谷氨酸橋連芘基、大環(huán)多胺熒光探針對Cu2+離子的選擇性識別初探

1、谷氨酸橋連芘基、大環(huán)多胺熒光探針對Cu2+離子的選擇性識別初探    摘 要：合成了大環(huán)多胺（1，4，7，10-四氮雜環(huán)十四烷）衍生物4。在該化合物中，大環(huán)多胺部分通過一個L-型谷氨酸以酰胺鍵和芘胺連接。在甲醇和水的混合體系中初步研究了不同金屬陽離子對化合物的熒光淬滅效果，結(jié)果顯示，化合物4顯示出了對Cu2+的選擇性識別和結(jié)合能力，對銅離子的結(jié)合常數(shù)高達2 × 106 M-1。關鍵詞：大環(huán)多胺； 銅離子； 熒光探針熒光化學探針可以用于檢測各種陽離子，陰離子，小分子，生物大分子等物質(zhì)1-4。由于金屬離子（比如Cu2+，Zn2+，Hg2+，Pb2+

2、）在生物化學，環(huán)境及人類健康方面都發(fā)揮著相當重要的作用或者是有著特別嚴重的危害，用于檢測這些離子的化學探針也就成為科學家研究的重點5-7。Cu2+是生命活動中的最不可缺的金屬離子之一，特別在血液中有著相當高的含量。然而，過量Cu2+的攝入也會給生命體的健康帶來危害。因此，針對Cu2+設計的熒光化學探針有著相當?shù)闹匾院蛷V泛的應用前景8-10，并得到相當?shù)年P注。在熒光化學探針的設計中，至少應該包含兩個基本的單元信號發(fā)射單元與信號觸發(fā)單元。芘是一種多環(huán)芳烴化合物，有著很高的熒光量子產(chǎn)量同時易于進行修飾，因此常被用作熒光化學探針的生色團，也就是信號發(fā)射單元11。大環(huán)多胺是氮雜冠醚的典型代表化合物，顯

3、示出了與各種金屬離子，比如Zn2+，Cu2+，Ni2+，Cd2+，以及鑭系金屬離子的良好結(jié)合效果12，因而被廣泛用于人工核酸切割試劑，酶模擬應用及MRI試劑13-16。也正因此，大環(huán)多胺被廣泛用作化學探針的信號觸發(fā)單元，其中的一些配體通過熒光增強效果用于Zn2+的識別中，而對于Cu2+的識別則以熒光淬滅為主。在本文中，我們設計了一個新的熒光化學探針，以谷氨酸為橋?qū)⒁粋€大環(huán)多胺和芘胺進行連接。同時，在水和甲醇的混合溶劑中，初步研究了Cu2+對其的選擇性熒光淬滅效果。1 實驗1.1 實驗儀器及試劑Bruker Daltonics Bio TOF高分辨質(zhì)譜（HR-MS）；Bruker AV II-4

4、00 MHz核磁共振儀；Hitachi FL-4500熒光分光光譜儀；芘胺與化合物2按照文獻合成17,18，其他試劑均為國產(chǎn)分析純。1.2 化合物3的合成氮氣保護下，將化合物2（2 mmol，1.4 g）和0.34 mL 三乙胺溶于80 mL二氯甲烷中。將其冷卻至-15 oC后加入0.32 mL氯甲酸異丁酯，攪拌2分鐘后，加入芘胺（2.2 mmol，0.48 g）。將反應在-15 oC保持半小時后，繼續(xù)室溫攪拌過夜。在減壓下除去溶劑，將殘留物經(jīng)過硅膠柱分離得產(chǎn)化合物3（乙酸乙酯：石油醚 2：1）。產(chǎn)率：50 %。1 H NMR (CDCl3, 400MHz) : 1.38-1.48 (36H,

5、 m, Boc-CH3), 2.01-2.05 (2H, m, CH2-CH), 2.28-2.31 (2H, m, CH2-CO), 3.25-3.75 (16H, m, cyclen-CH2), 4.66-4.67 (1H, m, CH-CO), 5.74-5.75 (1H, d, NH-Boc), 7.95-8.05 (4H, m, pyrene-H), 8.09-8.16 (3H, m, pyrene-H), 8.30-8.32 (1H, d, J = 8.8 Hz, pyrene-H), 8.43-8.45 (1H, d, J = 7.6 Hz, pyrene-H), 9.16 (1

6、H, s, NH-CO); IR (KBr) : 3426, 2975, 2929, 1696, 1554, 1518, 1469, 1410, 1366, 1248, 1164, 841 cm-1; HR-MS (ESI): calcd for1C49H68N6O10M+Na+: m/z =923.4889. Found: 923.4904.1.3 化合物4的合成將化合物3（0.15 mmol，135 mg）溶于30 mL二氯甲烷中，加入0.46 mL三氟醋酸。室溫反應4小時，之后減壓出去溶劑得到油狀物質(zhì)。加入50 mL無水乙醚后進行研磨，得到白色固體。將白色固體以無水乙醚洗滌三次，干燥得到

7、產(chǎn)品的三氟醋酸鹽。將其溶于水中，加入2 mol/L的氫氧化鈉溶液10 mL，再用30 mL二氯甲烷萃取三次。合并有機相，以飽和食鹽水洗滌后再用無水硫酸鈉干燥。減壓除去溶劑后得到白色固體化合物4。產(chǎn)率：70 %。1 H NMR (CDCl3, 400MHz) : 1.88-2.05 (2H, m, CH2-CH), 2.22-2.28 (2H, m, CH2-CO), 2.51-3.03 (12H, m, CH2-NH), 3.62-3.68 (4H, m, CH2-N), 3.92-3.93 (1H, m, J = 4.8 Hz, CH-CO), 7.97-8.05 (3H, m, pyren

8、e-H), 8.09-8.19 (5H, m, pyrene-H), 8.28 -8.30 (1H, d, J = 8 Hz, pyrene-H), 8.80 (1H, s, NH-CO); IR (KBr) : 3432, 2924, 22851, 1631, 1559, 1520, 1457, 1414, 1366, 1268, 1154, 847, 752 cm-1; HR-MS (ESI): calcd for C29H37N6O2M+H+: m/z =501.2973. Found: 501.2953.1.4 實驗方法將化合物4溶于甲醇中，以90% 甲醇水溶液稀釋至5 ×

9、10-6 mol/L待測。將不同金屬離子配為5× 10-3 mol/L水溶液進行滴定。測量化合物4溶液中加入不同種類或是不同濃度金屬離子后熒光強度的變化。2 實驗結(jié)果與討論2.1 合成路線化合物的合成路線如圖1，由于以DCC為縮合劑進行偶聯(lián)的產(chǎn)率較低，我們在合成化合物3時改用三乙胺和氯甲酸異丁酯對芘胺和化合物2進行偶聯(lián)。將化合物3在三氟醋酸中脫保護后再使用NaOH進行堿化得到目標化合物4?；衔?進過1H NMR，IR和高分辨質(zhì)譜表征。+NNNNBocBocBocCOOHONHBocisobutylchloroformate TEACH2Cl2NNNNBocBocBocONHBocN

10、HO1231) TFA2) NaOHNHHNNNHONH2NHO4NH2圖1 化合物4的合成路線2.2 溶劑影響首先研究了化合物4在不同溶劑和混合溶劑中的熒光強度。在低極性溶劑比如CH2Cl2中，化合物4的熒光強度會高于其他高極性溶劑中的熒光強度，比如甲醇或水。但考慮到檢測的金屬陽離子在溶液中的溶解性，高極性溶劑比如水更適合作為實驗所用溶劑。綜合考慮溶劑極性和待測物質(zhì)溶解性兩個因素，我們在實驗中以甲醇/水的混合溶劑作為實驗的溶劑體系。實驗中首先對混合溶劑的比例進行了優(yōu)化。如圖2，配體的熒光強度隨著甲醇比例的增大而增大，呈線性關系，R = 0.9846。基于這個結(jié)果，我們選用含90% 甲醇的水溶

11、液作為實驗系統(tǒng)進行下面的研究。在這個溶劑體系中，熒光強度和配體/金屬離子的溶解性都能2夠得到較好的滿足。 0204060801000.00.20.40.60.81.0relative fluorescence instensity%MeOH0204060801000.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1relative fluorescence instensity%MeOH圖2 甲醇比例對化合物熒光強度的影響。4 = 5.0×10-6 M. ex = 352 nm, em= 406 nm.2.3 不同種類金屬離子的影響化合物4在90% 甲醇水溶液中的熒光光譜發(fā)射

12、范圍在370-450 nm處。我們選用了常見的金屬離子包括堿金屬離子（Na+，K+），堿土金屬離子（Mg2+，Ca2+）和過渡金屬離子（Ni2+，Cu2+，Zn2+，Pb2+，Cd2+，Hg2+）作為與熒光化學探針的底物。在化合物4的溶液中加入100 eq.不同金屬離子后溶液的熒光變化如圖3所示。與未加入金屬離子前相比，化合物4的熒光被Hg2+和Cu2+選擇性的淬滅，而Ni2+僅能造成部分淬滅。與報道過的類似的大環(huán)多胺衍生物相比19-22，化合物對其他金屬離子，比如Zn2+沒有沒有明顯的相互作用。Hg2+，Cu2+對化合物4的熒光淬滅效果為螯合導致的熒光淬滅效果。不同金屬離子對化合物4的熒光淬

13、滅效率通過Io/I進行表示，Io與I分別表示加入金屬離子前后化合物4在406 nm處的熒光強度。對Hg2+和Cu2+，Io/I值分別為4.4和6.1，而對除Ni2+以外的其他金屬離子來說，該值為0.92-1.13。3603804004204404604805000200400600800100012001400fluorescence intensitywavelength (nm)圖3 不同金屬離子對化合物熒光強度的影響。4= 5.0×10-6 M. Mn+=5.0×10-4 M2.4 Hg2+與Cu2+熒光淬滅效果比較由于Hg2+和Cu2+都對化合物有熒光淬滅效果，我們

14、進一步用兩種金屬離子的對化合物4的甲醇水溶液進行了熒光滴定，結(jié)果如圖4所示。和Hg2+相比，Cu2+在極低的濃度下就能夠淬滅化合物的熒光，在加入1 eq.的Cu2+后，Io/I值就增加到4.24，繼續(xù)加入Cu2+僅使Io/I值發(fā)生較小的增加。然而對于Hg2+或Ni2+，加入1 eq.金屬離子溶液后Io/I仍然為1左右，僅在加入10 eq. Hg2+后發(fā)生明顯改變，Io/I變?yōu)?.42。實驗結(jié)果說明當金屬離子濃度小于或者等于化合物4的濃度的情況下，化合物4能夠選擇性的識別Cu2+。 3125101000.00.20.40.60.81.0I/Ioions equiv Cu2+ Hg2+圖4 Hg2

15、+和Cu2+對化合物4熒光淬滅能力的比較。4 = 5.0×10-6 M. ex = 352 nm2.5 化合物4對Cu2+的結(jié)合常數(shù)我們進一步在水溶液中研究了化合物4對Cu2+的結(jié)合能力，如圖5所示。從我們以前的實驗結(jié)果中我們發(fā)現(xiàn)23，類似結(jié)果的化合物與Cu2+結(jié)合的化學計量比應該為1：1。因此，化合物4與Cu2+的結(jié)合常數(shù)可以使用簡單的B-H方程進行計算。通過計算，化合物4與Cu2+的結(jié)合常數(shù)應該為2.0 × 106 M-1。3504004505005506000200400600800100012001400Fluorescence intensityWavelengt

16、h (nm) 4 only 4+Cu2+ 0.1eq 4+Cu2+ 0.2eq 4+Cu2+ 0.4eq 4+Cu2+ 1eq 4+Cu2+ 2eq 4+Cu2+ 5eq 4+Cu2+ 10eq 4+Cu2+ 100eq 4+Cu2+ 1000eq圖5 不同濃度Cu2+對化合物4的熒光淬滅效果3 結(jié)論我們合成并表征了一個新的可以作為熒光化學探針的大環(huán)多胺衍生物。當金屬離子濃度低于化合物濃度的情況下，該化合物能夠通過熒光淬滅選擇性的識別Cu2+。進一步對該化合物進行結(jié)構(gòu)修飾和改造可以開發(fā)出功能更強的金屬陽離子型熒光化學探針。參考文獻1 Altschuh, D.; Oncul, S.; Demch

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