利用四氢咔唑衍生物捕捉氟离子：一种高选择性传感器

《Journal of Molecular Structure》：In Pursuit of The Fluoride Anion with A Tetrahydrocarbazole Derivative: A Highly Selective Sensor

选择性氟离子探针PyThc通过四氢咔唑-酰肼受体设计，在DMSO中实现超过常见阴离子的特异性响应，1H NMR和DFT计算揭示酰胺位点质子化转移与[HF?]?形成机制，TD-DFT证实ICT介导的紫外吸收红移。

　　

艾丝·乌兹戈伦-巴拉恩（Ayse Uzgoren-Baran）、德梅特·奥泽尔（Demet Ozer）、古尔宾·库尔塔伊（Gülbin Kurtay）、埃利夫·凯斯金（Elif Keskin）、祖拉尔·奥兹亚瓦斯（Zulal Ozyavas）

哈切特佩大学（Hacettepe University），理学院，化学系，06800 安卡拉，土耳其

摘要

设计并合成了一种基于四氢咔唑的酰腙受体（PyThc），作为在DMSO中检测氟离子（F?）的光学探针。PyThc对氟离子具有选择性的比色/紫外-可见光谱（UV–vis）响应，而对其他常见阴离子（Cl?、Br?、I?、CN?、ClO??、H?PO??、HSO??、NO??、AcO?）则没有响应。¹核磁共振（NMR）滴定结果表明这一过程是分步进行的：在低氟离子浓度下酰胺的N–H峰消失，在较高浓度下吲哚的N–H峰被抑制，并在16 ppm附近出现一个宽共振峰，这与[HF?]?的形成一致。使用校正了色散效应的密度泛函理论（DFT，ωB97X-D/def2-TZVP，PCM/DMSO）对基态构象进行了分析，并解释了重复的NMR数据；Z-酰胺/E-亚胺构象最为稳定，而O=C–N–H的扭转扫描预测了一个18–20 kcal·mol?1的能垒，这与氟离子的缓慢交换过程相符。时间依赖密度泛函理论（TD-DFT）再现了中性形式的吸收峰（约270 nm），并预测脱质子化形式的吸收峰会红移（约330 nm），从而支持了其选择性检测氟离子的能力。

引言

氟离子（F?）在生物学和环境科学中具有双重作用：在适量使用时，它有助于牙釉质的再矿化和骨骼健康；然而，长期过量暴露与牙齿和骨骼氟中毒、肾毒性和神经发育风险相关[1]。因此，在各种基质中可靠地监测氟离子含量对于公共卫生至关重要。传统的分析方法如选择性电极、质谱法、原子吸收光谱等相关技术虽然具有优异的检测限和特异性，但通常需要昂贵的仪器、复杂的操作步骤以及繁琐的样品制备过程，这限制了它们在即时检测中的应用[2]。小分子光学探针通过将化学识别转化为快速、廉价且适用于现场的环境响应信号，克服了这些实际障碍。

酰腙类化合物作为一种特别多功能的氟离子响应报告剂而受到关注。它们的共轭亚胺-酰胺结构结合了（i）酰胺N–H位置的可调布伦斯特酸度、（ii）定向的氢键作用基团，以及（iii）能够进行分子内电荷转移（ICT）的扩展π体系。因此，它们可以与碱性阴离子（尤其是氟离子）通过强氢键相互作用，在高碱性条件下发生脱质子化，这些过程会改变分子的电子结构，从而在紫外-可见光谱中产生明显的变化，在某些情况下还会产生荧光[3]。四氢咔唑衍生物通过提供电子丰富的杂芳香族给体，进一步完善了这一结构；当与酰腙桥和羰基/亚胺受体结合时，它们形成了一个给体-桥-受体结构，对局部质子化和氢键状态极其敏感。在之前的研究中，我们已经证明含有四氢咔唑的酰腙可以有效地检测阴离子，但结构-响应关系及其选择性的微观机制仍需进一步定量分析[4]。

基于这些考虑，我们设计、合成并表征了一种新的基于四氢咔唑的酰腙受体（PyThc），并研究了其对阴离子的检测行为。初步测试表明，PyThc在DMSO中能选择性地响应氟离子，而对其他常见阴离子（Cl?、Br?、I?、CN?、ClO??、H?PO??、HSO??、NO??、AcO?）则没有响应。通过¹H NMR滴定发现，随着氟离子浓度的增加，酰胺的N–H峰首先减弱，随后吲哚的N–H峰也减弱；在足够碱性的条件下，会在16 ppm附近出现一个宽共振峰，这与[HF?]?的形成一致[5]。这些观察结果提示了一种以酰胺为中心的识别机制，并提出了两个关于传感器性能的关键机制问题：在测量条件下PyThc的哪种溶液结构占主导地位，以及氟离子诱导的脱质子化如何改变分子的电子结构，从而产生观测到的光谱变化。

为了解决这些问题并使检测行为具有定量基础，我们引入了理论模型来模拟实验条件。使用考虑了色散效应的长程校正DFT，在DMSO连续介质中定位并评估了由酰胺旋转异构体（O=C–N–H处的Z/E构型）与亚胺构型（C=N处的E/Z构型）配对形成的相关基态构象，并计算了控制旋转异构体转化的扭转能垒。这一热力学-动力学模型解释了重复的NMR数据，表明溶液中存在缓慢的Z?E平衡。电势图和偶极矩分析确定酰胺区域是对碱性阴离子最具亲电性的部位，并阐明了稳定活性构象的溶剂化效应。前线轨道分析揭示了给体偏重的HOMO和受体偏重的LUMO，这与ICT发色团的特征相符；随后对中性全局最小值和脱质子化后的酰胺进行的TD-DFT计算再现了PyThc的近紫外吸收峰，并预测了加氟后出现的红移吸收峰。此外，计算了E–H?+?F??→?E??+?HF和E–H?+?2 F??→?E??+?[HF?]?反应的溶液相反应自由能，证实了F?在DMSO中的脱质子化是热力学上可行的，而氯化物类似物则不受青睐，这解释了实验中的选择性。

通过将合成和光谱技术与测量环境相匹配的理论框架相结合，本研究为PyThc的氟离子检测机制提供了分子层面的清晰解释：Z-酰胺/E-亚胺构象是活性结构，氟离子与酰胺位点结合引发脱质子化，进而形成[HF?]?，随后的结构重组解释了观察到的比色和NMR变化。这种综合方法不仅阐明了选择性的起源，还为下一代具有改进性能的四氢咔唑酰腙传感器提供了设计原则。

实验部分

所有试剂和溶剂均购自默克（Merck）或奥德里奇（Aldrich），除非另有说明，否则按原样使用。熔点是在密封毛细管中用电热数字设备测得的，未经校正。红外光谱（KBr颗粒）是在Thermo Scientific Nicolet iS10光谱仪上记录的。¹H和¹³C NMR光谱是在Bruker DPX-400和Bruker Avance 400 MHz光谱仪上获得的；化学位移以δ（ppm）为单位表示，相对于...

化学传感器的合成

文献和我们的先前研究表明，含有酰腙结构的化合物可用作化学传感器[4],[16],[17],[18]。在这些研究中，主要使用了水杨醛衍生的酰腙[19]。在本研究中，我们合成了一种新的酰腙衍生物N'-(pyridine-2-ylmethylene)-2,3,4,9-tetrahydro-1H-carbazol-3-carbohydrazide（PyThc），使用了2-吡啶甲醛作为反应物。

补充数据

光谱数据（图S1-S2）和分光光度分析数据（图S3-S11）见补充材料。

结论

本研究表明，四氢咔唑-酰腙受体PyThc在DMSO中是一种选择性强的氟离子探针。PyThc对常见阴离子不敏感，但在加入氟离子后会在362 nm和521 nm处出现新的吸收峰。¹H NMR滴定显示酰胺和吲哚的N–H峰依次减弱，并在16 ppm附近出现一个宽共振峰，这表明氟离子在酰胺位点发生了脱质子化，而非简单的氢键作用。

未引用的参考文献

[24]

CRediT作者贡献声明

艾丝·乌兹戈伦-巴拉恩（Ayse Uzgoren-Baran）：撰写、审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。德梅特·奥泽尔（Demet Ozer）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法学指导。古尔宾·库尔塔伊（Gülbin Kurtay）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、实验研究、概念构思。埃利夫·凯斯金（Elif Keskin）：初稿撰写、实验研究。祖拉尔·奥兹亚瓦斯（Zulal Ozyavas）：实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

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