一種新型雙發色團羅丹明熒光染料的合成與結構表征*

王 帥，龐嘉成，郭薛藤，許 杰，苗延青，張雪嬌，成 昭

(西安醫學院 藥學院，陜西 西安 710021)

羅丹明是以吡喃型氧雜蒽為母體的堿性咕噸染料，因其結構中較長的共軛鏈與剛性平面而表現出很好的熒光性能[1]。羅丹明類染料的特性之一在于其較大的熒光激發與發射波長，均處于可見光區，進行光學性能分析時背景熒光干擾[2-3]較少，是一種光學性質穩定的熒光染料；另一特性在于其種類眾多，均是以羅丹明為母體、進行官能團修飾得到的系列衍生物，主要包括羅丹明B[4]，羅丹明Q[5]、羅丹明101[6]等(見圖1)，廣泛應用于涉及生命大分子熒光標記、食品添加劑及有效成分的檢測、水質分析與檢測、分子識別及熒光成像等醫學[7-8]、生命科學[9-10]、食品科學、環境化學、超分子化學[3,11]等多領域、交叉學科的分析研究工作。

圖1 羅丹明類熒光染料結構

現階段對羅丹明染料的合成研究主要集中于單發色團染料的設計合成，多數研究工作均基于1個羅丹明母體分子進行結構設計與修飾，而針對多發色團羅丹明染料研究很少。雙發色團熒光物質鈣綠的結構設計[12]見圖2(雙發色團結構見圖中方框部分標注)。由圖2可知，有效引入染料分子中的雙發色團結構，能夠增效染料光學性能及長波激發/發射性質，符合熒光染料長波激發的設計趨勢。作者進行熒光染料結構修飾，設計在染料分子結構中引入2個羅丹明母環，用以增強分子共軛結構、進一步增效染料熒光性能，合成得到一種新型雙發色團羅丹明熒光染料，就其合成路徑中的新縮合方法進行合成條件優化，希望能夠為未來研究工作提供指導。

圖2 雙發色團熒光染料鈣綠的結構

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

水合肼、二硫化碳、2-氯乙醇、羅丹明B、1，2-二氯乙烷：上海阿拉丁生化科技公司；氫氧化鈉、三氯氧磷、無水硫酸鎂、無水碳酸鉀、五氧化二磷、氫化鈣、甲醇、二氯甲烷、乙腈及三乙胺：天津科密歐化學試劑有限公司；以上試劑均為化學純。

溶劑甲醇、二氯甲烷、乙腈及三乙胺需經過純化及干燥處理。甲醇使用無水硫酸鎂干燥過夜、過濾，再使用鎂條回流蒸出；二氯甲烷使用無水碳酸鉀干燥過夜、過濾；乙腈加入適量五氧化二磷，回流2～3 d，減壓蒸餾，再加入4A分子篩保存；三乙胺使用無水硫酸鎂干燥、經氫化鈣處理、減壓蒸餾，最后加入活化的4A分子篩以除去微量水分，避光保存。

顯微熔點儀：XT-B，北京科儀電光儀器公司；元素分析儀：Flash Smart，高分辨質譜儀：LCQ Advantage MAX LC/MS/MS，美國賽默飛世爾科技公司；核磁共振儀：INOVA-400，美國瓦里安公司。

1.2 實驗方法

目標物新型雙發色團羅丹明類熒光染料N,N′-二羅丹明B二氨基硫脲(TM 1)，以水合肼、二硫化碳與羅丹明B為起始原料，其中，羅丹明B經酰氯化反應制得羅丹明B酰氯，水合肼與二硫化碳作用得到1,3-二氨基硫脲，再通過1分子1,3-二氨基硫脲與2分子羅丹明B酰氯的反應，使1,3-二氨基硫脲兩端的氨基通過分子間縮合分別連接1分子羅丹明B，合成得到雙發色團羅丹明染料，合成路線見圖3(雙發色團結構見圖中畫圈部分標注)。

圖3 TM 1合成路線示意圖

1.3 1,3-二氨基硫脲(thiocarbonohydrazide，TCH)的合成

在100 mL三頸瓶上連接滴液漏斗、溫度計及球形冷凝管(冷凝管上口連接尾氣吸收裝置)，向瓶中加入15 mL質量分數為80%水合肼(0.3 mol)、10 mL水及1.2 g 2-氯乙醇，使用冰水浴將上述混合物冷卻至15 ℃，磁力攪拌下滴加6 mL二硫化碳(0.1 mol)，保持滴加速度于20～30 min滴加完全，室溫下攪拌反應30 min，有黃色結晶 1(結構見圖3)析出。

向混合體系中加入0.6 g氫氧化鈉，加熱升溫，控制反應溫度為80 ℃，反應10 h后，冷卻至室溫，過濾析出白色固體。固體用20 mL甲醇洗滌、干燥，得到TCH。反應釋放的硫化氫氣體經尾氣吸收裝置導入稀氫氧化鈉溶液中，進行尾氣吸收處理。

TCH：白色固體，產率82%。熔點171～172 ℃。元素分析：CH6N4S元素計算值w(C)= 11.32%，w(H)=5.66%，w(N)=52.83%，w(S)=30.19%；測定值w(C)=11.35%，w(H)=5.63%，w(N)=52.87%，w(S)=30.11%。根據上述各項結構表征數據，證明產物與目標物化學結構相符。

1.4 TM 1的合成

100 mL三頸瓶中，加入0.96 g羅丹明B(2 mmol)及5 mL 1,2-二氯乙烷，磁力攪拌下滴入1.5 mL三氯氧磷，回流反應6 h，冷卻至室溫，旋蒸濃縮除去1，2-二氯乙烷和未反應的三氯氧磷，向所得羅丹明酰氯中加入10 mL乙腈，保留待用。向上述混合液中加入0.106 g 1,3-二氨基硫脲(1 mmol)和15 mL乙腈，磁力攪拌下滴入1.5 mL三乙胺，升溫至83 ℃加熱反應12 h。將混合物傾入冰水中，二氯甲烷萃取，有機相使用氫氧化鈉水溶液洗滌、無水硫酸鎂干燥，真空濃縮后進行柱層析純化[洗脫劑V(石油醚)∶V(二氯甲烷)=1∶1]，得到白色固體TM 1。

TM 1：白色固體，產率46%。1H NMR(DMSO-d6，400 MHz)δ：1.13(24H，8×—CH3)，3.39(16H，8×—CH2—)，4.34(2H，2×—NH—)，6.13(4H，Ar—H)，6.19(4H，Ar—H)，6.84(4H，Ar—H)，7.24(2H，Ar—H)，7.25(2H，Ar—H),7.39(2H，Ar—H)，7.83(2H，Ar—H)。HRMS [(+)-ESI]：m/z=955.470 2 [C57H62N8O4S相對分子質量954.461 5，(M+H)+峰理論值：955.469 3，(M+H)+峰實測值：955.470 2]。根據上述各項結構表征數據，證明產物與目標物化學結構相符。

2 結果與討論

2.1 縮合反應中反應物配比對TM 1產率的影響

羅丹明氧雜蒽類熒光染料的傳統合成方法條件較苛刻、產率不高[13-14]。通常為了獲得較高產率，需要增大反應物羅丹明的用量，但此舉往往會導致排放的廢棄物對環境產生嚴重污染。作者使用活性較高的氨基硫脲作為一種新的縮合反應[15]合成方法，并研究了縮合反應中n(羅丹明B酰氯)∶n(1,3-二氨基硫脲)對目標物TM 1產率的影響，結果見表1。

表1 縮合反應中n(羅丹明B酰氯)∶n(1,3-二氨基硫脲)對TM 1產率的影響

由表1可知，n(羅丹明B酰氯)∶n(1,3-二氨基硫脲)對目標物TM 1產率有較大影響。反應中，1,3-二氨基硫脲兩端的氨基通過分子間縮合連接2分子羅丹明B，n(羅丹明B酰氯)∶n(1,3-二氨基硫脲)=1.5∶1～2.0∶1，產物產率有較大提高，而n(羅丹明B酰氯)∶n(1,3-二氨基硫脲)=2.5∶1，產率增幅較小，再將該比例提高至3.0∶1，產率呈下降趨勢。為了盡可能提高反應產率并使反應廢棄物對環境的影響最小，確定縮合反應的最佳比例為n(羅丹明B酰氯)∶n(1,3-二氨基硫脲)=2.0∶1。

2.2 溶劑對羅丹明B酰氯合成反應的影響

由羅丹明B合成羅丹明B酰氯時，羅丹明B的用量為0.96 g(2 mmol)，氯原子借助于三氯氧磷引入，因三氯氧磷易揮發、易水解性質，其用量需大大過量，為1.5 mL(約16 mmol)，且需要逐滴加入。當控制反應溫度至三氯氧磷滴加完成后，在溶劑沸點回流反應或100 ℃下反應(對于沸點高于100 ℃的溶劑而言)，溶劑用量為5 mL，反應時間為6 h，產率以提純后的產物羅丹明B酰氯計算，對多種反應溶劑進行了篩選，結果見表2。

表2 溶劑對羅丹明酰氯產率的影響

由表2可知，1,2-二氯乙烷作溶劑的反應體系產率幾乎可達到100%，且溶劑沸點為83 ℃，未達到反應物三氯氧磷的沸點105 ℃，操作安全，避免了未反應完全的三氯氧磷揮發出反應體系，且有效避免了后續的產物提純。因而選取了1,2-二氯乙烷作為反應溶劑。

3 結 論

基于雙發色團熒光染料的結構設計思路，通過1分子1,3-二氨基硫脲與2分子羅丹明B酰氯的反應，使1,3-二氨基硫脲兩端的氨基通過分子間縮合反應分別連接1分子羅丹明B酰氯，合成了1種新型雙發色團羅丹明類熒光染料TM 1。針對使用活性較高的氨基硫脲作為反應物的新縮合反應合成方法，研究了該反應中n(羅丹明B酰氯)∶n(1,3-二氨基硫脲)對目標物TM 1產率的影響，確定縮合反應的最佳比例為n(羅丹明B酰氯)∶n(1,3-二氨基硫脲)=2.0∶1。針對羅丹明B酰氯合成反應進行了溶劑篩選，1,2-二氯乙烷作溶劑的反應體系產率幾乎可達到100%，有效節省了后續產物提純操作，且溶劑沸點低于反應物三氯氧磷的沸點，避免了未反應完全的三氯氧磷揮發出反應體系，操作安全。雙發色團熒光染料的結構設計、使用氨基硫脲作為反應物的縮合反應新方法以及反應條件的有效優化，均為新型熒光染料的開發提供了新的研究思路。