新型硼-二吡咯亞甲基染料衍生物的合成及其光學(xué)性質(zhì)*

徐海云，胡春華，趙文獻(xiàn)，劉瑛

(商丘師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南商丘 476000)

新型硼-二吡咯亞甲基染料衍生物的合成及其光學(xué)性質(zhì)*

徐海云，胡春華，趙文獻(xiàn)，劉瑛

(商丘師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南商丘 476000)

以無水乙醇為溶劑，1-硝基環(huán)己烯與異氰基乙酸乙酯在K2CO3催化下經(jīng)Barton-Zard反應(yīng)制得2-乙氧羰基-3，4-四亞甲基吡咯(3);用過量氫化鋁鋰高溫還原3得2-甲基-3，4-四亞甲基吡咯(4);通過“一瓶三步驟”合成法，4與4-羥基-3-硝基苯甲醛在三氟乙酸催化下經(jīng)縮合反應(yīng)后，用2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌氧化并依次用NEt3和BF3·OEt2處理合成了一種新型的含稠合外環(huán)的中位取代4-羥基-3-硝基苯基亞單元的BDP類染料衍生物(7)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和元素分析表征。光學(xué)性質(zhì)研究結(jié)果表明，7在氯仿中的最大吸收峰位于525 nm，496 nm和390 nm;7的吸收光譜特征與溶液pH無關(guān)，但其發(fā)射光譜在強(qiáng)極性溶劑中表現(xiàn)出較強(qiáng)的堿性依賴性，可作為堿性條件下的pH熒光探針;7與OH-以1∶1結(jié)合的結(jié)合常數(shù)Ks為1 579 L·mol-1，酸度常數(shù)pKa約為10.80。

硼-二吡咯亞甲基染料;稠合外環(huán);pH熒光探針;4-羥基-3-硝基苯基亞單元;合成;光學(xué)性能

pH熒光探針相比傳統(tǒng)的基于顏色變化的pH指示劑具有選擇性好、靈敏度高、試樣量小、簡便快捷等特點(diǎn)，在分析化學(xué)、特別是在分子生物學(xué)、生物分析化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有較廣泛應(yīng)用［1-2］。硼-二吡咯亞甲基(BDP)類染料作為一種重要的新型熒光標(biāo)記材料，與其他一些熒光染料，如熒光素類、羅丹明類、菁染料等相比具有高熒光量子產(chǎn)率和高摩爾消光系數(shù)、優(yōu)異的光穩(wěn)定性、激發(fā)波長位于可見光區(qū)、結(jié)構(gòu)易于修飾、發(fā)射波長可調(diào)變到近紅外，不易受環(huán)境及pH的影響等許多非常有益的光物理和光化學(xué)性質(zhì)［3］。因此，設(shè)計(jì)合成以BDP染料為熒光團(tuán)和帶有各種活性單元作為接受體的各種熒光探針，并研究其應(yīng)用已經(jīng)成為國內(nèi)外十分活躍的研究課題［4］。然而，目前基于BDP染料的pH熒光探針的研究不多［5-6］。針對有關(guān)含稠合外環(huán)尤其是在1，2，6，7-位含稠合外環(huán)的BDP染料衍生物的合成及其應(yīng)用方面的報(bào)道較少［7-8］。

為此，本文以無水乙醇為溶劑，1-硝基環(huán)己烯(1)與異氰基乙酸乙酯(2)在K2CO3催化下經(jīng)Barton-Zard反應(yīng)制得2-乙氧羰基-3，4-四亞甲基吡咯(3);用過量氫化鋁鋰高溫還原3得2-甲基-3，4-四亞甲基吡咯(4);通過“一瓶三步驟”合成法，4與4-羥基-3-硝基苯甲醛(5)在三氟乙酸(TFA)催化下經(jīng)縮合反應(yīng)后，用2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌(DDQ)氧化并依次用NEt3和BF3·OEt2處理合成了一種新型的含稠合外環(huán)的中位取代4-羥基-3-硝基苯基亞單元的BDP類染料衍生物(7，Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和元素分析表征。并研究了7的光學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

X-4型顯微熔點(diǎn)儀(溫度未校正);島津UV-3100型紫外-可見分光光度計(jì)(掃描范圍400 nm～1000 nm，光路狹縫2 nm);Aminco Bowman Series 2型熒光光譜儀［普通石英樣品池10 mm×10 mm×40 mm，光柵狹縫寬度20 mm，測定溫度(25±0.1)℃］;Bruker ARX 500型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo));Perkin-Elmer 204B型元素自動(dòng)分析儀。

1［9］和2［10］按文獻(xiàn)方法合成;DDQ，5和Li-AlH4，分析純，Aldrich公司;CH2Cl2，工業(yè)品;其余所用試劑均為化學(xué)純或分析純，其中CH2Cl2加入CaH2回流，用前蒸出;四氫呋喃(THF)，氮?dú)獗Ｗo(hù)下加金屬鈉回流至二苯甲酮變藍(lán)，用前蒸出。

1.2 合成

(1)3的合成

在圓底燒瓶中加入無水K2CO31.52 g(11 mmol)和無水乙醇25 mL，氮?dú)獗Ｗo(hù)，劇烈攪拌下緩慢滴加混合溶液［1 1.27 g(10 mmol)+2 1.13 g(10 mmol)+無水乙醇(5 mL)］，滴畢，于室溫反應(yīng)24 h。減壓過濾，濾液旋蒸除溶后經(jīng)硅膠柱層析［洗脫劑:A=V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)= 4∶6，收集第二個(gè)吸收帶］純化后用正己烷重結(jié)晶得白色晶體2 1.0 g，收率52%，m.p.80℃～82 ℃(79℃～80℃［11］);1H NMR δ:1.37(t，J= 6.0 Hz，3H，CH3)，1.76(m，4H，CH2)，2.57 (m，2H，CH2)，2.83(m，2H，CH2)，4.31(q，J=6.0 Hz，2H，CH2)，6.66(d，J=1.6 Hz，1H，C=CH)，8.86(br s，1H，NH);Anal.calcd for C11H15NO2:C 68.37，H 7.82，N 7.25;found C68.23，H 7.84，N 7.21。

(2)4的合成

在干燥三口圓底燒瓶中加入LiAlH41.14 g (30 mmol)和無水THF 30 mL，氮?dú)獗Ｗo(hù)，攪拌下緩慢滴加3 0.579 g(3 mmol)的THF(3 mL)溶液，滴畢，回流反應(yīng)3 h。冰鹽浴冷卻下緩慢滴加冰水20 mL(除去過量LiAlH4)，減壓抽濾，濾液用乙酸乙酯(3×20 mL)萃取，合并有機(jī)相，依次用水、飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥，旋蒸除溶后在避光條件下快速經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑:CHCl3，收集第一個(gè)吸收帶)純化得淡紅色液體4 0.27 g，收率67%。

(3)7的合成

N2保護(hù)，在反應(yīng)瓶中依次加入4 270 mg(2 mmol)，5 167 mg(1 mmol)和無水CH2Cl2120 mL，攪拌下滴加TFA一滴，于室溫避光反應(yīng)2 h～4 h(TLC檢測);加入DDQ(1 mmol)的CH2Cl2(20 mL)溶液，于室溫反應(yīng)1 h;交替滴加NEt33 mL和BF3·OEt23 mL，滴畢，反應(yīng)1 h。依次用水和飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥，旋蒸脫溶后經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑:A=1∶19)純化后用CHCl3-正己烷重結(jié)晶得紅色固體7 0.093 g，收率20%，m.p.264℃～265℃;1H NMR δ:10.71(s，1H，OH)，8.10(s，1H，ArH)，7.26(m，1H，ArH)，7.53(m，1H，ArH)，2.49(s，6H，CH3)，2.30 (m，4H，CH2)，1.61(m，4H，CH2)，1.43(m，4H，CH2)，1.28(m，4H，CH2);Anal.calcd for C25H26N3O3BF2:C 64.53，H 5.63，N 9.03;found: C 64.69，H 5.59，N 9.01。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成

(1)3的合成

在3的合成中，本文用價(jià)廉易得的無機(jī)強(qiáng)堿和無水乙醇代替文獻(xiàn)方法中大多采用的價(jià)格昂貴且對反應(yīng)條件要求嚴(yán)格的有機(jī)強(qiáng)堿{［1，8-二氮雜二環(huán)［5.4.0］十一碳-7-烯(DBU)］}及無水THF也能獲得較高收率，且溶劑無需無水處理。

(2)7的合成

由于3中吡咯環(huán)上存在吸電子基CO2Et，反應(yīng)活性低，不能直接用3與5在上述常溫條件下進(jìn)行縮合反應(yīng)合成目標(biāo)產(chǎn)物7。因此，首先用強(qiáng)還原劑LiAlH4，在高溫較長時(shí)間的回流條件下將3中的CO2Et還原為CH3得4。考慮到4在空氣中非常不穩(wěn)定(由于4中CH3易被氧化為COOH)，反應(yīng)體系中氧氣含量的多少直接影響到4收率，故要求反應(yīng)前必須排凈空氣且在惰性氣氛中進(jìn)行。在后處理過程中所有操作需快速進(jìn)行以減少產(chǎn)物4被部分氧化;4無需進(jìn)一步純化直接進(jìn)行下步反應(yīng)。

采用“一瓶三步驟”法將原位制得的4與5 在TFA催化下經(jīng)縮合反應(yīng)后用DDQ氧化，再依次用NEt3和BF3·OEt2處理合成了7。實(shí)際上，在由4和5發(fā)生縮合反應(yīng)合成7的過程中，首先生成的是中間體6a，加入氧化劑DDQ后，6a發(fā)生脫氫氧化得中間體6b，若將中間體6a從反應(yīng)體系中分離并純化后再氧化成6b或同時(shí)把中間體6b也分離出來后再依次用NEt3和BF3·OEt2處理，7收率有一定提高，但相比“一鍋煮”法，收率差異并不大，所以考慮到純化過程的繁瑣及產(chǎn)物的損失，一般采用“一鍋煮”法合成7為宜。

2.2 光學(xué)性質(zhì)

圖1為7在氯仿中的UV-Vis譜圖和FL譜圖。從圖1可看出，7的UV-Vis吸收光譜形狀和FL譜圖形狀與BDP相似，顯示出兩個(gè)波長寬度很窄的吸收峰:λmax位于525 nm附近的強(qiáng)吸收峰歸屬s0-s1躍遷，位于496 nm附近的吸收峰為0-1振動(dòng)躍遷吸收峰或稱作高能態(tài)的肩峰;另外，在390 nm附近還出現(xiàn)了一個(gè)非常弱而寬的吸收峰，主要源自s0-s2躍遷，部分涉及到稠合外環(huán)骨架。

從圖1還可以看出，7在490 nm激發(fā)波長激發(fā)下，產(chǎn)生一個(gè)與UV-Vis譜呈鏡像對稱的FL譜圖，這種良好的鏡像對稱關(guān)系進(jìn)一步證實(shí)了其發(fā)射的主要波段源自s0-s1躍遷，顯示出典型的BDP類染料的光譜特征;同時(shí)，由于BDP熒光團(tuán)中引入的剛性稠合外環(huán)通過控制內(nèi)轉(zhuǎn)換的速率而阻礙了其激發(fā)態(tài)的非輻射失活，使其最大吸收和發(fā)射波長間的Stokes-shift(斯托克司頻移)較其它所報(bào)道的非稠合外環(huán)的BDP染料衍生物小。

2.3 熒光滴定

圖2為7在混合溶劑A［MeOH/H2O(1/1，V/V)］中的熒光強(qiáng)度隨pH變化的滴定曲線圖。由圖2可見，7的吸收光譜特征(最大吸收峰位置、形狀、吸收強(qiáng)度等)與溶液pH無關(guān)，這表明OH-與7的鍵合對光譜性質(zhì)的影響不能通過它們的吸收行為來識(shí)別。然而它的發(fā)射光譜在強(qiáng)極性溶劑中表現(xiàn)出較強(qiáng)的堿性依賴性。

由圖2還可見，在堿性介質(zhì)中，隨pH升高，7的熒光強(qiáng)度顯著降低，熒光光譜的形狀和最大吸收峰位置基本保持不變，只是λmax略有藍(lán)移，屬于典型的PET(光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移)檢測機(jī)理。由于隨著堿性介質(zhì)的加入使7中的酚單元去質(zhì)子化而形成酚鹽形式，使得供電子能力弱的OH轉(zhuǎn)變?yōu)楣╇娮幽芰?qiáng)的O-，由此發(fā)生了從供電子的酚鹽基團(tuán)到BDP熒光團(tuán)的電子轉(zhuǎn)移過程而導(dǎo)致了熒光被淬滅。

為了求得7在A中與OH-的結(jié)合常數(shù)從而確定它的酸度常數(shù)pKa值，通過下式對7在λmax= 540 nm處的熒光強(qiáng)度隨cOH-變化的滴定曲線進(jìn)行非線性擬合［12］(圖3)。

其中，F(xiàn)max為7的起始熒光強(qiáng)度，F(xiàn)min為7在OH-存在下的最低熒光強(qiáng)度(該值不能夠準(zhǔn)確測定，僅作為分析中的變量參數(shù))

7 和OH-按1∶1化學(xué)計(jì)量相結(jié)合的結(jié)合常數(shù)Ks確定為1 579 L·mol-1。因此，7在A中的酸度常數(shù)(即它的酚鹽形式與H+按照1∶1化學(xué)計(jì)量的結(jié)合常數(shù))pKa約為10.80，與文獻(xiàn)［13］報(bào)道的其他羥基-苯基取代的BDP類衍生物熒光染料所測得的pKa相當(dāng)。

2.4 檢測原理

在7分子中，OH-與中位受體位單元中的酚羥基選擇性鍵合導(dǎo)致其OH去質(zhì)子化變?yōu)镺-離子被認(rèn)為是熒光有效淬滅的根源。由于BDP熒光團(tuán)(受體位)的1，2，6，7-位稠合的外環(huán)與中位芳基取代基(給體位)的空間位阻使得受體位單元和給體位單元之間發(fā)生扭曲，二者的二面角接近90°(Scheme 2)，從而導(dǎo)致其π共軛體系電子去偶合，所以7的熒光特性由熒光團(tuán)與其中位芳環(huán)間的分子內(nèi)光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(PET)機(jī)理所控制，探針顯示出的熒光開/關(guān)效應(yīng)依賴于給體位的最高占有軌道(HOMO)能級(jí)［14］。對于7而言，在給體位單元結(jié)合分析物(滴加OH-離子)前，熒光團(tuán)被激發(fā)后，給體位單元HOMO軌道能級(jí)較低，光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(PET)過程受阻，熒光團(tuán)發(fā)射強(qiáng)熒光;當(dāng)給體位單元結(jié)合分析物(如OH-)時(shí)，給體位單元由OH基變?yōu)镺-，其HOMO軌道能級(jí)升高從而使其軌道的電子轉(zhuǎn)移能夠到熒光團(tuán)的HOMO軌道上即發(fā)生了PET過程，從而導(dǎo)致其熒光被淬滅或發(fā)射出弱熒光，也即底物誘導(dǎo)熒光的“On-Off”型分子開關(guān)。

圖2 7的熒光強(qiáng)度與pH關(guān)系*Figure 2Fluorescence intensity-pH profile of 7*MeOH/H2O(1/1，V/V)為溶劑，pH of a～y: 9.69～11.08，λex=490 nm

圖3 7的熒光滴定曲線(實(shí)線為最好擬合線)*Figure 3The fluorescence titration curve of 7 (the solid line represents the best fit)*MeOH/H2O(1/1，V/V)為溶劑

［1］Sun K M，Mclaughlin CK，Lantero D R，et al．Biomarkers for phenol carcinogen exposure act as pH-sensing fluorescent probes［J］.J Am Chem Soc，2007，129(7):1894-1895.

［2］Srivastava A，Krishnamoorthy G.Time-resolved fluorescence microscopy corrects for the probe binding while estimating intracellular pH［J］.Anal Biochem，1997，249:140-146.

［3］Loudet A，Burgess K.BODIPY dye and their derivatives:Synthesis and spectroscopic properties［J］.Chem Rev，2007，107(11):4891-4932.

［4］Boens N，Leen V，Dehaen W.Fluorescent indicators based on BODIPY［J］.Chem Soc Rev，2012，41: 1130-1172.

［5］Baruah M，Qin W，Basaric N，et al．BODIPY-based hydroxyaryl derivatives as fluorescent pH probes［J］.J Org Chem，2005，70(10):4152-4157.

［6］Baki C N，Akkaya E U.Boradiazaindacene-appended calix［4］arene:Fluorescence sensing of pH near neutrality［J］.J Org Chem，2001，66(4):1512-1513.

［7］Zeng L，Jiao C，Huang X，et al．Anthracene-fused BODIPYs as near-infrared dyes with high photostability ［J］.Org Lett，2011，13(22):6026-6029.

［8］徐海云，沈珍.Fluorescent probe for H+:Synthesis，spectroscopic and electrochemical studies of exocyclic rings-fused boron dipyrromethene dyes［J］.無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2011，27(6):1177-1184.

［9］徐海云，馮翠蘭.1-硝基環(huán)己烯的合成方法改進(jìn)［J］.化學(xué)試劑，2011，33(10):951-954.

［10］Hartman G D，Weinstock L M.Thiazoles from ethyl isocyanoacetate and thiono esters:Ethyl thiazole-4-carboxylate［J］.Org Synth，1979，59:183-189.

［11］May D A J，Lash T D.Porphyrins with exocyclic rings.2.Synthesis of geochemically significant tetrahydrobenzoporphyrins from 4，5，6，7-tetrahydro-2H-isoindoles［J］.JOrgChem，1992，57(17): 4820-4828.

［12］Kollmanmberger M，Ruraek K，Resch-Genger U，et al．Ultrafast charge transfer in amino-substituted boron dipyrromethene dyes and its inhibition by cation complexation:A new design concept for highly sensitive fluorescent probes［J］.J Phys Chem A，1998，102 (50):10211-10220.

［13］Beer G，Rurack K.Chiral discrimination with a fluorescent boron-dipyrromethene dye［J］.Chem Commun，2001，1138-1139.

［14］He H，Mortellaro M A，Leiner M J P，et al．A fluorescent sensor with high selectivity and sensitivity for potassium in water［J］.J Am Chem Soc，2003，125 (6):1468-1469.

Synthesis and Spectroscopic Properties of a Novel
Exocyclic Ring-fused Boron-dipyrromethene Derivative

XU Hai-yun，HU Chun-hua，ZHAO Wen-xian，LIU Ying

(College of Chemistry and Chemical Technology，Shangqiu Normal University，Shangqiu 476000，China)

2-Ethoxycarbonyl-3，4-tetramethylene pyrrole(3)was synthesized by Barton-Zardon reaction of 1-nitrocyclohexene with ethyl isocyanoacetate using K2CO3as the catalyst and dry ethanol as the solvent.2-Methyl-3，4-tetramethylene pyrrole(4)was obtained after treating 3 with excess LiAlH4at high temperature.A novel kind of BDP derivative(7)substituted with 4-hydroxy-3-nitro phenyl subunit at meso was synthesized by“one-pot-three-step”reaction of 4 with 4-hydroxy-3-nitrobenzaldehyde using TFA as the catalyst，then oxidized with DDQ，followed by treating with NEt3and BF3· Et2O.The structure was characterized by1H NMR and elemental analysis.Absorption and emission spectroscopic proerties of 7 were investigated by UV-Vis and FL spectra.The results showed that λmaxof 7 was 525 nm，496 nm and 390 nm.7 was sensitive to pH value in the basic CH3OH/H2O(1/1，V/V)solution and 7 can be applied as a fluorescent probe for pH sensing in the alkaline region under exciting with visible light.Ks=1 579 L·mol-1and pKa=10.80 with n(7)∶n(OH-)=1∶1.

boron-dipyrromethene(BDP)dye;fused exocyclic ring;pH fluorescent probe;4-hydroxy-3-nitro phenyl subunit;synthesis;spectroscopic property

O621.3;O613.8

A

1005-1511(2014)03-0298-05

2013-04-01;

2014-04-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20972091，21172139);河南省科技廳基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究項(xiàng)目(112300410309);河

南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃(2011A150023，2008B150018);2010年商丘師范學(xué)院中青年骨干教師計(jì)劃;商丘師院重大項(xiàng)目

培育計(jì)劃(2011ZDPY02)

徐海云(1970-)，男，漢族，安徽合肥人，博士研究生，教授，主要從事熒光分子探針的研究，E-mail:xuhyun@163.com

趙文獻(xiàn)，教授，碩士生導(dǎo)師，E-mail:zhwx5126@gmail.com