申鳳娟， 余旭東， 龐雪蕾， 張亞軍

（河北科技大學理學院，石家莊050018）

0 引 言

BODIPY具有較高的摩爾吸光系數(shù)，熒光量子產(chǎn)率高、光穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛應用于分子探針、生物熒光標記、激光染料、太陽能電池等領域。由于有機溶劑在環(huán)境、工業(yè)和化學領域的重要性，近十年來，有機溶劑的選擇性和可視化檢測越來越受到重視［1-5］。本實驗設計合成一種氟硼二吡咯（BODIPY）三聯(lián)吡啶衍生物（BODIPY-DT），通過光照發(fā)現(xiàn)它的二甲基甲酰胺（DMF）溶液紅色熒光褪去呈現(xiàn)黃綠光熒光，而其他溶劑的溶液沒有熒光顏色的變化，利用這個性質(zhì)可以實現(xiàn)對溶劑的可視化識別。

為了提高學生的綜合實驗能力，培養(yǎng)科研實踐能力，促進教學與科研的融合［6-7］，將此實驗引入實驗教學中。通過合成鍛煉動手能力和實驗技能，通過性質(zhì)研究引起學生探索的興趣［8-11］，并引導學生分析褪色原因，找出現(xiàn)象背后的理論依據(jù)，并通過儀器測試數(shù)據(jù)驗證支持理論推導。此實驗適合具有一定實驗基礎的學生開展，不但實現(xiàn)對學生操作能力的綜合訓練，培養(yǎng)學生處理和分析實驗數(shù)據(jù)的能力，還培養(yǎng)學習分析問題解決問題的能力，通過現(xiàn)象尋找理論依據(jù)并通過實驗驗證理論，有利于提高學生的科研思維及科研素養(yǎng)，為科研打下良好的基礎，有利于促進教學與科研的相互融合［12-15］。

1 實驗試劑與儀器

實驗試劑：2，4-二甲基吡咯、對甲酰基苯甲酸甲酯、三氟化硼乙醚（BF3·Et2O）、高碘酸、2，3-二氯-5，6-二氰對苯醌（DDQ）、碘（I2）、三甲基硅乙炔、PdCl2（PPh3）、二異丙胺（DIPA）、三乙胺、三氟乙酸（TFA）碘化亞銅等試劑均購于國藥集團化學試劑。

實驗儀器：電子天平、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、磁力攪拌器、紫外分光光度計、熒光光譜儀、核磁共振儀等。

2 實驗內(nèi)容

2.1 化合物的合成

（1）1，3，5，7-四甲基-8-對甲氧甲?；交鸲量ɑ衔?）的合成。取2.7 g（16.45 mmol）對甲?；郊姿峒柞ィɑ衔?）加入到1 L圓底燒瓶中，用400 mL干燥的CH2Cl2，攪拌至全部溶解。再加入3.45 g（36.26 mmol）的2，4-二甲基吡咯，0.4 mL三氟乙酸，室溫攪拌過夜。向反應液中分批加入2.8 g（12.33 mmol）DDQ，攪拌30 min后滴加二異丙胺30 mL，反應溶液由紅褐色變成綠色；攪拌30min后冰浴充分冷卻，使用恒壓滴液漏斗緩慢滴加三氟化硼乙醚30 mL，室溫攪拌過夜。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑，柱色譜分離提純得到橘紅色化合物2（880 mg，13.5%）。1H NMR（CDCl3，500 MHz）δ：8.19（2H，d，J=8.5 Hz，ArH），7.40（2H，d，J=8.5 Hz，ArH），5.99（2H，s，CH），3.97（3H，s，OCH3），2.56（6H，s，CH3），1.36（6H，s，CH3）.m.p.186℃。

（2）1，3，5，7-四甲基-8-對甲氧甲酰基苯基-2，6-二碘氟硼二吡咯（化合物3）的合成。在500 mL圓底燒瓶中加入化合物2（2.5 mmol，0.956 g）和碘（3 mmol，0.761 g），加入300 mL乙醇，攪拌將固體溶解。恒壓滴液漏斗滴加HIO3溶液（高碘酸0.528 g溶于10 mL水中），油浴60℃加熱，TLC檢測反應結(jié)束。反應結(jié)束后加入飽和硫代硫酸鈉溶液，有沉淀生成。減壓抽濾得到紅色化合物3（0.96 g，88%）。1H NMR（500 MHz，CDCl3）δ：8.22（2H，d，J=8.5 Hz，ArH），7.39（2H，d，J=8.5 Hz，ArH），3.99（3H，s，OCH3），2.65（6H，s，CH3），1.37（6H，s，CH3）.Mp＞250℃。

（3）1，3，5，7-四甲基-8-對甲氧甲?；交?2，6-二4-［4′-（2，2′：6′2″-三聯(lián)吡啶）］苯炔基氟硼二吡咯（化合物5）的合成。在100 mL圓底燒瓶中依次加入化合物3（642 mg，1 mmol），4′-（4-炔苯基）-2，2′：6′2″-三聯(lián)吡啶（化合物4）（1.18 g，3.54 mmol），PdCl2（PPh3）2（42 mg，0.096 mmol），CuI（19.5 mg，0.102 mmol），再加入45 mL干燥四氫呋喃，15 mL二異丙胺，氮氣保護，60℃油浴加熱5 h，柱色譜得到藍紫色固體（0.18 g，17%）。1H NMR（500 MHz，CDCl3）δ：8.74（8H，s，CH），8.67（4H，m，J=7.5 Hz，CH），8.25（2H，d，J=7.5 Hz，CH），7.88（8H，m，CH），7.58（4H，d，J=8.5 Hz，CH），7.46（2H，d，J=7 Hz，CH），7.36（4H，m，CH），4.02（3H，s，OCH3），2.78（6H，s，CH3），1.55（6H，s，CH3）；13C NMR（150 MHz，CDCl3）δ：156.0，155.9，149.1，139.2，137，133.1，131.0，127.4，127.3，124.0，121.4，118，31.6，29.1，27.7，22.7，14.1，13.8，13.6；MS calc.for［C67H47BF2N8O2+Na］+：1 067.38；Found：1 068.2.Anal.Calcd.For：C67H47BF2N8O2：C，77.0；H，4.5；N，10.7；Found：C，76.9；H，4.8；N，10.6.Mp：＞250℃?；衔?的合成如圖1所示。

圖1 BODIPY-DT（化合物5）的合成路線

2.2 BODIPY-DT在不同溶劑中的變色

將BODIPY-DT（化合物5）用不同溶劑（DMF，二甲亞砜，四氫呋喃，丙酮，對二甲苯，二氯甲烷，甲苯，氯仿，乙二醇單甲醚，乙腈，乙酸乙酯）分別配成濃度為10μmol/L的溶液，放置在自然光中，放置5 h前后分別拍照。DMF溶液紅色熒光褪去變成黃綠光（見圖2）。將不同溶劑的溶液分別放置2 d，作熒光變化曲線，發(fā)現(xiàn)經(jīng)長時間放置后只有DMF溶液使BODIPY

圖2 BODIPY-DT在不同溶劑中變色（溶劑從中到右依次為DMF，二甲亞砜，四氫呋喃，丙酮，對二甲苯，二氯甲烷，甲苯，氯仿，乙二醇單甲醚，乙腈，乙酸乙酯）（乙腈中溶解度低）

DT紅色熒光褪去，其他溶劑中BODIPY-DT紅色熒光強度略有降低（見圖3）。表明BODIPY-DT對DMF溶劑具有可視化選擇性識別。

圖3 BODIPY-DT在不同溶劑中熒光強度隨時間變化

2.3 BODIPY-DT的DMF溶液變色快慢

將BODIPY-DT（化合物5）配成濃度為10μmol/L的DMF溶液兩份，一份放置在自然光中研究變色情況，另一份用365 nm燈照射，分別用熒光光譜儀監(jiān)測變色過程。600～650 nm處的吸收峰強度隨著照射時間延長而慢慢地變?nèi)?，直至消失，?00～550 nm和350～400 nm兩處的吸收峰則隨著時間的增長而漸漸變大。開始變色較快20 min內(nèi)618 nm的發(fā)射峰強度迅速減弱，隨著時間推移變色速度越來越慢。365 nm燈照射下的溶液顏色由紅色變?yōu)辄S綠色的速度明顯要快于自然光下的溶液。日光下需要24 h 618 nm峰消失，而在365 nm紫外燈下只需要5 h（見圖4）。

圖4 BODIPY-DT的DMF溶液變色熒光曲線

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 BODIPY-DT對DMF可視化識別

化合物5在DMF溶液中經(jīng)365 nm燈照射后顏色變化明顯，由最開始的紅色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S綠色。而且降低溶液濃度變色加快。因此利用變色現(xiàn)象可實現(xiàn)對DMF溶劑的可視化識別。

3.2 變色機理

（1）紫外吸收光譜。光照情況下，溶液變色速度加快，分析原因是由于BODIPY是光敏劑，在DMF溶液中更易產(chǎn)生單線態(tài)氧。單線態(tài)氧的氧化性強，將化合物5氧化分解，因此，紅光褪去顯示出分解后產(chǎn)物的熒光。

吸光光度法是通過測定化學探針捕獲單線態(tài)氧前后的吸光度變化來進行定量檢測單線態(tài)氧，因此此類方法在單線態(tài)氧檢測領域操作簡便。1，3-二苯基異苯并呋喃（DPBF）是一種常用的化學捕獲試劑，其在410 nm處具有較大的吸光度。DPBF與單線態(tài)氧反應時，能迅速生成一種穩(wěn)定的內(nèi)過氧化物，此反應具有較大的反應速率常數(shù)且反應結(jié)束后DPBF吸光度幾乎下降為0。因此使用紫外分光光度計測定在410 nm處的吸光度的變化量即可間接測量單線態(tài)氧的含量。目前，該方法已經(jīng)被廣泛用于測定化學反應中單線態(tài)氧的含量。

因此，本實驗采用1，3-二苯基異苯并呋喃（DPBF）作為單線態(tài)氧的捕捉劑，通過紫外吸收光譜驗證單線態(tài)氧的存在。在BODIPY-DT的DMF溶液中加入DPBF，用紫外光譜儀測定溶液紫外吸收強度。發(fā)現(xiàn)隨時間延長，DPBF逐漸減少，而化合物5含量基本不變，當DPBF紫外吸收強度不再減弱時，化合物5開始分解。證明確實是在DMF溶液中有利于單線態(tài)氧生成導致化合物5被氧化分解（見圖5）。

圖5 BODIPY-DT（10μmol/L）與DPBF（50μmol/L）在DMF混合溶液的紫外吸收光譜

（2）質(zhì)譜。由于叁鍵容易被氧化，BODIPY-DT在叁鍵部分容易被單線態(tài)氧氧化分解，為了證明BODIPY在DMF溶液中變色是因為被氧化分解，因此對變色后產(chǎn)物進行質(zhì)譜分析。通過對質(zhì)譜碎片峰的分析發(fā)現(xiàn)m/z：764.7，525.5，562.3，353.1，338可能分別為BODIPY-DT氧化分解產(chǎn)物1，2，3，4，5的碎片峰（見圖6）。

圖6 BODIPY-DT氧化分解后部分產(chǎn)物

（3）氫譜。從變色跟蹤核磁譜圖的變化可以看到，隨著時間的推移在化學位移10.5附近出現(xiàn)官能團甲?；ā狢HO）的氫峰和在12.2附近出現(xiàn)羧基（—COOH）的氫峰，從氫譜數(shù)據(jù)分析同樣可以證明BODIPY-DT（化合物5）分解（見圖7）。

圖7 BODIPY-DT在DMF溶液中變色跟蹤氫譜

4 結(jié) 語

本文開發(fā)了一種基于氟硼二吡咯法的用于DMF選擇性、動態(tài)和視覺傳感的新型熒光傳感器。氟硼二吡咯自身是一種良好的光敏劑，而且通過本實驗可知，其在DMF溶液中能更好地誘導產(chǎn)生單線態(tài)氧，產(chǎn)生的單線態(tài)氧又能夠?qū)⒎肿又械娜叉I和氟硼二吡咯熒光團骨架氧化，進而產(chǎn)生溶液顏色和熒光的變化，實現(xiàn)對溶劑的可視化識別。教師通過把科研成果轉(zhuǎn)化成教學內(nèi)容，實現(xiàn)科研與教學的結(jié)合，學生通過學習科研過程，夯實了基礎知識，拓展了思路，啟迪了思維，培養(yǎng)了科研素養(yǎng)。將科研成果轉(zhuǎn)化成教學內(nèi)容，指導學生從實驗現(xiàn)象入手，到理論探討、再到實驗數(shù)據(jù)的分析整理及結(jié)論的獲得，讓學生從這個過程中真正認識科研、了解科研，培養(yǎng)科研素養(yǎng)，將來才能更好地投入工作。做到教學與科研相互滲透融合，科研帶動教學，教學促進科研，才能共同完成教學過程，培養(yǎng)更多適應社會需求的高水平創(chuàng)新型專業(yè)人才。