2-肼基苯并噻唑衍生物比色识别Cu2+

黄 磊，周贤亚，包 磊，陈 宇，姜英豪，李 超，胡雨阳

(皖西学院 实验实训教学管理部，安徽 六安 237012)

由于阳离子在各种生物和化学过程中的重要作用，高效阳离子比色传感器的构建和合成一直受到人们的广泛关注[1-4]。Cu2+作为过渡金属二价阳离子，是动植物体内必要的微量元素，在红细胞生成、酶活性、中枢神经等多种生物过程中起着重要的作用。然而，Cu2+在体内的过度累积会引起一系列严重的疾病，如阿尔茨海默氏病，威尔逊氏病等[5-8]。因此，快速、灵敏检测环境中Cu2+的方法研究具有重要的现实意义[9]。

有机小分子探针传感识别Cu2+是重要的研究方向，目前已经设计、合成了许多比色荧光探针[10]。但是，由于Cu2+具有顺磁荧光淬灭，大多数荧光探针都是荧光淬灭型的，并且探针的溶解性、合成过程烦琐，大大地降低了实际应用性[11]。而比色探针由于可以实现裸眼识别，不需要借助大型仪器，受到广大研究工作者青睐[12-14]。本文以2-氨基苯并噻唑为识别基团，二苯乙二酮和9, 10-菲二酮为生色团，通过缩合反应制备得到化合物2-(2-苯并噻唑肼亚基)-1, 2-苯基-1-乙酮和10-(2-苯并噻唑肼亚基)-9-菲酮，即探针L1和L2(结构如图1所示)，并考察其结构对Cu2+的选择性、灵敏性等识别性能影响。

图1 探针结构

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

光谱实验中所用的17种金属阳离子为相应的氯化物或硝酸盐。药品和试剂购置于麦克林试剂公司，除乙腈为色谱级，其他药品和试剂均为分析纯，使用前未进一步纯化。2-肼基苯并噻唑和探针L1参照文献方法合成[15]。

1.2 比色探针L2的合成

比色探针L2的合成方法如图2所示。具体合成步骤如下：向反应瓶中依次加入2-肼基苯并噻唑0.25 g(0.015 mol)、9,10-菲二酮0.31 g(0.0015 mol)和无水甲醇30 mL，加热回流。TLC跟踪反应进程，判断反应是否完全。冷却反应液并置于冰箱一周。过滤反应液，粗产物用无水乙醇重结晶。1H NMR(δ, ppm, DMSO-d6): 11.99 (s, 1H, NH), 8.53 (d, 1H, Ar-H), 8.18～8.02 (m, 3H, Ar-H), 7.87～7.36 (m, 8H, Ar-H)。

图2 探针L2的合成方法

1.3 比色探针L2光谱实验

1 mmol/L比色探针测试母液用CH3CN配制，金属阳离子用二次蒸馏水配成浓度为10 mmol/L。紫外光谱测定实验中探针L2浓度为20 μmol/L，金属阳离子采用微量进样器累积加入，每次扫描间隔时间不超过3 min。

2 结果讨论

2.1 合成与表征

合成了两种具有不同结构的2-肼基苯并噻唑衍生物 (L1和L2)。用1H NMR对L2进行了表征。图3紫外可见吸收光谱图显示两种探针的最大吸收峰波长、吸光度有显著的不同，L1最大吸收峰在355 nm处(εmax=1.15×104L·mol-1·cm-1)，而探针L2最大吸收峰在471 nm(εmax=1.48×104L·mol-1·cm-1)，相对于L1，其吸收峰红移116 nm，这是由于探针中9,10-菲二酮和二苯乙二酮的共轭及刚性程度不同造成的。

图3 探针L1和L2在乙腈中的紫外吸收光谱图(浓度均为20 μmol/L)

2.2 探针对Cu2+的比色响应

首先利用紫外吸收光谱考察探针(L1和L2)在乙腈溶剂中与17种金属阳离子作用情况(Na+、K+、Ag+、Cu2+、Hg2+、Ca2+、Mg2+、Ba2+、Pb2+、Zn2+、Ni2+、Co2+、Cd2+、Mn2+、Fe3+、Al3+和Cr3+)，如图4a和4b所示。与其他金属阳离子相比，探针L1和L2与Cu2+作用后最大吸收峰红移，并且溶液颜色变化明显(图4内插图)。因此，化合物L1和L2可以作为潜在的Cu2+比色识别探针。

图4 探针L1 (a) 和L2 (b)与不同金属离子作用前后吸收光谱(内插图为作用前后溶液颜色情况)

为进一步确定探针L1和L2与Cu2+的定量关系以及结构对识别性能的影响，我们进行了滴定实验。由图5a和5c所示，随着Cu2+浓度的累积增加，探针L1和L2分别在355 nm和471 nm处的吸收峰强度逐渐减弱，同时518 nm和588 nm处出现新的吸收峰，强度逐渐增加。两种探针与Cu2+作用后都出现红移现象，这是因为Cu2+配位诱导的LMCT(配体-金属电荷转移)增强效应。分别以A518 nm/A355 nm和A588 nm/A471 nm为纵坐标，以Cu2+的浓度为横坐标作图，得到良好的线性关系图(图5b和5d)，相关系数R2分别为0.99474、0.99743。根据最低检测检测限公式DL=3σ/k[16](σ为空白溶液扫描11次标准偏差，k为线性方程斜率绝对值)计算出DLL1和DLL2分别为1.2 μmol/L 、0.8 μmol/L，L2的检测灵敏性比L1好，两者均低于WHO规定饮用水中含Cu2+最高标准值20 μmol/L。

图5 (a)和(c)分别为探针L1和L2与Cu2+滴定图；(b)和(d)分别为探针L1和L2与Cu2+线性关系图

抗干扰性是比色探针能够在实际应用中的一个必不可缺少的影响因素。向20 μmol/L探针L1和L2溶液中分别加入其他待测阳离子，再加入Cu2+，记录518 nm和588 nm吸光强度值变化。如6a所示，在其他阳离子共存情况下，探针L1和L2检测Cu2+吸光度强度值不受影响，两种探针具有良好的抗干扰性能。最后，为进一步验证探针L1和L2对Cu2+比色识别性能，向20 μmol/L探针L1和L2溶液中依次加入不同浓度的Cu2+，探针L1由淡黄色变为粉红色，而探针L2由深黄色变为蓝紫色，探针L1和L2对Cu2+的裸眼识别检测浓度分别达到10 μmol/L和5 μmol/L。

图6 (a) L1和L2与Cu2+抗干扰性三维图；(b) L1和L2分别与不同浓度的Cu2+比色识别图

2.3 探针对Cu2+的比色机理探针

为了探讨探针与Cu2+的比色传感机理，以L2为例，我们首先利用等摩尔连续变化法测定探针L2与Cu2+两者结合比，即恒定主客体浓度20 μmol/L，改变两者摩尔比，记录588处吸光度值。如图7所示，

图7 探针L2与Cu2+结合比图

摩尔分数0.33时588 nm吸光强度值最大，说明探针L2与Cu2+之间的摩尔比为2∶1。

向探针L2溶液依次交替加入Cu2+和EDTA，配合物L2- Cu2+受到EDTA的影响后588 nm处的紫外吸收峰下降，471 nm吸收峰重新出现，这是由于EDTA与Cu2+形成强络合物，从而竞争夺取Cu2+。综上实验结果表明探针L2与Cu2+之间的作用机理可能为2:1的配位作用，并结合L1-Cu2+相关文献研究内容[17,18]，因此我们推测L2与Cu2+作用机理如图8所示。

3 结论

通过2-肼基苯并噻唑分别与二苯乙二酮、9, 10-菲二酮缩合反应得到两种探针L1和L2。紫外光谱实验、裸眼比色识别实验均表明探针L2对Cu2+识别灵敏性比L1好。利用等摩尔连续变化法、可逆性实验证明了探针L2能够与Cu2+发生2∶1金属-离子配位。与二苯乙二酮相比，生色团9, 10-菲二酮有更好的刚性结构，L2本身以及L2-Cu2+配合物都在较长波长处出现最大吸收峰。虽然探针L1和L2能够比色裸眼识别Cu2+，但是由于生色团(二苯乙二酮、9, 10-菲二酮)和探针-Cu2+都不具有荧光性，并且吸收波长没有达到650 nm以上，这些因素限制了它们在实际中的具体应用，因此，相关的研究工作仍需要进一步扩展。

图8 探针L2与Cu2+作用机理图