基于ESIPT机理香豆素荧光化合物的合成和光学性质

许 磊, 姜静静, 陈 宇, 李龙春

(安徽农业大学 理学院 应用化学系，安徽 合肥 230036)

具有香豆素荧光团的化合物，是一种内酯类化合物，既广泛存在于自然界中，也是一类重要的药用天然活性产物[1-2]。由于香豆素类化合物具有荧光量子产率高、结构易于修饰和生物相容性好等优点，近年来被广泛地应用于荧光化学传感器等领域[3-5]。其作为荧光传感器可以实现对金属离子、生物活性物质、细胞微环境等的识别与检测[6-9]。目前，关于荧光化合物的发光机理研究主要有光诱导电子转移(Photoinduced Electron Transfer, PET)、分子内电荷转移(Intramolecular Charge Transfer, ICT)、荧光共振能量转移(FÖrster Resonance Energy Tranfer, FRET)、激发态分子内质子转移(Excited-State Intramolecular Proton Tranfer, ESIPT)等机理[10-13]。

ESIPT是指分子在受到光、热、电等作用激发后，由于分子内氢键存在，其激发态分子内产生质子转移的光物理化学过程[14]。相比于其他光学过程，ESIPT过程具有响应速度快、光稳定性好、高的荧光量子产率和双波长比率检测等优点[14-16]。

Scheme 1

以3-碘苯酚(1)为起始原料，与多聚甲醛发生甲酰化反应得到4-碘-2-羟基苯甲醛(2)；在碱性催化剂存在下，2与丙二酸二乙酯发生Knoevenagel缩合反应，生成7-碘代香豆素甲酸乙酯(3)；在Pd(PPh3)2Cl2催化下，3与4-甲氧基苯乙炔发生Sonogashira偶联反应生成7-(对甲氧基苯乙炔基)香豆素-3-甲酸乙酯(4)；4最后经过NaBH4还原得到7-(甲氧基苯乙炔基)香豆素-3-甲醇(5)(Scheme 1)，其结构经1H NMR，13C NMR和MS(ESI)表征确认。针对化合物5，我们分析了其在不同溶剂中的紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱，并在1,4-二氧六环溶剂中对其进行了双光子验证和有效双光子吸收截面实验。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

SPECORD S600型紫外-可见分光光度计；Hitachi F-7000型荧光分光光度计；Bruker 400 Ultra-shield 400-MHz型核磁共振仪(TMS为内标)；Angilent-600 MHz型核磁共振仪(TMS为内标)；Finnigan LCQ 型质谱仪。

所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

(1)2的合成[17]

N2保护下，称取110.0 g(45.3 mmol)溶解于150 mL乙腈中，冰浴下，分4～6次加入12.8 g(134.4 mmol)无水MgCl2和25 mL三乙胺，最后分5～6次加入多聚甲醛5.5 g(636.3 mmol)，冰浴反应30 min后，80 ℃下继续反应8 h后关掉氮气，继续反应过夜(TLC检测)。加入大量水，用CH2Cl2萃取，盐酸调pH至中性，无水Na2SO4干燥，减压蒸除溶剂，残余物经硅胶柱层析[洗脱剂：V(乙酸乙酯)/V(石油醚)=1/100]纯化得白色固体27.5 g，收率67%;1H NMRδ: 11.02(s, 1H, OH), 9.85(s, 1H, CHO), 7.43(d,J=1.4 Hz, 1H, ArH), 7.39(dd,J=8.1 Hz, 1.5 Hz, 1H, ArH), 7.23(d,J=8.1 Hz, 1H, ArH);13C NMRδ: 196.10, 161.29, 134.20, 129.41, 127.25, 119.94, 105.17。

(2)3的合成[18]

称取27.5 g(30.2 mmol)溶解于100 mL无水乙醇中，加入7.0 mL丙二酸二乙酯，0.5 mL冰醋酸，1 mL哌啶，搅拌回流5 h，抽滤得白色固体。固体经硅胶柱层析[洗脱剂：V(乙酸乙酯)/V(石油醚)=1/30]纯化得白色固体36.9 g，收率66%;1H NMRδ: 8.46(s,1H, ArH), 7.76(s, 1H, ArH), 7.68(d,J=8.9 Hz, 1H, ArH), 7.30(d,J=8.2 Hz, 1H, ArH), 4.41(q,J=7.1 Hz, 2H, CH2), 1.41(t,J=7.4 Hz, 3H, CH3);13C NMRδ: 162.75, 155.86, 154.79, 147.98, 134.23, 130.10, 126.07, 118.77, 117.24, 100.94, 62.17, 14.23。

(3)4的合成[19]

N2保护下，分别称取33.43 g(10.0 mmol)，对甲氧基苯乙炔1.59 g(12.0 mmol)，碘化亚铜39.0 mg(0.2 mmol)和Pd(PPh3)2Cl27.2 mg(0.1 mmol)，溶解于三乙胺1.21 mL(11.9 mmol)和适量THF中，室温反应4 h(TLC检测)。抽滤，真空干燥24 h，得到黄色固体41.7 g，收率50%；1H NMRδ: 8.49(s, 1H, CH), 7.56～7.54(m, 2H, ArH), 7.50(d,J=8.7 Hz, 2H, ArH), 7.43(d,J=9.1 Hz, 1H, ArH), 6.90(d,J=8.8 Hz, 2H, ArH), 4.43(q,J=7.1 Hz, 2H, CH2), 3.84(s, 3H, OCH3), 1.41(t,J=7.1 Hz, 3H, CH3),13C NMRδ: 163.04, 160.45, 156.57, 155.03, 147.95, 133.54, 130.13, 129.27, 127.84, 118.97, 117.83, 117.30, 114.22, 114.11, 95.16, 87.08, 77.35, 62.04, 55.39, 14.25。

(4)5的合成

称取41.7 g(4.8 mmol)和溶解于16.0 mL 无水THF中，65 ℃下，分批加入NaBH40.94 g(25 mmol)，反应15 min后，逐滴加入16 mL无水CH3OH，回流反应12 h(TLC检测)。减压蒸除反应溶剂，加入大量水，用CH2Cl2萃取，盐酸调pH至中性，抽滤，真空干燥24 h，得到白色固体50.62 g，收率42%；1H NMRδ: 9.54(s, 1H, CH), 7.46(d,J=8.7 Hz, 2H, ArH), 7.07(d,J=7.6 Hz, 1H, ArH), 6.97(d,J=8.8 Hz, 2H, ArH), 6.89～6.87(m, 2H, ArH), 4.40(s, 2H, CH2), 3.79(s, 3H, CH3);13C NMRδ: 159.83, 155.71, 133.26, 131.47, 128.80, 122.40, 121.15, 117.64, 114.81, 88.71, 61.60, 55.70, 43.98, 28.71; MS(ESI)m/z: Calcd for C19H14O4{[M+H]+} 307.0926, found 307.0912。

1.3 性能

以DMSO为溶剂，配置1×10-3mol· L-1化合物5母液。测试浓度为2.5×10-6mol· L-1，所用样品池为1.0×1.0 cm石英比色皿。荧光发射光谱的激发波长为290 nm，测试狭缝为2.5×2.5 nm，测试电压为400 V，温度为20～25 ℃。

2 结果与讨论

2.1 溶剂效应

首先测试了化合物5在不同的溶剂中(1,4-二氧六环、乙醇、甲基异丙基酮、二氯甲烷、甲苯、异丙醇、甲醇和水)紫外-可见吸收光谱(图1)和荧光发射谱(图2)。从图1可以看出，5在不同极性溶剂中的紫外吸收峰位于290 nm，吸收峰位移不明显。同时，从图2看出，化合物5在甲苯、1,4-二氧六环、甲基异丙基酮和二氯甲烷非质子

/nm

极性溶剂中有两个荧光发射峰，分别位于330 nm和410 nm，而在乙醇、异丙醇、甲醇和水质子极性溶剂中只有一个330 nm的荧光发射峰。

2.2 化合物5的双光子性质

双光子验证是在化合物最佳激发波长下通过改变激发光强度，测得其在不同功率激发光下(功率 0.3～0.8 W，间隔0.1 W进行测定)的双光子诱导荧光强度进行验证。化合物5在1,4-二氧六环中的双光子验证如图3所示。由图3可知，化合物5在1,4-二氧六环中发射荧光能量(Iout)和激发光能量(Iin)之间有很好的平方关系(斜率为2.14183)，这一结果说明化合物5在上述1,4-二氧六环中通过双光子吸收激发后能发射双光子荧光。

2.3 化合物5的光物理循环过程

根据图2，可以看出化合物5在非质子极性溶剂(甲苯、1,4-二氧六环、甲基异丙基酮和二氯甲烷)中有两个荧光发射峰，分别位于330 nm和410 nm左右，但在质子极性溶剂(乙醇、异丙醇、甲醇和水)中只有一个330 nm左右的荧光发射峰，这是典型具有ESIPT发光机理的化合物的荧光发射谱图特征，同时，可以用来构建比率计量型荧光探针。基于上述实验结果，根据ESIPT机理，我们推测出5可能的ESIPT过程如图4所示。在基态时，5存在烯醇式(T)和酮式(N)两种异构体，其中T较为稳定。T受到290 nm的光激发时，激发态的烯醇(T*)通过ESIPT过程迅速转变为激发态的酮式(N*)互变异构体，N*衰减到基态N时，发射出410 nm的荧光。其余未经历ESIPT过程的T*衰减到基态T时则发射出330 nm 的荧光。

以3-碘苯酚为原料通过甲酰化反应、Knoevenagel缩合反应、Sonogashira偶联和还原反应合成了以香豆素为母体的荧光化合物5，并对其结构进行了表征。通过对化合物5的光学性质测试，结果表明：其具有双光子性质，有效双光子吸收截面比较大(125 GM)，可以满足双光子显影的要求。同时，其能形成分子内六元环氢键结构，存在T和N两种异构体，从而使其具有ESIPT发光能力。