一种水溶性花青素染料的合成及光学性能

王旭梅，孙 琦，王东华，马小平，宋新建

(湖北民族大学 化学与环境工程学院，湖北 恩施 445000)

花青素又称花青素苷，是广泛存在于植物体内的一种天然色素，它不仅赋予植物根、茎、叶、花、果实等器官五彩缤纷的颜色[1-6]，而且还可以提高植株繁殖后代和抵御不良环境的能力.到目前为止，在27个科和72个属的被子植物中均发现有花青素的存在[7-9].图1所示的结构为花青素的基本结构单元，它是一类以黄酮核为母体的化合物，主要由两个苯环和一个含氧杂环构成.该类化合物在食品着色、医药、化妆品等方面已得到广泛应用，尤其是作为荧光染料用于荧光探针方面[10-11].2015年，Yuan[12]和Wang[13]课题组发现优化之后的花青素类物质有荧光发射红移的性质，但对于其结构和光学特性之间的关系仍一直是个待解决的难题.2017年，Yuan课题组[14]对花青素结构进行相关的DFT计算，结果显示A环的7-位和C环的4′-位属于电子分布的连接点.因此，改变这两个位置的取代基理论上应可以显著影响花青素的荧光性质.另外，当B环的4-位未被取代时易受亲核试剂进攻而发生加成反应，从而导致其结构不稳定.

图1 花青素结构Fig.1 The structure of anthocyan

基于对花青素结构与其性质关系的分析，本文对花青素的结构进行优化，以期改善花青素结构的稳定性和荧光性能.在缺电子的4-位引入一个(2-羧基)苯基以阻止该位置发生亲核加成反应从而增加分子的稳定性，并向A环的7-位和C环的4′-位分别引入供电子基二乙氨基和二(羧甲基)氨基以改善荧光性能和水溶性，采用简单的三步反应合成了目标化合物Ⅵ合成路线如图2所示.

图2 目标化合物Ⅵ的合成路线Fig.2 The synthetic procedure of the title compound Ⅵ

1 实验部分

1.1 实验仪器和试剂

瓦里安Unity Inova-600型超导核磁共振仪(TMS为内标，DMSO-d6或CD3OD为溶剂)；X4型显微熔点测定仪；安捷伦6230 TOF质谱仪；赛默飞世尔Nicolet iS5傅里叶变换红外光谱仪；岛津RF-6000型荧光分光光度计.所用药品若无特殊说明均为分析纯或化学纯试剂，且用前未经进一步处理.

1.2 化合物Ⅲ的合成

于100 mL圆底烧瓶中依次加入对氨基苯乙酮(Ⅰ)1.00 g(7.4 mmol)、溴乙酸乙酯(Ⅱ)4.94 g(29.6 mmol)和二异丙基乙胺4.20 g(32.6 mmol)，在140 ℃条件下回流4 h，反应结束后冷却至室温，倒入到50 mL体积比为1∶1的乙酸乙酯与正己烷混合溶剂，依次用10%柠檬酸水溶液、饱和碳酸氢钠水溶液和饱和食盐水洗涤，并用无水硫酸镁干燥，用柱层析法分离提纯，得黄色固体Ⅲ，产率为83%.

1.3 化合物Ⅳ的合成

向100 mL圆底烧瓶中加入化合物Ⅲ 0.50 g(1.63 mmol)、20% NaOH溶液10 mL和10 mL无水乙醇，常温搅拌16 h，薄层色谱监控至反应结束.反应完后，减压抽滤得粗产物.用蒸馏水溶解粗产物，稀盐酸调节pH至大量固体析出，抽滤，固体用乙醇重结晶，得化合物Ⅳ0.35 g，产率为87%.

1.4 目标化合物Ⅵ的合成

向100 mL圆底烧瓶中加入化合物Ⅴ(4-二乙氨基酮酸)0.31 g(1 mmol)和化合物Ⅳ0.25 g(1 mmol)，再加入10 mL甲烷磺酸，通氩气保护，90 ℃下反应4 h后，冷却至室温，用二氯甲烷萃取，减压蒸去溶剂，用体积比为20∶1的二氯甲烷与甲醇淋洗液进行柱层析分离，得紫色固体即为产物Ⅵ，产率15%.

1.5 化合物的表征

1) 核磁共振波谱操作过程：分别取约15 mg化合物Ⅲ和Ⅳ溶于500 μL DMSO-d6、约15 mg产物Ⅵ溶于500 μL CD3OD中，再将样品溶液转移至核磁管中，放入磁体，设置参数后开始测样，得到测试图谱.

2) 红外光谱操作过程：用干燥的溴化钾(KBr)做背景，将化合物Ⅳ与KBr以1∶120的比例混合研磨后压成薄片，将压好的样品放入红外光谱仪中进行测样.

3) 高分辨质谱：将产物Ⅵ溶于甲醇配置成浓度约为10-6mol/L的溶液，然后将其转移至样品瓶中，再放入质谱仪中进行测试，得出数据.

4) 光谱性质检测：取1.6 mg产物Ⅵ溶于302 μL的二甲基亚砜(DMSO)中，从中分别取5 μL用8种不同溶剂稀释至500 μL，制得10-4mol/L的溶液，最后稀释至10-5mol/L的溶液进行光谱测定.摩尔吸光系数(ε)通过朗伯-比尔定律计算可得；量子产率(Φ)的计算依据下列公式进行计算：

Φx=Φs(AsFx/AxFs).

式中，Φx表示样品的量子产率，Φs表示标准样品罗丹明B的量子产率，Fx和Fs分别表示待测样品和标准样品的积分荧光强度，As和Ax分别表示标准样品和待测物在相同条件下所测得的吸光度值，且As和Ax数值小于0.05.

2 结果与分析

2.1 合成方法

对目标分子通过逆合成分析法探讨合成路线和合成方法，如图3所示，首先产物Ⅵ可通过a处断裂开环可得化合物Ⅳ和化合物Ⅴ，这两种化合物在甲烷磺酸的条件下可以进行关环；化合物Ⅳ可由相应的酯(Ⅲ)在碱性条件下水解得到；化合物Ⅲ可由溴乙酸乙酯(Ⅱ)和对氨基苯乙酮(Ⅰ)在碱性条件下通过亲核取代反应得到.

图3 逆合成分析法的分析过程Fig.3 Analysis process of inverse synthesis analysis

通过对花青素结构进行修饰得到了一种新的花青素类荧光染料，且向分子中引入多个羧基官能团，可在一定程度上提高其水溶性，这为设计水溶性荧光染料奠定了基础.

2.2 结构表征

2.2.1 核磁共振波谱及高分辨质谱表征 中间体及最终产物经核磁共振及高分辨质谱表征，化合物Ⅲ、Ⅳ及产物Ⅵ的熔点、核磁共振波谱及高分辨质谱数据表征如下.

化合物Ⅲ：熔点为53～54 ℃.1H NMR (400 MHz,DMSO-d6):δ7.79 (d,J=9.0 Hz,2H),6.63 (d,J=9.0 Hz,2H),4.31 (s,4H),4.13 (q,J=7.1 Hz,4H),2.44 (s,3H),1.20 (s,6H).13C NMR (100 MHz,DMSO-d6):195.53,169.77,151.48,130.05,126.26,110.09,60.59,52.48,26.00,14.04.

化合物Ⅳ：熔点大于 300 ℃.1H NMR (400 MHz,DMSO-d6):δ7.79 (d,J=8.4 Hz,2H),6.49 (d,J=8.5 Hz,2H),4.06 (s,4H),2.43 (s,3H).13C NMR (100 MHz,DMSO-d6):195.49,173.41,150.88,130.20,125.60,110.28,57.14,25.97.

产物Ⅵ：熔点大于300 ℃.1H NMR (400 MHz,CD3OD):δ8.07 (d,J=8.8 Hz,2H),8.00 (s,1H),7.70～7.59 (m,2H),7.58 (s,1H),7.44～7.34 (m,2H),7.09 (d,J=7.5 Hz,2H),6.76 (d,J=8.8 Hz,2H),3.64 (dd,J=7.1 Hz,4H),1.98 (s,4H),1.29 (t,J=7.0 Hz,6H).13C NMR (100 MHz,CD3OD):168.64,164.70,159.60,157.84,156.02,139.97,136.08,132.53,131.06,131.02,130.83,130.18,117.39,116.60,116.16,115.62,110.06,101.41,97.20,46.51,21.11,12.76.HR-MS (ESI-TOF) calcd for C30H29N2O7+[M]+:529.196 9,found:529.195 5.

产物Ⅵ的核磁共振氢谱和碳谱图如图4、图5所示.

图4 产物Ⅵ的1H NMR谱图Fig.4 1H NMR spectrum of product Ⅵ

图5 产物Ⅵ的13C NMR谱图Fig.5 13C NMR spectrum of product Ⅵ

2.2.2 红外表征 图6为产物Ⅵ的红外光谱图.谱图中，1 720 cm-1位置的中强峰为羧基中羰基(C=O)的伸缩振动吸收峰；3 430

图6 产物Ⅵ的红外光谱 图7 产物Ⅵ在不同溶剂中的紫外可见吸收光谱图(a)和荧光光谱图(b)Fig.6 IR spectrum of product

cm-1为羧基中羟基(O-H)的伸缩振动吸收峰；1 080 cm-1为芳环中C-O的伸缩振动吸收峰，与该化合物的结构相符.

2.3 光谱性质

对目标化合物Ⅵ(10 μmol/L)在不同溶剂中测定其光物理性质，并计算出该物质在不同溶剂中的摩尔吸光系数及量子产率，结果列于表1.紫外可见吸收光谱图和荧光光谱图如图7所示，由图7(a)可知，该荧光染料的可见吸收峰的位置在590～600 nm，处于橙光区域，发射波长在633～666 nm，处于红光区域(图7(b)).该化合物在二氯甲烷溶剂中量子产率最高，可达0.81，纯水中该物质也有较强荧光，荧光量子产率为0.25，说明该物质水溶性较好.从光物理性质实验结果可知，经过优化后的该花青素结构表现出较好的荧光性能，具有良好的应用前景.

表1 产物Ⅵ的摩尔吸光系数(ε)和量子产率(Φ)Tab.1 The molar absorption coefficient (ε) and quantum yield (Φ) of product Ⅵ

3 结论

使用价廉易得的化学试剂为原料，通过简单的三步反应合成了一种新的水溶性花青素类荧光染料，其结构经核磁共振氢谱、碳谱、红外光谱和质谱等手段予以表征.并对其在不同溶剂中的紫外可见吸收光谱和荧光光谱进行了检测，从结果可看出该花青素荧光染料的量子产率较高，且荧光发射波长处于红光区，可作为一种性能良好的水溶性荧光染料.