3，5-二氯水杨醛缩罗丹明B酰腙的合成及对Cu2+高选择性识别

冯泳兰　方敬贤　刘超　伍徐孟　许猛　蒋伍玖　庾江喜　谭宇星　邝代治(衡阳师范学院化学与材料科学学院，功能金属有机材料湖南省普通高等学校重点实验室，衡阳4008)(湘南学院化学与生命科学系，郴州43043)

3，5-二氯水杨醛缩罗丹明B酰腙的合成及对Cu2+高选择性识别

冯泳兰＊,1方敬贤1刘超1伍徐孟2许猛1蒋伍玖1庾江喜1谭宇星1邝代治1
(1衡阳师范学院化学与材料科学学院，功能金属有机材料湖南省普通高等学校重点实验室，衡阳421008)
(2湘南学院化学与生命科学系，郴州423043)

设计合成了一种可逆的Cu2+比色探针3，5-二氯水杨醛缩罗丹明B酰腙(L)，采用IR、1H NMR、13C NMR、元素分析和X射线单晶衍射对其结构进行了表征。利用紫外-可见吸收光谱考察了探针对金属离子的识别性能，实验结果表明，探针L在乙腈/乌洛托品(pH 5.6)缓冲体系中，当加入Cu2+后，溶液从无色变为玫瑰红色，而加入其它金属离子，溶液颜色几乎无变化，可实现3，5-二氯水杨醛缩罗丹明B酰腙探针对Cu2+高灵敏、专一显色响应，最低检测限达到了9.30×10-8mol·L-1。

3，5-二氯水杨醛缩罗丹明B酰腙；晶体结构；铜离子；识别

铜及其化合物和合金广泛应用于工业、农业、国防和医药，铜也是人体内一种非常重要的微量元素[1-2]，但生命体内超量的铜有害[3-5]，影响人类的健康和动植物的繁衍生存。随着科技的进步，工业化进程的推进，铜又造成对环境严重的重金属污染，检测环境中铜离子含量已成为环境检测中的一项重要指标；因此，建立对环境中铜离子简便、快速、准确地监测方法具有十分重要的现实意义，一直也是化学工作者高度关注的领域。检测铜离子的方法主要有电化学分析法[6]、电感耦合等离子体质谱法[7]、原子吸收光谱法[8]、荧光光谱法[9]、分光光度法[10]等。在众多检测铜离子方法中，因分光光度法仪器廉价、操作简便、分析快速和成本低等特点受到分析工作者的青睐[11]。

罗丹明B衍生物具有良好的水溶性，吸收波长位于可见光区，摩尔吸光系数大，是一种良好的金属离子探针的发色团，当罗丹明衍生物中加入重金属离子时，能从闭环内酰胺状态转变为开环酰胺状态，导致溶液颜色的改变，实现对金属离子的可视检测[12-13]。表1列出了紫外可见光度法中环境保护行业标准(HJ 485-2009，HJ 486-2009)和罗丹明衍生物用于环境水中测定铜的方法。

表1不同试剂用于环境水中Cu2+测定结果(紫外可见光度法)Table 1 Different reagents for the measurement results for Cu2+in environmental water(UV-Visible spectroscopy)

1实验部分

1.1仪器和试剂

IR用日本岛津Prestige-21红外光谱仪(4 000～400 cm-1，KBr压片)测定；1H和13C NMR用瑞士Bruker AVANCE-400核磁共振仪(TMS内标)测定；元素分析用美国PE-2400(Ⅱ)元素分析仪测定；晶体结构用Bruker SMART APEXⅡCCD单晶衍射仪测定；紫外-可见光谱用日本岛津UV-2550光谱仪测定；酸度用上海雷磁PHS-3C酸度计测定；熔点用北京泰克X-4双目体视显微熔点测定仪测定(温度计未经校正)。

硝酸、盐酸为优级纯，金属或金属离子试剂均为高纯试剂，乙腈为色谱纯，其他试剂为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

1.2合成

图1探针L的合成线路图Fig.1 Synthesis of Probe L

1.2.1罗丹明B酰肼的合成

[18-19]方法，在250 mL三口烧瓶中，加入9.58 g(10 mmol)罗丹明B和120 mL乙醇，混匀后，滴加24 mL一水合肼，搅拌回流2 h。反应完成后，旋转蒸发部分溶剂，用1 mol·L-1的NaOH溶液调节溶液pH值为9～10，析出红色固体，抽滤，用少量蒸馏水洗涤，干燥，得桃红色粉末6.94 g，产率76%。m.p.296～297℃(dec)。元素分析(C28H34N4O2)实测值(计算值)%：C，72.99(73.33)；H，7.51(7.47)；N，12.76(12.22)。IR(KBr，cm-1)：2 972(w)，2 365(w)，1 693 (m)，1 612(s)，1 547(m)，1 513(vs)，1 467(m)，1 426 (m)，1 398(w)，1 374(w)，1 358(m)，1 327(w)，1 302(w)，1 216(s)，1 116(vs)，818(m)，786(m)，757(m)，698(m)。1H NMR(CDCl3，400 MHz):δ 7.93(m，1H，Ar-H)，7.48 (m，2H，Ar-H)，7.10(m，1H，Ar-H)，6.45(t，J=8.4 Hz，2H，Xanthene-H)，6.42(s，2H，Xanthene-H)，6.30(d，J= 8.0 Hz，2H，Xanthene-H)，3.61(s，2H，N H2)，3.45(m，8H，N(C H2CH3)2)，1.17(t，J=8.5 Hz，12H，N(CH2C H3)2)。13C NMR(CDCl3，100 MHz):δ 166.09，153.88，151.57，148.96，132.41，130.09，128.06，128.01，123.81，122.9 4，108.18，104.87，98.12，66.00，44.43，12.60。

1.2.23，5-二氯水杨醛缩罗丹明B酰肼的合成

在50 mL圆底烧瓶中，加入0.457 g(1 mmol)罗丹明B酰肼、0.191 g(1 mmol)3，5-二氯水杨醛、25 mL无水乙醇，搅拌回流8 h，待反应完成后，旋转蒸发溶剂，析出固体，用甲醇重结晶。得到淡黄色晶体0.453 g，产率72%。m.p.203～206℃。元素分析(C35H34Cl2N4O3)实测值(计算值)%：C，66.71(66.77)；H，5.49(5.44)；N，8.99(8.90)。IR(KBr，cm-1)：3 358(m)，2 965(m)，2 872(m)，2 358(m)，1 708(m)，1 651(w)，1 515(w)，1 429(m)，1 377(m)，1 238(w)，1 134(s)，1 091 (s)，1 047(vs)，995(s)，880(m)，808(m)，661(m)。1H NMR (CDCl3，400 MHz):δ 11.47(s，1H，phen-O H)，8.82(s，1H，N=C-H)，7.98(d，J=7.2 Hz，1H，Ar-H)，7.54～7.48 (m，2H，Ar-H)，7.14(d，J=7.2 Hz，1H，Ar-H)，7.24(s，1H，phen-H)，6.94(s,1H,phen-H)，6.47(d，J=8.4 Hz，2H,Xanthene-H),6.47(s,2H，Xanthene-H),6.26(d，J=8.8 Hz,2H,Xanthene-H),3.33(q,J=7.2 Hz,8H,-N(C H2CH3)2), 1.16(t,J=7.2 Hz,12H,-N(CH2C H3)2)。13C NMR(CDCl3, 100 MHz):δ 164.48，153.29，152.92，151.35，149.23，148.91,133.78,130.56，128.84，128.75，128.55，127.87, 124.06，123.46，123.17，122.30，120.32,108.33,104.87, 98.23，66.28，44.33，12.56。

1.3晶体结构测定

选取尺寸为0.20 mm×0.20 mm×0.18 mm的探针L晶体，在Bruker SMART APEXⅡCCD单晶衍射仪上，采用经石墨单色化的Mo Kα射线(λ= 0.071 073 nm)，以φ～ω扫描方式收集衍射数据。化合物L在1.82°～25.10°范围内共收集16 347个衍射点，其中独立衍射点5 641个(Rint=0.025 2)，用于结构精修的可观察衍射点4 585个(I＞2σ(I))。全部数据经Lp因子和多重扫描吸收校正。晶体结构由直接法解出，全部非氢原子坐标在随后的差值傅立叶合成中陆续确定。对非氢原子坐标及其各向异性热参数用SHELXL[20]进行全矩阵最小二乘法修正至收敛。氢原子为理论加氢并采用“跨式(riding model)模型”进行修正。

CCDC：1053264，L。

1.4溶液的配制及样品的前处理

探针L储备液(1 mmol·L-1)：称取0.031 5 g探针L，用DMF溶解，定容至50 mL。

乙腈-乌洛托品缓冲溶液(约0.05 mol·L-1)：称取0.7 g乌洛托品，用水稀释至约50 mL，用浓盐酸调pH值至5.6，再加入50 mL乙腈混匀(该溶液现用现配)。

Cu2+标准液(1 mmol·L-1)：称取0.124 8 g CuSO4· 5H2O溶解于水中，并稀释至500 mL。

其它金属离子溶液(1 mmol·L-1)：Hg2+为汞单质经硝酸溶解配置，Sm3+为Sm2O3经盐酸溶解配置，Ca2+为CaCO3经盐酸溶解配置，Mn2+、Fe2+为硫酸盐配置，其余均为硝酸盐或氯化物配置。

样品处理：湘江水样品取自衡阳市湘江东洲岛段，水样经普通抽滤，再经0.45 μm水系滤膜过滤，冷藏备用；自来水样品经0.45 μm水系滤膜过滤，冷藏备用。

1.5测定方法

探针L对金属离子的识别测定：于10 mL比色管中依次加入100 μL 1 mmol·L-1探针L、100 μL 1 mmol·L-1不同金属离子标准液，用乙腈-乌洛托品缓冲溶液定容至5 mL，摇匀，放置10 min后，用1 cm石英比色皿，扫描吸收光谱(450～700 nm)。

样品测定：在10 mL比色管中依次加入50 μL 1 mmol·L-1探针L、不同浓度的样品溶液，用乙腈-乌洛托品缓冲溶液定容至5 mL，摇匀，放置10 min后，用1 cm石英比色皿，于560 nm处，测定其吸光值。

2　结果与讨论

2.1探针L的晶体结构分析

探针L的晶体学数据见表2，化合物的分子结构如图2所示，从图中可以看出C15、C13、C8、C14、N3原子组成五元杂环，说明探针L是以闭合螺环的形式存在；3，5-二氯水杨醛酚羟基氧原子O3与Schiff碱部分中C=N双键中的N4原子形成分子内氢键，形成一个由N4、C7、C1、C2、O3组成的六元环结构，此六元环与3，5-二氯水杨醛基苯环共平面，且与氧蒽杂环接近垂直。

图2探针L的分子结构图(椭球率30%)Fig.2 Molecular structure of probe L with 30% probability ellipsoids

2.2紫外-可见光谱实验条件的选择

实验考察了溶剂体系、pH值及响应时间对探针L识别Cu2+的影响。在乙腈含量20%～80%(体积分数)范围内，探针L对Cu2+产生较为稳定的吸收增强响应，因此实验选择乙腈与缓冲溶液体积比为1∶1进行测试。由图3可知，在560 nm处，探针L在pH=3左右存在较弱吸收，在pH＞5无明显吸收；当加入Cu2+后，探针L在560 nm处的吸收显著增强，且在pH=5～6吸收增强最大，因此选择pH 5.6(乌洛托品-盐酸缓冲体系)为最优pH值。在乙腈-乌洛托品(体积比1∶1)溶液中，测试了探针L(10 μmol·L-1)对Cu2+的响应时间，如图4所示，探针L识别Cu2+的过程在5 min后达到稳定；因此，在紫外-可见光谱法研究中，实验选择乙腈-乌洛托品(体积比1∶1)为溶剂体系，加入金属离子10 min后记录光谱数据。

图3不同pH值下探针L对Cu2+的识别(560 nm处吸收)Fig.3 Recognition of Cu2+by L under different pH values (absorbance at 560 nm)

表2探针L的晶体学数据Table 2 Crystallographic data of probe L

图4时间对探针L识别Cu2+的影响(560 nm处吸收)Fig.4 Time dependent absorbance changes of L with Cu2+(absorbance at 560 nm)

2.3探针L对Cu2+的选择性识别

在20 μmol·L-1探针L的乙腈-乌洛托品(体积比1∶1)溶液中分别加入20 μmol·L-1的不同金属离子，扫描其吸收光谱，结果如图5所示。结果表明：当未加金属离子时，探针L基本为无色；当加入Cu2+后，探针L显玫瑰红色，在560 nm处吸光度明显增强；当加入其他金属离子如：Na+，K+，Mg2+，Ba2+，Al3+，Ag+，Zn2+，Cd2+，Hg2+，Fe2+，Mn2+，Co2+，Ni2+，Cr3+，Pb2+，Sm3+，探针L均无明显响应。

共存离子的影响是探针识别重要性质之一，我们研究了金属离子共存下，探针L对Cu2+的识别，结果显示，当其他金属离子加入到探针L的乙腈-乌洛托品(体积比1∶1)溶液中时，不会产生明显的吸收峰及颜色变化，但是再向该体系中加入Cu2+后，在560 nm处，吸光度明显增强，溶液颜色也由无色变为玫瑰红色。这表明在共存离子干扰存在下，探针L对Cu2+的识别具有很强的抗干扰能力，是一个高选择性的Cu2+比色探针。

图5探针L(20 μmol·L-1)中加入不同金属离子(20 μmol·L-1)的紫外-可见吸收光谱Fig.5 Absorption spectra of probe L(20 μmol·L-1)upon addition of various metal ions(20 μmol·L-1)

2.4探针L与Cu2+的结合机理分析

Cu2+离子对探针L的紫外-可见吸收光谱滴定如图6所示。当不加Cu2+时，探针L主要以螺环形式存在，溶液无色；随着Cu2+的加入，吸光度在560 nm处逐渐增强，证明探针L分子明显发生了开环，溶液颜色也从无色变为玫瑰红色，裸眼能定性分辨出溶液中是否含有Cu2+。

由图6内插图(a)可以看出，在对探针L滴定中，Cu2+在与L等量时达到饱和吸光度，推测其配位比1∶1。为进一步确定探针L与Cu2+的结合比，进行了等物质的量连续变化(Job′s plot)法实验。如图7所示，在固定探针L与Cu2+总浓度为10 μmol·L-1条件下，测得探针L与Cu2+在物质的量之比为0.5处出现最大吸收值，表明探针L与Cu2+的结合比为1∶1，探针L与Cu2+的结合常数Ka可由Benesi-Hildebrand方程[21-22]确定：

式中A0和A分别为加入Cu2+前后体系的吸光度，Amax为加入过量Cu2+时L的饱和吸光度。如图6内插图(b)所示，1/(A-A0)与1/cCu存在良好的线性关系，线性系数r=0.999 5，这进一步表明探针L与Cu2+的结合比为1∶1，由拟合曲线的截距与斜率的比值计算得出结合常数Ka=2.86×104L·mol-1。

图6乙腈-乌洛托品(1∶1,V/V)溶液中Cu2+对探针L (10 μmol·L-1)的紫外-可见光谱滴定Fig.6 UV-Vis spectra changes of probe L(10 μmol·L-1) upon the addition of different amounts of Cu2+in acetonitrile-methenam ine(1∶1,V/V)

图7探针L与Cu2+作用的Job曲线(cCu+cL=10 μmol·L-1)Fig.7 Job′s plot of L with Cu2+(cCu+cL=10 μmol·L-1)

2.5探针L对Cu2+的可逆性实验

实际应用中，探针重复使用十分重要，可逆性试验是推断探针与金属离子反应模式的一种重要方法。如图8所示，在探针L(10 μmol·L-1)的乙腈-乌洛托品(体积比1∶1)溶液中加入等量Cu2+(10 μmol·L-1)后，在560 nm附近产生强的吸收谱带；当加入等量EDTA(乙二胺四乙酸二钠)后，吸收强度明显减弱；当体系中再加入等量的Cu2+时，在560 nm附近吸收谱带再次恢复，溶液又呈玫瑰红色，如此循环3次后，探针L的显色略有下降，但是灵敏度依然较高。实验研究表明，探针L对Cu2+的识别过程是一可逆过程，结合文献[12,17,23-26]的报道，推测其识别过程：探针L的羰基氧原子以及羟基与Cu2+发生配位，并诱导螺内酰胺开环，当加入EDTA后，Cu2+与EDTA配合并导致探针L螺内酰胺闭环，如图9所示。

图8探针L(10 μmol·L-1)中循环加入Cu2+和EDTA的紫外-可见吸收光谱Fig.8 Absorbance spectra of probe L(10 μmol·L-1) alternating upon addition of Cu2+and EDTA cycles

图9探针L对Cu2+的识别机理Fig.9 Mechanism of probe L recognizing Cu2+

2.6线性范围与检出限

图10探针L测定Cu2+的工作曲线Fig.10 Working curve of probe L determining Cu2+

探针L测定Cu2+的工作曲线如图10所示，当Cu2+浓度在5×10-7～1×10-5mol·L-1范围时，其线性方程为A=0.103 1[cCu/(μmol·L-1)]，r=0.998 9；测定11次探针空白，得标准偏差S=3.21×10-3，以3倍标准偏差计算得检出限为9.3×10-8mol·L-1。

2.7样品测定

分别取湘江水和自来水样品进行加标回收实验(n=11)，平均回收率为99.5%～104.8%和100.2%，相对标准偏差(RSD)分别为1.78%～6.34%和1.30%。因此方法具有较好的准确性和精密度，可用于水体中Cu2+含量的测定。

表3样品分析结果Table 3 Determ ination of Cu2+in sam ples

3　结论

合成了3，5-二氯水杨醛缩罗丹明B酰肼新探针(L)，利用紫外-可见光谱法可实现对水体中Cu2+的检测。探针对Cu2+的检出限为9.3×10-8mol·L-1，当Cu2+存在时，溶液颜色从无色变为玫红色，能实现裸眼定性识别环境水样中Cu2+。本方法识别Cu2+具有高选择性，常见金属离子对检测无干扰。建立识别的新方法成功应用于湘江水及自来水中Cu2+的检测，回收率在99.5%～104.8%之间，方法简便、快捷、实用。

参考文献：

[1]Uauy R,Olivares M,Gonzalez M.Am.J.Clin.Nutr.,1998, 67:952-959

[2]Blair B G,Larson C A,Adams P L,et al.Mol.Pharmacol., 2011,79(1):157-166

[3]Muthaup G,Schlicksupp A,Hess L,et al.Science,1996, 271:1406-1409

[4]Bertinato J,ZouzoulasA.J.AOAC Int.,2009,92(5):1541-1550

[5]Dan G,Zhengping D,Chao L,et al.RSC Adv.,2014,4:5718 -5725

[6]GanjaliM R,Aghabalazadeh S,KhoobiM,etal.J.Electrochem. Sci.,2011,6(1):52-62

[7]Li Y F,Chen C Y,Li B.J.Anal.At.Spectrom.,2006,21:94-96

[8]Wu C X,Wu Q H,Wang C,et al.Chin.Chem.Let.,2011, 22:473-476

[9]Sangita A,Abhijit G,Sandip M,et al.Dalton Trans.,2014, 43:7747-7751

[10]ZHANG Hua(张华),XU Xiao-Wu(徐孝武),WU Fang-Ying (吴芳英).Chinese J.Inorg.Chem.(无机化学学报),2013,29 (11):2394-2398

[11]Wen X D,Yang Q L,Yan Z D,et al.Microchem.J.,2011, 97:249-254

[12]Ying Z,Fang W,Youngmee K,et al.Org.Lett.,2009,11 (19):4442-4445

[13]Li K,Xiang Y,Wang X,et al.J.Am.Chem.Soc.,2014,136 (4):1643-1649

[14]HU Ming-Ming(胡明明),FAN Jiang-Li(樊江莉),LI Hong-Lin(李宏林),et al.Chin.J.Anal.Chem.(分析化学),2011, 8:1195-1200

[15]Huo F,Su J,Sun Y,et al.Dyes Pigm.,2010,86(1):50-55

[16]CHEN Bin(陈斌),DONG Hui-Juan(董惠娟),DU Jian-Jun (杜健军),et al.Sci.China Chem.(中国科学:化学),2014,44 (09):1491-1498

[17]LI Zi-Fan(李紫凡),MEI Ling(梅岭),XIANG Yu(向宇), et al.Chin.J.Anal.Chem.(分析化学),2008,36(7):915-919

[18]Dujols V,Ford F,Czarnik Anthony W.J.Am.Chem.Soc., 1997,119(31):7386-7387

[19]Yang X F,Guo X Q,Zhao Y B.Talanta,2002,57(5):883-890

[20]Sheldrick G M.SHELXTL,Version 5.03,Siemens Analytical X-ray Division,Madison,WI,USA,1994.

[21]Benesi H A,Hildebrand J H.J.Am.Chem.Soc.,1949,71 (8):2703-2707

[22]Wang B D,Hai J,Liu Z C,et al.Angew.Chem.Int.Ed., 2010,49(27):4576-4579

[23]Jiang L,Wang L,Zhang B,et al.Eur.J.Inorg.Chem., 2010,2010(28):4438-4443

[24]CHEN Yi(陈义),ZHANG Yan(张艳),ZENG Xi(曾晞),et al. Chem.J.Chinese Universities(高等学校化学学报),2013, 34(7):1598-1605

[25]Xiang Y,Tong A J,Jin P Y,et al.Org.Lett.,2006,8(13): 2863-2866

[26]CHEN Jia-Xuan(陈稼轩),TIAN Yi(田怡),XIANG Qing-Xiang(向清祥),et al.Chin.J.Org.Chem.(有机化学),2012, 32(10):1930-1935

3,5-Dichlorosalicylaldehyde-o-rhodam ine B Hydrazone: Synthesis and Highly Selective Recognition for Cu2+

FENG Yong-Lan＊,1FANG Jing-Xian1LIU Chao1WU Xu-Meng2XU Meng1JIANG Wu-Jiu1YU Jiang-Xi1TAN Yu-Xing1KUANG Dai-Zhi1
(1Department of Chemistry and Material Science,Key Laboratory of Functional Organometallic Materials of Hunan Provincial College;Hengyang Normal University,Hengyang,Hunan 421008,China)
(2Department of Chemistry and Life Science,Xiangnan University,Chenzhou,Hunan 423043,China)

A novel colorimetric probe,3,5-dichlorosalicylaldehyde-o-rhodamine B hydrazone(L),for Cu2+was designed,synthesized.Its structure was characterized with IR,1H NMR,13C NMR,elemental analysis and X-ray crystal diffraction.The binding property of the probe with Cu2+was examined by UV-Vis spectroscopy.The result showed in acetonitrile/methenamine(pH 5.6)buffer system,when Cu2+was added to the solution of 3,5-dichlorosalicylaldehyde-o-rhodamine B hydrazone,a dramatic color change from colorless to rose red was observed,while the other metal ions did not cause noticeable changes,which indicates that 3,5-dichlorosalicylaldehyde-orhodamine B hydrazone had a high sensitivity single selectivity colorimetric recognition for Cu2+.The detection limit for Cu2+was 9.30×10-8mol·L-1by UV-Vis spectroscopy.

3,5-dichlorosalicylaldehyde-o-rhodamine B hydrazone;crystal structure;copper ion;recognition

O614.121

A

1001-4861(2016)01-0056-07

10.11862/CJIC.2016.006

2015-06-29。收修改稿日期：2015-10-04。

湖南省自然科学基金(No.13JJ3112)、湖南省高校创新平台开放基金(No.13K105)和湖南省普通高校功能金属有机材料重点实验室开放基金(No.13K01)资助项目。

＊通信联系人。E-mail：hnhyfyl@163.com