The Synthesis of Phenothiazine Derivatives with Mechanofluorochromism Property and the Fluorescence Detection for 2, 4, 6-trinitrophenol
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摘要: 设计合成了2种具有明显聚集诱导发光(AIE)特性的吩噻嗪衍生物(SPA和SPN).荧光光谱研究表明, 这2种化合物在水溶液中能够特异性地识别2, 4, 6-三硝基苯酚(TNP), 其中SPA荧光检测TNP的猝灭率为89.1%, 猝灭常数Ksv为3.18×104 L/mol, 检出限为8.62×10-7 mol/L; SPN荧光检测TNP的猝灭率为90.4%, 猝灭常数Ksv为4.43×104 L/mol, 检出限为5.00×10-7 mol/L, 有望作为荧光探针特异性识别TNP.而且SPA分子具有可逆的力致荧光变色特性, 在紫外灯下发出蓝色荧光, 研磨后变为浅黄色, 有望被用于防伪材料或者可视化压力传感器领域.
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关键词:
- 吩噻嗪衍生物 /
- 聚集诱导发光 /
- 荧光检测 /
- 2, 4, 6-三硝基苯酚 /
- 力致荧光变色
Abstract: Two phenothiazine derivatives (SPA and SPN) with significant aggregation-induced emission (AIE) characteristics were designed and synthesized. Photoluminescence spectroscopy showed that these two compounds could specifically recognize TNP in aqueous media. The fiuorescence of SPA was quenched by 89.1% in the presence of TNP with a detection limit as low as 8.62×10-7 mol/L and a high Stern-Volmer quenching constant (Ksv) of 3.18×104 L/mol. The fluorescence of SPN was quenched by 90.4% after addition of TNP with a detection limit as low as 5.00×10-7 mol/L and a high Stern-Volmer quenching constant of 4.43×104 L/mol. It indicated that SPA and SPN were expected to work as fiuorescent probe to detection TNP with high sensitivity and selectivity. Moreover, SPA showed reversible mechanofluorochromic properties. It was observed that SPA emitted strong blue fluorescence under 365 nm UV light and the color changed light yellow after grinding. So it can promisingly be applied to the fields of visual pressure sensors or anti-counterfeiting materials. -
近年来, 基于π-共轭分子的有机荧光或磷光材料被广泛应用于不同领域, 包括光学探针[1]、有机发光二极管(OLEDs)[2]、发光电化学电池(LECs)[3]、染料敏化太阳能电池(DSSCs)[4]、细胞成像[5]等.但是, 大部分大平面π-共轭、刚性的分子在高浓度或固态时, 通过分子间的π-π堆积作用容易形成二聚体, 从而导致聚集诱导猝灭(ACQ)效应.为了解决这个问题, 2001年, 唐本忠课题组报道了一种具有聚集诱导发光(AIE)的材料[6].从2010年起, 大量的具有AIE性能的材料被发现, 这些材料同时也具有力致变色的特性, 即在外部机械力(研磨、压、摩擦)的作用下, 荧光颜色会发生变化[7].
硝基芳香族爆炸物(NACs)是一类常用的爆炸物, 例如2, 4, 6-三硝基苯酚(TNP)、2, 4, 6-三硝基甲苯(TNT)、2, 4-二硝基甲苯(DNT)等.当硝基芳香烃类化合物受到高温或强烈撞击时, 容易发生爆炸, 对人类的生命财产安全产生严重威胁[8].另外, 由于NACs具有一定的致癌性, 会造成环境污染, 严重影响人类的身体健康[9].其中TNP被广泛应用于感光乳剂、火箭燃料、染料、防腐剂的制造以及天花、疱疹类疾病治疗药物的合成[10]. TNP不但具有强大的爆炸威力, 并且还会通过水污染导致皮肤感染、头晕等疾病[11].因此, 在环境、土壤和地下水中对硝基芳烃类爆炸物进行高灵敏检测, 对保障人类生命安全和环境健康具有重要意义[12].
荧光探针具有超高的灵敏度、较好的选择性、制备简单、可实时检测等优点[13], 在众多的检测手段中脱颖而出, 受到了人们的广泛关注.目前, 用于检测TNP的荧光探针存在许多问题[14-15], 例如结合能力不好、选择性不高、检出限较差、实时检测的效果不好, 而且有些有机荧光小分子在水中的稳定性较差[16], 因此有必要设计出一种在水溶液中快速、简便的TNP检测方法.
NACs通常具有较强的吸电子能力, 在紫外光激发下, 容易与具有给电子能力的荧光分子形成给-受体(D-A)型的相互作用[17], 发生电子转移[18]或能量共振转移[19], 导致荧光淬灭, 实现对爆炸物的响应.电子转移的热力学驱动力主要由荧光传感分子与爆炸物之间LUMO轨道的能级差产生的.吩噻嗪衍生物作为典型的富电子体系, 具有极强的给电子能力, 而且其结构呈蝴蝶状非平面结构, 易于修饰, 可以作为检测NACs的荧光传感材料.
本文设计合成了2种具有AIE特性的吩噻嗪衍生物(分别简称SPA和SPN), 并探索了这两种化合物的光学性能及其对爆炸物分子TNP的检测应用.吩噻嗪衍生物属于富电子体系, 因而具有较强的给电子能力.而硝基芳香化合物属于吸电子体系, 两者之间发生了电荷转移, 从而达到荧光检测的目的.荧光滴定实验证明, 这两种化合物都具有灵敏度高、选择性好、检测限低等优点.尤其是SPA具有可逆的力致荧光变色的性质, 有望应被用于可视化压力传感器或防伪材料.
1. 实验部分
1.1 测试仪器及方法
核磁共振谱(1H NMR和13C NMR)在核磁共振波谱仪(Bruker-500, 德国布鲁克)上测试, 溶剂为氘代氯仿(CDCl3)或氘代二甲基亚(DMSO), 内标为四甲基硅烷(TMS, δ=0), 在室温条件下测试.
紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)在紫外-可见分光光度计(U-3900H, 日本日立)上测试.
样品的荧光光谱通过荧光光谱仪(FLS980, 英国爱丁堡)测试.
AIE性能测试：先配制浓度为1 mmol/L的产物母液备用, 溶剂为四氢呋喃(THF).在超声振荡下, 向SPA(或SPN)的四氢呋喃溶液中加入蒸馏水, 混合溶液中设定水的体积分数为0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、95%、99%.
力致变色性能测试：(1)称取1 mg样品, 置于玛瑙研钵中, 充分研磨20 min, 在紫光灯(波长为365 nm)下观察变色情况, 记为第一次研磨样品(G1);(2)将G1样品置于小玻璃瓶中, 在二氯甲烷蒸气氛围下微热, 恢复到原来状态, 记为第一次恢复样品(F1);(3)将F1样品置于玛瑙研钵中充分研磨20 min, 在紫光灯下观察变色情况, 记为第二次研磨样品(G2);(4)将G2样品置于小玻璃瓶中, 在二氯甲烷蒸气氛围下微热, 恢复到原来状态, 记为第二次恢复样品(F2).
爆炸物检测实验方法：取3 mL荧光分子溶液加入到比色皿中, 检测其初始荧光强度.分别加入0.1 mmol/L硝基芳香类爆炸物(TNP、DNP、NP、NB、NT和TNT), 混合均匀, 检测溶液的荧光强度.
荧光淬灭常数(Ksv)是表达荧光淬灭效率的一个重要的常数[20], 根据Stem-Volmer理论计算公式Ksvc=I0/I-1(其中I0是样品溶液的初始荧光强度, I是加入猝灭剂后样品溶液的荧光强度, c是猝灭剂的浓度, Ksv为猝灭常数), 对c和I0/I-1作图, 由斜率可得Ksv值.
检出限(Limit of Detection, LOD)计算公式为
LOD=3σ/k, 式中, σ为空白样品荧光强度的标准差, k为I0-I与c拟合直线的斜率.
1.2 合成方法
2种目标产物SPA和SPN的分子结构和合成路线如图 1所示.
目标产物SPA的合成路线：首先将二苯胺(0.24 g, 1.44 mmol)溶解于10 mL N, N-二甲基甲酰胺(DMF)中, 加入叔丁醇钾(0.32 g, 2.85 mmol), 将混合物在室温、氩气保护条件下搅拌15 min.然后加入SPF(0.50 g, 1.15 mmol), 将混合物在110 ℃下搅拌反应5~6 h.冷却至室温后, 滴加至饱和食盐溶液中, 并抽滤, 旋干.最后通过硅胶柱色谱法纯化, 用二氯甲烷/石油醚(体积比为2:3)作为洗脱剂, 得到白色粉末固体. 1H NMR(600 MHz, DMSO) δ7.76(d, J=8.9 Hz, 2H)、7.67(d, J=8.9 Hz, 2H)、7.49(dd, J=7.7, 1.2 Hz, 2H)、7.40~7.32(m, 6H)、7.28~7.09(m, 12H)、6.83(d, J=9.0 Hz, 2H). 13C NMR(151 MHz, CDCl3) δ152.02、146.23、135.08、132.59、129.83、129.27、128.90、127.46、126.21、125.34、125.10、119.78.
目标产物SPN的合成路线：将N-苯基-1-萘胺(0.45 g, 2.05 mmol)溶解于10 mL N, N-二甲基甲酰胺(DMF)中, 方法同上, 得到白色粉末固体. 1H NMR(600 MHz, CDCl3) δ7.93~7.89(m, 1H)、7.84(d, J=8.3 Hz, 2H)、7.77(d, J=8.9 Hz, 2H)、7.63(d, J=9.0 Hz, 2H)、7.49(t, J=7.7 Hz, 2H)、7.39(dd, J=7.7, 1.2 Hz, 3H)、7.34(dd, J=7.2, 0.7 Hz, 1H)、7.29~7.27(m, 2H)、7.25(d, J=7.1 Hz, 2H)、7.21~7.14(m, 6H)、7.13(d, J=8.9 Hz, 2H)、7.09(s, 1H)、6.85~6.82(m, 2H). 13C NMR(151 MHz, CDCl3) δ152.45、148.69、146.25、141.82、141.39、135.30、131.92、130.93、129.70、129.24、128.99、128.74、127.84、127.68、127.44、127.15、126.55、125.96、125.20、124.62、123.71、117.91.
2. 结果与讨论
2.1 AIE效应
在H2O的体积分数φ(H2O)不同时, 测试SPA在H2O/THF混合溶液中荧光光谱的变化(图 2), 插图为对应的荧光强度变化曲线. SPA在THF溶剂中的发光十分微弱, 当φ(H2O)从0%增加至70%时, 荧光强度逐渐增强, 但并不明显; 当φ(H2O)>70%时, 荧光强度突然增大, 在φ(H2O)=99%时, 荧光强度最强, 几乎是THF溶剂中荧光强度的11倍(图 2).因此, SPA分子具有明显的AIE特性, 这是因为随着不良溶剂(水)的加入, SPA分子发生了聚集, 使得分子内的旋转运动受限.
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图 2 SPA在不同φ(H2O)的H2O/THF溶液中的荧光光谱注：插图为不同φ(H2O)下的荧光峰强度; SPA的浓度为10-5 mol/L.Figure 2. The fluorescent spectra of SPA in H2O/THF mixture with different φ(H2O)图 3为SPN在不同φ(H2O)的H2O/THF混合溶液中荧光光谱的变化, 插图为对应的荧光强度的变化. SPN分子在φ(H2O)=90%的混合溶剂中, 荧光发射强度最强, 随着φ(H2O)继续增大, 荧光发射强度略有降低.在φ(H2O)=80%附近时, 出现了双发射峰, 较强峰的波长在556 nm附近, 较弱峰的波长在425 nm附近.
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图 3 SPN在不同φ(H2O)的H2O/THF溶液中的荧光光谱注：插图为不同φ(H2O)下的荧光峰强度; SPA的浓度为10-5 mol/L.Figure 3. The fluorescent spectra of SPN in H2O/THF mixture with different φ(H2O)2.2 SPA溶液对爆炸物的荧光传感
在SPA的水溶液(φ(H2O)=99%)中分别加入浓度为0.1 mmol/L的DNP、NB、NP、NT、TNP、TNT溶液.计算各样品荧光峰强度相对于空白样品荧光峰强度的百分比计算荧光淬灭率(图 4), 在加入TNP、DNP、NP时, SPA的荧光强度猝灭率依次减小, 分别为89.3%、70.8%和46.9%, 其余爆炸物TNT、NT、NB对SPA的荧光猝灭率均不超过40%.从分子结构上看, 3种分子都属于硝基苯酚结构, 其中TNP有3个硝基, DNP有2个硝基, 而NP只有1个硝基.由于硝基是吸电子基团, 使分子整体上表现为缺电子, 分子易于接受外部电子, 硝基数量越多, 分子接受外来电子的程度更加容易; 而SPA分子整体是共轭结构, 处于富电子状态, 当2种分子结合时, 缺电子程度越大的分子越容易结合富电子的SPA.最终表现为：相同数量的TNP分子结合的SPA分子越多, 猝灭率则越大.因此, TNP的猝灭效果最越明显, 其次是DNP, 而NP在3个分子当中的猝灭效果最差.
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图 4 SPA分子在水溶液中检测不同硝基芳香爆炸物的荧光光谱及荧光淬灭率注：c(SPA)=1.0×10-4 mol/L.Figure 4. The fluorescent spectra and the fluorescent quenching rate of SPA in the presence of different nitro explosives in aqueous media为了进一步探究SPA对TNP的检测效果, 利用荧光滴定法, 对其检测效果进行了测试.随着加入TNP浓度的增加, 溶液的荧光强度逐渐减弱(图 5A).结合Stem-Volmer理论计算公式Ksvc=I0/I-1(图 5B), 得到Ksv为3.18×104 L/mol.根据检出限公式计算检出限LOD为8.62×10-7 mol/L(图 5C).由此可见, SPA分子能够在溶液中实现对TNP的特异性检测, 而且具有较好的灵敏度和较低的检测限.
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图 5 含不同浓度TNP的SPA溶液荧光光谱以及峰强度拟合曲线Figure 5. The fluorescent spectra and the peak intensity fitting of SPA solution with the addition of different concentrations of TNP solutions2.3 SPN溶液对爆炸物的荧光传感
向SPN的溶液中(φ(H2O)=90%)加入0.1 mmol/L不同的爆炸物分子, 加入TNP、DNP、NP的猝灭效果比较理想, 其中TNP对SPN的荧光淬灭效果最强, 在0.1 mmol/L浓度下其淬灭率达到了90.4%(图 6).在这6种爆炸物中, SPN分子对爆炸物TNP具有最好的选择性, 而TNT、NT、NB的猝灭效果不明显, 以此为基础, 本实验针对SPN分子对爆炸物TNP的荧光检测进行深入研究, 进一步探讨TNP对SPN分子的淬灭常数和SPN对TNP的检出限.
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图 6 SPN分子在水溶液中检测不同硝基芳香爆炸物的荧光光谱及荧光淬灭率注：c(SPN)=1.0×10-4 mol/L.Figure 6. The fluorescent spectra and the fluorescent quenching rate of SPN in the presence of different nitro explosives in aqueous media通过荧光滴定实验, 随着加入TNP浓度的增加, SPN溶液的荧光强度逐渐降低(图 7A).根据Stern-Volmer方程, I0/I-1=Ksvc(图 7B), 计算得到在φ(H2O)=90%的混合溶剂中, 爆炸物TNP对SPN的荧光猝灭结合常数Ksv为4.43×104 L/mol.根据SPN的空白荧光测试, 得到空白样品荧光强度的标准差为463.45, 利用检出限计算公式LOD=3σ/k, σ为空白样品荧光强度的标准差, k为I0-I与浓度c拟合直线的斜率(图 7C), I0-I与浓度c拟合直线的斜率为2.78×109, 将σ与k代入计算公式, 得出TNP在水溶液中猝灭SPN分子的检测限为5.00×10-7 mol/L.综上所述, SPN分子在水溶液中能够特异性识别TNP, 且具有较低的检测限, 有望成为一种检测爆炸物分子TNP的荧光探针, 具有潜在的应用价值.
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图 7 向XPA溶液中滴加不同浓度TNP溶液后的荧光强度变化及峰强度线性拟合Figure 7. The fluorescent spectra and the peak intensity fitting of SPA solution with the addition of different concentrations of TNP solutions2.4 SPA的力致变色性质与机理
力致变色现象是指受到外力刺激后, 物质的光学性质(如吸收、反射、荧光等)会产生一些明显的变化, 变化产生后再经过一些简单的处理(如溶剂熏蒸或热处理), 物质的光学性质可逆地恢复到原状态的现象.白色SPA粉末在波长为365 nm的紫外灯下发出蓝色荧光, 将粉末研磨后荧光变为浅黄色, 在二氯甲烷蒸汽氛围熏蒸后荧光恢复为蓝色(图 8), 再次研磨, 粉末的荧光变为浅黄色, 最后经过熏蒸后, 荧光又变回蓝色.同时, 通过荧光测试得到SPA研磨前后的发射光谱, 在研磨前(SPA)、第一次熏蒸(SPA-F1)、第二次熏蒸(SPA-F2)的样品中, SPA的最大发射峰波长均为465 nm, 在第一次研磨(SPA-G1)和第二次研磨(SPA-G2)的样品中, SPA最大发射峰波长分别为519、525 nm, 发射光谱与荧光颜色变化是一致的(图 8插图).
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图 8 2次研磨和熏蒸后的SPA粉末的荧光光谱Figure 8. The fluorescent spectra of SPA after 2 times of grinding and fumigating为了研究SPA分子荧光变色的机理, 对不同状态的SPA进行了X射线衍射(XRD)分析和差示扫描量热法(DSC)测试结果表明：SPA表现出强而锐利的衍射峰, 说明为排列有序的晶体结构, 第一次研磨(SPA-G1)后, 衍射峰变得弱而宽, 说明晶体结构被破坏, 表现为无定形态(图 9).在二氯甲烷蒸气下熏蒸后衍射峰重新出现.结果表明：SPA粉末的力致荧光变色行为归因于晶体与无定形态的可逆转变[21].由DSC测试可得SPA的熔点为221 ℃, 研磨后其熔点没有发生明显的变化(图 10), 说明研磨没有破坏样品的内部结构.
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图 9 2次研磨和熏蒸后的SPA的XRD谱Figure 9. The XRD patterns of SPA after 2 times of grinding and fumigating![]()
图 10 2次研磨和熏蒸后SPA的DSC曲线Figure 10. The DSC curves of SPA after 2 times of grinding and fumigating3. 结论
合成了2种具有AIE性质的酚噻嗪衍生物(SPA和SPN).由于这2种化合物与TNP分子之间发生电荷转移, 都能在水溶液中特异性识别硝基芳香化合物TNP. SPA荧光检测TNP的猝灭率为89.1%, 猝灭常数Ksv为3.18×104 L/mol, 检出限为8.62×10-7 mol/L; 0.1 mmol/L的SPN荧光检测TNP的猝灭率为90.7%, 猝灭常数Ksv为4.43×104 L/mol, 检出限为5.00×10-7 mol/L, 有望作为荧光探针特异性识别TNP, 具有重要的应用价值.而且SPA分子具有可逆的力致荧光变色性质, 在紫外灯照射下发射蓝色荧光, 研磨后发射浅黄色荧光, 有望被应用于可视化压力传感器领域或用于防伪材料. XRD的测试结果表明, 结晶态到无定形态之间的相互转化是SPA粉末力致荧光变色现象的原因.
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图 2 SPA在不同φ(H2O)的H2O/THF溶液中的荧光光谱
注：插图为不同φ(H2O)下的荧光峰强度; SPA的浓度为10-5 mol/L.
Figure 2. The fluorescent spectra of SPA in H2O/THF mixture with different φ(H2O)
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图 3 SPN在不同φ(H2O)的H2O/THF溶液中的荧光光谱
注：插图为不同φ(H2O)下的荧光峰强度; SPA的浓度为10-5 mol/L.
Figure 3. The fluorescent spectra of SPN in H2O/THF mixture with different φ(H2O)
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图 4 SPA分子在水溶液中检测不同硝基芳香爆炸物的荧光光谱及荧光淬灭率
注：c(SPA)=1.0×10-4 mol/L.
Figure 4. The fluorescent spectra and the fluorescent quenching rate of SPA in the presence of different nitro explosives in aqueous media
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图 5 含不同浓度TNP的SPA溶液荧光光谱以及峰强度拟合曲线
Figure 5. The fluorescent spectra and the peak intensity fitting of SPA solution with the addition of different concentrations of TNP solutions
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图 6 SPN分子在水溶液中检测不同硝基芳香爆炸物的荧光光谱及荧光淬灭率
注：c(SPN)=1.0×10-4 mol/L.
Figure 6. The fluorescent spectra and the fluorescent quenching rate of SPN in the presence of different nitro explosives in aqueous media
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图 7 向XPA溶液中滴加不同浓度TNP溶液后的荧光强度变化及峰强度线性拟合
Figure 7. The fluorescent spectra and the peak intensity fitting of SPA solution with the addition of different concentrations of TNP solutions
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图 8 2次研磨和熏蒸后的SPA粉末的荧光光谱
Figure 8. The fluorescent spectra of SPA after 2 times of grinding and fumigating
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图 9 2次研磨和熏蒸后的SPA的XRD谱
Figure 9. The XRD patterns of SPA after 2 times of grinding and fumigating
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