（有机化学专业论文）几种基于苝的氮氧自由基的合成及性质研究.pdf

独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如 没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位做储躲磁许一字：2 二一夸 | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权堂撞可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在 解密后适用本授权书) 学位论文作者躲讳垂呼 导师签字易绳 签字日期：2 0 0 - 7 年f 月j f 日 签字日期：2 0 07 年朔罗日 山东师范大学硕士学位论文 中文摘要 花系衍生物具有优异的光、熟和化学稳定性，对从可见区到红外区的光有很 强的吸收，是一类性能特异的分子电子学材料，在激光材料、荧光探针分子、液 晶显示材料、电致发光器件、场效应晶体管及太阳能电池等方面有着广泛的应用， 对它们的发光性质及其他光物理性质的研究一直以来都是异常活跃的课题。本文 设计并合成了一系列新颖的基于范的荧光开关和有机磁体，并对其光化学性质和 磁性质作了研究。论文主要包括以下内容： 第一章：概述了花系衍生物的合成、性质及应用研究；自由基的产生、危 害及检测方法：有机磁体的发现、研究进展及意义。将高荧光量子产率的3 ，4 ： 9 ，1 0 一莸四羧酸二酐设计并修饰成带稳定氮氧自由基的新颖的荧光开关和有机磁 体为本文的主要创新点。 第二章：我们以较高的产率设计并合成了一系列新颖的基于筢的荧光开关， 研究表明，高荧光量子效率的花二酰亚胺衍生物可以通过光诱导电子转移效应被 共价联接的氮氧自由基有效促灭，也可以在活性氢或羟自由基存在下破坏氮氧自 由基而使荧光开关打开。该类荧光探针分子具有细胞渗透性，能有效地进入神经 细胞，并且激发波长在5 0 0l i r a 以上，可有效地减弱生物体系背景荧光的干扰。 第三章：我们设计并合成了一系列新颖的基于菲的自由基，并对其磁性质 进行了初步研究，期望通过花系衍生物的有序排列获得新的磁性质。 关键词：花系衍生物，荧光开关，自由基，有机磁体 分类号：0 6 2 5 1 5 山东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tc l a s so ff u n c t i o n a lm a t e r i a l s ，p e r y l e n eb i s i m i d ed e r i v a t i v e p o s s e s sm a n ya d v a n t a g e so fs t a b l es t r u c t u r e ，o u s t a n d i n gp h o t o e l e c t r o np r o p e r t i e s ， h i 曲t h e r m a ls t a b i l i t ya n de x h i b i tw i d ea b s o r p t i o na n de m i s s i o nb a n d si nt h ev i s i b l e ， w h i c hc a l lb ew i d e l yu s e di nl a s e rm a t e r i a l ，f l t l o r e s c e n c ep r o b e ，l i q u i dc r y s t a lm a t e r i a l ， o r g a n i cs o l i ds t a t ep h o t o v o l t a i cd e v i c e ，o r g a n i ct h i n f i l mf i e l d - e f f e c tt r a n s i s t o r , o r g a n i cs o l a rc e l la n ds oo n i nt h i sp a p e r ，as e r i e so fn o v e lf l u o r c s c e u c ep r o b ea n d o r g a n i cm a g n e t sw h i c hb a s e do np e r y l e n eb i s i m i d e s ，h a v eb e e nd e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d ， a n dt h e i rp h o t o e l e c t r o np r o p e r t i e sa n dm a g n e t i cp r o p e r t i e sh a v eb e e ns t u d i e d t h r e e c h a p t e r sw e r ei n c l u d e di np r e s e n tt h e s i s t h er e s e a r c ho fs y n t h e s i s ，p r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o n so ft h ep e r y l e n eb i s i m i d e d e r i v a t i v e s ；t h ep r o d u c tp r o c e s s ，h a m l f i de f f e c t sa n dd e t e c t i o nm e t h o d so ff r e e r a d i c a l s ；t h ed e t e c t i o n , a p p l i c a t i o n sa n ds i g n i f i c a n c eh a v eb e e nr e v i e w e di nc h a p t e r 1 t h ed e s i g no fas e r i e so ff l u o r e s c e n c es w i t c h e sa n do r g a n i cm a g n e t sw h i c hb a s e do f t p e r y l e n eb i s i m i d e si st h en o v e li n n o v a t i o n as e r i e s o fn o v e lf l u o r e s c e n c ep r o b e sw h i c hb a s e do np e r y l e n eb i s i m i d e s ，h a v eb e e n s y n t h e s i z e di ng o o dy i e l d si nc h a p t e r2 t h ec o m p o u n d sw e r es t u d i e di nd e t a i l e d w i t hs t e a d y - s t a t es p e c t r o s c o p y , d y n a m i c s t a t es p e c t r o s c o p ya n de s rs p e c t r u m i n c o n c l u s i o n ： 1 , 7 一b i s ( p - t o r t - b u t y l p h e n o x y ) - n - c y c l o h e x y l - n - ( 2 266 - t e w a m e t h y l p i p e r i d i n e 1 - o x y l ) - p e r y l e n e - 3 ，4 ，9 ，1 0 t e t r a e a r b o x y l i ci m i d e0 0 ) w a san o v e l f l u o r e s c e n c ep r o b ef o rt h ed e t e r m i n a t i o no f h y d r o x y lr a d i c a lb o t hi nc h e m i c a ls y s t e ma n di nl i v i n g c e l l s i tw a sd e s i g n e db yi n c o r p o r m i n gt h en i t r o x i d et op e r y l e n ei m l d e , w h i c hw a sp r o v e dt ob e h i g l ls e n s i t i v ea n ds e l e c t i v e f e a t u r e di ns t r o n gf l u o r e s c e n c ea b o v e5 0 0n r na n dc e l l p e r m e a b l et h e h 砂f l u o r e s c e n c ec a nb es w i s h e do f fb yn i t r o x i d et h r o u g hap e tm e c h a n i s ma n ds w i t c h e do n r a p i d l yb y 仃a p p i n gah y d r o x y lr a d i c a lo rs l o w l yb yr e d u c t i o nw i t ha s c o r b i ca c i d as e r i e so fn o v e lo r g a n i cm a g n e t sw h i c hb a s e do np e r y l e n eb i s i m i d e s ，h a v eb e e n s y n t h e s i z e di ng o o dy i e l d si nc h a p t e r3 t h e i rs t r u c t u r e sh a v eb e e nt e s t i f i e db y 1 h n m r , 1 3 c - n m r , m sa n de s ra n dt h e i rm a g n e tp r o p e r t i e sw o u l db es t u d yi nf u t u r e 2 山东师范大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：p e r y l e n ed e r i v a t i v e ，f l u o r e s c e n c es w i t c h 。矗眙r a d i c a l ，o r g a n i cm a g n e t c a t e g o r yn u m b e r ：0 6 2 5 1 5 3 山东师范大学硬士学位论文 第一章前言 1 1 有关菲的简介 1 1 1概述 3 ，4 ：9 ，1 0 芄四羧酸二酐及其衍生物具有优异的光、热和化学稳定性，对 从可见区到红外区的光有很强的吸收，是一类性能特异的化合物。在激光材料、 生物荧光探针分子、液晶显示材料、电致发光器件、感光体、场效应晶体管儿，加、 分子电子学3 - 钉、太阳能电池6 ， 、发射二极管幔9 3 等方面已经有广泛的应用1 0 ， l lj 。菲分子内的电子共扼度和分子共平面度极大，因此具有很高的荧光量子产率。 花四羧酸二酰亚胺类化合物也是一类荧光性很强的化合物，荧光量子产率非常商 ( 接近于1 ) 。因此花类衍生物是很好的荧光团。 花可以看作是两个萘分子单元通过s p 2 杂化键合形成的一个大平面芳香体 系。3 ，4 ：9 ，l o 花四羧酸二酐( 简称花酐) 具有稳定的共平面结构，羰基的丌 电子与藐的7 【电子体系共轭，形成一个稠环耳电子共轭体系，呈现稳定的光吸收特 性和强的荧光量子产率。因为3 ，4 ：9 ，1 0 - j 苞四羧酸二酐是平面性结构，霄冗作 用很强具有较大的晶格能，所以其溶解性很差，几乎不溶于所有有机溶剂。3 ，4 ； 9 ，1 0 芄四羧酸二酐的分子结构及其碳原子的位置编号如下： 56 7 8 图1 13 ，4 ：9 ，1 0 辛琶四羧酸二酐的分子结构及其碳原予的位置编号 为了增加其菲四羧酸二酐的溶解性，我们一般采取两种方式解决：其一是 l a n g h a l s 教授的经典做法“，在花四羧酸二酰亚胺( p d i ) 的氮原子上引入增溶 性的基团。其二是s e y b o l d 教授首次提出的方法c 1 3 , 即在1 ，7 或l ，6 ，7 ，1 2 位入增溶性的取代基，先将1 ，7 或1 ，6 ，7 ，1 2 位卤化，再对卤原子进行亲核取 代，将苯氧基引入到花四羧酸二酰亚胺上。研究者后束发现对花四羧酸二酐进行 4 山东师范大学硕士学位论文 溴化可以得到二溴代的衍生物”，继续反应可得到二取代的花系衍生物4 1 。 再在一些还原剂( 如a l l i h 4 ，b f 3 - t h f 等) 的作用下，可以将花四羧酸二酰亚胺 的羧基还原成相应的亚甲基，经进一步脱氢生成d i a z o a r o m t i c 盐n 引。除此之外， 花四羧酸二酰亚胺还可以作为聚酰胺的单体与一些聚合物单体发生缩聚反应，如 花四羧酸二酐与对二苯胺缩合生成花聚酰胺射；花四羧酸先与水合肼反应，随 后与邻苯二甲酸类化合物缩合生成聚酰胺2 q 2 1 3 及在花的l ，6 ，7 ，1 2 位带有苯 氧醛的聚酰胺的合成2 2 。关于花聚酰亚胺聚合物( 简称p t c ) ，w a n g 等人2 3 3 报 道了用脂肪二胺合成含芄聚酰亚胺和含花共聚酰亚胺，并研究了与电子给体化合 物小分子三芳胺构成双层结构膜的感光体用于电子照相方面。最近t h e l a k k a t 等 人眩4 1 用稠环二胺合成了含花共聚酰亚胺，当共聚物中花四酸二酐的含量为百分 自一摩尔时固体薄膜有高荧光量子产率，当与电子给体化合物小分子和三芳胺共 混后，荧光完全淬灭。 l a n g h a l s 教授在花四羧酸二酰亚胺( p d i ) 的氮原子上引入增溶性的基团的 经典做法是：将j 芭四羧酸二酐和伯胺，以醋酸锌为催化剂，以喹啉、咪唑或毗啶 为溶剂，在惰性气体的保护下回流。对于活泼的脂肪胺，花四羧酸二酐的酰胺化 条件比较温和，以吡啶为溶剂即可。但对于活泼性差的芳香胺，花四羧酸二酐的 酰胺化条件相对苛刻一些，一般以高沸点的喹啉为溶剂。其中花四羧酸二酐和2 ， 4 一二叔丁基苯胺生成的产物溶解性较好。s e y b o l d 教授首次提出的在1 ，7 或1 ，6 ， 7 ，1 2 位引入增溶性的取代基的方法是：先将3 ，4 ：9 ，1 0 菲四羧酸二酐的1 ，7 或1 ，6 ，7 ，1 2 位进行卤化得到卤化的3 ，4 - 9 ，1 0 花四羧酸二酰亚胺，再用增 溶性基团与卤化的3 ，4 ：9 ，1 0 - 花四羧酸二酰亚胺发生亲核取代生成二或四取代 的3 ，4 ：9 ，1 0 一藐四羧酸二酰亚胺。其中l ，6 ，7 ，1 2 位上有取代基存在时溶解 性较好。修饰后的p d i 的分子结构及其碳原子的位置编号如下： 山东师范大学硕士学位论文 r e 一r 5 图1 2 修饰后的p d i 的分子结构及其碳原子的位置编号 将酐部位变成酰亚胺后引入带有增溶性的取代基( 如烷基或芳香基) 通常不 会对其吸收和发射特征带来明显的变化，这是由于整个分子的h o m o 和l u m o 轨道在酰亚胺的氮原子上的节点，使3 ，4 ：9 ，1 0 - 花四羧酸二酰亚胺( p d i ) 单 元与两端取代基之间的共轭减小到最低 2 5 , 2 6 j 而在1 ，7 或1 ，6 ，7 ，1 2 位直接引 入取代基则会带来不同的效果 2 7 j 。这是因为n 取代基对s t o k e s 位移的影响玻小， j 芭环上的取代基对s t o k e s 位移的影响较大眩3 】，l ，7 或1 ，6 ，7 ，1 2 位取代基的 引入使花平面的两个萘环之间有了扭曲，产生了不同的扭转角，开趸共轭减小。 研究者们将3 ，4 ：9 ，1 0 菲四羧酸二酐的1 ，7 位或l ，6 ，7 ，1 2 位卤化，随后与 一级胺反应生成卤化的3 ，4 ：9 ，1 0 菲四羧酸二酰亚胺，再迸一步取代得到各种 各样的衍生物，如将酚基c 2 9 j 烷氧基 3 0 1 氰基 3 1 , 3 2 3 等亲核试剂连接到花核上， 并得到了奇妙的光学和电化学特征。目前，对耗二酰亚胺l ，7 位进行修饰已经十 分成熟，主要是通过1 ，7 位溴化后取代，溴化最常用的是花四羧酸二酐硫酸法直 接溴化。对3 ，4 ：9 ，1 0 花四羧酸二酐的一些常规修饰如下： 山东师范大学硕士学位论文 撕o c _ ： k “c j d w h 白m l 州 白w n 白 酬 h 白d 。w ”- w 池 “斜由r 啪 t w 。，k 图1 - 3 对3 ，4 ：9 ，1 0 - j 琶四羧酸二酐的一些常规修饰 花四羧酸二酰亚胺分子具有复杂的化学结构，具有不同的能级。大多数分 子在室温时均处在基态的最低振动能级，当物质被光线照射时，该物质的分子吸 收了和它所具有的特征频率相一致的光线，而由原来的能级跃迁至第一电子激发 态或第二电子激发态的各个不同振动能级以及各个不同转动能级，如图1 3 所示。 耗分子在3 5 0 6 0 0 n t o 之间有三个典型的吸收谱带，分别在4 2 0 n m ，4 8 0 n m * n 5 l o n m 左右。由于其振动能级的形式较为复杂，在它们的吸收光谱中一般呈现两个大范 围的吸收带，一是由基态至第一电子激发态各个不同振动能级的跃迁，呈现一个 宽阔的吸收带，二是由基态至第二电子激发态各个振动的跃迁则呈现另一个宽阔 而波长较短的吸收带。 7 # 山东师范大学硕士学位论文 i l 32 吸吸 无辐射跃迁4 光光 i i i- 1 吸 荧光5 光 3 2 1 v = o 3 2 1 v = o 3 2 基 1 态 v = o 图l - 4 吸收光谱和荧光光谱能级跃迁示意图 花四羧酸二酰亚胺分子在吸收了光而被激发至第一或以上的电子激发态的 各个振动能级之后，在很短暂的时间阿急剧降落至第一电子激发态的最低振动能 级，在这一过程中它们和同类分子或其他分子撞击而以热的形式消耗了相当于这 些能级之间的能量，因而不发出光。由第一电子激发态的最低振动能级继续往下 降落至基态的各个不同振动能级时，则以光的形式发出，所发出的光即是荧光( 图 1 41 由此可见，发生荧光的第一个必要条件是该物质的分子必须具有与所照射光 线相同的频率，而分子具有怎样的频率是与它们的结构密切联系的。因此，要发 生荧光首先必须有一个能够吸收光线的化学结构。发生荧光的第二个必要条件 是：吸收了与其本身特征频率相同的能量之后的分子，必须具有高的荧光效率。 许多会吸收光的物质并不一定会发生荧光，就是由于它们的吸光分子的荧光效率 不高，而将所吸收的能量消耗于碰撞( 以热的形式) 中放出，因此无法发出荧光。 显然有机化合物的结构与它们的荧光有密切关系。荧光通常发生于具有刚性结构 和平面结构的电子共扼体系的分子中，随着电子共扼度和分子平面度的增大，荧 光效率也将增大。它们的荧光光谱也将移向长的波长方向。分子共平面性越大， 其有效的电子非定域性越大，也就是电子共扼度越大。任何有利于提高电子共扼 度的结构改变都将提高荧光效率，或使荧光波长红移。花分子内的电子共扼度和 第二电子激发态 第一电子激发态 山东师范大学硕士学位论文 分子共平面度极大，因此具有很高的荧光效率。花四羧酸二酰亚胺类化合物是一 类荧光性很强的化合物，荧光量子效率非常高( 接近于1 ) 。 i 图i - 5 茈四羧酸二酰亚胺的h o m o ( 上) l u m o ( 下) 的轨道图 1 1 2菲的衍生物的应用研究 1 1 2 1 p - n 型太阳能电池 范四羧酸二酰亚胺类化合物从可见区到近红外区有很强的吸收。从单线态发 射有很高的量子效率。染料分子的单线态电子注入半导体导带的速度比三线态 快，从而具有高光电转换效率的前提。另外花类化合物的能级与t i 0 2 纳米晶体的 导带匹配性也很好，这一点是至关重要的，这是因为只有具有合适电子能级的染 料分子，在可见光激发下产生的电子才能注入半导体的导带，绝大多数的无机半 导体如z n o 、t i 0 2 和s n 0 2 都属于1 1 型半导体。茈四羧酸二酰亚胺主要是作为n 型 半导体材料，与p 型半导体材料组成p - n 型太阳能电池( 图1 6 ) 。c w t a n g 在8 0 年 代初首先报道了了n ，n 花二酰胺为n 型的半导体材料，以铜酞箐为p 型半导体 材料组成的p 1 1 结电池。这种电池在a m 2 光线照射下( 7 5 n w c m 。) ，光电转化率可 达1 阻 ，关于菲二酰胺酞箐体系作为模型，人们对其在理论和实际应用方面 作了大量的研究工作 3 4 。6 】。加工环境的不同，与不同的j 芑四羧酸二酰亚胺共沉 积，以及p n 结的敏化效应的不同均对电池性能有所影响。多层p n 结串联，中间 9 山东师范大学硕士学位论文 用金半透明薄膜联结，可以使电池的整体光电转换效率有所提高，但使单个电池 效率降低3 。 图1 - 6p _ n 型太阳能电池结构示意图 1 。1 2 2 分子开关 w a s i e l e w s k i 领导的研究小组提出了以花二酰亚胺为电子受体，在n 原子上 连接两个给体的d - a - d 分子开关模型( 图l 一7 ) 。并对以类胡萝卜素为电子给体，以 苯为中间连接部分的分子开关系统进彳亍了性能和机理研究，此类分子开关在光驱 动下双稳态之间的转换非常迅速，可以达到皮秒级。这是由于双稳态之间的转换 是建立在电子转移的基础之上，与以结构变化为双稳态转换机理的分子开关相 比，不仅在转换速度上，两且在抗疲劳度方面都优于后者e 3 8 , 3 9 3 。 静勰略 图1 - 7 分子开关结构图 1 1 2 3 新型液晶材料 分子半导体( m s c s ) 由于在光发射二级管，太阳能电池等领域的广泛应用 越来越受到人们的关注，一些分子半导体( m s c s ) 如酞菁染料通常情况下掺杂 金属离子，但掺杂的分子半导体应用于场效应晶体管时却受到了限制，为解决这 l d 山东师范大学硕士学位论文 一问题，b r i a na g r e g g 和r u s s e l la c o r m i e r 教授合成了p p e e b 删( 图1 8 ) ， 将其质子化后可作为液晶材料。 一。一善琏一一p 。 一。一黔 9 一一。一溜g p 。一 。一 ， 图i 8 新型液晶材料的分子结构 1 1 2 4 荧光标识剂 作用于d n a 的药物一般采取两种方式，或结合于d n a 右向双螺旋结构的沟 槽中，或插入于两个基对之间，与d n a 形成非共扼的相互作用。其结果或者改 变了d n a 赖以生存的酶动力学环境，使d n a 的功能发生变化，或者通过光，热 作用，使药物与d n a 发生氧化还原反应，以破坏d n a 的结构。能够插入到d n a 大分子中的药物分子多具有大7 c 键稠环芳香体系和阳离子中心，花四羧酸二酰亚 胺具有大7 1 ：键稠环芳香体系，但是没有阳离子中心。而菲四羧酸二酰亚胺的还原 产物( d m d d ) 却是一类极好的d n a 插入剂，并且在与d n a 结合后，可在光诱导下 导致d n a 裂解。溶液中d m d d 与g - c 较a 玎有高亲和性。d m d d 与a t 相结合时， 荧光增强，而当a t 相邻处有g - c 时，则荧光猝灭。d m d d 插入d n a 的长轴垂直 于d n a 对基的长轴，且分布在对基的外边，但d m d d 并不垂直于d n a 双螺旋轴， 而是以倾斜一定的角度( 平均7 2 。) 排列的。对d m d d 在d n a 上荧光猝灭的研究 发现，d m d d 能从d n a 上吸收一个电子形成自由基阳离子，其衰减寿命为l o o n s 。 i i ) m d d l 图1 - 9d m d d 的分子结构 山东师范大学硕士学位论文 花四羧酸二酰亚胺的n 取代基为脂肪族长链时，结构的特殊性使它能够插入 细胞膜中，分子两端的亲脂性脂肪族长链分布于细胞膜两边的磷脂层中，花母核 则横穿细胞膜。分子的荧光特性不受影响，同时菲四羧酸二酰亚胺也不会诱导磷 脂的非特异性相互作用。因此，j 芭四羧酸二酰亚胺可被使用于作为荧光标识刺， 用于某些生物学理论方面的研究，如亲磷脂性单克隆抗体靶向释放机理的研究 c 4 1 1 1 2 5 生物传感器 a l e x a n d e rd q l i 研究小组将疏水基荧光团花和亲水基d n a 结合起来，构 建了一种由温度控制的可相互折叠的聚合物h 2 1 ，通常情况下聚合物随温度的升 高变得更无次序，但此种嵌入花的聚合物随温度的升高排列的更整齐，温度降低 时又会恢复到原来的无序状态，并且是一个可逆过程，原因是随温度的升高花的 兀呵作用增强( 如图所示) ，使聚合物排列成折叠状，此类基于花的生物传感器 正在研究之中。 图l l o 嵌有花的聚合物排列随温度变化的示意图 1 1 2 6 自组装构建模块 很多研究也证明花类衍生物可以作为很好的建筑模块进一步构筑超分子和 大分子体系f 4 3 。花及其衍生物分子间存在着强烈的舯堆积，这方面人们研究的 1 2 山东师范大学硕士学位论文 比较多，o r a s e r ，h i d c k e 和k l e b e 已报道过包括母体花四羧酸二亚酰胺在内的 1 8 种茈系衍生物的晶体结构1 ，最近z u g e n m a i e r 等又报道了另外6 种花系衍生 物的晶体结构h 卯。晶体结构研究表明茈及其衍生物分子间呈平面几何形式的堆 积，纯茈平面之间的距离在3 3 4 和3 3 5 a 之间，近似于石墨层间的距离3 3 5 a “】。 这些晶体最主要的特点是晶格内存在着冗冗作用，由于这些晶体分子间偏移以及 排列方式的不同，它们间兀兀作用的大小也不同，在宏观上表现出了不同的颜色， 4 7 】，当其径向上有发色团取代基时，对7 【吼作用的影响不是很大。花及其衍生物 分子在溶液中的7 9 - 7 【堆积研究的比较晚，直到最近几年人们才能准确计算其在溶 液中吉布斯聚合能的大小h 耵，人们为其选择增加酰亚胺集团后，减小了分子间 的聚合常数，增加了其在非极性溶液中的溶解性。研究者研究了基于浓度递变的 紫外可见光谱，发现在聚集后，所有芄系衍生物都发生了显著的光谱变化，研 究还发现当花平面侧面有取代基时，删c 堆积的能量变小，且取代基越多纠【堆 积的能量越小，这是因为取代基的存在扭曲了花分子的兀体系平面 4 9 1 。g - g 堆 积的能量的大小还与溶剂极性的大小有关，在极性越大的芳香性溶剂以及绿色具 有偶极的溶剂中纠潍积的能量越小。对于j 类型堆积的聚集体，在聚集状态时， 荧光强度不会减小，但因富电子的酰亚胺取代基的原因，它们的荧光量子产率却 会减小，因此在光致电子转移过程中它可用于电子给体。花衍生物分子在溶液中 平面间在径向和纬向上也有一定的平移t4 卯，它们问的排列为一维柱状排列， 两端的氨基取代链不影响分子间的聚集，影响分子间聚集的是花平面上发色团取 代基之问的作用。像在脂肪烃溶剂中一样，在酒精和水中花及其衍生物分子的7 【嘎 堆积也很大，这是因为它们都是花及其衍生物的不良溶剂，不能很好的溶解7 c 表 面，l i 和j a n s s e n 的研究组利用这一性质设计合成了具有折叠形貌的聚合物及 膜 5 0 3 。p d i 在兀咀作用下的堆集形式如下图所示： 山东师范大学硕士学位论文 荔 图1 1 1p d i 的j 型堆集 图1 1 2p d i 的螺旋型堆集 化合物的荧光与其结构有密切关系。荧光通常发生于具有刚性结构和平面结 构即静电子共扼体系的分子中，随着冗电子共扼度和分子平面度的增大，荧光 1 4 擎n o 殴一 s 一o 山东师范大学硕士学位论文 量子产率也随之增大。它们的荧光光谱也将向长波长方向移动。分子共平面性越 大，其有效的舻电子非定域性越大，也就是丌电子共轭度越大。任何有利于提 高静电子共轭度的结构的改变都将提高荧光量子产率，或使荧光波长向长的波长 方向移动。花内的僻电子共扼度和分子共平面度极大，因此具有很高的荧光量子 产率。花二酰亚胺类化合物是一类荧光性很强的化合物，但荧光的强度与花二酰 亚胺的结构有很大的关系。当分子中存在强供电子基团时它们在溶液中的荧光强 度将得到明显的淬灭，这可以被归因于分予内缺电子的花核与供电子基团间发生 的有效的电子转移盱卜5 钔。一般情况下花的衍生物( p d i ) 被认为是一个封闭的 发色团，荧光量子产率几乎是定量的e 5 5 - 5 7 且产率和寿命不受氧的影响，因为 p d i 是缺电子的染料，非常容易被还原而难以被氧化，其缺电子特征也是它具 有高度光稳定性的一个先决条件。因此花及其衍生物具有优异的光、热和化学稳 定性，又由于其荧光量子产率高，所以花的衍生物是荧光团来源的首选。 1 2 有关自由基的简介 1 2 1 概述 自由基就是具有未配对电子的原子、分子或离子。自由基在生物体内的危 害，依组成生物体的各种大分子物质均有不同程度的损害作用，分别为：氧化破 坏脂质、核酸与蛋白质。在生命活动的代谢过程中不断产生各种自由基，其中具 有代表性的有超氧阴离子自由基( 0 2 ) 、羟基自由基( h o ) 、脂自由基( r o o 1 、 一氧化氮( n o ) 、过氧亚硝基阴离子( o n o o ) 等，它们与生物体的衰老及许多疾 病的发生都有重要关系 耵。有关自由基的研究已经涉及到像癌症治疗、心血管 病防治、预防衰老和器官移植等临床医学的重大疑难问题，也是植物生理与发育 的关键问题。s e t s u k i n a i 瞪郫等合成了一种选择性极高的测定h o 的新型荧光探针， 这种荧光探针能够与h o 发生特异性反应，而不与超氧阴离子自由基、双氧水、 单线态氧等其它活性氧反应，但不能应用于生物体系。国内厦门大学的杨小峰、 郭祥群基于无荧光的顺磁性荧光分子- 氮氧自由基复合物与自由基作用后，变成 抗磁性物质，荧光恢复这一原理，设计合成了哌啶类氮氧自由基自旋标记荧光探 针陆o ，6 1 1 ，用荧光法测定f e n t o n 反应产生的h o 自由基。华东师范大学的金利通、 鲜跃仲等研制出一系n n o 自由基微型传感器，用电化学方法对生物体内的n o 自 由基进行实时、在体分析，取得了一定成绩撇6 4 1 0 活性氧自由基对生物体的损 山东师范大学硕士学位论文 伤作用虽然已经逐步获得公认，在2 0 世纪受n t 极大关注 6 5 3 然而，由于生物 体内活性自由基的寿命非常短，导致通常情况下稳态浓度极低，而短寿命和低浓 度意味着自由基的测定异常困难，特别是在生物活体内( i nv i v o ) 与直接原位( i i l s i t e ) 的检测目前尚未有突破。另外生物体内还存在着预防自由基损伤的内在抗氧 化防护体系 6 6 3 ) 因而至今为止人们尚无法直接动态观测到某些器官中活性自由 基的产生，对它们的生成机制，生理作用及其动态损伤生物机体的过程都缺乏足 够的认识和充分的实验证据，以至在临床上直接影响和限制对许多疾病的治疗效 果。因此，针对动、植物生物活体内自由基开创新的分析与检测技术是具有挑战 性的前沿课题之一。 自由基是引起衰老和人类许多疾病的重要因素。例如癌症、多发性硬化症、 帕金森疾病、自身免疫疾病、局部缺血、贫血症、老年痴呆病、慢性肺炎等都与 自由基有关。在各种各样的自由基中，由于羟基自由基具有很强的活性而起着非 常重要的作用。现在人们越来越认识到清除体内过剩自由基的重要性。因此寻找 能够清除活性氧自由基并具有治疗作用的抗氧化剂具有十分重要的意义。 各种自由基中，羟自由基( t o h ) 是一种氧化能力很强的自由基，它能够很容 易地氧化各种有机物和无机物，氧化效率高，反应速率快，是造成组织脂质过氧 化、核酸断裂、蛋白质和多糖分解的活性氧，与机体的衰老、肿瘤、辐射损伤和 细胞吞噬有关。由于o h 的反应活性大、寿命短、存在浓度低，所以关于o h 的 检测方法就显得特别重要。通常认为体内羟基自由基是通过f e n t o n 型反应由亚 铁离子和过氧化氢反应产生的嘟1 ；f e 2 十+ h 2 0 f e ”+ 。6 h + o h 。 1 2 2 自由基的猝灭 众所周知，自由基与活泼氢( 如v c 上的活泼氢) 或活泼性的自由基( 如羟基 自由基) 相结合会导致其e f r 信号减弱和荧光强度增大。维生素c ( v i t a m i nc ， r e ) 化学名称为l 抗坏血酸，是一种水溶性的不饱和多羟基内酯类化合物，其分 子内c2 和c 3 之问的烯醇式羟基上的氢原子容易解离下来与自由基结合，使自由 基解除活力，其生理功能是以抗氧化剂的形式清除自由基，保护机体免受内源性 自由基的损伤哺“彻。细胞膜中含有多价不饱和脂肪酸，这些多价不饱和脂肪酸 都含有不稳定的双键结构，易受自由基攻击产生分子内的电子跃迁，而发生脂质 过氧化，影响细胞功能甚至细胞凋亡。v c 与自由基反应保护了机体组织细胞， 1 6 山东师范大学硕士学位论文 通过反应v e 自身也转变为脱氢v c 。低浓度v c 同时也可使高价的过渡金属向低价 态还原，如使f e 3 + 还原为f e 2 + ，f e 2 + 与h 2 0 2 通过f e n t o n 型h a b e r - w e i s s 7 0 ， 力反应生成o h ，显示其毒害作用 6 8 6 9 1 。适量浓度的v c 以抗氧化剂的形式清 除自由基，低浓度时可加速自由基反应过程已为许多实验所证实盯卜7 们，因此 v e 的生理功能具有双重性，其生物效应与浓度密切相关。 简单说来，自由基是氧化的产物。人在呼吸的过程中，会吸入氧气。氧气是 维持生命存在不可缺少的物质，但氧在体内的代谢过程中，也会带来“副产品，- 一 当氧原子失去一个电子，就变成了自由基。因为自由基失去了一个电子，它们就 变得极度的不稳定，为了使自己稳定下来，自由基需要抢夺人体内其它化合物的 电子，例如蛋白质、酶、细胞内的d n a ( 人体遗传物质) 。自由基正是人们逐渐 变老、逐渐衰弱多病的原因之一。例如，如果一个自由基抢了d n a 的一个电子， 这个d n a 将遭到破坏。被破坏了的d n a 不断地复制出有缺陷的d n a ，导致畸形 细胞的产生，从而引发各种各样的疾病。随着工农业的发展，人类居住的地球环 境遭到了前所未有的破坏，令自由基危害人体的程度大大加深。因为自由基产生 的原因除了氧化以外，还有紫外线照射、空气污染、农药、杀虫剂、烟酒、油炸 食品等因素。自由基的种类越来越多，对人体的伤害范围和种类也迅速扩大，某 些疾病( 如癌症) 在现代社会的发病率有不断上升的趋势，正是由于自由基动摇 了身体健康的根本。 生物体内由氧化代谢不断形成的各种自由基，如果超出限度，就会引起各方 面的损害，根据研究显示：很多疾病的发生及进行的过程与自由基有密切关系。 例如动脉粥状硬化、动脉缺血再灌流、糖尿病。此外，其它很多退化性或老年常 见疾病，例如关节炎、白内障、老年痴呆症，甚至癌症，都被认为可能与自由基 对个体的长期损害有关。风湿性关节炎具有许多自由基伤害的特征，自由基直接 破坏软骨细胞，使软骨变质及腐蚀。同时，自由基与关节的润滑液作用，使润滑 液的黏度降低，丧失应有的润滑能力。老化的成因也是因为自由基不断的破坏细 胞组成，使生物体内的组织与器官的功能逐渐减弱，缩短了生物体的功能。另外， 自由基在癌细胞形成的起始期的作用机转有着重要的机制，包括：细胞膜的脂质 过氧化作用，破坏d n a 的结构以形成癌症。其它如皮肤之雀斑、肝斑、老人斑、 肝炎、烧伤、肺气肿等都已被证实与自由基有密切的关系。 7 山东师范大学硕士学位论文 自由基在生物体内不断的产生也不断的被清除。在生理状态下，处于平衡状 态的自由基浓度是极低的，不会损伤生物体。在病理状态下、环境物理因素或外 源性化学物质或间接诱导产生的自由基得不到及时清除，或者内源性自由基的产 生和清除失去了正常平衡，均会造成生物体的损伤。我们生存的环境中越来越多 的污染物质、农药化学物质、食品添加物、工厂废气、臭氧层的破坏、大量辐射 线等，都会使人体产生更多的自由基或活性氧。由活性氧自由基引起的疾病将逐 渐增加，而成为人类医疗重大的课题。这些危险因子都将影响身体的防卫系统而 造成细胞的损伤，因此长期在这样的环境下，我们要如何确保自己的健康呢? 只 要我们能够中和或去除这些危险因子，细胞功能就能恢复正常。研究报告呈现， 抗氧化剂( 如维生素c ) 能够有效中和这些因子所造成的自由基毒素， v e 的分子式如下： h o o ho h 图l 一1 3v c 的分子结构 从v c 的分子式可以看出，v c 分子含有多个活性氢，这些活性氢可以猝灭自 由基。v c 在体内储存时间很短，所以要每天适当补充。最普通的日摄取量是 5 0 0 4 0 0 0 r a g 。按照l i n u sp a u l i n g 博士的说法，每天摄取1 0 0 0 1 0 0 0 0 m g 的v c ， 对于疾病的感染可减少2 5 ，癌症可减少7 5 。 在生命活动的代谢过程中不断产生各种自由基，其中超氧阴离子自由基 ( 0 2 ) 、羟基自由基( h o ) 、脂自由基( r o o ) 、一氧化氮( n o ) 、过氧亚硝基 阴离子( o n 0 0 ) 是生命活动过程中具有代表性的重要自由基，它们与生物体的衰 老及许多疾病的发生都有重要关系盯钔。近年的研究表明n o 是重要的信使分子 ( 7 5 3 由于n o 还具有脂溶性，可通过细胞膜自由扩散，在细胞间广泛发挥作用。 适当水平的活性氧是机体维持良好免疫应答的基础，而活性氧自由基大量存在时 则是有害的。从目前研究结果揭示的证据表明，氧自由基几乎和人类大部分常见 的几种主要疾病都有关系。心脏病是人类死亡率最高的一种疾病。z w e i e r 等人 山东师范大学硕士学位论文 提出心肌缺血再灌注时产生了氧自由基，半醌自由基和含氮自由基盯6 ，7 刀。恶性 肿瘤即癌是人类可怕的疾病，严重威胁着人类的生命健康。活性氧( r o s ) 增高 是辐射和化学致癌过程中，特别是癌变早期阶段的共同特点盯8 ，7 9 e 几乎所有致 癌因素在启动或促进细胞癌变过程中都会产生大量的包括活性氧在内的多种形 式的自由基。在肿瘤形成初期自由基含量急速增加，当肿瘤生长到一定大小时， 自由基含量达到一个最大值，然后随肿瘤的生长自由基含量不仅不再增加，反而 呈下降趋势，这表明自由基在肿瘤生长和发展过程中起重要作用( 8 0 1 。最近出现 一些关于艾滋病和自由基的报道，艾滋病感染免疫系统的各个部分，最后导致进 行性的免疫缺陷。自由基与艾滋病的关系可从两个方面来看，一方面艾滋病细胞 产生自由基减少，可能使免疫杀伤能力降低，艾滋病人容易感染各种疾病；另一 方面，自由基可以刺激艾滋病毒复制，导致病情加重聃。帕金森综合症是一种 以中枢神经系统多巴胺能神经元功能障碍为病因的神经功能紊乱症，近年研究表 明自由基与这种疾病的关系非常密切( 8 2 1 0 在神经系统，早老性痴呆症，震颤麻 痹症等疾病都有自由基的参与；在循环系统，动脉粥样硬化，血栓的形成，心肌 缺血再灌注损伤的发病过程中自由基起着重要作用；肝炎和糖尿病与自由基密切 相关；致癌、促癌和癌的形成的每一步都有自由基的产生和参与；白内障的形成 和视网膜的损伤是自由基和脂质过氧化的直接结果；在免疫反应的炎症中，巨噬 细胞呼吸爆发释放大量氧自由基。由此可见，从人类死亡率最高的心脑血管疾病， 到人类最可怕的癌症，以及近年来对人类造成巨大威胁的艾滋病，无不和自由 基有着密切关系。 有关自由基的研究已经涉及到像癌症治疗、心血管病防治、预防衰老和器官 移植等临床医学的重大疑难问题，也是植物生理与发育的关键问题。活性氧自由 基对生物体的损伤作用虽然已经逐步获得公认，在2 0 世纪受到了极大关注c $ 3 3 , 然而，由于生物体内活性自由基的寿命非常短，导致通常情况下稳态浓度极低， 而短寿命和低浓度意味着自由基的测定异常困难，特别是在生物活体( i nv i v o ) 与直接原位( i ns i t u ) 的检测目前尚未有突破。另外生物体内还存在着预防自由基 损伤的内在抗氧化防护体系1 ，因而至今为止人们尚无法直接动态观测到某些 器官中活性自由基的产生，对它们的生成机制，生理作用及其动态损伤生物机体 的过程都缺乏足够的认识和充分的实验证据，以至在临床上直接影响和限制对许 1 9 山东师范大学硕士学位论文 多疾病的治疗效果；对发展抗逆境植物的培植也是重大障碍。因此，针对动、植 物生物活体内自由基开创新的分析与检测技术是分析化学学科发展中具有挑战 性的前沿课题之一。 目前已经建立的测定自由基的方法，主要有电子自旋共振法( e s r ) 或电子顺 磁共振法( e p r ) h8 5 高效液相色谱法( h p l c ) 8 们、化学发光法，8 引、分光光度 法、荧光法8 9 ，蚓、电化学方法9 1 9 3 1 等。e s r 是目前测定自由基比较可靠有效 的方法，但生物样品的e s r 检测较困难。其原因主要有三个：( 1 ) 生物样品中 含有大量的水分，严重影响e s r 检测的灵敏度。( 2 ) 由于e s r 检测需要较高浓度 的捕获剂，这限制了它用于活体内自由基的检测。( 3 ) e s r 的选择性低，用于活 体检测时很难解释捕获到的是哪种自由基，而且在生物体系中e s r 信号不稳定， 随时间而降低9 4 】。h p l c 能够同