王章翠，張恩立，沈婧祎，盛萬樂

(蚌埠醫(yī)學院，安徽 蚌埠 233030)

近紅外有機共軛分子由于其具有優(yōu)異的光電性質(zhì)和靈活的可修飾性受到廣泛關(guān)注[1-2]。例如，二吡咯甲川可以與很多過渡金屬絡(luò)合形成剛性平面結(jié)構(gòu)，使分子熒光增強，因此可被用于開發(fā)熒光探針材料；其形成穩(wěn)定的配合物也可以開發(fā)具有光電活性的功能材料，最具有代表性的就是與二氟化硼絡(luò)合生成氟硼二吡咯甲川(BODIPY)，該類分子在500～520 nm具有很強的發(fā)光效率，也被廣泛應(yīng)用于光敏劑和生物熒光成像領(lǐng)域[3]。將二吡咯甲川中間位置的碳用氮替換形成亞氨基橋連二吡咯(ADP)，可以使化合物的光譜發(fā)生紅移，對應(yīng)的氮雜氟硼絡(luò)合物(azaBODIPY)的吸收和發(fā)射波長達到650 nm以上，接近近紅外區(qū)。

氟硼絡(luò)合的二吡咯甲川和氮雜氟硼二吡咯(azaBODIPY)類熒光染料的光譜性質(zhì)主要取決于配體的結(jié)構(gòu)。通過在配體上引入供電子基或同時引入吸電子基團和給電子基團在分子形成推拉電子效應(yīng)，都可以降低能隙，使其光譜進一步紅移[4]。除此以外，在母體結(jié)構(gòu)上引入并環(huán)增加分子的共軛體系也能實現(xiàn)光譜紅移，并且和電子效應(yīng)相比，引入共軛并環(huán)結(jié)構(gòu)使光譜發(fā)生紅移的作用更加明顯。氮雜氟硼二吡咯由于其母體本身具有較長波的吸收和發(fā)射而得到廣泛關(guān)注，將氮雜氟硼二吡咯并環(huán)衍生可以使其光譜發(fā)生進一步紅移得到近紅外材料。例如，LU等[5]利用芳基格氏試劑與鄰苯二甲腈作用，開發(fā)了β,β-位苯并結(jié)構(gòu)azaBODIPY，吸收發(fā)射波長紅移至730～790 nm。WU等[6]從噻吩并吡咯甲酸酯出發(fā)，先合成多芳基取代的噻吩并吡咯這一重要原料，再與亞硝酸鈉反應(yīng)開發(fā)了α, β-位噻吩并環(huán)修飾的azaBODIPY，吸收發(fā)射波長紅移至770～820 nm。在近期的工作中，SHENG等[7-8]利用金屬催化和多芳基氧化偶聯(lián)的方法，分別構(gòu)建出β, β、α, β以及全并環(huán)的氮雜氟硼二吡咯結(jié)構(gòu)，其中以全并環(huán)結(jié)構(gòu)azaBODIPY為母體的化合物發(fā)射光譜的最大峰可達到920 nm。并且發(fā)現(xiàn)不同的并環(huán)方式也會對分子的能級結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大影響。目前，氮雜氟硼二吡咯的幾種不同并環(huán)結(jié)構(gòu)都已經(jīng)被合成出來，且都表現(xiàn)出優(yōu)異的近紅外光學性質(zhì)。

利用氧化偶聯(lián)的方法可以方便快捷地在azaBODIPY分子上構(gòu)建并環(huán)結(jié)構(gòu)。但由于azaBODIPY母體合成的限制，其修飾位點較少，結(jié)構(gòu)拓展方法較為單一。如何構(gòu)架氧化產(chǎn)物的前體分子成為關(guān)鍵問題。本研究先利用azaBODIPY傳統(tǒng)的合成方法合成母體結(jié)構(gòu)，經(jīng)NBS溴化、Suzuki偶聯(lián)得到六芳基azaBODIPY，并對Suzuki反應(yīng)條件進行探究和分析，得到最優(yōu)的合成條件。合成路線見圖1。

圖1 六苯基氮雜氟硼二吡咯的合成路線

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

電子天平(FA1004，天津天馬恒基儀器有限公司)、磁力攪拌器(DF-101S，河南兄弟儀器設(shè)備有限公司)、油浴鍋(甲基硅油)、核磁共振(Bruker AVANCE 300MHz)、分光光度計(UV-2450)、熒光光譜儀(Edinburgh FlS-920)。

對十二烷氧基苯甲醛、對十二烷氧基苯乙酮、氫氧化鈉、二乙胺、硝基甲烷、醋酸銨、NBS、四三苯基膦鈀、碳酸鈉、乙醇、甲苯、二氯甲烷、石油醚。所有試劑和溶劑若無特殊說明均為試劑公司購買(分析純)直接使用沒有進一步純化。

1.2 化合物的合成

1.2.1 長鏈azaBODIPY的合成

將乙醇60 mL、對十二烷氧基苯甲醛(5.0 g，0.017 mol)、對十二烷氧基苯乙酮(5.2 g, 0.017 mol)依次加入250 mL圓底燒瓶中攪拌，待上述反應(yīng)物溶解后加入氫氧化鈉(1.7 g，0.043 mol)。持續(xù)攪拌10 h，反應(yīng)析出大量沉淀，減壓過濾得粗產(chǎn)品8.7 g，粗產(chǎn)率89%。粗產(chǎn)品不經(jīng)過進一步純化直接進行下一步反應(yīng)。

將上步反應(yīng)得到的產(chǎn)物，六倍當量的二乙胺、硝基甲烷以及乙醇100 mL，加入至250 mL圓底燒瓶中，加熱回流12 h。待原料反應(yīng)完全后，減壓蒸餾除去溶劑和剩余二乙胺和硝基甲烷。向反應(yīng)體系中重新加入乙醇溶劑100 mL和醋酸銨15 g，繼續(xù)回流24 h，減壓過濾得黑色蠟狀固體3.0 g。再將黑色固體加入到圓底燒瓶中，加入甲苯50 mL溶解，油浴加熱至60℃，加入三乙胺5 mL和三氟化硼乙醚5 mL，反應(yīng)2 h，利用柱層析分離得到azaBODIPY 2.1 g，總產(chǎn)率23%。

1.2.2 二溴化azaBODIPY的合成

稱取azaBODIPY (1.80 g, 1.5 mmol)加入250 mL圓底燒瓶內(nèi)，加入80 mL二氯甲烷溶解，冰浴條件下，邊攪拌邊滴入NBS的二氯甲烷溶液(0.55 g, 3.1 mmol)，滴加完成后繼續(xù)反應(yīng)0.5 h，反應(yīng)完全后利用柱層析除去雜質(zhì)。減壓蒸餾除去溶劑,得黑色固體1.90 g，產(chǎn)率為92%。

1.2.3 六芳基azaBODIPY的合成

稱取上步得到的二溴化azaBODIPY(0.50 g, 0.36 mmol)、四三苯基膦鈀(0.05 g, 0.03 mmol)、3,5-二甲氧基苯硼酸(0.26 g, 1.44 mmol)加入反應(yīng)器中，再加入甲苯40 mL和飽和碳酸鈉溶液20 mL，在氮氣保護下，90℃攪拌反應(yīng)24 h，反應(yīng)結(jié)束后，取有機相干燥處理，利用柱層析分離得暗紅色金屬光澤固體0.48 g，產(chǎn)率88%。

目標化合物的核磁譜圖:1H NMR (300 MHz, CDCl3) δ 7.50-7.41 (m, 8H), 6.77-6.76 (m, 8H), 6.32 (s, 2H), 6.17 (s, 4H), 4.05-3.84 (m, 8H), 3.57 (s, 12H), 1.89-1.68 (m, 8H), 1.52-1.12 (m, 72H), 0.88 (t,J= 6.5 Hz, 12H)。13C NMR (75 MHz, CDCl3) δ 160.5, 160.4, 159.5, 157.8, 145.1, 140.3, 135.5, 132.5, 132.5, 132.2, 131.8, 124.3, 122.9, 113.8, 113.7, 108.6, 99.9, 68.0, 67.9, 55.2, 31.9, 29.6, 29.4, 29.3, 29.2, 26.1, 26.0, 22.7, 14.1。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件對Suzuki反應(yīng)產(chǎn)率的影響

本研究考察了反應(yīng)條件，如反應(yīng)溫度、催化劑用量、反應(yīng)時間對Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)最終產(chǎn)物產(chǎn)率的影響(表1)。固定其它反應(yīng)條件不變，發(fā)現(xiàn)在催化劑為10%、溫度為90℃下反應(yīng)24 h，產(chǎn)率可達88%～89%。可能是因為鹵素兩邊連接芳香環(huán)的影響，使得催化反應(yīng)具有很大位阻，反應(yīng)速率較慢。如果反應(yīng)時間少于24 h，就會發(fā)現(xiàn)反應(yīng)物有剩余。不僅如此，反應(yīng)也需要較高溫度，反應(yīng)低于90℃時，反應(yīng)24 h后依舊會有原料剩余。催化劑為10%時效果最佳，低于10%可能需要更長的反應(yīng)時間，高于10%催化劑的用量增加也不能明顯提高產(chǎn)率，還會造成試劑的浪費。

表1 反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間和催化劑用量對Suzuki反應(yīng)的影響

2.2 化合物的吸收和發(fā)射光譜

本研究測試了化合物六芳基氮雜氟硼二吡咯的吸收光譜(圖2)和發(fā)射光譜(圖3)。在二氯甲烷中，化合物的最大吸收波長為675 nm，最大發(fā)射波長為717 nm。雖然增加兩個苯環(huán)，但和四芳基azaBODIPY母體化合物相比并沒有明顯的光譜紅移，可能是因為引入的苯環(huán)增加芳環(huán)之間的位阻，使外圍苯環(huán)與母核平面之間具有較大的二面角，單個苯環(huán)對母體的供電子能力有所減弱。

圖2 六苯基氮雜氟硼二吡咯在二氯甲烷中的歸一化吸收譜圖

圖3 六苯基氮雜氟硼二吡咯在二氯甲烷中的歸一化發(fā)射譜圖

3 結(jié)語

本文以對十二烷氧基苯甲醛、對十二烷氧基苯乙酮和芳基硼酸等為原料，經(jīng)過羥醛縮合、邁克爾加成、成環(huán)和氟硼絡(luò)合四步反應(yīng)合成了具有長鏈的四芳基氮雜氟硼二吡咯，再經(jīng)過溴化反應(yīng)、Suzuki偶聯(lián)得到六芳基氮雜氟硼二吡咯。同時，還對Suzuki反應(yīng)的條件進行嘗試，探究出最優(yōu)的反應(yīng)條件。最后對所合成的產(chǎn)物進行了光譜測試，得知其最大吸收波長為675 nm，發(fā)射波長為717 nm。