王 帥，龐嘉成，郭薛藤，許 杰，苗延青，張雪嬌，成 昭

(西安醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)院，陜西 西安 710021)

羅丹明是以吡喃型氧雜蒽為母體的堿性咕噸染料，因其結(jié)構(gòu)中較長的共軛鏈與剛性平面而表現(xiàn)出很好的熒光性能[1]。羅丹明類染料的特性之一在于其較大的熒光激發(fā)與發(fā)射波長，均處于可見光區(qū)，進(jìn)行光學(xué)性能分析時(shí)背景熒光干擾[2-3]較少，是一種光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的熒光染料；另一特性在于其種類眾多，均是以羅丹明為母體、進(jìn)行官能團(tuán)修飾得到的系列衍生物，主要包括羅丹明B[4]，羅丹明Q[5]、羅丹明101[6]等(見圖1)，廣泛應(yīng)用于涉及生命大分子熒光標(biāo)記、食品添加劑及有效成分的檢測、水質(zhì)分析與檢測、分子識別及熒光成像等醫(yī)學(xué)[7-8]、生命科學(xué)[9-10]、食品科學(xué)、環(huán)境化學(xué)、超分子化學(xué)[3,11]等多領(lǐng)域、交叉學(xué)科的分析研究工作。

圖1 羅丹明類熒光染料結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段對羅丹明染料的合成研究主要集中于單發(fā)色團(tuán)染料的設(shè)計(jì)合成，多數(shù)研究工作均基于1個(gè)羅丹明母體分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與修飾，而針對多發(fā)色團(tuán)羅丹明染料研究很少。雙發(fā)色團(tuán)熒光物質(zhì)鈣綠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[12]見圖2(雙發(fā)色團(tuán)結(jié)構(gòu)見圖中方框部分標(biāo)注)。由圖2可知，有效引入染料分子中的雙發(fā)色團(tuán)結(jié)構(gòu)，能夠增效染料光學(xué)性能及長波激發(fā)/發(fā)射性質(zhì)，符合熒光染料長波激發(fā)的設(shè)計(jì)趨勢。作者進(jìn)行熒光染料結(jié)構(gòu)修飾，設(shè)計(jì)在染料分子結(jié)構(gòu)中引入2個(gè)羅丹明母環(huán)，用以增強(qiáng)分子共軛結(jié)構(gòu)、進(jìn)一步增效染料熒光性能，合成得到一種新型雙發(fā)色團(tuán)羅丹明熒光染料，就其合成路徑中的新縮合方法進(jìn)行合成條件優(yōu)化，希望能夠?yàn)槲磥硌芯抗ぷ魈峁┲笇?dǎo)。

圖2 雙發(fā)色團(tuán)熒光染料鈣綠的結(jié)構(gòu)

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

水合肼、二硫化碳、2-氯乙醇、羅丹明B、1，2-二氯乙烷：上海阿拉丁生化科技公司；氫氧化鈉、三氯氧磷、無水硫酸鎂、無水碳酸鉀、五氧化二磷、氫化鈣、甲醇、二氯甲烷、乙腈及三乙胺：天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；以上試劑均為化學(xué)純。

溶劑甲醇、二氯甲烷、乙腈及三乙胺需經(jīng)過純化及干燥處理。甲醇使用無水硫酸鎂干燥過夜、過濾，再使用鎂條回流蒸出；二氯甲烷使用無水碳酸鉀干燥過夜、過濾；乙腈加入適量五氧化二磷，回流2～3 d，減壓蒸餾，再加入4A分子篩保存；三乙胺使用無水硫酸鎂干燥、經(jīng)氫化鈣處理、減壓蒸餾，最后加入活化的4A分子篩以除去微量水分，避光保存。

顯微熔點(diǎn)儀：XT-B，北京科儀電光儀器公司；元素分析儀：Flash Smart，高分辨質(zhì)譜儀：LCQ Advantage MAX LC/MS/MS，美國賽默飛世爾科技公司；核磁共振儀：INOVA-400，美國瓦里安公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

目標(biāo)物新型雙發(fā)色團(tuán)羅丹明類熒光染料N,N′-二羅丹明B二氨基硫脲(TM 1)，以水合肼、二硫化碳與羅丹明B為起始原料，其中，羅丹明B經(jīng)酰氯化反應(yīng)制得羅丹明B酰氯，水合肼與二硫化碳作用得到1,3-二氨基硫脲，再通過1分子1,3-二氨基硫脲與2分子羅丹明B酰氯的反應(yīng)，使1,3-二氨基硫脲兩端的氨基通過分子間縮合分別連接1分子羅丹明B，合成得到雙發(fā)色團(tuán)羅丹明染料，合成路線見圖3(雙發(fā)色團(tuán)結(jié)構(gòu)見圖中畫圈部分標(biāo)注)。

圖3 TM 1合成路線示意圖

1.3 1,3-二氨基硫脲(thiocarbonohydrazide，TCH)的合成

在100 mL三頸瓶上連接滴液漏斗、溫度計(jì)及球形冷凝管(冷凝管上口連接尾氣吸收裝置)，向瓶中加入15 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%水合肼(0.3 mol)、10 mL水及1.2 g 2-氯乙醇，使用冰水浴將上述混合物冷卻至15 ℃，磁力攪拌下滴加6 mL二硫化碳(0.1 mol)，保持滴加速度于20～30 min滴加完全，室溫下攪拌反應(yīng)30 min，有黃色結(jié)晶 1(結(jié)構(gòu)見圖3)析出。

向混合體系中加入0.6 g氫氧化鈉，加熱升溫，控制反應(yīng)溫度為80 ℃，反應(yīng)10 h后，冷卻至室溫，過濾析出白色固體。固體用20 mL甲醇洗滌、干燥，得到TCH。反應(yīng)釋放的硫化氫氣體經(jīng)尾氣吸收裝置導(dǎo)入稀氫氧化鈉溶液中，進(jìn)行尾氣吸收處理。

TCH：白色固體，產(chǎn)率82%。熔點(diǎn)171～172 ℃。元素分析：CH6N4S元素計(jì)算值w(C)= 11.32%，w(H)=5.66%，w(N)=52.83%，w(S)=30.19%；測定值w(C)=11.35%，w(H)=5.63%，w(N)=52.87%，w(S)=30.11%。根據(jù)上述各項(xiàng)結(jié)構(gòu)表征數(shù)據(jù)，證明產(chǎn)物與目標(biāo)物化學(xué)結(jié)構(gòu)相符。

1.4 TM 1的合成

100 mL三頸瓶中，加入0.96 g羅丹明B(2 mmol)及5 mL 1,2-二氯乙烷，磁力攪拌下滴入1.5 mL三氯氧磷，回流反應(yīng)6 h，冷卻至室溫，旋蒸濃縮除去1，2-二氯乙烷和未反應(yīng)的三氯氧磷，向所得羅丹明酰氯中加入10 mL乙腈，保留待用。向上述混合液中加入0.106 g 1,3-二氨基硫脲(1 mmol)和15 mL乙腈，磁力攪拌下滴入1.5 mL三乙胺，升溫至83 ℃加熱反應(yīng)12 h。將混合物傾入冰水中，二氯甲烷萃取，有機(jī)相使用氫氧化鈉水溶液洗滌、無水硫酸鎂干燥，真空濃縮后進(jìn)行柱層析純化[洗脫劑V(石油醚)∶V(二氯甲烷)=1∶1]，得到白色固體TM 1。

TM 1：白色固體，產(chǎn)率46%。1H NMR(DMSO-d6，400 MHz)δ：1.13(24H，8×—CH3)，3.39(16H，8×—CH2—)，4.34(2H，2×—NH—)，6.13(4H，Ar—H)，6.19(4H，Ar—H)，6.84(4H，Ar—H)，7.24(2H，Ar—H)，7.25(2H，Ar—H),7.39(2H，Ar—H)，7.83(2H，Ar—H)。HRMS [(+)-ESI]：m/z=955.470 2 [C57H62N8O4S相對分子質(zhì)量954.461 5，(M+H)+峰理論值：955.469 3，(M+H)+峰實(shí)測值：955.470 2]。根據(jù)上述各項(xiàng)結(jié)構(gòu)表征數(shù)據(jù)，證明產(chǎn)物與目標(biāo)物化學(xué)結(jié)構(gòu)相符。

2 結(jié)果與討論

2.1 縮合反應(yīng)中反應(yīng)物配比對TM 1產(chǎn)率的影響

羅丹明氧雜蒽類熒光染料的傳統(tǒng)合成方法條件較苛刻、產(chǎn)率不高[13-14]。通常為了獲得較高產(chǎn)率，需要增大反應(yīng)物羅丹明的用量，但此舉往往會導(dǎo)致排放的廢棄物對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染。作者使用活性較高的氨基硫脲作為一種新的縮合反應(yīng)[15]合成方法，并研究了縮合反應(yīng)中n(羅丹明B酰氯)∶n(1,3-二氨基硫脲)對目標(biāo)物TM 1產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表1。

表1 縮合反應(yīng)中n(羅丹明B酰氯)∶n(1,3-二氨基硫脲)對TM 1產(chǎn)率的影響

由表1可知，n(羅丹明B酰氯)∶n(1,3-二氨基硫脲)對目標(biāo)物TM 1產(chǎn)率有較大影響。反應(yīng)中，1,3-二氨基硫脲兩端的氨基通過分子間縮合連接2分子羅丹明B，n(羅丹明B酰氯)∶n(1,3-二氨基硫脲)=1.5∶1～2.0∶1，產(chǎn)物產(chǎn)率有較大提高，而n(羅丹明B酰氯)∶n(1,3-二氨基硫脲)=2.5∶1，產(chǎn)率增幅較小，再將該比例提高至3.0∶1，產(chǎn)率呈下降趨勢。為了盡可能提高反應(yīng)產(chǎn)率并使反應(yīng)廢棄物對環(huán)境的影響最小，確定縮合反應(yīng)的最佳比例為n(羅丹明B酰氯)∶n(1,3-二氨基硫脲)=2.0∶1。

2.2 溶劑對羅丹明B酰氯合成反應(yīng)的影響

由羅丹明B合成羅丹明B酰氯時(shí)，羅丹明B的用量為0.96 g(2 mmol)，氯原子借助于三氯氧磷引入，因三氯氧磷易揮發(fā)、易水解性質(zhì)，其用量需大大過量，為1.5 mL(約16 mmol)，且需要逐滴加入。當(dāng)控制反應(yīng)溫度至三氯氧磷滴加完成后，在溶劑沸點(diǎn)回流反應(yīng)或100 ℃下反應(yīng)(對于沸點(diǎn)高于100 ℃的溶劑而言)，溶劑用量為5 mL，反應(yīng)時(shí)間為6 h，產(chǎn)率以提純后的產(chǎn)物羅丹明B酰氯計(jì)算，對多種反應(yīng)溶劑進(jìn)行了篩選，結(jié)果見表2。

表2 溶劑對羅丹明酰氯產(chǎn)率的影響

由表2可知，1,2-二氯乙烷作溶劑的反應(yīng)體系產(chǎn)率幾乎可達(dá)到100%，且溶劑沸點(diǎn)為83 ℃，未達(dá)到反應(yīng)物三氯氧磷的沸點(diǎn)105 ℃，操作安全，避免了未反應(yīng)完全的三氯氧磷揮發(fā)出反應(yīng)體系，且有效避免了后續(xù)的產(chǎn)物提純。因而選取了1,2-二氯乙烷作為反應(yīng)溶劑。

3 結(jié) 論

基于雙發(fā)色團(tuán)熒光染料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，通過1分子1,3-二氨基硫脲與2分子羅丹明B酰氯的反應(yīng)，使1,3-二氨基硫脲兩端的氨基通過分子間縮合反應(yīng)分別連接1分子羅丹明B酰氯，合成了1種新型雙發(fā)色團(tuán)羅丹明類熒光染料TM 1。針對使用活性較高的氨基硫脲作為反應(yīng)物的新縮合反應(yīng)合成方法，研究了該反應(yīng)中n(羅丹明B酰氯)∶n(1,3-二氨基硫脲)對目標(biāo)物TM 1產(chǎn)率的影響，確定縮合反應(yīng)的最佳比例為n(羅丹明B酰氯)∶n(1,3-二氨基硫脲)=2.0∶1。針對羅丹明B酰氯合成反應(yīng)進(jìn)行了溶劑篩選，1,2-二氯乙烷作溶劑的反應(yīng)體系產(chǎn)率幾乎可達(dá)到100%，有效節(jié)省了后續(xù)產(chǎn)物提純操作，且溶劑沸點(diǎn)低于反應(yīng)物三氯氧磷的沸點(diǎn)，避免了未反應(yīng)完全的三氯氧磷揮發(fā)出反應(yīng)體系，操作安全。雙發(fā)色團(tuán)熒光染料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用氨基硫脲作為反應(yīng)物的縮合反應(yīng)新方法以及反應(yīng)條件的有效優(yōu)化，均為新型熒光染料的開發(fā)提供了新的研究思路。