溴乙基取代镓(III)咔咯的合成及荧光性质研究

李仕成，方玉琦，郭峻彤，周静怡，王灿彬，尹 伟,2，刘炉英,2，史 蕾,2*

(1.广东第二师范学院 化学系，广东 广州 510303；2.广东省普通高校先进材料与节能减排工程技术开发中心，广东 广州 510303)

咔咯(Corrole)是一种新型的合成大环化合物，它的结构和卟啉化合物很是相似，都是有18-π共轭电子的骨架结构，咔咯化合物的5、10、15位被称为meso位；2、3、7、8、12、13、17、18被称为β位，meso位和β位容易引入取代基而生成不同的衍生物，可以进一步设计和合成很多具备不同功能和效果的新型化合物。咔咯相对于卟啉少一个碳原子，直接导致咔咯的对称性下降，咔咯分子内腔减小，在失去氢后，因为有着更大的电荷密度，可以与高价的金属离子生成更为稳定的结合[1]。因为咔咯金属配合物在可见光区间有特殊的吸收带和发射带[2-3]、独特的18-π共轭电子的骨架结构、并且在多种化学反应中表现出特有的催化性能[4-6]和光物理性能[7-10]，因此多年来，咔咯的化学研究热度不断增加，使其活跃在催化化学、药物化学、生物化学等领域，它无限的潜能吸引着许多科学家为之着迷。

因为咔咯化合物的合成方法比卟啉晚了快30年，所以咔咯的金属配合物相比于卟啉的金属配合物少得多，但是经过这些年研究人员的努力，咔咯类的化合物也是越来越多。在密度泛函理论(DFT)计算表明咔咯可以完美的和金属镓进行配位形成镓咔咯配合物后，越来越多的研究人员将目光转向了对咔咯镓配合物的研究。因为有较高的荧光强度和S1-S0荧光量子产率、独特的光谱性能[11]，因此其在荧光探针方面有比较显著的应用前景。例如陆俊[12]等人研究表明ct-DNA和阳离子型镓咔咯配合物在通过相互外部结合方式的作用下具有切断DNA双螺旋结构的能力。黄俊腾[13]等人研究表明水溶性的磺酸基咔咯金属镓配合物在光催化断裂DNA双链方面有明显的作用。苯甲酸甲酯镓在有效的光照下具有对超螺旋质粒DNA进行切割的能力[14]。阴离子型的磺酸咔咯镓配合物与蛋白质加合得到的加合物应用在肿瘤细胞的检测和清除方面有明显作用[15-16]。β-乙烯基-咔咯镓的D-A衍生物能够作为氰化物的比色探针[17]。乙氧羰基咔咯镓在穿透生物细胞膜上表现出快速性和光毒性，作为理想光敏剂有着无限可能[18-19]。

图1 化合物的合成路线

一方面当咔咯的β位连接不同推、拉电子取代基团如-CCl3、-Cl等取代基时，其咔咯配合物的性能会受到很大的影响[20-21]，其电子吸收光谱和电化学性质会随取代基的不同而发生一定的改变[22]。另一方面在抗肿瘤药氮芥类生物烷化剂中，其烷基化部分(二氯乙氨基)是抗肿瘤活性的功能基，不同的化学修饰对其性能的影响不同。因此综合以上，本文通过咔咯(P-OH, 1)与金属盐对咔咯环内腔进行镓配位得到(P-OH-Ga, 2)，对(2)进行二溴乙烷化学修饰得到了新颖10-(4-溴乙基苯基)-5,15-二(2,3,4,5,6-五氟苯基)咔咯镓配合物(P-E-Ga, 3)，用UV-vis、1H-NMR和HR-MS对以上三种化合物进行表征。通过探究稳态吸收光谱和稳态荧光光谱，研究他们的光物理性能和荧光量子产率和磷光量子产率。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

AVANCE Digital 400 MHz傅里叶变换核磁共振波谱仪；岛津RF-5301PC型荧光分光光度计；岛津UV-Vis 2450型紫外可见分光光度计；Burker Agilent 1290厂商Burker(德国)型号Agilent1290/maXis impact型超高压液相色谱—高分辨质谱联用仪。

正己烷(Hex)、二氯甲烷(DCM)、吡咯、五氟苯甲醛、4-羟基苯甲醛、液溴、三氟乙酸(TFA)、三乙胺、2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌(DDQ)、吡啶、氯化钠(NaCl)、氯化镓(GaCl3)、二溴乙烷(EDB)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、甲醇(CH3OH)、无水碳酸钾均为分析纯。实验用水为蒸馏水。

1.2 合成

1.2.1 (P-OH, 1)的合成[23]

在250 mL圆底烧瓶中加入0.7252 g(1.00 mmol)五氟苯基二吡咯烷烃、80 mL二氯甲烷、0.0604 g(0.50 mmol)对羟基苯甲醛，固体溶解后加入40 μL三氟乙酸，避光室温反应4.5h。然后加入80 μL三乙胺中和三氟乙酸，反应至白烟散去，加入80 mL二氯甲烷稀释反应体系，加入0.36 g(1.60 mmol)2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌继续室温下反应1h。对产物进行硅胶柱层析法提纯，湿法装柱，二氯甲烷为洗脱剂，除去剩余2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌，得粗产品。重新装柱，用2∶1(DCM∶Hex)为洗脱剂，除去剩余杂质，减压蒸馏得紫色目标产物(1)，产率约为16%。

1.2.2 (P-OH-Ga, 2)的合成[24]

在50 mL圆底烧瓶中加入10 mL除水吡啶溶液、25 mg(1)、0.2550 g大过量干燥氯化镓，120 ℃硅油浴下回流氮气保护反应2 h。减压蒸馏除去未反应的吡啶溶液得粗产物，对产物进行硅胶柱层析法提纯，湿法装柱，2∶1∶0.5(DCM∶Hex∶CH3OH)为洗脱剂，除去剩余杂质，减压蒸馏得血红色目标产物(2)，产率约为85%。

1.2.3 (P-E-Ga, 3)的合成

在150mL圆底烧瓶中加入30 mg(2)和25mLDMF溶液，加入20mL过量的EDB，以K2CO3为催化剂，硅油浴加热160℃回流反应4 h。将粗产品用DCM溶解后，倒入分液漏斗中，加入饱和NaCl溶液萃取三次，除去过量的K2CO3。对产物进行硅胶柱层析法提纯，湿法装柱，2∶1(DCM∶Hex)为洗脱剂，除去剩余杂质，减压蒸馏得紫黑色目标产物(3)，产率约为54%。UV-Vis(CH2Cl2) λmax:421,532,573,602nm； HR-MS(ESI)m/z: Calcd forC50H20N5O2SF10NaMn{[M+Na]+}976.3010, found 976.0082。

1.3 稳态吸收光谱和稳态荧光光谱的测定

用电子分析天平分别称取参照物四苯基卟啉(TPP)和样品(1)、(2)、(3)，将其分别先在烧杯中溶解于DCM，然后定容于2 mL容量瓶，使其作为母液浓度均为1.25 mmol/L。再用微量注射器取出母液稀释到浓度为2.5 μmol/L作为稀释液。取稀释液到1 mm厚石英比色皿中，在UV-Vis光谱仪上分别测定各溶液的紫外可见吸收光谱。同理，在稳态荧光光谱仪上分别测定各溶液的稳态荧光光谱，416nm为激发波长，200～800nm为记录波长。实验数据在室温下获得。

1.4 氧化断裂DNA测定

加入不同浓度(3)到含有0.1 μg pBR322 DNA中，然后加入过氧化氢溶液(200 mmol·L-1)作为氧化剂，再加入Tris-HCl作为缓冲溶液(5 mmol·L-1Tris-HCl, 18 mmol·L-1NaCl, 2% DMF，pH值=7.2)，均保证总体积为10 μL。避光静置反应2 h，琼脂糖凝胶电泳2 h(77 V, 30 mA)后，放入EB溶液中染色15 min，水冲洗后放入凝胶成像系统中成像。

2 结果与讨论

2.1 稳态吸收光谱

图2为TPP和三种咔咯样品在DCM中的紫外-可见吸收光谱图，由图可知：①在相同浓度情况下，TPP的Soret带吸光度均比三种咔咯样品的大，吸光度大小为TPP>P-E-Ga>P-OH-Ga>P-OH；然而在Q带，三种化合物的吸光度明显高于TPP，顺序为P-E-Ga>P-OH-Ga>P-OH>TPP，表明咔咯类化合物在可见光区比卟啉类化合物具有更强的吸收。②咔咯镓配合物P-OH-Ga与P-E-Ga相比，具有相似的吸收光谱，且P-E-Ga的吸光度在波长范围400～550nm之间略大于P-OH-Ga，说明二溴乙烷的引入虽然对P-OH-Ga电子能级结构没有太大的影响，但在一定波长范围内增加了化合物的吸光度。③自由咔咯P-OH与咔咯镓配合物相比，吸光度均有增加，S带的特征吸收峰更加窄而尖，Q带的特征吸收峰强度也均有增加，在可见光区的吸收增长。

图2 TPP和咔咯样品在DCM(2.5 μmol/L)中的UV-Vis谱图

2.2 稳态荧光光谱

图3为在DCM溶液中，TPP和三种咔咯样品在416 nm激发波长下的荧光发射光谱，依图得出：①浓度相同、500～800 nm情况下，三种咔咯样品的最大荧光强度均比TPP的大，荧光强度大小为(2)>(3)>(1)>TPP，含镓的化合物相比于无镓的化合物荧光强度略有增强，原因可能是因为金属镓的进入，直接提高了整个化合物的平面性，影响了环内π电子迁移，因而引起荧光强度的增加。②在此条件下，(1)的最强荧光发射峰在660 nm附近，而(2)、(3)的最强荧光发射峰在620nm附近，这表明金属镓的引入，不同轨道间的能量差距大小被改变，所以使得最大荧光发射波长发生蓝移。③对于两种镓配合物，二溴乙烷基团的引入对荧光强度没有明显的影响。接着，为了能够直观定量说明吸收和发射性质对三种咔咯样品荧光量子产率大小的影响，采用下列公式对三种样品的荧光量子产率进行了计算[25]

图3 在416nm激发波长下TPP和咔咯样品的荧光光谱

Yu=Ys×(As/Au)×(Fu/Fs)

参照物为TPP(Ys=0.00242[26])，先通过公式计算得S1态的荧光量子产率，然后根据S1态的荧光量子产率计算T1态的磷光量子产率(ΦT1=1-Yu)[27]。三种样品的荧光量子产率和磷光量子产率计算结果列于表 1。

表1 三种化合物的荧光量子产率和磷光量子产率

由上表可知：①咔咯与金属镓形成配合物后，化合物的荧光量子产率有明显提高，荧光量子产率大小为(2)>(3)>(1)。可能是因为金属镓的引入，使得环内质子氢消失，环内空间位阻减小甚至消失，导致咔咯的平面性增强，在一定情况下增强辐射跃迁几率，所以化合物的荧光量子产率增加[28]。②对于两种镓配合物，二溴乙烷基团的引入并没有使得化合物荧光量子产率增加，但提高了T1态的磷光量子产率。这可能是由于溴原子具有重原子效应，能够增大单线态到三重态的ISC过程，使得荧光强度相对较弱，磷光强度相对较强。

3 结论

通过UV-Vis，1H-NMR、MS对所得化合物进行表征，可以确定合成的化合物为目标化合物。将浓度均为2.5×10-6mol/L的参照物四苯基卟啉TPP与三种咔咯样品(1)、(2)、(3)进行稳态吸收光谱和稳态荧光光谱的对比。最终得出：浓度相同情况下，金属镓的引入可以提高化合物的荧光强度、吸收强度和荧光量子产率，进一步为荧光探针的设计和研发提供了新的思路。而引入二溴乙烷后，虽对化合物的吸收强度和荧光强度没有太大的影响，但增强了化合物的ISC过程，提高了T1态的磷光量子产率。这对于发展一类新型的性质优良的光敏剂是不可或缺的。