苏 柯，何盈春，刘 利，李佳锐，刘矩苇，杨 颖，雍 芮

(1.四川文理学院 化学化工学院，四川 达州 635000；2.阿坝师范学院 资源与环境学院，四川 阿坝 623002；3.四川职业技术学院 能源化工学院，四川 遂宁 629099)

0 引 言

自21世纪以来，工业技术发展迅速，人民的生活水平得到了很大的提高，但同时，人类与环境都付出了十分惨痛的代价.[1]由于工业“三废”不节制排放，许多重金属及其化合物被排放到大自然中，严重地污染了自然环境.[2]其中，重金属污染[3]问题往往首当其冲，在土壤之中富集的重金属，可能会使土壤的质地发生不可能逆转的破坏，使得农作物污染且导致产量下降，给农业带来巨大的负面影响；其次重金属污染环境并聚集到植物体中，然后通过食物链逐级富集，最终进入人体.重金属在体内不仅会破坏金属离子浓度的平衡，当超过最大存在浓度就会造成重金属中毒，比如钯中毒、汞中毒等，而且，还不会被代谢排出体外.

当前重金属离子浓度检测的方法有很多种，[4]包括有电化学法、原子吸收光谱和分光光度分析法等.但是大多数方法都存在着一些弊端，[5]比如说：实验条件十分苛刻、仪器设备特别昂贵和样品的预处理程序非常复杂等.所以，如今找到一种简洁且方便、快速并抗干扰能力强的检测重金属离子的浓度方法尤为重要.[6]

研究发现，作为可以简便且快速地检测重金属离子的浓度的方法——荧光探针化学传感器，相较于经典方法，该方法检测速度更快、操作比较简单、成本也更加低廉.[7]目前，该方法已经在生物医药、化学化工、材料科学、水质环境等多个领域得到初步应用，已成为一种重要的分析检测手段.[8]但是目前，部分已研究的荧光探针[9]还存在一些不足，比如合成步骤繁琐难度大、灵敏度弱、检测溶剂往往依赖于有机溶剂，因此设计合成新型小分子探针，并使得它们有更加优异的综合性能，具有重要意义.

纵览文献，[10]噻二唑类化合物具有较大的共轭体系与电子推拉结构，并且其结构式中的氮和硫原子结构上都具有孤对电子，可以形成多齿的配位点，理论上可以特异性的与某些金属离子进行螯合作用.本文以糠酸为原料，一步缩合，得到一种呋喃与噻二唑互联的双环荧光化合物2.通过多种表征技术对其进行了结构表征和荧光性能研究.结合实验数据和guassian09计算结果，对其荧光探针机理进行了初步的讨论.

1 实验

1.1 实验试剂及仪器

硅胶板(三色分开)：青岛海洋化工厂分厂；糠酸：绵阳达高特试剂公司；盐酸氨基硫脲：成都西亚试剂公司；三氯氧磷，氢氧化钠甲醇和乙醇：成都科隆化工；反渗透水(RO)：自制.所有试剂均为分析纯(AR).

x-4数显显微熔点测定仪：巩义市予华仪器有限责任公司(温度计未再校正)；集热式恒温加热磁力搅拌器(DF-101S)：上海临科实业科技有限公司；真空干燥箱(DZF-6050AB) ：北京中兴伟业仪器有限公司；电子天平(HZK-FA210)：福州华志科学仪器有限公司；旋转蒸发仪(RE52CS-1)：上海亚荣生化仪器厂；三用紫外分析仪(ZF-1)：杭州齐威仪器有限公司；循环水真空泵(SHB-B95A)：北京中兴伟业仪器有限公司；荧光光谱仪(LS55)：美国珀金埃尔默仪器公司；紫外可见分光光度计(UV-1800PC)：上海美谱达仪器有限公司；傅里叶变换红外光谱仪(Spectrum 100)：美国Perkin Elmer仪器公司；液相色谱-质谱联用仪(1200L)：美国Varian公司；超导核磁共振波谱仪(Bruker Avance III 600)：瑞士Bruker公司.

1.2 互联双环类化合物的合成

一般来说，羧酸可以在强酸如硫酸、盐酸、三氯氧磷或氯化磷等的作用下进行缩合反应构建噻二唑环.所以，本文以糠酸为原料，氨基硫脲为缩合试剂，在三氯氧磷的作用下，一锅生成5-氨基-2-呋喃基-1,3,4-噻二唑.请注意，本实验具一定的危险性，应该采取科学的实验保护措施，此外三氯氧磷的量必须过量，以确保硫脲完全溶解于反应体系中，才能获得较高的化合物2的产率，反应结束后，除去过量的三氯氧磷，否则淬灭时危险性较高.目标产物通过紫外-可见光(UV-Vis)、傅里叶-红外(FT-IR)、液相质谱(LC-MS)、核磁(1H-NMR)进行了结构表征.

在装有磁子、温度计和冷凝管的反应瓶(100 mL)中，加入2.240 g糠酸(化合物1，20 mmol)，氨基硫脲(1.820 g，20 mmol)，再缓慢加入30 mL三氯氧磷.在搅拌时，将反应物缓慢加热到75 ℃，直至固体完全溶解，使其保持反应5 h.冷却至室温后，减压蒸馏除去过量的三氯氧磷.在所得剩余物中缓慢滴加60 mL RO水，加热回流，并且搅拌5 h，由薄层色谱(TLC)确定反应终点，冷却，冰水浴中用10 mol/L氢氧化钠溶液中和反应至pH =8，析出黄褐色的固体.过滤析出固体，水洗，干燥，甲醇重结晶，得到2.492g的亮黑色晶体，收率为74.6%， m.p.>300℃.

1.3 光学性能和反应机理研究

通过荧光发射光谱仪和紫外可见光分光光度计测定化合物2的荧光和紫外性能，研究不同金属离子对其荧光和紫外性能的影响及其规律. 将化合物2 和多种金属离子配制为ppm级别的溶液，分别取相等摩尔的化合物2和对应的金属离子溶液充分混合，测试荧光发射光谱、紫外吸收光谱并用肉眼观察溶液颜色变化，探索金属离子与化合物2的反应特性.对能与化合物2特征性作用的金属Pd2+离子，利用紫外与荧光滴定，jobs方程确定荧光物质与金属离子的配比，通过Stern-Völmer 方程计算化合物2对Pd2+离子检测限.此外，结合化合物2的金属Pd2+离子的配比，通过guassian09，使用密度泛函理论，对它们的理论机构进行模拟计算，并初步分析化合物2与金属离子的作用机理.

2 结果与讨论

2.1 化合物的表征数据

化合物2的UV-Vis图谱是将化合物2溶于水中，在紫外可见光分光光度计中测试得到的(图2(a))，化合物2的FT-IR图谱是将化合物2与无水KBr充分研磨混合压片，在红外光谱仪测试而得(图2(b)).在UV-Vis图谱中，我们可以看到，化合物2在200-350 nm间的波长范围内出现吸收峰，λmax为305 nm，此外245 nm 处还伴随有肩峰.由FT-IR图可以看出，在化合物2 中，氨基中N-H伸缩振动峰在 3298.1 cm-1处左右；芳烃的C-H伸缩振动峰在3085.2 cm-1左右，氨基中N-H的伸缩振动峰2952.1cm-1左右；C=C和C=N的伸缩振动峰在1620.1 cm-1处左右，N-H弯曲振动峰1496.3 cm-1处，N-H伸缩振动峰在1149.2 cm-1处左右.

(a)

(b)

化合物2的MS图3(a)是将化合物2溶于甲醇后进样，采用ESI正离子模式，在液质联用质谱仪中测试而得，化合物2的NMR图谱是将化合物2溶于氘代DMSO中，在扫描分辨率为600 MHz条件下，在超导核磁共振波谱仪测试而得.通过chemdraw计算可知化合物2的分子量是167.0，图3(a)中168.0处的离子碎片峰为该化合物的[M+H]+分子离子峰.化合物2的1H-NMR谱图(图3(b))，分析可知7.83 ppm (d，1H)，6.94 ppm(d，1H)和6.66 ppm处的三种氢质子的化学位移为呋喃环的三种氢的核磁信号，然后，噻二唑环不具有氢质子，故噻二唑环上没有化学位移峰，而噻二唑环上的伯氨基具有7.44 ppm处的氢信号 (s，2H).总体而言，核磁信号中出峰的化学位移，裂分情况与化合物2化学结构中四组氢相匹配，也与其氢的位置结构相符合.

(a)

(b)

2.2 光学性能结果与讨论

2.2.1紫外光谱性质

图4(a)为化合物2的水溶液在有无不同金属离子作用下的紫外-可见光谱图. 如图所示，化合物2的最大吸收波长为305 nm，其最大吸收波长不受Zn2+、Mn2+、Mg2+、Pd2+、Ca2+、Ni2+、Ce3+、Rb+、Y3+、La3+和Cu2+等金属离子的影响.但是当引入金属Pd2+波长还从305nm 红移到了350nm 左右，发生了红移，这可能是由于化合物2可以时，我们可以看到化合物2发生了明显的的红移，并且在最大吸收波长下吸光度(A)有了明显的增加，这可能是由于化合物2与Pd2+形成配位化合物，降低了它的共轭程度，导致其发生红移. 将化合物2和金属Pd2+的浓度之和固定为10-2M，改变组成比例，得到job’s图3(b)，由图可知，化合物2和Pd2+的化学计量比为1：1.

(a)

(b)

2.2.2荧光光谱光谱

图5(a)为化合物2的水溶液在有无不同金属离子作用下的荧光发射强度图， 数据表明，化合物2具有很强的荧光，当一当量的Zn2+、Mn2+、Mg2+、Pd2+、Ca2+、Ni2+、Ce3+、Rb+、Y3+、La3+或Cu2+金属离子溶液与化合物2充分混合后，化合物2荧光发射光谱强度几乎没有改变.然而，一当量的Pd2+却可以将化合物2的荧光强度淬灭一半以上.这可能是因为化合物2和Pd2+的配位形成了非荧光络合物.这一特性表明，化合物2可作为选择性检测Pd2+的化学传感器.为了进一步探究化合物2与金属Pd2+的作用情况，在PBS(pH = 7.4)中对化合物2进行荧光滴定实验.由图4(b)可知，化合物2在最大发射波长425 nm处的发光强度随着金属钯浓度的增加而逐步降低.当分子摩尔比达到1：1时，化合物2的荧光强度降到原来的1/3以下.再增加Pd2+的量，荧光强度几乎没有改变，荧光滴定实验发现，化合物2对Pd2+具有选择性，也再一次证明化合物2与Pd2+之间形成的配位比为1：1.

(a)

(b)

2.2.3应用潜力探讨

通过荧光滴定数据探究了化合物2的灵敏度(图6(a).由图可见，加入Pd2+浓度在0.01 μM-0.1 μM之间时，化合物2的荧光发射强度与加入的Pd2+浓度呈负相关关系.通过Stern-Völmer方程计算可知，化合物2对Pd2+离子的检出限低至4.35×10-7mol/L.此外，荧光化合物中荧光团的荧光性能往往受到溶液pH作用，从而干扰金属离子的检测.因此，研究了水溶液中pH浓度对化合物2的Pd2+识别作用效果.在6.0-9.0的pH范围，化合物2的荧光发射强度几乎不变.有趣的是，如图所示，在加入1eq Pd2+后，在所有pH范围内化合物2的荧光淬灭严重，表明化合物2可以用于6.0-9.0的pH范围内检测Pd2+.本文在PBS(磷酸盐缓冲盐水)的pH=7.4处进行了进一步的荧光实验，以期日后开发其生物系统中的潜在应用.

(a)

(b)

2.3 荧光淬灭机理讨论

通过上述实验我们发现化合物2和金属Pd2+离子的配位比为1:1，为了研究其作用机制，本文利用Guassian09 软件，采用用密度泛函理论(DFT)，优化了化合物2配位前后的结构(C，H，O，N和S元素选用b3lyp/6-311+g基组，Pd元素选择lanl2dz基组)的.注：感谢李良春博士对计算机仿真实验的支持.有趣的是，Pd2+和化合物2中的呋喃环上的O噻二唑环上的N之间形成了配位键，形成稳定结构.由图7可见，Pd2+的引入，破坏了化合物2的共平面性，降低了它的的共轭度，使其荧光淬灭.

图7 化合物2配位前后的优势构象示意图

为了进一步了解络合后的光学变化原因，进一步计算了化合物2在配位前后优势构象的前沿轨道形状和能量(图8).在化合物2中，HOMO和LUMO电荷分布均匀，但在络合物中的电荷主要位于金属Pd2+附近上.由此推断Pd2+的配位阻碍了化合物2的分子内电荷(ICT)转移，导致荧光猝灭.此外，络合物的HOMO和LUMO之间的能级差比化合物2的要小一些，这与之前的紫外与荧光滴定过程中的红移一致.

图8 化合物2配位前后的分子轨道示意图

3 总结与展望

综上所述，本文以糠酸为原料，合成了一种新型的呋喃并噻二唑的双环荧光化合物2，该化合物具有良好的荧光性能和对Pd2+的高选择性识别.pH对Pd2+识别的影响表明，化合物2可以用于在6.0-10.0的很宽的pH范围内检测Pd2+.PBS中Pd2+化合物2(磷酸缓冲盐pH=7.4)荧光滴定表明，Pd2+检测极限为4.35×10-7M(0.114ng/L).化合物2可以实现简单、快速、方便的现场检测，而无需复杂、昂贵的设备.荧光滴定和紫外jobs图表明， Pd2+与化合物2的配位摩尔比为1：1，以及化合物2中的3′N和呋喃环上O原子是可能的配位位点.密度函数理论表明，Pd2+的配位使化合物2的共平面度和共轭性降低，导致荧光淬灭.此外，络合后，LUMO和HOMO之间能隙更小，这与Pd2+对化合物2的紫外-可见滴定中的红移结果吻合. 化合物2具有高灵敏度、短响应时间、好选择性、高准确度等优点，可用于检测Pd2+.此外化合物2作为一个呋喃并噻二唑的有机小分子荧光探针，合成容易不同于传统荧光探针分子，具有后续开发潜力.