基于希夫碱型噻二唑的氟阴离子比色探针

聂 丽，张 汉，张 正，段永延，严正权

（皖西学院安徽省仿生传感与检测技术实验室，安徽 六安237012）

阴离子在生命科学和化学过程中扮演着重要角色，在生物学、病理学和环境监测等领域都起着重要作用［1］。其中氟是人体中必需的一种微量元素，它对于预防牙齿龋齿、老年化的骨质疏松起到了重要的调节作用［2］。但同时氟又是一种累积性毒物，如摄入的氟过量，在人体内进行累积可引起氟中毒，从而引起疾病［3］。因此，防治和控制氟离子具有现实的重要意义。在对氟离子检测中，测试的手段通常有电极法［4］离子色谱法［5］和极谱法［6］等，但这些方法需要仪器昂贵，操作时比较复杂。因此，设计合成选择性好、灵敏度高氟离子识别受体备受研究者们的高度重视，尤其是简单、快速通过显色反应即能达到检测氟离子的方法更加受到了人们的青睐［7-9］。

噻二唑及其衍生物是一类极具应用价值的杂环化合物，由于分子中存在—N—C—S—基团，因而具有广谱生物活性，常用于抑菌、抗病毒及药物分子设计中［10-11］，同时因含有N、S等多种杂原子，所以也是一类重要的有机配体，能够与金属作用形成配合物，广泛应用于农业、医药、环境监测及材料工业等多个领域中［12-15］。近年来，有关希夫碱型噻二唑对金属离比色检测屡见不鲜，其作用机理是以噻二唑环作为金属离子接受体，以取代苯基为信号报告基或发色团，利用亚氨基作连接臂，通过紫外、比色等方法研究含噻二唑的希夫碱对金属离子识别性能。如陶文波［14］等合成了希夫碱-1，3，4-噻二唑，用比色法实现了对Cu2＋灵敏的检测。但希夫碱型噻二唑用于对阴离子识别报道相对较少，据此，本文在前期工作的基础上，以对氨基苯甲酸、硫酸二甲酯、氨基硫脲、水杨醛等为原料，经过取代、环化、缩合等反应，合成得到希夫碱型噻二唑（A），并将A作为阴离子识别探针（图1）。实验表明，探针A对氟离子具有快速、灵敏、显色的识别性能，是优良的氟阴离子裸眼识别传感器。

图1 阴离子比色探针A的结构式

1 实验部分

1．1 仪器和试剂

TU1901紫外可见分光光度计（北京谱析）；Bruker AV400MHz核磁共振仪（DMSO-d6，TMS内标）；Bruker傅立叶变换红外光谱仪（KBr压片）；PE-2400CHE型元素分析仪；元素分析使用Flash EA 1112型元素分析仪测定。

对氨基苯甲酸、硫酸二甲酯、三氯氧磷和氨基硫脲为国药集团产品。乙腈使用前重蒸馏，并经光谱检验无杂质。氟化四丁基铵为Acros产品，其它阴离子四丁基铵盐是由相应的酸与四丁基氢氧化铵溶液反应制得。光谱测绘中主体分子浓度恒定为1×10-5mol·L-1。

1．2 探针A的合成

1．2．1 对二甲氨基苯甲酸合成

将0．05mol对氨基苯甲酸溶于适量的饱和碳酸钠溶液中，磁力搅拌下滴加0．10mol硫酸二甲酯（密度1．33g／mL）至白色沉淀析出完全，室温继续反应2h后过滤得对二甲氨基苯甲酸粗品，用乙醇-水重结晶纯化得白色针叶状纯品，待用。

1．2．2 2-氨基-5-（对二甲氨基）苯基-1，3，4-噻二唑合成

按文献［13］合成2-氨基-5-（对二甲氨基）苯基-1，3，4-噻二唑。分别取0．02mol对二甲氨基苯甲酸与0．02mol氨基硫脲于100mL圆底烧瓶中，缓慢加入20mL三氯氧磷加以混合并置于75℃油浴中回流反应1h。冷却至室温，磁力搅拌下于反应液中加入40mL的水，再置于110℃油浴中回流4h。停止反应后，冷却至室温，滴加50%KOH调节pH至8～10，抽滤、水洗，粗品用乙醇重结晶得纯品，待用。

1．2．3 水杨醛缩氨基-5-（对二甲氨基）苯基-1，3，4-噻二唑（A）合成［14］

在50mL圆底烧瓶中，分别取0．01mol 2-氨基-5-（对二甲氨基）苯基-1，3，4-噻二唑、0．01mol水杨醛以及25ml无水乙醇，加以混合后于90℃油浴中回流反应4h。停止反应后蒸出过量的溶剂，有橙红色固体析出，乙醇重结晶两次得到橙色晶体，产率为78%。

图2 乙腈中探针A（a）及其6倍量的F-存在（b）时吸收光谱变化轨迹

2 结果与讨论

2．1 探针A的表征

分别用IR、1H NMR、13C NMR及元素分析表征其结构。IR（KBr，cm-1）ν：3 286，3 113，2 913，1 606，1 525，1 421，1 367，1 191，943，815，750，607。1H-NMR（400MHz，DMSO-d6），δ （ppm）：11．45（s，1H），9．17（s，1H），7．89（d，J＝6．8Hz，1H），7．77（d，J＝8．9Hz，2H），7．52～7．46（m，1H），6．99（d，J＝8．1Hz，2H），6．81（d，J＝5．9 Hz，2H），3．01（s，6H）；13C-NMR（400MHz，DMso-d6），δ （ppm）：171．51，166．91，166．80，161．12，152．60，151．49，135．90，130．85，129．06，127．86，120．38，120．01，119．05，117．60，117．39，112．42，112．37，40．64，40．43，40．22，40．14，40．01， 39．80， 39．59， 39．38。 元 素 分 析 按C17H16N4OS：实验值（计算值）／%：C，61．89（62．94）；H，4．82（4．97）；N，16．95（17．27）。

2．2 探针A对氟离子吸收光谱响应

图3 乙腈中20倍量阴离子存在时探针A的吸收光谱变化轨迹

图4 50倍量阴离子存在时探针A的颜色变化

2．3 探针A对F-识别机理

2．3．1 A与F-作用本质

F-存在时探针A溶液中颜色的变化、吸收光谱的红移，表明探针分子与阴离子之间发生了反应，生成了A-F-配合物；吸收光谱等吸收点出现，意味着探针A与F-之间有确定的定量作用关系。

为了考察受体分子与阴离子的作用本质，在探针A与F-共存的乙腈溶液中引入质子性溶剂甲醇，发现随甲醇量的递增（0～100μL），504nm处的吸收峰逐渐减弱，413nm处吸收峰逐渐增强，并逐渐恢复至未加氟离子时探针A的吸收光谱（图5）。这是由于甲醇分子给质子能力大于探针A，致使A-F-配合物发生离解，这种现象为探针A与阴离子间的氢键作用本质提供了证据。

2．3．2 A-F结合比、稳定常数及定量关系

采用摩尔比（Job-Plot）法［16］测定受体分子与阴离子结合比为1∶1，根据504nm处吸光度与氟离子浓度的变化曲线（图6）进行非线性拟合［17］，得到乙腈中 A-F-的结合常数为（5．57±1．38）×106mol-1·L，其它阴离子结合常数因太小不能拟合。

图5 F-加入A乙腈溶液中吸收光谱（a）；CH3OH引入A-F-乙腈溶液中吸收光谱（b）

图6内插图显示：当氟离子浓度在0～35μmol·L-1范围内，504处吸光度与氟离子浓度之间有极好的线性关系，回归方程为Abs（504nm）＝4971C-4．743，相关系数为0．9993，F-最低检出限为2．6×10-7mol·L-1（n＝20）。

图6 504nm处A与氟离子浓度之间的拟合曲线

3 结论

用简便的方法设计合成了结构简单的氟离子比色探针——水杨醛缩氨基-5-（对二甲氨基）苯基-1，3，4-噻二唑（A）。紫外光谱研究发现，探针A在F-引入时，吸收光谱发生明显红移，比色反应显示氟离子存在A溶液的颜色由黄色变为红色。Job-Plot法测出A与F-的结合比比为1∶1，非线性拟合得到A与F-结合常数大于106mol-1·L；当氟离子浓度在0～35μmol·L-1区间内，探针A与F-浓度之间呈极好的线性关系，最低检出限为2．6×10-7mol·L-1（n＝20），可见，探针A是优良的氟离子比色探针。本文工作对于设计和发展杂环型的灵敏度高、选择性好的比色传感阴离子探针分子模型提供一定的设计思路。

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