（有机化学专业论文）氟硼吡咯罗丹明与香豆素卟啉能量传递体系的合成及光谱研究.pdf

s y n t h e s i so fb o d i p y r h o d a m i n ea n d f yr j i l l l 1 1 i9il l l o l l lr 7 i i1 6iioi i m 9 i j c o u m a r i n p o r p l a y r ml n e r g y t r a n s f e rc a s s e t t e sa n di n v e s t i g a t i o no ft h e i rs p e c t r a lp r o p e r t i e s b y d i n gy u n d i b s t a i y u a nn o m a lu n i v e r s i t y 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e l n o r g a n i cc h e m is t r y i n t h eg r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl i nw e i y i n g m a y 2 0 1 1 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 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任 何其他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 叮 日期 加7 年占月1 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o 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 叮云路 剔醛名 棚 一 j 2 r 氟硼毗咯 罗丹明与香豆素 卟啉能壁传递体系的含成及光潜研究 摘要 荧光检测法因其灵敏度高 操作简单等优点 已经广泛应用于各个领域 因 此 荧光探针分子的研究在当下已成为了一个热门的课题 而在荧光染料分子的 设计中 荧光共振能量转移机理起着举足轻重的作用 本论文利用荧光共振能量 转移 f r e t 的原理 分别设计了基于氟硼吡咯 b o d i p y 罗丹明能量传递体系 的金离子 a u 荧光比值探针和基于香豆素 卟啉能量传递体系的过渡金属离子 n i 2 c 0 2 1 荧光比值探针 基于氟硼吡咯 罗丹明能量传递体系 我们设计并合成了一个金离子荧光比值 探针r a t i o a u 据我们所知 这是报道的第一例基于荧光共振能量转移机理的金 离子荧光比值探针 也是第一个报道的应用于金纳米检测的小分子荧光探针 我 们初步研究了该探针对金离子识别的信号响应机制 并且得出了一个可能性的结 论 在测试体系中金离子能催化诱导探针分子中硫酰胺基团与炔健成环反应 使 探针分子经历了一个f r e t 由 关 o f f 到 开 o n 的过程 因此探针分子 的光谱也发生了相应的变化即b o d i p y 的荧光强度 5 1 4n m 逐渐降低而出现了 罗丹明b 的荧光 5 9 4n m 据了解 这种反应机理在之前报道的金离子探针中 没有涉及过 或许这也为金离子荧光探针的设计开创了一个新的方法 通过对 r a t i o a u 的光谱研究我们发现 该荧光探针对金离子的检测具有良好的选择性和 较高的灵敏度 通过初步应用实验 如山泉水中金离子的检测 化妆品中纳米金 的检测等 分析发现该探针能有效的应用于环境与生活中金离子及纳米金的定量 检测 实验室之前的研究工作表明 香豆素的发射光谱与卟啉的吸收光谱较为匹配 而且两者之间的能量转移效率较高 到目前为止 文献中报道的过渡会属离子 n i 2 c 0 2 的荧光增强型探针还很少 这是由于顺磁性的c 0 2 n i 2 等常常会导致荧 光猝灭 所以设计n i c 0 2 的荧光增强和比值型探针仍然是一项非常具有挑战性 的工作 本文基于香豆素 卟啉能量传递体系 成功设计并合成了一个过渡金属离 子 n i 2 c 0 2 荧光增强 比值型探针化合物c 滴定实验表明 此探针对n i c 0 2 n i 2 十有响应 该探针在对金属离子的检测过程中 能量受体即卟啉部分荧 光 6 5 6n m 强度增强而能量供体即香豆素部分荧光 4 5 8n m 强度几乎不变 该探针有一定的水溶性 可直接检测c 0 2 而且可能对将来设计具有更好选择性 和灵敏度的n i 2 c 0 2 荧光增强 比值型探针有启发 关键词 荧光探针 能量转移 氟硼吡咯 罗丹明 香豆素 卟啉 硕二i 二学位论文 a b s t r a c t f l u o r e s c e n c ea n a l y s i sh a sb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d sd u et oi t s h i g h s e n s i t i v i t ya n ds i m p l i c i t y t h ed e v e l o p m e n to ff l u o r e s c e n tp r o b e sh a sb e c o m eah o t t o p i cd u r i n gt h e s ey e a r s a sw e l la sw ek n o w n t h ef 6 r s t e rr e s o n a n c ee n e r g yt r a n s f e r m e c h a n i s m f r e t p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e s i g n so fd i f f e r e n tp r o b e s i nt h i s p a p e r w ej u d i c i o u s l yd e s g i n e dar a t i o m e t r i cf l u o r e s c e n tp r o b ef o ra u 3 十b a s e do na b o d i p y r h o d a m i n ee n e r g yt r a n s f e rp l a t f o r ma n dar a t i o m e t r i cf l u o r e s c e n tp r o b ef o r t r a n s i t i o nm e t a li o n s n i 2 c 0 2 1b a s e do n ac o u m a r i n p o r p h y r i n e n e r g yt r a n s f e r p l a t f o r m r e s p e c t i v e l y b a s e do nt h eb o d i p y r h o d a m i n ee n e r g yt r a n s f e rp l a t f o r m w eh a v ed e s i g n e d a n ds y n t h e s i z e dt h ef i r s tf r e t b a s e dr a t i o m e t r i cf l u o r e s c e n tg o l dp r o b er a t i o a u w h i hw a st h ef i s tr e p o r t e dg o l dp r o b ea p p l i e dt oq u a n t i t a t i v ed e t e c t i o no fa u n p s w e h a v ep r e l i m i n a r i l yi n v e s t i g a t e da n da n a l y z e dt h ed e t e c t i o nm e c h a n i s m a n dg a v ea p o s s i b l ec o n c l u s i o n t h ea u m a yp r o m o t e dt h et r a n s f o r m a t i o no ft h i o a m i d ep h e n y s u b s t i t u t e dm i d d l ea l k y n et o5 k e t o t h i a z o l eu n d e rt e s tc o n d i t i o n a n dt h a tt h ef r e t w a ss w i t c h e do nw h e nt h en e wr a t i o m e t r i cp r o b ew a si nt h ep r e s e n c eo fa u c o r r e s p o n d i n 9 1 y t h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo fb o d i p ya ta r o u n d5 14n md e c r e a s e d a n ds i m u l t a n e o u s l yf o r m e dan e wf l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo fr h o d a m i n ea ta r o u n d5 9 4 n m t ot h eb e s to fo u rk n o w l e d g e s u c hm e c h a n i s mw a su n p r e c e d e n t e d t h e e x p e r i m e n t s o ft i t r a t i o na n d s e l e c t i v i t y d e m o n s t r a t e dr a t i o a us h o w e d h i g h s e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t yt oa u i m p o r t a n t l y w eh a v ed e m o n s t r a t e d f o rt h ef i r s t t i m e r a t i o m e t r i cd e t e c t i o no ft h ea u i ny u e l us p r i n ga n da u n p si nac o m m e r c i a l f i r m i n ge y ee s s e n c e w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h er a t i o m e t r i cf l u o r e s c e n tp r o b ef o ra u c o u l db eu s e di nt h eq u a n t i t a t i v ed e t e c t i o no fa u 3 i ne n v i r o n m e n ta n da u n p si n l i v i n gg o o d s p r e v i o u sw o r ki no u rl a b o r a t o r yi n d i c a t e dt h a tt h ee m i s s i o no fc o u m a r i ns t r o n g l y o v e r l a p e dw i t ht h ea b s o r p t i o no fp o r p h y r i n w h i c hi sc r i t i c a lf o rt h ee f f i c i e n te n e r g y t r a n s f e rb e t w e e nt h ec o u m a r i ne n e r g yd o n o ra n dp o r p h y r i ne n e r g ya c c e p t o r b e c a u s e o f t h ef l u o r e s c e n c e q u e n c h i n g n a t u r eo f p a r a m a g n e t i cn i 2 c 0 2 f l u o r e s c e n c e e n h a n c e do rr a t i o m e t r i cp r o b e sr e p o r t e df o rn i 2 c 0 2 a r ev e r ys c a r c e t h u s i ti ss t i l lac h a l l e n g et od e s i g nf l u o r e s c e n c e e n h a n c e do rt a t i o m e t r i cp r o b e sf o r n i 2 c 0 2 h e r e w ed e v e l o p e daf l u o r e s c e n tt u r n o n r a t i o m e t r i cp r o b ef o rt r a n s i t i o n m e t a li o n s n i 2 c 0 2 b a s e do nt h ec o u m a r i n p o r p h y r i ne n e r g yt r a n d f e rp l a t f o r m t h ee x d e r i m e n t so ft i t r a t i o na n ds e l e c t i v i t yd e m o n s t r a t e dt h i sp r o b ec o u l dd e t e c tt h e t r a n s i t i o nm e t a li o n sa sc 0 2 n i 2 z n u p o ng r a d u a la d d i t i o no f m e t a li o n c o n i 2 o rz n 2 t op r o b ec t h ei n t e n s i t yo ft h ee m i s s i o nb a n d a ta r o u n d4 58 姗 w h i c h a t t r i b u t e dt ot h ee m i s s i o no fc o u m a r i n w a sa l m o s ti n v a r i a b l ea n dt h ei n t e n s i t y o ft h e e m i s s i o nb a n da ta r o u n d6 5 6n m w h i c ha t t r i b u t e dt ot h ee m i s s i o no fp o r p h y 彻 w a s s i g n i f i c a n l vi n c r e a s e d p r o b ec h a da p p r o p r i a t ew a t e rs o l u b i l i t y a n dc o u l dd e t e c tt h e c 0 2 w i t h o u tf u r t h e ro x i d a t i o n a n di m p o r t a n t l yt h i sp r o b em a yi n s p i r et h ed e s i g n o r f l u o r e s c e n c et u r n o np r o b e so rr a t i o m e t r i cf l u o r e s c e n c ep r o b e sf o rn i z o rc o 二 w i t h i m p r o v e ds e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t yi nf u t u r e k e yw r d s f 1 u o r e s c e n tp r o b e s e n e r g yt r a n s f e r b o d i p y r h d a m i n e c o u m a r i n p o r p h y r i n l v 目录 学位论文原创性声明和版权使用授权书 i 摘要 i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论 1 1 1 引言 1 1 2 荧光共振能量转移的简单介绍 1 1 2 1 荧光发射原理 1 1 2 2 荧光共振能量转移 f r e t 基本原理 2 1 2 3 共振能量转移的计算 3 1 2 4 共振能量转移在各领域中的应用 3 1 3 氟硼吡略 b o d i p y 的简单介绍 5 1 3 1b o d i p y 的合成 5 1 4 罗丹明的简单介绍 6 1 4 1 罗丹明的合成 7 1 5 香豆素的简单介绍 7 1 5 1 香豆素的合成方法 8 1 6 卟啉 9 1 6 1 卟啉的合成方法 9 1 7 本课题的研究内容 1 0 第2 章氟硼吡咯 罗丹明能量传递体系的合成及光谱研究 1 2 2 1 引言 1 2 2 2 探针分子的设计思路 1 2 2 3 合成路线 13 2 4 原料和仪器 1 4 2 5 目标探针及相关产物的合成 1 5 2 5 1 化合物1 的合成 15 2 5 2 化合物2 的合成 15 2 5 3 化合物3 的和合成 1 6 2 5 4 化合物r a t i o a u 的合成 17 2 5 5 化合物5 的合成 l8 2 5 6 化合物6 的合成 1 8 2 5 7 化合物7 的合成 1 9 v 氟硼吡咯一罗丹l 刃1 j 香豆索一卟啉能量传递体系的合成及光谱研究 2 6 探针分子的光谱性质研究 1 9 2 6 1 测试溶液的配制 1 9 2 6 2 水样中金离子的检测 1 9 2 6 3 眼霜精华液中金纳米的检测 一2 0 2 7 结果与讨论 2 0 2 7 1 目标化合物及中间体的合成 2 0 2 7 2 滴定实验 2 0 2 7 3 时间曲线 一2 3 2 7 4 选择性与竞争性实验 2 3 2 7 5 可逆性实验 2 5 2 7 6 产物的结构确定 2 5 2 7 7 初步分析应用 2 8 2 8 小结 3 0 第3 章香豆素 卟啉能量传递体系的合成及光谱研究 3 1 3 1 引言 31 3 2 荧光探针的设计思路 3 1 3 3 合成路线 3 2 3 4 试剂和仪器 3 6 3 4 1 仪器 3 6 3 4 2 试 剂 3 6 3 5 实验部分 3 7 3 5 1n 一 2 氨基乙基 氨基甲酸叔丁酯的合成 3 7 3 5 2 2 二 2 一吡啶甲基 氨基 乙基氨基甲酸叔丁酯的合成 3 7 3 5 3n n 二 2 吡啶甲基 乙二胺的合成 3 7 3 5 47 乙酸酯基 3 4 甲基 苯基香豆素的合成 3 8 3 5 57 一正丁氧基 3 4 甲基 苯基香豆素的合成 3 8 3 5 67 一正丁氧基 3 4 甲酰基 苯基香豆素的合成 3 9 3 5 7 化合物3 的合成 4 0 3 5 8 化合物4 的合成 一4 0 3 5 9 化合物5 与化合物a 的合成 一4 1 3 5 1 0 化合物7 与探针分子c 的合成 4 2 3 6 探钊 分子的光谱性质研究 一4 4 3 6 1 测试溶液的配制 4 4 3 7 结果与讨论 一4 4 3 7 1 目标化合物及中间体的设计与合成 4 4 v i 硕士学位论文 3 7 2 不同水的比例对化合物c 的荧光强度的影响 4 5 3 7 3 滴定实验 4 6 3 7 4 化合物c 对金属离子的选择性研究 4 8 3 7 5 络合物中探针c 与金属离子化学计量比的研究 4 9 3 7 6 控制实验 一5 0 3 8 小结 51 结论 5 2 参考文献 5 4 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录 6 2 附录b 合成化合物一览图 6 3 附录c 部分化合物的谱图 6 5 致 射 6 9 v i i 硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 自从18 5 2 年g gs t o k e s 1 首次发现荧光现象后 荧光现象就一直被广泛应用 荧光 染料作为一类重要的功能性染料 已经广泛应用于工业 农业 信息技术行业 能源 国防等领域 2 因而 研究具有实用价值的各种荧光染料应该是非常有用的 事实上 研究具有实际应用价值的荧光染料已成为科学家们非常感兴趣的课题之一 其中卟啉类 3 b o d i p y 类 4 罗丹明类 5 6 香豆素类 7 8 1 等功能性染料 因具有良好的光化学性能 已经广泛应用于各荧光探针的设计中 9 j 基于共振荧光能量转移 f l u o r e s c e n c er e s o n a n c e e n e r g yt r a n s f e r f i 砸t 机理设计的荧光探针对分析物的识别具有高分辨率 高灵敏度 以及操作简单方便等优点 因而荧光共振能量转移机理在荧光探针的设计中起着举足轻 重的作用 近年来大家对各种荧光探针的研究非常感兴趣 而且也开发出了不少具有实用价值 的荧光探针 当然 有关金离子的荧光探针最近也报道了一些 l 叫3 1 但这些荧光探针对 金离子的检测大多数是以单荧光团的荧光强度的变化为依据的 然而 基于荧光强度变 化的荧光探针对分析物的检测很容易受到环境的影响 另外 所有报道的这些金离子荧 光探针都没有应用于金纳米的检测 因而 设计一个高分辨率 高灵敏度 操作简单方 便且能应用于金纳检测的金离子荧光比值探针是非常有必要的 同样的 近年来对过渡 金属离子荧光探针的研究也不少 但是过渡金属离子因其顺磁性能导致探针荧光猝灭 因而设计一个荧光增加型的过渡金属离子 例如n i 2 c 0 2 探针相对比较困难 相对而 言 这类荧光探针的报道也的确比较少 因而 设计一个荧光增加型的n i 2 c 0 2 离子探 针仍然很有必要的 针对这些情况 基于共振荧光能量转移机理我们分别设计了金离子 荧光比值探针和n i l c 0 2 荧光比值探针 1 2 荧光共振能量转移的简单介绍 1 2 1 荧光发射原理 荧光物质在吸收入射光的过程中 吸收了光子的能量释放出电子 释放出的电子从 基态跃迁到激发态 而处于激发态的分子并不稳定 因而电子会通过辐射跃迁和非辐射 跃迁两种方式衰变返回到基态 辐射跃迁的衰变过程伴随着光子的发射 即产生了荧光 和磷光 由于非辐射能量的损失 发射光子的能量一般小于吸收光子的能量 故而荧光 物质的发射光谱波长通常要大于吸收光谱波长 图1 1 为荧光原理图 其中s 表示单线态 t 表示三线态 根据不同的性质 电子跃迁可分为两大类 其一是有着光子释放的辐射 跃迁 包括荧光和磷光两个过程 其二为没有光子释放的非辐射跃迁 能量以其它形式 氟硼吡略 罗丹明与香豆素 卟啉能量传递体系的合成及光谱研究 耗散 如系间窜跃 热转换 内转换等 1 4 1 荧光过程是指当分子从激发态通过发光释放 能量直接回到基态的过程 磷光过程是指从分子从激发态经过三线态发光回到基态的过 程 还有一种特殊的荧光称为延迟荧光 与正常的荧光有着相同的光谱结构 但经历的 过程不太一样 延迟荧光是指某些第一激发单重态跟第一激发三重态能级接近的分子先 跃迁到三重态后 然后又被热激发到单重激发态而发射的荧光 s o g r o u n d s t a t e v i b r a t i o n a l j 一 i 一 s 1 j 一 f l u o r e s c e n c e p h q a b s o r b t i o n l j v i b r a t i o n a l i r e l a x a l o rn j l l i l r 3 图1 1 荧光原理图 1 2 2 荧光共振能量转移 f i 也t 基本原理 荧光共振能量转移 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 f r e t 是指当其中一个 荧光团 能量供体 处于激发状态时 会将其能量转移给相邻的分子 能量受体 从而引 起能量受体的激发 实现能量由供体向邻近的受体转移的过程 两个荧光团要实现能量 转移 需要满足四个条件 其一 能量供体发射光谱和受体的吸收光谱要有一定的重合 拳 叁彳可 鼍 锄 白 篡夏 么一2 y f p 氢 疆缓骶 糈p 嬲 尸 v4 土一 幺i 芝 浮 疋矿毋獭 图1 2f r e t 原理图 2 其二 两个荧光团的距离一般小于1 0 0a 其三 能量供体的量子产率与能量受体的光 吸收系数都要足够高 其三 供体与受体的偶极的相对取向要合适 荧光共振能量转移包含两种主要机制 一种是f 6 r s t e r 共振能量转移 f 6 r s t e rr e s o n a n c e e n e r g yt r a n s f e r f r e t 它是指供体单线态与受体单线态之间的共振能量转移 这种机 制最早由f 6 r s t e r 阐明 1 5 1 是荧光共振能量转移的最主要的机制 另外一种为德克斯特 d e x t e r 电子传递机制 l 创 它是指供体三线态与受体单线态之间的共振能量转移 本文通过举例的方法说明了荧光共振能量转移的原理如图1 2 所示 此图中 c f p c y a nf l u o r e s c e n tp r o t e i n 为能量供体 y f p y e l l o wf l u o r e s c e n tp r o t e i n 为能量受体 1 7 c f p 的发射光谱与y f p 的吸收光谱有较好的重叠 c f p 的荧光量子产率和y f p 的光吸收系 数都比较高 开始的时候两者的距离较远 用c f p 的激发波长4 3 3a m 激发时 发出蓝 色的光f l p c f p 的荧光 当两者的距离适中 1 0 0a 时 用c f p 的吸收波长4 3 3a m 激发 c f p 的荧光团将把能量传递给y f p 的荧光团 此时c f p 的荧光猝灭或完全消失 而主要 是y f p 的黄色荧光 1 2 3 共振能量转移的计算 影响荧光共振能量转移的效率因素有 供体荧光发射光谱与受体吸收光谱的重叠程 度 供体与受体转移偶极的相对取向以及它们之间的距离 用f 6 r s t e r 方程式表示为 f 盛 露 r 6 1 1 r 供体和受体之间的距离 能量传递达到5 0 的距离 与供受体两者的光物理性质以及它们之间 的偶极取向有关 用公式表示 r 0 2 1l k 2 刀4 九 f 孑 d b 0 沙砒j 1 2 k 2 偶极取向 巾d 一供体的量子效率 n 溶剂因子 i d 一供体的归一化荧光光谱 的 受体的摩尔消光系数 1 2 4 共振能量转移在各领域中的应用 目前 荧光共振能量转移已广泛应用于各个领域 如分子识别 光捕集系统 金属 钠米材料 胞内的实验研究等 针对本论文的内容 现在只针对分子识别应用方面做简 单介绍 1 含香豆素的d a 氟硼n 比咯 罗丹明与香豆素 卟啉能量传递体系的合成及光谱研究 r h 1 r 2 p 0 3 h 2o r r 1 p 0 3 h 2 r 2 h 2 图1 3 香豆素为供体的f r e t 探针 香豆素是一种常见的荧光标记物 荧光素与其可以构成很好的驴一a 对 t e t s u o n a g a n o 1 8 1 课题组利用此d a 对 设计合成了一个用于检测磷酸二酯酶活性的f r e t 探针 如图1 3 示 据报道 此探针可能还能应用于其它水解酶的活性检测 2 含b o d i p y 的d a 对 r 1r 2 b r 6 g c h 3 h b r b h c 2 h 5 图1 4b o d i p y 为能量供体的f r e t 探针 r 1 r 2 c h 3 h h c 2 h 5 钱旭红 课题组以b o d i p y 为能量供体 罗丹明为能量受体 首次设计合成了基于 f r e t 机理的汞离子比值荧光探针 该探针能对细胞内的汞离子进行比率检测 由于它 们可采用单一的激发光源 使其排除了环境 仪器以及探针浓度等因素的干扰 因而真 正做到了实用性 4 3 卟啉的d a 对 图1 5 以卟啉为能量受体的f r e t 探针 我们实验室在之前的工作中以香豆素为能量供体 卟啉为能量受体 设计了一个基 于f r e t 机理的钴离子荧光比值探针 2 们 这是第一个报道的钴离子荧光比率探针 此能 量传递体系的能量转移效率较高 以后很可能会用于其它荧光比值探针的设计 1 3 氟硼吡咯 b o d i p y 的简单介绍 氟硼吡咯染料 b o d i p y 的母体结构组成为 两个吡咯环 一个硼氮六元杂环 这 三个环呈共轭平面结构 两个氟原子与硼原子相连且位于核心平面两侧 b o d i p y 类荧 光染料具有良好的光化学物理性能 如摩尔消光系数较高 荧光量子产率很高 荧光光 谱峰宽较窄 光谱性质非常稳定等 因此 氟硼吡咯类染料极适用于有机功能材料以及 生物荧光分析领域中 1 3 1b o d i p y 的合成 1 通过吡略与酰氯或酸酐类化合物合成 l i n d s e yj8 1 2 1 2 2 等人通过吡咯与酰氯合成 b o d i p y j t h 1 3 式所示 吡咯与酰氯首 先反应生成 n t t 咯亚甲基盐酸盐中间体 中间体很容易提纯 但实验中一般不提纯而直 接进行下一步反应得b o d i p y 这种合成方法相对较容易 5 氟硼n 比咯 罗丹明与香豆素 卟啉能量传递体系的合成及光谱研究 r 3 今 n 1 垦生皇呈 r r r 藏 m e p n h 噶2 5 0 c 翳5 m i n r 2 1 2 b f 3 o e t 2 8 0 0 c 1 5 m i n o ti s o a f e d r 4 a l k y i a r y l 1 3 b i t t m a nr 2 3 1 等人通过通过吡咯与酸酐合成了b o d i p y 如 1 4 式所示 这种方法因 为用酸酐替代了酰氯而引入了一个羧基 这有利于探针的设计 而且 这种方法已广泛 应用于实践中 审h 瓤1 薏 b f 3 o e t 2 h 1 4 2 通过吡咯与醛类化合物合成 p a v l o p o u l o stg 2 4 1 等人通过吡咯与醛合成了b o d i p y 如 1 5 式所示 在合成过程 中需要经过氧化才能得到b o d i p y 而氧化剂往往容易带来副产物 因而选择了性质较 为温和的d d q 作为氧化剂 对于q 1 3 位无取代的b o d i p y 一般采用这种方法合成 i 6 h 南罴h d d q m e p h 2 5 0 c 5 m i n 1 4 罗丹明的简单介绍 1 e t 3 n i 2 b f 3 o e t 2 m e p h 2 5 0 c 1 5 罗丹i j f r h o d a m i n e 化合物是一类以氧杂葸为母体的荧光染料 是一种刚性共平面的 分子 它具有两种互变的分子结构即醌式和内酯式如图1 6 所示 在中性和酸性条件下罗 丹明荧光染料是以醌式存在 而在碱性条件下则是以内酯形式存在 醌式结构吸收可见 光后会发射出很强的荧光 而内酯式结构在可见光区则没有荧光 罗丹明因其优良的光 化学性能 已经广泛应用于单分子检测 药理学 分析化学 分子生物学等领域 2 5 2 7 6 o h h 醌式 内醑式 图1 6 罗丹明的两种互变异构体 1 4 1 罗丹明的合成 1 直接合成法 直接合成法是合成罗丹明类荧光染料的经典方法 通过氨基酚或其衍生物与苯甲 酸 苯酐或它们相应的衍生物反应 在浓硫酸 无水氯化锌或其它l e w i s 酸催化下缩 合而得相应的罗丹明荧光染料 2 8 1 随反应介质 反应物结构等的不同 反应温度从1 5 0 至u 2 0 0 不等 反应时间也从1h 到2 4h 不等 不过大多数反应温度在1 8 0 至u 2 0 0 之 间 反应时间不少于5h 对称的罗丹明类染料一般用这种方法合成 式 1 6 是l a w r e n c e jm 2 9 等人通过直接合成法以邻苯二甲酸酐和间氨基酚衍生物在硫酸催化下合成了相 应的罗丹明衍生物 这种方法合成步骤少 操作简单 产率高 适于大量合成 但该反 应的温度高 副产物较多 因而纯化较为困难 h o o 堕里里竺 h 2 s 0 4 r e f l u x 1 6 2 分步缩合法 通过分步缩合法 除了可以合成对称的罗丹明类荧光染料 也可以合成取代基不对 称的罗丹明类荧光染料 因而通过这种方法可以合成一系列新型的罗丹明类荧尤染料 丰富罗丹明类荧光染料的品种 这种合成方法与直接缩合法相比 反应条件比较温和 副产物相对较少 合成罗丹明染料的种类也相对较多 1 5 香豆素的简单介绍 香豆素 c o u m a r i n 又名1 2 苯并吡喃酮或邻羟基肉桂酸内酯等 是一类具有芳香气味 的天然产物 也是一种重要的香料 最早由v o g e l 3 0 1 于1 8 2 0 从黑香豆中提取而得 于 1 8 6 8 年 p e r k i n 首次人工合成了香豆素 3 1 3 2 香豆素已广泛用作荧光增白剂 荧光探针及非 激光染料等 3 3 7 氟硼吡咯 罗丹明与香豆素 卟啉能量传递体系的合成及光谱研究 1 5 1 香豆素的合成方法 香豆素的合成方法非常多 早期主要是通过p e r k i n 反应和p e c h m a n n 反应合成而得 3 4 3 6 随着合成技术的不断提高以及相关设备的不断更新 香豆素及其衍生物的合成 方法也逐渐呈现出了多样化 如固相合成法 3 o 金属催化 4 离子液体合成法 4 2 4 3 等 本论文就所涉及到的方法做简单的概述 1 p e c h m a n n 反应 p e c h m a n n 反应是合成香豆素的一种经典的方法 通过以苯酚及其衍生物与易生成 p 二羰基的化合物为原料 在酸的催化下合成香豆素及其衍生物 如 1 7 式所示 m al 1 4 4 1 课题组以间苯三酚和乙酰乙酸乙酯为原料 在氨基磺酸的催化下 合成了5 7 二羟基 4 甲基 香豆素 p e c h m a n n 反应合是合成4 取代香豆素的一种重要方法 4 5 1 h oo 八八 入 h 2 n s 0 3 h o h c y c i o h e 煳n e l l 2 m n h oo 1 7 2 p e r k i n 反应 p e r k i nw h 以水杨醛和乙酸酐为原料 在乙酸钠存催化下环化加成 合成了香豆素 但是产率较低晰 4 7 1 如式 1 8 所示 工业生产香豆素一般采用这种方法 一直以来 为 了提高香豆素的产率 人们对p e r k i n 反应法不断改进如改变反应条件等 现在香豆素的 产率已接近8 0 而以前只有2 6 h v c h h 2 c h 3 c o 2 0 et3nr e f l u xh o 弧0 7 v 7 o 1 8 3 k n o e v e n a g a l 反应 k n o e v e n a g a l 反应法是以水杨醛和含有活泼亚甲基的乙酸衍生物为原料 在碱的催 化下合成3 一取代香豆素 4 8 4 9 1 如式 1 9 和 1 1 0 此方法合成香豆素的产率较高 避免 了p e r k i n 反应法合成香豆素 即以供电基团的水杨醛为原料合成香豆素及其衍生物 的 产率较低的缺点 q o h c l i o c h 2 c o o e t 2 i m m o b i l i z e d o r g a n o c a t 2 一m e t h f r t 1 6h c o o e 1 9 硕士学位论文 o h 1 6 卟啉 p i p e r i d i n e o h r e f l u x e 1 1 0 卟啉化合物中含有四个吡咯结构 是一个大环共轭的芳香体系 母体结构如图1 7 所示 自然界中存在很多不同的天然卟啉及其相应的金属配合物 如叶绿素 维生素b 1 2 血红素 细胞色素p 4 5 0 等 卟啉化合物因其各方面的优点已经广泛应用于在药学 生 物化学 分析化学 电化学等领域 也因此 人们对卟啉类染料的合成及其各种性能的 研究都非常感兴趣 r 7 b r 6 图1 7 卟啉化合物的母体结构 a d 一般为苯基或取代本基 r l r s 为毗咯的取代基 1 6 1 卟啉的合成方法 卟啉化合物的合成方法非常多 女h a d l e r 5 0 法 l i n d s e y 5 2 法 r o t h e m u n d 法 5 3 l a d l e r 法 i l i n d s e y 法的补充方澍5 4 等 针对本论文的内容 只简单介绍a d l e r 法和l i n d s e y 法 1 a d l e r 法 a d l e r 5 0 法即将苯甲醛或苯甲醛的衍生物与吡咯在丙酸 或醋酸 正丁酸等 5 1 中 回流即可得相应的卟啉化合物 这是合成卟啉的经典方法之一 在反应中 丙酸既作溶 剂也作催化剂 式 1 1 1 为a d l e r 法合成四苯基卟啉的过程 该法操作简单 可用作大量 生产 但也有一些缺点 其一 含有敏感取代基的取代苯甲醛则不能作为卟啉化合物的 合成原料 其二 反应过程中有大量的焦油生成 使得产物尤其是不能通过重结晶而得 的不易提纯 9 八舭 氟硼n 比咯 罗丹明与香豆素 卟啉能量传递体系的合成及光谱研究 一 n 1 h 2 0 h h h 2 0 十a r o 坠a r n a r h 2 0 2 l i n d s e y 法 l i n d s e y 5 2 法也是合成卟啉的一种重要方法 它是以苯甲醛或取代苯甲醛与毗咯为 原料 b f 3 e h o 为催化剂 二氯甲烷为溶剂 在n 2 保护下 室温缩合成相应的卟啉原 然后用二氯 二氢基对苯醌 d d q 氧化脱氢得相应的卟啉 式 1 1 2 为l i n d s e y 法合成四苯 基卟啉过程 该法的反应条件温和 产率较高 但反应的浓度要求非常稀 不适合大量 合成卟啉 十 b f 3 o e t 2 h 1 7 本课题的研究内容 d d q a r a r 1 1 2 本论文利用能量传递体系机理 分别设计了基于氟硼吡咯 罗丹明能量传递体系的 金离子荧光比值探针和基于香豆素 卟啉能量传递体系的n i 2 c 0 2 荧光比值探针 具体工 作如下 1 金离子荧光比值探针r a t i o a u 的设计及相关化合物的合成 2 金离子荧光探针r a t i o a a 及相关中间体的结构表征 3 r a t i o a u 的光谱研究及相关数据的处理与讨论 4 初步探讨了金离子探针对金离子识别机制 5 初步研究了金离子探针在生活中的应用 6 n i 2 c 0 2 荧光比值探针化合物c 的设计及相关化合物的合成 l o 7 n i 2 c 0 2 荧光探针及相关化合物的部分结构表征 8 n i 2 c 0 2 荧光探针化合物c 光谱研究及相关数据的处理与讨论 氟硼吡咯 罗丹明与香豆索 卟啉能量传递体系的合成及光谱研究 第2 章氟硼吡咯 罗丹明能量传递体系的合成及光谱研究 2 1 引言 近年来 人们对金化学产生了浓厚的兴趣 一方面 金纳米因其良好的物化性质 如颗粒尺寸小 比表面积大 表面等离子体共振波长连续可调等 已经广泛应用于材料 科学 化学 生物学以及药学等领域 现在 金纳米可用作催化剂 5 5 5 刀 生物传感器 5 s 6 9 基因转染载体 6 0 生物成像助n 1 6 1 6 2 药物输送载体 6 3 6 4 1 生发剂 化妆品添加剂以及 肥皂添加剂 6 5 柳 等 然而 过量金纳米同样也会对生物体系和环境造成一定的危害 如 金纳米进入人体上皮细胞而对其造成损坏 金纳米也能使紫贻贝出现氧化应急现象 6 8 等 因而 对纳米金进行检测是非常有必要的 另一方面 金化合物在很多有机化学反 应中用作催化剂 研究高效的金催化反应是目前有机化学中的一个新兴领域 目前 微量金化合物的检测方法主要有 等离子体发射光谱法 电感偶合等离子体 原子发射光谱法 电感耦合等离子体质谱法 以及阳极溶出伏安法等 6 9 7 2 j 这些方法一 般非常耗时且费用昂贵 相比之下 荧光检测简单而又灵敏 目前已经成为微量样品检 测的一个重要手段 到目前为止已经报道了一些金离子荧光探针 l 叫3 1 但这些金离子荧 光探针大多数以单荧光团的荧光强度变化为检测依据 检测效果很容易受到环境的影 响 而且都没有应用于金纳米的检测 而利用荧光比值型探针测定则能够克服上述因素 的影响 比率荧光探针是通过记录两个荧光发射峰的比率来实现对分析物检测的 它有 利于增加响应范围 减少环境因素的影响 因此 设计能定量检测金离子且可应用于金 纳米检测的荧光比率探针是非常有必要的 共振能量转移 f i 辽t 机理广泛应用于比率荧光探针的设计 在本章研究中 我 们以金催化反应为基础 设计合成了第一个基于f r e t 机理的且可应用于金纳米检测的 余离子荧光比值探针 2 2 探针分子的设计思路 之前 我们报道了一个汞离子荧光探针 73 在那个汞离子荧光探针的研究中我们发 现 汞离子能在中性磷酸缓冲液条件中催化闭环罗丹明中硫酰胺基团和炔键发生成环反 应 得到开环的罗丹明衍生物 受此启发 我们设想如果改变探针的某些化学结构以及 化学反应环境 或许能设计一个选择性好的金离子荧光探针 于是 我们设计并合成了 化合物6 经过初步光谱研究发现 此化合物果真能对金离子响应 而且不受汞离子的 干扰 但我们并不满足于此 或许我们可以基于荧光共振能量转移机理 f i 也t 设计 一个金离子荧光比值探针 氟硼吡咯有如荧光量子效率高 光稳定性好并且对环境不敏 感等良好