一种新型甘脲荧光分子夹的合成及其性能研究

朱 超,桂 艳,陈晓春,朱 丽,黄 遥

(云南开放大学化学工程学院,云南 昆明 650500)

分子镊子或分子夹人工受体结构简单,具有能够结合不同大小及功能的客体的环境和空腔,被广泛应用于超分子化学研究[1-3]。甘脲具有窝状刚性结构,制备原料简单易得,可修饰性强,常被作为主体分子的基本结构单元。在甘脲及其衍生物的肩上引入苯环、萘环等富电子结构可得到C型、U型等构象的甘脲分子夹[4-5]。Nolte研究团队[6-8]系统研究了3U甘脲分子夹的合成方法和识别性质,并探究了其与芳香化合物和酚类化合物的选择性识别;吴安心团队[9-10]开发了一系列具有荧光性质的新型甘脲分子夹,其水溶性比甘脲强很多,能够高选择性识别三价铁离子;Isaacs课题组[11]利用甘脲环与邻苄基卤素的缩合制备了4U、5U甘脲分子夹,可与醇、胺、酸、离子盐等分子作用;Tiefenbacher等[12]合成了隔离分子为4个芳环、4个甘脲边墙的分子胶囊,在药物传递、分子识别、分子筛和分子催化方面显示出极其广阔的应用前景。

但上述研究在考察主体与客体分子的识别过程时,主要采取核磁滴定的分析方法,操作繁琐。若将荧光基团引入甘脲分子骨架中,采用荧光光谱法研究识别过程,具有便捷、灵敏度高的优点。基于此,作者以甘脲分子作为基础骨架,探索其与荧光分子的缩合反应,设计并合成一种新型的非对称的甘脲荧光分子夹,通过红外光谱、核磁共振波谱和质谱对其结构进行表征,并研究其对金属离子的选择性。

1 实验

1.1 试剂与仪器

尿素、甲醛、1,8-萘二甲酸酐、乙二胺、甘氨酸、氢氧化钠、氢氧化钾、甲醇、乙醇、二氯甲烷均为分析纯,北京化工厂;乙腈、甲醇均为色谱纯,山东禹王集团。

IKA加热磁力搅拌器,德国IKA公司;EYELA N1000型旋转蒸发仪,东京理化器械株式会社;循环水式真空泵,巩义予华仪器有限责任公司;Spectrum One型傅立叶变换红外光谱仪,PerkinElmer;Varian Mercury-Plus 400 MHz型核磁共振波谱仪,美国Varian公司;CMS型质谱仪,美国Advion公司;F-7000型荧光分光光度计,日本日立。

1.2 方法

1.2.1 甘脲荧光分子夹的合成

取甘氨酸1.5 g(0.02 mol)置于6 mL水中,再分批加入1.12 g(0.02 mol)KOH,搅拌反应20 min,得到澄清的甘氨酸钾溶液,备用。取实验室自制的5 g(0.02 mol)二羟甲基甘脲、10 mL水于100 mL三口烧瓶中,搅拌下加入甘氨酸钾溶液,调节pH值为9,升温至45 ℃反应5 h;加入1.2 g(0.04 mol)甲醛,用K2CO3溶液调节pH值为9,升温至70 ℃继续反应2 h;反应液旋蒸浓缩至黏稠,加入25 mL水、10 mL乙醇、3.6 g(0.015 mol)1,8-萘二甲酰氨乙二胺,回流反应10 h;冷却至室温,过滤,用稀盐酸调节滤液pH值至5～6,析出白色沉淀,离心,过滤,用甲醇水溶液洗涤固体,真空干燥得到白色粉末状固体甘脲荧光分子夹3.42 g,产率45.1%。

通过IR、1HNMR、13CNMR、MS对甘脲荧光分子夹进行表征。

1.2.2 甘脲荧光分子夹的性能测试

甘脲荧光分子夹储备液的配制:将甘脲荧光分子夹用色谱纯乙腈定容于容量瓶中,超声30 s,使其混匀,即得20 μmol·L-1甘脲荧光分子夹储备液。

金属离子储备液的配制:分别将一定质量的FeSO4·7H2O、FeCl3、AgNO3、AlCl3、CaCl2·6H2O、CoCl2、Cr(NO3)3·9H2O、KCl、MgCl2·6H2O、NaCl、Pd(NO3)2·H2O、Ni(NO3)2·6H2O、Pb(NO3)2、SnCl2·2H2O、ZnCl2、Cu(NO3)2·3H2O用超纯水定容于容量瓶中,即得100 μmol·L-1金属离子储备液。

性能测试:取3 mL 20 μmol·L-1甘脲荧光分子夹储备液置于比色皿(1 cm×1 cm×4 cm)中,再用移液枪加入金属离子储备液,振荡均匀,测试荧光光谱,研究甘脲荧光分子夹对金属离子的选择性。荧光光谱测试条件:室温,激发、发射狭缝宽度为2.5 nm,灵敏度为1,响应时间为0.5 s。

2 结果与讨论

2.1 甘脲荧光分子夹的合成路线

最初,课题组考虑将四羟甲基甘脲分子与2分子1,8-萘二甲酰氨乙二胺直接缩合得到对称的甘脲荧光分子夹,但由于空间位阻效应,只成功引入了1分子1,8-萘二甲酰氨乙二胺。因而在上述反应基础上,参照文献[13],再引入1个空间位阻较小的基团,设计并合成得到甘脲荧光分子夹,合成路线如图1所示。

图1 甘脲荧光分子夹的合成路线

控制甲醛的加入量和反应条件,使甘脲部分羟甲基化得到二羟甲基甘脲;甘氨酸钾与二羟甲基甘脲缩合后不分离,加入稍过量的甲醛继续羟甲基化;接着与1,8-萘二甲酰氨乙二胺缩合,用质谱监测反应,待原分子离子峰消失后直接酸化,游离出羧基;由于溶解度减小,甘脲荧光分子夹直接从反应液中析出。

2.2 甘脲荧光分子夹的表征

2.2.1 IR、1HNMR、13CNMR、MS分析(图2)

图2 甘脲荧光分子夹的IR(a)、1HNMR(b)、13CNMR(c)、MS(d)图谱

IR(KBr),ν,cm-1:3 346,2 956,1 697,1 654,1 589,1 436,1 230,1 080,869,779;1HNMR(400 MHz,DMSO),δ:8.49(m,6H),7.87(m,4H),5.73(s,1H),5.55(m,2H),4.65(dt,5H),4.26(m,7H),2.92(dd,2H);13CNMR(151 MHz,DMSO),δ:171.25,163.98,161.16,159.67,134.85,131.35,128.00,127.82,127.70,122.34,119.50,64.65,64.24,59.83,55.00,52.07,48.59;ESI-MS,m/z:506.7 [M+H]+。

2.2.2 紫外吸收光谱和荧光发射光谱分析(图3)

图3 甘脲荧光分子夹的紫外吸收光谱(a)和荧光发射光谱(b)

由图3可知,甘脲荧光分子夹在216 nm、236 nm、265 nm、301 nm处均有较强的紫外吸收。选择335 nm作为激发波长时,在381 nm处的荧光峰具有强度和峰型合适的特点,因而,选择335 nm作为激发波长测试其荧光性质。

2.3 甘脲荧光分子夹对金属离子的选择性

分别将16种金属离子(Fe2+、Fe3+、Ag+、Al3+、Ca2+、Co2+、Cr3+、K+、Mg2+、Na+、Pd2+、Ni2+、Pb2+、Sn2+、Zn2+、Cu2+)储备液加入到甘脲荧光分子夹储备液中,其荧光光谱如图4所示。

图4 加入金属离子后甘脲荧光分子夹的荧光光谱

由图4可知,在甘脲荧光分子夹储备液中加入16种金属离子储备液后,381 nm附近的荧光强度均增强,其中加入Ca2+储备液后的荧光光谱在470 nm处产生了一个新的荧光峰。表明,甘脲荧光分子夹对Ca2+具有很好的识别能力,且不受其它金属离子的干扰。

为了进一步研究甘脲荧光分子夹对Ca2+的识别能力,将不同浓度Ca2+(0.1～25 μmol·L-1)储备液加入到甘脲荧光分子夹储备液中,测试其在470 nm处荧光强度,并对荧光曲线进行拟合,结果如图5所示。

由图5a可知,随着Ca2+浓度的增加,荧光强度逐渐增强,待增强到一定程度后又逐渐减弱直至荧光消失。由图5b可知,Ca2+浓度在0.1～3.2 μmol·L-1范围内与甘脲荧光分子夹的荧光强度呈良好的线性关系,线性相关系数R2为0.989;通过三倍噪音法,计算出甘脲荧光分子夹检测Ca2+的检测限为0.047 μmol·L-1。由此可见,甘脲荧光分子夹作为Ca2+的荧光探针,具有较高的选择性和灵敏度以及较低的检测限。

3 结论

合成了一种新型甘脲荧光分子夹,其在216 nm、236 nm、265 nm、301 nm处均有较强的紫外吸收,在381 nm处有强的荧光发射峰。加入Ca2+后,甘脲荧光分子夹的荧光光谱会在470 nm处产生一个新的荧光峰,且不受其它金属离子的干扰;Ca2+浓度在0.1～3.2 μmol·L-1范围内与甘脲荧光分子夹的荧光强度呈良好的线性关系,线性相关系数R2为0.989,检测限为0.047 μmol·L-1。甘脲荧光分子夹对Ca2+具有较高的选择性和灵敏度以及较低的检测限,是优良的Ca2+荧光探针。