基于ESIPT機理香豆素熒光化合物的合成和光學性質

許 磊, 姜靜靜, 陳 宇, 李龍春

(安徽農業大學 理學院 應用化學系，安徽 合肥 230036)

具有香豆素熒光團的化合物，是一種內酯類化合物，既廣泛存在于自然界中，也是一類重要的藥用天然活性產物[1-2]。由于香豆素類化合物具有熒光量子產率高、結構易于修飾和生物相容性好等優點，近年來被廣泛地應用于熒光化學傳感器等領域[3-5]。其作為熒光傳感器可以實現對金屬離子、生物活性物質、細胞微環境等的識別與檢測[6-9]。目前，關于熒光化合物的發光機理研究主要有光誘導電子轉移(Photoinduced Electron Transfer, PET)、分子內電荷轉移(Intramolecular Charge Transfer, ICT)、熒光共振能量轉移(F?rster Resonance Energy Tranfer, FRET)、激發態分子內質子轉移(Excited-State Intramolecular Proton Tranfer, ESIPT)等機理[10-13]。

ESIPT是指分子在受到光、熱、電等作用激發后，由于分子內氫鍵存在，其激發態分子內產生質子轉移的光物理化學過程[14]。相比于其他光學過程，ESIPT過程具有響應速度快、光穩定性好、高的熒光量子產率和雙波長比率檢測等優點[14-16]。

Scheme 1

以3-碘苯酚(1)為起始原料，與多聚甲醛發生甲酰化反應得到4-碘-2-羥基苯甲醛(2)；在堿性催化劑存在下，2與丙二酸二乙酯發生Knoevenagel縮合反應，生成7-碘代香豆素甲酸乙酯(3)；在Pd(PPh3)2Cl2催化下，3與4-甲氧基苯乙炔發生Sonogashira偶聯反應生成7-(對甲氧基苯乙炔基)香豆素-3-甲酸乙酯(4)；4最后經過NaBH4還原得到7-(甲氧基苯乙炔基)香豆素-3-甲醇(5)(Scheme 1)，其結構經1H NMR，13C NMR和MS(ESI)表征確認。針對化合物5，我們分析了其在不同溶劑中的紫外-可見吸收光譜和熒光發射光譜，并在1,4-二氧六環溶劑中對其進行了雙光子驗證和有效雙光子吸收截面實驗。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

SPECORD S600型紫外-可見分光光度計；Hitachi F-7000型熒光分光光度計；Bruker 400 Ultra-shield 400-MHz型核磁共振儀(TMS為內標)；Angilent-600 MHz型核磁共振儀(TMS為內標)；Finnigan LCQ 型質譜儀。

所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1)2的合成[17]

N2保護下，稱取110.0 g(45.3 mmol)溶解于150 mL乙腈中，冰浴下，分4～6次加入12.8 g(134.4 mmol)無水MgCl2和25 mL三乙胺，最后分5～6次加入多聚甲醛5.5 g(636.3 mmol)，冰浴反應30 min后，80 ℃下繼續反應8 h后關掉氮氣，繼續反應過夜(TLC檢測)。加入大量水，用CH2Cl2萃取，鹽酸調pH至中性，無水Na2SO4干燥，減壓蒸除溶劑，殘余物經硅膠柱層析[洗脫劑：V(乙酸乙酯)/V(石油醚)=1/100]純化得白色固體27.5 g，收率67%;1H NMRδ: 11.02(s, 1H, OH), 9.85(s, 1H, CHO), 7.43(d,J=1.4 Hz, 1H, ArH), 7.39(dd,J=8.1 Hz, 1.5 Hz, 1H, ArH), 7.23(d,J=8.1 Hz, 1H, ArH);13C NMRδ: 196.10, 161.29, 134.20, 129.41, 127.25, 119.94, 105.17。

(2)3的合成[18]

稱取27.5 g(30.2 mmol)溶解于100 mL無水乙醇中，加入7.0 mL丙二酸二乙酯，0.5 mL冰醋酸，1 mL哌啶，攪拌回流5 h，抽濾得白色固體。固體經硅膠柱層析[洗脫劑：V(乙酸乙酯)/V(石油醚)=1/30]純化得白色固體36.9 g，收率66%;1H NMRδ: 8.46(s,1H, ArH), 7.76(s, 1H, ArH), 7.68(d,J=8.9 Hz, 1H, ArH), 7.30(d,J=8.2 Hz, 1H, ArH), 4.41(q,J=7.1 Hz, 2H, CH2), 1.41(t,J=7.4 Hz, 3H, CH3);13C NMRδ: 162.75, 155.86, 154.79, 147.98, 134.23, 130.10, 126.07, 118.77, 117.24, 100.94, 62.17, 14.23。

(3)4的合成[19]

N2保護下，分別稱取33.43 g(10.0 mmol)，對甲氧基苯乙炔1.59 g(12.0 mmol)，碘化亞銅39.0 mg(0.2 mmol)和Pd(PPh3)2Cl27.2 mg(0.1 mmol)，溶解于三乙胺1.21 mL(11.9 mmol)和適量THF中，室溫反應4 h(TLC檢測)。抽濾，真空干燥24 h，得到黃色固體41.7 g，收率50%；1H NMRδ: 8.49(s, 1H, CH), 7.56～7.54(m, 2H, ArH), 7.50(d,J=8.7 Hz, 2H, ArH), 7.43(d,J=9.1 Hz, 1H, ArH), 6.90(d,J=8.8 Hz, 2H, ArH), 4.43(q,J=7.1 Hz, 2H, CH2), 3.84(s, 3H, OCH3), 1.41(t,J=7.1 Hz, 3H, CH3),13C NMRδ: 163.04, 160.45, 156.57, 155.03, 147.95, 133.54, 130.13, 129.27, 127.84, 118.97, 117.83, 117.30, 114.22, 114.11, 95.16, 87.08, 77.35, 62.04, 55.39, 14.25。

(4)5的合成

稱取41.7 g(4.8 mmol)和溶解于16.0 mL 無水THF中，65 ℃下，分批加入NaBH40.94 g(25 mmol)，反應15 min后，逐滴加入16 mL無水CH3OH，回流反應12 h(TLC檢測)。減壓蒸除反應溶劑，加入大量水，用CH2Cl2萃取，鹽酸調pH至中性，抽濾，真空干燥24 h，得到白色固體50.62 g，收率42%；1H NMRδ: 9.54(s, 1H, CH), 7.46(d,J=8.7 Hz, 2H, ArH), 7.07(d,J=7.6 Hz, 1H, ArH), 6.97(d,J=8.8 Hz, 2H, ArH), 6.89～6.87(m, 2H, ArH), 4.40(s, 2H, CH2), 3.79(s, 3H, CH3);13C NMRδ: 159.83, 155.71, 133.26, 131.47, 128.80, 122.40, 121.15, 117.64, 114.81, 88.71, 61.60, 55.70, 43.98, 28.71; MS(ESI)m/z: Calcd for C19H14O4{[M+H]+} 307.0926, found 307.0912。

1.3 性能

以DMSO為溶劑，配置1×10-3mol· L-1化合物5母液。測試濃度為2.5×10-6mol· L-1，所用樣品池為1.0×1.0 cm石英比色皿。熒光發射光譜的激發波長為290 nm，測試狹縫為2.5×2.5 nm，測試電壓為400 V，溫度為20～25 ℃。

2 結果與討論

2.1 溶劑效應

首先測試了化合物5在不同的溶劑中(1,4-二氧六環、乙醇、甲基異丙基酮、二氯甲烷、甲苯、異丙醇、甲醇和水)紫外-可見吸收光譜(圖1)和熒光發射譜(圖2)。從圖1可以看出，5在不同極性溶劑中的紫外吸收峰位于290 nm，吸收峰位移不明顯。同時，從圖2看出，化合物5在甲苯、1,4-二氧六環、甲基異丙基酮和二氯甲烷非質子

/nm

極性溶劑中有兩個熒光發射峰，分別位于330 nm和410 nm，而在乙醇、異丙醇、甲醇和水質子極性溶劑中只有一個330 nm的熒光發射峰。

2.2 化合物5的雙光子性質

雙光子驗證是在化合物最佳激發波長下通過改變激發光強度，測得其在不同功率激發光下(功率 0.3～0.8 W，間隔0.1 W進行測定)的雙光子誘導熒光強度進行驗證。化合物5在1,4-二氧六環中的雙光子驗證如圖3所示。由圖3可知，化合物5在1,4-二氧六環中發射熒光能量(Iout)和激發光能量(Iin)之間有很好的平方關系(斜率為2.14183)，這一結果說明化合物5在上述1,4-二氧六環中通過雙光子吸收激發后能發射雙光子熒光。

2.3 化合物5的光物理循環過程

根據圖2，可以看出化合物5在非質子極性溶劑(甲苯、1,4-二氧六環、甲基異丙基酮和二氯甲烷)中有兩個熒光發射峰，分別位于330 nm和410 nm左右，但在質子極性溶劑(乙醇、異丙醇、甲醇和水)中只有一個330 nm左右的熒光發射峰，這是典型具有ESIPT發光機理的化合物的熒光發射譜圖特征，同時，可以用來構建比率計量型熒光探針。基于上述實驗結果，根據ESIPT機理，我們推測出5可能的ESIPT過程如圖4所示。在基態時，5存在烯醇式(T)和酮式(N)兩種異構體，其中T較為穩定。T受到290 nm的光激發時，激發態的烯醇(T*)通過ESIPT過程迅速轉變為激發態的酮式(N*)互變異構體，N*衰減到基態N時，發射出410 nm的熒光。其余未經歷ESIPT過程的T*衰減到基態T時則發射出330 nm 的熒光。

以3-碘苯酚為原料通過甲酰化反應、Knoevenagel縮合反應、Sonogashira偶聯和還原反應合成了以香豆素為母體的熒光化合物5，并對其結構進行了表征。通過對化合物5的光學性質測試，結果表明：其具有雙光子性質，有效雙光子吸收截面比較大(125 GM)，可以滿足雙光子顯影的要求。同時，其能形成分子內六元環氫鍵結構，存在T和N兩種異構體，從而使其具有ESIPT發光能力。