4—（3—苯丙基吡啶基于cation—π相互作用作為烷基化殘留物熒光傳感器

楊斌

【摘 要】4-（3-苯丙基）吡啶發生烷基化反應所生成的吡啶鹽的熒光強度顯著增加，可以被用來作為烷基化殘留物的熒光傳感器。本文主要通過研究這種吡啶和與之對應的吡啶鹽與α-環糊精通過的主客體相互作用的熒光性質驗證這種cation–π相互作用存在。

【關鍵詞】烷基化；熒光傳感器；cation–π相互作用；主客體相互作用

中圖分類號： R318.08 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0169-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.074

【Abstract】The pyridyl salt formed by the alkylation reaction of 4-（3-phenylpropyl）pyridine has a markedly increased fluorescence intensity and can be used as a fluorescent sensor for alkylation residues.In this paper，the existence of this cation–π interaction was verified by studying the fluorescence properties of this pyridine and its corresponding pyridinium salt and the host-guest interaction of α-cyclodextrin.

【Key words】Alkylation；Fluorescence sensor；Cation–π interaction；Host-guest interaction

0 前言

隨著有機合成化學的逐步成熟和發展，各種新型合成路線被不斷的開發，活化的強力碳氫鍵引入烷基結構成為目前藥物化學合成中的有力途徑，極大地拓寬了有機合成藥物的發展前景[1]。然而，烷基化反應常常伴隨有烷基化試劑的殘留，對于生物體系而言，此類親電試劑極易與生物細胞中的親核試劑產生化學反應，破壞生物體的正常生理功能，因此，需要建立嚴格而可靠的檢測方案，對合成類藥物中的烷基化殘留物進行監測。熒光檢測作為一種高靈敏的檢測手段，正越來越多地被應用到生物相關領域，通過設計合成具有特定功能的熒光探針分子，可以實現對烷基化殘留物的精準檢測[1]。

cation–π相互作用因為其作用前后對熒光染料分子電荷分布有著明顯的影響，可被設計成為具有高靈敏度的熒光傳感器。早在2010年，英國巴斯大學的研究團隊便發現了通過正丙烷基團連接的苯環與吡啶化合物可在分子內形成cation–π相互作用，進而產生了明顯的熒光增強作用，并且通過改變吡啶環上連接的基團種類，可在熒光響應上產生相應的明顯變化，伯明翰大學研究團隊的這一發現為碘甲烷檢測提供了理論基礎。

結果與討論：

1.4-（3-苯丙基）吡啶鹽的獲得與合成

4-（3-苯丙基）吡啶記作（PR1）。將 PR1（5.92g，30mmol）裝入圓底燒瓶中，用盡可能少的丙酮使其溶解。之后再加入碘甲烷（6.39g，45mmol）于溶解好的溶液中，在 65℃下回流兩小時。反應完成后，冷卻至室溫，減壓抽濾除去溶劑以及其他雜質，得到最終產物吡啶鹽記作PR2（9.96g），產率：98%。

2.對應烷基化殘留物的熒光檢測

在碘甲烷的作用下，吡啶化合物1（PR1）分子會與之形成N-烷基化產物（PR2），而這種產物PR2在產生cation–π相互堆疊作用發生堆疊后受到起始波長260_nm的光進行激發，在420_nm處出現了明顯的熒光增強作用。通過對濃度與熒光強度的擬合，這一熒光成倍增強的現象可被應用于痕量碘甲烷的檢測分析（圖1）。

F/F0：加入碘甲烷前后熒光發射峰處強度的對比倍數。

3.cation–π相互堆疊效應的驗證

在實驗環境下，熒光增強明顯并且檢測限極低，達到億分之一（1_nm）的濃度水平，但在實際檢測中，能夠引起熒光增強的因素較多，為了證明這種明顯的熒光增強作用的機理，我們設計了以環糊精為主體的主客體相互作用方案，進一步確認cation–π相互堆疊效應的存在。

3.1 PR1與PR2與α-環糊精進行主客體作用

實驗過程中我們使用了四氫呋喃與水的混合體系，通過調控混合溶劑比例，我們探尋出四氫呋喃和水合適的體積比為1：2，在此體積比下，兩種物質均能很好地溶解。

配制時，改變PR1和α-環糊精的濃度比，同時保持四氫呋喃和水的體積比為1：2，溶液各配制1mL。在實際實驗過程中，采用濃度比為1：6及以下比例進行主客體作用的探究。

由于PR1吡啶基團與苯基通過丙烷直鏈鏈接，兩端無論是吡啶基團或苯環，尺寸均小于α-環糊精的內腔，因此PR1分子理論上可以通過主客體相互作用嵌入環糊精的內腔之中，帶來熒光強度的增強。隨著環糊精加入的當量增加，PR1的熒光強度也不斷增加（圖2.a），這主要是因為環糊精的有限空間將4-（3-苯丙基）吡啶結構中單鍵的自由旋轉成功限制，使得光致激發能量不易以非輻射形式釋放。與碘甲烷反應后的PR2化合物，形成cation–π相互作用成為堆疊形態，其空間半徑明顯增大，位阻效應使得α-環糊精無法將其包括在內，所以α-環糊精的引入并不會對PR2分子的熒光產生增強作用（圖2.b）。

總結：

通過對PR1的烷基化吡啶鹽的PR2的熒光檢測，能得到一種優質的對于含量極低的烷基化殘留物的檢測傳感器。通過研究PR1與PR2與環糊精的主客體作用的熒光性質的不同，充分驗證了cation–π相互作用的存在，為進一步拓寬該類熒光探針應用方向奠定基礎。

【參考文獻】

[1]孫濤，李月明，辛飛飛，李尚洋，侯月會，郝愛友.化學進展， 2012，24，70-79.