《Tetrahedron》：Spectroscopic and Mechanistic Analysis of an Unexpected Mechanism of the indolium moiety with particular anions
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本研究合成四类 coumarin-indolium 染料，通过光谱分析和DFT计算揭示其选择性检测CN?的机制，发现4c在有机与水溶液中均表现出高灵敏度（LOD 0.15-1.18 μM），其他阴离子通过去质子化作用影响荧光特性。
Furkan K?l??arslan|Ergin Kele?|S?la Sap??|Nurgül Sefero?lu|Burcu Ayd?ner|Ertan ?ahin|Zeynel Sefero?lu
土耳其安卡拉Yenimahalle市Gazi大学理学院化学系，邮编06560
摘要
本文介绍了基于香豆素-吲哚ium的染料的合成方法，这些染料含有7-取代的香豆素和扩展的π-共轭香豆素-吲哚ium结构，采用众所周知的Knoevenagel缩合反应制备。通过1H NMR、13C NMR、HRMS和元素分析对染料进行了表征。此外，利用X射线确定了4a的分子结构。所有染料在有机和水性介质中，通过亲核加成氰化物到吲哚ium部分后均表现出荧光增强现象。值得注意的是，氟离子（F-）、醋酸根离子（AcO-）、氢氧根离子（OH-）和二氢磷酸根离子（H2PO4-）也与4a、4b和4d发生了相互作用（这些染料不含酸性氢）。根据吸收/发射光谱、1H NMR和LC-MS研究，并结合DFT计算，提出这些阴离子的相互作用机制是与吲哚ium部分的加成反应。对于4c，仅观察到脱质子化机制。在水溶液中评估了传感器的性能，发现7-羟基取代的香豆素-吲哚ium染料4c表现最佳，其对CN-具有高度选择性和敏感性，在DMSO和水溶液中均表现出明显的颜色和发射变化，且不受其他竞争性阴离子的干扰。DMSO和DMSO/H2O体系中的检测限（LOD）分别为0.15-0.60 μM和1.16-1.18μM。
引言
杂环化合物长期以来一直是染料、医药和材料化学中的基本骨架。[1]、[2]、[3]特别是含氮和含氧的杂环化合物在现代有机化学中起着重要作用。它们可调的电子特性和多样的结构使其在荧光传感、光响应系统和能源材料等领域具有广泛应用。[4]、[5]、[6]、[7]、[8]香豆素及其衍生物是一类重要的杂环化合物，因其多样的生物功能以及在天然产物和合成有机化学中的广泛存在而闻名。[9]许多香豆素衍生物具有广泛的药理和生物活性，这通常取决于香豆素环上取代基的性质和位置。[10]因此，在过去的几十年里，香豆素成为有机化学中的一个重要类别，并在众多现代研究领域得到了广泛应用。例如，许多衍生物被用作抗肿瘤[11]、抗菌[12]、抗氧化[13]、抗HIV[14]、抗炎[15]、抗阿尔茨海默病[16]、抗真菌[18]、抗疟疾[19]等生物医学应用中的活性物质，同时也用作染料。[20]7-取代的香豆素衍生物已被用作选择性检测有毒分析物的化学传感器，包括氟离子、氰化物、H2S、氨基酸和多种金属。[4,21]7-烷基氨基香豆素衍生物在化学传感器化学中得到广泛应用，因为含有这种结构的传感器比含有甲氧基或卤素取代基的传感器具有更强的荧光性能。[22]、[23]含有7-羟基香豆素（伞形酮）结构的染料具有特殊性质，其荧光性能会受到环境和细胞pH值变化的影响，这是由于羟基的酸性质子所致。[24]
吲哚ium离子是另一种研究较为深入的杂环骨架，因为它对氰化物具有高灵敏度和选择性。[25]基于吲哚ium的荧光探针的模块化设计提供了结构和功能的多样性。Ding等人开发了一种新型荧光探针，通过将吲哚ium与2-乙酰苯并噻吩基团结合，能够快速、选择性地响应氰化物离子。[26]同样，吲哚ium核心的强受体性质使得可以设计出便携式和集成在智能手机中的荧光和比色传感器，为实际应用奠定了基础。[27]基于吲哚ium的系统表现出强烈的分子内电荷转移（ICT）特性，与目标阴离子相互作用时会产生高灵敏度和显著的光谱位移。[28]此外，吲哚ium的阳离子性质提高了其水溶性，便于在水基系统中的应用。[27]、[29]
氰化物阴离子是由于其高毒性而受到广泛研究的离子之一。特别是在银和金矿开采或染料和塑料生产过程中使用的氰化物阴离子，会抑制或干扰细胞色素氧化酶、谷氨酸脱羧酶、黄嘌呤氧化酶、超氧化物歧化酶、NO合成酶和亚硝酸盐还原酶等关键酶的活性。[31]、[32]此外，氰化物通过某些植物（如杏核、木薯根和竹笋）中的氰苷水解自然产生。[33]因此，需要开发出能够选择性和高效检测氰化物阴离子的分析工具，以监测其在环境和生物系统中的存在和积累。已经开发了许多定性和定量检测氰化物的方法。传统方法（如电化学分析和离子色谱）通常耗时较长且需要复杂的仪器。[34>相比之下，荧光化学传感器由于响应速度快、灵敏度高、使用方便且成本低，提供了一个有前景的替代方案。[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]在过去的几十年里，人们尝试将供体-受体染料的优良光物理性质与氰化物离子的化学识别元素结合，从而在与氰化物相互作用时产生明显的吸收和发射变化。这种明显的光学响应可用于氰化物的定性和定量分析。然而，用于检测氰化物的荧光化学传感器仍存在一些局限性，如水溶性、合成复杂性、检测限低、在实际样品中的适用性以及对于F-、AcO-和H2PO4-等竞争性阴离子的选择性不足。关于基于吲哚ium的传感器的文献表明，氰化物离子（CN-）占据着独特且主导的地位。CN-作为一种强亲核试剂，直接攻击吲哚环中的亲电C=N+中心，将sp2杂化碳转化为sp3结构。[25]、[28]这种结构转变破坏了分子的π-共轭系统，有效抑制了ICT过程，导致吸收和发射带发生明显的蓝移。相比之下，其他常见阴离子（如F-和AcO-）通常由于其碱性特性，会导致传感器结构中的酸性质子（-OH或-NH）被去除。[44>文献指出，这种相互作用机制主要是脱质子化反应，且不会像氰化物那样有效地破坏π-共轭系统。[26]吲哚环在空间和电子上对这些强碱具有抵抗力，氰化物的碳中心亲核攻击优于其他可能的相互作用机制。关于吲哚-吩噻嗪杂化结构的研究清楚地表明，CN-的选择性掺入是导致高选择性的主要原因。[45]
在本研究中，合成了四种含有推拉作用的香豆素-吲哚ium型半花青素染料，并将其作为化学传感器进行了评估。本研究的主要目的是探讨香豆素环上不同取代基对氰化物响应的影响。吲哚ium盐具有多样的性质，使其易于发生加成反应。[25]此外，其阳离子形式提高了在水介质中的溶解度，而氰化物的检测正是在这种介质中进行的。据我们所知，这是首次系统性地研究一系列基于香豆素-吲哚ium的染料，这些染料能够根据结构变化实现CN-的比色和荧光检测，并且在没有其他阴离子干扰的情况下，通过一种此前未报道的机制实现这一过程。[28]、[44]、[46]、[47]、[48]、[49]使用光谱方法、1H NMR滴定和质谱法研究了取代基对氰化物选择性检测的影响以及相互作用机制。此外，DFT计算也支持了这些结果。
合成方法
本研究的主要目标是合成含有7-取代香豆素和扩展π-共轭香豆素-吲哚ium结构的荧光染料。如方案1所示，根据文献方法合成了2-氧-2H-色烯-3-氰酸酯和2-氧-2H-色烯-3-羧醛衍生物。[50]、[51]随后，通过2-氧-2H-色烯-3-羧醛衍生物与吲哚ium盐的碱催化缩合获得了染料4a-d（方案1）。
所有染料均通过...
化合物4a-d的通用合成步骤
4a-d衍生物是通过将2（1 mmol）、3（1 mmol）和催化量的哌啶在20 mL乙醇中回流4-8小时合成的。通过TLC监测反应进程。反应完成后，过滤反应混合物并用热乙醇（95%）洗涤两次。纯产物通过1H NMR、13C NMR、HRMS和元素分析进行了表征。(E)-1,3,3-三甲基-2-(2-(2-氧-2H-色烯-3-基)乙烯基)-3H-吲哚-1-ium碘化物（4a）：橙色
结论
本研究描述了四种含有推拉系统的香豆素-吲哚ium型半花青素染料的设计、合成和表征，并研究了它们在水介质中对CN-离子的选择性和敏感化学响应（检测限= 1.18 μM）。
结果表明，不同阴离子的相互作用机制取决于它们的结构特性、化合物的功能基团和所用溶剂。4a、4b和4d染料与OH-、F-的相互作用...
CRediT作者贡献声明
Ertan ?ahin：验证。Burcu Ayd?ner：撰写 – 原稿撰写、验证、方法学。Zeynel Sefero?lu：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、验证、监督、项目管理、调查、形式分析、概念化、可视化。Ergin Kele?：验证、调查、形式分析。Furkan K?l??arslan：可视化、验证、调查、形式分析。Nurgül Sefero?lu：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、验证，
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本文中报告的数值计算完全在TUBITAK ULAKBIM高性能和网格计算中心（TRUBA资源）完成。我们感谢德国西根大学有机化学II（OC II）的Heiko Ihmels教授及其团队在这项研究中的宝贵支持。
