新型咪唑[4,5-f][1,10]邻菲啰啉衍生物的合成及对Zn2+ 荧光识别

张成路， 袭 焕, 王丽娜， 李思雨， 唐 杰， 徐德清， 李传银， 孙晓娜

(辽宁师范大学 化学化工学院，辽宁 大连 116029)



新型咪唑[4,5-f][1,10]邻菲啰啉衍生物的合成及对Zn2+荧光识别

张成路， 袭 焕, 王丽娜， 李思雨， 唐 杰， 徐德清， 李传银， 孙晓娜

(辽宁师范大学 化学化工学院，辽宁 大连 116029)

邻菲啰啉二酮(1)在醋酸与醋酸铵的作用下与芳香醛通过脱水缩合构筑咪唑环，首次合成了3个新型芳基咪唑化合物(3a～3c).利用IR和1H NMR等对目标分子3进行了结构表征.首次探究了11种金属离子对目标产物3的荧光猝灭，选取了包括主族和副族的11种金属离子Ca2+、Cr3+、Hg2+、Al3+、Mn2+、Na+、Pb2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Fe2+.通过荧光测试研究了金属离子的荧光猝灭现象，并通过经典的方法计算出了荧光猝灭系数KSV.研究结果表明：Zn2+对配体3a、3b、3c均产生优良的猝灭效果，并产生红移，因此可对Zn2+进行荧光识别.荧光猝灭系数KSV的计算结果表明,金属离子的最低检出限可达10-5mol/L.利用产生荧光猝灭现象可以广泛应用于金属离子荧光探针识别，从而达到检测金属离子的目的.因此，目标产物可作为Zn2+的荧光探针.

邻菲啰啉;芳基咪唑;金属离子荧光探针；生物活性；金属离子猝灭系数

作为微量元素的一些金属离子，少量或多量都会严重影响水域、土壤的生态平衡和生命活动[1-2]，其中，Zn2+等离子[3-6]对生命物质和水系的不可逆破坏尤为引人关注：Zn2+在人体长时间累积会对人脑特别是神经系统发生危害作用等[7]，因此，对Zn2+的识别与检测无疑具有重要的意义.

金属离子易与适当的配体形成金属配合物，使分子性能发生变化，产生分子电化学或光化学的响应，其中，荧光响应具有灵敏度高、选择性好、无须参比、不受电场和磁场等影响等众多优点[8-9]，已成为光化学传感领域的研究热点[10-12].因此，将金属离子与具有优良生物活性的配体络合，利用其荧光性能的变化，一方面可达到对金属离子识别和检测的目的，另一方面也有望反向探究具有药效活性配体在体内发挥药效作用的位点及作用方式，这无疑具有重要的理论创新意义和应用价值.

本课题组前期研究结果发现[13]，芳香咪唑并邻菲啰啉衍生物具有优良的抑制PTP1B(蛋白酪氨酸磷酸酯酶1B)的药效活性，并可作为pH荧光传感探针，使该类分子显示出优越的医药研发前景.与此同时，邻菲啰啉衍生物易与金属形成配合物[14]，可引发模板产生荧光和紫外吸收变化[15]，达到金属离子的荧光识别作用[16-17].

在前期工作的基础上，设计了3个具有新型结构的芳香咪唑并邻菲啰啉分子，通过荧光分析，研究了3个新型分子对生命体系有重要影响的11种金属离子检测.通过分子荧光的变化和荧光猝灭系数KSV的计算，继续深入探究了其对金属离子的荧光识别，期望利用设计合成的新分子达到对金属离子的特性荧光识别.

3种苯并咪唑并邻菲啰啉分子的合成路线如图1所示.

图1 目标产物3a～3c的合成路线Fig.1 Synthetic route of the target products 3a～3c

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

BRUKER AVANCE 500 MHz核磁共振波谱仪,TMS为内标；Bruker aXS Tensor 27红外光谱仪(瑞士Bruker公司，KBr为压片)；Agilent Technologies GC/TOF Ca156高分辨质谱仪(美国Agilent公司；VersaMax，美国，分子设备)；BL310型Sartorius电子天平(北京赛多利斯仪器有限公司，可精确到0.000 1 g)；F-7000荧光分光光度计；760CRT双光束紫外-可见分光光度计，X-5型数字显示显微熔点测试仪(温度计未经较正)；6 cm培养皿.

2-吡啶基苯甲醛，4-氯苯甲醛(市售分析纯，百灵威科技有限公司).

1.2 化合物3a～3c的合成与结构表征

化合物3a～3c由本课题组自行合成[13].

2-(2-甲氧基-5,6-二氟苯基)-1H-咪唑[4,5-f][1,10]邻菲啰啉(3a):白色固体,收率为76%,m.p.273.5～274.7 ℃.IR(KBr),ν/cm-1:3 340,3 185,1 654,1 608,1 489,1 388,1 077;1H NMR(DMSO-d6,500 MHz),δ:13.94(s,1H,—NH),9.08～9.07(dd,J=1.4 Hz,J=4.2 Hz,2H,PyH),8.89～8.87(dd,J=1.5 Hz,J=8.0 Hz,2H,PyH),7.86～7.83(q,J=4.3 Hz,2H,PyH),7.69～7.63(q,J=9.4 Hz,1H,PhH),7.11～7.08(m,J=1.4 Hz,1H,PhH),3.84(s,3H,—OCH3).

2-(4-氯苯基)-1H-咪唑[4,5-f][1,10]邻菲啰啉(3b):黄色固体,收率为75%,m.p.>300.6 ℃.IR(KBr),ν/cm-1:3 331,3 130,1 633,1 608,1 462,1 398;1H NMR(DMSO-d6,500 MHz),δ:8.92～8.90(dd,J=1.6 Hz,J=8.1 Hz,2H,PyH),9.05～9.04(dd,J=1.5 Hz,J=4.2 Hz,2H,PyH),13.67(s,1H,—NH),8.32～8.30(t,J=8.6 Hz,2H,PhH),7.85～7.82(q,J=4.3 Hz,2H,PyH),7.70～7.68(t,J=8.6 Hz,2H,PhH).

2-(2,5-二甲氧基-4-甲酰基苯基)-1H-咪唑[4,5-f][1,10]邻菲啰啉(3c):棕黄色固体,收率为70%,m.p.>300.0 ℃.IR (KBr),ν/cm-1:3 437,3 336,3 100,1 672,1 630,1 557,1 466,1 378,1 160;1H NMR(DMSO-d6,500 MHz),δ:8.11～8.01(t,J=4.89 Hz,2H,PyH),7.50(s,1H,PhH),13.09(s,1H,—NH),10.42(s,1H,醛基),9.23(m,2H,PyH),9.04(m,2H,PyH),4.05(s,6H,—OCH3).

2 结果与讨论

2.1 金属离子对化合物3a～3c的荧光猝灭作用

将化合物3a～3c分别溶解在乙腈中，配置成浓度均为1.0×10-4mol·dm-3的溶液，选取11种金属化合物：Hg(CH3COO)2、NaCl、Al(NO3)3·9H2O、Ca(NO3)2·4H2O、Cr(NO3)3·9H2O、Cu(NO3)2·3H2O、Fe(NO3)3·9H2O、MnCl2·4H2O、Pb(CH3COO)2·3H2O、Zn(CH3COO)2·2H2O和(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O，将其分别配置成浓度为1.0×10-4mol·dm-3的溶液.将上述两类溶液分别按照体积比1∶1相混合，进行荧光测试，测试结果如图2所示.

图2 化合物3a、3b、3c对不同金属离子发射光谱的变化Fig.2 The tendency of variations in luminescence spectra of the compounds 3a、3b、3c responding to the different metal ions

由图2发现，Zn2+对3a、3b和3c产生明显猝灭现象，并产生了红移，这种实验现象可能是因为Zn2+与配体间产生了电子能级跃迁，产生新的发光能级，这对研究新的发光材料具有重要的意义.

2.2 不同金属离子荧光猝灭系数KSV的理论计算

根据金属离子对目标分子猝灭效果，筛选出影响较大的金属进行KSV计算，以期发现针对某一金属猝灭的最佳配体.

将3a～3c溶解在乙腈中，分别配制成浓度为1.0×10-4mol·dm-3的溶液，将Zn(CH3COO)2·2H2O溶解在蒸馏水中，分别配制成浓度为1×10-5、2.0×10-5、3.0×10-5、4.0×10-5、5.0×10-5、6.0×10-5、7.0×10-5、8.0×10-5、9.0×10-5和1.0×10-4mol·dm-3的溶液，将化合物3的溶液与不同浓度的Zn2+离子的溶液分别按照体积比1∶1混合，进行荧光测试，利用Stern-Volmer公式

I0/I=KSVc+1

计算荧光猝灭系数KSV的数值.实验结果见图3.

图3 化合物3a～3c对Zn2+ 荧光猝灭趋势及猝灭系数KSV的计算Fig.3 Fluorescence quenching trend of Zn2+ with compounds 3a～3c and calculation of quenching coefficient KSV

荧光猝灭实验结果表明：当Zn2+浓度为5.0×10-5～1.0×10-4mol·dm-3时，对配体3a、3b、3c均产生最佳猝灭效果，且产生了红移，化合物3a、3b、3c的荧光猝灭系数lnKSV分别为4.69，4.79,4.80.

3 结 论

Zn2+对配体3a、3b、3c均产生优良的猝灭效果，尤为重要的是产生较大应用价值的红移现象，因此可对Zn2+进行荧光识别.通过计算荧光猝灭系数KSV可知，金属离子的最低检出限均达到1×10-5mol·dm-3，显示出该类目标分子优越的金属离子荧光识别活性，这为金属离子荧光传感器材料达到不同目的的实践应用奠定了基础.

[1] MARIOLA A,LILIAN Y M,AMPARO T.Synthesis, and antiprotozoal and antibacterial activities of S-substituted4,6-dibromo- and 4,6-dichloro-2-mercaptobenzimidazoles[J].Eur J Pharma Sci,2004,21(5):323-329.

[2] IWAO E,YAMAMOTO K,YOKOYAMA Y,et al.Potent antibacterial activity of Y-754, a novel benzimidazole compound with selective action against helicobacter pylori[J].J Infect Chemother,2004,10(2):90-96.

[3] CAMBOT L,CANTUEL M,LEYDET Y,et al.Improving the photophysical properties of copper(Ⅰ) bis(phenanthroline)complexes[J].Coord Chem Rev,2008,252(23/24):2572-2584.

[4] SCALTRITO D V,THOMPSON D W,O'CALLAGHAN J A,et al.MLCT excited states of cuprous bisphenanthroline coordination compounds[J].Coord Chem Rev,2000,31(52):243-266.

[5] MCBRIDE J M,RENHOWE P A.3-benzimidazol-2-yl-1H-indazoles as potent c-ABL inhibitors[J].Bioorg Med Chem Let,2006,16(14):3789-3792.

[6] HASEGAWA M,NISHIGAKI N,WASHIO Y.Discovery of novel benzimidazoles as potent inhibitors of TIE-2 and VEGFR-2 tyrosine kinase receptors[J].J Med Chem,2007,50(18):4453-4470.

[7] 汪大,徐新华.工业废水中专项污染物处理手册[M].北京:化学工业出版社,2000:295-298.

[8] 陈邦,田敏,王陆瑶.环戊甲基苯并咪唑衍生物的合成、表征及抑菌活性[J].应用化学,2005,22(10):1087-1091.

[9] WOLFBELS O S.Fiber-optic chemical sensors and biosensors[J].Anal Chem,2008,80(12):4269-4283.

[10] 张成路,曲瑞锋,高丽娜,等.新型2-取代8-羟基喹啉衍生物金属铝配合物的合成、表征及光物理研究[J].辽宁师范大学学报(自然科学版),2013,36(1):71-75.

[11] SEATON A,HIGGINS C,MANN J,et al.Mechanistic and anti-proliferative studies of two novel, biologically active sis-benzimidazoles[J].Eur J Canaer,2003,39(17):2548-2555.

[12] 魏永巨,李娜,秦身钧.磺基水杨酸的荧光光谱与荧光量子产率[J].光谱学与光谱分析,2004,24(6):647-651.

[13] 张成路,柴金华,王越,等.具有生物活性的芳基咪唑并邻菲啰啉衍生物的合成及用作pH荧光传感探针[J].高等化学学报,2014,35(4):750-754.

[14] ZHANG H G,TAO X T,CHEN K S,et al.Synthesis and characterization of a new chromophor with acid/base-sensitive fluorescence emission[J].Chin Chem Lett,2011,22(9):1051-1054.

[15] CHANDRASEKARAN K,THOMAS J K.Photochemical reactions of amorphous and crystallinetitanium dioxide powder suspensions in water[J].J Chem Soc,Faraday TrasnsⅠ,1984,80(5):1163-1172.

[16] HAKAN G,SECKIN Ö,SULHIYE Y.Synthesis and potent antibacterial activity against MRSA of some novel 1,2-disubstituted-1H-benzimidazole-N-alkylated-5-carboxamidines[J].Eur Med Chem,2005,40(4):1062-1069.

[17] 吴琼,梅文杰.SiC 管中微波辅助芳烃钌(Ⅱ)化合物[(η6-C6H6)Ru(H2iiP)Cl]Cl的合成[J].高等化学学报,2013,34(8):1863-1867.

Synthesis of four kinds of novel imidazo [4,5-f][1,10] phenanthroline derivatives and fluorescent identification of Zn2+

ZHANGChenglu,XIHuan,WANGLina,LISiyu,TANGJie,XUDeqing,LIChuanyin,SUNXiaona

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China)

Three novel aryl imidazole compounds (3a～3c) were first synthesized by reaction 1,10-phenanthroline-5,6-dione (1) with aromatic aldehydes in the presence of acetic acid and ammonium acetate.The structures of target molecules were characterized by IR and1H NMR.This paper selected including main group and subgroup, 11 kinds of metal ions Ca2 +,Cr3 +,Hg2+,Al3+,Mn2+,Na+,Pb2+,Fe3+,Cu2+,Zn2+,Fe2+.The fluorescence quenching of 11 kinds of metal ions on four target compounds was also screened.By fluorescence test the impact on the target molecule fluorescence intensity-fluorescence quenching was studied, and quenching coefficientKSV, was calculated according to the Stern-Volmer equation.It was found that,Zn2+exhibited excellent quenching effect on 3a,3b and 3c,and produced red shift which had important value.The results ofKSVshowed that the lowest of detection of metal ions is 10-5mol/L.This phenomenon can be widely used in metal ion sensing,and achieve the function of detecting metal ions effeetively.Therefore, the target product can be used as a fluorescent probe Zn2+.

phenanthroline;arylimidazole;metal ion fluorescence sensing probe;biological activity;metal ion quenching coefficient

2015-12-29

辽宁省高校创新团队项目(2008T2017);辽宁省教育厅科学技术研究一般项目(2009A426)

张成路(1966-),男,辽宁盖州人,辽宁师范大学教授，博士.

1000-1735(2017)02-0222-05

10.11679/lsxblk2017020222

O626

A