（物理化学专业论文）中氮茚类化合物的合成及其荧光性质研究.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下迸行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或 撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所傲的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅：有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 日期： 中文摘要 论文摘要 荧光探针在生物分析和环境检测中有着广泛的应用，荧光探针的高 灵敏性、高选择性使它成为分析分离中不可缺少的手段。中氮茚类化合物 是一类荧光性能良好的化合物。本文通过吡啶鼢盐与烯烃在t p c d 作用下 进行i ，3 一偶极环加成合成了一系列中氮茚衍生物，研究了这些中氮茚衍 生物的荧光性能，讨论了多种不同取代基对中氮茚化合物荧光性能的影 响。发现了一种良好的荧光分析试剂。 1 首先合成了一系列中氮茚羧酸酯衍生物，研究了不同取代基对它们 荧光光谱和荧光量子效率的影响。 2 合成了一系列中氮茚腈类衍生物，研究了不同取代基对它们荧光光 谱和荧光量子效率的影响。 3 合成了一系列3 一苯甲酰基一5 一乙烯基中氮茚类衍生物，研究了它们的 荧光性能，研究了它们在不同溶剂中的荧光性质。 合成了3 一( 4 一氨基苯基) 一中氮茚衍生物，研究了它们分别在乙醇和水 溶液中的荧光性质；研究了溶液p h 2 4 之间时，该类化合物的荧光敏感 性。初步研究了化合物( 3 b ) m e t h y l3 一( 4 一a m in o p h e n y l ) in d o l iz i n e 一卜c a r b o x y l a t e 作为氢离子探针以及亚硝酸根( n o ：一) 离子探针的可能 性。 总共合成5 个新的化合物，并用元素分析，i r ，1 h n m r ，和m s 进行了 鉴定。 关键词：中氮茚、荧光、量子效率、荧光探针 a b s t t a c t ab s t r a c t t h ef l u o r e s c e n t p r o b e s a r e b r o a d l y u s e di n b i o l o g i c a ls y s t e m s a n de n v i r o n m e n t a l e x a m i n a t i o n d u et ot h e i rm a r k e dp r o p e r t i e so fs e n s i t i v i r ya n ds e l e c t i v i t y ，t h ef l u o r e s c e n tp r o b e s b e c o m ei n d i s p e n s a b l ei n a n a l y s i s a n d s e p a r a t i o n m a n y i n d o l i z i n e sh a v e h i g h f l u o r e s c e n c e q u a n t u m e f f i c i e n c i e s i nt h i s t h e s i s ，s o m e i n d o l i z i n e sw e r e s y n t h e s i z e db y t h e1 ， 3 - d i p o t a r c y c l o a d d i t i o n o fp y r i d i n i u mn - y l i d e sw i t ha l k e n e si nt h e p r e s e n c e o ft p c d ，t h e i r f l u o r e s c e n tp r o p e r t i e sw e r es t u d i e d t h ei n f l u e n c e so f v a r i o u ss u b s t i t u t e sf o rf l u o r e s c e n t p r o p e r t i e s o fi n d o l i z i n e sw e r ed i s c u s s e d s e v e r a ls i g n i f i c a n tk i n d so ff l u o r e s c e n t p r o b e sw e r ef o u n d 1 as e r i e so fi n d o l i z i n e sc a r r y i n ge s t e r g r o u pw e r es y n t h e s i z e d ，w h i l et h ef l u o r e s c e r t c e s p e c t r u ma n df l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l d so f t h ec o m p o u n d sw e r ee x a m i n e d 2 as e r i e so fi n d o l i z i n e sc a r r y i n gc y a n og r o u pw e r es y n t h e s i z e d ，w h i l et h ef l u o r e s c e n c e s p e c t r u ma n d f l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l d so ft h ec o m p o u n d sw e r ee x a m i n e d 3 as e r i e so f3 - b e n z o y l 一5 一e t h e n y l i n d o l i z i n ed e r i v a t i v e sw e r eo b t a i n e d ，t h ef l u o r e s c e n c e s p e c t r u ma n df l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l d so f w h i c hw e r ee x a m i n e d t h ef l u o r e s c e n t p r o p e r t i e so f t h ei n d 0 1 i z i n ed e r i v a t i v e si nd i f f e r e n ts o l v e n t sw e r ed i s c u s s e d 4 3 一( 4 a m i n o p h e n y l ) 一i n d o l i z i n e d e r i v a t i v e sw e r e s y n t h e s i z e d w h i l e t h e f l u o r e s c e n c e s p e c t r u ma n df l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l d so ft h ec o m p o u n d sw e r ee x a m i n e d t h ef l u o r e s c e n t p r o p e r t i e so f t h ei n d o l i z i n ed e r i v a t i v e si nd i f f e r e n ts o l v e n t sw e r ed i s c u s s e d t h ec o m p o u n d sa r e s e n s i t i v et ot h ep h c h a n g e a t p h 2 4 c o m p o u n dm e t h y l3 - r 4 一a m i n o p h e n y l ) i n d o l i z i n e - 1 - c a r b o x y l a t eo b ) i sa p p l i c a b l et oaf l u o r e s c e n c ep r o b es e n s i n gh y d r o g e ni o na n dn i t r i t ei o n f i v en e w h e t e r o c y c l i cc o m p o u n d s w e r es y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e d b ye l e m e n t a la n a l y s i s i r ，o h n m ra n dm s k e yw o r d s ：i n d o l i z i n e ，f l u o r e s c e n c e ，f l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l d s ，f l u o r e s c e n c ep r o b e 2 前言 前言 有机荧光物质是一类具有特殊光学性能的化合物，除了目前已经广泛应用于荧光染料、 颜料以及发光材料外，人们在利用荧光化合物分子作为探针来检测各种不同体系的状态变化 或某种反应历程及其动态学问题等方面，都有了巨大的进展。许多性能优良的荧光试剂已成 为测定不同物质的高灵敏、高选择性分析方法的关键，也是人们研究、追求和寻找的结果。 它不仅使灵敏度大幅度提高，分析的选择性也得以改善，能够解决其他一些手段难以解决的 问题，已成为深入了解各种生理参数、生物分子的变化，进而揭示生理功能的重要工具。荧 光化合物作为探针可研究的问题多种多样，例如：利用荧光共振能量转移测定蛋白质和肽分 子结构的接受体和给予体；利用荧光探针进行人类染色体的核苷酸序列分析，采用电泳分 离激光诱导荧光检测，要使用四种不同发射波长的荧光标记试剂：荧光素异硫氰酸酯( 。 = 5 2 0 h m ) ，4 - 硝基一7 一己酸苯并呋喃( 。= 5 5 0 n m ) ，四甲基罗丹明异硫氰酸酯( x 。= 5 5 2 n m ) ， 和德克萨斯红( 。= 6 0 4 n m ) ，才能分别得以高灵敏度的检测【2 1 。近年来新发展起来的荧光 化学敏感器更是使荧光探针的方法和应用有了很大程度的提高和扩充，它不仅在药物学、 生理学研究方面有重要价值，而且在环境科学、信息科学方面也有独到的贡献。根据不同的 用途，要求有机化合物除了具有荧光。t 生# l - 还需要具有某些特别的性质，例如：分子识别、高 的稳定性等其它特定的物理性质【3 4 。 虽然对于大多数芳环类以及芳杂环类有机荧光发色团而言，单官能团取代的分子中。不同 取代基对整个分子荧光性质的影响目前已经有了比较清楚的认识，但需要指出的是，即使是 同一取代基存在于不同的芳杂环，它对化合物分子的荧光性质影响仍然具有较大的差别，另 外分子中存在多个取代基时，它们对化合物分子的荧光性质影响比较复杂，取代基的类型和 所处的位置都对荧光的性质有明显的影响并且不能从各个取代基影响的简单加和来预测， 因此研究有机化合物分子结构与荧光性质的关系，有助于我们根据实际应用的需要更好地对 有机荧光化合物分子进行结构修饰。 许多具有大共轭体系的杂环化台物具有良好的荧光性能，如2 一苯基吲哚的荧光量子效率 达到0 8 6 ，l ，2 - 二苯基碍| 哚的荧光量子效率高达0 9 0 。杂环中的杂原子对荧光的影响非常 大，例如：苯并吡喃酮( 香豆素) 衍生物是一类公认的良好的荧光试剂，它的强荧光性就和 杂环原子的氧的关系十分密切。大部分的荧光试剂都是氮杂或者氧杂化合物，作为吲哚的同 前言 分异构体中氮茚是一类重要的含氮桥杂环化合物，随着近年来大量新的中氮茚化合物的合成 和在药物、光电材料等方面应用开发的不断深入，对该类化合物荧光性能的研究也逐渐引起 人们的重视c 5 - 6 1 ，但总体说来对该类化合物的做系统的荧光性质的研究还不是很多，因此有 必要对中氮茚衍生物的取代基效应傲一些系统的研究。我们合成了4 个系列的不同取代的中 氮茚衍生物，测定了它们各自的紫外光谱和荧光光谱，计算了它们的荧光量子效率，比较了 它们的荧光性质，发现了中氮茚类有机化合物分子结构与荧光性质之间的某些关系。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 荧光的基本原理| 7 。】 1 1 1 荧光的产生 有色化合物分子通常处于能量最低的状态，称为基态。吸收紫外或可见光的能量后，电 子跃迁至高能量轨道激发态。分子可有多个激发态。分子被激发后从基态跃迁到激发态，根 据f r a n c k c o n d o n 原理，它到达了电子激发态s 1 的某一个振动能级，紧接着分子以热的方式 耗散其部分能量，从振动激发态驰豫到s i 的最低振动态上，这一过程就是激发态的振动驰 豫，然后发生s - 的最低振动能级到s o 的辐射跃迁而产生荧光。 a b s o r p t i o nf l u o r e s c e n c ep h o s p h o r e s c e n c e 图1 1 - 1 图1 1 一l 为p e r r i n - - j a b l o n s k i 图，描述的是荧光、 为芳香烃类化合物的紫外和荧光的振动能带。 1 1 2 荧光的类型及其发射过程 l 止； v 0 42c1c。i1o 2 ” l l a b 如n l l e m i s s l o n ： l i j i v j ； i 康， 譬3 i r 弋r 1 v 图1 1 2 紫外和磷光光谱的相对位置，图1 1 2 荧光可分为瞬时荧光和延迟荧光。瞬时荧光即一般所说的荧光，它通常在吸收激发光后 大约1 0 。8 秒期间内发射，是由激发过程中最初生成的s l 电子态所产生的辐射。瞬时荧光可能 由处于s i 电子态的分子或s t 激发态分子与基态分子所形成的聚合物产生的，这两种过程用 式子表示为： s 1 一s o + h v s 1 + s o 一( s 1 s o ) + 一2 s o + h v 第一荦绪论 延迟荧光也被称为缓发荧光，单重态的寿命一般最长可达1 0 4 s ，但有时却可以观察到荧 光辐射寿命长达1 0 。s ，这种长寿命的荧光有着不同于寻常瞬时荧光的光谱特征，这种荧光被 称为延迟荧光。 s 1 一t 1 一s 1 一s o + h v 1 1 3 荧光的激发光谱和发射光谱 任何荧光化合物都具有两种特征光谱，激发和发射光谱：激发光谱就是通过测量荧光体 的发光通量随波长变化而获得的光谱，它反映了不同波长激发光引起荧光的相对效率。按理 某种化合物的荧光激发光谱形状应当与它的吸收光谱的形状相同，然而事实并非如此，由于 仪器的光源能量分布、单色器的透射和监测器的响应等特性都随着波长的改变而改变，所以 一般情况下所测得的激发光谱都是“表观”的激发光谱，只有对上述仪器因素进行校正之后 得到的“校正的激发光谱”才与吸收光谱非常近似：荧光发射光谱表示在所发射的荧光中各 种波长组分的相对强度，与激发光谱类似，一般仪器所测的都是“表观”的荧光光谱。 荧光发射光谱的形状与激发波长无关，即使分子的电子吸收可能含有凡个吸收带，但由 于内转化和振动松弛的速度非常快，电子很快地丧失多余的能量而衰变到s - 电子态，所以 荧光发射光谱只含一个发射带，并与电子被激发到哪一个电子态无关。 荧光发射是光吸收的逆过程。荧光发射光谱与吸收光谱有类似镜象的关系，但荧光发射 光谱总是较相应的吸收光谱红移见图1 1 2 ，这被称为斯托克斯位移( s t o k e ss h i f t ) 。产生斯 托克斯位移的主要原因有二个：一是跃迁到激发态高振动能级的激发态分子，首先以更快的 速度发生振动驰豫( 其速率在1 0 。3 s 数量级) ，散失部分能量，到达零振动能级；二是激发态 分子的构型将很快进一步调整，以达到较低能级的稳定态，这又损失了部分能量，二者都导 致荧光量子的能量低于被吸收光子的能量。也就是和吸收光谱相比，荧光光谱将发生向长波 长方向的位移。不过有时在高温下也可观察到反斯托克斯位移现象，即荧光光谱移向短波方 向。这是由于高温使更多的激发态分子处于高振动能级，荧光主要从激发态的高振动能级发 出。如果激发态的分子构型与基态的分子有很大的不同，则观察不到荧光光谱与吸收光谱的 镜像关系。 1 2 有机荧光化合物的在材料中的应用“1 】 近年来，关于有机发光材料的研究愈来愈引起人们的兴趣。有机物发光领域包括光致发 光、电致发光、化学发光、生物发光等。而近年来发展最快的是有机薄膜电致发光。1 9 8 7 6 第一苹绪论 一 一 一 年c w ，ta 1 1 9 将a 1 q3 ( 1 ) 用于有机发光器件的制备，推动了有机小分子发光材料的研制， 该类化合物为代表的金属配合物如a l q 3 ，g a q 3 ，b e q 2 ( 2 ) ，z n q 2 等成为了经典的有机电致发 光材料。1 9 9 0 年j h b u r r o u g h e s 采用ppv 成功的制备发光二极管，在聚合物发光器件的研 制中取得了开拓性成就从分子结构上可将有机发光材料分为( 1 ) 有机小分子( 2 ) 有机高分子( 3 ) 金属配合物。这些发光材料无论在发光机理、物理化学性能还是在应用上都有各自的特点， 因而具有不同的应用前景，这里只介绍有机小分子在发光材料上的用途。 留 ( 1 ) a l q 3( 2 ) b e q 2 有机小分子发光材料种类繁多，除了用于各种荧光材料外，现也广泛用于el 器件的电 子( 空穴) 传输介质 们结构中多带有共轭杂环及各种生色团。如二唑衍生物，三苯基胺衍生 物，蒽衍生物，晕苯衍生物，芘衍生物以及l ，3 丁二烯衍生物等。下面介绍几种有特色的 有机小分子发光材料。化合物3 是叹嗯二唑类衍生物。随ar 分别为邻、间、对取代的苯环， 化合物的共轭度有所不同，发光颜色从紫色变到蓝色。它们成膜稳定，器件亮度大于 1 0 0 0 c d m 2 ，是一种较理想的发蓝光的有机el 器件 1 2 】。 r 诊弋r ( 3 )( 4 ) 化合物4 俗称罗丹明1 0 1 。它是在罗丹明b 的基础上通过两个氨基氮原子各自固定在两 个环上，其荧光量子产率可达1 0 0 ，而且荧光不随温度变化。化合物5 为三苯基胺衍生物， 又称tpd 。这类化合物结构易于调整，通过引入烯键、苯环等不饱和基团及各种生色团， 改变其共轭度，从而使化合物光电性质发生变化。当延长其共轭度成化合物6 时，便成了发 蓝绿光的发光材料。 第一蕈绪论 ( 5 )( 6 ) 小分子材料具有良好的成膜性、较高的载流子迁移率以及较好的热稳定性，但发光亮度 不如金属络合物，且易发生重结晶，导致器件稳定性下降。 1 3 荧光探针的应用 随着人们对荧光化合物电子光谱及光物理行为的深入研究陋他】，特别是对荧光化合物的 分子结构及周围环境给化合物光谱行为和发光强度所带来的影响及对其规律的认识，使我们 在利用荧光化合物分子作为探针来监测各种不同体系的状态及其变化或某种反应历程及其 动态学问题等方面，都有了巨大的进展【呻珊】。探针技术不仅在理论上更加健全，系统上更加 完整，而且在应用方面更加广泛。荧光探针技术方法的最基本特点是：方法的高度灵敏性和 极宽的动态响应时间范围，前者是当探针分子浓度极稀时，如体系中仅有p p b 级的含量存在 时，就可检测出探针的荧光。这对某些要求尽量减少外来分子影响的研究体系特别重要。而 后者则是由于探针分子除可采用发射荧光的化合物外，还可以采用发磷光的化合物。 荧光化合物之所以能用来研究一系列不同体系在不同条件下发生的物理或化学过程以 及不同特殊体系的结构及其物化特征，主要是与作为探针化合物所具有的光物理特性有关， 如已知不少的有机荧光化合物都具有不同程度的分子内电荷转移特征，他们在不同极性的溶 剂中都会因为它们间的相互作用而引起所谓的溶致变色效应，从而导致其荧光光谱的变化， 包括光谱峰值波长的位移及发光量子产率的变更等。因此根据测得的光谱特征的变化就可对 荧光探针分子所处环境介质的极性和其它有关性质做出判断，达到检测的目的。除了上述的 通过溶剂分子的驰豫过程而导致溶致变色行为外，如利用荧光猝灭、能量转移、电子转移以 至激发单体与激基缔合物间的发光平衡和聚集体系的发光变化等基本光化学和光物理现象 都可以在解决某些特定问题中起到作用口”。 1 3 1 核酸的荧光探针 核酸是重要的生物大分子，关系到人类的正常生命过程以及病理过程，许多预防和治疗 的药物都是以核酸为作用靶来设计的，研究证实核酸的作用在体内与体外具有一致性 2 2 1 ，因 此在体外首先进行药物筛选在理论和实践上都很有意义。实际上，在室温下，d n a r n a 的 正琶 岔隔葚三岔 父 第一章绪论 内源荧光量子产率很低，因此直接用荧光法对d n a r n a 进行测定是不可行的。但由于荧光 方法的灵敏度高、选择性好、方法简便，因而许多用于d n a 分析测定的荧光方法便发展起 来。核酸荧光探针在分子生物学领域中应用非常广泛，它们能以非共价键的方式与d n a r n a 相结合。根据它们能否穿膜透入活细胞内分为两大类：细胞膜透过性核酸探针如二氢乙锭和 非透过性核酸探针如溴化乙锭。有机荧光小分子试剂用于d n a 的研究测定，其测定机理是 根据d n a 的量有明显的线性关系，从而可测定d n a 的含量。1 9 6 7 年，l ep e c qj b 和p a i l e t t c j 等使用溴乙锭( e t h i d i u m b r o m i d e ，e b ) 分析测定d n a 含量。当这种有机荧光分子遇到d n a 分子时，便进入d n a 的双螺旋结构内部，并与d n a 分子产生瞬间偶极而产生诱导力或氢 键等范德华力，这种溴乙锭荧光分子的嵌入作用能够使测定体系发生有效的能量转移，使荧 光强度增强5 0 1 0 0 倍，该方法的检出限( 1 i m i t a t i o n o f d e t e c t i o n ，l o d ) 为3 0 3 1 0 8 t o o l - l 脚】。 近几年，利用这种有机荧光分子可以嵌入d n a 的能力，借助分子间的极化力形成荧光符合 物，发生能量转移导致荧光强度改变是测定d n a 的很好方法。1 9 9 7 年，l iwy ，x ujg ， z h uqz 和z h a oy b 发现了一种有机荧光试剂d a p i ( 4 ，6 - d i a m i d i n e 2 p h e n y l i n d 0 1 ) 日p4 ， 6 一联昧一2 一苯基吲嗓盐酸盐，它在3 7 2 n m 激发下，发射出4 7 5 r m a 的荧光，加入d n a 形成新的 复合体系，新体系的荧光增强，这种途径的检出限是1 5 1 0 一t 0 0 1 l ：另外还发现了另一 种有机荧光材料h o e c h s t - 3 3 2 5 8 ，它具有和d a p i 类似的荧光性质，可用于对d n a 的荧光分 析，其检出限为3 0 3 x 1 0 一t 0 0 1 l 1 【2 4 1 。 h 溟乙锭d a p i i t 3 2 蛋白质及酶的荧光探针【2 5 i 蛋白质荧光探针是一类比蛋白质荧光发射强的荧光染料，它吸附或共价结合到蛋白质 上，荧光特性会发生变化，从而可以研究蛋白质的结构和测定蛋白质。b e t h e i l 2 6 1 较早地报道 了采用一个甲基化的磺化苯并噻唑衍生物血管状黄素( v a s o f l a v i n e ) 荧光测定蛋白质， 染料与蛋白质的结合物的荧光发射波长发生紫移，而荧光强度增加。1 - 苯胺基8 萘磺酸 ( a n s ) 和双( 1 - 苯胺基一8 一萘磺酸) ( b i s a n s ) 与蛋白质有很强的结合力，b i s a n s 对血清的 结合力超过a n s ；且复合物荧光大大增强，用于测定蛋白质的检出限达到7 n g m l l 2 ”。染料 纂一章绪论 c a s c a d e 黄琥珀酰亚胺酯( c y s ) 是一个磺化的吡啶嚯唑激光染料，它与蛋白质的结台物在 甲醇中的最大吸收波长在4 0 9 r i m ，荧光发射波长5 5 0 h m ，用来标记蛋白质并用于生物分析中 显示出良好的性能【2 8 】。 o q八 o 刊一 洲2 如。 g y s 1 3 ，3 无机离子的荧光探针 a 、阳离子荧光试剂有机荧光试剂与被检测的金属离子反应或络合后形成新的具有较强 荧光发射的物质，然后进行浓度的检测。己知应用于该类探针的有机荧光试剂按试剂结构组 成可以分为氨羧络合腙( c o m p l e x o n e ) 、偶氮类、席夫( s h i f t ) 碱类、8 一羟基喹啉类、b 一二 酮类、黄酮类、蒽醌及卟啉类等。m i c h a e l 研究的钙离子荧光探针钙红【2 9 1 ，可见光激发，与 c a ( i i ) 络合后，荧光强度增加，并且发射波长有小的移动，能有效地消除背景物质本身荧 光的干扰：苯并吡唑2 醛喹啉腙( b a q h ) 是锌的荧光试剂，可以测定小于l n g 的锌 3 0 】。 c h 2 c o o 旧2 h 卜c h = n - n h 谈 、y 勘 钙红 b a q h b 、测定无机阴离子、小分子的荧光试剂这类化合物测定的荧光试剂较少。2 ，3 二氨 基蔡与亚硝酸根反应生成萘三氮唑是荧光测定n 0 2 的灵敏方法，可测定o 8 5 0 n g m l 的亚硝 酸根。l ，2 二氨基5 ，7 萘二磺酸在酸性介质中与n 0 2 - 反应，生成水溶性的三氮唑产物，在 碱性介质中测定，不需要萃取，检测限达到o 0 9 n g m l 。5 - 氨基荧光素与亚硝酸根反应后，产 物的荧光显著增大，检测灵敏度高达5 0 p m m l 引】。 n 多 彦 峨 一 r 一谣 第一章绪论 一 一一一一一 h 0 3 n h 2 s 0 3 h 1 ，2 - 二氨基5 ，7 - 萘二磺酸 n h ， 5 一氨基荧光素 1 4 荧光的影响因素 有机分子的荧光特性首先取决于它自身的能量状态即取决它自身的分子结构 7 - 1 0 】： 1 4 1 化合物能够产生荧光的最基本条件是它发生多重性不变的跃迁时所吸收的能量小 于断裂最弱的化学键所需要的能量。 1 4 2 结构的影响 1 、分子共轭体系大小对荧光的影响 有机荧光试剂分子都含有发射荧光的基团称为荧光团。荧光团必须含有共轭大”键，共 轭的键达到一定程度才会发射出荧光，如( c h = c h ) n 2 ) 、苯、萘、对苯二醌、苯并杂 环等基团。当这些基团是分子的共轭体系的一部分时，则该化合物可能产生荧光。芳环类碳 氢化合物与直链的烯烃化合物相比，激发能向振动能的转换更难，因而荧光强度更大。而对 于具有强荧光的有机化合物和荧光试剂，仅有大的共轭体系还是不够的，分子的共轭体系必 须具备共平面性并且还要有一定程度的剐性。例如芴( 1 ) 与联苯( 2 ) ，芴相当于由一个c h 2 一 把联苯的两个苯环固定在一个平面上，不扭曲或转动，其共平面性比联苯大，而且刚性强， 荧光量子产率接近1 。 藏 ( 1 )( 2 ) 2 、取代基的影响 a 、取代基种类的影响推电子取代基增强荧光，属于这类取代基的有：n h 2 ，- n h r ， n r 2 ，- o h ，o r ( r = - c h 3 ，- c 2 h s 等) ，含这类取代基的荧光有机分子，其激发态的产生常常 是取代基的o 或n 上的菲键电子( n ) 电子被激发到n 。键上造成，取代基的孤对电子参与有 机荧光分子的共轭大n 键，等于扩大共轭体系，使最大吸收波长和荧光发射波长比未含取代 基的母体化合物的波长红移，荧光强度明显增加；吸电子取代基有：c = 0 ，一n o ：，一c 0 0 h ，一c o r ， 敲 s 第一章绪论 卤素除一f 外，它们对荧光强度的影响与推电子基相反，即减弱荧光，但波长红移，因为这类 取代基中的n 电子跃迁到n + 键上属于禁阻跃迁，激发态分子数较小，另外s t 到t i 的体系间 跨越占优势，放出光子的激发态分子数大为减少，致使荧光减弱。 取代基对某些芳烃荧光性质的影响5 】 b 、取代基数量及其所在位置的影响取代基在试剂分子上的位置及取代基的数量对试剂 的荧光量子效率的影响视具体情况而定，只有一个推电子取代基，处于空间位阻最小或无位 阻的位置时，可使荧光增强，对于不同的发光母体，同类取代基所处位置不同所表达的荧光 强弱变化规律也不相同，文献【”1 介绍了一系列对称1 ，4 - 二( 2 苯基一l ，3 ，4 嗯二唑5 ) 苯 衍生物的荧光性能及其与取代基的关系，可以看出取代基位置对化合物的荧光量子产率影响 是m p o 。另外对荧光的影响还要看取代基的种类，小体积取代基所贡献的共轭效应小， 只是体现出电荷的影响，若一个大的取代基如苯或乙炔基苯，其共轭效应大，取代后扩大了 试剂的共轭体系，是荧光增强效应大于其吸电子使荧光减弱的效应，结果是取代后的荧光强 度不是减弱而是大大增强。 第一章绪论 c 、取代基加重效应对荧光的影响 从下表不难发现，随着卤素原子量的增加，卤索取 代物的荧光量子产率越来越低，相反，磷光的强度一般是增加。 卤素取代的加重效应对取代基的荧光和磷光性质的影响 除卤素原子外，能产生加重效应的原子和基团还有：sc = n ，n = n ，c = o ，c = s ， - n o ，- n 0 2 等，这些原子和基团的引入会使荧光减弱和磷光增强。 d 、芳香环中杂原子的影响杂原子对荧光的影响比较复杂，有时增强荧光，有时减弱 荧光，主要看杂原子化合物的结构。简单的杂环化合物如吡咯、噻吩及呋哺荧光量子产率很 小，几乎为0 ，它们与苯相并后形成吲哚、硫茚及苯并呋喃的荧光大大增强，呋喃的2 ，5 位置被苯基取代构成2 ，5 一二苯基呋喃，其荧光量子产率接近l ；所以一些含杂原子的荧光 团如香豆素衍生物、喹啉、吲哚等作为衍生试剂，用于荧光检测某些化学及生物活性物质。 有关杂原子有机化合物的结构及荧光量子产率见文献3 3 1 。 e 、分子离子化对荧光的影响苯胺和苯酚的分别质子化和离解对它们的荧光性能的影响 情况：在p h 71 2 苯胺发出蓝色的荧光，而在p h 1 3 时无荧光。1 一萘酚和4 羟基联苯无荧光，而它们的一o h 离 解出h 后的阴离子形式有荧光。 随着介质酸度的变化，荧光素的荧光强度也变化，在碱性条件下荧光强度达到最大，此 时荧光素以阴离子形式存在。如下表： p h 对荧光素荧光强度的影响【3 4 - 3 6 r p h3 1 14 0 55 1 16 0 56 9 97 7 38 2 0 9 1 01 0 4 51 2 4 0 f mo 9 23 0 01 0 03 8 - 28 2 79 9 21 0 01 0 0 1 0 01 0 0 除上面影晌荧光的因素外，分子的立体结构瞧有影响，像反式的i ，2 - 二苯乙烯具有较 强的荧光，顺式则无荧光，所以在研究合成或选用新的荧光试剂时还要考虑立体结构的影响。 第一章绪论 1 5 各荧光参数的测量 衡量荧光材料和荧光探针的性能主要有几个方面：发射波长、荧光强度、荧光寿命以及 量子产率 3 7 - 4 1 。 1 5 1 荧光寿命 荧光寿命直接体现了能级上的布居数变化，反映了从激发态向基态跃迁的途径和过程。 荧光分子的平均寿命( t ) 定义：当不存在进一步的激发时，处于激发态的分子数目衰减到初 始值的i e 所经历的时间，用下式表示 t = i ( k f + e k )1 5 1 1 式中，k f 为荧光发射的速率常数：k 为各种非辐射去活化过程的速率常数总和。荧光强度 的衰变一般遵从如下速率方程： l n f o l n f t = - t t1 5 1 - 2 式中，f o 和f t 分别表示t = 0 和t = t 时的荧光强度，作1 1 1 f 。一t 的关系曲线，从该直线的斜率 求出荧光寿命t 。 1 5 2 荧光量子产率【4 2 嘶】 荧光量子产率( 荧光效率或收率，中f ) 被定义为荧光发射量子数与被物质吸收的光子数 之比，也可表示为荧光发射强度与被吸收的光强之比，或表示为荧光发射速率常数与光吸收 速率常数之比。它是表征一个分子荧光强弱的重要参数，为我们寻找性能优良的荧光材料提 供了比较标准，所以它的测量也就有着重要的实际意义。 中f 与分子结构及环境有关而与激发光源的波长无关。量子产率的测定工作最早是由前苏 联的巴维洛夫于1 9 2 4 年开始的。到今天，测定的方法各种各样，但按原理可分为两种，即 直接测量得到的绝对量子效率和比较测量得到的相对量子效率。直接测量法测量工作繁琐， 而且误差来源多，因而工作中应用的较多的是比较测量方法。该方法的好处是可以除去标准 物与待测物共同的误差来源，从而使测量的准确度提高。测量时，需要选择一个激发和发射 均与样品比较接近的标准物质，在同样的波长下激发样品和标准物质，测量它们在同一波段 的荧光强度( 面积) ，这样可以减小不同光谱波段仪器响应不均匀所造成的影响。然后根据 下式进行计算。 中x 2 中r 象 陕 等 鲁 其中中。、中，分别为被测量样品和标准参考样品的量子产率 1 5 2 1 a 。、a ，分别为每厘米被测量 第一章绪论 样品和标准样品在激发波长的吸光度；i 。i ，分别为激发被测量样品激发光的强度和激发标 准参考样品及发光的强度：f i x 、n r 分别为被测样品和标准样品的折射率：d 。、d ，分别为被测 样品和标准参考样品的荧光积分面积；当标准溶液与样品溶液的发射光谱在同样的仪器条 件，同样的激发光强度下测量时，又近似与荧光光谱的荧光峰高成正比。 中x 劬r 坐a x 等 慝 ill 忆j jnl 1 5 2 2 其中中。、中。分别为被测量样品和标准参考样品的量子产率：a x 、a r 分别为每厘米被测量样 品和标准样品在激发波长的吸光度；n x 、1 1 。分别为被测样品和标准样品的折射率；f 。，f ，为 标样和未知样的荧光峰高( 要求吸光度a 0 0 5 ) l ，5 3 荧光强度与溶液浓度的关系 荧光发射强度的计算公式为：i 。= ( ，0 一i ) 1 5 3 1 其中i o 为入射激发辐射强度，i 为透射的强度，中为量子效率，i l 为荧光发射强度 ， 透射的强度可以从比尔定律求得：a a b c 1 0 9 化解得到透射的强度i 将1 5 3 2 代入1 5 3 1 得到下式 将3 式展开得到 ，= ，o 1 0 “= i o e 一2 3 0 3 “ 1 5 3 2 l = 庐( o l o e 。23 0 3 “。) = 庐i o ( 1 一e - 2 3 0 3 a b c ) 1 5 3 3 ，l = 。 2 3 0 3 a 6 c 一( 2 3 _ 0 3 _ a b c ) 2 ( 2 3 0 3 a b c ) 3 6 一a 人】 1 5 3 - 4 当a b c 等于0 0 5 时，式中级数得第二项为第一项得2 5 ，后面各项更小，可以忽略， 所以可以得到 ，= 庐i o 2 3 0 3 a b c 1 5 3 5 发射强度近似和浓度成正比，其条件就是溶液的浓度足够的稀，吸光度_一*cvc一uculo一上 三而cm_曼ocon田-o三l扫鬲c霉量口ocmkonll 第四章3 - 苯甲酰基5 - 乙烯基中氮茚的合成及荧光性质研究 v 、缸i 哪口m g $ o v 、h 哇r 曲( m 图4 7 化合物2 a 的荧光光谱图4 8 化合物2 b 的荧光光谱 4 3 结果与讨论 首先我们测定了上述化合物在乙醇溶液中的荧光光谱，结果发现这一系列的 化合物由于受到3 位苯甲酰基取代基的影响，荧光发射都比较弱，化合物( 1 a ，l b ) 乙烯基链端连有羰基，在该浓度的溶液中检测不到荧光发射。仅乙烯取代基链端 是酯基或氰基取代的化合物( 1 c ，l d ，2 a ，2 b ) 溶液配制后能检测到微弱的荧光。有 趣的是化合物2 a ，2 b 在放置9 天后，发射波长发生了很大变化，并且荧光强度 有明显的增强，可能是因为化合物的立体构型发生了变化，由于顺式和反式有着 各自不同的特征发射光谱 8 8 - 8 9 】。为了进一步弄清引起上述变化的原因，我们测定 了上述化合物在甲苯溶液中的荧光光谱，结果发现它们在甲苯溶液中的发射波长 均位移到5 2 0 n t o 左右，与这些化合物的固体荧光的发射波长相近，室温下放置3 天后测量结果显示：化合物( 1 c 、l d 、2 a 、2 b ) 的荧光强度明显增强，具体见图 ( 4 5 ，4 - 6 ，4 - 7 ，4 - 8 ) 。有趣的是化合物1 c 的荧光最大发射波长出现在4 0 6 n m ， 与乙醇溶剂的最大荧光发射波长相近，而其它三个化合物的最大发射波长仍在 5 2 0 h m 左右。引起上述化合物荧光性质变化的影响因素仍在进一步研究中。 己面c p u|8cn磐。三 l历c磐呈oco巴。兰l 第五章3 ( 4 氨基苯基) 中氮茚衍生物的合成及其荧光性质研究 第五章3 一( 4 一氨基苯基) 一中氮茚 衍生物的合成及其荧光性质研究 5 1 引言 通过前面的实验，我们对不同取代的中氮茚化合物的荧光性能已经有了一定的认识，一 般而言，酯基和氰基取代的化合物荧光强度和量子效率都比较好，文献 9 0 川l 报道：氨基和苯 基取代的中氮茚衍生物不仅具有一定的药物活性，而且作为分析探针也有很好的用途。我们 最初的设想是直接在中氮茚母环上引入氨基，但经过文献 9 3 1 检索和我们进行的实验验证发现 该类氨基化合物在空气中不稳定，容易氧化，所以我们设计合成了一系列氨基苯基类中氮茚 化合物，并测定了它们的荧光性能，测定了溶液不同p h 值对该类化合物荧光性能的影响， 结果发现氨基苯基中氮茚化合物，在酸性条件下产生的荧光强度远大于在碱性条件下的荧光 强度，说明该类化合物可以作为矿探针试剂做进一步的研究。 5 2 实验部分 5 2 1 合成及表征 我们用对硝基苄溴与吡啶或异喹啉在乙酸乙酯中室温下反应，可得到结晶较好的鲔盐， 用溶剂充分洗涤后，可直接将得到的鲶盐分别与丙烯酸甲酯、丙烯腈、顺丁烯二酸二乙酯反 应，使用t p c d 为氧化剂，得到的化合物2 干燥后直接用于进行下一步反应。化合物3 a 3 e 的产率比较低，化合物4 a ，4 b 的产率高，都大于9 0 ，副产物较少，且容易提纯。 熔点用显微熔点测定仪测定，温度未作校正：核磁共振用b r u k e 公司a c f 4 0 0 或b r u k e 公司a c f 一5 0 0 型仪测定，c d c l 3 或d m s o 为溶剂，t m s 为内标；红外光谱用n i c o l e t n e x u s 6 7 0 型仪测定，k b r 压片；质谱用双聚焦v g z a b m s 型仪测定；元素分析用p e r k i n e l m e r2 4 0 c 型仪测定合成中所用的试剂均为化学纯或分析纯。化合物2 a 2 e 的合成见文献 9 2 】，熔点 和光谱数据与文献相符。其余试剂均为分析纯，部分试剂使用前经过处理。 1 ) t p c d 的合成取1 5 0 m m o l 的c o ( a c ) z 4 h 2 0 和3 0 0 m m o l c r 0 3 加入2 0 0 m l 水中加 热，温度在6 0 ( 2 左右，慢慢滴加4 8 5 m l 毗啶，加快搅拌速度，在1 5 2 0 分钟滴完，继续搅 第五章3 ( 4 - 氨基苯基) 中氮茚衍生物的合成及其荧光性质研究 拌5 分钟，保持温度在6 0 。c 左右，然后冷却到室温，过滤，再用4 2 0 m l 丙酮洗涤，抽干 后得褐色固体粉末。 2 ) 3 a 一3 c 的合成在1 0 0m l 的单颈瓶中加入1 0m m o l 的中氮茚2 和3 5 m m o l 的s n c l 2 在5 0 m l 乙醇溶剂中加热回流2 4 小时 薄层色谱跟踪反应终点) ，再用n a o h 中和p h 到1 0 ， c h 2 c 1 2 萃取，得化合物3 粗品，经硅胶柱层析 展开剂为：v ( 石油醚) ：v ( 乙酸乙酯) = 3 ：1 】 得化合物3 纯品。 3 ) 4 a ，4 b 的合成在2 5m l 的单口瓶中加入5m m o l 的中氮茚3 、5 m m o l 的冰醋酸及 9 r e t o o l 醋酸缓缓加热并煮沸3 0 分钟，然后将热液体呈细流壮倒入5 m l 冷水中，并继续搅拌， 用冰水冷却，过滤，干燥，得粗产品，经硅胶柱层析f 展开剂为：v ( 石油醚) ：v ( 乙酸乙 酯) = 4 ：1 1 得化合物4 纯品。 r 醋酸 醋酸酐 r i c h = c h r 2 t p c d d m f b a s e 9 0 0 c n 0 2 b f r 1 r 2 n 0 2 2 r 1 s n c l 2 r 2 乙醇 n h c o c h