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卟啉枝接离子载体:新型阳离子荧光探针的设计与合成

罗红元  
【摘要】: 金属离子是化学、生命科学、环境科学和医学等科学领域研究的重要对象,对溶液中金属离子的识别和检测是分析化学的重要任务之一。荧光分子探针能够将分子识别的信息转换成能被感知的荧光信号,具有灵敏度高、选择性好、能够实现开关操作、对亚微粒具有可视的亚纳米空间分辨能力和亚毫秒时间分辨能力、原位检测(荧光成像技术)以及利用光纤进行远距离监测等众多优点。而在灵敏度上荧光增强型离子探针又比荧光猝灭型具有优势。一般的荧光探针(包括荧光猝灭型和荧光增强型)的荧光强度很容易受实验因素的影响,如入射光强度的变化、荧光染料所处的微环境变化以及荧光染料浓度的变化等等。采用荧光比例的方法能够很好的校准这些误差,提供更加精确的实验测量数据。 卟啉(H2TPP)化合物具有非常好的光学性质,是一种理想的荧光物质,具有高的荧光量子产率、大的Stokes位移、相对长的激发( 400 nm)和发射( 600 nm)波长,而相对长的激发和发射波长能够减少背景荧光的干扰,是一种值得进行深入研究的离子荧光染料。由于卟啉直接作为识别基团对离子响应速度非常慢,本论文重点探讨在传统的受体分子上按照荧光分子探针设计原理连接卟啉分子构造荧光探针用于识别金属离子的研究。在这个思想的指导下,我们首先试验了卟啉修饰汞离子识别基团(1,4,8,11-四氮杂环十四烷,cyclam),设计出汞离子探针。卟啉基团通过含四个碳原子的直链烷烃与1,4,8,11-四氮杂环十四烷连接在一起。依据四苯基卟啉的合成方法,通过控制苯甲醛与对羟基苯甲醛的配比合成单羟基卟啉。单羟基卟啉经过单取代1,4-二溴丁烷,最后与1,4,8,11-四氮杂环十四烷得到目标产物H2TPP-Cyclam。H2TPP-Cyclam对汞离子有很好的响应。紫外光谱表明汞离子在1,4,8,11-四氮杂环十四烷的作用下很快与卟啉环络合。汞离子浓度在1.0×10~(-7)-1.0×10~(-4) M范围内,具有很好的响应,最低检测限为2.1×10~(-8) M,常见的离子对汞离子的测量干扰很小。 联吡啶(BPy)是一种很好的铜离子识别基团。依据荧光分子探针设计方法,将卟啉修饰联吡啶基团设计对铜离子响应的荧光探针。通过SeO_2与Ag_2O氧化4,4′-二甲基-2,2′-联吡啶合成4-甲基-2,2′-联吡啶-4′-羧酸,该化合物转化为酰氯与5-(4′-氨基苯基)-10,15,20-三苯基卟啉反应得到目标产物H_2TPPBPy,将H_2TPPBPy固定在PVC基质制备铜离子光纤传感器。紫外光谱表明铜离子只与联吡啶基团络合,联吡啶络合铜离子使卟啉发生光致电子转移(PET)过程猝灭卟啉的荧光。在pH 6-8,铜离子浓度在2.0×10~(-8)-1.0×10~(-5) M范围内,传感器具有很好的响应,最低检测限为5×10~(-9),常见的离子对铜离子的测量不产生干扰。 探针的选择性包括识别基团结合的选择性和报告基团光学性质的选择性,利用H_2TPPBPy与Zn(OAc)_2反应合成ZnTPPBPy。ZnTPPBPy对铜离子有很好的响应。紫外光谱表明联吡啶与铜离子络合使锌卟啉发生PET过程而猝灭锌卟啉的荧光。在pH 5-7,铜离子浓度在3.2×10~(-7) - 1.0×10~(-5) M范围内,具有很好的响应,最低检测限为5×10-8 M,常见的离子对铜离子的测量不产生干扰。 卟啉作为电子给体在光化学中得到了广泛的研究,而吡啶(Py)是一个很好的电子受体。按照荧光分子探针设计方法,将卟啉与三联吡啶(TPy)连接在一起,构成一个分子内电子给-受体系。用一步简化的氧化法合成2,2′:6′,2′′-三联吡啶-4′-羧酸,该化合物与5-(4′-氨基苯基)-10,15,20-三苯基卟啉反应得到三联吡啶卟啉(H_2TPPTPy)。三联吡啶由于空间位置排布,具有一定的半敞开结构,提高了其对离子络合的选择性。通过光致电子转移过程,三联吡啶基团猝灭卟啉基团的荧光。 三联吡啶基团与镉离子络合后,阻止了光致电子转移过程,使卟啉基团荧光恢复,依据这个现象,研制出荧光增强型镉离子探针。在pH 7-11,镉离子浓度在3.2×10~(-6) - 3.2×10~(-4) M,具有很好的荧光响应。铜离子和锌离子对镉离子测定干扰比较严重。8-羟基喹啉是一种比吡啶更好的离子络合剂。8-羟基喹啉的苯甲酸酯对Hg~(2+)具有选择性,而且与汞离子络合作用抑止了8-羟基喹啉非辐射跃迁,使8-羟基喹啉的荧光增强非常明显。而四苯基卟啉具有四个苯基,如果我们利用羧基卟啉与8-羟基喹啉生成酯类化合物,就可以设计出一种新的汞离子探针。通过控制苯甲醛与对醛基苯甲酸甲酯的配比合成含一个苯甲酸甲酯的卟啉,然后在碱性条件下水解成羧基卟啉。羧基卟啉在缩合剂1-(3-二甲胺基丙基)-3-乙基碳化二亚胺盐酸盐作用下与8-羟基喹啉反应得到探针分子1。8-羟基喹啉基团与汞离子络合作用诱导卟啉荧光在603 nm处增强,在646 nm处猝灭。在pH 6,汞离子浓度为3.0×10~(-7)-2.0×10~(-5) M,能产生稳定的响应和适中的选择性。 含有分子内氢键的喹唑啉(PQ)衍生物在光条件下将发生激态分子内氢键的转移(ESIPT),产生一个波长更长的荧光,是一种优异的荧光基团。氢键受体一般是氮原子,按照荧光分子探针设计方法,对氨基喹唑啉修饰离子识别基团(2-吡啶甲氨基,DPA),研制出钴离子探针(BpyPQ)。邻氨基苯甲酰胺与硝基苯甲醛在酸性条件下成环,通过2,3-二氯-4,5-二氰基-1,4-苯醌氧化成喹唑啉,然后将硝基还原成胺基,再与氯甲基吡啶发生取代反应得到探针分子BpyPQ。当DPA三个氮原子与钴离子发生作用,作为激态分子内氢键转移的氢键受体——氮原子的孤对电子与钴离子形成配位键,阻止了ESIPT过程,导致了由ESIPT过程产生的荧光。在pH 7-9.5,钴浓度为3.2×10~(-8)-1.4×10~(-6) M,能产生稳定的响应和好的选择性。 具有nπ~*激发单线态的分子在溶液中是非发射的,将分子最低能量激发单线态由nπ~*激发态转变成ππ~*激发态,荧光将会从无到有。8-羟基喹啉(8-HQ)形成的酯类衍生物中由于羰基氧原子的孤对电子使8-HQ最低能量激发态为nπ~*,导致其酯类化合物荧光非常弱。羰基与金属离子和H+作用导致其最低能量激发单线态由nπ~*转变成ππ~*,发出强烈的荧光。将间苯二甲酸转化为酰氯与8-HQ反应,得到探针分子DQIP。羰基与H+作用导致其最低能量激发单线态由nπ~*转变成ππ~*,发出强烈的荧光。实现了H+离子的高选择性检测,H+使DQIP的荧光增强18倍。在pH 1-6.5范围内,具有稳定的信号响应。


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