脱氢枞酸三芳胺基D-π-A型荧光化合物的光谱性能及应用

高亚楠,高 宏,商士斌,宋湛谦

(1.中国林业科学研究院 林产化学工业研究所；生物质化学利用国家工程实验室；国家林业和草原局林产化学工程重点实验室；江苏省生物质能源与材料重点实验室，江苏 南京 210042；2.南京林业大学 江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心，江苏 南京 210037；3.中国林业科学研究院 林业新技术研究所，北京 100091)

水被认为是大多数有机溶剂中的常见杂质，并且会影响精细化工、制药、电子、食品和纺织品等行业的生产[1]，因此有机溶剂中水含量的测定是最重要且最常遇见的分析问题之一。测定有机溶剂中水含量常用的化学分析方法是经典的卡尔·费休法，该法于1935年提出，尽管经过很大改进，但仍然存在反应速率慢、易受干扰、精密度差、毒性大等缺点[2]。测定水含量的其它方法有分光光度法[3]、气相色谱法[4]、液相色谱法[5]、红外光谱法[6]和荧光法[7]等。由于操作简单、现场监测、快速响应和低成本等突出优点，目前已经报道了大量荧光传感器法测水含量。传感机制主要基于分子内电荷转移(ICT)、光诱导电子转移(PET)、溶剂致变色、聚集诱导发射(AIE)和激发态分子内质子转移(ESIPT)等[8-9]。在分子内电荷转移(ICT)传感器中，荧光团和受体直接连接，通常在分子的相对末端充当电子给体或电子受体。传感器的最高占据分子轨道(HOMO)在给电子部分附近具有最高的电子密度，而最低未占据分子轨道(LUMO)在受体末端附近具有最高的电子密度，因此在激发时会产生一个强大的偶极子，电荷从给体转移到受体。目前基于分子内电荷转移(ICT)的荧光水探针主要探测的有机溶剂为乙腈、乙醇、四氢呋喃、二氧六环、乙醚和乙酸乙酯等，很少有针对极性溶剂二甲基亚砜(DMSO)和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)的荧光水探针，且探针的浓度多在10 μmol/L数量级[10-14]。脱氢枞酸作为一种高产量天然可再生资源，在开发与利用方面有着巨大的潜能和优势。本课题组在前期研究中[15-16]合成了系列脱氢枞酸芳胺衍生物，将其作为荧光分子探针进行了金属离子、活体肿瘤细胞的检测，并将脱氢枞酸三芳胺作为电子给体合成了系列D-A结构化合物，这些化合物具有良好的溶致变色效应，具备作为荧光分子探针探测外部环境极性大小的潜能[17-18]。通常，电子给体和电子受体的距离适当增大可以增高探针对极性的灵敏度，本研究引入噻吩基团作为π桥连接脱氢枞酸三芳胺化合物和氰基乙酸，合成了D-π-A结构化合物2-异氰基-3-(5-{4-[(脱氢枞酸甲酯基)(4-甲氧基苯基)氨基]苯基}-2-噻吩基)丙烯酸(DTPA-I)，研究其在不同极性溶剂中的紫外吸收光谱和荧光发射光谱，并将其作为荧光探针用于检测有机溶剂的水含量，以期拓展基于分子内电荷转移(ICT)传感机制的荧光探针探测极性溶剂DMSO和DMF的含水量，同时也拓展基于脱氢枞酸化合物作为探针在新领域的应用。

1 实 验

1.1 材料与仪器

脱氢枞酸(自制)，由歧化松香生成铵盐，通过重结晶分离提纯得到的；二氧杂环己烷(二氧六环)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)及二甲亚砜(DMSO)为色谱纯，其它试剂和溶剂均为市售分析纯。PE LS55荧光分光光度计，美国铂金埃尔默股份有限公司；UV2450紫外-可见光谱仪，日本岛津公司。

1.2 脱氢枞酸三芳胺基D-π-A化合物DTPA-I的合成

1.2.1合成路线 12-溴代脱氢枞酸甲酯的合成参照文献[12]的方法，然后经C-N偶联、溴代、C-C偶联等方法合成DTPA-I，具体合成路线见图1。

1.2.2中间产物a～d的合成 化合物a：将11.80 g的12-溴代脱氢枞酸甲酯、3.35 g苯胺加入到三口烧瓶中，加120 mL无水邻二甲苯，通氮气保护，加入4.15 g叔丁醇钠、1 mL三叔丁基膦和0.20 g醋酸钯，加热回流反应12 h，用乙醚和水萃取，收集有机相，之后用无水硫酸镁干燥有机相，过滤、旋蒸，柱层析分离提纯(石油醚与乙酸乙酯的体积比为10 ∶1)，旋蒸后真空干燥，得到7.06 g化合物a，黄色黏稠状，产率为69.61%。

化合物b：将11.85 g化合物a、6.56 g对溴苯甲醚加入到三口烧瓶中，加200 mL的无水邻二甲苯，通氮气保护，加入3.37 g叔丁醇钠、1 mL三叔丁基膦和0.20 g醋酸钯，加热回流反应12 h，用乙醚和水萃取，收集有机相，之后用无水硫酸镁干燥有机相，过滤、旋蒸，柱层析分离提纯(石油醚与乙酸乙酯的体积比为25 ∶1)，旋蒸后真空干燥，得到10.16 g化合物b，白色粉末，产率为68.01%。

图1 脱氢枞酸三芳胺-噻吩-氰乙酸(DTPA-I)的合成路线

化合物c：将0.73 g化合物b、0.25 g N-溴代琥珀酰亚胺(NBS)、100 mL无水乙腈加入到圆底烧瓶中，于25 ℃下避光反应24 h，旋蒸，柱层析分离提纯(石油醚与乙酸乙酯的体积比为20 ∶1)，旋蒸后真空干燥，得到0.59 g化合物c，白色粉末，产率为69.97%。

化合物d：将3.04 g化合物c、0.14 g的Pd(PPh3)4、12.71 g的Na2CO3加入到三口烧瓶中，加入100 mL THF和50 mL H2O，在氮气氛围下升温至加热至45 ℃，维持30 min，缓慢加入1.56 g的5-醛基2-噻吩硼酸的50 mL THF溶液，加热回流反应12 h，用水和二氯甲烷萃取，收集有机相，之后用无水硫酸镁干燥有机相，过滤、旋蒸，柱层析分离提纯(石油醚与乙酸乙酯的体积比为10 ∶1)，旋蒸后真空干燥，得到2.08 g化合物d，姜黄色粉末，产率为65.03%。

1.2.3目标化合物DTPA-I 将0.37 g化合物d、0.15 g氰基乙酸、0.65 mL哌啶、20 mL三氯甲烷加入到三口烧瓶中，在氮气气氛下加热回流(63 ℃)12 h，冷却，三氯甲烷和水萃取，收集有机相，无水硫酸镁干燥，柱层析分离提纯(二氯甲烷与甲醇的体积比为9 ∶1)，旋蒸后真空干燥，得到0.27 g目标化合物DTPA-I。

1.3 DTPA-I用作荧光探针实验

1.3.1测试极性溶剂中的水含量 将DTPA-I溶于二氯甲烷配成浓度为0.1 mmol/L的母液，分别取母液50 μL，烘干除去溶剂后，分别加入不同量的水，用二氧六环、DMF、DMSO溶液定容至10 mL，得到不同含水量的0.5 μmol/L的测试溶液，以含水量0%的测试溶液的最大激发波长，在室温下测试所有测试溶液的荧光发射光谱。

1.3.2最低检测限 在不含水的情况下测量12次化合物在极性溶剂(二氧六环、DMF、DMSO)中的荧光强度，计算得到标准差sB，根据cL=3×sB/m计算得到化合物检测极性溶剂中水含量的最低检测限(LOD)，其中m为含水量在0～1%时，水含量与荧光强度的线性拟合的直线的斜率，cL为最低检测限。

1.4 结构表征

1.4.1红外光谱测试 采用Nicolet iS10型傅里叶变换红外光谱仪，透射法测试。

1.4.2核磁共振1H NMR和13C NMR分析采用Bruker Avance AV 300超导核磁共振仪，DMSO-d6作为溶剂，TMS为内标。

1.4.3质谱测试 采用Axima Performance基质辅助激光解离离子源-二次飞行时间质谱(MALDI-TOF/TOF MS)测试。

1.5 光谱性能分析

1.5.1紫外吸收光谱 准确称取化合物DTPA-I配制成浓度为1 mmol/L的甲醇储备溶液，分别移取储备溶液2 mL溶于10 mL容量瓶中，分别用不同极性的溶剂DMSO、丙酮、THF、二氧六环、乙醚和甲苯(溶剂极性由大到小)定容得到浓度为0.02 mmol/L的测试溶液，在室温下测试其紫外吸收光谱。为比较DTPA-I与化合物b的紫外吸收光谱，以同样的方法测试化合物b在二氧六环溶液中的紫外吸收光谱。

1.5.2荧光光谱 准确称取化合物DTPA-I，配制成浓度为1 mmol/L的储备溶液。移取储备溶液0.05 mL 入10 mL容量瓶中，分别用不同极性的溶剂DMSO、丙酮、THF、二氧六环、乙醚和甲苯定容，得到浓度为10 μmol/L的测试溶液，在室温下测试其荧光光谱。为比较DTPA-I与化合物b的荧光发射光谱，以同样的方法测试化合物b在二氧六环溶液中的荧光发射光谱。

2 结果与讨论

2.1 DTPA-I的结构表征

目标化合物DTPA-I为暗红色粉末，得率为65.32%。红外谱图、核磁共振谱图见图2。IR(νmax/cm-1)：2927，2216，1722，1575，1503，1430；1H NMR(DMSO-d6，300 MHz)δ：8.27(s，1H，CH)，7.80(s，1H，Ar-H)，7.62～7.31(m，3H，Ar-H)，7.21～6.82(m，6H，Ar-H)，6.68(d，2H，Ar-H)，3.73(s，3H，CH3)，3.61(s，3H，CO2CH3)，3.09～2.67(m，3H，CH，CH2)，2.22～1.95(m，2H，CH2)，1.79(s，1H，CH)，1.60(d，4H，CH2)，1.15(d，8H，CH2，CH3)，0.94(s，6H，CH3)；13C NMR(DMSO-d6，75 MHz)：177.89，164.04，155.55，151.75，149.55，148.72，143.73，143.43，140.27，139.16，138.67，133.79，133.52，127.65，126.95(2C)，125.57(3C)，125.10，122.90，122.69，116.97(2C)，114.68(3C)，55.16，51.78，46.85，44.47，37.50，36.47，36.08，28.98，26.80，24.74，23.36，23.24，20.97，17.81，16.18；MALDI-TOF MS[M+H]+：688.3。

a.FT-IR; b.1H NMR; c.13C NMR

2.2 DTPA-I的光谱性能

2.2.1DTPA-I的紫外吸收光谱与荧光发射光谱 DTPA-I与化合物b在二氧六环溶液中的紫外吸收光谱与荧光发射光谱见图3。由图3(a)可见，在短波长处，DTPA-I与化合物b的紫外吸收光谱性状相似，DTPA-I在长波长380～580 nm处有一个新的强吸收峰，最大吸收波长为474 nm，归因于噻吩和氰基乙酸基团的引入。由图3(b)可见，DTPA-I的最大荧光发射波长为603 nm，较化合物b的最大发射波长374 nm红移229 nm。说明引入噻吩π桥和受体氰基乙酸基团使D-π-A结构化合物DTPA-I的发射光谱发生很大红移，由化合物b紫色光变为至黄色光。与NIU等[12]研究的探针AHN(λabs,max=427 nm和λem,max=503 nm)和高灵芝等[13]研究的探针A(λabs,max=431 nm和λem,max=582 nm)相比，化合物DTPA-I在二氧六环溶液中的最大紫外吸收波长和最大荧光发射波长均发生红移，这将使D-π-A结构化合物在光电材料中的应用具备更多的可能性。

图3 化合物b和DTPA-I在二氧六环中的紫外吸收光谱(a)和荧光发射光谱(b)

2.2.2DTPA-I在不同极性溶剂中的紫外吸收光谱 DTPA-I在不同极性的溶剂中(极性从小到大的顺序是DMSO>丙酮>THF>二氧六环>乙醚>甲苯，它们的溶剂极性参数ET(30)值分别为45，42.2，37.4，36，34.6和33.9)的紫外吸收光谱如图4(a)所示。由图可以看出，DTPA-I在DMSO溶液中的吸收波长最小，在二氧六环溶液中的吸收波长最大，它们的最大吸收峰分别位于440和477 nm处，DTPA-I在溶剂极性从大到小的丙酮、二氧六环、THF、乙醚和甲苯中的吸收波长分别为467、464、477、469和470 nm，较DMSO分别红移27、24、37、29和30 nm，溶剂的极性对DTPA-I的吸收波长影响较大。

2.2.3DTPA-I在不同极性溶剂中的荧光发射光谱 DTPA-I在不同极性的溶剂中的荧光发射光谱亦如图4(b)所示。

图4 化合物DTPA-I在不同极性的溶剂中的紫外吸收光谱(a)和荧光发射光谱(b)

DTPA-I在不同极性的溶剂中最大发射波长有较大差异，在二氧六环中的发射波长最大，为603 nm，与DMSO中的发射波长(576 nm)相比，DTPA-I在丙酮、二氧六环、乙醚和甲苯中的发射波长分别红移26、27、20和14 nm，在THF中的发射波长蓝移6 nm。DTPA-I在不同极性的溶剂中荧光强度也有较大变化，在甲苯中的荧光强度最大，约为丙酮中荧光强度的100倍、DMSO和THF中荧光强度的10倍。可见，该化合物具有明显的溶致变色效应。化合物在溶剂中荧光发射光谱的位移不仅与溶剂极性有关，还与分子和溶剂之间的氢键、配位键的形成有关，最终位移的结果是二者之间的综合作用的结果[19]。

2.3 DTPA-I作为荧光探针的应用

2.3.1测定极性溶剂中的水含量 由于DTPA-I对溶剂极性敏感，以二氧六环为例，测定了不同水含量时的荧光强度，结果见图5。由图可以看出，二氧六环溶液中水含量逐渐增大，DTPA-I在603 nm处的荧光强度明显减弱，随着含水量从0～2%(体积分数)，荧光强度迅速下降至198；当含水量在2%～20%时，荧光强度减小的趋势减弱，从198降至13。在DMSO和DMF中也表现出相同的趋势。

a.二氧六环dioxane; b.DMSO; c.DMF

2.3.2测量范围及线性分析 按照实验方法，绘制工作曲线，研究二氧六环中水含量与荧光强度之间的线性关系，结果见图6(a)。当二氧六环中的含水量在0～1%时，含水量与荧光强度之间呈现了良好的线性关系，通过直线的拟合，得到其线性方程为：y=-480.499x+855.304，R2=0.983。因此可以测定二氧六环中不同水含量下荧光强度的变化，并对应到曲线上便可得到溶液所含的真实的水含量。在DMSO和DMF溶液中含水量(0～1%)与荧光强度之间的线性方程分别为y=-81.310x+614.053，R2=0.924和y=-327.909x+864.994，R2=0.934。在不含水的情况下测量12次DTPA-I在二氧六环溶液中的荧光强度，由此计算得标准差(sB)为14.294。由cL=3×sB/m计算得最低检测限(LOD)为0.089%。在DMSO和DMF溶液中的LOD分别为0.174%和0.364%。

a.二氧六环dioxane; b.DMSO; c.DMF

化合物DTPA-I与探针AHN和探针A的荧光强度表现出相同的趋势，随着极性溶剂中水含量的增加，荧光强度逐渐降低，且在一定范围(0～1%)内，水含量与荧光强度之间呈现良好的线性关系，符合基于分子内电荷转移(ICT)的荧光水探针的规律。且较文献[12-13]的探针浓度(10 μmol/L)相比，化合物DTPA-I在较低浓度(0.5 μmol/L)即可灵敏的检测极性溶剂的水含量。

3 结 论

以脱氢枞酸为原料通过酯化、溴代、C-N偶联、C-C偶联等方法合成了脱氢枞酸三芳胺基D-π-A结构化合物DTPA-I。脱氢枞酸三芳胺化合物中引入噻吩π桥和氰基乙酸受体基团使DTPA-I的荧光发射光谱发生较大红移，且DTPA-I对溶剂极性敏感，具有明显的溶致变色效应。DTPA-I作为荧光探针探测二氧六环、DMSO和DMF溶液中水含量，它的荧光强度随着溶剂中水含量的增加逐渐降低，在0～1%的范围内，DTPA-I的荧光强度随水含量的增加呈线性降低，对二氧六环中水的检出限(LOD)低至0.089%。较低浓度(0.5 μmol/L)的DTPA-I即可灵敏的检测极性溶剂的水含量，在作为荧光探针检测极性溶剂中水含量方面具有潜在的应用前景。