新型硼-二吡咯亚甲基染料衍生物的合成及其光学性质*

徐海云，胡春华，赵文献，刘瑛

(商丘师范学院化学化工学院，河南商丘 476000)

新型硼-二吡咯亚甲基染料衍生物的合成及其光学性质*

徐海云，胡春华，赵文献，刘瑛

(商丘师范学院化学化工学院，河南商丘 476000)

以无水乙醇为溶剂，1-硝基环己烯与异氰基乙酸乙酯在K2CO3催化下经Barton-Zard反应制得2-乙氧羰基-3，4-四亚甲基吡咯(3);用过量氢化铝锂高温还原3得2-甲基-3，4-四亚甲基吡咯(4);通过“一瓶三步骤”合成法，4与4-羟基-3-硝基苯甲醛在三氟乙酸催化下经缩合反应后，用2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌氧化并依次用NEt3和BF3·OEt2处理合成了一种新型的含稠合外环的中位取代4-羟基-3-硝基苯基亚单元的BDP类染料衍生物(7)，其结构经1H NMR和元素分析表征。光学性质研究结果表明，7在氯仿中的最大吸收峰位于525 nm，496 nm和390 nm;7的吸收光谱特征与溶液pH无关，但其发射光谱在强极性溶剂中表现出较强的碱性依赖性，可作为碱性条件下的pH荧光探针;7与OH-以1∶1结合的结合常数Ks为1 579 L·mol-1，酸度常数pKa约为10.80。

硼-二吡咯亚甲基染料;稠合外环;pH荧光探针;4-羟基-3-硝基苯基亚单元;合成;光学性能

pH荧光探针相比传统的基于颜色变化的pH指示剂具有选择性好、灵敏度高、试样量小、简便快捷等特点，在分析化学、特别是在分子生物学、生物分析化学、细胞生物学、医学等领域有较广泛应用［1-2］。硼-二吡咯亚甲基(BDP)类染料作为一种重要的新型荧光标记材料，与其他一些荧光染料，如荧光素类、罗丹明类、菁染料等相比具有高荧光量子产率和高摩尔消光系数、优异的光稳定性、激发波长位于可见光区、结构易于修饰、发射波长可调变到近红外，不易受环境及pH的影响等许多非常有益的光物理和光化学性质［3］。因此，设计合成以BDP染料为荧光团和带有各种活性单元作为接受体的各种荧光探针，并研究其应用已经成为国内外十分活跃的研究课题［4］。然而，目前基于BDP染料的pH荧光探针的研究不多［5-6］。针对有关含稠合外环尤其是在1，2，6，7-位含稠合外环的BDP染料衍生物的合成及其应用方面的报道较少［7-8］。

为此，本文以无水乙醇为溶剂，1-硝基环己烯(1)与异氰基乙酸乙酯(2)在K2CO3催化下经Barton-Zard反应制得2-乙氧羰基-3，4-四亚甲基吡咯(3);用过量氢化铝锂高温还原3得2-甲基-3，4-四亚甲基吡咯(4);通过“一瓶三步骤”合成法，4与4-羟基-3-硝基苯甲醛(5)在三氟乙酸(TFA)催化下经缩合反应后，用2，3-二氯-5，6-二氰基-1，4-苯醌(DDQ)氧化并依次用NEt3和BF3·OEt2处理合成了一种新型的含稠合外环的中位取代4-羟基-3-硝基苯基亚单元的BDP类染料衍生物(7，Scheme 1)，其结构经1H NMR和元素分析表征。并研究了7的光学性能。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

X-4型显微熔点仪(温度未校正);岛津UV-3100型紫外-可见分光光度计(扫描范围400 nm～1000 nm，光路狭缝2 nm);Aminco Bowman Series 2型荧光光谱仪［普通石英样品池10 mm×10 mm×40 mm，光栅狭缝宽度20 mm，测定温度(25±0.1)℃］;Bruker ARX 500型核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标);Perkin-Elmer 204B型元素自动分析仪。

1［9］和2［10］按文献方法合成;DDQ，5和Li-AlH4，分析纯，Aldrich公司;CH2Cl2，工业品;其余所用试剂均为化学纯或分析纯，其中CH2Cl2加入CaH2回流，用前蒸出;四氢呋喃(THF)，氮气保护下加金属钠回流至二苯甲酮变蓝，用前蒸出。

1.2 合成

(1)3的合成

在圆底烧瓶中加入无水K2CO31.52 g(11 mmol)和无水乙醇25 mL，氮气保护，剧烈搅拌下缓慢滴加混合溶液［1 1.27 g(10 mmol)+2 1.13 g(10 mmol)+无水乙醇(5 mL)］，滴毕，于室温反应24 h。减压过滤，滤液旋蒸除溶后经硅胶柱层析［洗脱剂:A=V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)= 4∶6，收集第二个吸收带］纯化后用正己烷重结晶得白色晶体2 1.0 g，收率52%，m.p.80℃～82 ℃(79℃～80℃［11］);1H NMR δ:1.37(t，J= 6.0 Hz，3H，CH3)，1.76(m，4H，CH2)，2.57 (m，2H，CH2)，2.83(m，2H，CH2)，4.31(q，J=6.0 Hz，2H，CH2)，6.66(d，J=1.6 Hz，1H，C=CH)，8.86(br s，1H，NH);Anal.calcd for C11H15NO2:C 68.37，H 7.82，N 7.25;found C68.23，H 7.84，N 7.21。

(2)4的合成

在干燥三口圆底烧瓶中加入LiAlH41.14 g (30 mmol)和无水THF 30 mL，氮气保护，搅拌下缓慢滴加3 0.579 g(3 mmol)的THF(3 mL)溶液，滴毕，回流反应3 h。冰盐浴冷却下缓慢滴加冰水20 mL(除去过量LiAlH4)，减压抽滤，滤液用乙酸乙酯(3×20 mL)萃取，合并有机相，依次用水、饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，旋蒸除溶后在避光条件下快速经硅胶柱层析(洗脱剂:CHCl3，收集第一个吸收带)纯化得淡红色液体4 0.27 g，收率67%。

(3)7的合成

N2保护，在反应瓶中依次加入4 270 mg(2 mmol)，5 167 mg(1 mmol)和无水CH2Cl2120 mL，搅拌下滴加TFA一滴，于室温避光反应2 h～4 h(TLC检测);加入DDQ(1 mmol)的CH2Cl2(20 mL)溶液，于室温反应1 h;交替滴加NEt33 mL和BF3·OEt23 mL，滴毕，反应1 h。依次用水和饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，旋蒸脱溶后经硅胶柱层析(洗脱剂:A=1∶19)纯化后用CHCl3-正己烷重结晶得红色固体7 0.093 g，收率20%，m.p.264℃～265℃;1H NMR δ:10.71(s，1H，OH)，8.10(s，1H，ArH)，7.26(m，1H，ArH)，7.53(m，1H，ArH)，2.49(s，6H，CH3)，2.30 (m，4H，CH2)，1.61(m，4H，CH2)，1.43(m，4H，CH2)，1.28(m，4H，CH2);Anal.calcd for C25H26N3O3BF2:C 64.53，H 5.63，N 9.03;found: C 64.69，H 5.59，N 9.01。

2 结果与讨论

2.1 合成

(1)3的合成

在3的合成中，本文用价廉易得的无机强碱和无水乙醇代替文献方法中大多采用的价格昂贵且对反应条件要求严格的有机强碱{［1，8-二氮杂二环［5.4.0］十一碳-7-烯(DBU)］}及无水THF也能获得较高收率，且溶剂无需无水处理。

(2)7的合成

由于3中吡咯环上存在吸电子基CO2Et，反应活性低，不能直接用3与5在上述常温条件下进行缩合反应合成目标产物7。因此，首先用强还原剂LiAlH4，在高温较长时间的回流条件下将3中的CO2Et还原为CH3得4。考虑到4在空气中非常不稳定(由于4中CH3易被氧化为COOH)，反应体系中氧气含量的多少直接影响到4收率，故要求反应前必须排净空气且在惰性气氛中进行。在后处理过程中所有操作需快速进行以减少产物4被部分氧化;4无需进一步纯化直接进行下步反应。

采用“一瓶三步骤”法将原位制得的4与5 在TFA催化下经缩合反应后用DDQ氧化，再依次用NEt3和BF3·OEt2处理合成了7。实际上，在由4和5发生缩合反应合成7的过程中，首先生成的是中间体6a，加入氧化剂DDQ后，6a发生脱氢氧化得中间体6b，若将中间体6a从反应体系中分离并纯化后再氧化成6b或同时把中间体6b也分离出来后再依次用NEt3和BF3·OEt2处理，7收率有一定提高，但相比“一锅煮”法，收率差异并不大，所以考虑到纯化过程的繁琐及产物的损失，一般采用“一锅煮”法合成7为宜。

2.2 光学性质

图1为7在氯仿中的UV-Vis谱图和FL谱图。从图1可看出，7的UV-Vis吸收光谱形状和FL谱图形状与BDP相似，显示出两个波长宽度很窄的吸收峰:λmax位于525 nm附近的强吸收峰归属s0-s1跃迁，位于496 nm附近的吸收峰为0-1振动跃迁吸收峰或称作高能态的肩峰;另外，在390 nm附近还出现了一个非常弱而宽的吸收峰，主要源自s0-s2跃迁，部分涉及到稠合外环骨架。

从图1还可以看出，7在490 nm激发波长激发下，产生一个与UV-Vis谱呈镜像对称的FL谱图，这种良好的镜像对称关系进一步证实了其发射的主要波段源自s0-s1跃迁，显示出典型的BDP类染料的光谱特征;同时，由于BDP荧光团中引入的刚性稠合外环通过控制内转换的速率而阻碍了其激发态的非辐射失活，使其最大吸收和发射波长间的Stokes-shift(斯托克司频移)较其它所报道的非稠合外环的BDP染料衍生物小。

2.3 荧光滴定

图2为7在混合溶剂A［MeOH/H2O(1/1，V/V)］中的荧光强度随pH变化的滴定曲线图。由图2可见，7的吸收光谱特征(最大吸收峰位置、形状、吸收强度等)与溶液pH无关，这表明OH-与7的键合对光谱性质的影响不能通过它们的吸收行为来识别。然而它的发射光谱在强极性溶剂中表现出较强的碱性依赖性。

由图2还可见，在碱性介质中，随pH升高，7的荧光强度显著降低，荧光光谱的形状和最大吸收峰位置基本保持不变，只是λmax略有蓝移，属于典型的PET(光诱导电子转移)检测机理。由于随着碱性介质的加入使7中的酚单元去质子化而形成酚盐形式，使得供电子能力弱的OH转变为供电子能力强的O-，由此发生了从供电子的酚盐基团到BDP荧光团的电子转移过程而导致了荧光被淬灭。

为了求得7在A中与OH-的结合常数从而确定它的酸度常数pKa值，通过下式对7在λmax= 540 nm处的荧光强度随cOH-变化的滴定曲线进行非线性拟合［12］(图3)。

其中，Fmax为7的起始荧光强度，Fmin为7在OH-存在下的最低荧光强度(该值不能够准确测定，仅作为分析中的变量参数)

7 和OH-按1∶1化学计量相结合的结合常数Ks确定为1 579 L·mol-1。因此，7在A中的酸度常数(即它的酚盐形式与H+按照1∶1化学计量的结合常数)pKa约为10.80，与文献［13］报道的其他羟基-苯基取代的BDP类衍生物荧光染料所测得的pKa相当。

2.4 检测原理

在7分子中，OH-与中位受体位单元中的酚羟基选择性键合导致其OH去质子化变为O-离子被认为是荧光有效淬灭的根源。由于BDP荧光团(受体位)的1，2，6，7-位稠合的外环与中位芳基取代基(给体位)的空间位阻使得受体位单元和给体位单元之间发生扭曲，二者的二面角接近90°(Scheme 2)，从而导致其π共轭体系电子去偶合，所以7的荧光特性由荧光团与其中位芳环间的分子内光诱导电子转移(PET)机理所控制，探针显示出的荧光开/关效应依赖于给体位的最高占有轨道(HOMO)能级［14］。对于7而言，在给体位单元结合分析物(滴加OH-离子)前，荧光团被激发后，给体位单元HOMO轨道能级较低，光诱导电子转移(PET)过程受阻，荧光团发射强荧光;当给体位单元结合分析物(如OH-)时，给体位单元由OH基变为O-，其HOMO轨道能级升高从而使其轨道的电子转移能够到荧光团的HOMO轨道上即发生了PET过程，从而导致其荧光被淬灭或发射出弱荧光，也即底物诱导荧光的“On-Off”型分子开关。

图2 7的荧光强度与pH关系*Figure 2Fluorescence intensity-pH profile of 7*MeOH/H2O(1/1，V/V)为溶剂，pH of a～y: 9.69～11.08，λex=490 nm

图3 7的荧光滴定曲线(实线为最好拟合线)*Figure 3The fluorescence titration curve of 7 (the solid line represents the best fit)*MeOH/H2O(1/1，V/V)为溶剂

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Synthesis and Spectroscopic Properties of a Novel
Exocyclic Ring-fused Boron-dipyrromethene Derivative

XU Hai-yun，HU Chun-hua，ZHAO Wen-xian，LIU Ying

(College of Chemistry and Chemical Technology，Shangqiu Normal University，Shangqiu 476000，China)

2-Ethoxycarbonyl-3，4-tetramethylene pyrrole(3)was synthesized by Barton-Zardon reaction of 1-nitrocyclohexene with ethyl isocyanoacetate using K2CO3as the catalyst and dry ethanol as the solvent.2-Methyl-3，4-tetramethylene pyrrole(4)was obtained after treating 3 with excess LiAlH4at high temperature.A novel kind of BDP derivative(7)substituted with 4-hydroxy-3-nitro phenyl subunit at meso was synthesized by“one-pot-three-step”reaction of 4 with 4-hydroxy-3-nitrobenzaldehyde using TFA as the catalyst，then oxidized with DDQ，followed by treating with NEt3and BF3· Et2O.The structure was characterized by1H NMR and elemental analysis.Absorption and emission spectroscopic proerties of 7 were investigated by UV-Vis and FL spectra.The results showed that λmaxof 7 was 525 nm，496 nm and 390 nm.7 was sensitive to pH value in the basic CH3OH/H2O(1/1，V/V)solution and 7 can be applied as a fluorescent probe for pH sensing in the alkaline region under exciting with visible light.Ks=1 579 L·mol-1and pKa=10.80 with n(7)∶n(OH-)=1∶1.

boron-dipyrromethene(BDP)dye;fused exocyclic ring;pH fluorescent probe;4-hydroxy-3-nitro phenyl subunit;synthesis;spectroscopic property

O621.3;O613.8

A

1005-1511(2014)03-0298-05

2013-04-01;

2014-04-16

国家自然科学基金资助项目(20972091，21172139);河南省科技厅基础与前沿技术研究项目(112300410309);河

南省教育厅自然科学研究计划(2011A150023，2008B150018);2010年商丘师范学院中青年骨干教师计划;商丘师院重大项目

培育计划(2011ZDPY02)

徐海云(1970-)，男，汉族，安徽合肥人，博士研究生，教授，主要从事荧光分子探针的研究，E-mail:xuhyun@163.com

赵文献，教授，硕士生导师，E-mail:zhwx5126@gmail.com