（物理化学专业论文）新型噻吩乙胺衍生物的合成及性能研究.pdf

硕f ：学位论文 摘要 本文从有机小分子2 噻吩乙胺出发，合成了一系列不同的衍生物，并研究了 不同衍生物在化学传感、宏观自组装和药物合成等方向的理化性能。其具体工作 如下： ( 1 ) 以罗丹明b 和2 噻吩乙胺为基本原料，一步反应合成了氨基乙基罗丹明 内酰胺( r b n n ) 和2 噻吩乙基罗丹明内酰胺( r b s n ) ，两者都能在甲醇与水( 1 ：l ， v v ) 体系中与铜离子形成络合物，促使其形成开环结构，荧光强度增强，但r b s n 的增强效果更好，并伴随着溶液颜色从无色到粉红色的变化，这样可以用肉眼观 察其识别行为。在其它金属离子干扰下，r b s n 对铜离子依然具有高度的选择性。 ( 2 ) 合成了2 噻吩乙基亚胺、4 ，5 ，6 ，7 四氢噻吩并 3 ，2 c 】吡啶和n ，n 一( 2 一乙 基噻吩基) 哌嗪。2 噻吩乙基亚胺和4 ，5 ，6 ，7 四氢噻吩并【3 ，2 c 】吡啶并不能实现宏观 自组装，而n ，n7 ( 2 乙基噻吩基) 哌嗪在二氯甲烷，乙醇，丙酮和乙酸乙酯中均实 现了宏观自组装，主要形成肉眼可观察到的同心圆型、指纹型、雪花型等图案。 通过考察不同溶剂对宏观有序自组装行为的影响，明显看出n ，n7 ( 2 - 乙基噻吩基) 哌嗪在易挥发溶剂中，形成的自组装图案有序性较好，特别是在二氯甲烷中最佳， 形成的自组装图案同心圆十分规整，而在挥发性较差的乙酸乙酯中不能形成同心 圆图案。通过考察温度对宏观有序自组装行为的影响，明显看出冰浴下n ，n ( 2 一 乙基噻吩基) 哌嗪亦可实现宏观有序自组装且图案间有十分明显的分界线( 在常温 下自组装成的图案中也可看到) 。通过考察浓度对自组装行为的影响，明显看出 n ，n ( 2 乙基噻吩基) 哌嗪在高浓度下可实现宏观有序自组装，形成规则的同心圆 图案。而在低的浓度下不仅可以自组装成规则的同心圆图案，还有指纹状图案出 现。 ( 3 ) 考虑原料廉价易得，合成路线短，合成产率高等方面因素，以2 一噻吩乙 胺为起始原料，合成了衍生物2 一噻吩乙基亚胺和4 ，5 ，6 ，7 一四氢噻吩并 3 ，2 - c p e 啶以 及通过格氏反应合成了邻氯苯乙酮酸甲酯。在4 ，5 ，6 ，7 四氢噻吩并 3 ，2 一c 】吡啶与邻 氯苯乙酮酸甲酯反应中，得到了邻氯苯乙酮酸甲酯的酯解和氯解产物。通过对 4 ，5 ，6 ，7 一四氢噻吩并 3 ，2 c 】与邻氯苯乙酮酸甲酯在不同体系中的实验研究，我们已 获得了许多宝贵的经验，这对最终合成氯吡格雷提供了一条有益的思路。 本课题不仅是一项具有重要科学理论和实践价值的创新性课题，而且对化学 传感器的研究、宏观自组装的研究和医药合成的发展也具有重要的推动作用。 关键词：2 一噻吩乙胺：化学传感器；宏观自组装；氯吡格雷：罗丹明 h 新壁唪吩乙胺衍生物的合成及性能研究 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，s e v e r a ld e r i v a t i v e s o f2 - t h i o p h e n e e t h y l a m i n e o fc h e a pa n d a c c e s s i b i l i t yh 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 t h e yp l a y e dau n i q u ee f f e c t o n c h e m o s e n s o r ，m a c r o s c o p i cs e l f - a s s e m b l ya n dd r u gs y n t h e s i s ，r e s p e c t i v e l y ： ( 1 ) 2 - e t h y l a m i n et h i o p h e n er h o d a m i n ei m i d e ( r b s n ) a n de t h y l a m i n or h o d a m i n e i m i d e ( r b n n ) b a s e do n ar h o d a m i n ebw e r ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e db yo n l y o n e s t e pr e a c t i o n ，r e s p e c t i v e l y o f t h e s et w oc o m p o u n d s ，t h ef o r m e rd i s p l a y e dah i g h l y s e n s i t i v ea n ds e l e c t i v i t yt o w a r dc u 2 + o v e ro t h e rc o m p e t i t i v ei o n si nc h 3 0 h h 2 0 ( 1 ：1 ， v v ) b u tt h el a t t e rd i s p l a y e do n l yw e a kr e s p o n s e t h er e c o g n i t i o no fc u 2 + c a u s e dt h e f l u o r e s c e n c es i g n a l se n h a n c e m e n ti nc o n j u n c t i o nw i t hao p t i c a lc o l o r i m e t r i cc h a n g e f r o mc o l o r l e s st op i n kt h a tw a se a s i l yv i s i b l et ot h en a k e de y e ( 2 )2 - t h i o p h e n ee t h y l e n e a m i n e ，4 , 5 ，6 ，7 一t e t r a h y d r o t h i e n o 【3 ，2 - c p y r i d i n e a n d n ，n ( 2 e t h y l t h i e n y l ) p i p e r a z i n e b a s e do n2 - t h i o p h e n ee t h y l a m i n e o f c h e a p a n d a c c e s s i b i l i t yw e r ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e do n eb yo n e m a c r o s c o p i cs e l f - a s s e m b l y m a yb ea c h i e v e db ye v a p o r a t i n gt h ed i c h l o r o m e t h a n e ，e t h a n o l ，m e t h a n o la n da c e t o n e s o l u t i o no fn ，n ( 2 e t h y l t h i e n y l ) p i p e r a z i n ea n dt h e n t of o r mp a t t e r ns u c ha st h e c o n c e n t r i cc i r c l e st y p e ，f i n g e r p r i n tt y p ea n ds n o w f l a k et y p e i ti se a s i l yv i s i b l et ot h e n a k e de y e b u tm a c r o s c o p i cs e l f - a s s e m b l yc a nn e i t h e rb ea c h i e v e db yu s i n g 2 - t h i o p h e n ee t h y l e n e a m i n e n o rb e a c h i e v e d b yu s i n g4 , 5 ，6 ，7 t e t r a h y d r o t h i e n o 【3 , 2 c p y r i d i n eu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s m a c r o s c o p i cs e l f - o r g a n i z e db e h a v i o ro f n ，n ( 2 e t h y l t h i e n y l ) p i p e r a z i n ei nt h ev o l a t i l es o l v e n tw a si n v e s t i g a t e d t h eo r d e ro f p a t t e r ni sb e t t e ri nv o l a t i l es o l v e n tt h a ni nl e s s v o l a t i l es o l v e n t f o re x a m p l e ，i n d i c h l o r o m e t h a n e ，t h ep a t t e r no fs e l f - a s s e m b l yi sv e r yr e g u l a rc o n c e n t r i cc i r c l e sw h i c h c a nn o tf o r m e di nt h el e s sv o l a t i l ee t h y la c e t a t e m a c r o s c o p i cs e l f - o r g a n i z e db e h a v i o r o fn ，n ( 2 e t h y l t h i e n y i ) p i p e r a z i n ei n d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ew a sa l s oi n v e s t i g a t e d m a c r o s c o p i cs e l f - a s s e m b l y c a na l s ob et h er e a l i z a t i o nu n d e rt h ei c eb a t h t h ep a t t e r ni s v e r yd e n s e ，a n dt h ec l e a rd i v i d i n gl i n et h a tc a na l s ob es e e na tr o o mt e m p e r a t u r em a y b es e e nb e t w e e nt h ep a t t e r n s m o r e o v e r ，m a c r o s c o p i cs e l f - o r g a n i z e d b e h a v i o r o f n ，n ( 2 e t h y l t h i e n y i ) p i p e r a z i n ei nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o nw a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h e p a t t e r no fc o n c e n t r i cc i r c l e st y p ec a nb ef o r m e db o t hi nh i g h e rc o n c e n t r a t i o n sa n di n l o w e rc o n c e n t r a t i o n s b u tt h ep a t t e r no ff i n g e r p r i n tt y p ew a sa c h i e v e do n l yi nl o w e r c o n c e n t r a t i o n s i i i ( 3 ) 2 - t h i o p h e n ee t h y l e n e a m i n ea n d4 , 5 ，6 ，7 一t e t r a h y d r o t h i e n o 【3 ，2 c p y r i d i n eb a s e do n 2 - t h i o p h e n ee t h y l a m i n e w e r e d e s i g n e da n d s y n t h e s i z e d m o r e o v e r 2 - m e t h o x y l d i c a r b o n y lc h l o r o b e n z e n ea l s ow a sd e s i g n e da n ds y n t h e s i z e db yg r i g n a r dr e a c t i o n t h ec h l o r i n ea n dm e t h o x y lo f2 - m e t h o x y l d i c a r b o n y lc h l o r o b e n z e n ew a sr e p l a c e d w h e nt h er e a c t i o no f 4 , 5 ，6 ，7 t e t r a h y d r o t h i e n o 3 ，2 - c p y r i d i n e a n d 2 - m e t h o x y l d i c a r b o n y lc h l o r o b e n z e n ew a sa c h i e v e du n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n ，r e s p e c t i v e l y w eh a v e g e t t e dr i c he x p e r i e n c e w h i c hi sa d v a n t a g e o u st os y n t h e s i z et h ec l o p i d o g r e lt h r o u g h a b o v ee x p e r i m e n t n o to n l yh a st h i ss u b je c tt h ei m p o r t a n tv a l u ei ns c i e n t i f i ct h e o r ya n dp r a c t i c e ，b u t a l s ot h i ss u b j e c tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nd e v e l o p m e n to fc h e m o s e n s o r , m a c r o s c o p i c s e l f - a s s e m b l ya n dd r u gs y n t h e s i s k e yw o r d s ：2 - t h i o p h e n ee t h y l a m i n e ；c h e m o s e n s o r ；m a c r o s c o p i cs e l f - a s s e m b l y ； c l o p i d o g r e l ；r h o d a m i n e i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特另j , d h 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 它个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 日期俨勿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：曼觚 导师签名：彳- ：参力绣 ，3 t j 日期： 日期： ，1 年6 月日 | 年石月厂日 7 7 吁7 硕 上学位论文 第1 章绪论 1 12 一噻吩乙胺( 2 - t h i o p h e n ee t h y l a m i n e ) 2 噻吩乙胺常温下为淡黄色澄清液体，空气中久置会变红，分子式c 6 h 9 n s ， 分子量1 2 7 2 1 ，c a sn o 为3 0 4 3 3 9 1 1 ，沸点1 2 8 1 3 2 ，密度1 0 8 7g m l 。 主要用于制造噻氯吡啶、氯吡格雷和噻吩并 3 ，2 c 】吡啶类化合物的中间体。 市场价格约为l6 8 0 0 0 元吨。目前主要有三种方法制备2 噻吩乙胺，具体如下： ( 1 ) 硝基甲烷法 两步还原2 硝基噻吩制备2 噻吩乙胺的方法l l j ，由噻吩与d m f 在三氯氧磷存 在下得到2 噻吩甲醛，产率为8 9 9 ，纯度为9 9 9 ，再由2 噻吩甲醛与硝基甲 烷制备2 硝基噻吩乙烯。以乙硼烷和二氯化锡为还原剂两步还原，制备2 噻吩乙 胺，收率7 1 ，纯度为9 5 。尽管该路线工艺冗长且反应时间长，但是产率比较 高，产品质量较好。反应式如图1 1 所示： 蔷d m f d 半分啡慨罟毋叽呲呲 图1 1 硝基甲烷法合成2 一噻吩乙胺 具体工艺过程为：将2 0m ld m f 和1 6m l 噻吩同时加入到1 2 5m l 三口瓶中 混合搅拌，此时反应液为无色，并盐浴冷却下，缓慢加入2 4m lp o c l 3 ，并不停 搅拌，反应液的温度控制在l5 2 0 ，滴加完毕后，于2 0 下搅拌1h ，再升温 至8 0 9 5 搅拌回流4h ，此时溶液变成黑色，停止加热后冷至室温，然后用4 0 的氢氧化钠调节p h 值为5 6 ，再用4 x 3 0m l 苯萃取，苯层由红棕色变为无色时合 并有机层，用5 0m l 的饱和碳酸钠洗涤，再用5 0m l 水洗，后加无水硫酸钠干燥， 滤去硫酸钠，常压蒸出苯层，再减压蒸得浅黄色油状物噻吩甲醛2 2 2 5g ，产率约 为8 9 9 。 将4 2 5m l2 噻吩甲醛、3 1m l 硝基甲烷、7 5 0m l 甲醇和2 5 0m l 水加入到2 0 0 0 m l 的四口瓶，在机械搅拌，用冰盐浴冷却至5 1 0 ，氮气保护下滴加4 0 的氢 氧化钠溶液6 3m l ，滴加完后继续搅拌4h ，溶液逐渐由无色变为黄色，并有黄色 沉淀析出，加水至沉淀完全溶解，强烈搅拌下，倒入溶有2 1 6m l 盐酸的冰水中， 新型嚷吩乙胺衍生物的合成及性能研究 析出大量黄色沉淀，抽滤后水洗，4 0 真空干燥2 4h 以上，得到黄色固体2 硝基 乙烯基噻吩5 8 6 7g ，收率为8 2 3 。 在5 0 0m l 四口瓶中加入5 1g 硼氢化钠和8 0m l 四氢呋p 南( t h f ) ，机械搅拌， 温度控制在5 1 0 ，氮气保护下缓慢滴加2 7m l 三氟化硼的乙醚溶液，滴完后 再搅拌4h ，得到白色乳状物；将溶解了2 3 1 5g2 硝基乙烯基噻吩的1 0 0m lt h f 溶液缓慢加入白色乳状物中，然后搅拌4h ，再加入lm o l l 盐酸5 0m l 、甲醇5 0m l ， 同时加入溶有1 0 1 5 3gs n c l 2 的盐酸1 0 0m l ，搅拌4h ，溶液变成棕黄色，蒸出溶 剂甲醇、t h f ，蒸完后加入1 0 0m l 甲苯搅拌lh ，温度在l o o 以下分出有机相， 用lm o l l 盐酸洗三次，合并水层，调节p h 为l3 1 4 ，冷却至0 ，用二氯甲烷 萃取、水洗、干燥、蒸出二氯甲烷，得到综红色油状物2 噻吩乙胺1 3 5 3g ，产率 约为7 1 o 。 ( 2 ) 氯乙酸异丙酯法 该法1 是以d m f 和噻吩在三氯氧磷存在下反应得到2 噻吩甲醛，产率为6 2 ； 氯乙酸和异丙醇酯化得到氯乙酸异丙酯，产率为5 5 ；2 噻吩甲醛与氯乙酸异丙 酯发生d a r z e n s 反应得到2 噻吩乙醛，再与盐酸羟胺反应得到2 噻吩乙醛肟，产 率为7 2 ；2 噻吩乙醛肟还原得到2 噻吩乙胺，产率为6 1 。反应式如图1 2 所 示： + 晰! o - c h 。 c i c h 2 c o o h + h o c h ( c h 3 ) 2 c i c h 2 c o o c h ( c h a ) 2 s v c h 山 0c i c h 2 c o o c h ( c h 3 ) 2 命洲： c h on h 2 0 h h c 毋洲2 c h - n o h 毋呲c h - n o _ 二分叽吼呲 图1 2 氯乙酸异丙酯法合成2 一噻吩乙胺 具体工艺过程为：将2 0m ld m f 和1 6m l 噻吩同时加入到1 2 5m l 三口瓶中 混合搅拌，此时反应液为无色，并盐浴冷却下，缓慢加入2 4m lp o c l 3 ，并不停 搅拌，反应液的温度控制在15 2 0 ，滴加完毕后，于2 0 下搅拌lh ，再升温 至8 0 9 5 搅拌回流4h ，此时溶液变成黑色，停止加热后冷至室温，然后用4 0 的氢氧化钠调节p h 值为5 6 ，再用4 x 3 0m l 苯萃取，苯层由红棕色变为无色时合 并有机层，用5 0m l 的饱和碳酸钠洗涤，再用5 0m l 水洗，后加无水硫酸钠干燥， 滤去硫酸钠，常压蒸出苯层，再减压蒸得浅黄色油状物噻吩甲醛2 2 2 5g ，产率约 硕 学位论文 为8 9 9 。 氯乙酸异丙酯合成：将18 9g 氯乙酸和l9 1 6m l 异丙醇放入5 0 0m l 四口瓶中， 再将1 2m l 浓硫酸慢慢滴入，加热回流搅拌6h ，冷却，将反应液倒入1 0 0 0m l 冷 水中，分为两层，上层水相为浅蓝色、下层油相为淡黄色，用5 0m l 饱和碳酸钠 溶液洗涤后再次分层，上层水相透明，下层油相为乳白色，分离后用无水氯化钙 和无水硫酸钠干燥油相，使其变成澄清的淡黄色液体，滤去氯化钙和硫酸钠，减 压蒸馏，得到无色透明产品氯乙酸异丙酯1 4 8 5g 。 2 噻吩乙醛肟合成：将7 0m l 异丙醇倒入2 5 0m l 四口瓶中，微回流，分批加 入1 2g 钠使其全部溶解后冷却至室温，将3g2 - 噻吩甲醛，4g 氯乙酸异丙酯和l o m l 异丙醇混合后在lh 内滴入四口瓶中，滴完后搅拌3 0m i n ，此时溶液为棕色。 将4 8g3 5 ( w t ) 氢氧化钠溶液滴入四口瓶中，升温至5 0 ，反应2h ；将3g 盐 酸羟胺溶于4 8m l 水后滴入瓶中继续反应3 0m i n ，滤去反应中生成的固体，加入 3 0m l 水及3 0m l 二氯甲烷，上层油相为红色，下层水相为浅黄色，分出有机层， 水层用3 0m l 二氯甲烷提取，合并有机层，以无水硫酸钠干燥：滤去硫酸钠后蒸 出二氯甲烷，干燥后得到2 7g 片状晶体产品2 噻吩乙醛肟，产率为7 2 。 2 噻吩乙胺合成：将4 2g2 噻吩乙醛肟加入四口瓶中，加入1 0 0m l 无水乙醇 使其溶解，此时反应液为棕红色，将6 9g 金属钠在4h 内加入反应液中，加完钠 后，反应液为红褐色黏稠状液体，回流1h ，然后降低温度至4 0 以下，加入6 0m l 蒸馏水，再滴加浓盐酸调p h 值为3 4 ，反应液为棕红色，减压蒸馏蒸去2 3 的溶 剂，用浓氢氧化钠调p h 值到1 3 ，放置3 0m i n 以上；然后用乙醚萃取3 次，每次 3 0m l 。第一次萃取，上层有机层为橙黄色，下层水层为橙红色；第二次、第三次 萃取上层有机层逐渐变为浅黄色，下层水层逐渐变为橙黄色。合并有机层，用无 水硫酸钠干燥，过滤后蒸去乙醚得到红棕色产品2 噻吩乙胺2 3g ，产率为6 1 。 ( 3 ) 2 噻吩乙腈法 该法i j l 是以噻吩为原料合成2 氯甲基噻吩，再与氰化钠进行反应得到2 噻吩 乙腈，再还原制备2 噻吩乙胺。该法合成步骤少，反应条件温和，产品收率较高， 但缺点是使用剧毒化学品氰化钠，并产生一定量的含氰废水，环境污染较为严重。 反应式如图1 3 所示： 囝 西吼d 骂口c n 当分吼呲m 图1 32 噻吩乙腈法合成2 噻吩乙胺 具体工艺过程为：以噻吩为原料在甲醛和盐酸存在下反应得到2 氯甲基噻吩， 在1 0 0m l 三v i 瓶中 j 1 1 , k 4 8g 氰化钠和2 5m l 二甲基亚砜，水浴加热至t j 4 0 5 0 ，搅 拌滴加2 一氯甲基噻吩1 1 8g ，3 0m i n n 完，于此温度下继续搅拌2h 。将反应液倒入 新型嚷吩乙胺衍生物的合成及性能研究 1 5 0m l 水中，以乙醚提取，醚层依次以水、浓盐酸、水各3 0m l 洗涤，无水氯化钙 干燥，蒸去乙醚，再减压蒸馏，收集8 9 9 0 0 9 4k p a 馏份，得到无色液体8 7g ， 为2 噻吩乙腈，收率7 9 5 。将6 1 5g2 噻吩乙腈溶于2 0 0m l 无水乙醚中，少量多 次加入5 7gl i a l h 4 ，加完后，回流lh 。用冰冷却后，慢慢滴加1 0 0m l 水，滤去白 色固体，滤液浓缩得淡黄色油状物。减压蒸馏收集7 4 7 5 1 4 7k p a 馏分，得到目 标产物2 噻吩乙胺5 4 8g ，收率8 6 3 。 本论文从廉价、易得的有机小分子2 噻吩乙胺出发，合成它的衍生物，并将 它们运用于不同研究方向，即化学传感器、宏观自组装和医药方向，发挥它们各 自独特的“功效”。各研究方向概述如下： 1 2 化学传感器 1 2 1 罗丹明内酰胺化合物作为化学传感器的研究进展 罗丹明，是一类由氧葸酮为母体的染料，在不同酸度介质中，能结合质子而 呈阳离子形态存在于溶液中，因此也称为碱性染料，其系列衍生物通常具有较大 的摩尔吸光系数和较高的量子产率，其中最著名的为罗丹明b ( r h b ) ，属于沾吨系 染料，有很深的颜色。在水溶液中的激发波长为5 5 2n m ，其较大的激发波长可大 大减少在荧光分析检测时来自于溶剂的散射和溶剂中痕量荧光物质的干扰，而且 罗丹明b 有很高的摩尔吸收系数，因此是个优选的荧光标记探针母体。作为一种 荧光染料，它在生物染色、痕量分析、分析化学方面及分子生物学等领域都有广 泛的应用 4 - 7j 。 有报道【5 】称，对于罗丹明类的酰胺衍生物，罗丹明苯环上羧基衍生为酰胺后， 其在不同的酸碱条件下，也存在着两种平衡状态。在中性或碱性溶液中，罗丹明 内酰胺以螺环状结构存在，呈现紫外区吸收，无色，无荧光；而在酸性溶液中， 它以开环的形态存在，呈现长波吸收，呈绛红色，强荧光。两种结构转换的关键 在于内酰胺氮原子质子化与否。转变过程如图1 4 所示。 + 、 螺环内酰胺 苁轭醌式 无色 绛红色 无荧光 强荧光 图1 4 罗丹明类酰胺衍生物在酸碱条件下的结构转变 在这样一种结构转变中，内酰胺氮原子具有“扳机”作用，其电荷密度的减少 、聂一暖 一叶 、g 暖 硕十学位论文 就是触发的动力。目前，罗丹明内酰胺类化合物在分子传感器上的应用主要基于 化学反应和络合开环两大机制。 ( 1 ) 基于化学反应机理 早在1 9 9 7 年，c z a r n i k 等人【8 】合成了铜离子选择试剂罗丹明b 酰肼( 1 ) ，该化 合物在p h = 7 的缓冲溶液中随着铜离子的加入，迅速催化水解，生成强荧光的罗丹 明b 分子，而其它金属离子无此现象( 图1 5 ) 。 l 麓南蔫 图1 5 铜离子催化化合物1 的水解反应 2 0 0 5 年t a e 等人【9 1 合成罗丹明内酰胺苯基硫脲( 2 ) ，该化合物在甲醇与水的混 合体系中可被汞离子不可逆地迅速催化，生成l ，3 ，4 恶二唑衍生物( 3 ) ( 图1 6 ) 。 h 3 c 、n h h 3 c 、n h 2 3 ( f l u o r e s c e n t ) 。h g s h 3 c 、n h 图1 6 汞离子催化化合物2 生成1 ，3 ，4 - 恶二唑衍生物 随后，z h e n g 等人【1 0 】合成了测定n o 的罗丹明内酰胺邻氨基苯基化合物( 4 ) ， 一氧化氮促使该化合物关环生成罗丹明b 酰基苯并三氮唑( 5 ) ，再通过加入水使其 分解成罗丹明b 和苯并三氮唑( 6 ) ，从而达到对n o 识别的目的( 图1 7 ) 。 新型嚷吩乙胺衍生物的合成及性能研究 、7 n n 4 j 图1 7 化合物4 对n o 识别反应 ( 2 ) 基于络合开环机理 n a m 等人【1 1j 通过两步反应合成了一种新型罗丹明内酰胺衍生物7 ，在乙腈中， p b 2 + 的加入可使其开环，无色荧光物转变成桃红色的强荧光物质8 ，产生1 0 0 倍增 强的响应( 图1 8 ) 。 、n ) 8 0 f l u o r e s c e n t 图1 8 化合物7 对p b 2 + 的识别 2 0 0 6 年，t o n g 等人【1 2 】合成了一种罗丹明内酰胺衍生物9 ，该化合物在乙醇和 水中都可实现对f e 3 + 的选择性识别( 图1 9 ) ，随后【13 1 ，他们又通过两步反应合成 了化合物1 0 ，该化合物在中性缓冲溶液中对c u 2 + 离子有独特的响应( 图1 1 0 ) 。 n 图1 9 化合物9 对f e 3 + 的识别 工z小n 6 硕f ：学位论文 n ) n n 厂、 n 内 + h 9 2 + 1 r 。“。一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ h 9 2 n 八 0 图1 1 1 化合物1 1 对汞离子的识别 s h i r a i s h i 等人【1 5 1 在2 0 0 7 年通过两步反应合成了包含了7 , - 胺乙酰乙酸分子的 新型传感器( 1 2 ) 。该化合物在铜离子的作用下从无色变为绿色，从而实现了对铜离 子的选择性识别( 图1 1 2 ) 。 、n 1 2 o = c u 2 + 、n o 图1 1 2 化合物1 2 对铜离子的识别 最近，y a n g 等人【1 6 1 从罗丹明b 经两步反应合成了一种罗丹明内酰胺硫脲化合 物( 13 ) ，该化合物在甲醇与水的混合体系中实现了对铜离子的选择性识别作用( 图 1 1 3 ) 。 n 1 3 c u 2 + 1 。一 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 、n ) 图i 1 3 化合物1 3 对铜离子的识别 新型嗥吩乙胺衍生物的合成及性能研究 对比上述两种机理，基于络合开环作用的传感器具有可逆性，这是我们设计 光学传感器分子时的首选。 1 2 2 荧光化学传感器的识别原理 目前，荧光化学传感器的传感原理主要有以下几种：光致电子转移( p e t , 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 ) ，分子内电荷转移( i c t ，i n t r a m o l e c u l a rc h a r g e t r a n s f e r ) 、荧光共振能量转移( f r e t , 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 ) 、激基缔 复合物( e x c i m e r e x c i p l e x ) 和刚性效应等。 ( 1 ) 光诱导电子转移( p e t ) 光诱导电子转移【1 7 。1 9 1 是指电子给体或电子受体受光激发后，激发态的电子给 体与电子受体之间发生电子转移从而导致荧光的淬灭过程。典型的光诱导电子转 移荧光传感器分子由三部分组成：具有键合底物能力并将键合信息传递给荧光基 团的键合基团( r e c e p t o r ) ，负责光吸收并产生荧光发射信号的荧光基团( f l u o r o p h o r e ) 一其荧光发射强度反映键合基团的结合状态，以及连接键合基团和荧光基团的连 接基团( s p a c e r ) 。键合基团和荧光基团通常为电子给体或者电子受体。这类荧光传 感器表示为“f s r ”。其中荧光团是光能吸收和荧光发射的场所，受体能选择性地 与被分析物相结合，使其所处的化学环境发生改变，从而使荧光信号发生变化并 达到识别和传感的作用。 在p e t 荧光分子探针中，识别基团与荧光团之间的识别信息与光信号之间的 转化是靠光诱导电子转移完成的，而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。 大多数p e t 荧光分子探针是基于识别基团( 受体) 与待测物质( 客体) 的结合，使 p e t 过程受到抑制及荧光团荧光恢复的原理设计而成的。其具体工作过程如下：具 有电子给予能力的识别基团能够将处于最高能级的电子转入激发态荧光团，因电 子激发而空出电子轨道，使被光激发的电子无法直接跃迂回原基态轨道发射荧光， 导致荧光团的荧光碎灭；然而，当识别基团与客体结合后，降低了识别基团的给 电子能力，p e t 过程被减弱或不再发生，使荧光团的荧光发射增强。因此在未结 合客体之前，探针分子不发射荧光，或荧光很弱，一旦受体与客体结合，荧光团 就会恢复发射出荧光，并且一般这种过程是可逆的。因此在未结合客体之前，主 体不发射荧光，或荧光很弱。一旦受体与客体相结合，荧光团就会发射出强荧光。 由于客体与底物结合前后的荧光强度差别很大，呈现明显的“关”、“开”状态，因此 这类荧光化学传感器又被称为荧光分子开关。图1 1 4 示意了p e t 荧光传感器的结 构与阳离子的识别过程。 硕l j 学位论文 o ：= a b 图1 1 4p e t 荧光传感器与阳离子识别过程示意图 p e t 荧光分子传感器的作用机制也可由前线轨道理论给出合理的解释，如图 1 15 所示。 蠢 岳 c 蠢 h o m o饕 叫 h o m o 卜 f l u o r o p h o r ef r e er e c e p t o r w e a k l yf l u o r e s c e n t a l u m o - 4 - e m i s s i o n h ( ) m 。卜 书h 。m 。 f l u o r o p h o r eb o u n dr e c e p t o r s t r o n g l yf l u o r e s c e n t b 图1 1 5p e t 理论前线轨道示意图 如果有外来的轨道能量恰好位于荧光团的h o m o ( 最高占有轨道) 和l u m o ( 最 低分子轨道) 之间，且这个“外来”的轨道是完全充满的，在激发态下可能发生从这 个全满轨道向受激发荧光团的“h o m o ”轨道的p e t 过程。然后，受激发荧光团的 “l u m o ”轨道向这个外来的轨道发生电子转移( e t ) ，使得稳定的基态得以恢复。由 于激发态向基态以非辐射的方式转变，会发生荧光猝灭。如果有外来的空轨道， 能量恰好位于荧光团的h o m o 和l u m o 之间，也能够发生类似的p e t 过程。在这种 情况下，首先发生从受激发荧光团的l u m o 轨道向这个空轨道的p e t 过程，然后这 个“外来”的轨道向受激发荧光团的h o m o 轨道电子转移，同样以无辐射形式从激 发态转变为基态，观测到荧光猝灭。反之，本身已有p e t 存在的，由于外来分子的 介入，则会打断荧光分子和接受体之间的p e t 过程，发生非辐射能量衰减几率减小， 发生荧光增强。 ( 2 ) 分子内共扼电荷转移( i c t ) i c t 荧光传感器分子【1 7 m ，2 0 。2 1 】一般是由荧光团与识别基团直接相连构成共扼 体系，荧光团上分别连有给电子基( 电子给体) 和吸电子基( 电子受体) ，并且给电 子基或吸电子基团本身又充当识别基团或识别基团的一部分。当荧光团被激发后， 会进一步增加分子内从电子给体到电子受体的电荷转移，基于荧光团所处的微环 境变化使荧光光谱发生s t o k e s 位移，这已从阳离子与带给电子或吸电子基主体络 、 分 omu l 新型嗥吩乙胺衍生物的合成及r 丰能研究 合引起荧光光物理特性的变化中得到证实。当识别基团与客体结合后，会对荧光 团的推一拉电子体系产生影响，或是减弱分子内电荷转移，或是强化电荷转移， 从而导致荧光光谱的变化，主要表现为荧光光谱红移或蓝移，从而达到识别的作 用。这一原理也被称为p c t ( p h o t o i n d u c e dc h a r g et r a n s f e r ) 。一般情况下，i c t 荧光 分子探针对荧光强度的影响不如p e t 探针那么显著。 i c t 荧光探针相对于p e t 荧光探针来说，发展较为缓慢。与光诱导电子转移 ( p e t ) 分子不同的是，分子内共轭电荷转移( i c t ) 分子中，电子给体与电子受体以1 7 键相连，构成d 兀a 型共扼体系。 i c t 荧光探针与传统的p e t 荧光探针对金属离子识别和传感时，荧光光谱的 变化显著不同。金属离子只能使p e t 荧光探针荧光强度发生改变，荧光峰位不变。 因此p e t 荧光探针也被称为分子荧光开关，而i c t 荧光探针与金属离子络合后， 荧光峰蓝移或红移。由于峰位移动，可通过络合金属离子前后的荧光峰的强度之 比来检测金属离子的含量( r a t i o m e t r i c ) 。 一般地，分子内电荷转移分子的基态偶极矩较小，受光激发后，发生电荷分 离，偶极矩大为增加，荧光光谱发生明显的s t o k e s 位移，位移大小与荧光团的微 环境有关。阳离子与荧光团的电子给体或受体作用时，电荷转移效率将发生改变， 造成i c t 的光物理性质变化，例如量子产率、荧光寿命以及吸收和荧光峰位置的 变化。若电子给体的供电子能力减弱，则导致吸收光谱蓝移，摩尔吸光系数减小： 反之，电子受体的拉电子能力增强，则导致吸收光谱红移，摩尔吸光系数增大， 图1 1 6 示意了i c t 体系的作用机制。 国卸旺图 国铷 卜胁幽i r t 一，需n 、- ! 。：。_ = 一 i n t e r a c t i o nw i t hd o n o rg r o u p i n t e r a c t i o nw i t ha c c e p t o rg r o u p 图1 1 6i c t 体系示意图 i c t 态由于涉及电荷分离，其偶极矩显著高于基态，因而i c t 态的形成与发 光对介质环境极为敏感，同时激发态i c t 光物理过程受制于分子中给电子体和受 体的电子得失能力，从而为i c t 荧光体在分析化学中的应用奠定了理论基础，通 过调控i c t 荧光体分子中电子受体和给体的得失电子能力或介质微环境性质可实 现对分子的传感与识别。i c t 荧光化学传感器的缺点是对外部环境的变化十分敏 感，有较强的溶剂化效应。 硕学位论文 ( 3 ) 激基缔合物或激基复合物的生成 基于激基缔复合物( e x c i m e “e x c i p l e x ) 的荧光化学传感器分子【2 2 删的特点是在 一个分子中含有两个荧光基团，并且两个基团处于分子的合适位置。这类分子能 够在结合底物时发生太的几何形态的变化，从而引起单体或激基缔合物发射光谱 的改变。当两个荧光基团相同时，其中一个荧光基团( 单体) 被激发后，会和另一个 处于基态的荧光基团形成分子内激基缔合物( e x c i m e r ) 。激基缔合物的荧光发射光 谱取代了单体的发射峰，在长波长处发射一个新的强宽且无精细结构的荧光峰。 当两个荧光基团不同时，则称之为撤基复合物( e x e i p l e x ) 。激基缔复合物形成与否 的关键是两个荧光基团之间的距离，只有激发态分子与基态分子之间的距离约为 35a 时，才能形成激基缔复合物。因此荧光团间的距离是激基缔合物形成和破坏 的关键。所以利用各种分子间的作用力改变两个荧光团阃的距离，导致激基缔复 合物构型的形成或破坏，使激基缔，复合物的荧光增强或消失，通过单体、激基缔 复合物的荧光光谱变化表达底物识别的信息。这种类型的传感体系也是目前构建 分子传感器最常见的手段之一。图1 1 7 给出了加入底物后可以形成激基缔合物的 荧光化学传感嚣的工作原理。 o 墨多 田11 7 激基缔台物的荧光化学传摩器的工作原理 随阳离子的加入，形成激基缔合物，在荧光光谱长波长处出现宽而无振动结 构的新峰( e x c i m e r ) ，同时短波长处具有振动结构的单体荧光强度下降。据此可根 据激基缔合物荧光峰的增强来检测阳离子，或可由单体与e x c i m e r 间的荧光强度比 值实现对阳离子的传感。 每 骞 新犁唪吩乙胺衍生物的合成及性能研究 ( 4 ) 荧光共振能量转移( f r e t ) 这个概念由f o r s t e r 最先提出【2 4 。2 5 j ，当合适的荧光团构成能量供体受体之间的 距离远大于碰撞直径并存在偶极一偶极的相互作用时，激发供体分子的光子能量可 以被传递至受体分子，而后受体分子发射出光子。如图1 1