喹喔啉介导的主链修饰调控席夫碱紫外-可见探针中Fe3?选择性响应与Fe3?/Cu2?双光谱响应

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Quinoxaline-mediated backbone modification Tunes Fe3+-selective versus Fe3+/Cu2+ dual spectral response in Schiff-Base UV–vis probes

　　喹喔啉介导的骨架修饰调控了三苯胺-噻吩基席夫碱探针的离子响应行为。探针**TPCN**通过紫外-可见吸收开启响应实现了高度选择性的Fe3?靶向检测（检测限 = 2.28 μM）。喹喔啉修饰的**TPQCN**展现出双重光谱响应：对Fe3?检测效果良好，但对Cu2?响应较弱，体现了传感性能中通用性与选择性之间的权衡。揭示了阳离子化学传感器响应性-选择性平衡调控的定性构效关系。**引言**铁和铜离子是介导氧化还原催化和氧气运输酶的关键辅因子。然而，在高水平下，这些离子会引发活性氧物种（ROS）的产生，造成氧化损伤，而氧化损伤长期以来与神经退行性疾病相关[1]–[14]。加之水生环境中重金属污染的普遍问题，同时检测Fe3?和Cu2?在生物与生态方面具有重要意义，这激发了化学传感领域的广泛研究兴趣[15]。尽管如此，区分这两种阳离子仍具挑战性，因为两者对常见N/O供体配体表现出几乎相同的配位亲和力，使其结合行为几乎难以区分。在光学传感系统中区分Fe3?和Cu2?一直是一个长期存在的挑战。ICP-MS和AAS等仪器技术为金属离子定量提供了高精度和高灵敏度。然而，它们需要复杂的样品制备、昂贵的设备和受过培训的人员，这限制了其在现场或常规监测中的适用性。相比之下，光学比色和荧光传感器具有低成本、操作简便和快速响应的特点，使其成为环境金属检测的有吸引力替代方案[16]–[19]。即便如此，同时实现多离子响应性和高目标选择性仍然是当前化学传感器开发中的主要瓶颈，尤其是为区分Fe3?和Cu2?而设计的系统[20]–[24]。许多已发表的Fe3?/Cu2?双响应探针采用了不同的配位基团或不规则骨架。这种混合结构干扰无法区分π-共轭的独立作用[21]–[24]。为克服上述局限，少数研究通过骨架工程系统调节了三苯胺-噻吩探针的传感性能。三苯胺-噻吩骨架以其化学稳定性、结构可调性和高效的分子内电荷转移而闻名[25]–[27]。迄今为止，基于该骨架的大多数衍生物均设计用于阴离子或小分子（包括CN?、H?S和HClO）的检测[28]–[31]。相比之下，仅少数研究将该骨架扩展到金属离子传感领域，更少研究系统考察了π-骨架修饰如何影响金属结合选择性，且结合亲和力的可靠实验评估仍然稀缺[32]–[34]。因此，关于骨架电子结构与金属-配体相互作用强度之间关系的系统理解，对于该类探针仍有待建立。此外，文献中对单一结构变量进行隔离的系统研究十分稀缺，阻碍了光学探针的理性设计，并往往导致经验性的试错方法而非机理指导的开发。受上述局限的启发，我们设计了**TPCN**和**TPQCN**，两者具有固定的氰基亚胺识别末端，并利用喹喔啉桥修饰骨架π体系。值得注意的是，喹喔啉的引入不仅延长了π-共轭，还改变了分子刚性、电子密度分布和溶剂化性质。两种探针保留相同的螯合基序，使我们能够将性能差异归因于喹喔啉取代引起的骨架修饰的综合效应，而非配位位点的变化。**TPCN**包含一条以3-氰基-4,5,6,7-四氢苯并[b]噻吩基封端的短共轭链，而**TPQCN**则通过喹喔啉间隔基构建了对称修饰的π-共轭体系（方案1）。与**TPCN**相比，含喹喔啉的**TPQCN**表现出更高的分子刚性和更加离域的电子结构。关键在于，两种探针共享相同的螯合结合基序，因此光谱和传感差异源于喹喔啉诱导的骨架修饰。这种分子设计使我们有能力对π-骨架工程对电子结构和离子识别能力的综合效应进行受控研究。我们进行了紫外-可见吸收滴定、荧光摩尔比滴定、溶剂依赖性光谱测量、非线性拟合以评估结合常数，以及对游离探针分子的DFT计算。短共轭探针**TPCN**表现出对Fe3?的选择性开启吸收响应，检测限为2.28 μM，且对竞争金属离子具有良好的耐受性。相比之下，喹喔啉延伸的**TPQCN**对Fe3?和Cu2?均表现出双重响应性，尽管灵敏度有所降低（分别为8.91和23.54 μM），选择性也有所下降。总体而言，我们的研究结果建立了一种定性的构效关系，并揭示了喹喔啉介导的骨架修饰以牺牲灵敏度和选择性为代价实现了金属响应性的多样化——这一权衡应有助于未来针对化学性质相似金属离子的探针设计。**章节摘要****材料与方法**探针储备液在无水HPLC级THF中配制，未再进行蒸馏。除另有说明外，紫外-可见测量在THF/H?O（6:4，v/v）中进行。本工作使用的其他溶剂和无机金属盐符合分析纯标准。三苯胺基中间体按照文献程序合成，并对反应温度进行了微调[35]。Fe3?和Cu2?储备液（10 mM）通过溶解Fe(NO?)?·9H?O和……**合成与结构表征**探针**TPCN**和**TPQCN**通过两步程序合成（方案1）。第一步涉及Suzuki-Miyaura交叉偶联反应以引入醛基功能团，随后与2-氨基-4,5,6,7-四氢苯并[b]噻吩-3-甲腈进行席夫碱缩合。所有中间体的详细合成程序和表征数据见补充信息（S1节）。**TPCN**的亚胺键通过1H NMR信号δ 8.44 ppm和13C NMR……**结论**总之，我们设计并合成了两种具有相同螯合基序但修饰π-骨架的席夫碱探针，揭示这一单一结构改变足以产生显著不同的传感行为。短π-骨架探针**TPCN**表现出对Fe3?的选择性识别，检测限为2.28 μM，竞争金属离子的干扰可忽略不计。相比之下，延伸类似物**TPQCN**对Fe3?和Cu2?均有响应，尽管灵敏度有所降低……**利益冲突声明**作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所述工作的报告。**致谢**我们感谢国家自然科学基金委员会（资助编号：22065041）和贵州省教育厅青年科技人才培养项目（KY[2019]122）的经费支持。陈振二 | 郭伟 | 陈秋锋 | 高雅迪 | 张海