徐海云，胡春華，趙文獻，劉瑛

(商丘師范學院化學化工學院，河南商丘 476000)

新型硼-二吡咯亞甲基染料衍生物的合成及其光學性質*

徐海云，胡春華，趙文獻，劉瑛

(商丘師范學院化學化工學院，河南商丘 476000)

以無水乙醇為溶劑，1-硝基環(huán)己烯與異氰基乙酸乙酯在K2CO3催化下經(jīng)Barton-Zard反應制得2-乙氧羰基-3，4-四亞甲基吡咯(3);用過量氫化鋁鋰高溫還原3得2-甲基-3，4-四亞甲基吡咯(4);通過“一瓶三步驟”合成法，4與4-羥基-3-硝基苯甲醛在三氟乙酸催化下經(jīng)縮合反應后，用2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌氧化并依次用NEt3和BF3·OEt2處理合成了一種新型的含稠合外環(huán)的中位取代4-羥基-3-硝基苯基亞單元的BDP類染料衍生物(7)，其結構經(jīng)1H NMR和元素分析表征。光學性質研究結果表明，7在氯仿中的最大吸收峰位于525 nm，496 nm和390 nm;7的吸收光譜特征與溶液pH無關，但其發(fā)射光譜在強極性溶劑中表現(xiàn)出較強的堿性依賴性，可作為堿性條件下的pH熒光探針;7與OH-以1∶1結合的結合常數(shù)Ks為1 579 L·mol-1，酸度常數(shù)pKa約為10.80。

硼-二吡咯亞甲基染料;稠合外環(huán);pH熒光探針;4-羥基-3-硝基苯基亞單元;合成;光學性能

pH熒光探針相比傳統(tǒng)的基于顏色變化的pH指示劑具有選擇性好、靈敏度高、試樣量小、簡便快捷等特點，在分析化學、特別是在分子生物學、生物分析化學、細胞生物學、醫(yī)學等領域有較廣泛應用［1-2］。硼-二吡咯亞甲基(BDP)類染料作為一種重要的新型熒光標記材料，與其他一些熒光染料，如熒光素類、羅丹明類、菁染料等相比具有高熒光量子產(chǎn)率和高摩爾消光系數(shù)、優(yōu)異的光穩(wěn)定性、激發(fā)波長位于可見光區(qū)、結構易于修飾、發(fā)射波長可調變到近紅外，不易受環(huán)境及pH的影響等許多非常有益的光物理和光化學性質［3］。因此，設計合成以BDP染料為熒光團和帶有各種活性單元作為接受體的各種熒光探針，并研究其應用已經(jīng)成為國內外十分活躍的研究課題［4］。然而，目前基于BDP染料的pH熒光探針的研究不多［5-6］。針對有關含稠合外環(huán)尤其是在1，2，6，7-位含稠合外環(huán)的BDP染料衍生物的合成及其應用方面的報道較少［7-8］。

為此，本文以無水乙醇為溶劑，1-硝基環(huán)己烯(1)與異氰基乙酸乙酯(2)在K2CO3催化下經(jīng)Barton-Zard反應制得2-乙氧羰基-3，4-四亞甲基吡咯(3);用過量氫化鋁鋰高溫還原3得2-甲基-3，4-四亞甲基吡咯(4);通過“一瓶三步驟”合成法，4與4-羥基-3-硝基苯甲醛(5)在三氟乙酸(TFA)催化下經(jīng)縮合反應后，用2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌(DDQ)氧化并依次用NEt3和BF3·OEt2處理合成了一種新型的含稠合外環(huán)的中位取代4-羥基-3-硝基苯基亞單元的BDP類染料衍生物(7，Scheme 1)，其結構經(jīng)1H NMR和元素分析表征。并研究了7的光學性能。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

X-4型顯微熔點儀(溫度未校正);島津UV-3100型紫外-可見分光光度計(掃描范圍400 nm～1000 nm，光路狹縫2 nm);Aminco Bowman Series 2型熒光光譜儀［普通石英樣品池10 mm×10 mm×40 mm，光柵狹縫寬度20 mm，測定溫度(25±0.1)℃］;Bruker ARX 500型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內標);Perkin-Elmer 204B型元素自動分析儀。

1［9］和2［10］按文獻方法合成;DDQ，5和Li-AlH4，分析純，Aldrich公司;CH2Cl2，工業(yè)品;其余所用試劑均為化學純或分析純，其中CH2Cl2加入CaH2回流，用前蒸出;四氫呋喃(THF)，氮氣保護下加金屬鈉回流至二苯甲酮變藍，用前蒸出。

1.2 合成

(1)3的合成

在圓底燒瓶中加入無水K2CO31.52 g(11 mmol)和無水乙醇25 mL，氮氣保護，劇烈攪拌下緩慢滴加混合溶液［1 1.27 g(10 mmol)+2 1.13 g(10 mmol)+無水乙醇(5 mL)］，滴畢，于室溫反應24 h。減壓過濾，濾液旋蒸除溶后經(jīng)硅膠柱層析［洗脫劑:A=V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)= 4∶6，收集第二個吸收帶］純化后用正己烷重結晶得白色晶體2 1.0 g，收率52%，m.p.80℃～82 ℃(79℃～80℃［11］);1H NMR δ:1.37(t，J= 6.0 Hz，3H，CH3)，1.76(m，4H，CH2)，2.57 (m，2H，CH2)，2.83(m，2H，CH2)，4.31(q，J=6.0 Hz，2H，CH2)，6.66(d，J=1.6 Hz，1H，C=CH)，8.86(br s，1H，NH);Anal.calcd for C11H15NO2:C 68.37，H 7.82，N 7.25;found C68.23，H 7.84，N 7.21。

(2)4的合成

在干燥三口圓底燒瓶中加入LiAlH41.14 g (30 mmol)和無水THF 30 mL，氮氣保護，攪拌下緩慢滴加3 0.579 g(3 mmol)的THF(3 mL)溶液，滴畢，回流反應3 h。冰鹽浴冷卻下緩慢滴加冰水20 mL(除去過量LiAlH4)，減壓抽濾，濾液用乙酸乙酯(3×20 mL)萃取，合并有機相，依次用水、飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥，旋蒸除溶后在避光條件下快速經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑:CHCl3，收集第一個吸收帶)純化得淡紅色液體4 0.27 g，收率67%。

(3)7的合成

N2保護，在反應瓶中依次加入4 270 mg(2 mmol)，5 167 mg(1 mmol)和無水CH2Cl2120 mL，攪拌下滴加TFA一滴，于室溫避光反應2 h～4 h(TLC檢測);加入DDQ(1 mmol)的CH2Cl2(20 mL)溶液，于室溫反應1 h;交替滴加NEt33 mL和BF3·OEt23 mL，滴畢，反應1 h。依次用水和飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉干燥，旋蒸脫溶后經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑:A=1∶19)純化后用CHCl3-正己烷重結晶得紅色固體7 0.093 g，收率20%，m.p.264℃～265℃;1H NMR δ:10.71(s，1H，OH)，8.10(s，1H，ArH)，7.26(m，1H，ArH)，7.53(m，1H，ArH)，2.49(s，6H，CH3)，2.30 (m，4H，CH2)，1.61(m，4H，CH2)，1.43(m，4H，CH2)，1.28(m，4H，CH2);Anal.calcd for C25H26N3O3BF2:C 64.53，H 5.63，N 9.03;found: C 64.69，H 5.59，N 9.01。

2 結果與討論

2.1 合成

(1)3的合成

在3的合成中，本文用價廉易得的無機強堿和無水乙醇代替文獻方法中大多采用的價格昂貴且對反應條件要求嚴格的有機強堿{［1，8-二氮雜二環(huán)［5.4.0］十一碳-7-烯(DBU)］}及無水THF也能獲得較高收率，且溶劑無需無水處理。

(2)7的合成

由于3中吡咯環(huán)上存在吸電子基CO2Et，反應活性低，不能直接用3與5在上述常溫條件下進行縮合反應合成目標產(chǎn)物7。因此，首先用強還原劑LiAlH4，在高溫較長時間的回流條件下將3中的CO2Et還原為CH3得4?？紤]到4在空氣中非常不穩(wěn)定(由于4中CH3易被氧化為COOH)，反應體系中氧氣含量的多少直接影響到4收率，故要求反應前必須排凈空氣且在惰性氣氛中進行。在后處理過程中所有操作需快速進行以減少產(chǎn)物4被部分氧化;4無需進一步純化直接進行下步反應。

采用“一瓶三步驟”法將原位制得的4與5 在TFA催化下經(jīng)縮合反應后用DDQ氧化，再依次用NEt3和BF3·OEt2處理合成了7。實際上，在由4和5發(fā)生縮合反應合成7的過程中，首先生成的是中間體6a，加入氧化劑DDQ后，6a發(fā)生脫氫氧化得中間體6b，若將中間體6a從反應體系中分離并純化后再氧化成6b或同時把中間體6b也分離出來后再依次用NEt3和BF3·OEt2處理，7收率有一定提高，但相比“一鍋煮”法，收率差異并不大，所以考慮到純化過程的繁瑣及產(chǎn)物的損失，一般采用“一鍋煮”法合成7為宜。

2.2 光學性質

圖1為7在氯仿中的UV-Vis譜圖和FL譜圖。從圖1可看出，7的UV-Vis吸收光譜形狀和FL譜圖形狀與BDP相似，顯示出兩個波長寬度很窄的吸收峰:λmax位于525 nm附近的強吸收峰歸屬s0-s1躍遷，位于496 nm附近的吸收峰為0-1振動躍遷吸收峰或稱作高能態(tài)的肩峰;另外，在390 nm附近還出現(xiàn)了一個非常弱而寬的吸收峰，主要源自s0-s2躍遷，部分涉及到稠合外環(huán)骨架。

從圖1還可以看出，7在490 nm激發(fā)波長激發(fā)下，產(chǎn)生一個與UV-Vis譜呈鏡像對稱的FL譜圖，這種良好的鏡像對稱關系進一步證實了其發(fā)射的主要波段源自s0-s1躍遷，顯示出典型的BDP類染料的光譜特征;同時，由于BDP熒光團中引入的剛性稠合外環(huán)通過控制內轉換的速率而阻礙了其激發(fā)態(tài)的非輻射失活，使其最大吸收和發(fā)射波長間的Stokes-shift(斯托克司頻移)較其它所報道的非稠合外環(huán)的BDP染料衍生物小。

2.3 熒光滴定

圖2為7在混合溶劑A［MeOH/H2O(1/1，V/V)］中的熒光強度隨pH變化的滴定曲線圖。由圖2可見，7的吸收光譜特征(最大吸收峰位置、形狀、吸收強度等)與溶液pH無關，這表明OH-與7的鍵合對光譜性質的影響不能通過它們的吸收行為來識別。然而它的發(fā)射光譜在強極性溶劑中表現(xiàn)出較強的堿性依賴性。

由圖2還可見，在堿性介質中，隨pH升高，7的熒光強度顯著降低，熒光光譜的形狀和最大吸收峰位置基本保持不變，只是λmax略有藍移，屬于典型的PET(光誘導電子轉移)檢測機理。由于隨著堿性介質的加入使7中的酚單元去質子化而形成酚鹽形式，使得供電子能力弱的OH轉變?yōu)楣╇娮幽芰姷腛-，由此發(fā)生了從供電子的酚鹽基團到BDP熒光團的電子轉移過程而導致了熒光被淬滅。

為了求得7在A中與OH-的結合常數(shù)從而確定它的酸度常數(shù)pKa值，通過下式對7在λmax= 540 nm處的熒光強度隨cOH-變化的滴定曲線進行非線性擬合［12］(圖3)。

其中，F(xiàn)max為7的起始熒光強度，F(xiàn)min為7在OH-存在下的最低熒光強度(該值不能夠準確測定，僅作為分析中的變量參數(shù))

7 和OH-按1∶1化學計量相結合的結合常數(shù)Ks確定為1 579 L·mol-1。因此，7在A中的酸度常數(shù)(即它的酚鹽形式與H+按照1∶1化學計量的結合常數(shù))pKa約為10.80，與文獻［13］報道的其他羥基-苯基取代的BDP類衍生物熒光染料所測得的pKa相當。

2.4 檢測原理

在7分子中，OH-與中位受體位單元中的酚羥基選擇性鍵合導致其OH去質子化變?yōu)镺-離子被認為是熒光有效淬滅的根源。由于BDP熒光團(受體位)的1，2，6，7-位稠合的外環(huán)與中位芳基取代基(給體位)的空間位阻使得受體位單元和給體位單元之間發(fā)生扭曲，二者的二面角接近90°(Scheme 2)，從而導致其π共軛體系電子去偶合，所以7的熒光特性由熒光團與其中位芳環(huán)間的分子內光誘導電子轉移(PET)機理所控制，探針顯示出的熒光開/關效應依賴于給體位的最高占有軌道(HOMO)能級［14］。對于7而言，在給體位單元結合分析物(滴加OH-離子)前，熒光團被激發(fā)后，給體位單元HOMO軌道能級較低，光誘導電子轉移(PET)過程受阻，熒光團發(fā)射強熒光;當給體位單元結合分析物(如OH-)時，給體位單元由OH基變?yōu)镺-，其HOMO軌道能級升高從而使其軌道的電子轉移能夠到熒光團的HOMO軌道上即發(fā)生了PET過程，從而導致其熒光被淬滅或發(fā)射出弱熒光，也即底物誘導熒光的“On-Off”型分子開關。

圖2 7的熒光強度與pH關系*Figure 2Fluorescence intensity-pH profile of 7*MeOH/H2O(1/1，V/V)為溶劑，pH of a～y: 9.69～11.08，λex=490 nm

圖3 7的熒光滴定曲線(實線為最好擬合線)*Figure 3The fluorescence titration curve of 7 (the solid line represents the best fit)*MeOH/H2O(1/1，V/V)為溶劑

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Synthesis and Spectroscopic Properties of a Novel
Exocyclic Ring-fused Boron-dipyrromethene Derivative

XU Hai-yun，HU Chun-hua，ZHAO Wen-xian，LIU Ying

(College of Chemistry and Chemical Technology，Shangqiu Normal University，Shangqiu 476000，China)

2-Ethoxycarbonyl-3，4-tetramethylene pyrrole(3)was synthesized by Barton-Zardon reaction of 1-nitrocyclohexene with ethyl isocyanoacetate using K2CO3as the catalyst and dry ethanol as the solvent.2-Methyl-3，4-tetramethylene pyrrole(4)was obtained after treating 3 with excess LiAlH4at high temperature.A novel kind of BDP derivative(7)substituted with 4-hydroxy-3-nitro phenyl subunit at meso was synthesized by“one-pot-three-step”reaction of 4 with 4-hydroxy-3-nitrobenzaldehyde using TFA as the catalyst，then oxidized with DDQ，followed by treating with NEt3and BF3· Et2O.The structure was characterized by1H NMR and elemental analysis.Absorption and emission spectroscopic proerties of 7 were investigated by UV-Vis and FL spectra.The results showed that λmaxof 7 was 525 nm，496 nm and 390 nm.7 was sensitive to pH value in the basic CH3OH/H2O(1/1，V/V)solution and 7 can be applied as a fluorescent probe for pH sensing in the alkaline region under exciting with visible light.Ks=1 579 L·mol-1and pKa=10.80 with n(7)∶n(OH-)=1∶1.

boron-dipyrromethene(BDP)dye;fused exocyclic ring;pH fluorescent probe;4-hydroxy-3-nitro phenyl subunit;synthesis;spectroscopic property

O621.3;O613.8

A

1005-1511(2014)03-0298-05

2013-04-01;

2014-04-16

國家自然科學基金資助項目(20972091，21172139);河南省科技廳基礎與前沿技術研究項目(112300410309);河

南省教育廳自然科學研究計劃(2011A150023，2008B150018);2010年商丘師范學院中青年骨干教師計劃;商丘師院重大項目

培育計劃(2011ZDPY02)

徐海云(1970-)，男，漢族，安徽合肥人，博士研究生，教授，主要從事熒光分子探針的研究，E-mail:xuhyun@163.com

趙文獻，教授，碩士生導師，E-mail:zhwx5126@gmail.com