（应用化学专业论文）中位取代的七甲川菁染料的合成和光谱性能研究.pdf

摘要 摘要 f i l ll li ir ll lll lp i l liii 18 8 9 6 4 3 七甲川菁染料是一种近红外染料，由于其具有在生物体内可以有效的避开生物体的 自吸收和自身的荧光的背景干扰的能力，近年来常被用作荧光探针和p h 探针，并成为 研究的热点。而如何提高其光稳定性和光谱性能，则成为研究的重点，对其结构的改进 旨在达到这个目的，而且越来越受关注。 本论文总结了前人的经验，以苯肼为原料，采用费歇尔合成法，合成了吲哚中间体； 在此基础上，设计和合成了三种以吲哚啉为母核的七甲川菁染料，合成的产品收率良好， 其结构经核磁光谱和x 射线衍射分析确定。 本论文的主要目的是在甲川链的中位引入氮原子和硫原子，合成新型七甲川菁染 料。结果表明引入氮原子后，其光谱性能发生显著的变化，蓝移超过1 0 0n l n ，远大于普 通多甲川菁染料的蓝移。引入氮原子后，合成的新型菁染料随着p h 的增大，紫外吸收 和荧光呈现出规律性的变化。表明其由于结构的不同产生电子云密度的改变，氮原子与 质子结合的程度不同，酸性较强的时候，结合度比较高，吸收较强，荧光较弱。 为了研究氮原子和硫原子的引入对菁染料的光稳定性的影响，用1 0 0 0w 的碘钨灯 进行光照对比实验，通过对吸收光谱最大值变化的实时追踪，考察了其降解的速度，并 计算出其降解速率。发现氮原予和硫原子的引入都会使菁染料的光稳定性下降，而且硫 原子的引入使稳定性显著降低，使其降解速率显著增大，达到3 2 5 x 1 0 3m o l m i n 一，是氮 原予引入后的4 倍。 关键词：近红外染料；七甲川菁染料；吸收和荧光；光稳定性；光降解 a b s t r a c t h e p t a m e t h i n ec y a n i n ed y ei san e a r - i n f r a r e dd y e r e c e m l y , m a n yr e s e a r c hw o r k sw e r e f o c u s e do ni t sa p p l i c a t i o no ff l u o r e s c e n tp r o b e sa n dp hs e n s o r s ，s i n c et h e yc a na v o i d e f f e c t i v e l vs e l f - a b s o r b e n c ei nv i v oa n da u t o f l u o r e s c e n tb a c k g r o u n d m o d i f y i n gi t ss t r u c t u r e w i l li m p r o v et h ep h o t o s t a b i l i t ya n ds p e c t r a lp r o p e r t i e so fd y e s i nt h i st h e s i s ，i n d o l ei n t e r m e d i a t ew a ss y n t h e s i z e dt h r o u g ht h e f i s c h e rm e t h o dw i t h p h e n y l h y d r z a i n ea sr a wm a t e r i a l t h r e ek i n d so fh e p t a m e t h i n ec y a n i n ed y e s o nc o r e so f i n d o l es o l th a db e e na l s od e s i g n e da n ds y n t h e s i z e dw i t hh i g hy i e l d t h e ya r ec o m f i r m e d t h r o u g hh - n m r a n ds i n g l ec r y s t a l n o v e lh e p t a m e t h i n ew a ss y n t h e s i z e d ，i n d u c i n gn i t r o g e na n ds u l p h u ra t o m si n t o t h e m e s o m e t h i n e s t h es p e c t r a lp r o p e r t i e sc h a n g er e m a r k a b l yo v e rlo o n mo fh y p s o c h r o m i c s h i f t s ，b i g g e rt h a nc o m m o np o l y m e t n i n ed y e s t h eu v 二v i sa b s o r p t i o na n df l u o r e s c e n ts p e c t r ao ft h en o v e lc y a n i n ed y e sw i t hn i t r o g e n a t o m sv a r yr e m a r k a b l yw i t hv a r i o u sp hv a l u e s i nv a r i o u sp h ，t h ec h a n g e so fs t r u c t u r e sa n d e l e c t r o nc l o u di 1 1c y a n i n ed y e sl e a dt ot h es h i f to fa b s o r p t i o na n df l u o r e s c e n t f o ri n v e s t g a t i n gt h ee f f e c to fp h o t o s t a b i l i t ya f t e ri n d u c i n gn i t r o g e na n ds u r p h u la t o m s ， p h o t o r e a c t i o ne x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tw i t h 10 0 0 wi - wl a m p t h r o u g ht h et r a c eo f c h a n g e so fa b s o r p t i o nm a x i m a m ，w ec a l c u l a t e dt h es p e e do fp h o t o d e g r a d a t i o n i n t r o d u c t i n g n i t r o g e na n ds u r p h u la t o m si n t oh e p t a m e t h i n e ，t h es t a b i l i t yo fc y a n i n ed y e sw i l l d e c r e a s e a f t e ri n d u c i n gs u r p h u la t o m s ，t h es p e e do fp h o t o d e g r a d a t i o no fd y e sr e a c h e s t o3 2 5x10 q m o l m i n 1 ，f o u rt i m e so fd y e sw i t hn i t r o g e na t o m s k e y w o r d s ：n e a r i n f r a r e dd y e ；h e p t a m e t h i n ec y a n i n ed y e ；a b s o r p t i o n a n df l u o r e s c e n t ； p h o t o s t a b i l i t y ；p h o t o d e g r a d a t i o n 目录 目录 摘雪 i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 近红外菁染料1 1 - 2 1 电磁光谱的近红外区域l 1 2 2 近红外菁染料的优势2 1 3 近红外菁染料的主要应用。2 1 3 1p h 探针2 1 3 2 离子探针6 1 4 菁染料的合成8 1 4 1 菁染料的结构特征8 1 4 2 菁染料的合成方法：8 1 5 菁染料的光稳定性9 1 6 选题背景和依据1 0 第二章中位取代的七甲川菁染料的合成及表征：1 3 2 1 引言1 3 2 2 仪器与试剂1 3 2 - 3 染料的合成和表征1 4 2 3 1 合成路线。1 4 2 3 2 中间体2 ，3 ，3 。三甲基3 h 吲哚的合成1 4 2 3 3n 苄基2 ，3 ，3 三甲基3 h 吲哚啉的合成1 5 2 3 4 缩合剂2 氯1 甲酰基3 羟甲基环己烯的合成1 6 2 3 5 染料2 a 的合成1 6 2 3 6 染料2 b 的合成1 8 2 3 7 染料2 c 的合成- 2 1 2 3 8 结果与讨论2 3 2 4 晶体结构2 4 2 4 1 实验原理2 4 2 4 2 单晶的培养2 4 2 4 3 染料2 a 的单晶结构2 5 2 5 本章小结- 2 7 第三章中位取代的七甲川菁染料的光谱性质2 9 3 1 引言2 9 3 2 试剂与仪器2 9 ：1 9 ：1 9 ： ( ) 3 ( ) 3 4 ：；! ； ：；5 ：；! ； ：；6 3 7 ：；9 ：；9 4 0 4 3 4 3 4 3 4 4 。4 4 4 3 2 染料溶液吸收强度的测定。4 4 4 3 3 结果与讨论4 4 4 4 本章小结4 7 第五章结论与展望4 9 致谢；5 0 参考文献51 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文。5 5 i i 第一章绪论 第一章绪论 类比较特殊的染料，与传统染料不同，它不能用于织物的染色，因为它 。菁染料作为一种感光材料，用作卤化银凝胶的增感剂，至今它在感光 仍然占据着重要地位，特别是近年来它作为新型光存储介质在有机型存 储光盘中得到广泛应用。如在c d r o m 光盘感光层材料中，菁染料是目前最常用三种 染料之一。菁染料的研究之所以受到广泛重视，是因为其能够作为荧光探针应用于生物 分子的荧光分析技术【l 】。 近年来，人们对于近红外染料用作指示剂和荧光标签的兴趣逐渐强烈，主要是受光 学探测和成像技术的重大进步的影响 2 - 4 。近红外菁染料的两个主要优势是其几乎可以 忽略的背景吸收和自荧光【5 】。基于近红外荧光检测试剂的微弱的自荧光和在光谱中降低 光散射的作用，且具有较高的选择性，因此近年来，在生物分析方面，近红外荧光检测 试剂一直是非常吸引人的方法【6 】。但是，制约近红外荧光染料大范围应用的一个瓶颈是 缺乏高荧光效率和较高光稳定性的荧光团 7 1 ，迄今为止，只有较少的近红外菁染料在生 物上的应用达到商业化的水平。为满足日新月异的生物分析应用对荧光染料的需求。研 究开发出更多的具有良好荧光光谱性能的新型荧光染料，仍然是荧光分析技术发展的关 键和核心。目前使用比较多的是荧光素类、罗丹明类、b o d i p y 类和菁类等荧光染料。 其中七甲川菁染料作为最主要的近红外荧光团更成为实验研究和实际应用的焦点和方 向【l 】o 七甲川菁染料是一类已经被用作蛋白质标签【8 】、d n a 测序、疏水性测定、质子和金 属离子检测的近红外荧光体【9 】。在d n a 测序方面，荧光标签的引入相比于传统的放射 活性标签提供了更实用和更安全的选择；为了消除在可见荧光分析中的高荧光背景，在 把近红外菁染料用作d n a 测序的标签中，采用了不同的选择；在流动的d n a 测序技 术中，采用了一种典型的吲哚菁染料【l o 】。 本章就近红外荧光染料，特别是菁染料的合成、性质、研究进展和实际应用展开论 述。 1 2 近红外菁染料 1 2 1 电磁光谱的近红外区域 瑚寸线z 射线紫外可见光近红外中红外远红外 微波无线电磁波 g a m m a u l t r a - iin e a rim i d f a r r a y s x - r a y s v i o l e tlv i s i b l e l i n f r a r e d li n f r a r e d i n f r a r e dm i c r o w a v ea m r a d i o 4 0 07 5 01 0 0 0 w a v e l e n g t h ( n r n ) 图1 1 近红外区域在光谱中的位置 f i g 1 1t h en e a r - i n f r a r e dr e g i o ni nt h es p e c t r u m 江南大学硕士学位论文 人的肉眼有反应，能看得到的光谱范围被定义为电磁光谱的可见光区，在光谱中的 区域是4 0 0 7 5 0 n t o ，紧接着可见区在长波长方向的区域即为近红外区( n e r o i n f r a r e d n i r ) ，通常所认为的光谱范围是7 5 0 1 0 0 0 n m ，如图1 1 所示。对于染料来说， 其最大发射波长超过6 5 0 n m ，即可被称为近红外染料。 1 2 2 近红外菁染料的优势 由于很多人们感兴趣的生物分子本身不发荧光，或者只有微弱的荧光，因此对这些 重要分子的荧光分析就必须引入有荧光的有机分子，即荧光探针。而有机荧光染料是最 为常用的荧光探针之一，因此研究具有良好的光稳定性和高荧光量子产率的荧光染料是 发展荧光探针的关键和核心。 脂类，糖类，水等 i f i 窖r 蛋白，组织色素等 近红外区r 1 、 f r 、 紫外 l 可见光区 i 红外 咖 图1 - 2 生物样品在近红外区的背景吸收和自荧光最弱 f i g 1 - 2t h em i n i m u na b s o r p t i o na n da u t o f l u o r e s c e n c eo fa l lb i o m o l e c u l e sr e a c hm i n i m a 1 3 近红外菁染料的主要应用 1 3 1p h 探针 近年来，人们的兴趣越来越转向于感应材料的研究，主要是由于这些感应材料存在 着应用于生物技术上的巨大潜力，如药物传输与分子探针。特别是分子探针，它们能够 检测到周围环境的变化，如温度变化、p h 变化、酶或离子种类及其浓度的变化等。因此， 人们竞相开发用于探测活细胞中生物学现象的分子探针。其中荧光p h 探针为研究p h 变 化对生理活动的影响提供了强有力的探测工具，广泛用于分析化学、生物分析化学、细 胞生物学( 量度细胞内的p h ) 和医学( 监控血液中的p h ) 。开发p h 检测范围较宽、相对 分子质量较小、有良好的亲脂性与亲水性、能用于生物检测的p h 探针具有重要的实际研 究意义。 = = 尸h 纩飞纩飞庐n 、 。 带有胺基的双苯乙烯型荧光染料具有显著的优点：分子相对较小，既有亲脂性又有 亲水性，双苯乙烯骨架使其具备亲脂性，胺基的存在使其兼具亲水性。斯托克斯位移较 大( 5 0 2 7 0 n m ) ，荧光量子产率较高( 矽= 0 2 7 8 0 8 9 2 ) 。由于其分子相对较小且既有 亲脂性又有亲水性，它能渗透到细胞内，可用于活体组织内p h 的测定，其斯托克斯位 移较大，可避免吸收光谱干扰发射光谱，从而提高测试的灵敏度与准确性。因此，带有 2 第一章绪论 胺基的双苯乙烯类荧光染料开发作为p h 荧光探针，具有重要的应用价值和广阔的发展 前景。 生物体内的氧化压力主要来源于生物体内的活性氧( r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s ，r o s ) 和活性氮( r e a c t i v en i t r o g e ns p e c i e s ，r n s ) ，前者包括超氧阴离子( 0 2 ) 、过氧化氢自 由基( h 2 0 2 ) 、羟基自由基( h o ) 、过氧化物自由基( r 0 0 ) 和烷氧基自由基( r o ) 、 单线态氧( 1 0 2 ) 等；后者主要包括氧化氮( n o ) 、二氧化氮自由基( n 0 2 ) 、过亚硝酸 根阴离子( o n o o 。) 、过亚硝酸( o n o o h ) 、亚硝基过氧碳酸酯阴离子( o n o o c 0 2 ) 、 硝箱离子( n 0 2 + ) 以及三氧化二氮( n 2 0 3 ) 。这两类分子在正常的生命活动中都会产生， 大都具有很高的反应活性，能同细胞内核酸、蛋白质、糖类、脂类分子反应。体内有一 套防御体系确保机体不受氧化损伤，但当体内的应对机制不足时，这些氧化活性分子就 会引起一系列病变。 使用荧光探针进行自由基的检测是一种具有巨大潜力和应用价值的方法。 近年来，人们合成了很多检测自由基的荧光探针，大致如下： ( 1 ) 检测细胞总体氧化水平的荧光探针 二氯二氢荧光素( 2 , 7 d i c h l o r o d i h y d r o f l u o r e s c e i n ，d c f h ) 和二氯二氢罗丹明1 2 3 ( d i h y d r o r h o d a m i n e1 2 3 ，d h r l 2 3 ) 是最常用的反映细胞总体氧化水平的荧光探针。d c f h 的酯d c f h d a 具有较强的跨膜能力，常被用作胞内氧胁迫水平的检测探针，进入细胞 后其被酯酶水解成无荧光的d c f h ，d c f h 在氧化后成为具有强荧光的d c f 。 h3c。三秘三；兰三：=_芝：)(三霎三；：=卫兰i兰；i：三r三二舛兰_ 各洲子洲分o h d h r l 2 3 的氧化机理与d c h f 类似，也经常用它来检测细胞内的h 2 0 2 、h o c i 、o n o o 。 h 2 n 图1 5 荧光探针d h r l 2 3 f i g 1 - 5t h ef l u o r e s c e n tp r o b ed h r l 2 3 除此之外，h e 在0 2 作用下，氧化成为发红色荧光的氧化产物，可能的氧化产物为 e + 。h e 还能被细胞色素c 、o n 0 0 、h o 、h 2 0 2 等氧化成具有荧光的物质，所以h e 可以 作为探针提供细胞内总的氧化水平。 图1 - 9 荧光探针 f i g 1 - 9t h ef l u o r e s c e n tp r o b e sr s c c h a n g 课题组报道了具有硼酸酯结构的荧光探针p f i ，p r l ，p x l ，如图1 - 1 0 所示，对 过氧化氢有很好的选择性。 4 第一章绪论 o ：n 暑等 p f l o 图l - 1 0 荧光探针p f ! ，p r ! ，p x i f i g 1 - 10t h ef l u o r e s c e n tp r o b e sp f i ，p r i ，p x l t a n g 报道的2 ( 2 - 吡啶基) - 苯并硫代二氢噻唑是专门设计的针对0 2 的探针，如图1 1 1 所示，在0 2 氧化下，产生具有荧光的氧化产物。适用的p h 在8 9 1 0 0 范围内。h o 、h e 0 2 不会引起荧光产生。 m 一蚴 图1 - 1 1 荧光探针2 - ( 2 - 吡嚏基) - 苯并硫代二氢噻唑 f i g 1 - 1 lt h ef l u o r e s c e n tp r o b e2 - ( 2 p y r i d i l ) 一b e n z o t h i a l i n e 图1 - 1 2 近红外中性p h 荧光探针t p y c y f i g 1 - 1 2n e a r - i n f r a r e dn e u t r a lp hf l u o r e s c e n tp r o b et p y - c y 细胞内的p h 在细胞内的信号传递，酶的行为【1 1 1 ，细胞的增长和死亡【1 2 】，离子的运 输和动态平衡【13 1 ，钙离子的调节，细胞的内吞和趋化现象以及细胞的粘附等现象中，都 发挥着重要的作用。在正常的生理条件下，细胞外氢离子浓度保持在很窄的变化之内， 原因是较大的浓度变化是致命的。因此，氢离子是生物体内研究的重要对象之一。 t p y c y ，如图1 - 1 2 所示，这是一种在p h = 6 7 0 - 7 9 0 范围内有高度灵敏性的近红外 犯 一 、b o 一 半 b o 江南大学硕士学位论文 荧光中性p h 探针，该探针有效地避开了生物体内白荧光的影响，无论是在水溶液中还是 在活体细胞中，当测试中性p h 条件时，该探针展现出良好的结果。其成功获得细胞p h 的即时图像和在体系中的p h 的探测图像；且结果显示通过t p y c y 探针能够很好的分 辨出可忽略背景荧光的细胞内较小的p h 的改变。因而此提出的该探针能够广泛用于生 物体内较小p h 改变的探测和定性【l 4 1 。 1 3 2 离子探针 目前对生物体内的重要离子的荧光探针研究是生物有机化学家研究的一个热点。现 在研究的大部分离子探针的光谱范围在可见光区，文献中很少出现长波长的近红外荧光 离子探针。这有两方面的原因。一是近红外荧光团很少；另一方面是在近红外区，分子 激发态非常容易发生超快的无辐射衰减，导致染料的荧光量子产率较之可见光区染料小 很多。尽管如此，由于近红外区对于生物检测的独特优势，离子探针的研究仍然吸引了 很多科学家的关注。多甲川菁染料连接某些识别配体后，作为荧光探针能用于小分子或 离子探针选择性检测。 s o a s 0 3 h s 0 3 h 图l - 1 3 近红外荧光探针m c y 1 f i g 1 - 13t h en e a r - i n f r a r e df l u o r e s c e n tp r o b e sm c y 一1 随着具有一定选择性的化学探针的发展，人们对过渡金属和重金属的检测技术产生 了特别的兴趣，而这些离子在生物体内发挥着重要作用和这些离子对环境有剧毒作用。 由于其广泛的分布在空气，水，土壤中，汞离子被认为是最具有毒性的离子之一。汞离 子可以在人体内聚集，甚至在低浓度下也可以引起一系列的疾病，包括腹泻；肾病以及 神经系统疾病【1 5 】。尽管汞离子有毒性，但是汞离子和汞离子盐依然广泛的应用在工业生 产中，人为活动带来的汞离子的污染依然占据很大的比例。近年来，人们正致力于比色 和荧光分子探针用于探测汞离子的存在的研究【i6 】。 中科院和北京分子科学国家实验室设计和合成了一种新型近红外探针，通过一系列 干扰离子的比色实验，可以观察到汞离子的存在。为了达到这个目的，在七甲川链的中 位引入二氧杂冠醚，新的染料表现出可以在近红外区域裸眼看到汞离子的性质，使裸眼 观察到汞离子的存在成为可能。更为重要的是这种新型汞离子探针m c y 1 ，如图1 - 1 3 6 第一章绪论 所示，对汞离子具有极高的选择性，而对于其他离子则没有，这使得汞离子的探测变得 更为容易，应用起来更为方便【l 。 p a t o n a y 研究组合成了一个拥有冠醚环作为离子载体的七甲川花菁染料荧光探针， 对金属离子进行定性、定量的测定。探针结构如图1 1 4 所示。不同金属离子可导致近 红外七甲川染料的光谱发生不同的改变，这种变化通常由染料分子的电子能改变所引 起。染料与金属离子结合形成络合物后，发生荧光淬灭。研究结果还表明其对锂离子的 淬灭效果具有特异性，检测极限为7 4 3 x 1 0 p p b 。这个染料同时又被该研究组用作钙离 子探针，但这次不是用荧光检测，而是用吸收光谱考察它与不同金属离子的结合力，结 果表明对钙离子有很高的选择性。 图1 1 4 近红夕l - - e 甲川菁染料锂离子探针 f i g 1 - 14n i rh e p t a m e t h i n ec y a n i n ed y e s 笛f l u o r e s c e n tp r o b ef o rl i t h i u m 土耳其的a k k y a 研究组在一个方酸菁染料的两边各引入一个苯硼酸，以它们作为果 糖的识别体。如图1 1 5 左图所示。发现随着d 果糖在一定浓度范围增加，荧光强度线 性增强。这被认为是第一个近红外的糖探针，但荧光增强程度只有2 5 。之后，该研究 组又设计合成了一个七甲川菁染料的钙离子探针。采用一个对钙离子有特异选择性的多 羧酸配体( b a p t a ) 作为识别体，连接在七甲川菁染料甲川链的中位。如图1 1 5 右图 所示。这个探针被认为是基于p e t 原理设计的，p e t 探针极少在近红外区能得到良好 的结果，但这个探针的荧光增强达到2 4 倍。 图1 1 5 近红外菁染料糖探针和钙离子探针 ，f i g 1 - 15n i rc y a n i n ed y e sa sf l u o r e s c e n tp r o b ef o rc a r b o h y d r a t e sa n dc a l c i u m 7 不带 为是 在的 多甲 菁染 菁染 即在 n a r a y a r a n 和p a t o n a y 发明了一种新的合成方法，他们在苯和正丁醇以3 ：7 的体积比 形成的混合溶剂中，将n 烷基取代的季铵盐与缩合剂2 氯1 甲酰基3 羟甲基环己烯回 流反应，除去水即可得产物。用这种方法制得的七甲川菁染料容易改变母核，而生成不 同的七e pj i i 菁染料，其合成步骤简单，产率较高，是目前合成七甲川菁染料的主要方法， 其合成路线见图1 1 8 。 第一章绪论 c i 洲c 由洲洲 b u t a n o lb e l l z e r l e yzr x y zr ) ( i ih c m e 2 ( c h 2 ) 4 s 0 3 o c h 3c m e 2c 2 h s ( i ) bh c m e zc 2 h 5 ( i ) f ho c 2 h 5 ( i ) c h c m e = ( c h 2 ) 3 n h 2 h b r ( b r )g hs c 2 h s ( i ) dh c m e 2c m e 2 ( c h 2 ) 4 s 0 3 图1 1 8 七甲川菁染料的合成 f i g 1 1 8t h es y n t h e s i so f h e p t a m e t h i n ec y a n i n ed y e s 1 5 菁染料的光稳定性 菁染料的种类繁多，光谱范围分布从可见光区至近红外区，但由于光照下易产生光 漂白现象，因而不能用于染色。在实际的光化学应用中，染料需要具备高光稳定性，而 菁染料的最大问题就是染料对光，热，氧，臭氧的不稳定。菁染料的母核结构，氧气和 溶液中氧浓度的大小，光照的强度与频率都会对染料的光稳定性有很大的影响。含有不 同的母核结构的菁染料的稳定性顺序为：吲哚 喹啉 噻唑 嗯唑。其中在吲哚型 菁染料中，分子中的甲川链越长，稳定性越差，多甲川菁染料的稳定性顺序为：单甲川 三甲川 五甲川 七甲川 十一甲川 。染料的不稳定影响其广泛应用， 因此研究和解决菁染料的光稳定性，则变得具有非常重要的实际意义。 目前多甲川链上的取代基【2 0 2 1 1 ，端基杂环 2 2 。2 4 1 ，平衡离子【2 5 】，正电荷伫6 】等影响其光 稳定性因素的研究已有报道。也有研究报道表明不同溶剂也会对光氧化量子产率产生影 响【2 7 1 。此外，还可以通过掺杂一些活性氧的猝灭剂来达到增强染料光稳定性的目的 2 8 , 2 9 。 改变染料分子结构是提高染料光稳定性的根本方法。分子中具有共扼长链，常将母体中 的共扼长链改变为方酸环、环戊烯、环己烯等刚性环结构，在分子外部共价引入或掺杂 环糊精等超分子化合物以阻止活性氧的攻击【3 0 - 3 3 】。 早期对三甲川菁染料芳环5 位上取代基效应的研究方法主要是基于荧光和实时吸收 光谱。光物理性质受到芳环上取代基的影响较大，包括激发单线态寿命和荧光量子产率 以及光稳定性等。在芳环上引入吸电子能力强的取代基，如n 0 2 ，s 0 2 c f 3 等，染料的 光稳定性将增强，如图1 1 9 所示。 x = o m e m e h n 0 2 s 0 2 c f 3 图1 - 1 9 三甲川菁染料 f i g 1 - 19t r i m e t h i n ec y a n i n ed y e s 9 w 旦w 。与无f 取代的染料对 所增强，最重要的是由 染料的光稳定性强，染 图1 2 0 多氟取代的五甲川菁染料 f i g 1 2 0f l u o r i n a t e dp e n t a m e t h i n ee y a n i n ed y e s m a d e r 等开发了光稳定性强、量子产率高的菁染料s 0 3 8 7 ，研究了在芳环上的亚甲 基链上取代基对染料光物理性能的影响，在亚甲基链上有取代基的染料较没有取代基的 染料，增大了激发单线态非辐射能量衰减，降低了荧光量子产率。 七夕加 i 、s 0 3h o o c 姚祖光研究组的陈欣发现，七甲川菁染料的吲哚环n 位引入苄基，其光稳定性会大 大提高。 图1 2 2 n 位苄基取代的七甲川菁染料 f i g 1 2 2h e p t a m e t h i n ec y a n i n ed y ew i t hb e n z y l - s u b s t i t u t i o no nn - p o s i t i o n 1 6 选题背景和依据 随着科技的发展，以菁染料作为p h 探针的研究越来越多；原因是菁染料，特别是 水溶性菁染料荧光探针，可以识别很小范围内的p h 变化，对生物体内的病变，对生物 体的毒杀，对生物体内的各种活动可以进行很好的监测，而且易溶于水，解决了染料在 实际应用中水溶性差的问题，这具有很高的科研和应用前景。 本文在前人的基础上在2 ，3 ，3 三甲基3 h 吲哚的氮位引入苄基，以增加染料的稳定 l o 第一章绪论 性；在七甲川菁染料的中位引入含氮的基团使感光基团的光谱发生显著变化，发生了较 大的蓝移，且含氮基团的引入易于质子化，有用做p h 探针的潜力。 七甲川菁染料由于其含有较长的共轭链，具有光稳定性差的缺点，制约着其在实际 中的广泛应用。本文将对其中两种含氮含硫的七甲川菁染料进行光照实验，考察其稳定 性，研究取代基和其他因素染料对染料光稳定性的影响。 本文设计的染料分子为： 厂- 、 2 ar 2 c i2 br = - n l h2 cr 2 一s c h 2 c h 2 c o o h 图1 - 2 3 本论文中设计和合成的分子 f i g 1 - 2 3t h ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e dm o l e c u l e si nt h ed i s s e r t a t i o n 江南大学硕士学位论文 1 2 第二章中位取代的七甲川菁染料的合成及表征 第二章中位取代的七甲川菁染料的合成及表征 2 1 引言 论文中设计了3 种七甲j i l 菁染料，是基于吲哚啉为母核的，相比于其它以喹啉，噻 唑为母核的菁染料，这一类菁染料的光稳定性较好。其中2 种菁染料，2 b 和2 c ，目前 未见报道。 文中按照预先设定的路线合成产品，经提纯后，通过质谱和核磁氢谱对其结构进行 了表征。对其中一种染料培养单晶，测其精确的结构，对其晶体学数据进行了探讨。 具体的分子结构如图2 - 1 所示： 2 2 仪器与试剂 - x 2 ar = - c i2 br = - 弋少h2 cr ”s c h 2 c h 2 c o o h 图2 1 本论文设计的染料的结构 f i g 2 - ls t r u c t u r eo fd e s i g n e dd y e si nt h ed i s s e r t a t i o n 表2 - 1 所用试剂种类 t a b 2 1s p e c i e so fr e a g e n t si nu s e 江南大学硕士学位论文 表2 - 2 所用仪器种类 t a b 2 - 2s p e c i e so fi n s t r u m e n t si nu s e 仪器与设备名称 生产厂家 7 8 1 型磁力搅拌器 k d m 型控温加热套 旋转蒸发仪 j a l 0 0 4 电子天平 a m 3 0 0 ( 4 0 0 m h z ) 核磁共振仪 贝克曼温度计 巩义市予华仪器有限公司 甄城华鲁电热仪器有限公司 巩义市英峪高科仪器厂 上海精密科学仪器有限公司 瑞士b r u k e r 公司 上海华辰医用仪表有限公司 2 3 染料的合成和表征 2 3 1 合成路线 q 州主 图2 - 2 染料2 a 的合成路线 f i g 2 - 2s y n t h e s i sr o u t i n eo fd y e2 a 2 3 2 中间体2 ，3 ，3 一三甲基- 3 h - 吁i 哚的合成 1 ) 反应机理 该合成路线遵循费歇尔合成法的路线 3 4 3 5 】，当今许多抗偏头痛的药物也均采用此类 方法，该方法催化剂的选择非常重要，如盐酸，硫酸，多聚酸，对甲基苯磺酸等布忍斯 特酸已经成功应用在此类反应中，三氟化硼，氯化锌，氯化铁，氯化铝等路易斯酸也成 功应用在此类反应中【3 6 。9 1 。在本实验中采用乙酸作催化剂。 该反应为r o b i n s o n 缩环反应，首先苯肼上的伯胺与甲基异丙酮缩合成亚胺，亚胺 第二章中位取代的七甲川菁染料的合成及表征 与冰醋酸第一步发生m i c h e a l 加成反应，第二步发生羟醛缩合反应，环化生成五元氮杂 环。 2 ) 合成步骤 称量5 4 9 苯肼( o 0 5 m 0 1 ) 加入到l o o m l 两口烧瓶中，用恒压滴液漏斗缓慢滴加甲 基异丙基酮4 3 9 ( 0 0 5 m 0 1 ) ，6 0 下反应5 小时，分去水层，水层分别用5 0 m l 乙醚萃 取三次，与醚层合并，然后用无水硫酸镁干燥，抽滤，旋蒸除去乙醚，得粗制的腙6 5 9 ， 产率7 4 2 9 。将6 5 9 腙与1 5 m l 冰醋酸混合，在8 0 c 油浴中，反应3 小时，冷却至室 温，用饱和碳酸钠水溶液中和至水层呈中性，分离水相和有机相，水相用5 0 m l 乙醚萃 取三次，萃取液与有机相合并，用无水硫酸镁干燥，抽滤后，旋蒸除去乙醚，再减压蒸 馏，收集1 3 0 1 4 0 。c ( o 0 9 0 1 m p ) 沸程得馏分，得金黄色油状液体4 5 9 ，产率6 9 。 3 ) 讨论 由于苯肼具有毒性且见光易分解，因此其需要在避光的条件下保存。 由于未反应的苯肼和甲基异丙基酮对后面的反应没有影响，反应的中间产物无 需得到纯品，可直接进行下一步的反应。 在减压蒸馏获取最终产品时，前馏分虽然也呈现出淡黄色，但是其含有的产品 较少，更多的是未反应的苯肼和甲基异丙基酮，应该舍去；取中间的馏分金黄色液体。 2 3 3n 一苄基一2 ，3 ，3 一三甲基- 3 h - $ 1 哚啉的合成 1 ) 反应机理 该反应为卤代烃的亲核取代反应，由于极性的碳氯键导致了中心碳原子( 反碳) 具 有明显的缺电子性，是缺电子中心，即中心碳原子因带有部分正电荷而具有亲电性，容 易与亲核试剂发生取代反应，即亲电取代反应。吲哚环上的氮原子含有一对孤对电子， 是呈现电中性的分子，属于路易斯碱【4 0 1 。 2 ) 合成步骤 在l o o m l 三口烧瓶中，加入7 0 1 5 9 ( 4 4m m 0 1 ) 的2 ，3 ，3 - 三甲基- 3 h 一吲哚和8 7 9 4 9 ( 6 3 m m 0 1 ) 苄氯，加入2 0 9 6 9 高氯酸钾作催化剂，l o m l 乙醇作溶剂，1 1 5 。c 下回流6 小时，向反应后的溶液中加入l o m l 二氯甲烷，抽滤除去高氯酸钾，旋蒸除去二氯甲烷， 得到红色固体，然后用乙酸重结晶，得黄色固体4 6 1 8 9 ( 1 6m m 0 1 ) ，产率3 6 3 6 。 3 ) 讨论 反应物之一为氯化苄，其沸点为1 7 9 4 。c ，属于高沸点的化合物，在反应的后处 理过程中，难以经过减压旋蒸除去，且其粘性较大，极易与产物粘附在一起。所以在处 理时，需要进行多次的重结晶。 由于2 ，3 ，3 三甲基3 h 吲哚见光易分解，或者被氧化，因此在反应时，应在避光 环境中进行。作为反应溶剂的乙醇不应加太多，原因是反应物在浓度太低时，反应物之 间，以及和催化剂高氯酸钾的碰撞发生反应的机率较小。 氯化苄在通常情况下为无色或者微黄色有强烈刺激性的液体，易挥发且有毒， 可燃。所以在反应时应避免氯化苄的洒出，在加原料时也应避免与氯化苄直接接触。 2 3 5 染料2 a 的合成 1 ) 合成步骤 在l o o m l 三1 2 1 烧瓶中，依次加入1 9 0 m g ( o 6 5m m 0 1 ) 苄基季铵盐和5 0m g ( 0 3 3m m 0 1 ) 2 氯- 1 甲酰基3 羟甲基环己烯缩合剂，再加入l o o m g 无水碳酸钠和l o m l 乙酸酐，7 5 下回流1 小时，溶液逐渐变为绿色，然后把反应后的溶液倒入饱和氯化钠溶液中，搅拌， 析出绿色固体，用二氯甲烷和乙醚重结晶，得1 9 1 m g ( 0 2 8 5 m m o i ) ，产率8 6 4 。 2 ) 产物的表征 ( 1 ) 质谱图 染料2 a 在甲醇中溶解后，测定其质谱，如图2 3 所示： 染料2 a 的分子量为6 7 0 2 4 ，在进行电子轰击时，氯原子脱离，因此分子的离子峰 1 6 第二章中位取代的七甲川菁染料的合成及表征 2 0 11 0 3 1 7 11 0 ( 0 1 2 7 )3 ：t o f m s e s + 6 3 6 3 6 3 8 3 2 7 4 33 1 8 3 3 8 1 3 2 0 11 0 3 1 7 11 2 ( 0 1 4 5 ) 4 7 e 4 2 ：t o fm s m s6 3 5 o o e s + 6 3 6 3 2 6 魉2 。叩。h4 。肥0 7 。3 3 叼6 7 气 6 3 8 3 2 0 11 0 3 1 7 -