（应用化学专业论文）新荧光发色体系—含腈萘杂环：分子设计、合成、应用.pdf

摘要 本文共合成了5 6 个未见报道的化合物，其结构全部通过核磁、红外，质谱等方 式加以确证。 1 本文设计了4 氨基1 ，8 萘二腈( a d c n ) 类新型荧光发色体系；探索了两条合 成a d c n 衍生物通用路线；光谱测定表明a d c n 衍生物荧光量子效率高。 2 提出迫位效应促进的扭曲分子内电荷转移( p e r i e f f e c t p r o m o t e d t i c t ) 机制，设 计了一系列对介质极性具有强烈敏感性的4 一双取代氨基一1 ，8 萘二腈荧光化合 物；提出了扭曲分子内电荷转移促进光诱导电子转移( t i c tp r o m o t e dp e q ) 机 制，并通过简单的理论计算作为辅助，设计了4 一( 4 甲基) 哌嗪基，其对过渡金 属离子f 矿，c ，呈现出非常强烈的荧光增强；设计了以硫醚为电子供体，n s 型双齿配体为过渡金属离子受体的新型p e t 荧光探针，其特点在于不受质子化 影响，但光谱性能研究表明该类荧光衍生物中无电子转移作用：设计了季铵盐 型和季亚铵盐型a d c n 衍生物，其具有良好的水溶性。 3 应用苊醌与丙二腈在碱性条件下进行两次k n o e v e n a g e lc o n d e n s a t i o n 反应，生成 的两次缩合产物与缩合反应释放的羟基负离子发生0 2 一o x i d a t i v es n a r 1 反应得 到了深蓝色取代产物；碱催化的5 取代基( o c h 3 ，b r ，n 0 2 ) 苊醌与丙二腈 的反应，则发生了两种取代反应即“p s o s u b s t i t u t i o n ”和“t e l e s u b s t i t u t i o n ”：应 用硅胶做回相催化剂，通过连续快速柱层析方法操作k n o e v e n a g e lc o n d e n s a t i o n 反应，制备了1 二氰基亚甲基一2 。氧苊：在无水条件下，以碳酸钾为催化剂，完 成t - 二氰基亚甲基一2 - 氧一苊的分子内环合反应，将其定量地转化为8 一氧。8 h - 苊并 1 2 七】吡咯9 一腈；研究了无水条件下碱催化环合的机理，和有水条件下，碱催化 的歧化反应机理，发现k n o e v e n a g e lc o n d e n s a t i o n 反应在碱性有水条件下，是可 逆反应： 通过8 一氧- 8 h 一苊并 1 2 b g l l 咯一9 腈与羟基负离子和伯胺类亲核试剂的 氧气氧化s n a r “反应，得到了强荧光长波长新型荧光化合物3 取代基( 氧负离 子，伯氨基) 8 - 氧一8 h - 苊并 1 2 - b 】吡咯9 一腈；而且发现8 一氧一8 4 - 苊并1 2 一b l l l t 咯一9 腈的两个芳香氢( h 3 ，h 6 ) 可以被两个六元环状胺( 哌啶，吗啉，硫吗啉) 置换。 4 设计合成了4 - ( 二甲氨基一) 乙基一氨基一n 一烯丙基1 ，8 ，萘酰亚胺可聚合荧光单体，并 与甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯共聚，制备了p o l y ( m m a c o f l u o r o p h o r e ) 茅t l p o l y ( s t - c o f l u o r o p h o r e ) 固体薄膜。p o l y ( m m a c o f l u o r o p h o r e ) 体膜只对过渡 金属离子表现出较强的荧光增加，对氢质子则不敏感，而p o l y ( s t - c o f l u o r o p h o r e ) 固体薄膜对氢质子表现出较强的荧光增加，而对过度金属离子则表现出荧光淬 灭。 5 设计合成了3 - 硝基一苊醌和3 一硝基萘二腈新型d n a 切断剂，初步研究表明它们 具有较好的d n a 切断性能。 关键词：荧光发色团；分子探针；光诱导电子转移；芳香亲核取代 a b s t r a c t d u r i n gt h ei n v e s t i g a t i o nf o rt h i sd i s s e r t a t i o n ，5 6n e wc o m p o u n d sh a db e e ns y n t h e s i z e d a n di d e n t i f l e dv i an m r ，i r ，e s i m sa n du v - v i s ，e t c 1 n o v e l4 - a m i n o 一1 ，8 一d i c y a n o n a p h t h a l e n e ( a d c n ) f l u o r o p h o r eh a db e e nd e s i g n e d ，a n di t s f l u o r e s c e n td e r i v a t i v e sh a db e e ns y n t h e s i z e dv i at w og e n e r a lp r o c e d u r e s t h es p e c t r a s t u d i e si n v e s t i g a t e dt h a tt h e s e c o m p o u n d s h a v eh i g hf l u o r e s c e n c eq u a n t u m y i e l d s 2 t h e “p e r i e f f e c tp r o m o t e dt i c t w a ss u g g e s t e da san o v e lc o n c e p tf o rt h ed e s i g no f h i g h l y s e n s i t i v ef l u o r e s c e n t p r o b e f o rm e d i a p o l a r i t y , b a s e d o nw h i c hs o m e 4 - b i s s u b s t i t u t e d a m i n o 一1 ，8 一d i c y a n o n a p h t h a l e n e s h a d b e e nd e s i g n e d ；t h en o v e l t i c t p r o m o t e dp e t m e c h a n i s m h a db e e ns u g g e s t e da sn o v e lc o n c e p tf o rt h ed e s i g no f h i g h l y s e n s i t i v ep r o b ef o rt r a n s i t i o nm e t a li o n s ：b a s e do di ta n dw i t ht h ea i do ft h e o r e t i c a l c o m p u t a t i o n ，4 - ( 州- m e t h y l 一) p i p e r a z i n o 一1 ，8 一d i c y a n o - d i c y a n o n a p h t h a l e n e h a db e e n d e s i g n e d ，w h i c he x h i b i t e ds t r o n g l yf l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n t si n d u c e db yf e 3 + a n dc r 3 + ； t h ea d c nd e r i v a t i v e sw i t ht h i o e t h e rs u b s t i u t e n t sh a db e e nd e s i g n e da n ds y n t h e s i z e da s p e tf l u o r e s c e n tp r o b e sf r e eo fp r o t o n i z a t i o n ，b u tt h e yf a i l e dt os h o wp e t p r o p e r t i e s ； q u a t e r n a r ya m m o n i u m a n dq u a t e r n a r yi m i n o n i u ma d c nd e r i v a t i v e sh a db e e nd e s i g n e d a n ds y n t h e s i z e da sw a t e r - s o l u b l ec a t i o n t y p ef l u o r e s c e n t p r o b e s ，t h e ye x h i b i t e dg o o d w a t e r - s o l u b i l i t y 3 u n d e rt h e c a t a l y s i s o fb a s e s ，t h e p r o d u c t o ft w i c e k n o e v e n a g e l c o n d e n s a t i o no f a c e n a p h t h a l e n e q u i n o n ea n dm a l o n o n i t r i l eh a du n d e r g o n ef m f l a e r0 2 一o x i d a t i v es n a r “ r e a c t i o nw i t ht h eh y d r o x yi o nr e l e a s e db yt h ec o n d e n s a t i o n ，a n dr e s u l t e di nd a r k b l u e s u b s t i t u t i o n p r o d u c t ； b a s e c a t a l y z e d r e a c t i o n sb e t w e e n 5 - x ( - o c h 3 ，一b r ， - n 0 2 ) 一a c e n a p h t h a l e n e q u i n o n e a n dm a l o n o n i t f i l el e dt o i p s o a n dt e l e - s u b s t i t u t i o n s ； u n d e rt h ec a t a l y s i so fs i l i c ag e l ，a n dw i t hac o n t i n u o u sf l o wm e t h o d ，t h ek n o e v e n a g e l c o n d e n s a t i o nb e t w e e n a c e n a p h t h a l e n e q u i n o n e a n dm a l o n o n i t r i l e g a v e t h e p r o d u c t 1 _ b i s c y a n o m e t h y l e n e 一2 一o x o a c e n a p h t h a l e n e w i t h h i g hy i e l d ；t h e 8 - o x o 8 h - a c e n a p h t h o 1 ，2 b p y r r o l 一9 - c a r b o n i t r i l eh a db e e no b t a i n e di nq u a n t i t a t i v ey i l e l d 3 v i ab a s e i n d u c e di n t r a m o l e c u l a r c y c l i z a t i o n o f 1 一b i s c y a n o m e t h y l e n e 一2 - o x o a c e n a p h t h a l e n e u n d e r a n h y d r o u s c o n d i t i o n s ；u n d e r a q u e o u s c o n d i t i o n st h e d i s p r o p o n i o n a t i o n o f 1 - b i s c y a n o m e t h y l e n e 一2 一o x o a c e n a p h t h a l e n e h a db e e no b s e r v e d ， w h i c hi n d i c a t e dt h e k n o e v e n a g e lc o n d e n s a t i o nm i g h tb ear e v e r s i b l er e a c t i o n ；v i at h e 0 2 一o x i d a t i v es n a r hr e a c t i o n o f 8 - o x o 一8 h - a c e n a p h t h o 1 ，2 一b p y r r o l 一9 一c a r b o n i t r i l e a n d h y d r o x yi o na n dp r i m a r ya m i n e s ，n o v e lc o m p o u n d s w i t hv e r ys t r o n gf l u o r e s c e n c eo fl o n g w a v e l e n g t hh a db e e no b t a i n e d ；i t w a sa l s of o u n dd o u b l e s u b s t i t u t i o n so c c u r r e do n p o s i t i o n 一3a n dp o s i t i o n 一6o f t h i s p r e c u r s o ri ft h en u c l e o p h i l e sw e r es i x m e m b e rc y c l i c a m i n e ss u c ha sp i p e r i d i n ea n d m o r p h o r l i n e 、 4 4 - ( d i m e t h y l a m i n o e t h 3 ，l e n e ) a m i n o - n a l i y l 一1 8 - n a p h t h a l i m i d e h a db e e n d e s i g n e d a n d s y n t h e s i z e da sp o l y m e r i z a b l ef l u o r e s c e n tm o n o m e r ；i t sc o - p o l y m e r i z a t i o n sw i t hm e t h y l m e t h a c r y l a t e ( m m a ) a n ds t y r e n e ( s t ) l e d t ot w op e tf l u o r e s c e n tp o l y m e r p r o b e s ；t h e p o l y ( m m a - c o f l u o r o p h o r e ) e x h i b i t e d c o n s i d e r a b l ef l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n tt o w a r d t r a n s i t i o nm e t a li o n s ，a n dn o n - s e n s i t i v i t yt o w a r dp r o t o n ；t h ep o i y ( s t - c o - f l u o r o p h o r e ) e x h i b i t e d c o n s i d e r a b l ef l u o r e s c e n c ee n h a n c e m e n tt o w a r d p r o t o n ，a n d f l u o r e s c e n c e d e c r e a s et o w a r dt r a n s i t i o nm e t a li o n s 5 3 - n i t r o a c e n a p h t h a l e n e q u i n o n ea n d3 - n i t r o 一1 ，8 - d i c y a n o n a p h t h a l e n e w e r ed e s i g n e da n d s y n t h e s i z e da sn o v e lp h o t o s e n s i t i v ed n ac l e a v a g ea g e n t ；t h et e n t a t i v ei n v e s t i g a t i o n i n v e s t i g a t e dt h a tt h et w oc o m p o u n d sh a v eg o o dd n a c l e a v a g ea b i l i t y k e y w o r d s ：f l u o r o p h o r e ；m o l e e u l a rp r o b e ；p e t ；s n a r h 4 查垄堡王查兰堕主兰堡堕三 第一章前言 1 1 概述 近年来，荧光染料作为功能性色素在科学技术的各个领域得到广泛应用。 尤其作为分子探针在生命科学、 1 - 4 1 超分子光化学5 1 。】方面的研究在全世界范围 内备受瞩目，是目前热门的研究课题之一。众所周知，化学，生物学里的关键 过程是分子识别和组装，对这些分子水平的微观过程的观测与研究对人类认识 整个世界有极其重要的意义。经过特殊设计的荧光分子探针具有高灵敏度，高 特异选择性，可进行实时单分子检测，安全方便等特点，可将微环境的变化信 息转变为光信号，从而使人分子的对话成为可能，架起宏观世界与微观世界 的桥梁。除了作为强大的分析检测工具而外，荧光分子的另一个重要应用是作 为分子开关中的光信号单元，由于能够对环境刺激作出荧光发射的“开”或“关” 的控制，因此可能被应用为未来分子计算机的信息处理逻辑开关。1 2 】 荧光团( 即荧光染料母体) 上引入活性基团，【1 如琥珀酰亚胺，异硫氰酸 酯，马来酰亚胺等，可以与生物分子上的氨基，巯基等基团通过共价键特异性 结合，从而对生物分子进行荧光标记。标记后的生物分子的各种变化，比如蛋 白质在细胞内的扩散和分布，构像变化等，可以很方便地用荧光检测。二十世 纪九十年代中期的重要科技成果基因芯片的关键技术之一就是核苷酸的荧光 标记。【1 3 】 除了标记用荧光探针( 带活性基团) 外，研究更多的是分子识别用荧光探 针。这类探针结构中含有荧光团和受体单元。f 1 客体分子与受体单元相结合， 并影响荧光团的光物理性质，通过荧光的变化直观地体现客体的存在。客体与 受体的结合作用多数情况下是分子间的弱键作用，如氢键，范德华力，库仑力， n n 作用等。由于小分子对生物大分子机能具有非常重要的调控作用，因此 利用荧光探针对小分子客体进行识别的研究具有重要的理论和实用价值。 第一章前言 1 2 分子识别荧光探针的基本设计原理 1 2 1 光诱导电子转移p e t l l 4 】( p h o t o i n d u c e de l e c t r o nt r a n s f e r ) e ：壶一+ e f l u o r o p h o r ef r e e r e c e p t o r ：葭 f i g 1 1 f r o n t i e ro r b i t a le n e r g yd i a g r a me l a b o r a t i n gt h em e c h a n i s m o fp e ts w i t c h e s 图1 1p e t 机制的前线轨道理论图解示意 p e t 荧光探针中，荧光团与受体单元之间存在着光诱导电子转移，对荧光 有非常强的淬灭作用，因此在未结合客体之前，探针分子不发射荧光，或荧光 很弱。一旦受体与客体相结合，光诱导电子转移作用受到抑制，甚至被完全阻 断，荧光团就会发射出强荧光。p e t 荧光探针的作用机制可由前线轨道能量来 说明( 见图1 1 ) 。由于与客体结合前后，荧光强度差别非常大，呈明显的“关”， “开”状态，这类探针又被称做荧光开关。 2 n 、 n 一 ，一，7。 s c h e m e1 1f o u rp e tf l u o r e s c e n tp r o b e sf o rc a t i o n s 式1 1 四种正离子识另j p e t 荧光探针 已报道的p e t 荧光开关分子中，多数都是以脂肪氨基，或氮杂冠醚作为受 体单元。d es i l v a 研究组1 5 1 利用多种荧光团，设计了大量的该类p e t 探针( 如 大连理工大学博士学位论文 化合物1 ) ，用于氢质子，碱金属阳离子识别。钱旭红【1 6 】等首次设计合成的4 一( 氨 乙基1 氨基一1 ，8 萘酰亚胺推拉电子荧光染料对氢质子有很好的识别作用，此结 构已被m o l e c u l a rp r o b e 公司应用为细胞内酸性内酯质p e t 荧光探针( 化合物 2 ) 。过渡金属及重金属离子识别用p e t 探针的研究相对较少，1 9 8 8 年，c z a r n i k 等 tt l 首次报道了利用多氨基受体与z n 2 + 络合进行识别的p e t 荧光探针( 化合 物3 ) ，s a m a n t a 等【18 】提出了用强缺电子荧光团为信号系统，脂肪胺做受体的过 渡金属离子识别p e t 探针( 化合物4 ) 。 w e a kn u o r e s c e t i c 。 s t r o n gl l u o 1 ：s c e n c e s c h e m e1 2p e tf l u o r e s c e n t p r o b ef o rs i n g l e to x y g e n 式1 2 单线态氧识别p e t 荧光探针 p e t 探针不仅可用于阳离子识别，也可用于中性分子识别。最近n a g a n o 等【i9 j 设计了荧光素为荧光团的p e t 探针用于单线态氧的检测。见式1 1 ，光激 发后，电子从葸环转移至咕吨环，使荧光淬灭。当单线态氧将蒽环氧化后，不 能发生光诱导电子转移，从而使荧光大大增强。 1 2 2 分子内共轭电荷转移i c t ( i n t r a m o l e c u l a rc h a r g et r a n s f e r ) i c t 荧光探针的荧光团具有强的推一拉电子体系，电子供给体与接受体共轭 相连，在光激发下会产生从电子供给体向接受体的电荷转移。i c t 荧光探针的 客体受体单元往往是推拉电子体系整体中的一部分，多数情况是电子的供给 体，但也可能是电子的接受体。当受体单元与客体结合时，很显然会对荧光团 的推- 拉电子作用产生影响，或是减弱了分子内电荷转移，或是强化了电荷转 第一章前言 移，从而导致荧光变化。 n：沁。c一：c。wc“。c一：utue，： ， 7 s e h e m e1 3t h r e en u m s c e m p r o b e sb a s e d i c t m e c h a n i s m 式1 3 三种i c t 荧光探针 典型的i c t 荧光探针化合物5 ， 2 0 1 氮杂冠醚作为受体，同时也是推一拉电 子体系的电子供给体。当冠醚与碱土金属离子如c a 2 + 络合时，离子的拉电子效 应，降低了冠醚氮原子的供电子能力，因此发生荧光蓝移，且荧光增强。受体单 元为电子接受体的典型i c t 荧光探针化合物6 ， 2 1 1 吡啶氮原子为荧光团的电子 接受体，同时也是氢质子的受体，当吡啶氮原子与氢质子结合后，拉电子能力 增强，故荧光发生红移。多数i c t 荧光探针在结合客体后，光谱都有明显移动， 但荧光强度往往没有大的变化，但是化合物7 2 2 是个特例，在其冠醚受体结合 m g ”后，荧光增强了2 2 5 0 倍1 1 2 3扭曲的分子内共轭电荷转移t i c t 2 3 , 2 4 ( t w i s i t e di n t r a m o l e c u l a r c h a r g e t r a n s f e r ) t i c t 实际是i c t 的特例。推拉电子共轭体系的荧光团中，如果电子供给 体( 一般为二烷基氨基，如二甲氨基) 通过活动的单键与芳环相连，当光激发 时，由于强烈的分子内光诱导电荷转移，连接电子供给体与芳环的单键会发生 扭转，使原来与芳环共平面的电子供给体与芳环平面处于正交状态，原来的共 轭系统被破坏，部分电荷转移变为完全的电子转移，形成t i c t 激发态，原有 的i c t 荧光则被淬灭。t i c t 激发态由于正负电荷的完全分离，具有非常高的 极性，因此强极性溶剂有利于t i c t 激发态的形成，而且由于在极性溶剂中t i c t 态能量降低，波长大幅度红移，并使其与处于低能级的三线态或基态的能隙大 大连理工大学博士学位论文 c n、 孛u ：硒趴b 溉。 n吣 u s c h e m e1 4t h r e et i c tf l u o r e s c e n tp r o b e sf o rm e i d a p o l a r i t y 式1 4 三种极性检测用t i c t 荧光探针 t i c t 荧光化合物也可用于水溶液中小分子有机化合物的识别，通常需要与 环糊精共同使用。例如，著名的t i c t 荧光化合物a n s ( 苯氨基萘磺酸，如化 合物1 0 ) ，【2 8 】在含有环糊精的水溶液中，可以进入环糊精空腔内部，由于环糊 精内部微环境的极性远远小于外部水相，因此a n s 不能形成t i c t 激发态，当 有尺寸合适的有机小分子存在时，会与a n s 竞争，将a n s 逐出环糊精空腔， 进入水相，光激发时形成t i c t 态，荧光减弱并大幅度红移。 1 2 4 激发单体激基缔合物 2 9 】( m o n o m e r e x c i m e r ) 激基缔合物是指一个激发态分子与同种化合物的基态分子因电荷转移相 互作用而形成碰撞络合物。激基缔合物形成时，其发射光谱将展现一个新的、 强而宽、长波、无精细结构发射峰。形成激基缔合物需要激发态分子与基态分 子达到“碰撞”距离，两个同种荧光团的距离成为激基缔合物形成和破坏的关 键，利用这一特点可以设计荧光探针。 。必k。疆 。鼍。一。隅n h 。 。，州琴。一。懈”亨 罾罾今馋 s c h e m e1 5f l u o r e s c e n t p r o b ef o rb a r b i t u r a t e ，b a s e do dm o n o m e r - e x c i m e r m e c h a n i s m 式1 5 巴比妥识别用激基缔合物荧光探针 比如，剪刀形受体的两端分别连上芘荧光团1 3 0 1 ( 见式1 2 ) ，受体的腔体结 构的刚性限制了两个芘环互相靠近，因此该化合物只能呈现激发单体芘的荧 光，而不能出现激基缔合物荧光。当一个巴比妥分子进入受体腔内，与受体形 成稳定的氢键络合物时，受体的腔体收缩，使两个芘环靠近，激发时激基缔合 物可以形成，发射长波强光。 r n r m h 、n h 、q p n r 、o 、o o n 1 户 幽hh 渤面渤渤 渤黝 1 l 1 2 s c h e m e1 6t w o p r o b e s b a s e do nm o n o m e r - e x c i m e rm e c h a n i s m 式1 6 两种基于激基缔合物原理的探针 再如，化合物1 1 ， 3 1 】通过长的柔性多乙撑胺链将两个蒽环相连，当体系 中加入z n 2 + 时，可以与多乙撑胺上的多个氨基络合，造成链的收缩，使两个葸 环得以靠近，促进激基缔合物荧光。类似的，化合物1 2 ，【3 2 】通过开链冠醚将 两个葸环相联，当有碱土金属离子与开链冠醚络合时，探针也会发射很强的激 基缔合物荧光。 1 2 5 荧光共振能量转移f r e t m ，3 4 1 ( f l u o r e s c e n c er e s o n a n c ee n e r g yt r a n s f e r ) 当能量给体，荧光团d ，与能量受体a ，相隔的距离远大于d a 的碰撞直 径时，只要d 与a 的基态和第一激发态两者的振动能级间能量差相当，或者 6 大连理工大学博士学位论文 说d 的发射光谱与a 的吸收光谱能有效重叠，仍然可以发生从d 到a 的非辐 射能量转移，又称为长距离能量转移。这是一种偶级- 偶级耦合作用的能量转 移过程。f r e t 的效率反比于d a 距离的六次方。实际上d a 发生能量转移的 条件是很苛刻的，两者除了光谱重叠外，还必须以适当的方式排列，距离足够 近。a 可以是荧光团，也可以是荧光淬灭团。对于前一种情形，激发d 时，由 于能量转移，将观察到a 的荧光发射。而后一种情形，则只能观察到d 的荧 光被a 淬灭。 胁。，、。，、。，、。，、，、n 1 3 s c h e m e l 7af r e t n u o r e s c e n tp r o b e w i t h t w ok i n d s o f c o u m w i n 式1 7 由两种香豆紊构成的f r e t 荧光探针 比如化合物l3 ，p5 】两种香豆素分子通过醚链( 开链冠醚) 相连，二者间 距离较远，f r e t 效率低，当用短波激发时，只能观察到d 香豆素荧光，加入 p b ”时，p b ”与开链冠醚形成络合物，拉近d a 距离，f r e t 效率得以提高， 激发d 时，能够观察到较强的a 的荧光发射。类似地设计在三肽化合物的两 侧连上香豆素和若丹明荧光团，【3 6 】由于肽链本身卷曲使两个荧光团无法靠近发 生有效的能量转移，当激发香豆素时，只能观察到香豆素的发射；而当有c u 2 + ， 或n i ”出现时，三肽中的氮原子与金属离子络合，肽链的构象发生变化，重新 排列使香豆素和若丹明靠近，能有效地发生f r e t ，激发香豆索时，可以非常 明显地观察到若丹明的荧光。 f r e t 荧光探针还广泛地应用于生物大分子的动态分析中。生物大分子不 仅结构复杂，而且多变，用x 一射线衍射法，或1 h n m r 法都不能满足生物大 分子的多样性和动态研究的要求。当生物功能大分子，比如酶，引入d a 荧光 团后，观察二者的能量转移可以间接检测功能激活前后结构变化。 3 7 i f r e t 技 术也经常用在核酸杂交分析，著名的分子灯标实际就是f r e t 技术与杂交反应 蠊 第一章前言 分子信标 荧光团 淬灭匝 f i g u r e 1 2i l l u s t r a t i o no f m o l e c u l a r b e a c o n 图1 2 分子灯标示意图 1 3 荧光探针常用人工合成受体 3 9 - 4 1 1 受体设计是超分子化学的最重要环节。如果从受体对某一客体分子有选择 性识别能力的角度出发，可以说，受体的结构应当是各不相同的。只有那种经 过设计使与客体分子在结构上相互严密配合的受体，才能对客体分子具有最大 的识别能力。受体与客体的识别作用可以分为：( 1 ) 碱性中心与酸性中心的氢 键作用；( 2 ) 阳离子与阴离子之间的静电作用：( 3 ) 芳环与芳环之间的n n s t a c k i n g 作用：( 4 ) 受体与客体在疏水范围的范德华力。专门进行受体的设计、 合成、与客体的识别作用的研究报道非常多，在这里只能就在荧光探针领域内 常用的几类合成受体的某些一般性原则进行介绍。 1 3 1 环糊精【4 2 】( c y c l o d e x t r i n s c d ) 环糊精是一种齐聚糖，分子形状呈圆台形，内有空腔，可溶于水，其内腔 则为疏水性空间，可容纳不同的疏水性有机客体分子。进入环糊精内腔的有机 分子往往处于某种强制取向或受制约的构相状态。对于处于环糊精内的荧光化 合物的光物理，光化学性质会受到环糊精内腔尺寸和极性的影响，可能会不同 于处于自由状态的分子。 对环境极性敏感的荧光化台物，比如丹磺酰胺( d n s ) ，常常与环糊精联 r 一 大连理工大学博士学位论文 用，或者直接将荧光化合物键连在环糊精上，可识别不同种类的外来客体物种。 在水溶液中，d n s 进入c d 内腔，发射强荧光，当加入外来客体时，d n s 不断 离开c d 内腔，进入强极性的水溶液中，其荧光强度不断减弱。这一体系可用 于检测某些甾族化合物是否进入环糊精。基于激基缔合物原理的c d 荧光探针 也很常见，比如将芘连在c d 上的荧光探针( 见图1 3 ) ，在水溶液中，芘进 入c d 内腔中，由于两个c d 腔体的靠近，合并，使两个芘发色团得以靠近并 在光激发时形成激基缔合物，发射强烈的激基缔合物荧光。当溶液中加入新客 体分子时，能进入c d 内腔，将芘取而代之，使激基缔合物荧光大大降低，而 出现芘单体荧光。 g u e s t f i g u r e1 3 g u e s v i n d u c e dd i s s o c i a t i o no f d i m e r o f p y r e n ea p p e n d e di nc d 图1 3 客体识别导致的连接在环糊精上的芘激基缔合物脱缔合作用 1 3 2 冠醚类阳离子受体 冠醚( 包括单环冠醚，穴醚，开链冠醚) 类受体对阳离子客体有较好的亲 和性，主要用于碱金属，碱土金属及铵根离子的识别。冠醚与阳离子的选择性 结合主要由冠醚中的杂原子( 氧，硫，氮) 与金属离子的配位作用，和冠醚孔 穴的相对尺寸决定。冠醚与荧光化合物分子通过不同方式联结，当冠醚络合了 口e l 离子后，会对整个体系引起扰动，进而影响其光物理性能，提供出相关的信 息。比如前面以介绍的化合物5 和7 。 以前过渡金属及重金属离子的荧光识别几乎没有被涉及到过，因为它们一 般都是很强的荧光淬灭剂，但是近几年来，已经出现了硫杂冠醚用于过渡金属 及重金属离子的荧光识别的报道，【4 3 ，4 4 】如化合物1 4 ，15 ，在其硫杂冠醚受体 结合重金属离子后，荧光强度大大增强。硫杂冠醚对过渡金属离子良好的识别 作用在于硫原予是一种“软”酸，而过渡金属离子是“软”碱，二者的配位能 一塑二童萱壹 力比( 氧杂) 冠醚( 比硫原子相对更“硬”) 与过渡金属离子的配位能力更强。 1 4 s c h e m e1 8t w o p r o b e sf o rt r a n s i t i o nc a t i o n s ，w i t hc r o w n t h i o e t h c ra sr e c e p t o r s 式1 8 两种以硫冠醚为受体的过渡金属离子探针 i 3 3 环状多铵盐类及胍类阴离子受体【4 5 4 6 1 识别阴离子的荧光探针在生物学研究上有重大意义，但是相对阳离子荧光 探针来说，其研究历史较短，近年来才开始受到关注。阴离子识别荧光探针的 受体部件一般都含有阳离子，或缺电子位点，通过静电作用与阴离子相结合； 而且由于多数阴离子容易形成氢键，受体中往往引入氢键给体基团以提高结合 强度和选择性。 质子化多胺类受体是典型的羧基受体，其工作原理是静电作用和氢键作 用，如化合物1 6 。随着多胺受体质子化程度增加，与羧基络合的络合常数增大。 篱 l ：彭 n h 2 1 7 s c h e m e1 9t h i c et y p eo f r e c e p t o r sf o ra n i o nr e c o g n i t i o n 式1 9 三种类型的阴离子识别受体 、n h 。、 i ： i 瞬 n h 一”n h l 2 乜 a 9 ，这表明在4 双取代氨基1 ，8 萘二腈体系中，双取代 氨基的供电性按以下顺序：吡咯啶基 二甲氨基。哌啶基 吗啉基。这可以通过空间 位阻和电子效应来解释，类似的吸收光谱规律在4 双取代氨基一l ，8 萘酰亚胺体系中 也存在。1 5 化合物a 6 a 9 在各种溶剂中的荧光光谱也为单峰。 表3 24 一双取代氨基i g 一萘二腊衍生物的光谱性质 t a b l e 3 2s p t c t r a p r o p e r i t e so f 4 ( b i s s u b s t i t u t c d ) a m i n o 一1 8 - d i c y m n o n a p h t h a l e n e c y c l o h e x a n e t o l u e n e d i e t h y le t h e r 1 , 4 - d i o x a t l e t h f e t h y ia c e 诅t e a c e t o n i a i l e 2 - p r o p a n o t e t h 目m d 3 6 24 4 i 3 7 t4 6 4 3 6 44 6 2 3 7 04 7 2 3 7 44 7 9 3 7 34 8 4 3 8 04 9 0 ，8 t4 8 3 3 7 94 8 9 3 7 84 9 3 3 9 44 4 9 04 6 93 9 64 6 405 6 9 04 2 93 9 l4 6 304 7 3 幔3 8 53 9 44 7 104 3 8 0 1 4 84 0 0 4 7 90 2 6 9 0 1 2 83 9 74 7 702 0 2 0 0 3 64 0 34 8 500 4 6 0 0 7 l4 0 7 4 8 700 6 3 00 4 9 3 9 94 8 8 00 9 2 00 4 24 0 24 8 700 5 3 3 6 3 4 4 i 一 3 5 2 3 6 8 4 6 305 6 l3 5 7 3 6 44 6 405 7 43 5 5 3 6 44 7 10 4 1 03 5 8 3 7 0 4 8 20 2 6 7 3 5 9 3 6 74 8 40 2 6 63 5 9 3 7 34 9 000 7 53 6 4 3 7 5 4 9 l00 6 i3 6 2 3 7 2 4 9 00 1 1 73 6 0 3 7 4 4 9 4 00 5 33 6 2 4 5 805 5 5 4 6 00 4 9 9 4 6 905 3 7 4 7 704 7 3 4 7 905 7 8 4 8 5 o2 6 3 4 8 70 1 8 6 4 8 802 3 5 4 8 7 02 3 9 随溶剂极性的增大( 从极性最小环己烷到极性最大的乙醇) ，光谱产生显著红移， a 6 、a 7 、a 8 、a 9 的最大发射波长分别移动了5 2 ，3 8 ，5 3 ，4 9 n m 。荧光光谱的显著 第三章a d c n 荧光探针的设计与性能研究 红移表明化合物的激发态具有很高的极性，化合物荧光具有典型的i c t ( 分子内电荷 转移) 特征。尽管化合物a 6 a 9 的分子结构上存在差别，但在同一溶剂中的荧光最 大发射波长非常接近，这与吸收光谱不同。将最大发射以能量形式( e f ) 与溶剂极性 参数e t ( 3 0 ) 相关联得到的曲线( 见图3 - 2 ) ，可直观地反映溶剂极性对荧光发射的影响。 在较低极性溶剂范围( e t ( 3 0 ) = 3 0 4 0 ) ，最大发射能量e f 随e t ( 3 0 ) 的增大，急剧降低， 而在高极性溶剂范围( e t ( 3 0 ) 4 0 ) ，e f 值变化较小，保持较低值( 约5 8 5 9 k c a l m 0 1 ) 。 曲线上不同e t ( 3 0 ) 范围的e f 值变化趋势的不同( 非线性) 表明化合物a 6 a 9 在低极 性和高极性溶剂中可能有不同的光物理过程。 叫t h ep r o b e s s o l v e n tp o l a r i t ye t ( 3 0 ) f k c a l m 0 1 ) f i g u r e3 3 t h ec o r r e l a t i o no f f l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l d s o f t h e p r o b e st ot h e t ( 3 0 】p o l a r i t yp a r a m e t e r 圈3 3 荧光量子效率与b “3 0 ) 的关联 pi磐芒*)a蒜lc 大连理工大学博士学位论文 从表3 2 可知，溶剂极性对化合物a 6 a 9 的荧光量子效率的影响也是显著的。 为更加清晰的说明溶剂极性对荧光量子效率影响。我们将溶剂极性参数e t ( 3 0 ) 与荧光 量子效率中f 相关联，见图3 3 。化合物a 6 、a 7 、a 8 荧光量子效率随e 1 ( 3 0 ) 的增大 呈剧烈降低的趋势，比如化合物a 6 ，在e t ( 3 0 ) = 3 3 9 处( 甲苯中) 中f = 0 4 7 ，而在 e t ( 3 0 ) = 4 4 0 处( 丙酮中) of = o 0 3 6 ，降低了1 2 倍。高极性溶