新型光学化学传感器的合成：用于溶剂致变色行为、金属离子识别及抗癌应用

《Bioorganic Chemistry》：Synthesis of novel optical Chemosensors for Solvatochromic behavior, metal ions recognition, and anticancer applications

基于有机荧光化学传感器的合成及其对重金属离子与抗癌活性的研究，通过FT-IR、NMR和质谱确认了3种新型传感器的结构，并系统考察了溶剂极性对光物理性质的影响。实验表明，这些传感器对Mn2?、Fe3?、Co2?、Ni2?、Zn2?和Pb2?具有高选择性和灵敏度，结合常数及配位比通过Benesi-Hildebrand法和Job法确定。分子对接分析显示传感器3对多种癌细胞（PC-3、HCT-116、HepG2、MCF-7）具有显著抑制COX-2酶的活性，其抗癌效果优于前两种传感器。研究证实该类传感器在重金属检测与抗癌治疗中具有潜在应用价值。

　　

Mahasen Khairat|Ahmed A. Noser|Hamed A. Abosharaf|Marwa N. El-Nahass

埃及坦塔大学理学院化学系，31527坦塔

摘要

在本研究中，我们合成了三种新型光学化学传感器：3-((5-氯-2-羟基苯基)二氮基)-2-甲基喹唑啉-4(3H)-酮（化学传感器1）、2-((5-氯-2-羟基苯基)二氮基)苯甲酮（化学传感器2）和(E)-5-(3-(1H-吡咯-2-基)丙烯酰基)-4-(4-(二甲氨基)苯基)-6-甲基-3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮（化学传感器3）。这些化学传感器的结构通过FT-IR、¹H NMR、¹³C NMR和质谱（MS）进行了确认。系统地研究了这些化学传感器在不同极性溶剂中的溶剂致变色行为，以确定其主要的荧光互变异构形式并评估其光物理性质。测量了吸收峰值、发射行为和荧光量子产率等参数。为了评估它们的光学和比色传感能力，使用肉眼观察以及紫外-可见光吸收和荧光光谱技术，对这些传感器进行了针对Mn²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺和Pb²⁺等金属离子的测试。化学传感器对特定金属离子表现出高选择性和敏感性，显示出作为高效金属离子探针的潜力。此外，分别使用Benesi–Hildebrand方法和Job的连续变化法确定了传感器-金属复合物的结合常数和化学计量比。这些分析证实了稳定传感器-金属离子复合物的形成，并提供了关于它们分子相互作用的见解。进一步的研究表明，所研究的化学传感器对包括PC-3、HCT-116、HepG2和MCF-7在内的不同癌细胞具有抗肿瘤作用。重要的是，与化学传感器1和2相比，化学传感器3对所有测试的癌细胞类型都表现出更强的细胞毒性作用。分子对接分析表明，这些化学传感器可能具有抑制环氧化酶-2的能力，而环氧化酶-2与多种癌症有关。总之，合成的化学传感器可以应用于多种功能领域，如金属离子探测和抗癌研究。

引言

水污染是一个对公共健康和生态系统具有深远影响的全球性挑战。据估计，不安全的水源、卫生条件和不良卫生习惯每年导致约150万人因水传播疾病而死亡。在各种水污染物中，重金属特别值得关注，因为它们具有不可生物降解性、在环境中持久存在以及在生物体内积累的倾向。在受污染的水体中常见的重金属包括铅（Pb²⁺）、镉（Cd²⁺）、汞（Hg²⁺）、镍（Ni²⁺）、钴（Co²⁺）、锰（Mn²⁺）、锌（Zn²⁺）和铁（Fe³⁺）。这些金属离子通过电镀、化肥和农药生产、金属精炼、采矿、电池制造以及农业和城市径流等人为活动进入水环境。虽然某些金属离子是必需的微量营养素，但它们的过量积累可能导致严重的毒性效应，包括神经系统疾病、器官衰竭和慢性健康问题[1]、[2]、[3]。

传统的重金属去除技术，如吸附、混凝-絮凝、化学沉淀、浮选、离子交换、反渗透和超滤，在水处理过程中得到了广泛应用。然而，这些方法通常存在操作成本高、在痕量金属浓度下效率有限、产生二次污染物以及对操作条件（如pH值和离子强度）敏感等缺点。这些限制激发了对更先进和替代策略的兴趣，这些策略能够提供更高的选择性、灵敏度和环境可持续性，用于金属离子的检测和修复[4]、[5]。

近年来，基于荧光的技术因其超高的灵敏度而成为检测重金属的强大工具，能够检测到十亿分之一（ppb）或更低的浓度。这类技术在监测环境系统和生物系统中的有毒金属离子（如Hg²⁺、Pb²⁺和Cu²⁺）方面特别有效[6]。最近的进展包括开发出高选择性的近红外（NIR）荧光探针，它们具有出色的灵敏度和强抗干扰能力，使其能够在复杂的环境基质和生物样本中应用[7]、[8]、[9]。

特别是基于荧光的化学传感器，由于响应迅速、灵敏度高且与便携式和实时监测设备兼容，因此在重金属离子传感方面受到了广泛关注。这些化学传感器通常由荧光团（信号单元）与识别位点组成，通过多种光物理机制发挥作用，包括螯合增强荧光（CHEF）[10]、分子内电荷转移（ICT）[11]、光诱导电子转移（PET）[12]和聚集诱导发射（AIE）[13]。将金属结合事件转化为可测量的光学信号的能力使这些系统特别适合检测痕量金属离子。

在用于化学传感器设计的多种有机荧光团中，偶氮染料因其强烈的电子共轭、鲜艳的颜色和易于合成的路线而受到关注。这类化合物通常通过重氮偶联反应合成，具有一个或多个偶氮（–N=N–）连接芳香环，已广泛应用于纺织、化妆品、食品、光学和生物领域。它们的可调光物理性质、化学稳定性和成本效益使其成为金属离子传感应用的有希望的候选者[14]、[15]。

查尔酮衍生物是另一种用于化学传感器开发的有机荧光团。查尔酮被定义为α, β-不饱和酮，提供了多功能的结构框架，可以通过引入电子供体或电子受体基团来调整其光学行为和金属离子选择性。它们较大的斯托克斯位移、强的荧光发射和优异的光稳定性使得基于查尔酮的探针在光学设备、药物化学和环境监测中具有吸引力[16]、[17]、[18]、[19]。

在本研究中，我们报道了三种新型荧光化学传感器的设计、合成和全面表征：3-((5-氯-2-羟基苯基)二氮基)-2-甲基喹唑啉-4(3H)-酮（化学传感器1）、2-((5-氯-2-羟基苯基)二氮基)苯甲酮（化学传感器2）和(E)-5-(3-(1H-吡咯-2-基)丙烯酰基)-4-(4-(二甲氨基)苯基)-6-甲基-3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮（化学传感器3）。系统地研究了这些化学传感器在不同极性溶剂中的溶剂致变色行为，以了解介质对其电子跃迁的影响并确定主要的荧光互变异构形式。在含有选定金属离子（包括Mn²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺和Pb²⁺）的乙醇溶液中评估了它们的金属离子传感能力。化学传感器在结合金属离子后，其吸收和荧光光谱发生了明显变化，表明它们具有选择性和敏感的检测潜力。使用紫外-可见光光谱和荧光光谱等光谱方法以及视觉比色响应来评估其传感性能。结合化学计量比和Benesi–Hildebrand方法确定了结合常数。这些传感器在环境应用中的多功能性得到了体现，特别是其溶剂致变色响应和金属离子选择性。由于它们的高灵敏度、结构可调性和低成本合成，这些探针非常适合监测水系统中的痕量金属污染，有助于开发可持续的环境诊断方法。此外，还对合成化合物的抗癌潜力进行了初步研究，以评估其生物活性。结果表明，这些化学传感器也可能作为生物活性分子用于治疗应用，从而将其功能扩展到生物医学领域。

材料与试剂

本研究中使用的所有化学品均来自Merck-Aldrich和Sigma-Aldrich公司，无需进一步纯化即可使用。所使用的金属盐包括九水合三氯化铁（MnCl?·4H?O）、四水合二氯化锰（MnCl?·4H?O）、六水合三氯化铁（FeCl?·9H?O）、六水合二氯化钴（CoCl?·6H?O）、六水合二氯化镍（NiCl?·6H?O）、氯化锌（ZnCl?）和硝酸铅（Pb(NO?)?）。实验过程中使用的溶剂包括甲醇（MeOH）。

合成化合物的化学性质

3-氨基-2-甲基喹唑啉-4(3H)-酮或2-氨基苯甲酮与亚硝酸钠在盐酸中的反应生成了芳基重氮氯化物，后者与4-氯苯偶联后分别生成了化学传感器1和2，产率分别为92%和94%，如图1所示。此外，5-乙酰-4-(4-(二甲氨基)苯基)-6-甲基-3,4-二氢嘧啶-2(1H)-酮与吡咯-2-甲醛在碱性介质中的反应生成了

CRediT作者贡献声明

Mahasen Khairat：撰写——原始草稿、方法学、形式分析。Ahmed A. Noser：撰写——审阅与编辑、监督、方法学。Hamed A. Abosharaf：撰写——审阅与编辑、软件。Marwa N. El-Nahass：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、监督、项目管理、研究、概念化。

同意声明

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资助

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