喹喔啉类有机荧光小分子的合成

毕业设计（论文）题目喹喔啉类有机荧光小分子的合成摘要荧光探针类物质对于目标靶向物质的示踪有着高效、准确的特点，各类荧光分子材料的合成是当今有机合成的一个重要方面。结合当今生物医学技术的应用，荧光分子探针以健康高效的特点很好地适应了医学检验领域的要求而得到广泛的研究与发展。通过改变母体的种类得到特异的荧光分子材料是荧光分子材料合成的基本设计路线。本文主要工作目标就是合成以喹喔啉并环戊酮为母体的共轭离域平面的荧光分子探针并测试其荧光性质，为荧光探针领域增添一种新型的结构分子。关键词荧光探针；喹喔啉；维尔斯迈尔哈克ABSTRACTTHEFLUORESCENCEPROBECANTRACETHETARGETSUBSTANCEINANEFFICIENTANDEXACTWAY,EVENTHESYNTHESISOFVARIOUSTYPESOFFLUORESCENTMOLECULARMATERIALSBECOMEAVERYIMPORTANTASPECTINORGANICSYNTHESISFLUORESCENCEPROBEFITTHEMEDICALLABORATORYFIELDVERYWELLANDITHASBESTUDIEDANDDEVELOPEDWIDELYINAHEALTHYANDEFFICIENTWAYWHENCOMBINEDWITHTODAYSBIOMEDICALTECHNOLOGYITSUSUALTOCHANGETHEPARENTSTRUCTURETOGETTHENEWFLUORESCENTPROBETHEWORKOFTHISTHESISISTOSYNTHESISAFLUORESCENTPROBEMOLECULARWHICHPARENTISCYCLOPENTABQUINOXALINEANDTESTTHEFLUORESCENCEPROPERTIESASANEWKINDOFPROBEKEYWORDSFLUORESCENCEPROBEQUINOXALINEVILSMEIERHAACK目录前言1第一章绪论21喹喔啉类化合物的合成方法及原理介绍22氮原子保护及脱保护基本思路介绍33VILSMEIERHAACK反应机理与合成方法介绍34WITTTIG羰基换双键反应介绍35本论文的工作3第二章化合物的合成41研究方法及研究路线411喹喔啉酮合成设计412喹喔啉酮共振结构413NBOC化合物VH酰基化514亚胺氮原子脱保护515膦叶立德试剂制备616WITTIG反应形成双键分子617实际反应过程中喹喔啉环双合成718BOC酰基化试剂羟基酰基化719VILSMEIERHAACK反应得到平面共轭分子72实验仪器83实验药品84目标产物的合成过程841化合物A五方酸并二喹喔啉化合物的合成842BOC酸酐羟基酰基化反应943VILSMEIERHAACK反应10第三章化合物的表征与结果121化合物结构表征所应用的测试方法122产物的提纯1221水热法结晶化合物A1222索氏提取法提纯产物B1223挥发结晶提纯化合物C123化合物的表征1231红外测试1232紫外测试1533核磁表征1634单晶表征1635荧光表征174实验小结17第四章结论191实验方案192实验结果19参考文献20致谢21前言在过去的几十年里，对于克酮酸类物质的研究与介绍都是基于其较高的氧碳比例与其分子本身的共轭芳香性质等特异性结构来研究其对于金属离子的配位性质和克酮酸类配位聚合物的特殊光电性质来进行研究的，对于其多羰基的反应性质少有研究。1962年德国化学家BERNDEISTERT，应用六方酸2,3,5,6TETRAHYDROXYCYCLOHEXA2,5DIENE1,4DIONE、五方酸4,5DIHYDROXYCYCLOPENT4ENE1,2,3TRIONE与邻苯二铵进行缩合合成了喹喔啉酮类的化合物1HCYCLOPENTABQUINOXALINE1,2,3TRIONE并对其进行了表征。对于生物探针分子探针来说，对于喹喔啉酮这类的化合物的多羰基喹喔啉结构有非常大的可能与生物分子结构进行结合，因此我们对于喹喔啉酮这类化合物分子产生了很大的研究兴趣。但是，对于荧光分子探针来说仅仅依靠喹喔啉酮本身的离域共轭度并不能很好地产生荧光效应。因此在本论文中我们主要通过在喹喔啉酮上扩增共轭平面进行荧光分子设计。第一章绪论在生物体特别是人体当中，蛋白质结构千变万化，据统计在人体当中一共有10万多种以上的蛋白质结构，正是这种形态各异的蛋白质结构构成了生命体的复杂多样。在对于蛋白质结构的定性分析中，荧光分子探针有着不可替代的作用，并且随着荧光分子探针种类数目、结构特点的不断增多，荧光分子探针在生物体内的应用范围将迅速增多。近年来研究比较热门的荧光分子探针主要有香豆素（COUMARIN）、荧光素（FLUORESCEIN）、氟硼荧BODIPY，罗丹明RHODAMINEB，花菁素ANTHOCYANIDIN、噁嗪类等几系列，其在各种病症的诊断、某些疾病的病理研究和生命遗传研究等方面发挥着重要的作用，但是对于喹喔啉酮类的荧光分子探针却少有介绍。因此对于本论文中所研究的以克酮酸并喹喔啉为母体的荧光分子探针将有重要要的研究意义。1喹喔啉类化合物的合成方法及原理介绍对于喹喔啉酮的合成是用喹喔啉环合成为基础进行的，喹喔啉环的合成主要是通过邻二醛结构与邻苯二铵进行脱水缩合，缩合后通过自动氧化生成喹喔啉，反应式如图11图11喹喔啉环合成OOR1R2SOHOOH2OOR1R2SOOHHSOOHHOOOR1R2SHOHOSHOOHHN2NHNNR1R22氮原子保护及脱保护基本思路介绍对于氮原子的保护与脱保护反应应用较多的领域是在生物分子如蛋白质胺基的修饰与保护上面，本论文研究工作中，为了避免喹喔啉环中氮原子与苯环形成喹喔啉共轭体系而降低VILSMEIERHAACK反应的反应活性的出现采用氮原子酰基化来阻止共轭的产生。对于氮原子的保护方案，论文中主要采取BOC酸酐保护的方法，3VILSMEIERHAACK反应机理与合成方法介绍对于VILSMEIERHAACK反应来说主要反应生成芳醛，对于VILSMEIER试剂来说通常是利用无机酸酰氯（）与氮取代甲432223LRCOPBCLSOLPL、酰胺（如N,N二甲基甲酰胺（DMF）,N,N二乙基甲酰胺，N甲基苯基甲酰胺等）通过11反应生成的，现制现用。最常用的就是用DMF与三氯氧磷作为VILSMEIER试剂生成反应如图31图31VILSMEIER试剂生成反应4WITTTIG羰基换双键反应介绍WITTIG反应是利用醛基化合物与膦叶立德试剂进行生成双键的反应，是有机反应中常用的经典双键生成的反应之一，其主要的反应方程式如图41所示图41WITTIG反应5本论文的工作本论文的工作主要有两部分构成1、对于喹喔啉酮类的荧光分子化合物TPQT的合成路线的研究探索以及对于合成的每一步化合物分子进行定性表征；2、对于合成的产物进行定性分析；3、对于得到的产物进行结果讨论以及荧光性质的测定。POCL3NCMEMEOHNCMEMEHCLPOCL2PH3CR1R2OCR3R4CCR1R2R3R4PH3O第二章化合物的合成1研究方法及研究路线本论文主要进行以喹喔啉并环戊烯1,2,3酮为母体的喹喔啉酮类有机共轭荧光小分子的合成并且对其荧光性质进行分析检测。基本的合成方法是利用喹喔啉酮特殊的分子结构的特点，根据增长碳链的一般方法结合经典有机反应，对其进行碳链及共轭平面的扩增，进行荧光分子进行设计合成，并且在实验过程中研究探索对于经典的人名反应在不同的化合物体系中进行反应时的不同反应条件及注意问题。论文的总体设计合成路线为11喹喔啉酮合成设计利用克酮酸类原料（五方酸及五方酸钾）与邻苯二胺进行喹喔啉的环合成反应，本反应参照喹喔啉的合成方法进行研究。如反应路线211反应路线21112喹喔啉酮共振结构利用合成的4HCYCLOPENTABQUINOXALINE1,2,39HTRIONE喹喔啉酮化合物进行对芳环碳链的增长，但是对于化合物通过查阅资料发现其结构中存在如图212的共振形式【1】，此共振结构式中氮原子对于与苯环碳原子共轭产生吸电子共轭效应，不利于接下来将要进行的VILSMEIERHAACK反应，因此需要对分子进行修饰使其不具有吸电子效应。最常用的胺基保护策略为N原子的酰基化反应，考虑到保护及脱保护难易程度，我们选择用BOC酸酐进行保OOOHOHOOOOKOKONH2NH2NHHNOOO护氮原子，反应式如图213所示图212图21313NBOC化合物VH酰基化将NBOC保护完成的化合物利用VILSMEIERHAACK反应增加一个醛基碳原子来扩展碳链并为之后的共轭双键做准备，反应如图214图21414亚胺氮原子脱保护将芳环上连接一个醛基后，利用经典的WITTIG反应，用磷叶立德试剂进行双键的合成，但是，对于叶立德试剂来说，并没有很好的选择性，叶立德试剂能够与醛基、羰基甚至是酯基都能进行反应，对于BOC基团上存在一个酯基，因此为了避免叶立德试剂与保护基团反应，需要进行N原子的脱保护反应。对于本喹喔啉酮母体来说，本身存在不稳定结构，因此采用条件较为温和的脱保护方式TFA/DCM法，反应如图215所示NNOOOHHNNOOOHHNNOOOHH12NNOOOBOC2O/CH3DMAPNNOOOBOCBOCHHNNOOOBOCBOCDMF/POCL385RFNNOOOBOCBOCOHC图21515膦叶立德试剂制备用脱保护后的产品进行WITTIG反应，对于磷叶立德试剂的选择主要为了增加共轭环的大小主要选择苄基溴化磷盐作为反应试剂，本文中主要用N,N二甲基苄基溴化膦作为叶立德试剂，其制备过程如图216所示图21616WITTIG反应形成双键分子利用制备好的叶立德试剂进行双键反应，控制反应条件进行最终的化合物分子合成，得到目标荧光分子，反应如图217所示图217NNOOOBOCBOCOHCNHHNOOOOHCTFA/DCMME2NCHOKBH4ME2NCH2OHBRPH3PH3HBRCH2PH3BRME2NABBCH2PH3BRME2NHNNHOOONME2TBUOH/TBUOKTHF/N21HTM17实际反应过程中喹喔啉环双合成通过分析测试后得到实验结果为反应过程中没有进行第一步的11反应，而是得到了两个喹喔啉环的产物分子A，实际反应过程为如图171所示图171喹喔啉环双合成18BOC酰基化试剂羟基酰基化在第一步反应中得到的两个喹喔啉环的产物分子A用BOC酸酐进行酰基化处理得到的是羟基氧原子上的酰基化反应产物B，反应方程式如图181图181羟基酰基化反应19VILSMEIERHAACK反应得到平面共轭分子利用DMF/POCL3作为VH试剂目标是对芳环进行反应连接一个甲酰基，但由于原料分子中喹喔啉环收到共轭氮原子吸电子的共轭效应的影响而无法对苯环进行增加碳链而是在原料分子中唯一一个由SP3杂化的五元环碳原子进行了VH反应，可能是由于共轭结构的影响，水解水解反应不能进行，不能得到VILSMEIER反应的水解产物醛基，而是得到了未水解的第一步产物N,N二甲基烯胺的结构。反应方程式如图191所示图191VH反应OOOHOHO2H2NH2NNNNNOHANNNNOHNNNNOBOCO2DMAPABBOCNNNNOBBOCNNNNCDMF/POCL390N2实验仪器圆底烧瓶、烧杯、玻璃棒、直型冷凝管、球形冷凝管、铁架台、电热套磁力搅拌器、油浴锅、分液漏斗，常压滴液漏斗，漏斗、布什漏斗、水循环真空泵，层析瓶、硅胶柱、加压球、薄层硅胶板，点样毛细管、熔点仪、天平，分析天平、旋转蒸发仪、体视显微镜、红外光谱仪（AVATER370）、荧光光谱仪、紫外光谱仪（UV3900）、热重分析仪、烘箱，气流干燥器。3实验药品五方酸、五方酸钾、邻苯二胺、二叔丁基二碳酸酯、N,N二甲胺基吡啶（DMAP）、对二甲氨基苯甲醛、三苯基膦、硼氢化钠、氢氧化钾、叔丁醇钾TBUOK、冰醋酸、浓硫酸、三氟乙酸TFA、氢溴酸、浓硝酸、二氯甲烷（DCM）、三氯甲烷、四氢呋喃THF、乙酸乙酯、甲醇、乙醇、叔丁醇TBUOH、丙酮、石油醚。4目标产物的合成过程41化合物A五方酸并二喹喔啉化合物的合成411五方酸为原料取200G五方酸（00140MOL）加入到500ML单口烧瓶中，用量筒量取200ML冰醋酸加入到其中，溶液变为亮黄色，电热套进行磁力搅拌至溶解，称取152G邻苯二胺（00140MOL）固体加入到三口烧瓶中，溶液立即变成紫黑色，继续搅拌反应1小时。用电热套加热，回流反应30分钟后停止加热使其缓慢冷却至室温，溶液中有大量紫黑色固体，用布什漏斗抽滤，得青褐色固体与紫黑色溶液，用蒸馏水淋洗滤饼，继续抽滤十分钟后取下固体放入烘箱50烘干12小时。烘干后得236G青褐色固体A。反应式如图411OOOHOHO2H2NH2NNNNNOHCH3OHA图411412五方酸钾为原料取3G黄色针状的五方酸钾（00137MOL）固体加入到500ML单口烧瓶中，用量筒量取200ML蒸馏水加入到其中，溶液变为亮黄色，用天平称取350亚硫酸钠（00277MOL）固体加入到三口烧瓶中，继续用电热套搅拌使其溶解，称取150G邻苯二胺（00139MOL）固体加入到三口烧瓶中，邻苯二胺悬浮在水溶液表面，溶液颜色没有变化，用量筒量取5ML冰醋酸加入到溶液中，溶液立即变成深紫红色并产生大量紫黑色固体，溶液颜色加深，最终变成紫黑色，继续搅拌反应1小时。用电热套80加热回流反应30分钟，停止加热使其缓慢冷却至室温，溶液中有大量紫黑色固体，用布什漏斗抽滤，得青褐色固体与紫黑色溶液，用蒸馏水淋洗滤饼，继续抽滤十分钟后取下固体放入烘箱50烘干12小时。烘干后得250G青褐色固体A,收率为6282。反应如图412OOOKOKO2H2NH2NNNNNOHCH3OHANA2SO3图41242BOC酸酐羟基酰基化反应称取5G前面合成的青褐色喹喔啉酮A（00175MOL）固体粉碎成粉末后加入到500ML单口烧瓶中，加入200ML甲醇，溶液变成棕褐色，有大量不溶固体悬浊液，称取05GDMAP（00041MOL）催化剂加入其中，固体悬浊液很快溶解变成红褐色溶液，继续磁力搅拌30分钟，用天平称取二叔丁基二碳酸酯（）试剂12G（00549MOL）用胶头滴管滴加到单口烧瓶中，溶液立即变为OBOC2黄绿色，并有黄色沉淀析出，并且搅拌过程中有气体放出，继续磁力搅拌1小时，用布什漏斗抽滤，得黄绿色溶液和黄色滤饼，继续抽滤十分钟后取下滤饼放入烘箱30烘干12小时，得黄色固体315G，滤液进行旋蒸凝缩，浓缩后得黄褐色沉淀附着于圆底烧瓶中，烘干后取下，将旋干的固体放置进行提纯后再用。抽滤得产品收率为4658。反应方程式如图421图42143VILSMEIERHAACK反应将新买DMF与三氯氧磷进行重蒸处理，处理后放入干净的试剂瓶备用。取1G黄色NBOC保护的固体粉末B（00026MOL）加到50ML的单口圆底烧瓶中，加入20ML重蒸后的DMF过量，溶液立即变成黄色浊液，将烧瓶用铁架台架好后放在冰浴的磁力搅拌器上面，搅拌冷却。将常压滴液漏斗装在圆底烧瓶上面，向其中加入10MOL重蒸的三氯氧磷（过量），调节滴加速度在冰浴下进行缓慢滴加，滴下后溶液中立即产生白色的烟雾，20分钟后滴完三氯氧磷试剂，滴完后溶液变成黄色琼脂状浓稠液体，继续搅拌十分钟后撤去冰浴，使其缓慢升温到室温，溶液逐渐变稀，室温下搅拌30分钟后用油浴锅85回流加热3小时后溶液开始由黄色变成棕黄色，继续反应溶液变成红色，18小时后溶液变成暗红色浊液，撤去油浴继续搅拌使其缓慢冷却至室温。称取31G氢氧化钾溶于100ML蒸馏水后向氢氧化钾溶液中加入100ML含有冰块的蒸馏水，将红褐色反应溶液缓慢加入到含有冰块的氢氧化钾溶液中，并用玻璃棒不断搅拌，溶液变成暗红色，PH7用蒸馏水冲洗圆底烧瓶合并试剂，将溶液用磁力搅拌继续搅拌水解2小时,溶液中有大量红色细针状晶体。用下面两种不同的方法获得所要的产品固体，将水解后的溶液倒入到1000ML的分液漏斗中，加入300MLDCM进行萃取，1下层油相立即变成深红色，上层颜色更。将下层DCM萃取液旋蒸，得黑色色固体附着于圆底烧瓶，将旋蒸所得DCM继续加入到分液漏斗中进行萃取，反复4次后下层油相变成淡黄色，上层水相为红色，将旋蒸后的黑色固体用少量DCM溶解过滤到烧杯中挥发结晶。两天后得到红色针状晶体。将水解后的溶液用漏斗进行过滤，得红色固体，将红色针状晶体放到烘2箱内40烘12小时得03994G红色细针状固体。收率为45。反应如图431NNNNOHNNNNOBOCO2DMAPABBOC图431NNNNOBBOCNNNNCDMF/POCL390N第三章化合物的表征与结果1化合物结构表征所应用的测试方法根据不同的提纯方法与相对于产物的提纯难易程度和对于测试产物不同性质的要求，我们进行了紫外、红外、荧光、核磁和单晶衍射的测试方法。2产物的提纯21水热法结晶化合物A对于化合物A，在有机溶剂中溶解度较小挥发结晶法失败，在水中有一定的溶解度，因此用水热的方法进行了晶体生长实验,用005G的深色固体A加入到水热釜中，加入水热釜2/3体积的蒸馏水，放入烘箱内220加热2小时，关闭烘箱电源使其缓慢降温到室温（过夜），得到大量褐色薄片、针状晶体。22索氏提取法提纯产物B对于产物B在有机溶剂中的溶解度非常小，在二氯甲烷中有一定的溶解度，因此，用二氯甲烷为提取剂，将产物B进行索氏提取得到黄色的提取液，将提取液进行浓缩，得黄色固体与深黄色母液，过滤并用DCM进行冲洗后得到提纯后的产物B。23挥发结晶提纯化合物C产物C很容易溶解于DCM，因此用二氯甲烷将产物C溶解过滤到干净的烧杯中，将烧杯用新的滤纸封闭，两天后得到红色针状晶体。3化合物的表征31红外测试我们对反应中间及最终产物进行了红外溴化钾压片测试，测试结果如下图311产物A红外吸收图312产物B红外吸收35030250201501050402002040608010120TRANSMITANCEWAVENMA350302502015010502002040608010120140160180TRANSMITANCEWAVENMB图313产物C红外吸收350302502015010500501015020250TRANSMITANCEWAVENUMBERSCM1C32紫外测试由于产物B溶解性太小，没有对B进行紫外测试，下面是A、C紫外测试图321产物A紫外图322产物C紫外203040506000510152025ABSWAVENMC203040506002002040608101214161820ABSWAVENMANNNNPNSAMPLE1NNNNOHSAMPLE233核磁表征对产物B进行了核磁H1谱检测（氘代氯仿），核磁氢谱如图331所示图331产物B核磁34单晶表征将结晶质量较好的产物C进行了单晶送样检测，得到晶体结构如下所示图341产物C单晶热球图342产物C晶胞堆积图35荧光表征对产物C进行了荧光分析测试，测试结果如图351所示图351产物C荧光发射光谱从荧光光谱图可以看出，产物C主要在紫外光照下产生红色与黄色两种不同波段的荧光。4实验小结通过产物的表征，得到了实验过程中每一步实验产物的定性分析，紫外红外光谱能够很好地辅助辨认不同产物之间的区别，单晶结构证实了实验的最终合成产物为23个原子参加共轭的刚性平面共轭分子，通过荧光发射光谱的检测，得到最终产物分子额荧光性质，能够吸收紫外光而发射不同波段的荧光。第四章结论1实验方案实验从2015年1月份开始经历四个多月的时间，对本有机荧光化合物分子进行了合成与表征，每一步反应都经过多次尝试，最终在表征数据的支持下改正了最初实验设计路线中