羧基_环糊精衍生物及其二茂铁包络物的制备与性质研究

第27卷,第3期光　谱　实　验　室V o l.27,N o.3 2010年5月Ch inese J ou rna l of S p ectroscopy L abora tory M ay,2010

羧基-Β-环糊精衍生物及其二茂铁包络物的

制备与性质研究①

李军华　郑龙珍②　杨绍明　孙娟　李欣佳

(华东交通大学基础科学学院化学化工系　南昌市经济技术开发区双港东大街808号　330013)

摘　要　制备了一种羧基2Β2环糊精衍生物,并将它包络二茂铁,制得了二茂铁2羧基2Β2环糊精包络物,用红外光谱、紫外可见光谱、1H NM R、13C NM R等方法表征了羧基2Β2环糊精及二茂铁包络物。由于羧基2Β2环糊精衍生物破坏了Β2环糊精的分子内氢键,并修饰了羧基,使得其水溶性得到明显的提高。研究了包络物的电化学性质,发现其具有良好的氧化还原可逆性和水溶性,可用作电子传递媒介体,循环伏安法测定表明,其检出限为10-7mo l L,表明这类氧化还原具有很高的灵敏度,可以用作性能优异的电化学探针和电流型生物传感器的电子媒介体。

关键词　Β2环糊精衍生物;二茂铁;媒介体;包络物

中图分类号:O657.61 文献标识码:A 文章编号:100428138(2010)0321059205

1　引言

由于大多数的氧化还原酶的活性中心都在内部深处,使得氧化还原中心和电极之间的电子传递变的十分困难[1]。为解决这个问题,可以用人工合成的具有良好电化学性质的物质作为电子媒介体在电极和氧化还原中心之间传递电子[2]。现在已经有许多种类的电子媒介体合成的报道,主要是小分子媒介体类,如:二茂铁(Fc)及其衍生物[3],亚甲基蓝[4],醌及其衍生物[5],四硫富瓦烯[6],铁氰化钾[7]等。此类媒介体具有良好的电化学性质,修饰到电极上能提高电流型传感器的灵敏度和响应时间,但是小分子媒介体固定在电极上容易扩散到溶液里,造成媒介体流失,因而制备得到的传感器稳定性较差。另一类为高分子媒介体,如:含铁型[8]、含锇型[9]变价过渡金属离子螯合型高分子媒介体。高分子媒介体通常是由小分子媒介体固载到高分子链上的活性基团制得的,由于高分子链之间相互缠绕和交联,解决了媒介体流失的问题,因而能保证传感器具有稳定的电化学响应。但由于高分子链通常具有较强的刚性,影响了电子的传输,导致响应时间变长,响应电流值也较小。因而,研制一种综合性能优异的媒介体一直是电流型传感器研究的重点。二茂铁具有优良的电化学性能,但其本身不溶于水,而氧化态又溶于水,修饰到电极上容易使媒体流失,从而造成传感器的灵敏度和稳定性下降,因而限制了它的应用。本文制备了一种带羧基的高水溶性Β2环糊精衍生物,并利用它的疏水空腔包络二茂铁得到了一种新型的媒介体。研究了包络物的电化学性质,发现该媒介体具有良好的水溶性和氧化还原可逆性,可以用作电化学探针和高效的电子媒介体。

①国家自然科学基金(20505009);江西省研究生创新基金(YC08A072)

②联系人,电话:(0791)7046351;手机:(0)138********;传真:(0791)7046320;E2m ail:bluetear2008@ho tm https://www.wendangku.net/doc/5e12607729.html,

作者简介:李军华(1985—),男,浙江省东阳市人,硕士,主要从事化学修饰电极方面研究工作。

收稿日期:2009209202;接受日期:2009209222

0601光谱实验室第27卷

2　实验部分

2.1　试剂与仪器

Sp ectrum O ne傅里叶红外光谱仪(美国Perk in2E l m er公司);SK1200H型超声清洗仪(上海科导超声仪器有限公司);CH I600电化学工作站(上海辰华仪器公司);PE2L am dba35型紫外可见分光光度计(美国Perk in2E l m er公司);ADVAN CE400型核磁共振仪(德国B ruker公司);电化学反应三电极系统:工作电极为CH I104型3mm直径玻碳电极(上海辰华仪器公司),A g A gC l电极(自制)为参比电极,对电极为213型铂电极(上海电光器件厂)。

Β2环糊精(国药集团化学试剂有限公司);甘氨酸(国药集团化学试剂有限公司);硼氢化钠(国药集团化学试剂有限公司);磷酸盐缓冲液(PB S,pH=7,自配);其他试剂均为分析纯。实验用水为二次蒸馏水。

2.2　羧基2Β2环糊精衍生物的合成

报道了选择性氧化法制备羰基2Β2环糊精[10]具体实验步骤如下:将Β2环糊精(11.35g, 0.01m o l)加入到含有2mL1m o l L的HNO3和20mL H2O2与水1∶1混合的水溶液中,加热回流10h。溶液由乳白色变为透明。冷却后,反应混合物依次用丙酮和无水乙醇洗涤数次以除去水,然后溶剂在减压条件下移除。产物在60℃下隔夜真空干燥。

羧基2Β2环糊精的合成:将羰基2Β2环糊精(0.05m o l)溶解于少量N,N2二甲基甲酰胺(DM F)中,甘氨酸(0.15m o l)用吡啶和等量KOH溶解。将羰基2Β2环糊精溶液缓慢加入到甘氨酸的吡啶溶液中,加料完毕后,升高温度至70—80℃。搅拌反应约7—8h,溶液呈黄色,滤去未反应的原料,滤液加0.15m o l硼氢化钠,调节pH值至酸性(pH3—4),加入大量丙酮,生成沉淀,抽滤,用丙酮和乙醇多次洗涤,干燥后得目标产物。

2.3　二茂铁2羧基2Β2环糊精

将二茂铁加入到羧基2Β2环糊精水溶液中(摩尔比1∶1),在室温下搅拌10m in后移入到100℃的高压釜中反应12h。冷却后,混合液变为黄色透明的液体。反应混合物依次用丙酮和无水乙醇洗涤数次以除去水,然后溶剂在减压条件下移除。产物在60℃下隔夜真空干燥。

2.4　实验方法

采用三电极检测体系:A g A gC l电极作为参比电极,玻碳作为工作电极,铂丝电极作为对电极。在5mL pH为7.0浓度为0.1m o l L的PB S溶液中,25℃下进行循环伏安测试。

3　结果与讨论

3.1　羧基2Β2环糊精的表征

图1　羧基2Β2环糊精的合成路线图

图1是羧基2Β2环糊精的合成过程示意图,首先将Β2环糊精通过选择性氧化法合成羰基2Β2环糊精,利用甘氨酸的氨基和羧基2Β2环糊精的羰基的希夫碱反应生成Β2环糊精亚胺,由于亚胺不是十分稳定,我们用硼氢化钠将亚胺还原,再经过酸化以后得到了羧基2Β2环糊精。

图2为Β2环糊精和羧基2Β2环糊精的1H NM R谱,在图2B中C1,C3,C4,C5,C6和O6的H的峰都可以找到,相比A图中Β2环糊精的1H NM R谱图,B图中位移4.03处出现一个新的峰指认为亚甲基的峰,B图中各个峰的位移的变化和峰变宽是由于进行选择性氧化后破坏了Β2环糊精的分子内氢键。为进一步确认羧基2Β2环糊精的结构,我们通过13

图2　Β2环糊精(A )和羧基2Β2环糊精(B )的1H NM R 谱

溶剂:Β2环糊精(DM SO 2d 6);羧基2Β2环糊精(重水)

。

图3　Β2环糊精(C )和羧基2Β2环糊精(D )的13C NM R 谱

溶剂:Β2环糊精(DM SO 2d 6);羧基2Β2环糊精(重水)。

图4　二茂铁2羧基2Β2环糊精包络物(E )、物理混合(F )和二茂铁(G )的红外谱图 图3为Β2环糊精和羧基2Β2环糊精的13C NM R

谱,C 图中Β2环糊精的C 1,C 2,C 3,C 4,C 5,C 6峰都

可以找到,羧基2Β2环糊精的13C NM R 谱图(D )中

176.90ppm 处出现了一个新的高峰指认为羧基碳

的峰,在55.21ppm 处出现的新峰指认为亚甲基上

碳的峰,其他C 的峰也都可以找到。由此可以确认

合成的为目标化合物。

3.2　羧基2Β2环糊精和二茂铁包络物的表征

图4为羧基2Β2环糊精二茂铁包络物、二茂铁和

两者机械混合的红外谱图,可以看出,1740c m -1处

出现了羧基峰,说明经过酸还原席夫碱反应得到的

羧酸盐还原成羧酸,因而出现了羧基峰。二茂铁在

1106、1001、816、475c m -1等处的峰都可以在机械混合的红外谱图中找到,只是叠加了一些羧基2Β2环糊精的峰。但是包络物的红外谱图和羧基2Β2环糊

精的红外谱图基本相同,二茂铁的峰都消失了,这是由于二茂铁与羧基2Β2环糊精的相互作用,二茂

1

601第3期李军华等:羧基2Β2环糊精衍生物及其二茂铁包络物的制备与性质研究

铁进入了羧基2Β2环糊精的疏水空腔,在红外谱图中,羧基2Β2环糊精的峰就会把二茂铁的峰屏蔽,这也说明了二茂铁和羧基2Β2环糊精形成了包络物

。

图5　5mmo l L 二茂铁的乙醇溶液(a ),5mmo l L 二

茂铁2羧基2Β2环糊精包络物的水溶液(b )和5mmo l L

羧基2Β2环糊精的水溶液(c )

的紫外可见光谱图图6　5mmo l L 二茂铁2羧基2Β2环糊精包络物在10,20,40,60,80,100,200,500mV s 扫描速度下的循环伏安图

二茂铁2羧基2Β2环糊精的水溶液、羧基2Β2环糊精的水溶液和二茂铁的乙醇溶液的紫外可见比较如图5。二茂铁的紫外谱图中在325和429nm 处有两个吸收峰。在325nm 处的吸收峰是茂基的

Π→Π3跃迁,429nm 处的吸收峰是Fe 2+的d →d 跃迁。羧基2Β2环糊精的紫外谱图中262nm 处的吸收峰为羧基的峰。羧基2Β2环糊精的紫外谱图中262、325、429nm 出现吸收峰表明二茂铁已经包络进羧基2Β2环糊精的空腔里了。

3.3　羧基2Β2环糊精二茂铁包络物电化学的性质研究

包络物在0.1m o l L pH 为7的PB S 中,在0—0.6V 电位范围内,做不同扫速下的循环伏安曲线,由图6可以看出在0.2V 和0.26V 处有一对氧化还原峰,而且峰电位基本不随扫速的增加而改变,氧化还原峰电位差(?Ep )约为60mV ,与单电子反应的理论值接近,表明修饰在电极上的媒介体具有良好的氧化还原可逆性。做扫速平方根和峰电流的曲线发现呈线性关系(图7),表明这是一个扩散过程,由此可知是二茂铁2羧基2Β2环糊精包络物扩散至电极表面发生氧化还原反应不是二茂铁从羧基2Β2环糊精的腔体中解离出来后再扩散至电极表面发生氧化还原反应。做不同浓度下的包

络物的循环伏安图(图8),可以得到最低检出限达10-7m o l L (S N =3),表明该氧化还原具有很高

的灵敏度

。

图7　扫速平方根与峰电流的线性关系图

I pa ——氧化峰电流;I pc ——还原峰电流

。图8　二茂铁2羧基2Β2环糊精包络物在pH =7的缓冲溶液中的循环伏安图

扫描速度:100mV s ,从上至下的浓度为1×10-6,2×10-6,

3×10-6,4×10-6,5×10-6,6×10-6mmo l L 。

2601光谱实验室第27卷

4　结论

二茂铁具有优良的电化学性质,但本身不溶于水,而氧化态又溶于水等缺点限制了作为电子媒介体的应用。本文制备了一种带羧基的高水溶性的Β2环糊精衍生物将二茂铁包络进它的疏水空腔,制得了电化学性质优良的媒介体,扩展了二茂铁作为电子媒介体在电化学传感器上的应用,另外,由于媒介体修饰上了功能基——羧基,通过化学键合可以将媒介体固定到电极上制备新型电流型生物传感器,我们将在后面的工作中报道。

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Syn thesis and Properties Research of Carboxyl -Β-Cyclodextr i n

D er iva tive and Its Ferrocene Com plexes

L I Jun 2H ua Z H EN G L ong 2Zhen Y AN G Shao 2M ing S UN Juan L I X in 2J ia

(D ep a rt m en t of Che m istry and Che m ica l E ng ineering ,E ast Ch ina J iaotong U n iversity ,N anchang 330013,P .R .Ch ina )

Abstract A cyclodex trin derivative (carboxyl 2Β2CD )w as p repared and ferrocene w as included in to the cavity of carboxyl 2Β2cyclodex trin to fo r m Fc 2carboxyl 2Β2cyclodex trin inclu si on com p lex (Fc 2carboxyl 2Β2CD ).T he m o lecu lar structu res of carboxyl 2Β2CD and Fc 2carboxyl 2Β2CD w ere studied by FT I R ,UV ,1H NM R and 13

C NM R .T he so lub ility of carboxyl 2Β2cyclodex trin w as greatly enhanced due to the b reak ing of in tram o lecu lar hydrogen bond of Β2cyclodex trin and

m odifying carboxyl

.T he electrochem ical p roperties of the inclu si on com p lex w ere studied by cyclic vo ltamm etry .T he resu lts show ed that the redox reversib ility and so lub ility of the Fc 2carboxyl 2Β2CD com p lex is fairly w ell and can be acted as electron tran sfer m ediato r .T he

detecti on li m it of Fc 2carboxyl 2Β2CD com p lex is 10-7m o l L w ith h igh sen sitivity ,and can be u sed as excellen t electrochem ical p robes .

Key words 2Cyclodex trin D erivative ;Ferrocene ;M ediato r ;Inclu si on Com p lex 3601第3期李军华等:羧基2Β2环糊精衍生物及其二茂铁包络物的制备与性质研究