田华-1120112828-吩嗪衍生物荧光探针分子的合成与表征

1、北京理工大学本科生毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目： 吩嗪衍生物荧光探针分子的合成与表征学 院： 化学学院 专 业： 应用化学 班 级： 19111101 姓 名： 田华 指导教师： 张汝波 校外指导教师： 无 33摘要两个新型近红外氰化物阴离子荧光探针基于5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪已经被设计并合成出来。带有二氰基乙烯基作为识别位点和电子捕获在两侧，探针1展示了一个分子内的电子转移吸收谱带在545nm处，和一个发射谱带在730nm处，这样，在双侧与氰化物阴离子在CH3CN反应后就会出现一个分子内电子转移阻碍并且实现开关。探针2利用不活泼的甲酰基团来代替两个活性二氰基乙烯基中的一个

2、作为电子捕获基团。由于单侧的ICT识别过程，探针2被重定向并产生一个标志性的比色和比率计在近红外区域荧光响应为青色。两个探针都具有着高度的灵敏性和选择性，可以产生被肉眼观察到的明显的响应信息，甚至在多种阴离子的共同组合中。光学的光谱技术、NMR滴定测量手段以及功能密度理论计算都被使用来推断探针检测机理。ABSTRACT目录摘要1ABSTRACT1第1章 绪论4引言41.1 荧光探针41.2 荧光探针的响应机理61.21 光致电子转移机理（ PET机理）61.22 分子内电子转移机理（ICT机理）81.3 荧光探针分子的设计原则101.4 硫醇检测探针的发展和现状10第2章 实验清单132.1

3、实验试剂132.2 实验仪器15第3章 实验部分152.2 探针分子1的合成152.21 5,10-二氢吩嗪的合成152.23 5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪-2-甲醛 （7）的合成172.24 5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪-2-二氰基乙烯(探针分子1)的合成182.3 探针分子2的合成192.31 5,10-二氢吩嗪的合成192.32 5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪的合成192.33 5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪-2,7-二甲醛 (8)的合成192.34 7-甲酰基-5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪-2-氰基乙烯 (10)的合成202.35 7-氰基羧基乙烯基

4、-5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪-2-二氰基乙烯（探针分子2）的合成21第3章 结果与讨论223.1 分子的合成与设计223.2 探针1对CN-的光学响应233.3 探针2对氰离子的光学响应26附录A 目标分子的1H-NMR图、13C-NMR图、EI-MS图30第1章 绪论引言近期，荧光检测特别是使用有机小分子荧光探针已经吸引了世界范围内广泛的注意。因为这些小分子探针不仅仅能够简单快速的进行检测，而且小分子探针具有着高灵敏度以及低费用的优势。因此，大量的研究都在致力于荧光探针对硫醇的检测，并且产生了丰硕的成果，在过去的二十年里，许多对硫醇反应并且具有选择性的荧光探针已经被合成出来。1.1

5、 荧光探针在当今世界上，很多现代化技术都依赖于灵敏的检测分析技术。这对于环境科学，药物学，生物学等等都有着很重有的意义.使用有机分子在紫外和可见光区进行非荧光荧光标记或者检测，在某些领域是一种很重要的检测手段1。然而在最近的几十年里，基于荧光技术的检测已经获得了世界的广泛关注。经过世界范围内科学工作者们几十年的努力，不但在荧光素的合成方面有了重大的进展，而且在荧光设备方面也有了很大的发展。荧光在生命体系中已经占据了不可估计的地位，被广泛的应用到了DNA检测，细胞内氨基酸检测，病情检测，机理分析等等。荧光检测之所以对于生物学而言有着很重要的地位，因为通过物质材料的比率变化或者化合物的吸收或者荧光

6、的改变，从紫外区到近红外区的电磁波谱可以得到很多重要的信息。而如何进行检测，怎样进行检测，并且通过检测获得哪些相应的信息，这些都是要通过荧光探针来进行。荧光探针，简单的说就是一种把化学信息转变光学信息的分子装置。这里的光学信息自然也就是指荧光光谱信号，光学信号更容易被接收，进而使人们能够获得特定的信息。所有的荧光探针都基于三个可以通过设计好确定的应用来组合在一起的组分。即荧光团（fluorophore）、连接体部分(spacer)和受体(receptor)。荧光团是吸收光能量的部分。荧光部分相当于天线的作用，决定了探针分子的灵敏性，电子在适宜波长光照条件下，吸收光子，并产生能级跃迁，到达激发态

7、；连接体部分大多为烷基链，使得荧光团和受体部分分开；而受体则是决定了探针分子的选择特异性，通过与分析物进行特异性反应，从而达到检测的效果。荧光的产生大多需要经过几个过程，一是吸收，二是弛豫，三是荧光发射44。在这里我们只考虑共轭结构下的情况。当共轭分子在一个合适波长的光照射下，位于S0基态的电子吸收光子能量，跃迁到了激发态能级S1或者S2。这个过程很快，因此，分子来不及改变结构，但是当进行荧光发射就没有这么快了。处在S1或S2能级的电子并不能够立刻回到基态，而是会经过一个中间过程，即弛豫。这个过程是一个趋于稳定的过程，在这个过程中，分子的结构可能会发生改变。对于处在激发态S2能级的电子，首先要

8、进行一个内转换，无辐射的跃迁回到S1能级基态；而处在高能态的电子，也会跃迁回到S1能级基态。而对于S1态的电子，也会发生改变。这是因为荧光发射需要的时间，相对于荧光分子的溶剂化过程和分子的构型转变过程，是超过这两个过程所需要的时间的。所以，在S1能级的电子依然会因为和离子、分子的碰撞过程等等或者因为自旋轨道电子耦合，使得电子从单线态转变为较稳定的三线态，能量降低。这个过程便是系间窜越，而通过系间窜越到达的三线态电子在跃迁回到电子的基态，这时发射的光变为磷光。最后便是荧光发射的过程了。S1激发态电子跃迁回到基态，并发射光子，因为其间能量会有所损失，因此发射的光波的波长往往是出现红移。有时也会出现

9、光谱变宽的情况，这是因为S1态电子跃迁到了S0态的振动基态，或者振动激发态，从而使得发射波长出现差异2。相比于传统的检测手段，荧光探针具有着很多的优点。首先是灵敏度高，选择性好。通过设计特定的基团，来进行选择性检测，而且相比于其他分子反应更加迅速。其次是使用方便，具有着低廉的成本。制备成探针往往具有着很好的稳定性，能够较好的存储，能够便捷的进行3。1.2 荧光探针的响应机理在分析化学中，荧光光谱由于其专一和灵敏性，已经变为了一种强有力的工具。随着荧光素和分析物的反应，荧光寿命，量子产率和荧光强度都分别的发生改变。后者在现阶段工作中被测量来证明探针和分析物的反应，建立一个标定点，或者确定反应的动

10、力学。两种的机理将在下文中被描述。1.21 光致电子转移机理（ PET机理）通常来讲，光致电子转移（PET）发生在当一个PET供体到一个激发态荧光素受体并且淬灭其荧光的情况下。荧光淬灭的产生有两种情况，即外部因素和内部因素。外部因素是当粒子间的发生碰撞等等。因为碰撞过程中荧光团的单线态激发电子与淬灭物质的孤电子对发生了耦合，进而使得单线态电子转变为了三线态，而三线态电子是比较稳定的，不容易发生跃迁，这样就使得量子产率降低，出现荧光淬灭。而内部因素则正如其言，荧光分子自身的影响。例如，在荧光团上连上一些吸电子基团，氰基或者羧基等等，吸电子基团的引入会使得原分子HOMO和LUMO轨道之间出现新的轨

11、道。这个处在中间能级轨道的存在会使电子非辐射跃迁增加，引起量子产率的降低，出现荧光淬灭。再如，荧光基团上的氮等杂原子含有孤电子对，也可能造成和激发电子的耦合，变为较稳定的三线态，造成荧光淬灭。下文中的PET机理、ICT机理等等都是分子内部因素的影响。正如上文所说，所有的荧光探针都基于三个可以通过设计好确定的应用来组合在一起的组分。即荧光团、连接体部分和受体。一个荧光团起到了捕获光子的天线的作用，并且作为电子的受体。染料分子的数量实际上是并不收限制的，并且覆盖了整个的光谱范围。这样，荧光团的选择通过需要的激发和发射波长来确定。而连接体部分则由至少一个亚甲基组成，作用是使得荧光团和受体分开。连接体

12、能够在一个长的范围内促进PET效应。根据对荧光PET探针的调查，理想的亚甲基基团的数目是在三到四个之间。第三单元是受体（电子供体），这些与分析物键合或者发生了反应，因此改变了PET效率。分子的设计目的决定了受体单元的结构4,5,6。 PET探针在未键合时呈现较低或者没有荧光，但是在键合或者发生了反应之后就会出现一个强荧光。基于这个原理，大多数PET探针都被用来设计为开关型荧光素7。图一 分析物与受体键合后PET被打断接下来，我们将具体以荧光素开关的机理来讨论PET效应的原理。通常的讲，未与分析物键合的受体承受着自由电子对，例如氮原子或者氧原子上的孤电子对。其中一个电子能够跃迁到光激发生色团的未

13、占据HOMO轨道。反电子跃迁然后从生色团的激发态到受体的HOMO能级。这就导致了激发态的非辐射失活,荧光发生淬灭。如果一个分析物和受体键合，那么PET就被打断，荧光出现（如图1.2）。在大多数情况下，带有自由电子对的供体是被移除或者被分析物以氧化8，9、共价键结合10或者非共价键结合的形式打断。在自由态，受体的HOMO能级位于荧光素的HOMO和LUMO能级之间。和分析物反应后，受体把HOMO能级转移到更低值，也更加稳定。理想的是，能级比荧光素的HOMO能级更低。在这种情况下，PET效应完全是被抑制的（打开模式）11,12。根据HOMO/LUMO能级理论，受体和染料的氧化还原电势的对比提供了关于

14、能级的信息。这是进行设计此类荧光探针的很有用的标准。Weller13已经得到了一个预测PET效率的有效的途径。在所有的情况下，PET发生的都很快，并且是可逆的。1.22 分子内电子转移机理（ICT机理）光谱性质也能够通过用分子内电子转移机理（ICT）来改变。通常，ICT荧光由供电基团和受电基团和中间共轭结构来组成。而且，该类探针包含有杂原子，这些也会带来分子极性的变化，导致出现一个推拉式的极性结构。当分子由基态变为激发态，便处于了一种能量高但是很不稳定的状态，很容易发生跃迁。而具有上述结构的探针分子，在被激发后，高能级激发态电子会转移到受电基团上去，出现一个电荷分离的情况。当处于激发态时，偶极

15、矩会会随着电子云的重新分配二增加，微环境的改变则能够通过吸收或者发射光谱来检测。ICT荧光探针对溶剂的极性敏感程度很高。荧光大多数情况下会随着溶剂极性的增加而发生红移，因为荧光探针和溶剂的偶极偶极反应会使得激发态变得稳定，这样也就降低了其能量，因此荧光的波长也就会变为越长，发生一个红移。这也就使得能够通过应用分子内电荷转移荧光探针（ICT探针）的荧光波长在与分析物反应前后的光学变化来进行判断和检测14-19。为了增加目标物在测量环境中比溶剂分子使用电场更强的能力，ICT探针对于带电的或者电中性的分析物来讲需要额外的增加一个受体。联合起来的荧光团-受体体系是最常见的结构，同时富有供电子和拉电子基

16、团。毫无疑问，吸收和发射的波长取决于受体的位置以及受体和分析物反应的位置。例如，当受体在供电子端相连时，当探针和待测物反应后会出现一个吸收和发射波长的蓝移。正电的客体和荧光素的正电端之间的排斥力使得电子激发态S1变得不稳定，即增加了其能量。蓝移的宽度与离子的浓度有着直接的关联，这也就使得能够进行比率分析。相对比的是，当电子受体端连有离子受体时，荧光素会发生红移。在ICT机理中，包含有一种特殊的情况，即扭曲分子内电荷转移（TICT）20。由于ICT的存在能够使得偶极矩的大幅提高，对于有着特定结构的分子，例如用碳碳双键来连接供受体的分子，很容易出现扭转分子内能量转移，即TICT，形成荧光淬灭21。

17、例如山东大学Zhang课题组发表的DNA探针9E-BMVC就是通过TICT机理制备的22。图1- DNA探针9E-BMVC该DNA探针有两个吡啶基团离子作为强的拉电子基团，并且均通过碳碳双键和咔唑母体相连。该化合物整体应该呈现一种平面结构，但是因为吡啶基团较强的极性而且当有溶剂时，偶极矩增大，双键电子云向着吡啶偏移，因此双键可以发生一定程度的扭转，当有光子照射时，探针吸收能量处于激发态，扭转的双键会给电子跃迁提供一个非辐射跃迁通道，致使荧光效率降低，荧光很弱。当双键与DNA反应后，非辐射跃迁通道不复存在，荧光增强。这便是DNA该探针的检测机理。1.3 荧光探针分子的设计原则1.4 硫醇检测探针

18、的发展和现状生命体内的小分子游离态例如氨基酸、单糖、生长激素等等在生命体机能的正常运转过程中起着非常重要的作用。氨基酸，是蛋白质的组成单元和一级结构；单糖包括葡萄糖、半乳糖等等，即不能再水解的糖，主体作用是为生命体提供能量；生长激素则是促进生命体生长发育的关键性物质。故此，这些小分子物质的含量或许小但却是不可或缺的，而其含量的检测也就有着非常重要的意义。细胞内的各种细胞器由于其较大的尺寸，能够在显微镜下直接观察，但是这些游离态小分子不能。为此，人们建立起来了多种多样的检测方法和手段来进行测量。高效液相色谱、气相色谱-质谱法，电泳分离分析法，以及基于纳米粒子的等离子体谐振检测法等。但是以上这些方

19、法多少存在着对细胞的损伤并且操作相对繁杂，相比之下，运用荧光探针进行检测显得操作便捷、耗费较低而且对细胞破坏较小等等优点，因此引起了广泛的关注与研究。功能与结构息息相关，结构决定性质。细胞内小分子当然也不例外，作用多是由其结构组成所决定。硫醇类小分子含有很强亲核性的巯基，而巯基的硫原子含有孤对电子，呈现较强的亲核性，容易发生亲核加成反应，或者与含有空轨道的金属离子配位；巯基具有一定的还原性，所以容易被氧化为二硫键，二硫键则是连接肽链的重要部分，对于组成蛋白质的回曲盘旋的结构有着非常的意义。细胞中硫醇类分子主要有谷胱甘肽（GSH），半胱氨酸（Cys），同型半胱氨酸（Hcy）等。其中分子结构如下：

20、图 半胱氨酸（Cys）、同型半胱氨酸(Hcy)和谷胱甘肽(GSH)的结构半胱氨酸含有巯基，其参与的二硫键的形成对于形成蛋白质的三四级结构有着密不可分的联系。同时，半胱氨酸还有着调节细胞微环境中重金属离子的作用，通过与这些金属离子进行配位作用，在一定程度上避免了重金属对人体的危害。当氨基酸在人体内浓度失调时，会出现许多疾病。特别是同型半胱氨酸，虽然在人体内浓度很低，但是对于心血管等疾病有着重要的影响。也因为这个缘故，我们可以通过测定半胱氨酸的浓度来进行判断人体内是否出现了问题，达到部分疾病诊断的效果。生物硫醇例如谷胱甘肽，半胱氨酸，同型半胱氨酸等在人体中扮演着非常重要的角色。生命体内硫醇分子的含

21、量是和许多疾病紧密相连的，例如帕金森氏病、风湿性关节疼痛、冠心病、老年痴呆等。因此，发展一种便捷、快速而且高度选择性的手段来监测在生物细胞中氨基酸含量具有着重要的意义23。几种检测生物硫醇的分析手段已经被报道，例如电化学手段和高效液相色谱（HPLC）24。然而，上述的转化技术很是消耗时间，并且会产生昂贵的设备费用，这样就对于日常检测或医疗用途就不是一个合适的方法。比色分析很快并且很有效率，但是其灵敏度被对于那些有了宽的吸收范围的硫醇并不是非常好25。一个荧光手段因为其高灵敏和特意选择性是很能够吸引人的，尤其是考虑到其跟踪检测的优越性。这样，就有巨大的努力都被投入到了灵敏特异性探针的研发中来。例

22、如基于香豆素的荧光探针的巯基检测反应。Sippel合成了以香豆素为母体的巯基检测探针，通过把马来酰亚胺连接在香豆素上进行荧光淬灭，当加上硫醇后，发生迈克尔加成，从而恢复了荧光。目前人们使用了多种多样的识别策略，例如迈克尔加成27-29，和醛的环化反应30,31，金属络合物识别32，以及磺胺类33,34、磺酸酯35,36、硫醇的二硫化物37的裂解。基于硫醇造成的裂解机理，多种多样的荧光探针已经被研制出来。这些多是以硫醇检测为目的，通过使用不同的荧光团，例如香豆素、若丹明、荧光黄等等。为了获得理想的能够适用到生命体系中的生物硫醇探针，新种类的硫醇探针的研发依然在紧锣密鼓中。第2章 实验清单引言硫醇

23、类分子亲核性较强，这使得小分子巯基化合物在细胞内有着不可替代的作用。同时，这也为其检测提供了手段和途径。例如，巯基和，不饱和化合物发生迈克尔加成反应，进而制备得到巯基化合物检测探针。2.1 实验试剂序号试剂名称纯度生产厂家1吩嗪分析纯2三氯氧磷分析纯3N，N-二甲基甲酰胺分析纯4溴己烷分析纯上海通亚精细化工厂5四丁基氯化铵分析纯6DMSO分析纯7连二硫酸钠分析纯北京化工厂81,2-二氯乙烷分析纯9对甲苯磺酸分析纯10丙二腈分析纯11三氯甲烷分析纯北京化工厂12二氯甲烷分析纯北京化工厂13乙二醇分析纯14氰乙酸分析纯北京百灵威化学技术有限公司15无水硫酸钠分析纯北京化工厂16石油醚分析纯北京化工

24、厂17硅胶试剂纯北京化工厂18乙酸铵分析纯北京化工厂19氢化钙分析纯阿法埃莎(天津)化学有限公司20冰醋酸分析纯北京化工厂21乙醚分析纯北京化工厂22无水硫酸镁分析纯北京化工厂23浓硫酸分析纯北京化工厂24氯化钠分析纯北京化工厂25石英砂分析纯北京化工厂26无水乙醇分析纯北京化工厂27乙酸乙酯分析纯北京化工厂28氢氧化钠分析纯北京化工厂29甲苯分析纯2.2 实验仪器序号仪器型号生产厂家1核磁共振仪AV-400德国布鲁克公司2质谱仪BIFLEX III德国布鲁克公司3荧光光度计RF-5301日本岛津公司4紫外可见分光光度计TU-1901普析通用有限公司5电子天平JA1203B越平科学仪器公司6旋

25、转蒸发仪RE52CS上海亚荣生化仪器厂7手提式紫外分析仪UV-II炳洋科技有限公司注：N，N-二甲基甲酰胺(DMF)用氢化钙除水并蒸馏后使用。所有其他的原料和反应物包括吩嗪直接购买得到，无需进一步的纯化处理。第3章 实验部分3.1 探针分子1的合成3.11 5,10-二氢吩嗪的合成取1.8g吩嗪用100ml乙醇溶解，先进行除空气。然后在氮气保护下，在三口瓶中进行加热回流，待其完全溶解。加入18g Na2S2O4的水溶液（需要现用现配），继续搅拌。可观察到，刚加入硫代硫酸钠时，混合物立刻变成蓝色，当继续添加Na2S2O4，蓝色逐渐消失，变为乳黄色沉淀。此中使用大磁子。当沉淀量不再添加时，停止加热

26、，冷却至室温。将氮气保护下的产物冷却至室温或者更低时，用具有磨口的布氏漏斗进行抽滤。漏斗底部加NaOH的浓溶液，进行吸收产生的气体。用水冲洗三次，抽滤，快速收取滤渣（浅黄色沉淀），避免在空气中的氧化。3.12 5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪的合成将滤渣转移至单口圆底烧瓶中，加入3g NaOH，0.5g 四丁基氯化铵（作为相转移催化剂），加入50ml DMSO。N2保护后，进行搅拌5min，使得完全溶解，设置温度为45，冷凝回流。然后用针管加入一溴己烷 2ml，持续反应4小时。反应物冷却至室温，取出磁子，倒入大量水中（大于3倍的DMSO），搅拌后，用CH2Cl2萃取。有机相合并，用无水硫酸

27、钠进行干燥，过滤，旋蒸去除溶剂38。图谱数据：1H NMR (400 MHz, C6D6), (ppm): 6.69 6.63 (m, 4H), 6.28 6.21(m, 4H), 3.18 3.12 (m, 4H), 1.541.41 (m, 4H), 1.24 1.14 (m, 4H),1.12 1.03 (m, 8H), 0.86 0.83 (t, J = 7.2 Hz, 6H). 13C NMR (100MHz, C6D6), (ppm): 137.44, 121.12, 110.90, 45.32, 31.66, 26.71, 24.54, 22.92, 14.13. HRMS (E

28、SI, m/z) M + calcd for C24H34N2: 350.2722. Found: 350.27193.13 5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪-2-甲醛 （7）的合成将上一步产物（2.47g，7.06mmol）溶于100ml 1,2-二氯乙烷中，加入到三口瓶中，中间口连上冷凝管，密封，充氮气以排除氧气。然后在N2环境下搅拌。反应器在冰浴中进行，缓慢滴加0.546 mlDMF和0.645 ml POCl3于溶液中。混合物在冰浴下搅拌0.5h，然后转移至油浴中，设置温度为85，反应7h。冷却至室温。倒入冰水中后，继续搅拌，用二氯甲烷进行萃取，干燥有机相。旋蒸后，粗产物用硅胶过柱

29、子，使用石油醚和CH2Cl2（2：1）作为洗脱剂来分离组分。图谱数据：1H NMR(400 MHz, C6D6) (ppm): 9.66 (s,1H), 6.90(s,1H), 6.78(s,1H), 6.58(s,2H), 6.14(d,J=6.7Hz,2H), 5.93(d,J=7.7Hz,1H), 3.062.96(m,4H), 1.501.38(m,2H), 1.371.27(m,2H), 1.241.13 (m,4H), 1.111.01 (m,8H), 0.900.81(m,6H).13C NMR(100 MHz,C6D6) (ppm): 188.95,143.16,137.51,

30、136.57,135.09, 131.09,128.69,122.71,121.14,111.65,111.26,109.21,107.07,45.41,45.17, 31.51,26.52, 24.44,24.00,22.88,14.10. HRMS (ESI, m/z) M+ calcdfor C 25H34N2O: 378.2671. Found: 378.2673.3.14 5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪-2-二氰基乙烯(探针分子1)的合成过量的丙二氰、乙酸铵的混合物和产物9溶于50ml甲苯中，在单口瓶中，除氧操作，在N2环境中反应6h，混合物倾入水中，用二氯甲烷进行萃取，并干燥

31、。粗产物使用硅胶，并用石油醚和CH2Cl2作为洗脱剂。产物为蓝色。检测其1H-NMR和13C-NMR。图谱数据：1H NMR(400 MHz, DMSO-d6) (ppm): 7.80 (m,1H), 7.06-7.04(m,1H), 6.93(s,1H), 6.67(m,1H), 6.58(d,J=6.7Hz,1H), 6.47(m,1H), 6.35(m,2H), 1.50(4.5H) 1.37-1.30(m,13H), 0.90-0.85(m,6H).13C NMR(100 MHz,DMSO-d6) (ppm): 3.2 探针分子2的合成2.31 5,10-二氢吩嗪的合成 合成方法同2.

32、212.32 5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪的合成合成方法同2.222.33 5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪-2,7-二甲醛 (8)的合成将上一步产物（2.5g，7.06mmol）溶于100ml 1,2-二氯乙烷中，在三口烧瓶中，进行除氧操作。然后在N2环境下搅拌。反应器在冰浴中进行，缓慢滴加2.2ml DMF，2.6ml POCl3于溶液中。混合物在4冰浴下搅拌0.5h，然后转移至油浴中，设置温度为85，反应7h。冷却至室温。倒入冰水中后，继续搅拌，用二氯甲烷进行萃取，干燥有机相。旋蒸后，粗产物用硅胶过柱子，使用硅胶200-300目，并且石油醚和CH2Cl2（3：1）作为洗脱剂来

33、分离组分。产物为砖红色。图谱数据：1H NMR (400 MHz,CDCl3) (ppm): 9.60 (s, 2H), 7.11 (d, J = 7.8 Hz, 2H), 6.71 (s, 2H), 6.26 (d, J = 8.1 Hz, 2H), 3.43 (t, J = 8.0 Hz, 4H), 1.691.61 (m, 4H),1.481.35 (m, 12H), 0.94 (t, J = 7.0 Hz, 6H). 13C NMR (101 MHz,CDCl3) (ppm): 189.81, 142.52, 135.18, 130.17, 109.77, 108.25,45.77,

34、31.44, 26.47, 25.62, 24.15, 22.67, 14.01.2.34 7-甲酰基-5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪-2-氰基乙烯 (10)的合成先进行单醛基保护（vi）：取三口烧瓶，将产物8（2g，4.9mmol）溶解于50ml甲苯中，加入乙二醇0.3ml，对甲苯磺酸0.01g（0.06mmol）使用分水器回流过夜，温度设置为120，N2环境中反应。冷却至室温后，将混合物倾倒于10%的NaOH溶液中，用二氯甲烷进行萃取，干燥后得到产物9。上单个二氰基乙烯基（vii）：过量的丙二氰、乙酸铵的混合物和产物9溶于50ml甲苯中，在N2环境中反应6h。去醛基保护(viii)：

35、将反应后溶液倒入稀的盐酸溶液中，用三氯甲烷进行萃取，并干燥。粗产物使用200-300目硅胶过柱色谱，其中洗脱剂为石油醚和CH2Cl2。得到纯净物10为灰褐色。中间产物10图谱数据为：1HNMR (400 MHz, DMSO-d6) (ppm): 9.61 (s, 1H), 7.97 (s, 1H), 7.26 (dd, J1 = 8.2 Hz, J2 = 1.3 Hz, 1H), 7.20 (dd,J1 = 8.6 Hz, J2 = 1.6 Hz, 1H), 6.99 (d, J = 1.6 Hz, 1H), 6.77(d,J = 1.3Hz, 1H), 6.53 (d, J = 8.5 Hz

36、, 2H), 3.533.47 (t, 2H), 3.413.35 (t,2H), 1.571.47 (m, 4H), 1.441.36 (m, 4H), 1.361.29 (m, 8H),0.950.85 (m, 6H). 13C NMR (101 MHz, DMSO-d6) (ppm):190.07, 158.00, 142.75, 141.36, 134.19, 133.32, 132.73, 129.90, 129.55,124.61, 115.72, 114.98, 110.87, 110.71, 109.63, 108.63, 106.40, 71.57,54.89, 45.31,

37、 44.57, 30.99, 30.82, 25.54, 23.75, 23.57, 22.13, 22.09,13.85. HRMS (ESI, m/z) M + H+ calcd for C29H35N4O: 455.2811.Found: 455.2815. 2.35 7-氰基羧基乙烯基-5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪-2-二氰基乙烯（探针分子2）的合成取产物10（0.7g，1.54mmol）于三口瓶中，然后加入氰乙酸0.66g，醋酸铵 0.81g，并加入60ml甲苯，N2保护，在磁子搅拌下放在油浴锅中，加热回流7h，设置温度为120。过柱色谱，使用200-300目硅胶，用二氯甲烷

38、和乙酸乙酯（10:1）为洗脱剂进行过柱子分离。核磁数据为：1HNMR (400 MHz, DMSO-d6) (ppm): 7.91 (s, 1H), 7.82 (m, 1H), 7.20 (m, 3H), 6.95 (dd,J1 = 8.6 Hz, J2 = 1.6 Hz, 1H), 6.45 (d, J = 1.6 Hz, 2H), 2.81-3.96(m, 32H), 1.51 (s, 5H), 1.38-1.30 (m, 16H), 0.94-0.85 (m,8H). 13C NMR (101 MHz, DMSO-d6) (ppm):231.44, 132.936, 124.60, 10

39、9.30, 40.103, 39.893, 39.889, 39.479, 39.269, 39.060, 38.855, 30.980, 25.555, 22.153, 13.855.ESI-MS: m/z calcd. for C20H16N2S3 521, found: 521.6 (M+). 第3章 结果与讨论3.1 分子的合成与设计我们的主意是利用巯基和二氰基乙烯基的亲核反应作为检测氨基酸的方法。为了这个目的，探针1和2被设计与合成出来。探针1包含了一个二氰基乙烯基和一个氰乙酸受体，并连接了两个二氢吩嗪供体部分。与探针1两个相同的受体不同的是，探针2有一个醛基和仅仅一个二氰基乙烯基作

40、为受体。两个己基的出现改变了最初的电子缺乏的状态，并呈现了富电子。在拉电子基团如两个二氰基乙烯基或者醛基和二氰基乙烯基在碳3和碳8上连接后，分子内电子转移更加平稳了。拉电子能力可以通过氰基调整。二氰基乙烯基在感应机理上通过探针1和2以及先前的产物8在乙腈溶液中的荧光发射谱来实现对比的。在加入氰离子前，探针1和2展现的近红外发射峰在730nm和720nm处，相应的，化合物8展示了一个最大发射峰在620nm处。据我们所知，这些发射峰从ICT中出现，而ICT包含了电子供体和电子受体。当氰离子被加入乙腈溶液时，探针2一个在发射光谱的激发转换会被观查到。探针2的近红外发射峰会在一个新出现的在接近630n

41、m处的发射峰到最大时消失，这个峰很像是化合物8的最大发射波长。当量的氰离子基团的亲和进攻在C=C双键上预期出现。在这个反应中，拉电子的二氰基乙烯基被反应成为富电子基团，并带有负电。在探针1中，两个二氰基乙烯基在氰离子进攻后均变为了供体。然而，探针2一个新的ADD系统将会作用，并改变ICT循环的方向。效果是产生了新的发射峰在630nm处，并使基于探针2的平台构建一个近红外传感器成为可能。现象和机理的解答如下：探针1和2的合成起始于还原和吩嗪的烷基化。并且苯环侧边的醛基化通过Vilsmeier-Haack反应进行。之后脑文格反应需要的产物即被观察到。结构通过1HNMR和13CNMR和MS-ESI进

42、行验证。3.2 探针1对CN-的光学响应我们首先探索了探针1在乙腈中的吸收和荧光光谱的光学响应变化。探针1（10在乙腈溶液中）为紫色并且主吸收峰在545nm和372nm。随着滴加0-0.4当量的氰离子，吸收带在545nm处减小，并且红移到600nm处，在612nm处有一个等吸收点，然而在372nm处的吸收显示了一个蓝移到350nm。随着滴定的继续，600nm处吸收强度减少，直到加入2.8当量的CN-到达饱和点。与此同时，另一个移动后的吸收峰350nm的也出现了减小，并且呈现了进一步的15nm的红移。探针1是与氰离子的两步反应。其中一个二氰基乙烯基被氰离子进攻，成为负电子基团。ICT吸收带出现了

43、红移从545nm到600nm，因为ICT本是从吩嗪到两个二氰基乙烯基，后来改变成了到一个。在滴加了近1当量的氰离子后，溶液的颜色从最初的紫色到浅蓝色，肉眼可看。随着滴加进行，更多的氰离子开始进攻另一个二氰基乙烯基的不饱和双键。600nm处的吸收带减小了，最终在加了2.8当量的氰离子时消失了。因为单边ICT系统出现的吸收带消失了，溶剂明显变为几乎无色。 吸收强度在545nm和612nm处的在表三中展示。1/A545h和1/CN-间呈现线性关系（当CN-为低浓度不超过0.15当量时）证明了化合物1和CN离子之间的化学计量关系为1:1。当CN浓度超过0.15时，直线的斜率会发生改变，表明CN-1-C

44、N2-的形成。这也是反映了化合物1和1-CN-（612nm）等吸收点，这依然是低浓度的CN-并开始伴随着CN-1-CN2-的形成减小。有趣的是，探针1展示了不同的发射谱在540和400nm间。如表格4中所示，当激发波长被设在540nm时，一个近红外带在近730nm处被检测出来，随着CN离子的滴加，迅速减小。特别是，当加入等量的氰离子超过0.4时，730nm处的荧光强度迅速减小并达到饱和点，并且随着继续的滴定不发生改变，在大约0.4当量的氰离子饱和点前出现了一个理想的线性独立性。当在400nm激发时，一个更宽的发射带在600nm处被检测出来，这个随着氰离子的加入迅速减小。相似的，随着0.4当量的

45、氰离子的加入，600nm处发射带强度达到了最小值，跟着在540nm处激发峰达到饱和点。随着氰离子的继续加入，一个新的500nm处的发射带出现。滴加了2.8当量的氰离子后，达到了饱和点，这与吸收谱的饱和点保持一致。探针1对CN-的检出限通过氰离子的浓度从0.0到4.0变化时的荧光强度来测量，这呈现了很好的线性关系，并出现了5.77×10-8M的检出限。这样，精确的近红外荧光强度提供了明显的信号和一个低的检出限，远低于饮用水中CN-的检出限(0.2ppm)。氰离子探针另一个明显的特征是光谱中的比色响应可以通过ICT的转移来获得。3.3 探针2对氰离子的光学响应不同于探针1，探针2的吸收光谱展示出了四个主吸收带，分别在集中在了570,452,360,293nm处（如图6）。随着CN-离子的滴加，在570和452nm处的吸收逐渐消失。另一个360nm处的吸收强度的降低也是明显可见的，并且伴随有10nm的红移。而且，在293nm处一个显著的吸收带出现。在316nm处明显的等吸收点表明2-CN-加成物的形成。探针2的溶液从深棕色变为了浅黄色，这些伴随着氰离子的滴加可以明显观察出