具有双光子荧光的新型香豆素类衍生物的合成及其光学性能

方国顺, 刘 闯, 薛震泳, 冯 燕(安徽大学 化学化工学院，安徽 合肥 230601)

具有双光子荧光的新型香豆素类衍生物的合成及其光学性能

方国顺, 刘 闯, 薛震泳, 冯 燕*
(安徽大学 化学化工学院，安徽 合肥 230601)

以7-碘代香豆素-3-甲酸乙酯为原料通过Sonogashira偶联、酯水解和酰胺化反应合成了新型香豆素类衍生物——7-(4-甲氧基苯乙炔基)香豆素-3-N-炔丙基甲酰胺(4)，其结构经1H NMR，13C NMR， HR-MS(ESI)和元素分析表征。并对其紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱及双光子荧光光谱进行了研究。结果表明：溶剂极性对4的光学性质影响显著，4具有明显的溶致变色效应。此外，4具有较大的有效双光子吸收截面(在乙酸乙酯、甲苯和氯仿中分别为222.57、 168.98 和211.77 GM)，并可发射较强的双光子诱导荧光。

7-碘代香豆素-3-甲酸乙酯; 香豆素类衍生物; 合成; 溶致变色效应; 双光子荧光

香豆素及其衍生物为苯并吡喃酮结构，其中存在C=C、 C=O双键以及特殊的环内酯，因而具有刚性的共平面结构及较大共轭π电子体系[1-4]。香豆素及其衍生物具有许多显著的光学性能，如荧光量子产率高、stokes位移大、光稳定性和生物相容性好等[5-8]。香豆素类化合物是一类具有良好荧光性能的有机小分子，其作为荧光传感器可以实现对金属离子、细胞内pH和活性硫物质的有效识别[9-12]。然而，这些报道的香豆素衍生物的荧光大多是基于单光子激发的，至今，具有双光子吸收性能，能够发射双光子荧光的香豆素类衍生物的报道较少[5]。双光子荧光指的是在脉冲激光的激发下，具有大的π电子共轭体系和较大的跃迁偶极距的有机分子同时吸收两个光子，使其从基态跃迁到吸收两倍光子能量的激发态，并随之产生荧光的过程[13]。与单光子荧光相比，双光子荧光所用的激发光波长在近红外区域内，吸收几率与入射光强的平方成正比，化合物在长波的激发光中具有较好的光化学稳定性，同时激发光在介质中的散射大幅度降低、穿透力增强和空间选择性高[14]。近年来，双光子技术在双光子显微镜与生物成像方面有着广泛的应用，其中，我们课题组以香豆素[5]和咔唑[15-19]为荧光团，开发了一系列可用于活细胞或活体中金属离子、活性氧和活性硫物质，以及粘度检测及生物成像的双光子荧光探针。

Scheme1

本文以7-碘代香豆素-3-甲酸乙酯(1)为原料，在二(三苯基磷)二氯化钯的催化下，通过与4-甲氧基苯乙炔发生Sonogashira偶联反应生成7-(甲氧基苯乙炔基)香豆素-3-甲酸乙酯(2);2在氢氧化钠的醇溶液中水解得到7-(甲氧基苯乙炔基)香豆素-3-甲酸(3);3再与丙炔胺酰胺化，合成了新型的以甲氧基为给体(D)、酰胺基为受体(A)的D-π-A型的香豆素类衍生物(4, Scheme 1)，其结构经1H NMR，13C NMR， HR-MS(ESI)和元素分析表征。

通过上述一系列反应，不仅增大了香豆素荧光团的共轭体系，而且构建了以香豆素为骨架的D-π-A型双光子荧光团。我们针对性分析了它在不同极性溶剂的紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱和双光子荧光光谱，并对它的有效双光子吸收截面进行了计算，充分证明了4具有溶致变色效应和双光子吸收性质，并且可以发射双光子诱导荧光，这将为新型双光子吸收材料的设计提供理论依据。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

YRT-3型熔点仪;Agilent 8453 型紫外-可见分光光度计；Hitachi FL-7000型荧光光谱仪；Bruker AV 400-MHz型核磁共振仪(DMSO-d6为溶剂，TMS 为内标)；Waters Q-TOF Premier型质谱仪；Vario EL-III型元素分析仪；钛宝石激光器(Coherent Mira 900 F，脉冲140 fs，频率80 MHz)。

1～3按照文献[5]方法自制;氢氧化钠，盐酸，丙炔胺，1-羟基并三唑(HOBT)，碳化二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)和二异丙基乙胺(DIPEA)，阿拉丁试剂有限公司；其余所用试剂均为分析纯。

1.24的合成[20]

在三颈圆底烧瓶中加入30.320 g(1 mmol)， HOBT 0.203 g(1.5 mmol)和EDC·HCl 0.211 g(1.1 mmol)， N2保护下，注入无水DMF 10 mL，加入无水DMF稀释的DIPEA 0.496 mL(3 mmol)和炔丙胺 0.192 mL(3 mmol)，搅拌下于室温反应24 h。加入大量水和盐酸，用CH2Cl2萃取，依次用1 mol·L-1NaHCO3水溶液洗涤，无水MgSO4干燥，减压蒸除溶剂，残余物经硅胶柱层析(洗脱剂:石油醚 ∶二氯甲烷=2 ∶1,V/V)纯化得淡黄色固体40.139 g，收率39%, m.p.118.5～121.3 ℃;1H NMRδ: 8.93(t,J=5.5 Hz, 1H, NH), 8.89(s, 1H, ArH), 8.01(d,J=8.1 Hz, 1H, ArH), 7.65(s, 1H, ArH), 7.57(d,J=8.7 Hz, 3H, ArH), 7.03(d,J=8.8 Hz, 2H, ArH), 4.13(d,J=3.2 Hz, 2H, CH2), 3.82(s, 3H, CH3), 3.18(t,J=2.2 Hz, 1H, CH);13C NMRδ: 160.92, 160.18, 159.95, 153.85, 147.02, 133.38, 130.51, 128.11, 127.73, 118.65, 118.32, 118.11, 114.55, 113.28, 94.14, 87.22, 80.65, 73.23, 55.35, 38.72; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C22H15NO4{[M+H]+}358.102 9, found 358.104 9; Anal. calcd for C22H15NO4: C 73.94, H 4.23, N 3.92, found C 73.96, H 4.22, N 3.95。

1.3 性能测试

以DMF为溶剂，配制浓度为2×10-3mol·L-14母液。测试浓度为1.0×10-5mol·L-1，所用样品池为1.0×1.0 cm石英比色皿，测试溶剂经除水处理。荧光发射光谱的狭缝宽度为2.5×2.5 nm，测试电压为500 V，测试温度为20～25 ℃。4双光子荧光光谱的测试以760 nm的飞秒激光为激发光源，入射能量为0.5 W，测试浓度为1×10-3mol·L-1。

2 结果与讨论

2.1 溶剂效应

首先，我们测试了4在不同溶剂(甲苯，氯仿，乙酸乙酯，四氢呋喃，二氯甲烷，乙醇，甲醇，N,N-二甲基甲酰胺，乙腈和二甲亚砜)中的紫外-可见吸收光谱(图1)和荧光发射光谱(图2)。从图1可以看出，4在不同极性溶剂中紫外吸收峰位于370～380 nm，吸收峰位移不明显，溶液呈淡黄色。然而，从图2可以看出，一方面，4的荧光发射峰随溶剂极性的增加而发生红移，其中，在极性较弱的氯仿、乙酸乙酯及四氢呋喃等溶剂中4的荧光发射峰在473 nm左右，发射较强的蓝色荧光；而在强极性的甲醇和N,N-二甲基甲酰胺等溶剂中，荧光发射峰在520 nm左右，发射较弱的黄色荧光。在强极性溶剂中荧光发射峰相对于弱极性溶剂中发生了大约47 nm的红移，该现象称为溶剂效应或溶致变色效应，主要是因为分子的激发态偶极矩比基态大，溶剂极性的增大将会增加溶质分子和溶剂子之间的偶极-偶极作用力，导致激发态的能量降低，使光谱发生红移[21]；另一方面，从总体上来说，4在弱极性溶剂甲苯、氯仿、乙酸乙酯、四氢呋喃和二氯甲烷中具有较强的荧光发射峰，其荧光发射峰相对强度为670～1 260，而在强极性溶剂乙醇、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙腈和二甲亚砜中，其荧光发射峰相对强度较小，为0～130。本实验中4在极性最弱的溶剂甲苯中的荧光发射强度是在极性最强溶剂二甲亚砜中的40倍左右。

λ/nm图1 4在不同溶剂中的紫外-可见吸收谱图Figure 1 UV-Vis absorption spectra of 4 in different solvents

λ/nm图2 4在不同溶剂中的荧光发射光谱Figure 2 Fluorescence emission spectra of 4 in different solvents

为了进一步证明4的溶致变色效应，我们选取了两种互溶溶剂，强极性溶剂乙腈和相对弱极性溶剂二氯甲烷，测试了4在不同比例乙腈与二氯甲烷混合溶剂中的紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱，结果分别见图3和图4。

由图3可见，随着乙腈体积分数逐渐增大，4的紫外吸收峰发生明显蓝移，纯二氯甲烷中最大紫外吸收峰位于377 nm，纯乙腈中紫外吸收峰位于370 nm，随着乙腈体积分数的增加逐渐产生了7 nm的蓝移。

从图4可知，随着乙腈体积分数逐渐增大，荧光发射峰逐渐发生红移。在纯二氯甲烷中，荧光发射峰位于489 nm处，而在纯乙腈溶剂中，其荧光发射峰在519 nm处，发生了30 nm的红移。此外，随着乙腈体积百分比的增加，其荧光发射强度也逐渐减弱，在纯二氯甲烷中的单光子荧光发射强度是在纯乙腈中的5倍左右。这些现象与4在不同溶剂中的现象是一致的，进一步证明了4具有溶致变色效应。

λ/nm图3 4在不同体积分数的乙腈-二氯甲烷溶剂中的紫外-可见吸收光谱图Figure 3 UV-Vis absorption spectra of 4 in CH3CN-CH2Cl2 with different volume percents

λ/nm图 4 4在不同体积分数的乙腈-二氯甲烷溶剂中的荧光发射光谱图Figure 4 Fluorescence emission spectra of 4 in CH3CN-CH2Cl2 mixed solvents with different volume percents

另外，我们还比较了起始原料1和目标化合物4在乙酸乙酯中的紫外可见吸收光谱和荧光发射光谱。如图5所示，1的紫外吸收峰位于332 nm，而4的紫外吸收峰位于371 nm处，4相对于1发生了39 nm的红移；另一方面，可以看出，1在乙酸乙酯中荧光发射强度接近0，几乎不发射荧光，而4的荧光发射峰的相对强度在1 000以上，荧光发射峰的相对强度远远大于1。该实验结果证明了我们通过结构设计，不但增大香豆素荧光团的共轭体系，而且有效构建了以香豆素为骨架的D-π-A型生色团，4与1相比，紫外可见吸收峰不仅发生明显红移，荧光发射强度也大幅度增强，赋予了它可能的双光子诱导荧光性能。

λ/nm图5 1和4在乙酸乙酯中的紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱图Figure 5 UV-Vis absorption and fluorescence emission spectra of 1 and 4 in ethyl acetate

2.2 双光子荧光光谱及有效双光子吸收截面

以760 nm的飞秒激光为激发光源，当入射能量0.5 W时，测试了浓度为1×10-3mol·L-1时4的双光子荧光性质，结果见图6。从图6可以看出，4具有双光子荧光性能，4在溶剂乙酸乙酯、氯仿和甲苯中的双光子荧光光谱的最大波长分别位于506， 506和492 nm。和单光子荧光峰相比，双光子荧光峰分别发生了约32， 34和45 nm的红移，这是由浓溶液的重吸收造成的[22]。

4的有效双光子吸收截面采用参比法测定[23]，所用标准物质是pH=11的荧光素的氢氧化钠水溶液。在测试中，所有溶液的浓度均为1×10-3mol·L-1，荧光素的荧光量子产率为0.95，其不同波长双光子吸收截面值可查文献[24]。根据计算获得4在激发光波长范围在680～880 nm，入射能量为0.5 W时，乙酸乙酯、氯仿和甲苯溶液中的有效双光子吸收截面值，由数据作图见图7所示。4在760 nm飞秒激光的激发下，具有最大的有效双光子吸收截面，分别为222.57 GM(乙酸乙酯)，168.98 GM(甲苯)和 211.77 GM(氯仿)。为了进一步验证4在乙酸乙酯，氯仿和甲苯产生的荧光来自于样品的双光子吸收效应，以氯仿为例，波长设定为800 nm，通过改变入射激光的能量(0.3～0.8 W)，测试了氯仿为溶剂的4在不同入射光强度下的双光子荧光光谱，结果发现荧光输出能量(Iout)和输入能量(Iin)之间有很好的平方关系(图7插图所示，斜率为1.999 3)，充分说明了4具有双光子吸收性质，并可以发射双光子诱导荧光。

λ/nm图6 4在甲苯(PhMe)，乙酸乙酯(EA)和氯仿(CHCl3)中的单(S)和双光子(T)荧光发射光谱图Figure 6 One-photon/two-photon fluorescence emission spectra of 4 in toluene,ethyl acetate and chloroform

λ/nm图 7 4在乙酸乙酯、甲苯和氯仿中的有效双光子吸收截面[插图：4的荧光输出能量(Iout)和输入能量(Iin)的平方关系]Figure 7 Two-photon excitation action cross sections of 4 />in toluene,ethyl acetate and chloroform[The inset figure shows the square relationship of TPEF output intensity(Iout)and input laser power(Iin)]

以7-碘代香豆素-3-甲酸乙酯为原料通过Sonogashira偶联、酯水解和酰胺化反应合成了新型香豆素类衍生物(4)，并对其结构进行了表征。通过结构设计，不仅增大了香豆素荧光团的共轭体系，而且有效构建了以香豆素为骨架的D-π-A型双光子荧光团。研究结果表明：4随着溶剂极性的逐渐增加，4的荧光发射峰会随之发生红移，荧光强度随之降低。并通过测试4在不同体积百分比乙腈和二氯甲烷混合溶剂的紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱，进一步证实了4具有明显的溶致变色效应。通过对目标化合物4在甲苯，氯仿，乙酸乙酯溶剂中双光子荧光光谱测试和有效双光子吸收截面的计算，充分说明了4具有双光子吸收性质，并可以发射双光子诱导荧光，是一个性质优良的香豆素基双光子吸收材料。

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SynthesisandOpticalPropertiesofANewTwo-photonFluorescentCoumarinDerivative

FANG Guo-shun, LIU Chuang, XUE Zhen-yong, FENG Yan*
(School of Chemistry and Chemical Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China)

A new coumarin derivative, 7-(4-methoxyphenylethynyl)coumarin-3-N-propargyl formamide(4), was synthesized by Sonogashira couple reaction, ester hydrolysis and amidation reaction using 7-iodide-coumarin-3-ethyl formate as the raw material. The structure was characterized by1H NMR,13C NMR, HR-MS(ESI) and elemental analysis. UV-Vis absorption spectra, single photon fluorescence spectra and two-photon fluorescence spectra were investigated. The results showed that the polarity of the solvent had a significant effect on the optical properties of4, and4had the obvious solvatochromic effects. Moreover,4had the large two-photon excitation action cross sections(222.57 GM in ethyl acetate, 168.98 GM in toluene and 211.77 GM in chloroform) and can emit strong two-photon-induced fluorescence.

7-iodide-coumarin-3-ethyl formate; coumarin derivative; synthesis; solvatochromic effect; two-photon fluorescence

2017-03-20;

2017-08-04

2015年安徽高校自然科学研究项目重点项目(KJ2015A047)； 2016年度安徽省自然科学基金(1608085MB39)

方国顺(1991-)，男，汉族，江西鄱阳人，硕士研究生，主要从事光学材料的合成及性能的研究。 E-mail: Royalfang@126.com

冯燕，副教授， Tel. 0551-63861467, E-mail: fy70@163.com

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O625.15

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.11.17061