李 巧，趙 洋，王恩舉

（海南師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,熱帶藥用資源化學(xué)教育部重點實驗室,熱帶藥用植物化學(xué)海南省重點實驗室,?？?71158）

邁克爾反應(yīng)是指碳負(fù)離子對α，β-不飽和醛、酮和腈等的共軛加成反應(yīng)，是構(gòu)建碳-碳鍵的重要方法之一.當(dāng)親核原子為氧原子時，稱為氧雜邁克爾反應(yīng)（oxa-Michael），oxa-Michael反應(yīng)的親核試劑通常為醇或酚，其活性較低，需要使用催化劑，反應(yīng)收率通常都不太理想［1］.水一般不能作為oxa-Michael反應(yīng)的親核試劑，因為在熱力學(xué)上邁克爾系統(tǒng)通常比其加水產(chǎn)物更穩(wěn)定.本文建立了一個基于芳叉丙二腈的高活性邁克爾系統(tǒng)，能迅速吸收空氣中的水，生成相對穩(wěn)定的oxa-Michael加成產(chǎn)物.

許多含芳叉丙二腈結(jié)構(gòu)的化合物具有優(yōu)異的熒光性能［2］，含供電子基芳醛與丙二腈的縮合產(chǎn)物是一類性能優(yōu)異的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）類熒光分子［3］.4-氯香豆素-丙二腈縮合物對硫化氫和谷胱甘肽具有雙通道活細(xì)胞熒光成像性能［4］.喹啉-丙二腈縮合物是一類聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）分子的母體結(jié)構(gòu)，可用于設(shè)計多種AIE材料，用于細(xì)胞成像研究、監(jiān)測藥物傳輸及疾病診斷［5~9］，某些喹啉-丙二腈縮合物還具有光波導(dǎo)性能［10］.一些包含二苯酮-丙二腈縮合結(jié)構(gòu)的分子具有熱激活延遲熒光的性能，此類熒光材料對提高有機(jī)發(fā)光二極管的性能意義重大［11，12］.最近，Elango等［13］合成了一個基于芳二醛-丙二腈縮合物2，2′?［（5?叔丁基?2?羥基?1，3?苯撐）二甲川］雙丙二腈（1）的熒光探針（Scheme 1），本課題組發(fā)現(xiàn)該化合物具有很高的反應(yīng)活性，在含水介質(zhì)中不能穩(wěn)定存在，甚至能迅速與空氣中的水分子發(fā)生反應(yīng)，得到相對穩(wěn)定的oxa?Michael加成產(chǎn)物2?［5?叔丁基?3?（2，2?二腈基?1?羥乙基）?2?羥基芐叉］丙二腈（2）.化合物2對堿敏感，在二甲亞砜（DMSO）中許多弱堿都能使其快速轉(zhuǎn)化為化合物1.化合物2具有AIE活性，發(fā)射藍(lán)色固態(tài)（或聚集態(tài)）熒光，在堿性條下轉(zhuǎn)化為化合物1后發(fā)射紅色強(qiáng)熒光［14］.本文研究了二者的轉(zhuǎn)化條件和熒光性質(zhì).

Scheme 1 Structures of the target molecules

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

5-叔丁基-2-羥基間苯二甲醛，化學(xué)純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；丙二腈，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；二甲亞砜（DMSO）、乙腈、氯仿、吡啶和三乙胺等常用溶劑以及碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸氫鈉和氧化鈣等無機(jī)鹽均為分析純，廣州化學(xué)試劑廠；硅膠，化學(xué)純，青島海洋化工有限公司；光譜測定溶劑用水為去離子水.

Bruker-400型核磁共振波譜儀（1H NMR，13C NMR），德國Bruker公司；Hitachi F-7000型熒光光譜儀，日本Hitachi公司；Bruker esquire HCT型質(zhì)譜儀（ESI-MS），德國Bruker公司.

1.2 2?[5?叔丁基?3?(2,2?二腈基?1?羥乙基)?2?羥基芐叉]丙二腈(2)的合成

將206 mg（1.0 mmol）5-叔丁基-2-羥基間苯二甲醛和165 mg（2.5 mmol）丙二腈加入2 mL氯仿中，快速攪拌使其溶解（丙二腈溶解性不佳，補(bǔ)加2滴乙腈助溶）；然后加入催化量（1滴）的哌啶，常溫下攪拌反應(yīng)，1 h后出現(xiàn)大量白色固體，用硅膠薄層色譜［V（氯仿）∶V（石油醚）＝2∶1］檢測反應(yīng)至終點.抽濾，用少量氯仿洗滌3次，干燥得0.273 g化合物2，白色固體，產(chǎn)率85.3%.m.p.139～140℃.1H NMR（400 MHz，DMSO-d6），δ：8.56（s，1H），8.21（d，J=2.0 Hz，1H），7.87（d，J=2.0 Hz，1H），7.72（s，2H），5.18（d，J=4.5 Hz，1H），4.65（d，J=4.5 Hz，1H），1.31（s，9H）；13C NMR（100 MHz，DMSO-d6），δ：163.4，154.0，147.9，146.9，132.9，125.9，119.5，119.3，114.5，113.5，113.4，113.3，37.7，35.2，32.5，31.1.ESI-MS（C18H16N4O2理論值），m/z：302.7（303.12）［M－H2O+H］+，300.6（301.11）［M－H2O－H］?.

1.3 2,2′?[(5?叔丁基?2?羥基?1,3?苯撐)二甲川]雙丙二腈(1)的表征

在測試化合物2的核磁管中加少量碳酸鈉，馬上加蓋密封隔絕空氣，搖勻后反應(yīng)1 min，靜置沉淀，等上層溶液變澄清后，直接測核磁共振波譜.1H NMR（400 MHz，DMSO-d6），δ：8.27（s，2H），8.20（s，2H），5.76（s，1H），1.22（s，9H）.ESI-MS（C18H14N4O理論值），m/z：300.7（301.11）［M－H］?.

2 結(jié)果與討論

2.1 化合物1與化合物2的相互轉(zhuǎn)化

本研究的初衷是使用5-叔丁基-2-羥基間苯二甲醛和丙二腈通過Knoevenagel反應(yīng)制備化合物1.以硅膠薄板監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程中，用熱風(fēng)吹干薄板時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物點由無色變?yōu)榧t色（自然光下），同時在365 nm光照射下由藍(lán)色熒光變?yōu)榧t色熒光，溫度降低后，紅色斑點立即褪去，同時365 nm光照射下的熒光從紅色恢復(fù)為藍(lán)色，此可逆熒光變化重復(fù)多次后亮度沒有明顯減弱，顏色及熒光變化見圖1.吸收和發(fā)射紅移現(xiàn)象說明加熱使產(chǎn)物分子轉(zhuǎn)變?yōu)楣曹棾潭雀叩慕Y(jié)構(gòu).據(jù)此推斷：所得產(chǎn)物并不是預(yù)期的化合物1，而是其脫水前的中間體2，加熱使中間體2脫水變?yōu)楣曹棾潭雀叩幕衔?.為了驗證該推斷，將加熱后的薄板立即放入裝有干燥劑的密封瓶中，發(fā)現(xiàn)可逆熒光變化未發(fā)生，可以長時間保持紅色熒光，證明此可逆過程可能為脫水-加水反應(yīng).化合物1包含2個Michael系統(tǒng)，因此，相應(yīng)的加水反應(yīng)也有2種可能：一種為加1分子水；另一種為加2分子水.由于化合物2具有藍(lán)色熒光，因此，化合物2應(yīng)為化合物1加1分子水后的產(chǎn)物（化合物1加2分子水后無熒光）［3］，其結(jié)構(gòu)經(jīng)NMR確定為化合物2（見本文支持信息圖S1~圖S6）.

Fig.1 Color in natural light(A)and fluorescence under 365 nm(B)of compound 2 adsorbed on silica gel at gradient temperatures of 30(A 1,B1),40(A 2,B2),50(A 3,B3),60(A 4,B4),70(A 5,B5)and 80℃(A 6,B6)

純化合物2對熱相當(dāng)穩(wěn)定，于110℃加熱4 h以上無任何變化，因此，硅膠對此可逆脫水-加水反應(yīng)具有催化作用.為了充分了解化合物2的脫水條件，考察了有機(jī)溶劑中各種催化劑對此可逆脫水-加水反應(yīng)的影響（表1）.由于脫水產(chǎn)物化合物1的活性太高不能分離，故實驗僅通過反應(yīng)液的熒光變化推斷反應(yīng)進(jìn)程，脫水前為弱藍(lán)色熒光，脫水后發(fā)射明亮的紅色熒光，熒光譜圖及熒光照片見圖2.從表1可以看出，在DMSO中異相的無機(jī)堿、均相的有機(jī)胺及中性的硅膠均能有效催化化合物2快速脫水.但是在酸性條件下脫水反應(yīng)不能進(jìn)行.比較2種溶劑對反應(yīng)的影響發(fā)現(xiàn)，化合物2在CH3CN中的反應(yīng)活性不如在DMSO中高，在CH3CN中，醋酸、吡啶和硅膠都不能催化脫水反應(yīng).碳酸鹽雖然可以催化反應(yīng)，但催化效率不高（弱粉色熒光）.堿性較強(qiáng)的三乙胺和氧化鈣則能順利催化在CH3CN中的脫水反應(yīng).這可能是由于無機(jī)堿和有機(jī)胺在DMSO中表現(xiàn)出更強(qiáng)的堿性所致.醇脫水成烯通常是在酸性條件下按E1歷程進(jìn)行的，化合物2的脫水反應(yīng)卻需要堿性條件.這是由于羥基β-H的酸性較高（由于2個腈基的影響），在堿性條件下易失氫生成碳負(fù)離子，然后按E1cb歷程脫水成烯（見本文支持信息Scheme S1）.受此啟發(fā)（在DMSO中固態(tài)無機(jī)堿能迅速催化脫水），向化合物2的DMSO-d6溶液中加入適量碳酸鈉（在核磁管中），搖勻，靜置沉淀，不經(jīng)分離直接測試核磁共振波譜，確定了紅色熒光產(chǎn)物為化合物1（見本文支持信息圖S8~圖S9）.

Table 1 Effect of various catalysts on the dehydration reaction of compound 2

為了闡明化合物1具有高M(jìn)ichael加成活性的原因，分別研究了間苯二甲醛及水楊醛與丙二腈的Knoevenagel縮合反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)2個反應(yīng)都只能得到化合物1的類似物（脫水產(chǎn)物）.查閱文獻(xiàn)也未發(fā)現(xiàn)關(guān)于這2個反應(yīng)未脫水產(chǎn)物的報道［15~20］.這說明化合物1的高活性是2個二腈基乙烯基和1個羥基協(xié)同作用的結(jié)果，三者缺一不可.一方面，2個強(qiáng)吸電子的二腈基乙烯基相互增強(qiáng)了與親核試劑的反應(yīng)活性，當(dāng)其中一個乙烯基加水后，就失去了對另一個二腈基乙烯基的共軛吸電子活化能力，這可以解釋為什么化合物1不能與2分子水發(fā)生加成反應(yīng).但同樣含有2個二腈基乙烯基的間苯二甲醛-丙二腈縮合物并不像化合物1一樣具有高活性.因此，鄰位羥基對加水反應(yīng)的活化作用也是不可或缺的.由此推斷：在加水過程中鄰位羥基可能會通過對雙鍵供氫促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行.Scheme 2示出了酚羥基對雙鍵供氫從而促進(jìn)加水反應(yīng)的可能機(jī)理.

Scheme 2 Proposed plausible mechanism for hydroxyl group promoting reaction

2.2 熒光變化

將吸附化合物2的硅膠板置于烘箱中梯度升溫，在每個觀察溫度下加熱5 min，自然光下化合物斑點逐漸由無色變?yōu)榧t色；同時，在365 nm紫外光激發(fā)下熒光由藍(lán)色逐漸變?yōu)榧t色.在60℃時熒光斑點周圍開始出現(xiàn)紅色，延長加熱時間至10 min，紅色熒光并無增強(qiáng)；但在80℃下，由藍(lán)色到紅色的熒光變化過程可以在1 min內(nèi)迅速完成.因此，加熱時間的影響不大，溫度才是導(dǎo)致顏色及熒光變化的決定因素（圖1）.熱致熒光變化過程是可逆的，對吸附化合物2的硅膠板進(jìn)行梯度降溫，可以觀察到與梯度升溫相反的顏色及熒光變化過程（見本文支持信息圖S10），可逆熒光變化重復(fù)多次后亮度沒有明顯減弱.因此，吸附化合物2的硅膠可能發(fā)展成為一種熱敏熒光材料.吸附于硅膠上的化合物2還對某些有機(jī)蒸汽有熒光響應(yīng).

向化合物2的DMSO溶液中分別加入微量的氧化鈣、碳酸鈉、碳酸氫鈉、硅膠、三乙胺和吡啶，搖勻，立即測定發(fā)射光譜，激發(fā)波長為560 nm.在DMSO中，不加催化劑時化合物2發(fā)射很弱的藍(lán)色熒光，加入催化劑后，發(fā)射波長紅移至660 nm附近［圖2（A）］.催化效率與催化劑的堿性呈正相關(guān)，氧化鈣引起的熒光響應(yīng)最快最強(qiáng)；三乙胺次之；吡啶引起的發(fā)射最弱，但反應(yīng)一段時間后，也能發(fā)射強(qiáng)熒光.圖2（B）為對應(yīng)的熒光照片（加入催化劑搖勻后立即拍攝），第1瓶不加催化劑，藍(lán)色熒光非常弱，這是由于這類結(jié)構(gòu)通常都具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光性質(zhì)，在良溶劑中幾乎沒有熒光，而在聚集態(tài)則發(fā)射強(qiáng)熒光［3］.圖2（B）中從照片2至7依次為加吡啶、碳酸氫鈉、碳酸鈉、硅膠、三乙胺和氧化鈣的熒光照片，熒光強(qiáng)度與所加試劑的堿性一致；但硅膠比較特殊，雖然沒有堿性，卻表現(xiàn)出較強(qiáng)的催化活性.向化合物2的乙腈溶液的中加入催化劑引起的發(fā)射光譜與在DMSO中產(chǎn)生的發(fā)射光譜基本相同［圖2（C）］，說明在2種溶劑中加入催化劑后得到了相同產(chǎn)物，但催化反應(yīng)活性在乙腈中顯著降低，只有堿性較強(qiáng)的氧化鈣和三乙胺能引起紅色熒光，碳酸鈉和碳酸鉀只能產(chǎn)生弱粉色熒光，而吡啶和硅膠不能使化合物2的熒光發(fā)生明顯增強(qiáng).圖2（D）中照片1至7依次為不加催化劑，加硅膠、吡啶、碳酸鈉、碳酸鉀、三乙胺和氧化鈣的熒光照片，除硅膠外，熒光強(qiáng)度與所加催化劑的堿性一致.

Fig.2 Fluorescence spectra(A,C)and pictures(B,D)of compound 2(10μmol/L)excited at 560 nm(A,C)and 365 nm(B,D)in DMSO(A,B)and CH 3CN(C,D)upon addition of various catalysts

將吸附化合物2的硅膠板和浸過有機(jī)溶劑的脫脂棉一起放入2個對扣的培養(yǎng)皿中，在5 s內(nèi)即觀察到化合物點發(fā)射明亮的紅色熒光（圖3）.乙酸乙酯、四氫呋喃和丙酮蒸汽能立刻引起熒光變化，甲醇和乙醇引起的變化稍慢，而石油醚、二氯甲烷、三氯甲烷和乙腈則不能引起熒光變化.結(jié)合關(guān)于有機(jī)溶劑中堿催化化合物2脫水反應(yīng)的研究結(jié)果，我們認(rèn)為有機(jī)蒸汽分子的路易斯堿性是引起熒光變化的關(guān)鍵因素.對有機(jī)蒸汽的熒光響應(yīng)也是可逆的，一旦打開蓋子，紅色熒光很快消失.為了排除空氣對反應(yīng)的影響，研究了化合物2在真空條件下（水泵抽氣）對有機(jī)蒸汽的熒光響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)與在空氣中的實驗現(xiàn)象基本相同.

Fig.3 Response of compound 2 adsorbed on silica gel to organic vapors(degrease cotton soaked with organic solvents)

在堿性水溶液中可以更直觀地觀察到化合物1與化合物2的相互轉(zhuǎn)化過程.將10μL化合物2的乙腈溶液（10μmol/L）加入到10 mL PBS緩沖溶液（pH=10）中，搖勻，溶液立即變?yōu)榉奂t色并發(fā)射紅色強(qiáng)熒光，說明在堿性水溶液中化合物2立即脫水生成化合物1.對其每隔3 min測定1次發(fā)射光譜，發(fā)現(xiàn)630 nm附近的發(fā)射（紅色）逐漸減弱，同時在530 nm處出現(xiàn)了一個新的發(fā)射峰（綠色），1 h后紅色熒光完全變?yōu)榫G色［圖4（A）］.同時，在自然光下粉紅色溶液逐漸變淺，最后恢復(fù)為無色，表明在緩沖溶液中生成的脫水產(chǎn)物化合物1不能穩(wěn)定存在，最后又逐漸加水生成了化合物2.因此，在pH=10的PBS緩沖溶液中化合物2的脫水反應(yīng)是動力學(xué)控制的，但在熱力學(xué)上化合物2更穩(wěn)定［圖4（B）］.值得注意的是，化合物2吸附在硅膠上和在DMSO中都是藍(lán)色的，但在PBS緩沖溶液中卻是綠色的，這可能與溶液的pH值有關(guān).為此，考察了pH值對化合物2熒光光譜的影響（圖5）.當(dāng)pH≤8時，發(fā)射波長約為430 nm，發(fā)藍(lán)色熒光，當(dāng)pH=10時，發(fā)射波長約為530 nm，發(fā)綠色熒光.這是由于在堿性條件下酚羥基變?yōu)榉友踟?fù)離子，增強(qiáng)了分子的ICT效應(yīng)，從而導(dǎo)致發(fā)射紅移.另外，從pH=4至pH=8發(fā)射波長基本不變，但發(fā)射強(qiáng)度卻逐漸減小，這歸因于化合物2的AIE效應(yīng)：化合物2含有多個極性基團(tuán)，在水中有一定的溶解度，從pH=4到pH=8時溶解度逐漸增大.在低濃度條件下（10μmol/L），當(dāng)pH=4時存在聚集現(xiàn)象，發(fā)射熒光，當(dāng)pH=8時化合物2幾乎完全溶解，熒光很弱.當(dāng)增大化合物2的濃度時，在pH=8時也不能完全溶解，可以看到明亮的藍(lán)色熒光.

Fig.4 Time?dependent fluorescence spectra excited at 470 nm(A)and pictures in natural light and under 365 nm(B)of compound 2(10μmol/L)in PBS buffer solution(pH=10)

Fig.5 Fluorescence emission spectra of compound 2(10μmol/L)in PBS buffer at different p H values when excited at 360 nm

3 結(jié) 論

研究了芳叉丙二腈類高活性邁克爾系統(tǒng)（1）與其加水產(chǎn)物（2）的轉(zhuǎn)化條件及熒光變化.對吸附在硅膠上的化合物2進(jìn)行加熱（80℃）得到其脫水產(chǎn)物1，溫度一旦降低，脫水產(chǎn)物1立即與空氣中的水結(jié)合恢復(fù)為化合物2；同時其熒光也呈現(xiàn)出加熱變紅、冷卻后變藍(lán)的現(xiàn)象.此外，吸附化合物2的硅膠對某些有機(jī)蒸汽具有熒光響應(yīng).在DMSO中硅膠和各種堿性催化劑都能使化合物2快速脫水生成化合物1，同時熒光由藍(lán)色變?yōu)榧t色.在PBS緩沖溶液（pH=10）中，化合物2先快速脫水生成化合物1，然后緩慢加水恢復(fù)為化合物2，同時熒光先變紅后變綠.化合物1在空氣中不能穩(wěn)定存在，能迅速與空氣中的水反應(yīng)生成較穩(wěn)定的氧雜邁克爾加成產(chǎn)物，其高活性是2個二腈基乙烯基和1個羥基協(xié)同作用的結(jié)果.

支持信息見http://www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/20210690.