六苯基氮雜氟硼二吡咯的合成探究和光譜測(cè)試

王章翠，張恩立，沈婧祎，盛萬(wàn)樂(lè)

(蚌埠醫(yī)學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

近紅外有機(jī)共軛分子由于其具有優(yōu)異的光電性質(zhì)和靈活的可修飾性受到廣泛關(guān)注[1-2]。例如，二吡咯甲川可以與很多過(guò)渡金屬絡(luò)合形成剛性平面結(jié)構(gòu)，使分子熒光增強(qiáng)，因此可被用于開(kāi)發(fā)熒光探針材料；其形成穩(wěn)定的配合物也可以開(kāi)發(fā)具有光電活性的功能材料，最具有代表性的就是與二氟化硼絡(luò)合生成氟硼二吡咯甲川(BODIPY)，該類分子在500～520 nm具有很強(qiáng)的發(fā)光效率，也被廣泛應(yīng)用于光敏劑和生物熒光成像領(lǐng)域[3]。將二吡咯甲川中間位置的碳用氮替換形成亞氨基橋連二吡咯(ADP)，可以使化合物的光譜發(fā)生紅移，對(duì)應(yīng)的氮雜氟硼絡(luò)合物(azaBODIPY)的吸收和發(fā)射波長(zhǎng)達(dá)到650 nm以上，接近近紅外區(qū)。

氟硼絡(luò)合的二吡咯甲川和氮雜氟硼二吡咯(azaBODIPY)類熒光染料的光譜性質(zhì)主要取決于配體的結(jié)構(gòu)。通過(guò)在配體上引入供電子基或同時(shí)引入吸電子基團(tuán)和給電子基團(tuán)在分子形成推拉電子效應(yīng)，都可以降低能隙，使其光譜進(jìn)一步紅移[4]。除此以外，在母體結(jié)構(gòu)上引入并環(huán)增加分子的共軛體系也能實(shí)現(xiàn)光譜紅移，并且和電子效應(yīng)相比，引入共軛并環(huán)結(jié)構(gòu)使光譜發(fā)生紅移的作用更加明顯。氮雜氟硼二吡咯由于其母體本身具有較長(zhǎng)波的吸收和發(fā)射而得到廣泛關(guān)注，將氮雜氟硼二吡咯并環(huán)衍生可以使其光譜發(fā)生進(jìn)一步紅移得到近紅外材料。例如，LU等[5]利用芳基格氏試劑與鄰苯二甲腈作用，開(kāi)發(fā)了β,β-位苯并結(jié)構(gòu)azaBODIPY，吸收發(fā)射波長(zhǎng)紅移至730～790 nm。WU等[6]從噻吩并吡咯甲酸酯出發(fā)，先合成多芳基取代的噻吩并吡咯這一重要原料，再與亞硝酸鈉反應(yīng)開(kāi)發(fā)了α, β-位噻吩并環(huán)修飾的azaBODIPY，吸收發(fā)射波長(zhǎng)紅移至770～820 nm。在近期的工作中，SHENG等[7-8]利用金屬催化和多芳基氧化偶聯(lián)的方法，分別構(gòu)建出β, β、α, β以及全并環(huán)的氮雜氟硼二吡咯結(jié)構(gòu)，其中以全并環(huán)結(jié)構(gòu)azaBODIPY為母體的化合物發(fā)射光譜的最大峰可達(dá)到920 nm。并且發(fā)現(xiàn)不同的并環(huán)方式也會(huì)對(duì)分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大影響。目前，氮雜氟硼二吡咯的幾種不同并環(huán)結(jié)構(gòu)都已經(jīng)被合成出來(lái)，且都表現(xiàn)出優(yōu)異的近紅外光學(xué)性質(zhì)。

利用氧化偶聯(lián)的方法可以方便快捷地在azaBODIPY分子上構(gòu)建并環(huán)結(jié)構(gòu)。但由于azaBODIPY母體合成的限制，其修飾位點(diǎn)較少，結(jié)構(gòu)拓展方法較為單一。如何構(gòu)架氧化產(chǎn)物的前體分子成為關(guān)鍵問(wèn)題。本研究先利用azaBODIPY傳統(tǒng)的合成方法合成母體結(jié)構(gòu)，經(jīng)NBS溴化、Suzuki偶聯(lián)得到六芳基azaBODIPY，并對(duì)Suzuki反應(yīng)條件進(jìn)行探究和分析，得到最優(yōu)的合成條件。合成路線見(jiàn)圖1。

圖1 六苯基氮雜氟硼二吡咯的合成路線

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

電子天平(FA1004，天津天馬恒基儀器有限公司)、磁力攪拌器(DF-101S，河南兄弟儀器設(shè)備有限公司)、油浴鍋(甲基硅油)、核磁共振(Bruker AVANCE 300MHz)、分光光度計(jì)(UV-2450)、熒光光譜儀(Edinburgh FlS-920)。

對(duì)十二烷氧基苯甲醛、對(duì)十二烷氧基苯乙酮、氫氧化鈉、二乙胺、硝基甲烷、醋酸銨、NBS、四三苯基膦鈀、碳酸鈉、乙醇、甲苯、二氯甲烷、石油醚。所有試劑和溶劑若無(wú)特殊說(shuō)明均為試劑公司購(gòu)買(分析純)直接使用沒(méi)有進(jìn)一步純化。

1.2 化合物的合成

1.2.1 長(zhǎng)鏈azaBODIPY的合成

將乙醇60 mL、對(duì)十二烷氧基苯甲醛(5.0 g，0.017 mol)、對(duì)十二烷氧基苯乙酮(5.2 g, 0.017 mol)依次加入250 mL圓底燒瓶中攪拌，待上述反應(yīng)物溶解后加入氫氧化鈉(1.7 g，0.043 mol)。持續(xù)攪拌10 h，反應(yīng)析出大量沉淀，減壓過(guò)濾得粗產(chǎn)品8.7 g，粗產(chǎn)率89%。粗產(chǎn)品不經(jīng)過(guò)進(jìn)一步純化直接進(jìn)行下一步反應(yīng)。

將上步反應(yīng)得到的產(chǎn)物，六倍當(dāng)量的二乙胺、硝基甲烷以及乙醇100 mL，加入至250 mL圓底燒瓶中，加熱回流12 h。待原料反應(yīng)完全后，減壓蒸餾除去溶劑和剩余二乙胺和硝基甲烷。向反應(yīng)體系中重新加入乙醇溶劑100 mL和醋酸銨15 g，繼續(xù)回流24 h，減壓過(guò)濾得黑色蠟狀固體3.0 g。再將黑色固體加入到圓底燒瓶中，加入甲苯50 mL溶解，油浴加熱至60℃，加入三乙胺5 mL和三氟化硼乙醚5 mL，反應(yīng)2 h，利用柱層析分離得到azaBODIPY 2.1 g，總產(chǎn)率23%。

1.2.2 二溴化azaBODIPY的合成

稱取azaBODIPY (1.80 g, 1.5 mmol)加入250 mL圓底燒瓶?jī)?nèi)，加入80 mL二氯甲烷溶解，冰浴條件下，邊攪拌邊滴入NBS的二氯甲烷溶液(0.55 g, 3.1 mmol)，滴加完成后繼續(xù)反應(yīng)0.5 h，反應(yīng)完全后利用柱層析除去雜質(zhì)。減壓蒸餾除去溶劑,得黑色固體1.90 g，產(chǎn)率為92%。

1.2.3 六芳基azaBODIPY的合成

稱取上步得到的二溴化azaBODIPY(0.50 g, 0.36 mmol)、四三苯基膦鈀(0.05 g, 0.03 mmol)、3,5-二甲氧基苯硼酸(0.26 g, 1.44 mmol)加入反應(yīng)器中，再加入甲苯40 mL和飽和碳酸鈉溶液20 mL，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，90℃攪拌反應(yīng)24 h，反應(yīng)結(jié)束后，取有機(jī)相干燥處理，利用柱層析分離得暗紅色金屬光澤固體0.48 g，產(chǎn)率88%。

目標(biāo)化合物的核磁譜圖:1H NMR (300 MHz, CDCl3) δ 7.50-7.41 (m, 8H), 6.77-6.76 (m, 8H), 6.32 (s, 2H), 6.17 (s, 4H), 4.05-3.84 (m, 8H), 3.57 (s, 12H), 1.89-1.68 (m, 8H), 1.52-1.12 (m, 72H), 0.88 (t,J= 6.5 Hz, 12H)。13C NMR (75 MHz, CDCl3) δ 160.5, 160.4, 159.5, 157.8, 145.1, 140.3, 135.5, 132.5, 132.5, 132.2, 131.8, 124.3, 122.9, 113.8, 113.7, 108.6, 99.9, 68.0, 67.9, 55.2, 31.9, 29.6, 29.4, 29.3, 29.2, 26.1, 26.0, 22.7, 14.1。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件對(duì)Suzuki反應(yīng)產(chǎn)率的影響

本研究考察了反應(yīng)條件，如反應(yīng)溫度、催化劑用量、反應(yīng)時(shí)間對(duì)Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)最終產(chǎn)物產(chǎn)率的影響(表1)。固定其它反應(yīng)條件不變，發(fā)現(xiàn)在催化劑為10%、溫度為90℃下反應(yīng)24 h，產(chǎn)率可達(dá)88%～89%。可能是因?yàn)辂u素兩邊連接芳香環(huán)的影響，使得催化反應(yīng)具有很大位阻，反應(yīng)速率較慢。如果反應(yīng)時(shí)間少于24 h，就會(huì)發(fā)現(xiàn)反應(yīng)物有剩余。不僅如此，反應(yīng)也需要較高溫度，反應(yīng)低于90℃時(shí)，反應(yīng)24 h后依舊會(huì)有原料剩余。催化劑為10%時(shí)效果最佳，低于10%可能需要更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，高于10%催化劑的用量增加也不能明顯提高產(chǎn)率，還會(huì)造成試劑的浪費(fèi)。

表1 反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和催化劑用量對(duì)Suzuki反應(yīng)的影響

2.2 化合物的吸收和發(fā)射光譜

本研究測(cè)試了化合物六芳基氮雜氟硼二吡咯的吸收光譜(圖2)和發(fā)射光譜(圖3)。在二氯甲烷中，化合物的最大吸收波長(zhǎng)為675 nm，最大發(fā)射波長(zhǎng)為717 nm。雖然增加兩個(gè)苯環(huán)，但和四芳基azaBODIPY母體化合物相比并沒(méi)有明顯的光譜紅移，可能是因?yàn)橐氲谋江h(huán)增加芳環(huán)之間的位阻，使外圍苯環(huán)與母核平面之間具有較大的二面角，單個(gè)苯環(huán)對(duì)母體的供電子能力有所減弱。

圖2 六苯基氮雜氟硼二吡咯在二氯甲烷中的歸一化吸收譜圖

圖3 六苯基氮雜氟硼二吡咯在二氯甲烷中的歸一化發(fā)射譜圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文以對(duì)十二烷氧基苯甲醛、對(duì)十二烷氧基苯乙酮和芳基硼酸等為原料，經(jīng)過(guò)羥醛縮合、邁克爾加成、成環(huán)和氟硼絡(luò)合四步反應(yīng)合成了具有長(zhǎng)鏈的四芳基氮雜氟硼二吡咯，再經(jīng)過(guò)溴化反應(yīng)、Suzuki偶聯(lián)得到六芳基氮雜氟硼二吡咯。同時(shí)，還對(duì)Suzuki反應(yīng)的條件進(jìn)行嘗試，探究出最優(yōu)的反應(yīng)條件。最后對(duì)所合成的產(chǎn)物進(jìn)行了光譜測(cè)試，得知其最大吸收波長(zhǎng)為675 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為717 nm。