/发射波长为310/390 nm；在10.0 mL容量瓶中依次加入探针s1(1.00×10-4mol·L-1，CH3CN，1 mL)，I-(2.00×10-3mol·L-1，1 mL)或其阴离子，用CH3CN稀释至刻度，测量荧光光谱，激发/发射波长为245/310 nm。

1.3.3 等温滴定量热测定

取1.0 mL探针s1溶液(1.00×10-4mol·L-1，DMF)注入量热滴定池，将Fe3+溶液(1.00×10-3mol·L-1，DMF)装入250 μL滴定注射器，恒温至298.15 K，以250 r·min-1速率搅拌，间隔180 s，连续滴加6 μL Fe3+到量热池中，至滴定达平衡。以DMF作为参比，扣除稀释热影响。I-滴定操作步骤同上，溶剂为CH3CN。

2 结果与讨论

2.1 光谱性质

在上述光谱测试条件下，分别用Fe3+或I-对探针s1(1.00×10-5mol·L-1)进行荧光光谱滴定，通过摩尔比和Job 法分别推测出探针s1与Fe3+、探针s1与I-的配合比均为1∶1。计算得Fe3+或I-与探针s1的结合常数分别为2.32×105L·mol-1和5.71×105L·mol-1。利用荧光猝灭效应，探针s1检测Fe3+和I-的浓度线性范围分别为1.0×10-7～1.6×10-4mol·L-1(R=0.992 3，n=11)和1.0×10-7～8.5×10-5mol·L-1(R=0.998 9，n=10)；检测限分别为2.30×10-8mol·L-1和1.17×10-8mol·L1，分析性能好。

相同条件下，分别考察了共存离子对探针s1识别Fe3+或I-的干扰。在探针s1-Fe3+配合物溶液中分别加入与Fe3+(2.00×10-4mol·L-1)浓度相同量的上述金属离子作为共存离子，除Cu2+对探针s1-Fe3+配合物荧光强度有微弱影响外，其他共存离子对s1-Fe3+配合物荧光强度影响的相对标准偏差小于5%[图2(a)]。同样，探针s1-I-配合物溶液中分别加入与I-(2.00×10-4mol·L-1)浓度相同量的上述阴离子作为共存离子，对探针s1-I-配合物的荧光强度影响的相对标准偏差小于5%[图2(b)]。探针s1对特定离子识别的选择性高。

Fig.2 Effect of coexisting metal ions to probe s1-Fe3+complex (a) and coexisting anions to probe s1-I-complex (b)

在不同温度下测定不同浓度Fe3+或I-对探针s1荧光强度的猝灭，根据文献方法[15]对曲线拟合，由静态猝灭方程得到不同温度下的kSV(Stern-Volmer猝灭常数)和kq(猝灭速率常数)，结果见表1。猝灭曲线斜率均随温度升高而降低，根据kSV值求出的kq值均远大于2.0×1010L·moL-1，推测探针s1与Fe3+或I-的猝灭过程均为静态猝灭。

Table 1 Interaction Sterm-Volmer quenching constant, quenching rate constants of probe s1 with Fe3+or I-at different temperatures

IonT/KrkSV×105/(L·mol-1)kq×1013/(L·mol-1·s-1)Fe3+298.15313.150.99650.99760.110.0640.110.064I-298.15313.150.99690.99811.020.611.020.61

2.2 分子逻辑门

利用Fe3+使探针s1荧光猝灭，F-能将探针s1-Fe3+配合物中Fe3+络合而释放出探针s1，使其荧光恢复的光谱现象，以探针s1(1×10-5mol·L-1，DMF/H2O，φ，9/1，pH 7)溶液为起始状态，Fe3+(2×10-4mol·L-1)，F-(6×10-4mol·L-1)为两个输入信号(Input1和Input2)，荧光为输出信号(Output)，构建了隐示门逻辑电路。无离子输入时(0，0)，探针发射强荧光，输出为1；只有F-输入(0，1)，探针不与F-作用，仍发射强荧光，输出为1；Fe3+和F-同时输入(1，1)，Fe3+与F-络合，游离的探针仍然发射强荧光，输出为1；而只有Fe3+输入(1，0)，因Fe3+与探针络合而猝灭探针荧光，输出信号为0。图3给出了该体系在四种不同条件下的荧光发射光谱，表2是各体系逻辑门对应的真值表。

Fig.3 Fluorescence spectra of probe s1 (1.00×10-5mol·L-1, DMF/H2O,φ, 9/1, pH 7) with Fe3+and/or the presence of F-. Inset is implying gate logic circuit

Table 2 Truth Table for memory unit for two input signals, where 1 and 0 indicate on and off signal of probe s1

Input1(Fe3+)Input2(F-)Output(Fluo)Ⅰ001(high)Ⅱ011(high)Ⅲ100(low)Ⅳ111(high)

2.3 配合作用的表征

用等温量热滴定(ITC)测定了探针与离子配合作用的热力学参数。分别在DMF和CH3CN溶剂中测得探针s1与Fe3+[图4(a)]、与I-作用[图4(c)]的ITC曲线，结合反应热对探针s1与Fe3+[图4(b)]、或与I-[图4(d)]的摩尔比的非线性拟合曲线。探针s1与Fe3+的配合反应为吸热反应，随Fe3+浓度逐渐增大而达平衡；探针s1与I-的结合随I-浓度逐渐增大由放热变为吸热后趋于平衡。拟合计算出探针s1与Fe3+和I-的结合作用常数Kα、作用位点数n、摩尔结合焓ΔH°、摩尔结合熵ΔS°及摩尔结合自由能ΔG°(表3)，表明配合反应自发进行。配位比及结合常数与光谱检测结果相互吻合。

Fig.4 Isothermal titration calorimetry profile (a), (c) and non-linear curve fitting (b), (d) for the binding of probe s1 to Fe3+or I-

Table 3 Complex stability constant (Kα), enthalpy (ΔH°), entropy change (TΔS°) and free energy (ΔG°) for the complexation of probe s1 with Fe3+ or I- in DMF or CH3CN solution at 298.15 K, respectively

3 结 论

研究了一种含三氮唑基的硫杂杯[4]-邻苯二甲酰亚胺荧光探针s1，具有如下优势：(1)在不同溶剂介质中，分别与Fe3+或I-形成1∶1的稳定配合物而实现荧光猝灭识别，实现了同一探针对特定阴、阳离子的同时识别；(2)在中性水溶性介质中对微量Fe3+的识别有别于大多数杯芳烃探针只能在有机介质中识别金属离子的性能，其应用性能更好；(3)虽为荧光猝灭方式识别，但检测Fe3+和I-的浓度线性范围分别达3个和2个数量级，检测限均低至10-8mol·L-1，且共存离子干扰极小，分析性能优越；(4)利用探针及F-对Fe3+竞争配合作用，以探针的荧光发射为输出信号，Fe3+和F-为输入信号，在分子水平构建了简单而有效的逻辑电路，探索了探针在分子器件领域的应用。

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[15] Ma Gui-bing, Gao fei, Ren Bing-zhi, et al. Acta Chimica Sinica, 1995, 53(12)：1193.

*Corresponding author

The Ion Identification and Molecular Logic Gate of a Thiacalix[4]arene Fluorescent Probe

WU Fu-yong1, YU Mei1, MU Lan1, ZENG Xi1*, WANG Rui-xiao1, Takehiko Yamato2

1. Key Laboratory of Macrocyclic and Supramolecular Chemistry of Guizhou Province, Guizhou University, Guiyang 550025, China

2. Department of Applied Chemistry, Faculty of Science and Engineering, Saga University, Honjo-machi 1, Saga 840-8502, Japan

A disubstituted phthalimide-based thiacalix[4] arene derivative (probe s1) was synthesized from cone 1,3-thiacalix[4] arene and hydroxyethyl phthalimide, with benzyl appended the lower edge of thiacalix[4]-arene by triazole ring in the 2,4 position. The relative fluorescence quantum yield of probe s1 is 0.43 in CH3CN solvent. The strong fluorescence emission of probe s1 at 390 nm wavelength can be selectively quenched by Fe3+in DMF/H2O solution. Similarly, the presence of I-also induced a significant fluorescence quenching of probe s1 at 310 nm wavelength in CH3CN solution. Spectral titration and isothermal titration calorimetry were showed that probe s1 with Fe3+or I-both form 1∶1 complexes, the binding constants up to 105and coordinate process were spontaneous. The linear ranges of fluorescence detect Fe3+or I-were 1.0×10-7～1.6×10-4mol·L-1and 1.0×10-7～8.5×10-5mol·L-1, detection limits were up to 2.30×10-8mol·L-1and 1.17×10-8mol·L-1, respectively. Meanwhile, take advantage of identification and coordination action, a logic circuit constructed at the molecular level by controlling two input signals of Fe3+and F-, which causing probe s1 cycling of fluorescence emission or quenching. IR spectrum speculated that the nitrogen atoms of triazole groups are involved in the complexation with Fe3+, while the hydrogen atoms of triazole groups were complexed with I-by hydrogen bonding.

Thiacalix[4] arene derivatives; Fluorescent probe; Molecular logic gata; Fe3+; I-

Sep. 19, 2014; accepted Dec. 19, 2014)

2014-09-19，

2014-12-19

国家自然科学基金项目(21165006)，教育部“春晖计划”项目(Z2012053)和贵州省国际合作项目(20137002)资助

吴福勇，1987年生，贵州大学化学与化工学院硕士研究生 e-mail: wufuyong1987@sina.com *通讯联系人 e-mail: sci.lmou@gzu.edu.cn

O657

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)01-0157-06