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有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究 摘要。 摘要 本论文分两部分：含1 ，8 萘酰亚胺荧光化合物的合成与性能研究及含氮五元杂环 衍生物的合成和光谱性能探讨。分别报道了n ( 2 n n 二乙酸钾基) 4 吗啡啉基1 ，8 萘酰亚胺、水杨醛缩n 甲基- 4 - 肼基一1 ，8 。萘酰亚胺、双芳醛缩n 氨基4 肼基1 ，8 一萘 酰亚胺的合成及其光谱性能研究；合成并探讨了1 ( 2 苯并噻唑) 3 ，5 取代芳基吡唑衍 生物及2 ( 2 吡啶基) 4 ，5 - 二萘咪唑的离子识别性能。 第一部分，以4 溴1 ，8 - 萘酐为起始原料，经过一系列反应得到水溶性的n ( 2 州，m 二乙酸钾基) 4 吗啡啉基1 ，8 萘酰亚胺，荧光发射光谱研究表明其在中性水溶液中能 选择性识别p b 2 + 。合成了水杨醛缩n - 甲基4 肼基1 ，8 萘酰亚胺，研究了其在乙腈溶 液中加入金属离子后荧光光谱的变化情况，发现c u 2 十加入后荧光光谱出现新的特征 峰，溶液由黄绿色变为无色，达到了肉眼识别的效果。制备了一系列双芳醛缩n 氨 基4 肼基1 ，8 萘酰亚胺，研究了其紫外吸收光谱和荧光发射光谱，结果表明它们的最 大发射波长在5 2 0 5 7 0 姗，位于绿光区。 第二部分，合成了一组含苯并噻唑的五元含氮杂环吡唑衍生物，探讨了三氮化合 物与双氮化合物在离子识别性能方面的差异，并研究了吸电子基与给电子基对化合物 荧光强度的影响。合成了2 ( 2 吡啶基) 4 ，5 二萘眯唑，利用荧光光谱详细研究了其与 金属离子的作用，发现该化合物能与z n 2 + 以2 ：1 相互作用，使其最大发射波长红 移5 0 胁左右并显著增强。 关键词：l ，8 萘酰亚胺，西佛碱，吡唑啉，咪唑，合成，识别 作者： 指导教师： 陆伟红 纪顺俊 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究摘要 a b s t r ac t t h i st h e s i sc o n t a i n s 伽o2 l s p e c t s w bd e s c r i b e dt h es y n t h e s i sa n dn u o r e s c e n tp r o p e n i e s o fan o v e l l ，8 - n a p h m a l i m i d ed e r i v a t i v ec o n t a i n i n gp o t a s s i 啪 d i a c e t a t ea n d 1 ， 8 - n a p h t h a l i m i ( 1 ed e r i v a t i v e sc o n t a i n i n g o n eo r 似os c h i f b a s em o i e t i e s w ea l s o s y n t h e s i s e d l - ( b e n z o t h i a z o l e 2 - y 1 ) - 2 ，5 一p h e n y l ( h e t e r o c y c l e ) p y r a z o l i n ec o m p o m l d s ， 2 一( p y r j d i n - 2 一y 1 ) - 4 ，5 一d n a p h t h a l e n - 2 一y 1 ) i n l i d a z o l ，a l 】dd e p i c t e dt 1 1 e i rs p e c t r a lp r o p e r 哆 f i r s t l y an o v e lw a t e r _ s o l u b l e 1 ，8 一n a p h t h a l i m i d e ( t e r j v a t i v e c o n t a i n i l 培 p o t a s s i u n l d i a c e t a t ew 弱曲恤i n e d 丘o m4 b r o m 伊1 ，8 一n a p h 也a l i c a i l h y d r i d eb y s e v e r a l s t e p s f l u o r e s c e n ts p e c 仃ai n d i c a t e dt h a ti tc 锄d e t e c tt r a n s i t i o n - m e t a lp b pu n d e rp h y s i o l o g i c a l p hc o n d i t i o n 1 ，8 一n a p h t h a l i m i d ed e r i v a t i v ec o n t a i n i n go n es c h i f b b a s em o i e 锣、e r e 巧n m e s i z e d ，锄di t sp r o p e r t yo fd e t e c t i o no fc u ( ) w a s 甜s os t u d i e d ，向u r t h e rm o r e ，t h ec u ( i i ) r e c o g m t i o ng a v er i s et 0y e l l o w g r e e n - t 乎c o l o r l e s sc o l o rc h a n g e st i l a tw e r ev i s i b l et o t t l en a k e d e y e as e r i e so fn o v e ll ，8 一n a p h t h a l 矾d ed e r i v a t i v e sc o i l 切j n i n gt 、os c h i 昏b a s e m o i e t i e sw e r es ) ，n t h e s i z e d ，醐d 、v e r cc h a r a c t e r i z e db yu v - v i s i b l e 锄df i u o r e s c e n t s p e c 仃o s c o p i ct e c h n i q u e s ，t h er e s u l t ss h o w 廿1 a tt h ee m i s s i o no f t h ec o m p o u n d sv a r i e si n 廿l e r a n g eo f5 2 0 - 5 7 0 啪，锄dm a ys e n r e 笛g o o dg r e e ni i g h t - e m i t t i n gm a ：t e r i a l s s c e n d l y ，l - ( b e 舷o m i a z o l e 一2 一y 1 ) - 2 ，5 - p h e n y l ( h e t e r o c y c i e ) p y 鼢l i n ec o m p o u n d s 、v e r e $ n t h e s i s e d ，s p e c t r a lp r o p e r 够m d i c a t e dt i l a tf l u o r e s c e n ti n t e n s i 锣o fm e s ec o m p o u n d s e s p e c i a j l y1 - ( b e l l z o t h i a z o l e - 2 - y 1 ) - 2 一( 4 一m e m o 珂p h e n y l ) - 5 一( p y r i d 2 - y 1 ) 阿脚：o l i n e w 勰 、v e a l ( e n e db yc u 2 十2 ( p y r i d i n - 2 - y 1 ) 4 ，5 - d i ( n a p h t h a j e n - 2 - y 1 ) i m i d a z o lw 嬲s y n t h e s i s e d ，a n d i t sf l u o r e s c e n ts p e c t r aa l s os b o 、e dt h a ti tc a nd e t e c tz n 2 + w e l l k e y w o r d s ：l ，8 - n a p h m a l i i i l i d e ，s h i 雕b a l s e ，i ) r r a z o l i n e ，i m i d a z o l e ，s y n t h e s i s ，i d e n t 毋 w r i t t e n b y ：w e i - h o n gl u s u p e r y i s e db y ：s h u n - j u nj i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集 上已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：降 导师签名夕沙。胧 文、日 导师签名：杉竺! ! 。八日 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究 己发表或待发表论文 本论文已发表或待发表的论文 1 】新型含两个西佛碱单元的1 ，8 一萘酰亚胺衍生物的合成与光谱研究 陆伟红，纪顺俊母，倪春华 合成化学( 已接收)对应第四章 【2 】s t u d i e s0 n 恤s i t i o nm e t a li o n sr e c o 啦i o np r o p e r t i e so fs c h i 茔b a s ed e r i v a t i v e sb a s e d o nl ，8 - n a p h t l l a l i m i d e w b i h o n gl u ，s h u l l - j u nj i 掌，l i n - b ol i s p e c 仃d c h i m i c aa c t ap a f ta ：m o l e c u l a ra n db i o m o l e c u l a rs p e c t r o s c o p ys u b m i t t e d 对应第三章 【3 】 s t u d i e so nt r 觚s i t i o nm e t a ji o n sr e c o 鲥t i o np r o p e n i e so fl ，8 一n a p h 岫l i m i d e d e r i v a t i v e sc o n _ t a i n i n gs c h i 昏b a u s em o i e 啦 l u ，w b i h o n g ；j i ，s h u n - j u n 幸；b i a n ，b i n g ；l i ，l i t l _ b o c h i l l e s ej 0 哪a io fo r g ；枷cc h e m i s 衄( s u p p l ) ，2 0 0 7 ，2 7 ，6 2 ( 会议论文) 对应第三章 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究 第一章 1 1 引言 第一章文献综述 一般凡是在一定体系内，当某一种物质或体系的某一物理性质发生变化时，该分 子的荧光信号能发生相应改变，这样的分子就可称为某一物质或某一物理性质的荧光 分子探针【1 1 。分子识另i j 本质上是主体分子( 或称受体) 对客体分子( 或称底物) 选择 性结合并产生某种特定功能的过程【2 埘。荧光分子探针主要功能包括分子识别和将识 ：男啦信息转换成荧光信号两部分，能将分子结合信息转换成易检测的荧光信号，而且可 在单分子水平上实现原位、实时检测。 分子荧光作为传感信号具有以下优点：可达到单分子检测的高灵敏性、可开关、 可实现人与分子的通讯、对亚微粒具有可视的亚纳米空间分辨和亚毫秒时间分辨能力 【4 】。目前己报道的荧光分子探针的识别客体从最简单的质子到手性分子【5 1 、蛋白【6 1 、 寡聚核苷酸序列【7 8 】等千差万别。 由于荧光分子探针在生物、医药和环境监测领域具有广泛的应用前景，目前已经 引起越来越多科研工作者的关注，该方面的报道也如雨后春笋。本章将对这一领域有 关萘酰亚胺与含氮五元杂环主要是吡唑啉和咪唑的研究状况作一综述。 1 2 荧光化合物与荧光光谱 荧光是受激电子由第一电子激发态的最低振动能级回到基态而以光的形式释放 出的能量，和被激发至l 哪一能级无关，因而荧光光谱的形状与激发光的波长无关，只 取决于基态中能级的分布。在发射荧光以前有一部分能量被消耗，发射光的能量比吸 收光小，因此荧光的特征波长比吸收光的特征波长要长。 1 2 1 荧光化合物的结构特点 能够发生荧光的化合物大多数为有机芳香族化合物或它们与金属离子形成的配 合物，这类化合物在紫外光区和可见光区的吸收光谱和发射光谱，都是由该化合物的 电子跃迁引起的【9 1 。 已知大量的有机物中，仅有小部分会发生强烈的荧光，它们的激发光谱、发射光 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究第一章 谱和荧光强度都与它们的结构有密切的关系。 ( 1 ) r 含有共轭双键( 兀键) 体系。通常增加分子内兀电子共轭体系长度可提高 荧光效率并使荧光红移。 ( 2 ) 具有芳环或杂环。芳环越大，其荧光峰越向长波长方向移动，荧光强度往往 也越强。苯、萘仅在紫外区有荧光，随着芳环的增加，它们的荧光光谱可以进入可见 光区，如蒽能发出蓝色荧光，而并四苯则发出绿色荧光【1 0 】。 ( 3 ) 具有刚性结构和平面结构的兀电子共轭体系。闭环可以增加分子共平面性 和刚性而使荧光增强，许多本身无荧光或者荧光很弱的化合物与金属螯合产生具有环 状结构的螯合物时显示较强荧光。随着分子7 c 电子共轭度和平面度的增大，荧光效 率将增大，荧光光谱也将向长波长方向移动。 ( 4 ) 空间位阻效应的存在能破坏分子的共平面性和共轭程度，从而使荧光减弱， 立体异构现象对于荧光也有显著的影响，顺式和反式同分异构体往往具有不同的荧光 性质【1 1 。 ( 5 ) 取代基的性质对物质荧光特性和荧光强度都有很大影响。大部分有机荧光物 质分子中含有芳基，芳基上引入取代基可改变荧光的量子产率和荧光波长。通常邻、 对位定位基可使荧光增强，问位定位基使荧光减弱；供电子基如一o h 、一n h r 、一 o c h 3 、以及共轭取代基可以加强荧光，吸电子基如一c o o h 、一q 呵、一c = o 、一s h 等使荧光减弱；硝基、偶氮基能阻止荧光的产生；重原子( b r ，i ) 一般使荧光量子效率 降低；分子两端分别连接给电子和吸电子基团可使荧光波长发生红移并伴随强度的增 强。 因此，从化合物荧光性能与结构的关系来看，一个强荧光物质一般需要具备的特 征：大的共轭兀键结构；刚性的结构，特别是平面结构；较多的给电子取代基【1 1 1 。 1 2 2 荧光参数 ( 1 ) 荧光强度，荧光强度与该种物质的吸光系数、含量以及荧光量子产率等因素 有关。 ( 2 ) 荧光量子产率，其定义为荧光物质吸收光后所发射的荧光的光子数与所 吸收的激发光的光子数之比值：= ( 发射的光子数) ( 吸收的光子数) 荧光量子产率是研究驰豫过程和光化学历程的重要参数，它表示物质将吸收的光 2 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究 第一章 能转化成荧光的性能。荧光量子产率与物质的化学结构有关，在一定温度下，它是分 子结构的函数，但这种函数关系非常复杂，目前只能依靠实验的方法来进行测定。 ( 3 ) 斯托克斯( s t o c l ( s ) 位移，斯托克斯位移为最大荧光波长与最大激发波长之 差。荧光物质的荧光波长总是大于激发光的波长，这种现象是斯托克斯在1 8 5 2 年首 先观察到的，因此被称作斯托克斯位移。 ( 4 ) 激发光谱，荧光物质的激发光谱是指不同波长的辐射引起物质发射某一波长 荧光的相对效率。理论上最大激发波长与最大吸收波长是一致的，实际上经过校正的 激发光谱与吸收光谱非常接近。 ( s ) 发射光谱，又称荧光光谱，是分子吸收辐射后再发射的结果。 1 3 荧光分子探针识别机理 1 3 1 光诱导电子转移【4 ，1 2 】( p h o t o i l l d u c e de l e c 仃o nt r a n s f e r ，p e t ) 典型的p e t 体系是由包含电子给体的识别基团部分r ( r e s e p t o r ) ，通过一间隔基。 s ( s p a c e ) 和荧光团f ( n u o m p h o r e ) 相连而构建。其中荧光团部分是光能吸收和荧光 发射的场所，识别基团部分则用于结合客体，这两部分被间隔基隔开，又靠间隔基相 连而成一个分子，构成了一个在选择性识别客体的同时又给出光信号变化的超分子体 系。p e t 荧光探针中，荧光团与识别基团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 识别基团与客体相结合，光诱导电子转移作用受到抑制，甚至被完全阻断，荧光团就 会发射出强烈荧光( 图1 1 ) 。p e t 荧光探针作用机制可由前线轨道理论来说明( 图 1 2 ) 。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，因此 这类探针又被称做荧光分子开关。 h v 图1 - 1p e t 荧光探针的一般原理图 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究 第一章 e f l u o r o p h o r e f r e er e c e p t e r e 三二互廿 图1 2p e t 荧光探针的前线轨道原理图 已报道的p e t 荧光分子探针中，多数都是以脂肪氨基或氮杂冠醚作为识别基团。 d es i l v a 研究小组利用多种荧光团设计了大量该类p e t 探针用于氢质子、碱金属阳 离子识别。化合物1 【1 3 】是一个简单的p e t 荧光分子探针，在甲醇中和k + 络合后， 荧光量子产率从o 0 0 3 增加至0 1 4 。钱旭红等设计的p e t 荧光探针( 化合物2 ) 1 3 】， 对氢质子有很好的识别作用，已被m o l e c u l a rp r o b e 公司推广为细胞内酸性内酯质探 针。d es i l v a 研究小组利用类似于e d t a 结构的氨羧酸基团设计的化合物3 【1 2 】是螯 合型p e t 荧光分子探针，识别基羧酸基团形成一个小的空穴，可以有效螯合碱土金 属c a 2 + 和m f + 。 洲一1 i 2 。曹)。甸v 7 杰幽渤溺 34 大多数p e t 荧光分子探针的设计是基于受体与客体结合，使光诱导电子转移作用受 到抑制，荧光团发射出强烈荧光的原理，但是当与过渡金属作用时，结果有时会发生 变化。由于过渡金属3 d 电子的氧化还原行为，可以发生从荧光团到键合过渡金属的 电子转移，或者从过渡金属到荧光团的电子转移，因此可以通过无辐射能量转移导致 荧光淬灭。化合物4 【1 4 】受体冠醚为硫杂冠醚，众所周知，硫杂冠醚与c u 2 + 有强的亲 和能力，该分子设计也是基于p e t 过程，但不同的是，与c u 2 + 键合后产生了从荧 光团到金属离子的p e t 过程，导致荧光淬灭。 4 、- 八。一受渤 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究第一章 1 3 2 分子内电荷转移【4 1 ( i n t r a m o l e c u l a rc h 2 u r g et 啪s f e r ，i c t ) 典型的i c t 荧光分子探针是荧光团上分别连接强推电子基和吸电子基，是一个 强推拉电子体系，推电子基和吸电子基、荧光团共轭相连，在光激发下会产生从电 子给体向电子受体的电荷转移。i c t 荧光探针的识别基团往往是推拉电子体系整体 中的一部分，当识别基团与客体结合时，会对荧光团的推拉电子作用产生影响，减 弱或是强化分子内电荷转移，从而导致荧光光谱的变化，如光谱发生蓝移，或是红移 ( 图1 3 ) 。 q 二二二 o ， ， 亡今b l u es h 谂 旺 一 fd r e ds “f t - - 。一，一 图l - 3 分子内共轭电荷转移原理 ，o 孓o 。弋o 、。 崩 o x l 一 c 0 2 - f l 弋，一 5 6 78 化合物5 【1 5 】为典型的i c t 荧光探针，氮杂冠醚既是识别基团，同时也是推拉电 子体系的电子给体。当冠醚与碱土金属离子如c a 2 + 络合时，由于金属离子的拉电子 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。识别基团 队、 o o l u v u o u l ( 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究 第一章 为电子受体的典型i c t 荧光探针化合物6 【16 1 ，二甲氨基为推电子基，当识别基团与 碱土金属c a 结合后，拉电子能力增强，发生荧光红移。化合物7 【1 7 】为螯合型的i c t 荧光分子探针，可以选择性地与m 9 2 + 络合。多数i c t 荧光探针在结合客体后，光 谱都有明显移动，但荧光强度变化不明显。然而化合物8 【1 8 】是一个例外，与l i + 络 合后荧光增强9 0 倍，与m 孑+ 络合增加2 2 5 0 倍。 1 3 3 激发单体激基缔合物【1 9 】( m o n o m e r - e x c i m e r ) 当两个相同的荧光团，如多环芳烃萘、葸和芘等连接到一个受体分子的合适位置 时，其中一个被激发的荧光团( 单体) 会和另一个处于基态的荧光团形成分子内激基 缔合物。它的发射光谱不阿于单体的发射光谱，表现为一个新的、强而宽、长波、无 精细结构的发射峰。由于形成这种激基缔合物需要激发态分子与基态分子达到“碰撞” 距离( 约3 5 纳米) ，因此荧光团间的距离是激基缔合物形成和破坏的关键。所以用 各种分子间作用力改变两个荧光团间的距离，用结合客体前后单体激基缔合物的 荧光光谱变化表达客体被识别的信息。萘、蒽、芘等荧光团由于具有较长的激发单线 态寿命，易形成激基缔合物，常常被用于此类探针中。 化合物9 【2 0 l ，通过乙二胺连结两个萘分子，h f + 的加入导致激基缔合物荧光增 强；化合物1 0 【2 1 】具有双芘荧光发色团，能以不同的方式选择性响应c u 2 + 和h 9 2 + ； 化合物l l 【2 2 1 是两个萘荧光团通过聚醚链连接的荧光化合物，碱土金属离子c a 2 + 、 b a 可以与氧乙烯链上的多个氧原子以及酯键上的氧原子络合，造成链的收缩，使 两个萘环得以靠近，促进激基缔合物的形成，使萘单体发射荧光强度减弱。 骱厂喝毒 $p 9 1 0 1 1 3 4 荧光共振能量转秽2 3 爿1 ( f l u o r e s c e n c er e s o n a n c ee n e r 影t r a n s f e r ，f r e d 当能量给体荧光团( d ) 与能量受体荧光团( a ) 相隔的距离远大于d a 的碰 6 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究 第一章 撞直径时，只要d 与a 的基态和第一激发态两者的能级间能量差相当，或者说d 的发射光谱与a 的吸收光谱能有效重叠，就可能发生从d 到a 的非辐射能量转 移。实际上d a 发生能量转移两者除了光谱重叠外，还必须以适当的排列方式，a 可 以是荧光团，也可以是荧光淬灭团。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 的荧光变化，多用于核酸的 检测【8 】。 1 z 化合物1 2 【2 5 j 中有两个不同的荧光团，分子中的脂肪叔胺能够通过p e t 淬灭蒽 的荧光，在酸性条件下，该p e t 过程被禁阻，但葸被激发后并不发射荧光，而是将 能量转移给查耳酮使其发射荧光。 1 3 5 基于其他原理的荧光分子探针 大多数阳离子荧光分子探针是基于上述原理设计的，还有少量探针是按照其它原 理设计的，也许有些是意外所得，但常常有出奇制胜的效果。 竖旦兰! 堕2 q 。，- 二- - j - - - - - - h g s 化合物1 3 的乙腈溶液中加入汞离子后荧光显著增强( 3 4 倍) 并红移，进一步用 质谱检测发现生成了脱硫产物1 4 。化合物1 3 是对汞离子有选择性的化学反应荧光 探针，这类不可逆的化学计量性识别分子也被称为化学计量剂2 6 1 。 7 n h q 火 n h n h 异= n h 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究 第一章 1 5 n 0 2 9 1 2 h 2 5 化合物1 5 【2 7 】在p h = 4 7 5 的缓冲溶液中，加入c u 2 十后荧光淬灭，溶液颜色从橙 色变为黄色，该识别过程被称为光学双通道识别。化合物1 6 【2 8 】在中性缓冲溶液中， 加入a 矿后黄绿色荧光淬灭，溶液颜色从浅黄色变为红色。化合物1 7 【2 9 】在水溶液中， 加入h 矿后荧光淬灭。这些双通道识别具有很好的选择性，另外，也为这些离子的 检测提供了方便、直观的方法。 1 4 萘酰亚胺衍生物的光谱性能及其应用现状 萘酰亚胺类化合物作为荧光发色团母核，是很重要的有机功能染料中间体，已经 被广泛应用于染料、颜料、荧光增白剂、荧光墨水、涂料等方面。由于其具有良好的 光化学稳定性、热稳定性以及结构修饰的多样性等特点，已引起了广大科研人员的极 大兴趣，在光敏感材料【3 m 3 2 1 、化学荧光探针、d n a 嵌入剂、有机电致发光材料【3 孓3 5 】 等领域的研究已经全面展开。 1 4 1l ，8 萘酰亚胺类衍生物结构与荧光的关系 萘酰亚胺分子的结构有如下特点【3 6 】： 1 ) 刚性、共平面性。一般来说，荧光物质的刚性和共平面性越强，分子与溶剂 或其他溶质分子的相互作用越少，外转移能量损失越少，有利于荧光的发射。 2 ) 具有较大共轭体系，使得离域兀电子容易激发，从而容易产生荧光。 3 ) 分子结构中具有推拉电子体系， 或者电场激发发生跃迁，产生荧光。 而这种体系中的电子很容易受到外界的光 1 ，8 萘二甲酸酐本身没有荧光，l ，8 - 萘酰亚胺自身荧光也不强，但是在c - 4 位引 入不同取代基后，形成强推拉电子体系，使电子容易激发，发出强烈荧光【3 7 1 。 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究第一章 r 4 一取代一l ，8 一萘酰亚胺 如4 氨基1 ，8 萘酰亚胺荧光化合物具有荧光量子产率高、荧光发射波长适中、斯 托克斯( s t o c l ( s ) 位移大、光稳定性好等优点【3 再4 2 1 ，是荧光分子探针设计中一个优秀 的候选荧光团。另外，该荧光团在合成过程中有4 位和n 位两个不同性质的反应位 点，为改善该类探针的水溶性和连接识别基团提供了方便。 1 4 2l ，8 萘酰亚胺衍生物在荧光分子探针中的应用 华东理工大学的钱旭红课题组在这方面做了很多工作，2 0 0 3 年他们首次报道了 以l ，8 萘酰亚胺衍生物与2 一甲基丙烯酸甲酯均聚物作为荧光分子探针的实例，该聚 合物对f e 2 + 有很好的选择性响应能力【4 3 1 。 卜c h c h 惭2 n h c h 2 c h 2 n ( c h 3 ) 2 1 8 2 0 0 4 年钱旭红课题组报道了化合物1 9 m 1 在中性缓冲水溶液中能高效、选择性识 别h 孑+ ，加入h 矿后由于光诱导电子转移作用被阻断，受体荧光显著增强。 1 9 m ，tj 2 h 3 3 c o h h 一 ：c午c。c。o ，i丁 1l纠j 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究 第一苹 2 0 0 5 年钱旭红课题组报道了一个基于分子内电荷转移( i c t ) 机理的荧光c u z + 探针2 0 【4 5 1 ，这里把化合物1 6 【2 8 】中脂肪族叔胺氮原子用吡啶2 甲胺的氮原子替代，形 成两个类似乙二胺结构的作用单元，在水乙醇混合溶液中与c u 2 + 形成1 ：1 的金属 配体配合物后，4 7 5 啪处出现一个新的很强的荧光发射峰，受体荧光明显蓝移。 2 0 0 6 年钱旭红课题组在化合物2 0 中萘酰亚胺4 - 位的仲胺上再引入一个吡啶 2 甲基得到了新的荧光功能分子2 1 r 4 6 1 ，在p h = 7 0 水乙腈混合溶液中可作为z n 2 + 的荧光分子探针，和z n 2 + 的作用导致受体中与1 ，8 萘酰亚胺直接相连的仲胺去质 子，n 原子的给电子能力进一步增强，从而表现出紫外吸收光谱红移，荧光发射从5 3 7 姗红移至5 9 3m ，并且荧光强度也有较大减弱，达到了选择性识别z n 2 + 的效果。 爱尔兰的1 1 1 0 r f i n n u rg u n n i a u g s s o n 课题组在荧光探针方面也做了不少工作， 2 0 0 3 报道了以二芳基硫脲作为阴离子识别基团、萘酰亚胺为荧光团的阴离子传感器 【4 7 1 。在受体溶液中加入f 后再加入各种阴离子时，可能由于f 强电负性使萘酰亚 1 0 _、 邵跌 h 2 n 矿 6 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究第一章 胺4 位胺基去质子，导致分子电荷密度变化，受体化合物的紫外- 可见吸收光谱从 4 5 5n m 红移至5 5 0m 。 2 2r = h 2 3r = c f 3 t h o r f i f u l u rg l m n l a u g s s o n 课题组报道的化合物2 4 是一个基于光诱导电子转移 机理的z n 2 + 荧光探针，加入z n 2 + 后受体荧光明显增强，具有很好的选择性【4 8 1 。 r ，c o o n a n v c o o n a 磁，苗 h ) mv i ：! ! 曼舅5 3 2 7 2 6n 硼= 3 。 2 0 0 5 年t h o r f i n n l 】rg u f u l l a u g s s o n 课题组报道的化合物2 8 1 5 0 】是一个h 2 p 0 4 。荧 光探针，面体结构的h 2 p 0 4 - 具有较远的氧原子，相比于f 、a c o - 更有利于与萘酰 亚胺的n h 及硫脲的n h 共同作用形成l ：l 化学计量比的复合物。 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究 第一章 己：j 丫器国 l ：j y 器j 妙 t h o r f i 咖rg 啪i a u g s s o n 课题组2 0 0 7 年报道了基于光诱导电子转移机理的含 硫脲或尿素官能团及4 氨基1 ，8 萘酰亚胺的荧光分子探针2 9 、3 0 、3 1 【5 l 】，在d m s o 溶液中对f 有很好的选择性，加入f - 后增强了从识别基团到激发态荧光团的光诱 导电子转移，受体荧光明显淬灭。 jhh u 可n n r 瓣陵 中科大的郭庆祥等人以l ，8 萘酰亚胺为荧光团，多胺衍生物为金属离子受体，设 计合成了用以检测过渡金属离子的荧光化学传感器【5 2 1 。在室温下对其光物理性质的研 究中发现，在没有加入过渡金属离子时，体系内存在有效的光诱导电子转移过程使得 荧光团的荧光被淬灭，加入过渡金属离子后，金属离子受体中的氮原子和过渡金属离 子之间的配位作用阻断了光诱导电子转移过程，体系荧光增强。不同受体表现出了和 过渡金属离子不同的配位识别能力，并且通过荧光变化传递出受体- 金属离子作用的 信息。 1 2 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究 第一章 r 3 2r = 3 4r = - 几几 n h 2 钭岛 n h 2 3 3r = 、几3 5 r = n n h ， h 保加利亚的i v og r a b c l l e v 将l ，8 萘酰亚胺衍生物与苯乙烯共聚得到化合物 3 6 【5 3 1 ，在固体状态下受体与f e 3 + 以光诱导电子转移( p e t ) 机理相互作用，随f e 3 + 浓度增大荧光逐渐增强；而在酸性介质中，由于n ，n 二甲基氨基质子化使得受体荧 光增强，还可以作为一个潜在的荧光质子探针。 o c h 2 c h 2 n ( c h 3 ) 2 3 6 1 4 31 ，8 蓁酰亚胺类衍生物在有机小分子发光材料中的应用 下图所示为田禾等合成的几种1 ，8 萘酰亚胺西佛碱衍生物【5 4 1 。这几种化合物作 为电致发光材料可以实现从蓝光到红光的全色显示。其中n r e d 3 做成的双层器件 在2 2 v 电压驱动下荧光发射波长为5 7 5n m 和6 2 0 砌，发光亮度为1 5 5c d m 2 ， 最大电流密度2 9i i 迭c i n 2 ，是较好的红光发光材料。 撂邵 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究第一章 h一 h 旷舻昌飞：扩昌刊刊 一r 2 n p - r e d 5r 2 = 一n b u n p - r e d 6 r 2 = 。n c l 2 h 2 5 朱道本院士也以萘酰亚胺为母核，合成了含有该发色团和芴发色团的电致发光 材料d f n 【5 5 1 ，并制成器件。 q 我们课题组也在这方面做了一些有意义的工作，边炳合成了一系列新的萘酰亚胺 二吡唑啉双发色团化合物，研究了它们的紫外吸收光谱和荧光发射光谱，发现该类化 合物发射强烈荧光，最大发射波长位于5 3 0m 左右，处于绿光区【5 6 1 。 a n r 3 7 1 5 吡唑啉与咪唑衍生物在荧光分子探针中的应用 吡唑啉类化合物是一种重要的含氮五元杂环衍生物，有很好的生物活性，可以用 作杀虫剂【5 7 1 ，并具有昆虫生长调节活性删、抗菌除草活性【5 9 1 、抗炎活性【鲫、抗癌活 性f 6 。当吡唑啉1 位和3 位与芳环相连可以发射出强烈荧光f 鲫。 咪唑为吡唑的同分异构体，是另一种重要的含氮五元杂环化合物，它是生物体内 组氨酸、肌肽、组氨乃至核酸的重要组成部分【6 ”，因其特异的质子授- 受性能、共轭 1 4 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究 第一章 酸碱性能及选择络合性能，被誉为生物配体或生物催化剂【诈鲫。随着杂环化学的 发展，咪唑类化合物生成的配合物在分子催化、比色分析、分子识别、自组装、核酸 探针、除草剂、抗肿瘤药物等领域已经获得广泛的应用【6 7 1 。 吡唑 1 9 6 4 年，c h i s 、e u 和l i o i l s 【6 8 1 等人报导了 唑和2 ( 6 甲基2 吡啶基) 咪唑与一些过渡金属盐形成的双齿螯合配合物的制备、表征 及电磁性质研究。这三种配体均是双齿配体，与金属离子的配位方式都是以吡啶环上 的氮原子或咪唑环上的第三位氮原子与金属离子配合。 2 一( 2 一吡啶基) 咪唑2 一( 2 - 吡啶基) 苯并咪唑 洲 h 3 c “ 正因为吡啶和咪唑衍生物有很好的配位作用，并且与芳环相连可以构成大冗共轭 体系，因此可以设计得到各种类型的荧光分子探针。 化合物3 8 【6 9 1 利用吡啶及毗唑环上三个氮原子的配位作用实现对h 矿的逻辑 开或关。 h 9 2 + ，、 ，、 ， 、 ， 、 ，u l t 陌、i 0 i e t 、h u e 3 8 k a z u y u k ik a s u g a 合成的化合物3 9 【7 0 】利用吡唑和吡啶上的两个氮原子提供一个 双齿配体，以2 ：l 与z n 寸作用，选择性荧光增强并红移。 眯并苯基啶比 胡 唑咪基 h易n矬碇q h 哆 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究 第一章 x 3 9 我们课题组的史海斌合成的化合物4 0 【7 l 】也能够很好地选择性识别z n 2 + ，随着 z n 浓度增大，荧光渐次增强： 4 0 中山大学的计亮年等报道的配合物4 l 【捌利用咪唑在不同p h 条件下的质子化 或脱质子化作用，成功将其用作“关一开一关”的p h 传感器。 r io p b ) 2 r l 州 hh u ( b p ”2i ( c 1 0 4 ) 4 3 h 扣 4 1 y 0 a ve i c h e n 等人合成的化合物4 2 【7 3 】是一种基于光诱导电子转移( p e t ) 机理 的z n 荧光分子探针，其游离状态荧光很弱，但与z n 2 + 作用后，由于固定了咪唑 环上的哥轨道使分子刚性显著增强，荧光最大发射波长增加约9 0 0 倍。 ， ，、 1 即弋 r 1 - 飞| j 4 2 复旦大学的李富友等报道了一种新的v 型咪唑衍生物4 3 【7 4 】，可用作荧光化学传 感器检测f ，加入f 后，由于咪唑环上质子被脱去的缘故，受体乙腈溶液由绿色变 1 6 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究第一章 成棕色，并且荧光最大波长从4 9 0 啪红移至5 6 5n m 。 h 3 c o o o c h 3 h 摹 h 3 c o 1 6 本论文研究工作的目的和意义 荧光分子探针的应用领域主要是生物、环境、医学等领域，因此水溶液中具有识 别功能的荧光分子探针才具有更广泛的使用价值，而己有的许多荧光分子探针对过渡 金属及重金属离子的识别研究是在有机溶剂中完成的，所以实现水溶液中的荧光识别 是相对更具实用性的研究工作。 水分子与有机溶剂相比，对金属离子具有更强的溶剂化作用，并且与识别基团的 相互作用一般也比有机溶剂强，实现水溶液中的荧光识别具有非常大的挑战性，所以 目前能设计、合成出在有机溶剂中对过渡金属或重金属离子具有可靠选择性识别的新 探针己属不易，依然具有非常重要的实践意义。 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究第一章 因此本文根据荧光分子探针的基本原理，主要进行了过渡金属及重金属离子荧光 分子探针的设计、合成及识别研究，以期获得新的、性能更加优越的荧光分子探针： 为了实现水相识别，我们在萘酰亚胺上引入亲水的识别基团进行分子设计，期望得到 水溶性的探针分子，早日实现荧光分子探针在生物、医学和环境监测领域的实际应用； 吡唑啉及咪唑衍生物尽管可以作为常用的无机配体，但在荧光探针方面报道较少，并 且本课题组在吡唑啉衍生物的合成及离子识别性能上都已经做了一些工作，因此作为 延续，本论文希望把吡唑啉和咪唑衍生物这两类含氮五元杂环衍生物都引入到荧光分 子探针的研究中来。 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究 第二章 第二章萘酰亚胺羧酸盐衍生物合成及性能研究 2 1 引言 铅是对环境和人体健康危害很大的一种有毒过渡金属，在机体内能引发心脏、消 化道、肾、特别是神经系统的一系列疾病。铅的来源有自然和人为的因素，比如含铅 汽油的燃烧、含铅涂料的使用以及电子工业的污染等【7 6 1 。由于家庭供水系统很多使用 的是铅制管道，p b 2 + 也广泛存在于自来水中。尽管目前p b 2 + 的检测主要运用的还是 传统的分析手段，如原子吸收光谱、原子发射光谱、等离子质谱、x 射线荧光光谱吲， 但是这些检测手段都需要昂贵的硬件、成熟的试样处理方法，因此仍然很有必要发展 廉价、实时的方法监测痕量的p b 抖。 4 氨基1 ，8 - 萘酰亚胺光稳定性和化学稳定性好，荧光发射波长适中，荧光量子产 率高并有大的斯托克斯( s t o k e s ) 位移【7 8 ，7 9 1 。合成4 一氨基1 ，8 萘酰亚胺衍生物的常用 原料( 4 - 卤代- l ，8 萘二甲酸酐) 来源丰富、价格低廉，而且易于合成各种不同结构的 化合物。这些良好的性质使4 一氨基一1 ，8 萘酰亚胺荧光团经常被用于各种荧光分子探 针中。但目前许多以萘酰亚胺为荧光团的荧光分子探针水溶性不够好，使多数识别实 验在有机溶剂中进行的，还有一些是在含有较高比例的有机溶剂和水的混合溶液中完 成的。这样不仅给探针的使用带来不便或限制，更严重的是可能导致一些实验结果的 不可靠性【1 9 ，8 0 。8 2 】。然而水分子与有机溶剂相比，对金属离子具有更强的溶剂化作用， 并且与识别基团的相互作用一般也比有机溶剂强，因而实现水溶液中的荧光识别是相 对更具挑战性和实用性的研究工作。 羧基受体能有效地螯合金属离子，并且具有很好的水溶性，因此能实现水相或生 理条件下的检测。目前，以羧基为识别基团的荧光分子探针在碱土金属离子、过渡金 属离子及蛋白质分子识别中都得到了广泛的研究【8 3 彤】。 以往的荧光分子探针设计中经常只考虑了荧光团的性质、识别基的性质以及连接 基对识别响应敏感性的影响三方面的因素【8 6 1 ，在此基础上，我们进一步考虑到溶解性 问题，研究了可完全溶于水的基于4 氨基1 ，8 萘酰亚胺荧光团的铅离子探针。另外， 在多年的探针分子研究中，发现连接基团是亚甲基、乙基、丙基时对识别事件的传导 1 9 有机荧光分子的合成、表征及离子识别研究 第二章 敏感性较好。因此本章中，选择乙基为连接基，通过在l ，8 - 萘酰亚胺的4 位引入双 羧甲基胺基，得到一个光诱导电子转移( p e t ) 类型的荧光功能分子，探讨了其在中 性水溶液中对金属离子的作用。本研究工作为探针使用者提供更多的选择机会，丰富 了可实用的荧光铅离子探针，也为改善荧光分子探针水溶性方面的研究工作提供了有 价值的设计思路。 2 - 2 目标化合物的合成路线 b r 丛丝正2 h 4 丛旦2 c 2 h 5 0 h ，他f i 峨 b r c h 2 c o o e t_ 弋夏i i 丽、 皂o c h 3 o c h 2 c h 2 0 ho l _ n 厂c o o e t n 一c o o e t 器。驳( ：器o 3 0 0 。c 。i r ( k b r ，c m - 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