水溶性苝酰亚胺功能荧光染料的合成与性质

高微，席亚楠，薄福丽，杨涛，高保祥

(河北大学 化学与环境科学学院 药物化学与分子诊断教育部重点实验室，河北 保定　071002)



水溶性苝酰亚胺功能荧光染料的合成与性质

高微，席亚楠，薄福丽，杨涛，高保祥

(河北大学 化学与环境科学学院 药物化学与分子诊断教育部重点实验室，河北 保定071002)

通过在苝酰亚胺染料的亚胺位置引入寡聚乙二醇亲水功能基团，同时在苝酰亚胺染料的海湾位置引入硫醚取代基团，合成了水溶性苝酰亚胺功能荧光染料(PSPBI)，其化学结构通过核磁共振波谱仪(NMR)、基质辅助激光解析电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)得以证实.溶解性实验表明PSPBI在水中的溶解度大于10 mg/mL，说明其具有很好的水溶性.紫外吸收与荧光发射测试表明：PSPBI在480 nm和540 nm有2个吸收峰；荧光发射峰在620 nm.过氧化氢荧光滴定实验结果表明:PSPBI能够实现对过氧化氢的荧光增强响应，增强倍率为50倍；同时，其吸收光谱和荧光发射光谱都发生了蓝移，最大吸收峰蓝移了29 nm，最大发射峰蓝移了15 nm.

苝酰亚胺；荧光性质；过氧化氢；分子内电荷转移；功能染料

3,4,9,10-苝四酸酐二酰亚胺(简称苝酰亚胺)是2个萘单元通过2个sp2杂化的C—C单键相连而形成的一个大的共轭平面芳香体系.这种共轭大π键电子结构赋予了苝酰亚胺优异的光电性质和化学稳定性，使其具有光化学稳定性强、荧光量子产率高等特点[1-2]，并成为染料化学研究的热点，广泛应用于各种有机光电器件研究领域[3-5].然而，苝酰亚胺分子间π-π堆积作用大大增强，具有较大的晶格能，其溶解性很差[6].提高苝酰亚胺类化合物的溶解性，主要方式是通过引入取代基.与一级胺反应后，在一定程度上改善了苝酰亚胺类化合物的溶解性，但是在有机溶剂中它们的溶解度并不高[8].一般在苝酰亚胺N位置上引入燕尾型的长烷基链时，其溶解性较好[8-9].在苝酰亚胺的母核上的1,6,7,12位上引入取代基后也提高其溶解性能[10-11].

苝酰亚胺发光中心是完全疏水的结构，这严重制约了苝酰亚胺荧光染料在水体系，尤其是在生物体系中的应用.虽然在苝酰亚胺的亚胺位置以及海湾位置引入羧酸，磺酸等阴离子基团或者季铵盐阳离子基团能有效改善荧光染料的水溶性；但是由于分子聚集的原因使得其在水中的发光被显著淬灭[12].

在实验室中，在苝酰亚胺染料的亚胺位置引入燕尾型寡聚乙二醇亲水功能基团，同时在苝酰亚胺染料的海湾位置引入硫醚取代基团，合成了一类新型水溶性苝酰亚胺功能荧光染料.本文对苝酰亚胺功能染料PSPBI的结构和性质进行了表征与研究.

1　实验部分

1.1主要试剂和仪器

AVANCE Ⅲ 600 MHz超导核磁共振波谱仪(NMR)(Bruker，德国)；AutoflexIII smartbeam基质辅助激光解析电离飞行时间质谱；UV-2550型紫外分光光度计(UV-Vis)(Shimadzu,日本)；RF-5301 PC型荧光分光光度计(Shimadzu,日本)；C-MAG HS7型加热磁力搅拌器和ETS-D5型接触式温度计(IKA，德国)；R-1001 N型旋转蒸发仪和DL-400型循环冷却器(郑州长城科工贸有限公司，中国)．

苝酐，分析纯，辽阳连港染料化工有限公司；三氯甲烷，分析纯，天津市科密欧试剂公司；4-(甲硫基)苯硼酸，分析纯，上海起福生物科技有限公司；对甲苯磺酰氯，分析纯，天津市科密欧试剂公司；氟化钾，分析纯，天津市科密欧试剂公司；咪唑，分析纯，天津市科密欧试剂公司；液溴，分析纯，天津市科密欧试剂公司；三(二亚苄基丙酮)二钯[Pd2(dba)3]，分析纯，上海奥普迪诗化学科技有限公司；双(2-二苯基膦)苯醚(DPEPhos)，分析纯，北京百灵威科技有限公司；三乙胺，分析纯，天津市科密欧试剂公司；甲苯，分析纯，天津市科密欧试剂公司；碳酸钾，分析纯，天津市科密欧试剂公司；二氯甲烷，分析纯，天津市科密欧试剂公司；钯碳催化剂，分析纯，大连圣迈化学有限公司；无水乙醇，分析纯，天津市科密欧试剂公司；石油醚，分析纯，天津(香港)新通精细化工有限公司；四氢呋喃，分析纯，天津市科密欧试剂公司；乙酸乙酯，分析纯，天津市科密欧试剂公司；N-甲基-吡咯烷酮，分析纯，天津市科密欧试剂公司；浓盐酸，分析纯，天津市华东试剂厂；无水硫酸钠，分析纯，天津市科密欧试剂公司；柱层层析硅胶(40～70 μm，试剂级)，青岛谱科分离材料有限公司；氘代氯仿(CDCl3)，北京博雅大北科技开发公司，>99.8%；所用水均为去离子水.

1.2合成原理

首先苝酐和乙基丙胺在咪唑中加热到160 ℃反应5 h，经抽滤水洗得到化合物1.其次，用溴素取代乙基丙胺苝酐海湾部位的氢,得到化合物2.因为溴代乙基丙胺水解掉乙基丙胺时,溴取代基不稳定易脱掉，所以通过Suzuki偶联反应在零价钯配合物催化下，4-(甲硫基)苯硼酸与化合物2发生交叉偶联合成化合物3，化合物3再水解生成化合物4.最后由化合物4与PEO链在N-甲基-吡咯烷酮中加热到85 ℃反应1 h生成化合物PSPBI.其合成路线如式1所示：

式1　PSPBI的合成路线Scheme 1　Synthesis route of PSPBI

1.3制备方法

1.3.1化合物1的合成

在250 mL双口瓶中加入苝酐 (6.00 g，15.3 mmol)、乙基丙胺 (6.67 g，76.5 mmol)和咪唑(30.0 g，440 mmol)，氮气保护加热升温至120 ℃，搅拌反应20 min，之后继续升温至160 ℃，搅拌反应5 h，停止反应，冷却到80 ℃，加入25.0 mL乙醇，继续降温至30～40 ℃后再加入100 mL乙醇.用300 mL 2 mol/L HCl洗产物，抽滤，滤饼先水洗，再用少量乙醇洗至中性，真空干燥，得紫色固体化合物7.75 g，产率为96%.

1.3.2化合物2的合成

在100 mL的双口瓶中加入化合物1 (2.00 g，3.98 mmol)、碳酸钾 (2.00 g，14.5 mmol)、44.0 mL三氯甲烷和液溴 (30.1 g，188 mmol)，加热升温至57 ℃，搅拌反应4 h，停止反应用亚硫酸氢钠水溶液除去多余的溴.反应体系用二氯甲烷和蒸馏水萃取，收集有机相，用无水Na2SO4干燥，过滤，用旋转蒸发仪除去溶剂，真空干燥，二氯甲烷/石油醚(体积比为2∶1)作淋洗剂，用硅胶柱进行分离提纯，得鲜红色固体1.10 g，产率为45%.

1.3.3化合物3的合成

在500 mL的双口瓶中加入化合物2 (1.00 g,1.64 mmol)、4-(甲硫基)苯硼酸 (1.38 g,1.64 mmol)、175 mL精制甲苯和10.0 mL无水乙醇，氮气保护加热升温至80 ℃，搅拌反应20 min，冷却再加入Pd2(dba)3(0.180 g,0.200 mmol)、DPEPhos (0.371 g,0.689 mmol)和10.0 mL 0.821 mol/L氟化钾溶液，氮气保护加热升温至95 ℃，搅拌反应21 h，停止反应.用二氯甲烷和蒸馏水萃取，收集有机相，用无水Na2SO4干燥，过滤，用旋转蒸发仪除去溶剂，真空干燥，二氯甲烷-石油醚(体积比为1∶1)作淋洗剂，用硅胶柱进行分离提纯，得微暗红色固体855 mg，产率为80%.

1.3.4化合物4的合成

在25 mL的双口瓶中加入化合物3 (0.100 g,0.153 mmol)、氢氧化钾 (0.860 g，15.3 mmol)和7.00 mL异丙醇，加热升温至95 ℃，搅拌反应1.5 h后停止反应.加入2 mol/L HCl搅拌2 h，反应液用砂芯抽滤取固体，水洗至中性，真空干燥,得深红色固体54.0 mg，产率为68%.

1.3.5化合物PSPBI的合成

在10 mL单口瓶中加入化合物4 (0.0500 g,0.0970 mmol)和PEO链(0.0857 g,0.224 mmol).将醋酸(0.0280 g，0.466 mmol)溶于1.25 mLN-甲基-吡咯烷酮中，加入到反应体系中.氮气保护下直接放入85 ℃油浴中回流1 h，减压蒸出溶剂，真空干燥.二氯甲烷/乙醇为(体积比25∶1)作淋洗剂，用硅胶柱进行分离提纯，得到淡紫红色固体50.0 mg，产率为41%.

1.4样品结构表征

核磁共振谱图(NMR)采用德国Bruker公司的AVANCE Ⅲ 600 MHz核磁共振波谱仪测定，溶剂为CDCl3.质谱谱图采用美国Bruker Daltonics公司的autoflexIII smartbeam MALDI-TOF/TOF质谱仪测定.紫外可见图谱(UV-Vis)采用日本Shimadzu公司的UV-2550紫外可见分光光度计进行测定.荧光图谱采用日本Shimadzu公司的RF-5301PC荧光分光光度计进行测定.

2　结果与讨论

2.1NMR与MS分析

图1、图2和图3分别为化合物PSPBI的1H NMR、13C NMR和MS谱图.1H NMR(600 MHz,CDCl3):δHk8.60～8.64(2H,t,CH),δHp8.54～8.56(2H,t,CH),δHz8.48(1H,s,CH),δHe8.10～8.11(1H,d,CH),δHm7.85～7.86(1H,d,CH),以上5个峰是苝结构的氢质子化学位移峰.δHc2.58(3H,s,CH3),δHn7.36(4H,s,C6H4),是4-(甲硫基)苯基上的氢质子化学位移峰.此外在3.32～5.72内5个峰为PEO链上的峰，δHd3.32(12H,s,CH3),δHb3.48～3.72(48H,m,CH2),δHf3.93～3.98(4H,m,CH2),δHx4.14～4.18(4H,m,CH2),δHa5.64～5.72(2H,m,CH);对δHd，δHb，δHf，δHx和δHa的位移峰积分，峰面积比6∶24∶2∶2∶1,与PSPBI中PEO链的不同氢原子数比一致.13C NMR(150 MHz,CDCl3,δ):164.0,163.9,163.8,163.7,141.2,140.0,138.7,134.8,134.7,134.5,132.5,129.8,129.2,129.0,128.4,128.1,127.7,127.5,123.6,122.7,71.9,70.5,70.5,70.4,70.3,69.3,69.2,59.0,52.2,52.1,15.4.MALDI-TOF MS：化合物 C65H84N2O20S的m/z计算值为1 244.533 8,实测值1 267.410 6[M+Na]+;1 284.413 9[M+K]+.

图1　PSPBI的1H NMR(CDCl3)Fig.1　1H NMR spectrum of PSPBI (CDCl3)

图2　PSPBI的13C NMR谱图(CDCl3)Fig.2　13C NMR spectrum of PSPBI (CDCl3)

图3　PSPBI的MS谱Fig.3　MS spectrum of PSPBI

2.2紫外谱图与荧光谱图分析

PSPBI染料在甲苯、四氢呋喃中具有很好的溶解度；由于燕尾型寡聚乙二醇亲水功能基团的引入，大大提高了苝酰亚胺染料在水中的溶解性，溶解度大于10 mg/mL.图4和图5分别是化合物PSPBI在水、四氢呋喃和甲苯中的紫外和荧光光谱图，其浓度均为1×10-4mol/L.由图4可知化合物PSPBI在四氢呋喃和甲苯中表现出溶解良好的振动吸收峰，但在水溶液中有2个振动吸收峰，分别为480 nm和540 nm，证明化合物PSPBI亲油性比亲水性好，在水中出现聚集现象.在甲苯溶液中，PSPBI有很强的荧光发射，最大发射峰在650 nm (图5).然而，在四氢呋喃溶液中，PSPBI的荧光大大减弱，最大发射峰红移到670 nm.在水溶液中，PSPBI的荧光进一步减弱，同时最大发射峰蓝移到620 nm.在四氢呋喃中由于4-(甲硫基)苯取代基是电子给体，共轭苝酰亚胺是电子受体，分子内存在电荷转移，溶剂的极性对化合物PSPBI的荧光影响很大[13].因此，当溶剂从弱极性的甲苯变为中极性的四氢呋喃时，PSPBI的荧光大大降低.以极性更大的水作为溶剂使得PSPBI的荧光被完全淬灭.

图4　PSPBI的紫外可见光吸收光谱 图5　PSPBI的荧光光谱 Fig.4　UV-Vis absorption spectra of PSPBI Fig.5　Fluorescence spectra of PSPBI

2.3过氧化氢紫外荧光滴定分析

图6是向1×10-4mol/L化合物PSPBI的水溶液中不断加入从0到0.16 mol/L双氧水的紫外荧光变化光谱.由图6可知，当过氧化氢的浓度到达1.6×10-1mol/L时，2个吸收峰发生逆转，PSPBI的最大吸收峰从537 nm蓝移到508 nm，蓝移了29 nm；其荧光发射峰从620 nm蓝移到605 nm，蓝移了15 nm，同时荧光强度增强近50倍.随着过氧化氢浓度的增大硫醚逐渐被氧化成亚砜或砜，分子内电荷转移效应减弱，进而提高了PSPBI分子的荧光发光效率[14].

a.紫外光谱；b.荧光光谱.图6　PSPBI溶液中加入双氧水的紫外可见吸收光谱和荧光光谱Fig.6　UV-Vis absorption and fluorescence spectra of PSPBI upon addition of the solution of H2O2

3　结论

在苝酰亚胺染料的亚胺位置引入寡聚乙二醇亲水功能基团有效提高了苝酰亚胺染料的水溶性；在其海湾位置引入硫醚功能基团赋予苝酰亚胺染料对过氧化氢的响应特性.染料在水溶液中的紫外可见光吸收光谱表明染料在可见光区有2个吸收峰，分别在480 nm和540 nm；荧光光谱表明染料的荧光发射峰位于620 nm.过氧化氢滴定实验表明，该荧光染料能够实现对过氧化氢的荧光增强响应，增强倍率为50倍；同时，染料的吸收光谱和荧光发射光谱都发生了蓝移，最大吸收峰蓝移了29 nm，最大发射峰蓝移了15 nm.

[1]WÜRTHNER F.Perylene bisimide dyes as versatile building blocks for functional supramolecular architectures[J].Chemical Communications,2004,35(14):1564-1579.DOI:10.1039/B401630K.

[2]LANGHLS H.Cyclic carboxylic imide structures as structure elements of high stability.Novel developments in perylene dye chemistry[J].Heterocycles,1995,1(40):477-500.DOI:10.3987/REV-94-SR2.

[3]SCHLETTWEIN D,WÖHRLE D,KARMANN E,et al.Conduction type of substituted tetraazaporphyrins and perylene tetracarboxylic acid diimides as detected by thermoelectric power measurements[J].Chemistry of Materials,1994,6(1):3-6.DOI:10.1021/cm00037a001.

[4]SCHNEIDER M,HAGEN J,HAARER D,et al.Novel electroluminescent devices based on perylene-doped sol-gel layers[J].Advanced Materials,2000,12(5):351-354.DOI:10.1002/(SICI)1521-4095(200003)12:5<351:AID-ADMA351>3.0.CO;2-X.

[5]LI Y,TAN L,WANG Z,et al.Air-stable n-type semiconductor:Core-perfluoroalkylated perylene bisimides[J].Organic Letters,2008,10(4):529-532.DOI:10.1021/ol703046w.

[6]HUNGER K.Industrial organic pigments:production,properties,applications[M].Weinheim:Wiley-Vch,1997.

[7]GRIMSDALE A C,MÜLLEN K.The chemistry of organic nanomaterials[J].Angewandte Chemie International Edition,2005,44(35):5592-5629.DOI:10.1002/anie.200500805.

[8]WICKLEIN A,LANG A,MUTH M,et al.Swallow-tail substituted liquid crystalline perylene bisimides:synthesis and thermotropic properties[J].Journal of the American Chemical Society,2009,131(40):14442-14453.DOI:10.1021/ja905260c.

[9]ZHANG X,CHEN Z,WÜRTHNER F.Morphology control of fluorescent nanoaggregates by co-self-assembly of wedge-and dumbbell-shaped amphiphilic perylene bisimides[J].Journal of the American Chemical Society,2007,129(16):4886-4887.DOI:10.1021/ja070994u.

[10]ZHAO Y,WASIELEWSKI M R.3,4:9,10-Perylenebis (dicarboximide) chromophores that function as both electron donors and acceptors[J].Tetrahedron Letters,1999,40(39):7047-7050.DOI:10.1016/S0040-4039(99)01468-9.

[12]SCHNURPFEIL G,STARK J,WÖHRLE D.Syntheses of uncharged,positively and negatively charged 3,4,9,10-perylene-bis (dicarboximides)[J].Dyes and Pigments,1995,27(4):339-350.DOI:10.1016/0143-7208(94)00075-D.

[13]DUAN W,WEI H,CUI T,et al.A membrane permeable fluorescent Ca2+probe based on bis-BODIPY with branched PEG[J].Journal of Materials Chemistry B,2015,3(5):894-898.DOI:10.1039/C4TB01457J.

[14]WU X,YIN C,SHI Z,et al.A novel substitution reaction of perylene bisimides with Ph2PLi at the α-position[J].New Journal of Chemistry,2010,34(1):61-64.DOI:10.1039/B9NJ00364A.

(责任编辑：梁俊红)

Synthesis and characterization of water-soluble fluorescent perylene bisimides

GAO Wei,XI Ya'nan,BO Fuli,YANG Tao,GAO Baoxiang

(Key Laboratory of Medicinal Chemistry and Molecular Diagnosis of Ministry of Education, College of Chemistry and Environmental Science,Hebei University，Baoding 071002,China)

Functional dye (PSPBI) was synthesized by the attachment of PEG and thioanisole groups to the imides and the bay of perylene bisimides,respectively.PSPBI dye was fully characterized by1H NMR spectroscopy,13C NMR spectroscopy and matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry.The solubility of PSPBI dye in water is more than 10 mg/mL,indicating good water solubility.In aqueous solution,the absorption maximum of PSPBI dye appeared at 540 nm,along with two higher vibronic transitions located at 480 nm,and the emission peak located at 620 nm.When the concentration of hydrogen peroxide was increased,the absorption maximum and emission peak were blue-shifted by 29 nm and 15 nm,respectively.Furthermore,PSPBI dye showed a fluorescence increase of about 50 fold.

perylene bisimides;fluorescence property;hydrogen peroxide;intramolecular charge transfer；functional dyes

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.02.005

2015-09-12

国家自然科学基金资助项目(21274036)；河北省高层次人才项目(B2012201031)

高微(1990—)，女，河北保定人，河北大学在读硕士研究生.E-mail:15733205590@163.com

高保祥(1974—)，男，河北滦县人，河北大学教授，博士生导师，主要从事功能性荧光染料的设计合成与荧光分子成像研究.E-mail:bxgao@hbu.edu.cn

O625.6

A

1000-1565(2016)02-0134-07