新型多羧酸衍生物的合成、線路優化與熒光性質*

尉祎雯，馮凱茵，趙天賜，鄭 蕾，成 昭

(西安醫學院 藥學院，陜西 西安 710021)

20世紀80年代初，錢永健教授課題組對二(β-氨基乙基)乙二醇醚-N,N,N′,N′-四乙酸(Ethylene Glycol Tetraacetic Acid，EGTA)配體進行結構修飾，以苯環取代EGTA結構中N、O之間橋連的2個亞甲基，合成得到了一系列新型配體1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N′,N′-四乙酸[1,2-bis(2-aminophenoxy)ethane-N,N,N′,N′-tetraacetic acid，BAPTA][1-3](見圖1)及其衍生物，并在BAPTA配體結構上進一步連接熒光基團，相繼得到了一系列對金屬離子表現特征識別性能的小分子BAPTA受體熒光探針。

作為金屬離子配體，EGTA與BAPTA的4條羧酸鏈能夠形成空間環狀結構，當環的空腔尺寸與目標離子匹配時[4-5]，即可發生EGTA、BAPTA與目標離子的配位與識別作用。此外，作為一種苯環上連接四羧酸結構的給電子受體，BAPTA型受體對離子的識別作用，受到其苯環電子云密度的影響[6-7]。錢永健教授在進行BAPTA受體的結構設計時，還通過改變BAPTA苯環上的取代基，引入吸電子、給電子取代基，改變苯環電子云密度，進而調節BAPTA受體與離子結合能力的強弱。在Biochemistry發表的代表性工作中[1]，錢永健教授課題組首次在BAPTA苯環中分別引入給電子取代基—CH3和吸電子取代基—Br，并測定發現，以—CH3取代BAPTA苯環上的—H，可使BAPTA對金屬離子的結合強度增加4個log單位，而—Br對上述—H的取代，則使BAPTA對金屬離子的結合強度降低1.2個log單位。

作者設計合成BAPTA衍生物2-[2-(5-甲基-2-氨基苯氧基)乙氧基]-4-苯并咪唑基苯胺-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(S12)時，亦在BAPTA苯環引入4′—CH3，期望增加BAPTA受體部分電子云的密度、調節其配位性能。作為最小的烷基與給電子取代基，甲基的引入不會造成較大空間位阻，且幾乎不影響四羧酸環狀結構、不影響受體結合底物的選擇性與作用方式[8]。在BAPTA經典合成方法的基礎上，進行其中幾步反應的合成條件優化，提高了產物收率與反應的選擇性，并進一步研究了目標產物S12的紫外、熒光性質。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

鄰硝基酚、5-甲基-2-硝基苯酚、1-溴-2-氯乙烷、溴乙酸甲酯、二異丙基乙胺、鄰苯二胺、無水碳酸鉀、還原鐵粉：國藥集團化學試劑有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、乙腈、甲醇、無水乙醇、乙酸乙酯、石油醚：天津市天力化學試劑有限公司；以上試劑均為化學純。

顯微熔點儀：XT-4，北京泰克科技有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀：TENSOR T-27，超導核磁共振波譜儀：AVANCE Ⅲ 400MHz，飛行時間-質聯儀：microTOF-QⅡ ESI-Q-TOF LC/MS/MS，美國Bruker公司；紫外分光光度計：UV-1700，日本SHIMADZU制作所；熒光分光光度計：LS-55，美國PerkinElmer公司。

1.2 實驗方法

以鄰硝基酚、5-甲基-2-硝基苯酚、1-溴-2-氯乙烷、溴乙酸甲酯、鄰苯二胺等為原料，經6步合成得到一種BAPTA型熒光探針S12，合成路線見圖2。

圖2 化合物S12的合成路線

1.2.1 2-(2-氯乙氧基)-硝基苯(化合物1)的合成

1.2.2 4-甲基-2-[2-(2-硝基苯氧基)乙氧基]硝基苯(化合物2)的合成

1.2.3 4-甲基-2-[2-(2-氨基苯氧基)乙氧基]苯胺(化合物3)的合成

1.2.4 4-甲基-2-[2-(2-氨基苯氧基)乙氧基]苯胺-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(化合物4)的合成

1.2.5 2-[2-(5-甲基-2-氨基苯氧基)乙氧基]-4-甲酰基苯胺-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(化合物5)的合成

1.2.6 S12的合成

1.3 結構表征

IR：采用溴化鉀壓片法對各步合成產物進行IR測試，波數為4 000～400 cm-1。

1H NMR：以四甲基硅為內標、CDCl3為溶劑，對各步合成產物分別進行400 MHz的1H NMR測試。

熒光分析：出射與入射狹縫寬度均為1 nm，波長為200～500 nm。

2 結果與討論

2.1 表征結果

合成中間產物的結構經IR與1H NMR測定，表征數據均與預期結構相符。另由探針S12的1H NMR、IR與MS等表征數據可知，探針S12結構正確，經合成引入的官能團羰基、醚鍵等均呈現其特征吸收，特征氫位移均能由1H NMR進行歸屬，符合實驗預期結構設計，可以進行進一步的光學性質研究。

2.2 2-(2-氯乙氧基)-硝基苯(化合物1)的合成路線優化

文獻報道2-(2-氯乙氧基)-硝基苯的合成方法[6]，多使用1,2-二溴乙烷、原料鄰硝基酚的鉀鹽或鈉鹽作為反應物(見圖3)[9]，但1,2-二溴乙烷中2個溴原子的選擇性不強，除生成目標產物2-(2-氯乙氧基)-硝基苯(見圖3化合物a)，反應常伴隨著生成2分子鄰硝基酚偶聯的副產物b，致使產率降低、副產物難于分離。

圖3 2-(2-氯乙氧基)-硝基苯的經典合成路線

為避免副產物b的生成，選擇了具有反應活性差異的不對稱試劑1-溴-2-氯乙烷，替代對稱試劑1,2-二溴乙烷，—Br與—Cl的反應活性差異提供了更高的反應位點選擇性，目標產物2-(2-氯乙氧基)-硝基苯(化合物1)的合成與后續—Cl發生取代反應、得到4-甲基-2-[2-(2-硝基苯氧基)乙氧基]硝基苯(化合物2)的反應收率均高于95%，且產物后處理簡單，實現了對2-(2-氯乙氧基)-硝基苯(化合物1)(見圖4)與后續產物4-甲基-2-[2-(2-硝基苯氧基)乙氧基]硝基苯(化合物2)合成路線的極大優化。

圖4 2-(2-氯乙氧基)-硝基苯的優化合成路線

2.3 4-甲基-2-[2-(2-氨基苯氧基)乙氧基]苯胺(化合物3)的合成方法優化

4-甲基-2-[2-(2-氨基苯氧基)乙氧基]苯胺(化合物3)的合成中，以平行實驗篩選合成方法、優化實驗方案，反應物4-甲基-2-[2-(2-硝基苯氧基)乙氧基]硝基苯(化合物2)的加入量均控制為3.18 g、0.01 mol，溶劑均為無水乙醇，各方法及其產物收率見表1。

A法[10-11]先進行反應物與鐵粉的混合、再加入鹽酸，因鐵粉未完全活化，致使產率較低。C法[12]中加入鹽酸進行鐵粉活化、但過量鹽酸產生了過多鐵粉的消耗，產率仍不理想。以醋酸作為反應引發介質的B法[13]，因醋酸的酸性較弱、速率較慢，反應效果受限。D法合成路徑中，進行鐵粉充分活化與反應物分批投料，優化合成條件、提高產率，先進行少量鹽酸與鐵粉的混合、微熱(將少量鹽酸加入鐵粉中，加熱下攪拌反應15～30 min)，使鐵粉表面充分活化，再于30 min內分批加入反應物，使鐵粉與分批次加入的反應物充分接觸、充分反應，實現了產物收率的大幅提高。

表1 鐵粉還原反應的條件篩選

2.4 探針S12的熒光激發與發射光譜

在200～500 nm進行濃度為1×10-5mol/L探針S12溶液的紫外-可見與熒光光譜掃描[14-15]，見圖5。

λ/nma 紫外-可見光譜

λ/nmb 熒光激發與發射光譜圖5 S12的紫外-可見光譜和熒光激發與發射光譜

由圖5a可知，S12的最大吸收波長位于314 nm。由圖5b可知，S12熒光激發與發射光譜呈現良好的熒光強度與鏡像對稱關系[16-17](λex=313 nm，λem=397 nm)，呈現較大的斯托克位移，為84 nm。圖5aS12紫外-可見光譜吸收峰314 nm與圖5b熒光激發光譜的峰值波長λex=313 nm基本保持一致，光學性質穩定。

3 結 論

基于BAPTA配體的經典合成路線，在BAPTA苯環引入4′—CH3，合成得到一種BAPTA衍生物S12。給電子基—CH3的引入，增加了BAPTA受體部分電子云的密度，光譜研究顯示，BAPTA衍生物S12，其紫外-可見與熒光光譜出現最大吸收與發射波長向長波方向的紅移。此外，進行BAPTA經典合成路徑中關鍵反應步驟的條件優化，有效提高了產物收率與反應的選擇性，且產物后處理簡單，提高了多步合成路線整體的原子利用率，為實現合成路徑的綠色化邁進了一步。