許 磊, 姜靜靜, 陳 宇, 李龍春

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)系，安徽 合肥 230036)

具有香豆素?zé)晒鈭F(tuán)的化合物，是一種內(nèi)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(chǎn)物[1-2]。由于香豆素類化合物具有熒光量子產(chǎn)率高、結(jié)構(gòu)易于修飾和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛地應(yīng)用于熒光化學(xué)傳感器等領(lǐng)域[3-5]。其作為熒光傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬離子、生物活性物質(zhì)、細(xì)胞微環(huán)境等的識(shí)別與檢測(cè)[6-9]。目前，關(guān)于熒光化合物的發(fā)光機(jī)理研究主要有光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(Photoinduced Electron Transfer, PET)、分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(Intramolecular Charge Transfer, ICT)、熒光共振能量轉(zhuǎn)移(F?rster Resonance Energy Tranfer, FRET)、激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移(Excited-State Intramolecular Proton Tranfer, ESIPT)等機(jī)理[10-13]。

ESIPT是指分子在受到光、熱、電等作用激發(fā)后，由于分子內(nèi)氫鍵存在，其激發(fā)態(tài)分子內(nèi)產(chǎn)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移的光物理化學(xué)過程[14]。相比于其他光學(xué)過程，ESIPT過程具有響應(yīng)速度快、光穩(wěn)定性好、高的熒光量子產(chǎn)率和雙波長(zhǎng)比率檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[14-16]。

Scheme 1

以3-碘苯酚(1)為起始原料，與多聚甲醛發(fā)生甲?；磻?yīng)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(fā)生Knoevenagel縮合反應(yīng)，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(fā)生Sonogashira偶聯(lián)反應(yīng)生成7-(對(duì)甲氧基苯乙炔基)香豆素-3-甲酸乙酯(4)；4最后經(jīng)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(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR，13C NMR和MS(ESI)表征確認(rèn)。針對(duì)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(fā)射光譜，并在1,4-二氧六環(huán)溶劑中對(duì)其進(jìn)行了雙光子驗(yàn)證和有效雙光子吸收截面實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

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

所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1)2的合成[17]

N2保護(hù)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(wú)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(yīng)30 min后，80 ℃下繼續(xù)反應(yīng)8 h后關(guān)掉氮?dú)?，繼續(xù)反應(yīng)過夜(TLC檢測(cè))。加入大量水，用CH2Cl2萃取，鹽酸調(diào)pH至中性，無(wú)水Na2SO4干燥，減壓蒸除溶劑，殘余物經(jīng)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(wú)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(jīng)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(hù)下，分別稱取33.43 g(10.0 mmol)，對(duì)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(yīng)4 h(TLC檢測(cè))。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(wú)水THF中，65 ℃下，分批加入NaBH40.94 g(25 mmol)，反應(yīng)15 min后，逐滴加入16 mL無(wú)水CH3OH，回流反應(yīng)12 h(TLC檢測(cè))。減壓蒸除反應(yīng)溶劑，加入大量水，用CH2Cl2萃取，鹽酸調(diào)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(cè)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(fā)射光譜的激發(fā)波長(zhǎng)為290 nm，測(cè)試狹縫為2.5×2.5 nm，測(cè)試電壓為400 V，溫度為20～25 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑效應(yīng)

首先測(cè)試了化合物5在不同的溶劑中(1,4-二氧六環(huán)、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(fā)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(shí)，從圖2看出，化合物5在甲苯、1,4-二氧六環(huán)、甲基異丙基酮和二氯甲烷非質(zhì)子

/nm

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

2.2 化合物5的雙光子性質(zhì)

雙光子驗(yàn)證是在化合物最佳激發(fā)波長(zhǎng)下通過改變激發(fā)光強(qiáng)度，測(cè)得其在不同功率激發(fā)光下(功率 0.3～0.8 W，間隔0.1 W進(jìn)行測(cè)定)的雙光子誘導(dǎo)熒光強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證?；衔?在1,4-二氧六環(huán)中的雙光子驗(yàn)證如圖3所示。由圖3可知，化合物5在1,4-二氧六環(huán)中發(fā)射熒光能量(Iout)和激發(fā)光能量(Iin)之間有很好的平方關(guān)系(斜率為2.14183)，這一結(jié)果說明化合物5在上述1,4-二氧六環(huán)中通過雙光子吸收激發(fā)后能發(fā)射雙光子熒光。

2.3 化合物5的光物理循環(huán)過程

根據(jù)圖2，可以看出化合物5在非質(zhì)子極性溶劑(甲苯、1,4-二氧六環(huán)、甲基異丙基酮和二氯甲烷)中有兩個(gè)熒光發(fā)射峰，分別位于330 nm和410 nm左右，但在質(zhì)子極性溶劑(乙醇、異丙醇、甲醇和水)中只有一個(gè)330 nm左右的熒光發(fā)射峰，這是典型具有ESIPT發(fā)光機(jī)理的化合物的熒光發(fā)射譜圖特征，同時(shí)，可以用來構(gòu)建比率計(jì)量型熒光探針?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)ESIPT機(jī)理，我們推測(cè)出5可能的ESIPT過程如圖4所示。在基態(tài)時(shí)，5存在烯醇式(T)和酮式(N)兩種異構(gòu)體，其中T較為穩(wěn)定。T受到290 nm的光激發(fā)時(shí)，激發(fā)態(tài)的烯醇(T*)通過ESIPT過程迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的酮式(N*)互變異構(gòu)體，N*衰減到基態(tài)N時(shí)，發(fā)射出410 nm的熒光。其余未經(jīng)歷ESIPT過程的T*衰減到基態(tài)T時(shí)則發(fā)射出330 nm 的熒光。

以3-碘苯酚為原料通過甲?；磻?yīng)、Knoevenagel縮合反應(yīng)、Sonogashira偶聯(lián)和還原反應(yīng)合成了以香豆素為母體的熒光化合物5，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。通過對(duì)化合物5的光學(xué)性質(zhì)測(cè)試，結(jié)果表明：其具有雙光子性質(zhì)，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(shí)，其能形成分子內(nèi)六元環(huán)氫鍵結(jié)構(gòu)，存在T和N兩種異構(gòu)體，從而使其具有ESIPT發(fā)光能力。