大连理工超分子化学大作业(共7页)

1、超分子(fnz)化学大作业(zuy)罗丹明-大环多胺共轭体系作为(zuwi)高灵敏高选择性的Hg(II)荧光探针罗丹明-大环多胺共轭体系作为高灵敏高选择性的Hg(II)荧光探针引言：在2008年一篇题为A Rhodamine-Cyclen Conjugate as a Highly Sensitive and Selective Fluorescent Chemosensor for Hg(II)的文章发表在Journal of Organic Chemistry上，作者为Yasuhiro Shiraishi、Shigehiro Sumiya、Yoshiko Kohno和Takayuki Hi

2、rai等人。该团队将罗丹明B与1,4,7,10-四氮杂环十二烷相连，合成了“off-on”型荧光探针1，以530nm作为激发波长，研究其乙腈溶液在加入Hg(II)前后的荧光变化。结果表明：加Hg(II)之前，探针分子无明显荧光，加入10倍当量的Hg(II)后，在580nm处产生非常强的荧光，其原因是该分子可以与Hg(II)形成1:2的配合物，其中一个Hg(II)与杂环配位，另一个Hg(II)与羰基氧及共轭体系配位，并使得螺环发生开环反应，从而显示出较好的荧光，该探针对Hg(II)选择性好，灵敏度高响应快速（1min）。本文就该文章的实验过程及Hg(II)荧光探针的研究成果进行讨论。原文(yun

3、wn)概要：设计(shj)和发展(fzhn)检测生物和环境中重要金属离子的荧光化学传感器在近些年非常重要，因为荧光化学传感器可以不损伤生物体并且快速的检测金属离子，这是通过荧光增强（turn-on）或者荧光淬灭（turn-off）的简单途径实现的。Hg(II)是环境中最有害的物质之一，所以，目前为止，大量的的用于检测Hg(II)的荧光化学传感器被合成出来。但是，大部分的传感器是荧光淬灭型的，荧光增强型的传感器还是很少。罗丹明是一种广泛应用于荧光标记试剂的染料，因为它具有卓越的光物理性质，比如较长的吸收和发射波长、较大的摩尔吸光系数和较高的荧光量子产率等。最近，各种以罗丹明为基本原料的Hg(II

4、)荧光传感器被提出，Hg(II)的反应机制是基于螺环结构和开环结构的相互转换。没有Hg(II)时，传感器处于不发射荧光的螺环结构。加入Hg(II)后，形成具有配体基团的异构体，结果螺环结构开环形成橘红色荧光并且溶液由无色变为粉色。但是，这些传感器在敏感性上存在不足（发射光增强因子1000），在选择性上也不足（对Hg(II)的响应少于对其他离子响应的20倍）。所以，从这方面来讲，目前的传感器还不能实际应用。一种罗丹明大环多胺共轭化合物（1）是对Hg(II)有高度敏感性和选择性的荧光化学传感器。高的发射波长选择性来源于形成了Hg(II)-（1）的2:1的络合物导致（1）的螺环解开。罗丹明大环多胺共

5、轭化合物的合成(hchng)路线上图是共轭化合物的合成(hchng)途径(tjng)，罗丹明B的盐酸化物与POCl3反应之后再与2-溴乙胺的氢溴酸盐反应生成化合物（2）的产率为21%，化合物（2）再与大环多胺反应生成化合物（1）的产率为86%。这张图展示(zhnsh)了化合物（1）在CH3CN中不同(b tn)金属离子（10倍当量(dngling)）各自的荧光光谱（ex=530nm）。未加入阳离子时，化合物（1）表现出非常弱的荧光，加入Hg(II)后，在540-670nm处出现强的橙黄色荧光。b图显示在580nm处荧光增强因子为1700，远大于早期报道的以罗丹明为基础的荧光探针。而且，添加其他

6、金属阳离子几乎不产生荧光增强效应。Hg(II)的荧光增强效应大于50倍，较之前的同类探针的少于20倍有了较大改进。这些发现表明化合物（1）可作为高选择性的Hg(II)荧光探针。上图是用Hg(II)滴定化合物（1）产生荧光增强效应，当Hg(II)的量达到15倍当量时增强效应达到饱和。荧光增强效应在Hg(II)加入后立即产生并在1min之内到达最大值。上图a显示出化合物（1）的吸收光谱的改变情况。不加Hg(II)时，化合物（1）在450-600nm几乎不产生吸收，表明此时化合物（1）是螺环形式存在。加入Hg(II)后，在450-600nm产生明显的吸收，颜色由无色变为粉色且变化清晰明显。b中结果与

7、滴定法相似，在15倍当量时达到饱和。向溶液(rngy)中加入(jir)三乙烯四胺，Hg(II)导致(dozh)的橙色荧光和粉色溶液立即消失。表明化合物（1）与Hg(II)的作用是可逆的。因此化合物（1）的颜色变化和发射光谱可以理解为Hg(II)与化合物（1）作用时，螺环开环与闭环造成的。文章还对络合时的配位数进行了检测与说明。用Gaussian 03在几何学上进行模拟计算说明羰氧基配位的亲核作用合理性及另一个Hg(II)与大环多胺配位的合理性，并且阐述了使螺环结构解开的是羰氧基的配位作用。阐述了Cu（II）、Pb（II）等金属离子虽然也能和大环多胺进行配位，但是这些离子与大环多胺中氮原子的配位

8、作用强度远不及Hg(II)，这些离子亲电作用较强，与羰基氧的配位作用过于强烈，抑制了像Hg(II)那样进行1:2配位化合物的形成，也就不能使螺环解开，因此不产生像Hg(II)那样的明显尖锐吸收峰。闭环-开环的机理被阐述的较为清楚，虽然细节步骤还有待进一步解释。文章最后对所用试剂和实验过程进行了描述，在此不再赘述。讨论与感悟：金属离子荧光分子探针是将金属离子的识别基团（即受体部分）与发色团（即荧光信号部分）相连，当识别基团与金属离子结合或发生反应时，发色团的荧光信号输出（包括波长、强度、荧光寿命等）发生变化，从而可以直观地反映金属离子的存在。荧光分子探针的主要设计机制包括光诱导电子转移（Phot

9、oinduced Electron Transfer，PET）、分子内电荷转移（Intramolecular Charge Transfer，ICT）、荧光共振能量转移（Fluorescence Resonance Energy Transfer,FRET）和激基缔合物(Monomer/Excimer)的形成和消失等。根据Hg(II)对探针分子荧光光谱的影响，Hg(II)荧光分子探针的类型主要有“off-on”型、“on-off”型、比率型荧光探针三种，该文是典型的“off-on”型Hg(II)荧光探针，就灵敏度方面与淬灭型荧光探针相比具有极大的优势。目前，可以用作汞离子荧光分子探针的物质种类

10、繁多，按发色团分类，常见的有以荧光素和罗丹明为代表的咕吨类、香豆素类、萘酰亚胺类、卟啉类、氟硼二吡咯（BODIPY）类和8-羟基喹啉类等。本文就是一种咕吨类荧光分子探针，选择性和灵敏度均非常理想。罗丹明和荧光素是典型的咕吨类荧光染料，它们具有摩尔吸光系数大、荧光量子产率高、荧光发射波长位于可见区等特点，被广泛应用于荧光染料和荧光分子探针的设计。咕吨类化合物是典型的“off-on”型荧光探针，分子含闭合螺环，其摩尔吸光系数和荧光量子产率非常低，几乎没有荧光，当加入某种响应离子后，其螺环发生断裂，从而产生荧光。根据“off-on”机理设计合成的咕吨类汞离子荧光探针报道很多，但像本文提出的这种高度灵

11、敏度和高度选择性的探针还是很少的。在识别部位引入硫原子，可以增加其对Hg(II)的配位作用，提高探针的选择性。2009 年，Duan研究组在前期研究的基础上将硫原子引入到罗丹明酰肼，合成了探针2，该探针存在互变异构，主要存在形式为B 型。Hg(II)的加入使探针的DMF/H2O(1:1体积比)溶液在585nm（激发波长为510nm）处产生强的荧光，且具有较广的酸碱适用范围（pH=5.5-12.0），其它金属离子对Hg(II)没有干扰，研究表明，在加入Hg(II)后，螺环打开形成硫负离子，探针与Hg(II)形成1:1的配合物。在此基础上，将苯环改为吡啶和二茂铁，合成了探针3 和4，吡啶和二茂铁的

12、引入改善了探针的配位能力和水溶性，探针3 和4 与Hg(II)分别形成2:1和1:1配合物，对Hg(II)的检测限低于1ppb，具有较高的选择性和灵敏度，这些特性主要是基于席夫碱受体的稳定配位构象，Hg(II)大的离子半径，硫原子对Hg(II)的亲和性，以及取代基的电子和空间效应等因素。该系列探针均属于“off-on”型探针，且能可逆检测Hg(II)。利用(lyng)Hg(II)诱导脱硫反应(fnyng)来检测汞离子，也是常用的方法。2008年，Zhang 等利用(lyng)Hg(II)脱硫成环反应将罗丹明与氟硼二吡咯通过氨基硫脲连接起来，设计合成了一种基于FRET 机理的比率型荧光分子探针5

13、，该探针以BODIPY为能量给体，以罗丹明为能量受体，可以选择性识别Hg(II)，而对其它离子无荧光响应。在488nm 波长激发下，由于罗丹明螺环的存在，罗丹明部分无荧光，分子只在BODIPY 的特征发射峰位置514nm 处有强的荧光发射峰，向pH = 7 的浓度为0.3M的EtOH/H2O 溶液( 80:20体积比) 中滴加Hg(II)后，罗丹明螺环打开，酰胺与硫脲基团缩合，脱去HgS,形成一种新的恶二唑环，使得其荧光变化明显，在514nm 处的荧光逐渐减弱,589nm 处罗丹明的特征荧光峰逐渐增强,检测限可达10-9。该探针是首例基于FRET机理的能应用于细胞内汞离子检测的比率型荧光探针。

14、Hg(II)诱导其它化学反应的探针的报道也较多，2010 年，Lin 等利用Hg(II)对硫原子和电子催化成环反应合成了一种“off-on”型探针6，该分子包含有罗丹明母体、硫代内酰胺及炔丙基等官能团，分子本身几乎没有荧光，当有痕量Hg(II)存在时，在566nm 处产生较强的荧光，其机理可能是Hg(II)的存在，使硫醇与炔形成五元环，而罗丹明分子的螺环被打开，探针分子由于共面性增强而产生荧光，该探针具有选择性高、检测下限低和响应快速的特点。Tang小组利用Hg(II)诱导脱去有机硒的反应，设计了基于荧光素衍生物的“off-on”型探针7，该探针本身是一种没有荧光的化合物，向其水溶液中加入Hg(II)后，有机硒基团脱去，荧光素内酯环打开，从而产生荧光，该探针对Hg(II)具有较高的灵敏度和选择性。咕吨类荧光分子探针的结构如下图所示。 该文章(wnzhng)所研