一锅法合成、光物理性质研究及抗菌活性的咪唑衍生物：作为检测Ce4+离子的荧光探针

《Journal of Molecular Structure》：One-pot Synthesis, Photophysical investigation and anti-bacterial activity imidazole derivative as a fluorescent probe for the detection of Ce4+ ion

荧光探针MBI通过一锅合成法制备，具有可见光区强荧光和显著抗菌活性，特别是对革兰氏阴性菌。其与Ce??的淬灭机制及2:1配位比经光谱和计算验证。

　　

萨尔曼·A·汗

印度特伦甘纳邦海得拉巴莫拉纳·阿扎德国立乌尔都大学科学学院化学系，邮编500032

摘要

荧光探针2-(三甲基氧基苯基)苯并[d]咪唑（MBI）是通过邻苯二胺与2,4,5-三甲基氧基苯甲醛的一锅缩合反应合成的，并通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、¹H和¹³C核磁共振（NMR）以及质谱进行了验证。MBI在可见光区域具有强烈的荧光性，并对两种革兰氏阳性（Gram+）细菌和两种革兰氏阴性（Gram-）细菌表现出显著的抗菌作用，尤其是对革兰氏阴性细菌的抑制效果更为明显。该咪唑衍生物对大肠杆菌（E. coli，最小抑制浓度MIC = 16μg/mL）和弗莱克斯纳菌（S. flexneri，MIC = 32μg/mL）具有显著的抗菌效果。其荧光特性可以通过光诱导电子转移（PET）机制被Ce⁴⁺选择性地淬灭，显示出对Ce⁴⁺离子检测的高灵敏度和选择性。MBI与Ce⁴⁺形成的金属-配体复合物遵循2:1的化学计量比，这一比例通过Benesi-Hildebrand方法得到了验证，其结合常数为1.17 × 10⁴ M^-1，Stern-Volmer淬灭常数（K_sv）为7.8 × 10⁵ M^-1。

引言

重金属离子在微量存在下对维持生物功能至关重要。然而，它们与含有氮（N）、硫（S）和氧（O）原子的生物分子的相互作用可能导致蛋白质结构改变、氢键断裂以及酶活性抑制。传统的重金属检测方法，如原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）和电位分析法（potentiometric analysis），需要复杂的仪器设备。因此，人们越来越关注开发快速且成本效益高的金属离子传感器，特别是基于比色法和荧光法的技术。

在各种金属离子中，某些过渡金属和内过渡金属离子（如Ce⁴⁺）的选择性识别和传感受到了关注，这归因于它们在生物功能、环境问题和工业应用中的重要作用[[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]]。尽管镧系元素在成像、治疗和催化应用中得到广泛应用，但关于基于荧光的传感研究相对较少[[13], [14], [15], [16], [17]]。这些金属离子的研究尤为重要，因为它们参与细胞过程、对生物功能具有毒性影响，并对环境构成威胁[[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]]。在镧系化合物中，硝酸铈铵是一种非常有效的单电子氧化剂[[18], [19], [20], [21], [22]]。Ce⁴⁺离子的离子半径与Ca²⁺离子相当，但由于其较高的电荷，它们对生物化合物中的Ca²⁺结合位点具有更强的亲和力[[23], [24], [25], [26], [27]]。尽管Ce⁴⁺离子具有强抗菌性能，但过量使用可能会对生物系统造成严重损害。因此，开发一种高特异性和响应性的双离子荧光传感器以检测Ce⁴⁺仍面临相当大的挑战。

咪唑环是生物学中一种重要的化学结构。然而，关于基于咪唑的铁离子检测传感器的研究较少[[28], [29], [30], [31]]。本文介绍了一种新型的基于咪唑的荧光传感器，该传感器具有理想的光物理特性，如明显的斯托克斯位移（Stokes shift）和较低的干扰。我们描述了一种多功能π-共轭咪唑衍生物，它通过发射响应来高效且简便地检测铈离子。此外，还进行了密度泛函理论（DFT）模拟，以理解其荧光淬灭机制、与Ce⁴⁺离子的结合方式、官能团性质以及分子平面性。

高特异性和响应性的荧光探针在有毒金属离子检测方面的发展受到了广泛关注，因为它们在环境监测、生物系统和工业过程中有重要应用。在各种金属离子中，Ce⁴⁺因其生物活性、工业应用和生态影响而尤为重要。Ce⁴⁺离子广泛应用于工业催化剂、电子设备和生物医学领域，但在高浓度下可能存在毒性风险。有机荧光探针具有多种优势，包括高灵敏度、易于合成以及通过荧光调制实现选择性金属离子检测。本研究重点关注新合成探针在Ce⁴⁺存在下的选择性荧光淬灭现象，假设这种淬灭是由光诱导电子转移（PET）机制引起的。研究结果为开发高效、低成本的荧光探针以监测生物和环境中的Ce⁴⁺离子浓度提供了一个有前景的平台。

在本研究中，合成了2-(三甲基氧基苯基)苯并[d]咪唑作为潜在的Ce⁴⁺离子检测荧光探针。选择苯并咪唑骨架是因为其较强的金属配位能力和内在荧光特性。引入2,4,5-三甲基氧基苯基团旨在优化探针的电子结构并提高其对Ce⁴⁺离子的敏感性。合成过程通过简单的缩合反应完成，得到了在可见光区域具有显著荧光发射的产品。

化学试剂

咪唑衍生物（MBI）是通过缩合反应合成的。所有用于合成的化学试剂和溶剂（如图1所示），包括1,2-二氨基苯和2,4,5-三甲基氧基苯甲醛，均来自Sigma-Aldrich和TCI公司，无需进一步纯化即可使用。用于制备MBI及其光谱研究的溶剂均为分析级，无需额外纯化。DMSO用于制备MBI的储备溶液。

化学过程

如图1所示，咪唑衍生物（MBI）是通过2,4,5-三甲基氧基苯甲醛与1,2-二氨基苯的缩合反应合成的。通过高分辨率质谱（HRMS）、¹H-NMR、¹³C-NMR和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）验证了MBI的杂环结构。由于咪唑中的N-H键和C=N官能团的存在，MBI在3352 cm^-1和1637 cm^-1处显示出吸收峰。MBI成功由1,2-二氨基苯制备而成。

结论

通过1,2-二氨基苯与2,4,5-三甲基氧基苯甲醛的缩合反应合成了新型咪唑衍生物（MBI），并确定了其结构。在多种不同极性的溶剂中研究了MBI的物理化学性质，发现溶剂极性对其物理化学性质有显著影响。即使在存在竞争性金属离子的情况下，MBI仍表现出优异的选择性，可作为荧光开关传感器。

CRediT作者贡献声明

萨尔曼·A·汗：负责撰写、审稿与编辑、原始草稿的撰写、方法论设计、实验研究及数据整理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本文得到了莫拉纳·阿扎德国立乌尔都大学（MANUU）研究咨询部的支持，资助项目编号为（No.MANUU/DR&C/F.11/2023-24/93）。作者在此对MANUU研究咨询部的技术和财务支持表示感谢。