4-(1H-9,10-菲并咪唑基)苯甲醛对pH和Ag+的响应研究

梁浩,潘继刚*,吴拥军,黄月君

(1.山西大学 化学化工学院，山西 太原 030006;2.山西医科职业学院 药学系，山西 太原 030031)

4-(1H-9,10-菲并咪唑基)苯甲醛对pH和Ag+的响应研究

梁浩1,潘继刚1*,吴拥军1,黄月君2

(1.山西大学 化学化工学院，山西 太原 030006;2.山西医科职业学院 药学系，山西 太原 030031)

以9,10-菲醌、对苯二甲醛和醋酸铵为原料，在乙酸介质中合成了4-(1H-9,10-菲并咪唑基)苯甲醛(PIB)。研究了PIB的紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱，发现其对溶液的酸碱度十分敏感，可以作为一种性能优良的pH指示剂；同时测定了PIB在pH=7～8范围内，不同金属离子对荧光发射光谱的影响。结果表明，PIB对Ag+具有明显的选择性识别。

4-(1H-9,10-菲并咪唑基)苯甲醛；酸碱指示剂；银离子；识别

0 引言

pH值是溶液中氢离子活度的一种标度。自Robert Boyle发现石蕊试液具有颜色随pH的变化而变化这一特性以来，各种酸碱指示剂以及相关pH试纸都得到了广泛应用。在现实中,pH影响着生活的方方面面，利用pH解决实际问题得到科学家的普遍关注[1-5]。近年来，许多新型pH指示剂陆续被报道，快捷有效、灵敏度高的pH检测方法一直是人们研究的热点[6-8]。

同时，随着工业化程度的提高，重金属污染问题越来越突出，这严重影响着自然环境及人类健康。银作为一种重要的工业原料，已被广泛地应用于催化技术、感光成像技术以及医药行业等领域[9-11]。然而大量银化合物的违规排放，造成了人体内银离子含量超标，这影响着蛋白质中氨基、咪唑基、羧基和巯基等一些活性基团的生物学功能，直接危害人们的健康[12-13]。近年来文献报道了含螺吡喃类[14]、香豆素类[15]、多原子配体[16]等化合物作为检测银离子的探针，相关的研究越来越多被人们所关注。

本工作基于咪唑环结构具有酸碱特性以及能与金属离子结合的双重性质，选择4-(1H-9,10-菲并咪唑基)苯甲醛(PIB)作为具有荧光响应的pH和Ag+指示剂，研究PIB的紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱。实验结果表明它可以直观快捷地检测溶液的酸碱度，同时对银离子有很好的识别效果，为以后此类探针的发展和应用提供了理论基础。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

9，10-菲醌，醋酸铵，冰醋酸，对苯二甲醛均为分析纯试剂；Shimadzu UV-245紫外-可见吸收光谱仪(日本)，Hitachi F450荧光发射光谱仪(日本)，Bruker Avance-300 MHz核磁共振仪 (瑞士)，Model PHS-25B pH计(中国上海)，ZF-20D暗箱式紫外分析仪(中国河南)。

1.2 4-(1H-9,10-菲并咪唑基)苯甲醛的合成[17](图1)及表征

在100 mL圆底烧瓶中加入9,10-菲醌(0.7 g,3.36 mmol)，对苯二甲醛(1.4 g, 10.43 mmol),醋酸铵(5.2 g,67.46 mmol)和乙酸(25 mL)，在100℃下回流30 min。冷却至室温后倒入250 mL水中，有大量沉淀产生。抽滤，得到的粗产物依次用质量浓度5%的碳酸氢钠、水、甲醇淋洗,真空干燥。经柱色谱分离(洗脱剂为丙酮)得黄色固体(0.85 g，产率78.5%)。1H NMR(300 MHz, DMSO-d6)δ(ppm):13.69(s,1H,N-H), 10.11(s,1H,-CHO),8.86-8.89 (d,2H,J=9.0 Hz,Ar-H),8.53-8.62(m,4H,Ar-H),8.13-8.16(d,2H,J=9.0 Hz,Ar-H),7.68-7.78(m,4H, Ar-H ).

Fig.1 Synthesis of compound PIB图1 4-(1H-9,10-菲并咪唑基)苯甲醛的合成过程

1.3 紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱的测定

PIB溶液的配置：PIB用DMF溶解，浓度为1 mmol/L；硝酸盐用蒸馏水溶解，浓度为10 mmol/L；不同pH值的缓冲溶液为乙腈-PBS溶液(3∶2，V/V,现配现用)。

紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱测定方法：向10 mL比色管中加入10 mL乙腈-PBS溶液和100 μL PIB溶液，然后测定紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱；测定金属离子对光谱性质影响时，采用DMF-去离子水溶液(2∶1，V/V,现配现用)，pH值用稀硝酸和稀氢氧化钠来调节。

2 结果和讨论

2.1 化合物PIB与pH响应的紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱研究

4-(1H-9,10-菲并咪唑基)苯甲醛是一种溶解性比较好且含有咪唑基团的化合物，可以给出和接受质子，因此其紫外-可见吸收光谱可以对不同pH值表现出良好的响应。从图2可以看出：pH值为1～2时，化合物PIB的最大吸收波长为357 nm，随着pH的增大，吸光强度也在增大；pH值为3～11时,最大吸收波长从357 nm增大到373 nm，吸光度随着pH的增大而增大；当pH值为11～13时，最大吸收波长从373 nm增大到398 nm，吸光度却随着pH增大，出现先减小后增大的趋势。通过PIB最大吸收波长与pH关系图(见图3)可以直观地看到pH在4～11范围内，PIB最大吸收峰的波长基本维持在375 nm左右，推测此时PIB分子可能以游离的咪唑基形式存在,有很好的稳定性。

Fig.2 UV-vis absorption spectrum of PIB (1×10-5 mol/L) at different pH(a and b)图2 PIB(1×10-5 mol/L)在不同pH值下的紫外-可见吸收光谱(a和b)

Fig.3 Wavelength of PIB(1×10-5 mol/L) with changing pH图3 PIB(1×10-5 mol/L)最大吸收波长和pH的关系

图4为在不同pH值下，化合物PIB(1×10-5mol/L，乙腈：PBS=3∶2，λex=380 nm)的荧光发射光谱图。由图可知，pH值为1～2时发射波长为490 nm，pH值增大，荧光强度增大；当pH从3增加到11时，发射波长从490 nm偏移至530 nm，并在λ=445 nm处产生新的发射波长峰，峰值增长明显；当pH继续增大(pH=11～13.5)，溶液呈强碱性时，λ=445 nm和λ=530 nm的发射波长峰逐渐消失,在λ=485 nm出现新的发射波长峰。通过图4(c)可以直观地看到随着pH的变化，PIB溶液荧光变化明显。由图2、图3和图4可以看出化合物PIB对酸碱有很好的响应，不同pH条件下的紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱图有明显变化，紫外最大吸收波长与荧光激发波长的变化基本同步。

Fig.4 Fluorescence emission spectrum of PIB(1×10-5 mol/L) at different pH (a and b,λex=380 nm) and the picture with the exciting wavelength of 365 nm(c)图4 PIB(1×10-5 mol/L)在不同pH值的荧光发射光谱(a和b，λex=380 nm)和在365 nm激发光照射下的照片(c)

2.2 化合物 PIB作为pH探针的机理分析

根据化合物PIB分子中咪唑基结构的特点及紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱实验结果，推测该化合物作为pH探针的可能机理为：

当pH值较低时，sp2杂化的氮原子被质子化，其最大吸收波长和吸光度都比较小；随着pH值增加，质子化程度降低，共轭体系的增大和电子云密度不断提高,使其最大吸收波长红移，在pH值为4～11时表现出相对稳定的状态；在较强的碱性介质中，咪唑环上-NH-能够作为路易斯酸给出质子,形成负离子,使得紫外-可见吸收光谱中的最大吸收明显红移。

因此，无论在紫外-可见吸收光谱中还是荧光发射光谱中，化合物PIB都有可能作为一种pH指示剂，特别是通过配置合适浓度的PIB溶液，可以根据体系颜色的变化方便、直观、快捷地确定溶液的酸碱状态。

Fig.5 Proposed mechanism of compound PIB to pH图5 化合物PIB识别酸碱可能的机理过程

Fig.6 Fluorescence emission spectrum (λex=380 nm) of PIB(1×10-5 mol/L) upon addition of various metal ions (4×10-4 mol/L) 图6 PIB(1×10-5 mol/L)中加入不同金属离子(4×10-4 mol/L)的荧光发射光谱图(λex=380 nm)

2.3 化合物PIB对金属离子的识别研究

配置1×10-5mol/L PIB溶液(DMF∶H2O=2∶1)，测定激发波长为380 nm下加入Ag+、Cu2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Mn2+、Mg2+、Ba2+、Ca2+9种常见金属离子(浓度为4×10-4mol/L)后PIB溶液的荧光发射光谱，结果见图6。从图6可以看出: 在相同浓度下，银离子的加入可以使λ=445 nm处的荧光强度大大降低，而其他的一些金属离子都没有对荧光发射光谱产生明显影响，说明PIB对银离子表现出良好的选择性识别。

2.4 化合物PIB的荧光滴定研究

为了研究PIB和银离子之间的络合关系，在1×10-5mol/L PIB溶液中加入不同当量的AgNO3溶液测量其荧光发射光谱。由图7(a)可见PIB在λ=445 nm处的荧光强度变化明显。当AgNO3溶液的浓度过量很多时，PIB的荧光强度逐渐降低，在5×10-5mol/L浓度下达到平衡；继续增加AgNO3溶液的浓度，其荧光发射光谱不再发生变化。同时，通过图7(b)λ=445 nm处的荧光强度与时间的关系图可看到：加入5×10-5mol/L AgNO3溶液后，荧光强度在15 min内从440 nm下降到35 nm，随着时间的推移，荧光强度不再发生变化，反应达到平衡。

Fig.7 Fluorescence emission spectrum changes of PIB(1×10-5 mol/L) upon the addition of different amounts of Ag+ (7a) and the response time of PIB upon addition of AgNO3(5×10-5 mol/L) (7b) 图7 Ag+对PIB(1×10-5 mol/L)的荧光光谱滴定(7a)以及加入5×10-5 mol/L AgNO3溶液后PIB响应时间测试图(7b)

Fig.8 Relationship of PIB(1×10-5 mol/L) upon the addition of different amounts of AgNO3 with time图8 PIB(1×10-5 mol/L)中加入不同浓度AgNO3溶液与达到平衡所需时间的关系

2.5 银离子浓度对化合物PIB响应时间的研究

为了进一步探讨银离子浓度对PIB识别的响应时间，测定了1×10-5mol/L PIB溶液中加入不同浓度AgNO3溶液后荧光发射光谱强度与时间的变化关系。从图8可以看出当AgNO3溶液浓度为4×10-4mol/L时λ=445 nm处荧光强度经历10 s后基本不变，证明PIB与银离子能够很快能达到平衡；当AgNO3溶液浓度降低时，PIB对银离子识别的响应时间会延长，从数秒钟延长至数十分钟不等。

2.6 银离子对不同pH下PIB溶液响应的研究

研究了在不同pH条件下，5×10-5mol/L AgNO3溶液对1×10-5mol/L PIB荧光发射光谱的影响(见图9)。结果表明，当pH=1～2时，由于PIB在λ=445 nm处没有尖峰，不参与讨论；当pH=3时，λ=445 nm处的荧光强度变化不大，其可能原因是在酸性较强的情况下，sp2杂化的氮原子被质子化；当pH=4～7时，银离子与PIB的结合能够明显的发生荧光猝灭；当pH=8～13时，荧光强度无明显变化，是由于在碱性环境中，银离子会以沉淀形式存在，无法对PIB的荧光发射光谱产生明显影响。

Fig.9 Fluorescence intensity (λ=445 nm) of PIB (1×10-5 mol/L) and PIB+Ag+([Ag+]/[PIB]=5.0) at different pH 图9 不同pH值下PIB(1×10-5 mol/L)与PIB+Ag+([Ag+]/[PIB]=5.0)在λ=445 nm处荧光强度对比图

2.7 化合物PIB识别银离子的反应机理

根据肖海波课题组[18]报道的探针化合物对银离子的识别机理，本工作通过核磁滴定进一步探讨PIB对银离子的选择性识别。从图10中的核磁滴定图谱可以看出随着银离子浓度的增加，咪唑环上氨基氢 (s,1H,N-H)的化学位移由13.69向低场移动到14.25左右，尖峰变成宽峰。因此推测其识别机理可能是银离子与咪唑环亚胺氮以配位键的形式结合，造成咪唑环结构发生变化，降低了其电子云密度，从而打破了化合物PIB原有刚性共轭体系，使荧光发射光谱强度明显降低，其可能的机理见图11。

Fig.10 1H NMR (300 MHz, DMSO-d6) spectrum of compound PIB to AgNO3 ( [Ag+]/[PIB]=0.0,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,10.0)图10 化合物PIB对硝酸银的1H NMR(300 MHz,DMSO-d6)滴定图谱 ([Ag+]/[PIB]=0.0,1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,10.0)

Fig.11 Proposed mechanism of compound PIB to Ag+图11 化合物PIB识别银离子可能的机理

3 结论

我们通过紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱对4-(1H-9,10-菲并咪唑基)苯甲醛进行了酸碱和银离子的响应研究，发现其对pH有较高的灵敏度，可作为一种新型的pH指示剂；同时，该化合物对银离子有较好的识别效果。这为以后进一步优化设计、筛选出既能灵敏识别pH值，又能检测银离子的新型荧光探针提供了一定的理论基础。

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Researchof4-(1H-Phenanthro[9,10-d]imidazol-2-yl)-BenzaldehydeforpHandAg+

LIANG Hao1,PAN Jigang1*,WU Yongjun1,HUANG Yuejun2

(1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China;2.ShanxiPharmaceuticalCollegeofMedicine,Taiyuan030031,China)

A novel phenanthroimidazole-based fluorescent indicator(PIB) was synthesized from 9,10-phenanthraquinone，1,4-phthalaldehyde and ammonium acetate under the acetic acid. PIB possess excellent spectral senstivities to pH and can be used as a favourable pH indicator.The recognition behavior of PIB toward various metal ions was evaluated in a solvent system which range 7 to 8 of pH.PIB exhibited high selectivity to Ag+over other metal ions.

4-(1H-phenanthro[9,10-d]imidazol-2-yl)-benzaldehyde；pH indicator；silver ion；recognition

10.13451/j.cnki.shanxi.univ(nat.sci.).2017.04.023

2016-11-08；

2017-01-05

国家大学生创新性实验计划项目(091010823)

梁浩(1991-)，男，山西人，硕士研究生，研究方向：有机合成。

*通信作者：潘继刚(PAN Jigang)，E-mail:panjigang_sxu@126.com

O626

A

0253-2395(2017)04-0816-07