新型芳基苯并噻唑類發(fā)光試劑的合成及光譜性能
胡驥, 李在均, 宋啟軍
(江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院,江蘇無錫214122)
摘 要:以鄰苯二甲酰亞胺為原料,經(jīng)硝化、還原、巰基化和酰肼化反應(yīng)合成6-氨基-7-巰基苯二甲 酰肼(AMHP ).AMHP分別與4-甲?；郊兹?-甲氧基苯甲醛和3, 5-二溴-4-羥基苯甲醛制備 不同的芳基苯并噻唑類發(fā)光試劑.對(duì)此類發(fā)光試劑的光譜行為進(jìn)行研究,結(jié)果表明,芳基苯并噻唑 衍生物是一類優(yōu)良的發(fā)光試劑,在堿性條件下,這些試劑與鐵氰化鉀反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)發(fā)光現(xiàn) 象.它們中多數(shù)試劑的發(fā)光強(qiáng)度明顯高于傳統(tǒng)試劑魯米諾,尤其以DB-p-H-AMHP發(fā)光強(qiáng)度超過魯 米諾的230倍為最佳,展現(xiàn)出良好的分析應(yīng)用前景.
關(guān)鍵詞:芳基苯并噻唑類試劑;化學(xué)發(fā)光;合成
化學(xué)發(fā)光分析不使用光源,可避免光譜法中普 遍存在的雜散光干擾.常用的化學(xué)發(fā)光體系發(fā)光過 程僅在數(shù)秒(甚至更短)內(nèi)完成,加之發(fā)光微弱和機(jī) 理復(fù)雜,客觀上要求嚴(yán)格控制操作條件,因此極大 地影響了化學(xué)發(fā)光法在實(shí)際工作中的廣泛采用.然 而,隨著發(fā)光檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅 猛發(fā)展,化學(xué)發(fā)光分析法在分析速度、靈敏度和準(zhǔn) 確度方面有了顯著提高,已在環(huán)境、臨床、藥物、免 疫和生物等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作 用[1-3].化學(xué)發(fā)光體系的發(fā)光強(qiáng)度即反應(yīng)靈敏度決定 于躍遷時(shí)量子產(chǎn)率的高低,因此,尋找更高效的發(fā)光 試劑倍受關(guān)注.盡管許多有機(jī)化合物(如吖啶酯類、 二氧環(huán)乙烷類和洛粉堿類發(fā)光試劑)也被合成并應(yīng) 用于化學(xué)發(fā)光分析[3],但魯米諾發(fā)光體系因靈敏度 和穩(wěn)定性均佳仍最為常用.
人們?yōu)榱诉M(jìn)一步改善魯米諾試劑的發(fā)光性能, 相繼開發(fā)出多種魯米諾衍生物,大部分新試劑在化學(xué) 發(fā)光強(qiáng)度方面獲得進(jìn)一步提高[4-7].其中,日本福岡大 學(xué)MasatoshiYamaguchi教授合成的含有苯并噻唑 結(jié)構(gòu)的魯米諾衍生物化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度是魯米諾的數(shù)十 倍(最高達(dá)41倍)[7].作者在此基礎(chǔ)上,基于取代基對(duì) 分析試劑性能影響的規(guī)律[8-9],成功設(shè)計(jì)出3種新型 芳基苯并噻唑類化合物.在堿性條件下,試劑與鐵氰 化鉀迅速反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)發(fā)光,大多數(shù)試劑的發(fā) 光強(qiáng)度明顯高于傳統(tǒng)試劑魯米諾,尤其以 DB-p-H-AMHP發(fā)光強(qiáng)度超過魯米諾的230倍為最 佳,展現(xiàn)出良好的分析應(yīng)用前景.
1 材料與方法
1.1 主要儀器與試劑
1.1.1 試劑 準(zhǔn)確稱取一定量的芳基苯并噻唑類 試劑配制成1. 0mmol/L的儲(chǔ)備液,使用時(shí)取出一定 體積儲(chǔ)備液稀釋成1. 0×10-7mol/L(工作液Ⅰ);準(zhǔn) 確稱取一定量的鐵氰化鉀溶于一定濃度的氫氧化 鈉溶液,配制成10mmol/L的鐵氰化鉀溶液(工作液 Ⅱ).所用水均為超純水(中國(guó)華晶公司生產(chǎn),純度 為光譜純).其他試劑均為分析純,皆由中國(guó)醫(yī)藥集 團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑有限公司提供.
1.1.2 儀器 78-1型磁力攪拌器,金壇榮華儀器 制造有限公司制造;XM型數(shù)顯溫控儀,上海儀川儀 表廠制造; SHZ3循環(huán)水多用真空泵,鞏義亞光儀器 廠制造;FTLA2000-104紅外光譜儀,加拿大ABB公 司制造;MPI-A毛細(xì)管電泳電化學(xué)發(fā)光監(jiān)測(cè)儀,西安 瑞邁電子科技有限公司制造;RF-5301PC熒光光度 計(jì),日本島津公司制造.
1.2 3,5-二溴-4-羥基苯甲醛的合成 冰水浴下依次在反應(yīng)燒杯中加入30 g (0.246 mol)對(duì)羥基苯甲醛和100 mL冰醋酸,緩慢滴加30 mL密度為3.12 g/mL的液溴(0.585mol),整個(gè)滴加 過程控制溫度不超過50℃.加畢,室溫放置4 h,再向 燒杯中加入500mL冷水,析出大量白色沉淀.過濾沉 淀,用水洗滌沉淀至流出液為無色,紅外燈下干燥得 3,5-二溴-4-羥基苯甲醛65 g,產(chǎn)率為95.1%.
1.3 芳基苯并噻唑類試劑的合成
1.3.1 6-氨基-7-巰基鄰苯二甲酰肼 6-氨基-7- 硫基鄰苯二甲酰肼(AMHP)的合成反應(yīng)式為
在裝有攪拌子并置于冰水浴的三口燒瓶中加 入350mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為98%的濃硫酸和60mL發(fā) 煙硝酸,劇烈攪拌下加入50 g鄰苯二甲酰亞胺 (0. 340 mol),控制體系溫度不高于15℃.反應(yīng)4 h 后停止攪拌并撤去冰浴,室溫下靜置過夜.次日,將 反應(yīng)物緩慢倒入冰水混合物中,析出大量黃色懸濁 物.減壓抽濾,并洗滌濾出物4次,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 95%的乙醇重結(jié)晶,得到淡黃色固體5-硝基鄰苯二 甲酰亞胺51 g,產(chǎn)率為78. 1%.
將173 g SnCl2(0. 912 mol)溶于175 mL質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為38%的濃鹽酸中,再加66 mL水,恒溫控制 在50 ~ 60℃.分批加入30 g 5-硝基鄰苯二甲酰亞 胺(0. 156 mol),控溫反應(yīng)2 h,室溫下放置過夜.次 日抽濾,以大量去離子水洗滌沉淀,用吡啶重結(jié)晶, 烘干得到亮黃色固體5-氨基鄰苯二甲酰亞胺15. 5 g,產(chǎn)率為61. 3%.
在置于冰水浴的三口燒瓶中,加入15 g 5-氨基鄰 苯二甲酰亞胺(0.092mol)、18.5 gNaSCN(0.226mol) 和300mL甲醇,另將15.5mL密度為3.12 g/mL的液溴 (0.302mol)溶于150mL甲醇并置于滴液漏斗.當(dāng)燒瓶 中溶液溫度到達(dá)0℃時(shí),開始逐滴滴加溴的甲醇溶液. 滴加完畢,繼續(xù)在0℃條件下攪拌2 h,然后室溫反應(yīng)8 h.抽濾得黃色沉淀,真空干燥得產(chǎn)品5-氨基-6-巰基鄰 苯二甲酰亞胺12.5 g,產(chǎn)率為53.5%.
將12 g 5-氨基-6-巰基鄰苯二甲酰亞胺(0.062 mol)懸浮于200mL的乙醇溶液中,攪拌并恒溫至60 ℃.將45mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%的水合肼逐漸向懸濁 液中滴加,滴加2 h,然后回流48 h.反應(yīng)結(jié)束,減壓蒸 餾乙醇-水溶劑,無水乙醇重結(jié)晶,得鮮紅色粉末狀 產(chǎn)品6-氨基-7-巰基鄰苯二甲酰肼(AMHP) 6 g,產(chǎn) 率為43.3%.產(chǎn)品AMHP的紅外光譜與文獻(xiàn)報(bào)道 一致.
1.3.2 芳基苯并噻唑類試劑 芳基苯并噻唑類試 劑的合成反應(yīng)為
在裝有攪拌子并置于恒溫水浴鍋的三口燒瓶 中,加入4. 2 gAMHP (0. 020mol)以及相等摩爾數(shù) 的4-甲?；郊兹┖?0 mL N,N-二甲基甲酰胺 (DMF),恒溫至52℃,緩慢滴加溶有1. 5 g NaH2PO3濃度為1. 5mol/L的稀硫酸溶液50mL.繼 續(xù)控溫?cái)嚢? h,然后室溫?cái)嚢? h. 0℃冷卻,過濾 沉淀,無水乙醇重結(jié)晶產(chǎn)品,得淡黃色固體粉末 p-C-AMHP.其他芳基苯并噻唑類試劑的合成按上 述相似的操作進(jìn)行,僅采用不同的芳醛替代4-甲酰 基苯甲醛即可.上述各產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)采用紅外、核磁 (1H-NMR和13C-NMR)和電噴霧質(zhì)譜進(jìn)行表征. 芳基苯并噻唑類試劑與合成所用的芳香乙醛 的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1.
1.4 化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)定 在MPI-A毛細(xì)管電泳電化學(xué)發(fā)光監(jiān)測(cè)儀上,以 工作液Ⅰ為流動(dòng)相(管內(nèi)徑為1. 0 mm),注射閥注 入50μL工作液Ⅱ,立即發(fā)生化學(xué)發(fā)光反應(yīng),記錄化 學(xué)發(fā)光強(qiáng)度.
1.5 化學(xué)發(fā)光光譜的測(cè)定 將熒光光度計(jì)與流動(dòng)注射系統(tǒng)相連接(包括蠕 動(dòng)泵和流動(dòng)池),采取兩路進(jìn)樣方式操作(管內(nèi)徑均 為1. 0mm).其中一路為1. 0×10-7mol/L的各發(fā)光 試劑溶液,另一路為氧化劑溶液,二種溶液在流動(dòng) 池處混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng).在關(guān)閉熒光光度計(jì)光源下 測(cè)定化學(xué)發(fā)光光譜,開啟蠕動(dòng)泵二路進(jìn)樣開關(guān),在 流動(dòng)池處發(fā)光試劑與氧化劑混合進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),產(chǎn) 生穩(wěn)定的化學(xué)發(fā)光,在300 ~900 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃 描(掃描速度為1 200 nm/min),記錄化學(xué)發(fā)光光 譜;在打開熒光光度計(jì)光源時(shí)測(cè)定熒光光譜,關(guān)閉 氧化劑溶液進(jìn)樣,當(dāng)流動(dòng)池內(nèi)的溶液完全被發(fā)光試 劑溶液置換完全后,分別選擇不同的激發(fā)和發(fā)射光 波長(zhǎng),在300 ~ 900 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描記錄熒光光 譜(掃描速度為1 200 nm/min).
2 結(jié)果與討論
2.1 芳基苯并噻唑類試劑的合成
在芳基苯并噻唑類試劑的合成中,AMHP的制 備最為關(guān)鍵,而其中的巰基化步驟較難控制.由于 NaSCN/Br2巰基化工藝中使用氧化性很強(qiáng)的液溴, 可能會(huì)破壞終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu).為此,一方面要嚴(yán)格將 巰基化反應(yīng)的溫度控制在0℃,盡量減少溴對(duì)巰基 的氧化;另一方面巰基化粗產(chǎn)品采用無水甲醇反復(fù) 洗滌,直至流出液沒有顏色,以確保其中殘留的溴 完全去除.
2.2 化學(xué)發(fā)光最佳條件的選擇
在化學(xué)發(fā)光試劑-鐵氰化鉀體系中,溶液的酸 堿度對(duì)發(fā)光強(qiáng)度有較大影響.當(dāng)體系pH為1 ~ 3 時(shí),所有試劑幾乎都不發(fā)光.隨著體系pH的變大, 發(fā)光強(qiáng)度緩慢增強(qiáng).只有采用氫氧化鈉溶液控制體 系呈強(qiáng)堿性時(shí),化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度才迅速增加. DB-p-H-AMHP和p-MO-AMHP的發(fā)光強(qiáng)度與NaOH 濃度的關(guān)系如圖1所示.
分別以H2O,CH3OH,CH3CN,DMSO,DMF作 為工作液Ⅰ的溶劑,檢測(cè)不同溶劑對(duì)試劑化學(xué)發(fā)光 行為的影響(見表2). 可以看出,隨著氫氧化鈉濃度的增加,發(fā)光強(qiáng) 度開始增加,隨后增勢(shì)趨緩,繼續(xù)增加氫氧化鈉濃 度,發(fā)光強(qiáng)度將迅速下降.
為保證化學(xué)發(fā)光體系達(dá)到最高的發(fā)光強(qiáng)度和穩(wěn) 定性,采用DMF作為發(fā)光試劑的溶劑,且氫氧化鈉 溶液濃度為1. 5 mol/L.
2.3 化學(xué)發(fā)光反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)
通過對(duì)3種新合成的芳基苯并噻唑類化學(xué)發(fā)光 試劑反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究,發(fā)現(xiàn)其發(fā)光強(qiáng)度隨著氧化 劑的注入迅速上升到最大,然后很快下降至基線. 通常,試劑濃度越大發(fā)光強(qiáng)度上升或下降所需要的 時(shí)間越長(zhǎng),反之就越短(這是因?yàn)樵噭舛却蠡瘜W(xué) 反應(yīng)完成需要更多的時(shí)間).當(dāng)試劑濃度為1×10-7 mol/L時(shí),化學(xué)發(fā)光反應(yīng)在1 ~ 3 s內(nèi)完全進(jìn)行,發(fā) 光強(qiáng)度的衰減迅速,化學(xué)發(fā)光反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線呈現(xiàn) 尖峰狀.由于在實(shí)際分析應(yīng)用時(shí),發(fā)光試劑的濃度是 非常低的,優(yōu)異的發(fā)光動(dòng)力學(xué)特征不僅可提高化學(xué)發(fā) 光分析方法的靈敏度,而且還能增加樣品分析頻次, 這些對(duì)生化反應(yīng)機(jī)理探討和實(shí)時(shí)分析都是至關(guān) 重要的.
2.4 取代基對(duì)試劑光譜性能的影響
苯環(huán)上引入供電子基團(tuán)的芳基苯并噻唑類試 劑的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度明顯高于含吸電子基團(tuán)的試劑, 且含多種供電子基團(tuán)的試劑好于單一供電子基團(tuán) 試劑.在它們之中DB-p-H-AMHP發(fā)光強(qiáng)度最大,是 魯米諾發(fā)光強(qiáng)度的230倍,當(dāng)其應(yīng)用于化學(xué)發(fā)光分 析可大大降低方法的檢出限,展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前 景.為了更好地理解上述規(guī)律,作者將3種芳基苯并 噻唑類試劑的熒光和化學(xué)發(fā)光光譜進(jìn)行了研究.結(jié) 果表明,試劑的熒光光譜最大發(fā)射波長(zhǎng)隨取代基供 電子能力增加而向長(zhǎng)波方向移動(dòng),這說明供電子基 團(tuán)的電子效應(yīng)增加了分子共軛體系中的電荷密度, 使電子易于激發(fā)而躍遷.由于溴原子的引入,改變 了苯并噻唑環(huán)上的電子云密度,降低了激發(fā)態(tài)與基 態(tài)之間的能級(jí)差,提高了分子激發(fā)效率和發(fā)光效 率,從而增強(qiáng)試劑的熒光和化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度.因此,供 電子基團(tuán)越多,供電子能力越強(qiáng),它的熒光光譜最 大發(fā)射波長(zhǎng)越大,且熒光和化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度也更強(qiáng).
2.5 化學(xué)發(fā)光機(jī)理
根據(jù)試劑分子構(gòu)型及電荷分布計(jì)算結(jié)果,推測(cè) 該化學(xué)發(fā)光可能的機(jī)理如圖2所示.由于在分子中 噻唑環(huán)與C—S鍵中原子上電荷密度大,致使C—S 鍵易被氧化而斷裂,伴隨著發(fā)生一系列變化,這些 變化過程如圖2所示的化學(xué)發(fā)光反應(yīng)提供了活化 能,促使它們加快反應(yīng)速度,從而導(dǎo)致化學(xué)發(fā)光強(qiáng) 度的增加和動(dòng)力學(xué)特性的改善.
3 結(jié) 語(yǔ)
合成了3種新型芳基苯并噻唑類發(fā)光試劑,其 中DB-p-H-AMHP的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度是傳統(tǒng)試劑魯米 諾的230倍,具有很好的分析應(yīng)用前景.在苯并噻唑 類試劑中同時(shí)引入供電子基團(tuán)或供電子基團(tuán)組合, 可獲得性能更為優(yōu)異的發(fā)光試劑.
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來源：中國(guó)化學(xué)試劑網(wǎng)
