大連理工超分子化學(xué)大作業(yè)(共7頁)

1、超分子(fnz)化學(xué)大作業(yè)(zuy)羅丹明-大環(huán)多胺共軛體系作為(zuwi)高靈敏高選擇性的Hg(II)熒光探針羅丹明-大環(huán)多胺共軛體系作為高靈敏高選擇性的Hg(II)熒光探針引言：在2008年一篇題為A Rhodamine-Cyclen Conjugate as a Highly Sensitive and Selective Fluorescent Chemosensor for Hg(II)的文章發(fā)表在Journal of Organic Chemistry上，作者為Yasuhiro Shiraishi、Shigehiro Sumiya、Yoshiko Kohno和Takayuki Hi

2、rai等人。該團(tuán)隊(duì)將羅丹明B與1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷相連，合成了“off-on”型熒光探針1，以530nm作為激發(fā)波長，研究其乙腈溶液在加入Hg(II)前后的熒光變化。結(jié)果表明：加Hg(II)之前，探針分子無明顯熒光，加入10倍當(dāng)量的Hg(II)后，在580nm處產(chǎn)生非常強(qiáng)的熒光，其原因是該分子可以與Hg(II)形成1:2的配合物，其中一個(gè)Hg(II)與雜環(huán)配位，另一個(gè)Hg(II)與羰基氧及共軛體系配位，并使得螺環(huán)發(fā)生開環(huán)反應(yīng)，從而顯示出較好的熒光，該探針對Hg(II)選擇性好，靈敏度高響應(yīng)快速（1min）。本文就該文章的實(shí)驗(yàn)過程及Hg(II)熒光探針的研究成果進(jìn)行討論。原文(yun

3、wn)概要：設(shè)計(jì)(shj)和發(fā)展(fzhn)檢測生物和環(huán)境中重要金屬離子的熒光化學(xué)傳感器在近些年非常重要，因?yàn)闊晒饣瘜W(xué)傳感器可以不損傷生物體并且快速的檢測金屬離子，這是通過熒光增強(qiáng)（turn-on）或者熒光淬滅（turn-off）的簡單途徑實(shí)現(xiàn)的。Hg(II)是環(huán)境中最有害的物質(zhì)之一，所以，目前為止，大量的的用于檢測Hg(II)的熒光化學(xué)傳感器被合成出來。但是，大部分的傳感器是熒光淬滅型的，熒光增強(qiáng)型的傳感器還是很少。羅丹明是一種廣泛應(yīng)用于熒光標(biāo)記試劑的染料，因?yàn)樗哂凶吭降墓馕锢硇再|(zhì)，比如較長的吸收和發(fā)射波長、較大的摩爾吸光系數(shù)和較高的熒光量子產(chǎn)率等。最近，各種以羅丹明為基本原料的Hg(II

4、)熒光傳感器被提出，Hg(II)的反應(yīng)機(jī)制是基于螺環(huán)結(jié)構(gòu)和開環(huán)結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)換。沒有Hg(II)時(shí)，傳感器處于不發(fā)射熒光的螺環(huán)結(jié)構(gòu)。加入Hg(II)后，形成具有配體基團(tuán)的異構(gòu)體，結(jié)果螺環(huán)結(jié)構(gòu)開環(huán)形成橘紅色熒光并且溶液由無色變?yōu)榉凵?。但是，這些傳感器在敏感性上存在不足（發(fā)射光增強(qiáng)因子1000），在選擇性上也不足（對Hg(II)的響應(yīng)少于對其他離子響應(yīng)的20倍）。所以，從這方面來講，目前的傳感器還不能實(shí)際應(yīng)用。一種羅丹明大環(huán)多胺共軛化合物（1）是對Hg(II)有高度敏感性和選擇性的熒光化學(xué)傳感器。高的發(fā)射波長選擇性來源于形成了Hg(II)-（1）的2:1的絡(luò)合物導(dǎo)致（1）的螺環(huán)解開。羅丹明大環(huán)多胺共

5、軛化合物的合成(hchng)路線上圖是共軛化合物的合成(hchng)途徑(tjng)，羅丹明B的鹽酸化物與POCl3反應(yīng)之后再與2-溴乙胺的氫溴酸鹽反應(yīng)生成化合物（2）的產(chǎn)率為21%，化合物（2）再與大環(huán)多胺反應(yīng)生成化合物（1）的產(chǎn)率為86%。這張圖展示(zhnsh)了化合物（1）在CH3CN中不同(b tn)金屬離子（10倍當(dāng)量(dngling)）各自的熒光光譜（ex=530nm）。未加入陽離子時(shí)，化合物（1）表現(xiàn)出非常弱的熒光，加入Hg(II)后，在540-670nm處出現(xiàn)強(qiáng)的橙黃色熒光。b圖顯示在580nm處熒光增強(qiáng)因子為1700，遠(yuǎn)大于早期報(bào)道的以羅丹明為基礎(chǔ)的熒光探針。而且，添加其他

6、金屬陽離子幾乎不產(chǎn)生熒光增強(qiáng)效應(yīng)。Hg(II)的熒光增強(qiáng)效應(yīng)大于50倍，較之前的同類探針的少于20倍有了較大改進(jìn)。這些發(fā)現(xiàn)表明化合物（1）可作為高選擇性的Hg(II)熒光探針。上圖是用Hg(II)滴定化合物（1）產(chǎn)生熒光增強(qiáng)效應(yīng)，當(dāng)Hg(II)的量達(dá)到15倍當(dāng)量時(shí)增強(qiáng)效應(yīng)達(dá)到飽和。熒光增強(qiáng)效應(yīng)在Hg(II)加入后立即產(chǎn)生并在1min之內(nèi)到達(dá)最大值。上圖a顯示出化合物（1）的吸收光譜的改變情況。不加Hg(II)時(shí)，化合物（1）在450-600nm幾乎不產(chǎn)生吸收，表明此時(shí)化合物（1）是螺環(huán)形式存在。加入Hg(II)后，在450-600nm產(chǎn)生明顯的吸收，顏色由無色變?yōu)榉凵易兓逦黠@。b中結(jié)果與

7、滴定法相似，在15倍當(dāng)量時(shí)達(dá)到飽和。向溶液(rngy)中加入(jir)三乙烯四胺，Hg(II)導(dǎo)致(dozh)的橙色熒光和粉色溶液立即消失。表明化合物（1）與Hg(II)的作用是可逆的。因此化合物（1）的顏色變化和發(fā)射光譜可以理解為Hg(II)與化合物（1）作用時(shí)，螺環(huán)開環(huán)與閉環(huán)造成的。文章還對絡(luò)合時(shí)的配位數(shù)進(jìn)行了檢測與說明。用Gaussian 03在幾何學(xué)上進(jìn)行模擬計(jì)算說明羰氧基配位的親核作用合理性及另一個(gè)Hg(II)與大環(huán)多胺配位的合理性，并且闡述了使螺環(huán)結(jié)構(gòu)解開的是羰氧基的配位作用。闡述了Cu（II）、Pb（II）等金屬離子雖然也能和大環(huán)多胺進(jìn)行配位，但是這些離子與大環(huán)多胺中氮原子的配位

8、作用強(qiáng)度遠(yuǎn)不及Hg(II)，這些離子親電作用較強(qiáng)，與羰基氧的配位作用過于強(qiáng)烈，抑制了像Hg(II)那樣進(jìn)行1:2配位化合物的形成，也就不能使螺環(huán)解開，因此不產(chǎn)生像Hg(II)那樣的明顯尖銳吸收峰。閉環(huán)-開環(huán)的機(jī)理被闡述的較為清楚，雖然細(xì)節(jié)步驟還有待進(jìn)一步解釋。文章最后對所用試劑和實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行了描述，在此不再贅述。討論與感悟：金屬離子熒光分子探針是將金屬離子的識別基團(tuán)（即受體部分）與發(fā)色團(tuán)（即熒光信號部分）相連，當(dāng)識別基團(tuán)與金屬離子結(jié)合或發(fā)生反應(yīng)時(shí)，發(fā)色團(tuán)的熒光信號輸出（包括波長、強(qiáng)度、熒光壽命等）發(fā)生變化，從而可以直觀地反映金屬離子的存在。熒光分子探針的主要設(shè)計(jì)機(jī)制包括光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（Phot

9、oinduced Electron Transfer，PET）、分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（Intramolecular Charge Transfer，ICT）、熒光共振能量轉(zhuǎn)移（Fluorescence Resonance Energy Transfer,FRET）和激基締合物(Monomer/Excimer)的形成和消失等。根據(jù)Hg(II)對探針分子熒光光譜的影響，Hg(II)熒光分子探針的類型主要有“off-on”型、“on-off”型、比率型熒光探針三種，該文是典型的“off-on”型Hg(II)熒光探針，就靈敏度方面與淬滅型熒光探針相比具有極大的優(yōu)勢。目前，可以用作汞離子熒光分子探針的物質(zhì)種類

10、繁多，按發(fā)色團(tuán)分類，常見的有以熒光素和羅丹明為代表的咕噸類、香豆素類、萘酰亞胺類、卟啉類、氟硼二吡咯（BODIPY）類和8-羥基喹啉類等。本文就是一種咕噸類熒光分子探針，選擇性和靈敏度均非常理想。羅丹明和熒光素是典型的咕噸類熒光染料，它們具有摩爾吸光系數(shù)大、熒光量子產(chǎn)率高、熒光發(fā)射波長位于可見區(qū)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于熒光染料和熒光分子探針的設(shè)計(jì)。咕噸類化合物是典型的“off-on”型熒光探針，分子含閉合螺環(huán)，其摩爾吸光系數(shù)和熒光量子產(chǎn)率非常低，幾乎沒有熒光，當(dāng)加入某種響應(yīng)離子后，其螺環(huán)發(fā)生斷裂，從而產(chǎn)生熒光。根據(jù)“off-on”機(jī)理設(shè)計(jì)合成的咕噸類汞離子熒光探針報(bào)道很多，但像本文提出的這種高度靈

11、敏度和高度選擇性的探針還是很少的。在識別部位引入硫原子，可以增加其對Hg(II)的配位作用，提高探針的選擇性。2009 年，Duan研究組在前期研究的基礎(chǔ)上將硫原子引入到羅丹明酰肼，合成了探針2，該探針存在互變異構(gòu)，主要存在形式為B 型。Hg(II)的加入使探針的DMF/H2O(1:1體積比)溶液在585nm（激發(fā)波長為510nm）處產(chǎn)生強(qiáng)的熒光，且具有較廣的酸堿適用范圍（pH=5.5-12.0），其它金屬離子對Hg(II)沒有干擾，研究表明，在加入Hg(II)后，螺環(huán)打開形成硫負(fù)離子，探針與Hg(II)形成1:1的配合物。在此基礎(chǔ)上，將苯環(huán)改為吡啶和二茂鐵，合成了探針3 和4，吡啶和二茂鐵的

12、引入改善了探針的配位能力和水溶性，探針3 和4 與Hg(II)分別形成2:1和1:1配合物，對Hg(II)的檢測限低于1ppb，具有較高的選擇性和靈敏度，這些特性主要是基于席夫堿受體的穩(wěn)定配位構(gòu)象，Hg(II)大的離子半徑，硫原子對Hg(II)的親和性，以及取代基的電子和空間效應(yīng)等因素。該系列探針均屬于“off-on”型探針，且能可逆檢測Hg(II)。利用(lyng)Hg(II)誘導(dǎo)脫硫反應(yīng)(fnyng)來檢測汞離子，也是常用的方法。2008年，Zhang 等利用(lyng)Hg(II)脫硫成環(huán)反應(yīng)將羅丹明與氟硼二吡咯通過氨基硫脲連接起來，設(shè)計(jì)合成了一種基于FRET 機(jī)理的比率型熒光分子探針5

13、，該探針以BODIPY為能量給體，以羅丹明為能量受體，可以選擇性識別Hg(II)，而對其它離子無熒光響應(yīng)。在488nm 波長激發(fā)下，由于羅丹明螺環(huán)的存在，羅丹明部分無熒光，分子只在BODIPY 的特征發(fā)射峰位置514nm 處有強(qiáng)的熒光發(fā)射峰，向pH = 7 的濃度為0.3M的EtOH/H2O 溶液( 80:20體積比) 中滴加Hg(II)后，羅丹明螺環(huán)打開，酰胺與硫脲基團(tuán)縮合，脫去HgS,形成一種新的惡二唑環(huán)，使得其熒光變化明顯，在514nm 處的熒光逐漸減弱,589nm 處羅丹明的特征熒光峰逐漸增強(qiáng),檢測限可達(dá)10-9。該探針是首例基于FRET機(jī)理的能應(yīng)用于細(xì)胞內(nèi)汞離子檢測的比率型熒光探針。

14、Hg(II)誘導(dǎo)其它化學(xué)反應(yīng)的探針的報(bào)道也較多，2010 年，Lin 等利用Hg(II)對硫原子和電子催化成環(huán)反應(yīng)合成了一種“off-on”型探針6，該分子包含有羅丹明母體、硫代內(nèi)酰胺及炔丙基等官能團(tuán)，分子本身幾乎沒有熒光，當(dāng)有痕量Hg(II)存在時(shí)，在566nm 處產(chǎn)生較強(qiáng)的熒光，其機(jī)理可能是Hg(II)的存在，使硫醇與炔形成五元環(huán)，而羅丹明分子的螺環(huán)被打開，探針分子由于共面性增強(qiáng)而產(chǎn)生熒光，該探針具有選擇性高、檢測下限低和響應(yīng)快速的特點(diǎn)。Tang小組利用Hg(II)誘導(dǎo)脫去有機(jī)硒的反應(yīng)，設(shè)計(jì)了基于熒光素衍生物的“off-on”型探針7，該探針本身是一種沒有熒光的化合物，向其水溶液中加入Hg(II)后，有機(jī)硒基團(tuán)脫去，熒光素內(nèi)酯環(huán)打開，從而產(chǎn)生熒光，該探針對Hg(II)具有較高的靈敏度和選擇性。咕噸類熒光分子探針的結(jié)構(gòu)如下圖所示。 該文章(wnzhng)所研