新型罗丹明荧光探针的合成

1、附件 4： 毕业论文（设计）新型罗丹明荧光探针的合成目录摘 要.1关 键 词.1ABSTRACT.1KEY WORDS.2一 前言.3二实验部分.10(一)实验药品及仪器 .101. 实验药品.102. 实验仪器.10（二）化合物的合成 .101.合成方法和路线 1 .102.合成方法和路线2.113 合成方法和路线 3.114.合成方法和路线 4 .12（三）结果与讨论 .12参考文献.14谢辞.15 摘 要荧光分子检测技术的实质是荧光探针与靶向分子发生特异性相互作用,定向释放可被检测的荧光信号,实现分子检测的手段。该技术具有灵敏度高，响应时间短，准确度高，专一性强的特点,广泛应用于生物医学

2、和环境研究中 。罗丹明“off-on”型荧光探针具有水溶性好，优良的光谱性质，如高吸收系数，高荧光量子产率，较宽的波长范围等优点。噻唑类化合物具有高活性，易修饰性。因而罗丹明-噻唑基“off-on”型荧光探针成为荧光检测领域研究的新热点。本文设计用罗丹明 B 与 2-肼基苯并噻唑反应合成罗丹明-噻唑基“off-on”型荧光探针。 关 键 词荧光探针；罗丹明；噻唑；合成ABSTRACTThe fluorescent molecular probe technology is a kind of sensitive ,efficient ,and accurate research tool an

3、d method by means of detecting the fluorescent signal when the fluorescent molecular probe specific interactions with target molecules .The method has been widely used in the area of biomedical and environmental research.Due to the rhodamine off-on fluorescent probe has good water solubility and exc

4、ellent spectral properties, such as high absorption coefficient, high fluorescence quantum yield and wide wavelength range and thiazole compounds has a high activity and easy modification, the rhodamine - thiazolyl off-on fluorescent probe comes to the new hot spot fluorescence detection field.This

5、work focuses on the design and synthesis of rhodamine-basedoff-onfluorescent sensor with rhodamine B and 2-hydrazino benzothiazole.KEY WORDSfluorescent probe ;rhodamine ; thiazole; synthesis 一、前言在体内的生物过程，金属元素发挥至关重要的作用，比如，Zn2+、Fe3+、Cu2+等在信号传导，维持酸碱平衡，调节渗透压都起到了重要的作用，但是，像 Hg2+、Pb2+、Cd2+等重金属元素也可能存在毒害的作用。

6、这些重金属元素广泛存在于土壤水环境中，由于动植物的富集作用，最终可能对人体和生态环境造成危害。因此，人体以及环境中金属离子特别是重金属离子的检测显得尤为重要。荧光分子检测技术是荧光探针与被检测的目标发生特异性相互作用,发生量子跃迁，发出可被检测的荧光光谱和荧光强度，和大多数的分析方法相比较，荧光分析方法具有检测灵敏度较高；选择性较好；荧光特性参数较多；重现性好等优良性能，使得荧光探针在化学传感器、细胞内离子检测及识别定位等各个领域得到了广泛的关注和应用。由于食物链的富集作用，有些重金属比如 Hg2+通过食物进入人体内，对人体的神经系统造成严重的损害，但是由于 Hg2+的微量和共存物质在实际样品

7、中的影响，所以能够选择性检测汞离子具有重要的意义。虽然有许多的分析方法，如原子吸收发射光谱法、电感耦合等离子体质谱、中子活化分析法、X-射线、荧光分光光度法等用来检测金属离子，但是合成的荧光探针作为化学传感器在与分析物结合实现信号传导具有更有用更有效地作用在生物医学和环境研究中。并且由于荧光信号探针与其他分析方法相比，具有更短的响应时间，容易取样，非破坏性和非入侵性等性能，所以该技术是更具有价值和影响力的工具在检测生物体内货体外的金属离子的含量。罗丹明类荧光传感器在检测 Hg2+方面取得了巨大的发展，因为罗丹明染料优良的光谱性质，如高吸收系数、高荧光量子产率，在较长的波长吸收和发射。螺内酰胺结

8、构罗丹明是无荧光的，但是开环的螺旋内酰胺会产生强烈的荧光发射，此属性提供了一个理想的模式构建了一分子开关。到目前为止，典型罗丹明类荧光染料的结构有: RhodamineB,Rhodamine123，Rhodamine 6G 其结构如图 1-1 所示。ONNOHO RhodamineB Rhodamine123 Rhodamine 6G 图 1-1 具有代表性的罗丹明类荧光探针的母体结构最近这几年，罗丹明型荧光探针的合成是有机合成方向的一个热点。首次报道罗丹明 B 类荧光探针是在 1997 年，并且是由 Czamik 课题组合成的。经过实验，我们发现探针 1 实现了对铜离子的选择性的定向检测。其

9、合成方法如图1-2。在 Czamik 的研究成果上 Kim 课题组报道了利用罗丹明比色探针内酰胺开环过程实现离子定向识别的热点研究工作1。图 1-2 探针 1 的合成路线2006 年, Zheng 课题组以罗丹明 B 为初始原料成功合成了探针 2（如图 1-3） ，并成功地对环境中的 Hg2+做出了检测2。图 1-3 探针 2 的合成路线2006 年, Xiang 等人成功合成探针 3(图 1-4)。这种合成方法成功实现了具有罗丹明 B-希夫碱结构的荧光探针在 PH=7 的环境中对 Cu2+特异性检测。图 1-4 探针 3 的合成路线以上的三种合成方式是最为普遍的合成罗丹明衍生物的合成策略，后

10、续报道的合成新型“OFF-ON”型罗丹明荧光探针主要是通过变换功能集团。此类探针能够实现对生物体内或环境中金属离子选择性地识别。铜离子探针然而在 1997 年，罗丹明衍生物和它的开环反应才得到极大的关注，是因为美国 Czarnick 等人的报道，在他们的研究中，螺环结构的罗丹明 B 酰肼（RBH） （探针 4）能够识别 Cu2+，并且水解后生成具有荧光的罗丹明 B。其机理如图 1-5 所示。该检测方法被证明在 PH=7 时能够在 2 分钟内检测 10nM 的Cu2+。3 图 1-5 RBH 发生水解反应 铁离子探针2006 年，Tong 课题组报道了探针 5，该探针之所以对 Fe3+比其他金属

11、离子显示更好的选择性，是因为一个 Fe3+选择两个罗丹明分子，并且通过二乙烯三胺间隔连接。这个方法对 Fe3+的选择性在缓冲液中比在乙醇中要更好4。 图 1-6 探针 5 对 Fe3+的识别2007 年，Tae 课题组将氧肟酸引入罗丹明内酰胺母体结构中，得到了新的探针 6（如图 1-7 所示） ，在甲醇-乙腈混合有机溶剂中成功实现了对 Fe3+的定向识别，产生了明显的荧光增强和肉眼可观察的颜色变化。 图 1-7 探针 6 结构同年， Huang 课题组报道了一种罗丹明 B 一希夫碱衍生物 7（如图 1-8 所示） ，在通过荧光增强的情况下，完成了对 Fe3+的定向检测，并且探针 7 还能在活体

12、细胞中实现对 Fe3+的监测。图 1-8 探针 7 结构汞离子探针2005 年,Tae 课题组设计了一套检测方法，在 Hg2+作用下，用罗丹明衍生物（探针 8）生成恶二唑的反应，并且在反应过程中，对荧光强度和颜色变化进行不断监测，如图 1-9 所示，这个方法对 Hg2+的选择性比其他金属离子要高的多，可检测水溶液中浓度低于 2ppb 的 Hg2+ 5。图 1-9 探针 8 对 Hg2+的识别Yoon 课题组报道了一种具有尿素基团的新型的罗丹明类探针 9，特别地是，在 CH3CN 溶液里加入 Hg2+后，二聚系统的罗丹明衍生物表现出高选择性的荧光增强和颜色变化6。如图 1-10 所示。图 1-1

13、0 探针 9 对 Hg2+的识别2007 年，Huang 等人将二茂铁和 8-羟基哇琳结构片段引入罗丹明基探针结构中，形成了一种新型的识别 Hg2+的多信号荧光探针 10（如图 1-11 所示） 。在乙醇-HEPES 体系中加入 Hg2+后,探针 10 表现出明显的荧光增强和溶液颜色发生肉眼可观察的颜色变化。7。图 1-11 探针 10 对 Hg2+的识别铬离子探针2008 年，Huang 课题组将二茂铁和 8-羟基哇琳结构片段引入罗丹明基探针结构中，形成了一种新型荧光探针 11（如图 1-12 所示） 。在乙醇-HEPES 体系中加入 Cr3+ 后,探针 11 表现出明显的荧光增强和肉眼可观

14、察到的颜色变化。8。图 1-12 探针 11 对 Cr3+的识别噻唑衍生物属于氮杂环化合物的一种,由于这类分子中有着离域大兀键的存在，使得这类分子具有高反应性,富电子性,芳香性和易修饰等特性，引入硫原子后,噻唑分子表现出独特的生物活性和荧光性质。苯并噻唑是一类性能优良的发光基团，荧光量子产率高,激发光谱和发射光谱均发生红移，是因为分子中有着共扼大兀键的存在。苯并噻唑类化合物和金属相互作用所形成的金属配合物，之所以生物活性和荧光特性均优越，也是因为苯并环上的氮原子较强的给电子作用和离域兀键的存在。因此近年来对噻唑类物质的报道越来越多。1951 年,Thompson 将 Ni2+与苯并噻唑衍生物配

15、合，构筑了新型的配合物Ni(BBTE)X2,其中 BBTE=l,2 一双苯并噻唑基乙烷，在配合物四面体结构中(如图2-1 所示)，分子键氢键增强了配合物的稳定性9。图 2-1 Ni(BBTE)ZBr2的晶体结构Ramos 等人将锌离子与具有荧光性的 2-二苯并噻唑基苯甲醇配合,得到了具有类似结构的配合物 ZnLCl,L=2-二苯并噻唑基苯甲醇(如图 2-2 所示)。配合物在空间中成错位头对头方式排列,芳环堆积和氢键作用使得配合物结构更稳定10。 图 2-2 ZnLCl的晶胞图陈振峰等人将 2氨基苯并噻唑配体与 Ag+配合后得到一种新的配合物，并且该配合物能对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及白色念珠菌

16、有明显的抑制作用11。 基于以上分析，罗丹明型染料通过修饰就能得到罗丹明基OFF-ON型荧光探针，并且该类探针具有选择性好，灵敏度高，水溶性好，激发和发射波长较长，量子产率高等特征。而噻唑类化合物作为配体与金属配合的研究已经被广泛报道，这个杂环具有离域键，使得该类化合物具有高活性，芳香性，易修饰性，富电子性及生物亲和性于一身。本文将罗丹明 B 与噻唑基通过肼进行组合，设计合成一种新型罗丹明OFF-ON型荧光探针。二、实验部分（一）实验药品及仪器1.实验药品三氯氧磷 阿法埃莎（天津）化学有限公司（AR）三乙胺 天津市富宇精细化工有限公司（AR）罗丹明 B 阿法埃莎（天津）化学有限公司（AR）2-

17、肼基苯丙噻唑 天津市富宇精细化工有限公司（AR）2.实验仪器Heidolph4000 旋转蒸发仪 德国 Heidolph 公司Hitachi U-4100 紫外可见分光光度计 德国 Heidolph 公司(二)化合物的合成合成路线 1图 2-1 反应路线 1合成路线 1 的反应式如图 2-1 所示，在 100ml 圆底烧瓶中加入4.78g(0.01mol)罗丹明 B、10ml 二氯甲烷和 2mL 三氯氧磷,放入磁子,连接回流冷凝管、干燥管和尾气吸收装置,油浴加热搅拌回流反应 6h,待反应结束后将反应液旋干,得到红色粘稠状罗丹明酰氯中间体产物 1。量取 10mL 乙腈，加入在产物 1 的圆底烧瓶

18、中。称取 1.65g(0.01mol)2-肼基苯并噻唑与 5mL 三乙胺，将它们溶于 20mL 乙腈的溶液,用滴液漏斗缓慢滴加入反应瓶,约 10min 滴加完毕，滴加的同时不断搅拌，将反应混合物加热回流反应约 4h。反应结束后用旋转蒸发仪将反应液旋干，之后加水搅拌 30min，再用二氯甲烷萃取，萃取三遍即可，合并有机相到 500ml 锥形瓶中,用无水硫酸镁干燥。将干燥后的溶液过滤,并用少量二氯甲烷洗涤锥形瓶和滤纸,合并滤液并蒸除大部分溶剂,以 60%二氯甲烷和 40%正己烷作淋洗剂进行柱色谱分离,可得到产物 2为 3.30g,，产率为 56%。2.合成路线 2 产物 1 产物 2 称取 4.7

19、8g(0.01mol)罗丹明 B、10ml 二氯甲烷和 2mL 三氯氧磷，加入在100ml 圆底烧瓶中，然后放入磁子，连接回流装置和尾气处理装置，油浴加热，搅拌回流反应 6h,待反应结束后用旋转蒸发仪将反应液旋干,得到产物 1。量取 10mL 乙腈，加入在产物 2 的圆底烧瓶中。称取 1.65g(0.01mol)2-肼基苯并噻唑与 5mL 三乙胺，将它们溶于 20mL 乙腈的溶液,用滴液漏斗缓慢滴加入反应瓶,约 10min 滴加完毕，滴加的同时不断搅拌，将反应混合物加热回流反应约 4h。反应结束后，用旋转蒸发仪蒸除大部分溶剂，然后进行柱色谱分离，以 60%二氯甲烷和 40%正己烷作为淋洗剂，可

20、得到产物 2 为 2.35g，产率为 40%。3.合成路线 3在 100ml 圆底烧瓶中加入 4.78g(0.01mol)罗丹明 B、10ml 甲醇、1.65g(0.01mol)2-肼基苯并噻唑，放入磁子，连接回流冷凝管、干燥管和尾气吸收装置,油浴加热搅拌回流反应 10h 后,没有得到目标产物。4.合成路线 4 在 100ml 圆底烧瓶中加入 4.78g(0.01mol)罗丹明 B、10ml 甲苯、1.65g(0.01mol)2-肼基苯并噻唑，放入磁子，使用分水装置,油浴加热搅拌回流反应 10h 后, 蒸除大部分溶剂，以 60%二氯甲烷和 40%正己烷作淋洗剂进行柱色谱分离,可得到产物 2 为

21、 0.3g，产率为 5%。二、结果与讨论结合 4 种路线，我们可以看出先用 POCL3 酰氯化罗丹明 B 能够使得反应产率大大提高，因为罗丹明酰氯中间体的活性要比羧酸基要强。路线 1 和路线 2 相比，大部分步骤均相同，只是路线 1 中多出了一步加水搅拌 30 分钟，但是反应产率却得到很大的增加，我们初步认为水解过程能增加反应产率的原因有三点：1水解过程中，除去了罗丹明底环羧基酰氯化反应后，剩余没有参加反应的三氯氧磷。2.在水解过程中，在内酰胺成环反应中未参加反应的罗丹明酰氯中间体转化成了罗丹明，因为极性的提高，罗丹明在在后续的分离步骤中更容易被除去。3.水解过程中，溶解了内酰胺成环反应中产生

22、的三乙胺盐酸盐。路线 3 和路线 4 相比，均为一步反应，但是路线 4 采用了分水处理，最后得到了目标产物，我们初步认为，合成目标产物的过程为产生水的过程，而采用分水装置后，使得反应平衡朝正反应方向进行。所以反应产率得到提高。参考文献1Kim H,N.,LeeM.H.,Kim H.J.,et al.A new trend in rhodamine-based chemosensors:applicationof spirolactam ring-opening to sensing ionsJ.Chemical Society Review.2008,37:1464-1472 2Zheng H

23、.,Qian Z.H.,XuL.,et al.Switching the Recognition Preference of Rhodamine B Spirolactam by Replaceing One Atom:Design of rhodamine B Thiohydrazide for Recognition of Hg() in Aqueous SolutionJ.Organic Letters.2006,8(5):859-8613Zhang X.,Shiraishi Y.,Hirai T.Cu()-Selective Green Fluorescence of a Rhodam

24、ine-Diacetic Acid ConjugateJ.Organic Letter，2007，9（24）：5039-50424Xiang Y.,Tong A.A New Rhodamine-Based Chemosensor Exhibiting Selective Fe-Amplified Fluorescence. J.Journal of Organic Letters,2006,8(8):1549 -15225Ko S.K.,Yang Y.K.,Tae J.S.,et al.In Vivo Monitoring of Mercury Ions Using a Rhodamine-Based Molecular ProbeJ.Journal of the American Chemical Socirty,2006,128(43):14150-141556 LeeM.H.Wu J.S.,LeeJ.W.,et al.Hig