新型基于咔唑-氨基硫脲席夫碱识别Cu<sup>2+</sup>的探针

引用本文: 李英俊, 张楠, 靳焜, 许永廷, 王思远, 周晓霞. 新型基于咔唑-氨基硫脲席夫碱识别Cu²⁺的探针[J]. 有机化学, 2017, 37(10): 2640-2646. doi: 10.6023/cjoc201704010 shu

Citation: Li Yingjun, Zhang Nan, Jin Kun, Xu Yongting, Wang Siyuan, Zhou Xiaoxia. Novel Carbazole-Thiosemicarbazide Based Schiff-Base Probes for Cu²⁺[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, 2017, 37(10): 2640-2646. doi: 10.6023/cjoc201704010 shu

新型基于咔唑-氨基硫脲席夫碱识别Cu²⁺的探针

李英俊 ^{a,
,} ,
张楠 ^a, ,
靳焜 ^b, ,
许永廷 ^a, ,
王思远 ^a, ,
周晓霞 ^a,

a.
辽宁师范大学化学化工学院大连 116029
b.
大连理工大学精细化工国家重点实验室大连 116012

通讯作者: 李英俊, chemlab.lnnu@163.com

基金项目:

辽宁省自然科学基金（No.20102126）资助项目

摘要: 合成出了3个新型基于咔唑-氨基硫脲席夫碱衍生物.利用裸眼、紫外-可见光谱、荧光光谱和质谱研究了代表 2-[（N-庚烷-咔唑-3-基）甲叉基]肼硫代甲酰胺（L₂）对阳离子的识别性能.实验结果显示，该化合物水溶性良好，可以在DMSO-H₂O（V：V=6：4，Tris-HCl缓冲液，pH=7.0）的体系中使用.当加入Cu²⁺时，化合物L₂的DMSO-H₂O溶液显示出明显的颜色变化，由无色变为黄色，而其它阳离子无明显颜色变化.这表明，席夫碱L₂可作为裸眼识别Cu²⁺的探针.荧光光谱分析实验发现，在DMSO-H₂O（V：V=6：4，Tris-HCl缓冲液，pH=7.0）溶剂中，探针L₂是对Cu²⁺具有高选择性和灵敏度的荧光猝灭型探针.探针L₂与Cu²⁺的结合常数为3.42×10⁴ L·mol^-1，检测限为8.96×10^-6 mol·L^-1.MS分析显示，L₂与Cu²⁺的络合比为1：1.探针L₂对Cu²⁺的检测限低于世界卫生组织（WHO）规定的饮用水中Cu²⁺的最大含量20 μmol·L^-1.

关键词:

English

Novel Carbazole-Thiosemicarbazide Based Schiff-Base Probes for Cu²⁺

a.
College of Chemistry and Chemical Engineering, Liaoning Normal University, Dalian 116029
b.
State Key Laboratory of Fine Chemicals, Dalian University of Technology, Dalian 116012

Corresponding author: Li Yingjun, E-mail: chemlab.lnnu@163.com

Received Date: 09 April 2017
Revised Date: 20 June 2017
Available Online: 25 October 2017
Fund Project:

Project supported by the Natural Science Foundation of Liaoning Province (No. 20102126)

Abstract: Three novel carbazole-thiosemicarbazides based Schiff-base were synthesized. The recognition ability of representive 2-((N-heptane-carbazol-3-yl)methylidene)hydrazine carbothioamide (L₂) to metal ions was investigated by naked-eye, UV-Vis, fluorescence and mass spectra. The experimental results showed that this compound had a good water solubility and can be investigated in DMSO-H₂O (V:V=6:4, Tris-HCl buffer, pH=7.0). The compound L₂ in the DMSO-H₂O displayed a dis-tinct color change from colorless to yellow upon the addition of Cu²⁺, other metal ions did not induce significant colour changes, which indicated that Schiff base L₂ can be used as a probe with naked eye detection for Cu²⁺. The fluorescence spectra showed that the probe L₂ was a high selective and sensitive "turn-off" fluorescence probe for Cu²⁺ in DMSO-H₂O (V:V=6:4, Tris-HCl buffer, pH=7.0). The association constant between the probe L₂ and Cu²⁺ was detected to be 3.42×10⁴ L·mol^-1, and the detection limit was calculated to be 8.96×10^-6 mol·L^-1. MS analysis showed a 1:1 binding stoichiometry between Cu²⁺ and L₂. The detection limit of L₂ for Cu²⁺ was far lower than the maximum allowable level of World Health Organization (WHO) limit (20 μmol·L^-1) for drinking water.

Key words:

过渡金属离子和重金属是有毒的, 并且能够残留在生态系统中, 所以过渡金属离子和重金属的污染威胁着人类健康^[1].近年来, 开发检测过渡金属离子和重金属离子的化学传感器已成为化学和环境科学一个活跃的研究领域^[2~7]. Cu²⁺是支持生物活动所必须的微量元素, 但其过量时也具有毒性.因其具有不可生物降解的性质, 并且在食物链中容易积累, 使它对人类健康和环境会造成严重的威胁^[8].因此, 寻找一个可靠的方法来检测生物和环境样品中微量的Cu²⁺是至关重要的.识别Cu²⁺的高灵敏性、选择性荧光探针的设计和合成越来越受到人们的关注^[9~16].

席夫碱含有C＝N键, 对金属离子具有良好的结合能力, 并且其合成方法较简单, 目前已经报道了许多检测Cu²⁺^[17]、Hg²⁺^[18]、Zn²⁺^[19]等金属离子的化学传感器.缩氨基硫脲是有效的金属螯合剂, 广泛用于荧光探针中, 在有毒金属离子的化学传感器方面具有重要的应用价值, 已成为近年来的研究热点^[20~23].咔唑及其衍生物因具有良好的共平面性、强的分子内电荷转移、良好的溶解性、稳定性、结构修饰简便等许多优点, 咔唑基团常作为荧光团^[24].基于上述思路, 本文设计合成了3个新型基于咔唑-氨基硫脲席夫碱衍生物L₁~L₃ (Scheme 1), 期望目标化合物L在离子识别方面具有潜在的应用价值.

图式 1 探针L的合成路线 Scheme1. Synthetic route of probe L

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1   结果与讨论

1.1   探针L的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱

为了研究探针L₁~L₃的光学性质, 测试了它们的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱(图 1).由图 1a可知, 探针L₁~L₃的DMSO溶液, 在308和340 nm处均出现两个吸收峰, 可以归属于共轭骨架的π-π*跃迁.由图 1b可知, 以340 nm的光进行激发时探针L₁~L₃的最大发射波长均为398 nm.上述结果说明, 探针L₁~L₃的光谱性质相似.因探针L₂的吸收强度和荧光强度都高于探针L₁和L₃, 所以, 选择探针L₂进行后续研究.

图1 (a) 探针L₁~L₃ (1.0×10^-5 mol/L)在DMSO溶液中的紫外-可见吸收光谱和(b)荧光光谱(λ_ex＝340 nm) Figure1. (a) UV-vis and (b) fluorescence spectra of probe L₁~L₃ in DMSO

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1.2   最优实验条件研究

为了使L₂达到最佳的选择性能, 分别进行了溶剂和pH值对L₂荧光光谱影响的研究. L₂在不同溶剂及在DMSO-H₂O混合溶剂中的荧光光谱见图 2.由图 2a可知, 探针L₂在DMSO中的荧光强度高于其它溶剂(如THF、EtOH、CH₃CN、MeOH和DMF)中的荧光强度. 图 2b显示, 探针L₂在DMSO-H₂O混合溶剂中, 随着水的比例的增加, 荧光强度不断增大, 当DMSO与水的比例达到6:4时荧光强度最强.同时, 最大发射波长也随水的比例增大发生红移(移动了22 nm), 波形也稍有改变.这是因为, 分子的荧光光谱受溶剂极性的影响较大, 分子受激发时发生了π→π*跃迁, 其激发态比基态具有更大的极性, 随着水的比例增大, 溶剂的极性增大, 对激发态比对基态产生更大的稳定作用, 结果使荧光光谱随着溶剂的极性增大而向长波方向移动, 荧光强度随之增强, 波形发生了变化.对探针L₂在其它溶剂与水混合(V:V＝6:4)形成的溶液中的荧光强度的研究(图 3)表明, L₂在DMSO-H₂O中的荧光强度最强, 这是因为DMSO-H₂O (V:V＝6:4)的极性最大.基于此, 在后续的研究中以DMSO-H₂O (V:V＝6:4)作为溶剂.

图2 (a) L₂ (1.0×10^-5 mol/L)在不同溶剂中的荧光光谱和(b) L₂在不同比例的DMSO与水混合溶剂中的荧光光谱(λ_ex＝340 nm) Figure2. (a) Fluorescence spectra of L₂ (1.0×10^-5 mol/L) in different solvents and (b) DMSO with different volume fractions of H₂O (λ_ex＝340 nm)

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图3 L₂在含水的不同混合溶剂中的荧光光谱 Figure3. Fluorescence spectra of L₂ (1.0×10^-5 mol/L) in different solvents with water

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探究探针在不同pH值下的荧光发射光谱, 可以确定探针适用的pH范围.由图 4可观察到探针L₂在DMSO-H₂O (V:V＝6:4) Tris-HCl缓冲液中的荧光强度在pH值为3.0~11.0范围内并没有明显的变化, 这说明在此pH值范围内, L₂对溶液的酸碱性并不敏感.这一结果表明, L₂不但可以应用于检测环境中的Cu²⁺, 还可以作为生物体系在近中性条件下检测Cu²⁺的荧光化学传感器.

图4 pH值对L₂(1.0×10^-5 mol/L)的荧光强度的影响 Figure4. pH effect on the fluorescence intensity of probe L₂ (1.0×10^-5 mol/L)

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1.3   裸眼识别

向探针L₂的DMSO-H₂O (V:V＝6:4)溶液(1.0×10^-4 mol/L)中分别加入2.0 equiv.不同的阳离子, 观察其在日光及紫外灯照射下溶液颜色的变化情况(图 5).如图 5所示, 在日光下观察发现, 当加入Cu²⁺后, 溶液的颜色由无色变成黄色, 而加入其它金属离子后溶液的颜色无明显变化.在紫外灯照射下(λ＝365 nm)观察发现, 当加入Cu²⁺后, 溶液显示了明显的荧光猝灭现象, 加入其它金属离子后溶液无明显现象.这表明探针L₂与Cu²⁺具有较强的作用力.探针L₂可以裸眼识别Cu²⁺, 是识别Cu²⁺的化学传感器. L₁和L₃在日光及紫外灯照射下溶液颜色的变化情况同L₂.

图5 向探针L₂的DMSO-H₂O (V:V＝6:4, 1.0×10^-4 mol/L)中加入2.0 equiv.不同阳离子后在日光(a)及紫外灯(b)照射下(λ＝365 nm)溶液颜色的变化 Figure5. Photographs taken under (a) daylight and (b) UV illumination (λ＝365 nm) of L₂ (c＝1.0×10^-4 mol/L) after addition of 2.0 equiv. metal ions in DMSO-H₂O (V:V＝6:4)

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1.4   探针L₂的光谱性能研究

1.4.1   探针L₂对阳离子的选择性识别

为了探究探针L₂与金属离子的结合性能, 首先考查了在1 equiv.不同金属离子(Mn²⁺、Hg²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Ba²⁺、Na⁺、K⁺、Li⁺、Sn²⁺、Ag⁺、Co²⁺、Pb²⁺、Fe³⁺、Sr²⁺、Cd²⁺)存在下, 探针L₂在含有Tris-HCl缓冲液(pH＝7.0)的DMSO-H₂O (V:V＝6:4)溶液中的紫外-可见和荧光光谱, 结果见图 6.紫外吸收光谱(图 6a)显示, 当加入Cu²⁺后在340 nm处的吸收峰明显减弱, 并且在340~450 nm之间出现了一个宽的吸收峰, 而未加入离子或加入其它金属离子时, 探针L₂的紫外吸收光谱无明显变化.荧光光谱(图 6b)表明, 当加入Cu²⁺后, 在410 nm处的荧光强度明显减弱, 而未加入离子或加入其它金属离子时, 探针L₂的荧光强度较强.由此说明, 目标化合物L₂是Cu²⁺的高选择性的比色荧光探针.

图6 向探针L₂ (1.0×10^-5 mol/L)的DMSO-H₂O (V:V＝6:4) Tris-HCl缓冲液(pH＝7.0)中加入1.0 equiv.不同金属离子后的(a)紫外-可见吸收光谱和(b)荧光光谱(λ_ex＝340 nm) Figure6. (a)UV–vis and (b)FL spectra of probe L₂ (1.0×10^-5 mol/L) in DMSO-H₂O (V:V＝6:4) buffered by Tris-HCl (pH＝7.0) upon addition of various metal ions (λ_ex＝340 nm)

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1.4.2   干扰实验

为了进一步探究L₂作为Cu²⁺选择性探针的实用性, 进行了在1.0 equiv.不同金属离子与1.0 equiv. Cu²⁺共存时的干扰实验研究.由图 7实验结果可知, 在其它金属离子存在时, 向探针L₂的DMSO-H₂O (V:V＝6:4) Tris-HCl缓冲液(pH＝7.0)中加入Cu²⁺后, 由Cu²⁺引起的荧光猝灭现象没有发生变化.由此说明, 探针L₂对Cu²⁺的识别具有较强的抗干扰能力, 对Cu²⁺是一个高选择性的荧光探针.

图7 其它金属离子(1.0×10^-5mol/L)和Cu²⁺ (1.0×10^-5mol/ L)共存时探针L₂ (1×10^-5mol/L)在DMSO-H₂O (V:V＝6:4) Tris-HCl缓冲液(pH＝7.0)中的荧光响应(λ_ex＝340 nm) Figure7. Fluorescence response of probe L₂ (1.0×10^-5 mol/L) upon addition of various metal ions (1.0×10^-5 mol/L) in and without the presence of Cu²⁺(1.0×10^-5 mol/L) in DMSO-H₂O (V:V＝6:4) buffered by Tris-HCl (pH＝7.0) (λ_ex＝340 nm)

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1.4.3   荧光滴定实验

利用荧光滴定实验进一步评价了探针L₂对Cu²⁺的选择性, 结果见图 8.荧光光谱显示, 随着Cu²⁺浓度的逐渐增大, 在410 nm处的最大荧光发射强度不断减弱, 当Cu²⁺浓度增加至1.8 equiv.时, 荧光强度基本不再降低, 说明反应体系已经达到饱和.探针L₂的荧光强度与Cu²⁺浓度在0~8×10^-6 mol·L^-1区间具有良好的线性关系, 表明探针L₂与Cu²⁺很好的结合.经过拟合得到线性回归方程: y＝6.366×10^-9x+2.176×10^-4, R²＝0.9836, 并计算得到络合常数K_a＝3.42×10⁴ L·mol^-1 (图 9a).利用Stern-Volmer方程在Cu²⁺浓度为2×10^-6~ 1.4×10^-5 L·mol^-1 (R²＝0.9875)的范围内获得线性曲线(图 9b), 得到荧光猝灭常数K_sv＝3.10×10⁵ L·mol^-1.如此高的K_sv说明较低Cu²⁺浓度即可导致化合物L₂的荧光猝灭, 所以化合物L₂可作为检测Cu²⁺的探针.探针L₂对Cu²⁺的最低检测限为8.96×10^-6 mol·L^-1.美国环境保护局(EPA)和世界卫生组织(WHO)所规定的饮用水中铜含量的安全值分别为1.3 mg/L (≈20 µmol/L)和2.0 mg/L (≈30 µmol/L)^[25].实验所得最低检测限低于EPA和WHO所规定的浓度, 所以探针L₂可以用于定量检测饮用水中Cu²⁺浓度.

图8 向探针L₂ (1.0×10^-5mol/L)的DMSO-H₂O (V:V＝6:4) Tris-HCl缓冲液(pH＝7.0)中加入不同浓度Cu²⁺ (0~1.8 equiv.)后的荧光发射光谱(λ_ex＝340 nm) Figure8. Fluorescence spectra of probe L₂ (1.0×10^-5mol/L) in DMSO-H₂O (V:V＝6:4) buffered by Tris-HCl (pH＝7.0) towards different concentrations of Cu²⁺ (0~1.8 equiv.) (λ_ex＝340 nm)

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图9 (a) L₂与Cu²⁺的结合常数和(b) L₂对Cu²⁺的猝灭常数 Figure9. Binding constant of Cu²⁺ with L₂, and (b) quenching constant of L₂ for Cu²⁺

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1.4.4   探针L与Cu²⁺的络合方式

为了确定探针L₂与Cu²⁺之间的络合比, 进行了ESI质谱分析(图 10).阳离子质谱在m/z＝506.2444处显示一个峰, 归属为[L₂+Cu²⁺+DMSO-H⁺]⁺(计算值: m/z＝506.1224), 说明L₂与Cu²⁺之间是1:1配位, 且溶剂DMSO参与配位.

图10 加入1 equiv. Cu²⁺时探针L₂ (10 mmol·L^-1)的阳离子ESI-MS谱 Figure10. Positive-ion electrospray ionization mass spectrum of probe L₂ (10 mmol·L^-1) upon addition of 1 equiv. of Cu²⁺

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1.4.5   ¹H NMR滴定

为了得到探针L₂与Cu²⁺的络合机理, 利用累积滴加法, 进行了L₂在DMSO-d₆中的¹H NMR滴定实验. 图 11显示, L₂在δ 11.37, 8.13和7.96处出现三个单峰, 它们分别归属为NH(H_a)和NH₂ (H_b和H_c)的质子信号峰.随着Cu²⁺浓度的增加, H_a和H_b信号峰移向低场, H_c信号峰移向高场, 当加入1.0 equiv.的Cu²⁺时, H_a信号峰低移至δ 11.66, H_b和H_c信号峰与其它峰合并.此外, 咔唑环上的某些质子信号峰也稍有移动, 这是由于缩氨基硫脲-Cu²⁺部分电荷密度的增加, 促使L₂分子内电荷移动.这些现象表明, 在L₂中的氨基硫脲部分与Cu²⁺配位, 结合MS谱可知形成一个1:1配位的L₂-Cu²⁺络合物.探针L₁和L₃的¹H NMR滴定也得到了同样的结果, 这说明它们与Cu²⁺具有相同的配位模式(详见辅助材料).

图11 在DMSO-d₆中逐渐加入CuSO₄·5H₂O时探针L₂的¹H NMR谱 Figure11. ¹H NMR spectra of probe L₂ by stepwise addtion of CuSO₄·5H₂O in DMSO-d₆

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根据上述UV和FL光谱分析、¹H NMR滴定以及ESI质谱分析, 探针L与Cu²⁺的络合模式如图 12所示.探针L中的咔唑基团是芳香性的稠杂环化合物, 具有强的发光性能, 但由于Cu²⁺离子与识别基团(氨基硫脲部分)结合, 探针L受光激发使荧光团(咔唑部分)电子向受体部分转移, 即发生分子内光诱导电子转移(PET), 使得探针L在410 nm处的荧光强度明显减弱, 荧光发生淬灭.

图12 探针L与Cu²⁺可能的络合机理 Figure12. Proposed binding mode between probe L and Cu²⁺

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2   结论

本文利用简单的合成方法制备出了3个新型的基于咔唑-氨基硫脲席夫碱衍生物L₁~L₃.阳离子识别性能研究结果表明, 化合物L₁~L₃具有高选择性裸眼和荧光猝灭识别Cu²⁺的特性, 化合物L₁~L₃是Cu²⁺的裸眼、比色荧光探针. NMR和MS谱分析表明, 探针L₂与Cu²⁺形成1:1的配合物.探针L₂对Cu²⁺的最低检测限为8.96×10^-6 mol·L^-1, 低于WHO规定的饮用水中Cu²⁺的最大含量(20 µmol·L^-1).探针L₁~L₃水溶性良好, 可以在DMSO-H₂O (Tris-HCl缓冲液, pH＝7.0)的体系中使用.探针L在检测生物体系与环境水中Cu²⁺含量方面具有潜在的应用价值.同时探针L₁~L₃自身稳定性强、合成方法简单、产率较高, 是一种可行性高的探针.

3   实验部分

3.1   仪器与试剂

X-5显微熔点测定仪(温度计未经校正); 德国TENSOR 27型FT-IR红外光谱仪, KBr压片; 德国BRUKER 500 MHz核磁共振仪, CDCl₃/DMSO-d₆为溶剂, TMS为内标; 美国Waters公司Q-Tof Micro型质谱仪; 德国Elementar公司Vario EL型元素分析仪; 美国Perkin Elmer Lambda 35紫外-可见分光光度计; 日本HITACHI F-7000荧光光谱仪.药品:所用药品均为试剂公司购买的分析纯试剂.

3.2   探针2-[(N-烷基-咔唑-3-基)甲叉基]肼硫代甲酰胺(L)的合成

中间体化合物1参照文献[26]方法合成, 中间体化合物2参照文献[27]方法合成.化合物1和2的波谱数据与文献[28]一致.在50 mL干燥的圆底烧瓶中依次加入1 mmol中间体化合物2、0.14 g (1.5 mmol)氨基硫脲、10 mL无水乙醇和几滴冰醋酸, 加热回流, 薄层色谱(TLC)监测反应进程.反应完成后, 将反应混合物冷却至室温, 抽滤, 粗产品用乙醇重结晶后即得到探针L.

2-[(N-己烷-咔唑-3-基)甲叉基]肼硫代甲酰胺(L₁):奶白色粒状晶体, 产率94.29%. m.p. 184.3~185.1 ℃; ¹H NMR (DMSO-d₆, 500 MHz) δ: 11.38 (s, 1H, NH_a), 8.58 (d, J＝1.0 Hz, 1H, Cz-H₄), 8.23 (s, 1H, CH＝N), 8.21 (d, J＝7.5 Hz, 1H, Cz-H₂), 8.15 (s, 1H, NH_b), 7.98 (s, 1H, NH_c), 7.94 (dd, J＝8.5, 1.5 Hz, 1H, Cz-H₅), 7.61 (d, J＝8.5 Hz, 2H, Cz-H₁, H₈), 7.48 (td, J＝7.8, 1.0 Hz, 1H, Cz-H₇), 7.24 (t, J＝7.5 Hz, 1H, Cz-H₆), 4.40 (t, J＝7.0 Hz, 2H, NCH₂), 1.68~1.82 (m, 2H, NCH₂CH₂), 1.10~1.35 (m, 6H, NCH₂CH₂(CH₂)₃CH₃), 0.80 (t, J＝7.0 Hz, 3H, CH₃); ¹³C NMR (DMSO-d₆, 125 MHz) δ: 179.43, 145.47, 142.95, 142.37, 127.98, 127.00, 126.94, 124.19, 124.02, 122.45, 122.05, 121.11, 111.47, 111.37, 44.26, 32.81, 30.35, 27.96, 23.85, 15.67; IR (KBr) v: 3437, 3275, 3153, 3041, 2925, 2853, 1628, 1598, 1495, 1473. Anal. calcd for C₂₀H₂₄N₄S: C 68.15, H 6.86, N 15.89; found C 68.41, H 7.07, N 15.70. ESI-HRMS calcd for C₂₀H₂₄N₄NaS (M+Na)⁺ 375.1614, found 375.1619.

2-[(N-庚烷-咔唑-3-基)甲叉基]肼硫代甲酰胺(L₂):白色针状晶体, 产率88.89%. m.p. 174.1~174.7 ℃; ¹H NMR (DMSO-d₆, 500 MHz) δ: 11.37 (s, 1H, NH_a), 8.57 (s, 1H, Cz-H₄), 8.23 (s, 1H, CH＝N), 8.20 (d, J＝8.0 Hz, 1H, Cz-H₂), 8.13 (s, 1H, NH_b), 7.96 (s, 1H, NH_c), 7.93 (d, J＝8.5 Hz, 1H, Cz-H₅), 7.60 (d, J＝8.5 Hz, 2H, Cz-H₁, H₈), 7.47 (t, J＝7.8 Hz, 1H, Cz-H₇), 7.23 (t, J＝7.8 Hz, 1H, Cz-H₆), 4.39 (t, J＝7.0 Hz, 2H, NCH₂), 1.70~1.83 (m, 2H, NCH₂CH₂), 1.05~1.35 (m, 8H, NCH₂CH₂(CH₂)₄-CH₃), 0.80 (t, J＝6.5 Hz, 3H, CH₃); ¹³C NMR (DMSO-d₆, 125 MHz) δ: 179.42, 145.47, 142.95, 142.37, 127.98, 126.99, 126.94, 124.19, 124.02, 122.44, 122.05, 121.11, 111.48, 111.37, 44.26, 33.04, 30.40, 30.28, 28.29, 23.82, 15.73; IR (KBr) v: 3427, 3264, 3153, 3046, 2925, 2853, 1629, 1595, 1495, 1473. Anal. calcd for C₂₁H₂₆N₄S: C 68.82, H 7.15, N 15.29; found C 69.02, H 6.97, N 15.53. ESI-HRMS calcd for C₂₁H₂₆N₄NaS (M+Na)⁺ 389.1780, found 389.1776.

2-[(N-辛烷-咔唑-3-基)甲叉基]肼硫代甲酰胺(L₃):奶白色粒状晶体, 产率89.47%. m.p. 174.8~175.7 ℃; ¹H NMR (DMSO-d₆, 500 MHz) δ: 11.39 (s, 1H, NH_a), 8.58 (d, J＝0.5 Hz, 1H, Cz-H₄), 8.23 (s, 1H, CH＝N), 8.21 (d, J＝8.0 Hz, 1H, Cz-H₂), 8.16 (s, 1H, NH_b), 7.98 (s, 1H, NH_c), 7.93 (dd, J＝8.5, 1.5 Hz, 1H, Cz-H₅), 7.61 (d, J＝8.5 Hz, 2H, Cz-H₁, H₈), 7.47 (td, J＝7.8, 0.8 Hz, 1H, Cz-H₇), 7.24 (t, J＝7.5 Hz, 1H, Cz-H₆), 4.40 (t, J＝7.0 Hz, 2H, NCH₂), 1.65~1.85 (m, 2H, NCH₂CH₂), 1.05~1.35 (m, 10H, NCH₂CH₂(CH₂)₅CH₃), 0.81 (t, J＝6.8 Hz, 3H, CH₃); ¹³C NMR (DMSO-d₆, 125 MHz) δ: 179.42, 145.47, 142.95, 142.37, 127.97, 126.99, 126.93, 124.20, 124.03, 122.44, 122.04, 121.10, 111.47, 111.36, 44.26, 33.01, 30.58, 30.44, 30.37, 28.31, 23.86, 15.75; IR (KBr) v: 3432, 3269, 3153, 3041, 2925, 2853, 1628, 1594, 1495, 1473. Anal. calcd for C₂₂H₂₈N₄S: C 69.44, H 7.42, N 14.72; found C 69.27, H 7.64, N 14.57. ESI-HRMS calcd for C₂₂H₂₈N₄NaS (M+Na)⁺ 403.1946, found 403.1932.

3.3   荧光光谱测定方法

化合物L₂测试溶液的配制:以DMSO为溶剂, 将化合物L₂配置成2.0×10^-3mol/L的储备溶液, 然后移取一定的体积再用DMSO-H₂O (V:V＝6:4) Tris-HCl缓冲液(pH＝7.0)稀释成1.0×10^-5mol/L的待测溶液. Tris-HCl缓冲液的配制:以二次蒸馏水为溶剂, 配制0.1 M Tris缓冲溶液和0.1 mol·L^-1 HCl溶液, 通过HCl溶液调节以达到目标pH.

金属离子储备液的配制:以二次蒸馏水为溶剂, 配制5.0×10^-3 mol/L的金属离子溶液[Pb(NO₃)₂、CuSO₄· 5H₂O、CoCl₂·6H₂O、Sr(NO₃)₂、BaCl₂·2H₂O、ZnSO₄·7H₂O、NiSO₄·6H₂O、3CdSO₄·8H₂O、MnSO₄·H₂O、HgNO₃、SnCl₂·2H₂O、Fe(NO₃)₂·9H₂O、NaCl、LiClO₄·3H₂O、AgNO₃、KNO₃], 以留备用.

荧光光谱的测定均在室温条件下进行.测试条件:室温, 样品池为1 cm×1 cm×4 cm石英比色皿, 激发狭缝宽度(EX)为5.0, 发射狭缝宽度(EM)为5.0, 激发波长λ_ex为340 nm, 于360~660 nm范围内测试荧光.

辅助材料(Supporting Information)  所有目标化合物的IR, ¹H NMR, ¹³C NMR, MS图谱以及探针L₁和L₃的裸眼识别、离子识别和核磁滴定谱图.这些材料可以免费从本刊网站(http://sioc-journal.cn/)上下载.
1. [1]
  Zhan, S. S.; Wu, Y. G.; Wang, L. M.; Zhan, X. J.; Liu, P. Biosens. Bioelectron. 2016, 86, 353. doi: 10.1016/j.bios.2016.06.075
2. [2]
  Lee, S. Y.; Bok, K. H.; Kim, J. A.; Kim, S. Y.; Kim, C. Tetrahe-dron 2016, 72, 5563. doi: 10.1016/j.tet.2016.07.051
3. [3]
  Zhou, H. T.; Sun, L.; Chen, W.; Tian, G. J.; Chen, Y.; Li, Y. R.; Su, J. H. Tetrahedron 2016, 72, 2300. doi: 10.1016/j.tet.2016.03.036
4. [4]
  Kundu, A.; Hariharan, P. S.; Prabakaran, K.; Anthony, S. P. Sens. Actuators, B:Chem. 2015, 206, 524. doi: 10.1016/j.snb.2014.09.099
5. [5]
  Yang, J. Y.; Chen, L. H.; Zheng, Y. Z.; Dong, X. Y.; Raghunandhan, R.; So, P. L.; Chan, C. C. Sens. Actuators, B:Chem. 2016, 230, 353. doi: 10.1016/j.snb.2016.02.038
6. [6]
  Qin, J. C.; Fan, L.; Yang, Z. Y. Sens. Actuators, B:Chem. 2016, 228, 156. doi: 10.1016/j.snb.2016.01.031
7. [7]
  Feng, Y.; Lia, D. X.; Wang, Q.; Wang, S. X.; Meng, X. M.; Shao, Z. L.; Zhu, M. Z.; Wang, X. Sens. Actuators, B:Chem. 2016, 225, 572. doi: 10.1016/j.snb.2015.11.081
8. [8]
  Zhou, Y. Y.; Tang, L.; Zeng, G. M.; Zhang, C.; Zhang, Y.; Xie, X. Sens. Actuators, B:Chem. 2016, 223, 280. doi: 10.1016/j.snb.2015.09.090
9. [9]
  Kandasamy, K.; Ganesabaskaran, S.; Pachamuthu, M. P.; Maheswari, R.; Ramanathan, A. Spectrochim. Acta, Part A 2015, 150, 34. doi: 10.1016/j.saa.2015.05.009
10. [10]
  Samanta, S.; Samanta, P. K.; Dutta, S.; Biswas, P. Spectrochim. Acta, Part A 2015, 147, 262. doi: 10.1016/j.saa.2015.03.096
11. [11]
  Xu, W. J.; Qi, D. Q.; You, J. Z.; Hu, F. F.; Bian, J. Y.; Yang, C. X.; Huang, J. J. Mol. Struct. 2015, 1091, 133. doi: 10.1016/j.molstruc.2015.02.083
12. [12]
  Wang, E. Z.; Zhou, Y. M.; Huang, Q.; Pang, L. F.; Qiao, H.; Yu, F.; Gao, B.; Zhang, J. L.; Min, Y. H.; Ma, T. S. Spectrochim. Acta, Part A 2016, 152, 327. doi: 10.1016/j.saa.2015.07.090
13. [13]
  Hu, Y.; Zhang, J.; Lv, Y. Z.; Huang, X. H.; Hu, S. L. Spectrochim. Acta, Part A 2016, 157, 164. doi: 10.1016/j.saa.2015.12.031
14. [14]
  Bekhradnia, A.; Domehri, E.; Khosravi, M. Spectrochim. Acta, Part A 2016, 152, 18. doi: 10.1016/j.saa.2015.07.029
15. [15]
  Diao, H. P.; Niu, W. P.; Liu, W.; Feng, L. H.; Xie, J. Spectrochim. Acta, Part A 2017, 170, 65. doi: 10.1016/j.saa.2016.07.014
16. [16]
  李英俊, 李继阳, 许永廷, 靳焜, 曹欣, 有机化学, 2017, 37, 896. http://sioc-journal.cn/Jwk_yjhx/CN/abstract/abstract345878.shtmlLi, Y. J.; Li, J. Y.; Xu, Y. T.; Jin, K.; Cao, X. Chin. J. Org. Chem. 2017, 37, 896(in Chinese). http://sioc-journal.cn/Jwk_yjhx/CN/abstract/abstract345878.shtml
17. [17]
  Xiong, J. J.; Huang, P. C.; Zhang, C. Y.; Wu, F. Y. Sens. Actuators, B:Chem. 2016, 226, 30. doi: 10.1016/j.snb.2015.11.113
18. [18]
  Feng, L.; Shi, W.; Ma, J. C.; Chen, Y. B.; Kui, F.; Hui, Y. H.; Xie, Z. F. Sens. Actuators, B:Chem. 2016, 237, 563. doi: 10.1016/j.snb.2016.06.129
19. [19]
  Liu, J. L.; Meng, X.; Duan, H. D.; Xu, T.; Ding, Z. Y.; Liu, Y.; Lucia, L. Sens. Actuators, B:Chem. 2016, 227, 296. doi: 10.1016/j.snb.2015.11.125
20. [20]
  Vikneswaran, R.; Syafiq, M. S.; Eltayeb, N. E.; Kamaruddin, M. N.; Ramesh, S.; Yahya, R. Spectrochim. Acta, Part A 2015, 150, 175. doi: 10.1016/j.saa.2015.05.087
21. [21]
  Ganjali, M. R.; Hosseini, M.; Motalebi, M.; Sedaghat, M.; Mizani, F.; Faridbod, F.; Norouzi, P. Spectrochim. Acta, Part A 2015, 140, 283. doi: 10.1016/j.saa.2014.12.042
22. [22]
  Zhang, C. H.; Gao, B. Z.; Zhang, Q. Y.; Zhang, G. M.; Shuang, S. M.; Dong, C. Talanta 2016, 154, 278. doi: 10.1016/j.talanta.2016.03.067
23. [23]
  You, G. R.; Lee, J. J.; Choi, Y. W.; Lee, S. Y.; Kim, C. Tetrahedron 2016, 72, 875. doi: 10.1016/j.tet.2015.12.064
24. [24]
  Zhu, W. J.; Yang, L. L.; Fang, M.; Wu, Z. Y.; Zhang, Q.; Yin, F. F.; Huang, Q.; Li, C. J. Lumin. 2015, 158, 38. doi: 10.1016/j.jlumin.2014.09.020
25. [25]
  Jagadeeswari, S.; Paramaguru, G.; Thennarasu, S.; Renganathan, R. J. Mol. Struct. 2014, 1060, 191. doi: 10.1016/j.molstruc.2013.12.017
26. [26]
  Jagadeeswari, S.; Paramaguru, G.; Thennarasu, S.; Renganathan, R. J. Mol. Struct. 2014, 1060, 191. doi: 10.1016/j.molstruc.2013.12.017
27. [27]
  Ramkumar, S.; Manoharan, S.; Anandan, S. Dyes Pigm. 2012, 94, 503. doi: 10.1016/j.dyepig.2012.02.016
28. [28]
  Budreckiene, R.; Buika, G.; Grazulevicius, J. V.; Jankauskas, V.; Staniskiene, B. J. Photochem. Photobiol., A 2006, 181, 257. doi: 10.1016/j.jphotochem.2005.12.006
图式 1 探针L的合成路线

Scheme 1 Synthetic route of probe L

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图 1 (a) 探针L₁~L₃ (1.0×10^-5 mol/L)在DMSO溶液中的紫外-可见吸收光谱和(b)荧光光谱(λ_ex＝340 nm)

Figure 1 (a) UV-vis and (b) fluorescence spectra of probe L₁~L₃ in DMSO

The concentration of L: 1.0×10^-5 mol/L; λ_ex＝340 nm

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图 2 (a) L₂ (1.0×10^-5 mol/L)在不同溶剂中的荧光光谱和(b) L₂在不同比例的DMSO与水混合溶剂中的荧光光谱(λ_ex＝340 nm)

Figure 2 (a) Fluorescence spectra of L₂ (1.0×10^-5 mol/L) in different solvents and (b) DMSO with different volume fractions of H₂O (λ_ex＝340 nm)

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图 3 L₂在含水的不同混合溶剂中的荧光光谱

Figure 3 Fluorescence spectra of L₂ (1.0×10^-5 mol/L) in different solvents with water

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图 4 pH值对L₂(1.0×10^-5 mol/L)的荧光强度的影响

Figure 4 pH effect on the fluorescence intensity of probe L₂ (1.0×10^-5 mol/L)

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图 5 向探针L₂的DMSO-H₂O (V:V＝6:4, 1.0×10^-4 mol/L)中加入2.0 equiv.不同阳离子后在日光(a)及紫外灯(b)照射下(λ＝365 nm)溶液颜色的变化

Figure 5 Photographs taken under (a) daylight and (b) UV illumination (λ＝365 nm) of L₂ (c＝1.0×10^-4 mol/L) after addition of 2.0 equiv. metal ions in DMSO-H₂O (V:V＝6:4)

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图 6 向探针L₂ (1.0×10^-5 mol/L)的DMSO-H₂O (V:V＝6:4) Tris-HCl缓冲液(pH＝7.0)中加入1.0 equiv.不同金属离子后的(a)紫外-可见吸收光谱和(b)荧光光谱(λ_ex＝340 nm)

Figure 6 (a)UV–vis and (b)FL spectra of probe L₂ (1.0×10^-5 mol/L) in DMSO-H₂O (V:V＝6:4) buffered by Tris-HCl (pH＝7.0) upon addition of various metal ions (λ_ex＝340 nm)

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图 7 其它金属离子(1.0×10^-5mol/L)和Cu²⁺ (1.0×10^-5mol/ L)共存时探针L₂ (1×10^-5mol/L)在DMSO-H₂O (V:V＝6:4) Tris-HCl缓冲液(pH＝7.0)中的荧光响应(λ_ex＝340 nm)

Figure 7 Fluorescence response of probe L₂ (1.0×10^-5 mol/L) upon addition of various metal ions (1.0×10^-5 mol/L) in and without the presence of Cu²⁺(1.0×10^-5 mol/L) in DMSO-H₂O (V:V＝6:4) buffered by Tris-HCl (pH＝7.0) (λ_ex＝340 nm)

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图 8 向探针L₂ (1.0×10^-5mol/L)的DMSO-H₂O (V:V＝6:4) Tris-HCl缓冲液(pH＝7.0)中加入不同浓度Cu²⁺ (0~1.8 equiv.)后的荧光发射光谱(λ_ex＝340 nm)

Figure 8 Fluorescence spectra of probe L₂ (1.0×10^-5mol/L) in DMSO-H₂O (V:V＝6:4) buffered by Tris-HCl (pH＝7.0) towards different concentrations of Cu²⁺ (0~1.8 equiv.) (λ_ex＝340 nm)

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图 9 (a) L₂与Cu²⁺的结合常数和(b) L₂对Cu²⁺的猝灭常数

Figure 9 Binding constant of Cu²⁺ with L₂, and (b) quenching constant of L₂ for Cu²⁺

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图 10 加入1 equiv. Cu²⁺时探针L₂ (10 mmol·L^-1)的阳离子ESI-MS谱

Figure 10 Positive-ion electrospray ionization mass spectrum of probe L₂ (10 mmol·L^-1) upon addition of 1 equiv. of Cu²⁺

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图 11 在DMSO-d₆中逐渐加入CuSO₄·5H₂O时探针L₂的¹H NMR谱

Figure 11 ¹H NMR spectra of probe L₂ by stepwise addtion of CuSO₄·5H₂O in DMSO-d₆

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图 12 探针L与Cu²⁺可能的络合机理

Figure 12 Proposed binding mode between probe L and Cu²⁺

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