2024年4月20日发(作者:)
03016
功
滋
讨
科
2021
年第
3
期
(
52)
卷
文章编号
:
1001-9731
(
2021
)
03-03016-05
新型配体
(
MRBHP
)
分子的制备与
MRBHP-A1
3
+
光学性能与应用研究
"
朱
艳
1
,
顾峥烨
2
,
徐洪耀
2
,
光善仪
1
(
1.
东华大学化学化工与生物工程学院生态纺织教育部重点实验室
,
上海
201620
;
2.
东华大学分析测试中心及材料学院纤维改性国家重点实验室
,
上海
201620
)
摘
要
:
以罗丹明
B
酰肼为主体
,
利用马来酸酐
、4
-氨基苯甲醛为原料修饰主体设计合成一种功能性发光小分
子配体
(
MRBHP
)
.
MRBHP
在乙睛与水溶液
(
d
/
d
=
95
:
5
)
中与
A1
3
+
结合形成配合物后
,
溶液颜色由无色变为红
色。
通过核磁共振
、
红外光谱
、
紫外可见吸收光谱对配体结构以及
MRBHP
与
Al
3
+
的配位方式与性能进行了表
征
。
结果表明
,
A1
3
+
与
MRBHP
亚氨基的
N
原子
,
羰基的
O
原子以及马来酸酐的
O原子结合以
1
:
1
的方式形成
配合物
,
配合物呈现特异性强光学吸收
,
吸收峰波长为
558
nm.
同时应用研究发现
,
这种配体对
A1
3
+
呈现很强的
选择性
,
在
558
nm
峰位置的吸收且有较强的抗干扰能力
;
同时配体对
Al
3+
线性检测范围为
0.2
〜
1
卩
M
时
,最低
检测限为
0.14
卩
M,
配位常数为
1.61X
10
-6
M
-1
.
关键词
:
比色
;
配合物
;
铝离子
;
罗丹明
B
酰肼
中图分类号
:
O657.3
文献标识码:
A
DOI
:
10.3969
/.issn.1001-9731.2021.03.002
0
引言
近年来
,
光学功能材料由于其独有的功能性以及
优异的光学性能
,
被逐步广泛用于离子检测
、
生物材
基苯甲醛为原料修饰主体设计合成功能性发光小分子
配体
MRBHP
(
如图
1
所示
)
MRBHP
在乙腈溶液中
与
Al
3+
结合形成配合物后
,
溶液颜色由无色变为红
色
。
通过实验详细探究了分子与
Al
3+
的配位机理
,
并
且分析研究了
MRBHP
对其他金属离子的光学响应
性能
。
应用研究结果表明
,
MRBHP
对于
Al
3
+
具有专
料以及医学成像等众多领域
,
因此多功能光学材料逐
渐成为新型材料研究领域的热点
15]
。
目前
,
已经报
道出来多种关于多功能光学材料检测金属离子的文
章
,
但是都存在一些问题
,
比如
:
材料设计复杂
,
成本
一性响应
,
在
558
nm
处呈现特异光学吸收性能
,
并且
相较于同类型的光学探针
:
1:-16]
,
MRBHP
具有更高的
灵敏性以及更好的离子抗干扰能力
,
该研究可为新型
较高
,
材料水溶性较差等情况
。
基于以上缺点
,
众多
经过改良的光学材料被设计研究
,
其中罗丹明及其衍
生物就是其中重要的一种
。
罗丹明及其衍生物是属
光学材料的设计与应用提供基础
。
于氧杂蔥结构的一类发光染料
,
因其具有良好的光稳
定性
、
高量子产率
、
结构易于修饰设计以及水溶性好
等优点
,
因此可作为光学材料广泛应用于众多化学以
及生物检测等众多领域
,
其中就化学检测而言
,
金属
离子的检测就是重要的一项
:
68]
,
但是金属离子选择
性以及检测灵敏度低都是急需解决的问题
。
铝是地
壳中含量第三高的元素
[
]
,
在众多金属元素中含量第
图
1
MRBHP
的结构
Fig
1
The
structure
of
MRBHP
一
,
在自然界中主要以硅酸盐
,
铝土矿和离子的形式
存在
[
0
山
]
。
当人体内铝离子含量过高时会对人体产
1
实验
1.1
仪器与试剂
Nicolet
8700
型傅里叶变换红外光谱仪
;
Bruker
生伤害
,
大量的铝离子会破坏人的中枢神经系统和免
疫系统
,
抑制体内多种酶的活性并加速人体衰老例如
阿尔兹海默症
:
12
-
14
]
,
因此对于环境中
Al
3+
的检测具
有重大意义
。
本文以罗丹明
B
酰肼为主体
,
利用马来酸酐
、
4
-氨
*
基金项目
:
国家自然科学基金资助项目
(
201771036,21671037
)
AMX-600
型核磁共振测定仪
;
Lambda
35
型紫外-可
见分光光度计
;
LS
55
型荧光光度仪
;
pHS-3C
型
pH
计
。
收到初稿日期
:
2020-09-18
收到修改稿日期
:
2020
-12-28
通讯作者
:
光善仪
,
E-mi
:
***********.cn
作者简介
:
朱
艳
(
1995
—
)
女
,
安徽淮南人
,
硕士
,
帀承光善仪教授
,
从事光学功能材料研究
。
朱艳等
:
新型配体
(MRBHP)
分子的制备与
MRBHP-AF
+
光学性能与应用研究
03017
二氯亚砜
,
无水乙腈
,
二氯甲烷
,A1(NO3)
3.
9H
2
O
均为分析纯
。
罗丹明酰肼是实验室自制的
,
所用原料
马来酸酐
,
4
-氨基苯甲醛
,
罗丹明
B
和水合肼均为分析
纯
。
1.2
材料制备
罗丹明酰肼与马来酸酐合成部分
:
将罗丹明酰肼
(456.6
mg
,1.0
mmol)
溶于二氯甲烷
(
25.0
mL)
,
马来
酸酐
(
1
97.
5
mg,
2.
0
mmol
)
溶解于二氯甲烷
(10.0
mL)
滴加在上述溶液中
,
再加入
50.00
mg
的醋
酸钾
,
35
C
加热冷凝回流搅拌
6
h,
减压旋蒸得到紫红
色粘状物
。
然后加入
5.0
mL
二氯甲烷超声溶解
,
加入
40.0
mL
左右的石油醚超声得到沉淀物
。
过滤
,
将滤
8.2
8.1
8.0
7.9
7.8
7.7
7.6
7.5
7.4
7.3
(PPm)
竹
7.2
7.1
7.0
6.9
6.8
6.7
图
2
CD
3
CN
中
Al
3
与
MRBHP
的核磁滴定氢图
(
a
:
饼上的固体收集起来得到紫红色产物
(MRBH)
产率
67%
O
*
H
NMR
(600
MHz,
DMSO
W
6
)
5
7.76
(d,
J
=
6.9
Hz
,
2H)
,
7.45
(q
,
J
=7.4
,
6.1
Hz
,
3H)
,
6.90
(d
,
J
=7.
Hz
,
2H)
,
6.66
(s
,
2H)
,
6.32
(s
,
4H)
,
3.30
(s
,
8H),
1.09
(t,
J
=7.0
Hz
,
12H).
最终产物
(MRBHP)
的合成部分
:
将
MRBH
(
200.
0
m
g
,
0.36
mmol)
溶解于
15.
0
mL
二氯甲烷中
,
滴加
0.05
mL
二氯亚砜
0.01
mL
的
DMF.
在室温搅拌
12
h
后加入溶于二氯甲烷的
4
-氨基苯甲醛
(
43.50
mg
,
0.36
mmol)
继续室温搅拌
7
h,
静置
2
h
然后过滤得到
紫黑
色固体
(
MRBHP
)
产率
65%
O
*
H
NMR
(600
MHz
,
DMSO-
J
6
)
5
10.42
(s
,
1H)
,
10.06
(s
,
1H)
,
9.60
(s
,
1H),
7.99
(d
,
J
=&5
Hz
,
1H)
,
7.93
(del
,
J
=7.0
,
4.
9
Hz
,
1
H)
,
7.81
(d
,
J
=&5
Hz
,
1H)
,
7.71
〜
7.65
(m
,
3H)
,
7.58
(d
,
J
=&5
Hz
,
2H)
,
7.29
(s
,
2H)
,
6.83
—
6.67
(m
,
5H)
,
3.47
(t,
J
=
7.8
Hz
,
8H),
1.07
(d
,
J
=7.8
Hz
,
12H).
2
结果与讨论
2.
配体
(
MRBHP)
与
Al
3
的配位模式
MRBHP
与
Al
配位模式主要通过核磁滴定实
验进行验证
,
如图
2
所示
,
当
CD3
CN
中向
MRBHP
中加入
AF
,
原本
H5
位于
7.45
X
1
0
6
处质子峰移
至高场
7.40
X
1
0
6
处
,
而且配体上
H5
处的质子峰
裂分成两个双峰
,
峰型变宽说明酸酐上的
O
原子参
与配位
。
H4
和
H6
处质子峰分别从
7.39
X
1
0
6
和
7.84
X
1
0
6
移至高场
7.33
X
1
0
6
.7.63
X
1
0
6
处
,
说明酸酐与
4
-氨基苯甲醛连接处的亚氨基也参与配
位影响了苯环上的氢
。
主体罗丹明
B
酰肼苯环上的
质子峰都发生了偏移由
7.92
X
1
0
6
移至
7.89
X
10
6
,
说明罗丹明
B
酰肼开环羰基
O
原子和亚氨基
N
原子与
A1
3
形成配位
。
2.2
配体
(
MRBHP)
与
A1
3
的光学性能与机理研究
2.2.
金属离子的选择性和竞争性实验
在
CH
3
CN-H
2
O
D/
d
=
95
:
5)
溶液中
,
配体浓度保
持
10
“
M,
分别加入不同金属离子
(
100
“
M)(Fe
3
、
Co
2
、
Ni
2
、
Cd
、
Al
3
、
Na
、
Ba
2
、
M
g
2
、
Pb
2
、
MRBHP,
b
:
MRBHP
+A1
3
)
Fig
2
NMR
titration
hydrogen
diagram
of
Al
3
and
MRBHP
in
CD
3
CN
:
(a)
MRBHP
;
(b)
MRB-
HP
Al
3
Mn
2
、
Zn
2
、
Cu
2
、
K
、
Hg
2
、
Ca
2
、
Sn
2
)
测试紫外
可见光谱图
。
如图
3(a)
所示
,
当向配体溶液中加入
Al
3
后
,
在波长
558
nm
处出现一个新的吸收峰并且
溶液颜色发生变化
,
同时发现当向溶液中加入
A1
3
后
,
溶液颜色由无色变为红色
,
肉眼可清晰识别
,
由核
磁滴定分析
,
知道这是由于
Al
3
与罗丹明
B
酰肼上的
羰基
O
原子和亚氨基
N
原子发生了配位
,
从而使得分
子开环产生溶液颜色的改变
。
上述结果说明
MRBHP
对
A1
3
有独特的光学吸收响应性能
。
此外
,
为了进一
步研究其他金属离子是否对
MRBHP
与
A1
3
配合物
稳定性产生影响
,
分别在
MRBHP-A1
3
配合物溶液中
添加其余金属离子
,
研究发现当加入其他金属离子之
后
,
溶液的紫外可见吸收光谱以及溶液颜色均无明显
变化
。
结果如图
3(b)
所示
,
除了
Cu
2
、
Fe
3
存在一些
干扰以外
,
其他金属离子对配体的吸收强度几乎没有
什么影响
。
由此可知
,
MRBHP
与
A1
3
的配合物是具
有很高的选择性
,
并且呈现很强抗干扰性能
。综上所
述
,
MRBHP
与
A1
3
形成特定配合物
,
且在
558
nm
处
具有很强的吸收峰。
应用研究发现
,
该配体可以作为
一种选择性识别
A1
3
的比色探针
。
2.2.2
配位结构与性能
配位比测试比较简单的方法
,
就是使用溶液滴定
曲线法进行测试
,
前面研究发现在
CH
3
CN-H
2
O(
d
/
d
=95
:
5)
溶液中配体本身(浓度为
1X10
5
mol/L)
吸
收强度很弱
,
随着
A1
3
的逐渐加入
,
在
558
nm
处产生
新的吸收峰并且吸收强度逐渐增强
,
颜色逐渐变深(如
图
4
所示)
。
当
A1
3
的量加到与配体的当量比为
1
:
1
时
,
配合物的吸收强度达到最大并且当
A1
3
浓度逐渐
增大时
,
其吸光度不再发生变化
,
这一实验现象表明该
配体与
A1
3
的配位比是
1
:
1
。
(
)
3018
功
魅
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
c:.
x
討
料
°
5
4
-
6
3-
2-
0
0
2021
年第
3
期
(
52)
卷
農
鳥
停
嘗
蔦
AO-
J
00'-
3:.
a
°
u
e
q
wo
」
q
<
0.1
300
400
500
Wavelength/nm
600
700
图
4
在
CH
3
CN/H
2
O
V/v
=
95
:
5
)
溶液中
,
加入
(0.
02
〜
70.0
卩
M
)
Al
3
+
后
,
探针
MRBHP
的紫外可
见吸收光谱图
。
(
内插图为体系对应的不同吸
光度点
)
Fig
4
UV
absorption
spectrometry
of
MRBHP
after
addition
of
Al
3+
(
0.
02
卩
M
〜
70.
0
卩
M
)
in
CH
3
CN/H
2
O
(
q
/
v
=
95
:
5
)
solution
(the
inset
isthedi
f
erentabsorbancepointscorrespond-
ingtothesystem
)
aoueq-losqv
图
3
(
a
)
在
CH
3
CN/H
2
O
(
d
/
d
=
95
:
5
)
溶液中
,
加
入不同金属离子
(
100
卩
M
)
时
MRBHP
(
10
在滴定曲线实验的基础上
,
可得到图
5(a)
和
(b),
卩
M
)
的紫外可见吸收光谱
(
内插图为正常光照
下加入不同金属离子时
MRBHP
溶液的颜色
)
(
b
)
在
CH
3
CN/H
2
O
v/v
=
95
:
5
)
溶液中
,
分
别向
MRBHPC10
卩
M
)
和
MRBHPC10
卩
M
)
+
A1
3
+
(
100
卩
M
)
中加入不同金属离子
(
100
卩
M
)
体系的吸收强度
Fig
3
UV
absorption
spectrometry
of
MRBHP
(
10
卩
M
)
after
addition
of
different
metal
ions
(
100
卩
M
)
in
CH
3
CN/H
2
O
(
v/v
=
95
:
5
)
solution
(
the
inner
illustration
shows
the
color
of
MR
BHP
solution
under
normal
light
with
differ
ent
metalions
added
)
and
the
absorption
strength
of
different
metal
ion
(
100
卩
M
)
sys
tems
is
added
to
MRBHP
(
10
卩
M
)
and
MRB
HP
(
10
卩
M
)
+A1
3
+
(
100
卩
M
)
respectively
in
CH3CN/H2O
(
v/v
=
95
:
5
)
solutions
根据
Stern-Volmer
:
17
:
理论
,
可计算
MRBHP
对
A1
3
+
检测的线性范围和检测限等参数
。
从图
5(a)
中可以
看出
MRBHP
对
Al
3
+
检测的线性范围为
0.2
〜
1
卩
M,
线性方程
:
y
=
0.
025
z
—
0.
04,
相关系数
R
2
=
0.99,
利
用
IUPAC
中的
3o/K
计算检测限为
0.14
卩
M.
图
5b
表示相对吸光强度的倒数
[
1/A-A
0
]
与
Al
3
+
浓度倒数
1/
[
Al
3
+
]
的线性关系曲线
,
根据
Beneii-Hildebrand
183
方程
,
通过图中斜率和截距计算得配位常数为
1.16X
10
6
M
-1
,
由此表明探针
MRBHP
与
Al
3
+
可形成稳定
的配合物
。
[AI
3+
/10
7
M]
”
[A
門
图
5
(
a
)
相对吸收强度
[
A-A
。
]
和
A1
3
+
浓度的线性关系曲线
;
b
)
相对吸收强度的倒数
1
/[
A-A
°]
和
1
/[
Al
3
+
]
的
线性关系曲线
.
Fig
5
The
linear
curve
of
relative
absorbance
[
A-A
0
]
and
Al
3+
concentration
and
the
linear
curve
of
1/
[
A-A
0
]
and
1/
[
Al
3
+
]
朱艳等
:
新型配体
(
MRBHP)
分子的制备与
MRBHP-AF
+
光学性能与应用研究
03019
为进一步探究配体
(MRBHP)
与
A1
3
的配位比
,
可采用
Job-plot.
曲线实验的方法研究
。
固定配体
(MRBHP)
与
A1
3
的总浓度为
20.0
“
M,
通过改变两
者之间的比值来测定体系的吸收强度
。
当
MRBHP
与
A1
3
的占比达到
0.5
时
,
紫外吸收强度最大
。
因此
,
可以确定配体
MRBHP
与
Al
3
之间以
1
:
1
的形式形成
稳定的配合物
。
进一步支持了滴定曲线分析的结果
。
综上所述
,
结合配位比以及核磁滴定的结果可以
推测出
A1
3
与配体
(MRBHP)
亚氨基的
N
原子
,
羰基
的
O
原子以及马来酸酐的
O
原子结合以
1
:
1
的方式
形成配合物
,
正是由于
A1
3
与羰基上
O
的配位的存
图
6
Job-plot
曲线
:
MRBHP
+
Al
3
(
总浓度为
20.
0
“
M
)
Fig
6
The
Job-plot,
curve
of
probe
MRBHP
+
Al
3
(the
total
concentration
is
20.0
“
M)
在
,
使得配位后探针开环溶液颜色由无色变成红色
。
根据上面实验和理论研究的机理分析
,
可以推测确定
MRBHP
与
Al
3
的配位模型见图
7
。
O'
二
C
—
C-N
o
图
7
探针
MRBHP
与
Al
3
的配位模型
Fig
7
The
complexation
model
of
probe
MRBHP
and
Al
3
3
结论
设计合成了一种新型的罗丹明酸酐类化合物
MRBHP,
该分子在乙腈溶液中与
A1
3
可以结合形成
gcls[J
].
Jorunal
of
Functional
Materials
»
2018^49(11)
:
1
1
132-1
1
139(in
Chinese).
赵
岗
,
夏苗苗
,
魏
刚
,
POSS
杂化聚丙烯酰胺
/PU
复
合水凝胶的制备及其对
Pb
+
吸附性能研究功能材
稳定的配合物
,
使得溶液颜色由无色变为红色
。通过
实验和理论详细探究了
MRBHP
与
Al
3
的配位机理
,
[5]
料
,2018,
49(1
1)
:
1
1
132-1
1
139.
Huang
K,
Han
D
F,
Li
X
L,
ct
al.
A
new
Cu
2+
-selective
fluorescent
probe
with
six-membered
spirocyclic
hydrazide
应用研究发现
,
MRBHP
对
A1
3
离子具有很强的选择
性和抗干扰能力
,
MRBHP
可作为有效检测
A1
3
的一
类光学探针材料
。
该研究为未来新型光学材料的研究
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Rhodamine-based
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与应用研究提供了重要基础
。
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probe
for
sequential
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of
Al
3+
ions
and
a-
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cia
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compounds
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sensing
of
Al
(III)
and
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+
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3+
ions
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their
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:
7386-7387.
Preparation
of
a
Novel
ligand
(MRBHP
)
and
optical
property
and
application
of
MRBHP-A1
3
+
ZHU
Yan
1
,
GU
Zhengye
2
,
XU
Hongyao
2
,
GUANG
Shanyi
1
(1.
Key
Laboratory
of
Science
&
Technology
of
Eco
—
Textile
Ministry
of
Education,
College
of
Chemistry,
Chemical
Engineering
and
Biotechnology,
Donghua
University,
Shanghai
201620,
China;
2.
Research
Center
for
Analysis
and
Measurement
&
College
of
Materials
Science
and
Engineering,
State
Key
Laboratory
for
Modification
of
Chemical
Fibers
and
Polymer
Materials
,
Donghua
University,
Shanghai
201620,
China)
Abstract
:
A
Kind
of
functional
luminescent
small
molecular
ligand
(
MRBHP)
is
designed
and
prepared
from
rhodamine
b-hydrazine
and
maleic
anhydride
and
4-aminobenzaldehyde
.
When
the
ligand
(MRBHP)
combines
with
Al
3+
in
solve
system
of
acetonitrile
and
water
(
d
/
d
=
95
:
5)
to
form
a
complex,
the
color
of
solution
chan
ges
from
colorless
to
red
・
The
ligand
structures
,
coordination
modes
and
properties
of
MRBHP
and
Al
3+
are
characterized
by
NMR,
IR
and
UV-Vis
spectra
・
The
results
show
that
Al
3+
combines
with
N
of
imino
,
O
of
carbonyl
and
O
of
maleic
anhydride
of
MRBHP
to
form
the
complex
with
the
stoichiometry
between
MRBHP
and
Al
3+
of
1
:
1,
which
presents
specific
strong
optical
absorption
with
the
absorption
peak
wavelength
of
558
nm.
At
the
same
time,
the
application
study
finds
that
the
ligand
shows
strong
selectivity
to
Al
3+
,
absorption
at
the
peak
position
of
558
nm
and
strong
anti-interference
ability.
Furthermore
,
when
the
linear
detection
range
of
Al
3+
ligand
is
0.2
—
—
1
pM,
the
minimum
detection
limit
is
0.14
pM,
and
the
coordination
constant
is
1.16
X
10
6
/M
.
Key
words
:
color
;
complexes
;
aluminum
ions
;
rhodamine
B-hydrazine
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