基于二芳硫醚中间体的硫罗丹明合成

邓 霏，李佳丽，刘思思

基于二芳硫醚中间体的硫罗丹明合成

*邓 霏1,2，李佳丽1，刘思思1

（1. 井冈山大学化学化工学院，江西，吉安 343009； 2. 江西省配位化学重点实验室 应用化学研究所，江西，吉安 343009）

本实验以间碘苯胺为起始原料，通过合成二芳硫醚中间体并进一步与苯甲醛反应缩合得到硫罗丹明，总产率达53%。其结构经1H NMR和13C NMR进行表征，并测定了硫罗丹明的激发和发射光谱，为硫罗丹明的荧光成像应用奠定了基础。

二芳硫醚；硫罗丹明；荧光染料；波长

荧光成像能够实时和高灵敏度地在生物体中识别生物分子，是生命科学研究中不可或缺的重要工具[1-2]。该技术的实现和发展离不开发光性能优异的荧光染料。目前，应用得最为广泛的是具有氧杂蒽结构的罗丹明类化合物[3-4]。以罗丹明B为例，其水溶液的最大吸收和发射波长分别为553、572 nm[5]。随着荧光成像应用范围从细胞水平向组织乃至活体水平发展，传统罗丹明的发光范围不能满足成像深度的需求[6]。因此，通过结构修饰使罗丹明的发光波长红移是目前染料研究的重点[7-8]。

有研究发现，将罗丹明10号位的氧原子替换为硫原子能够得到了最大吸收和发射波长红移约20 nm的硫罗丹明[9]。目前已报道的硫罗丹明合成路线由Detty课题组提出，其关键在于合成硫杂蒽酮中间体，如图式1所示，以-二乙基对二甲氨基苯甲酰胺为起始原料，叔丁基锂与苯环3号位的活泼氢交换形成锂盐，后与二芳基二硫醚反应引入桥连硫原子，进一步通过二异丙基胺基锂处理环化生成硫杂蒽酮。得到的硫杂蒽酮中间体与芳基格式试剂反应引入底环，最终得到硫罗丹明。上述合成路线中，各步骤的反应产率分别为51 %，13 %和71 %，此外每一步反应都涉及金属有机试剂的使用，反应条件苛刻，因此大大限制了硫罗丹明的应用[10-11]。针对以上问题，我们研究了一种直接将二芳硫醚中间体与苯甲醛缩合构建硫罗丹明的新方法。

图式1 已报道的硫罗丹明合成路线图

Scheme 1 Synthetic routes to prepare S-rhodamine in previous reports.

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

间碘苯胺、氰基硼氢化钠、九水硫化钠、碘化亚铜、苯甲醛、对甲苯磺酸钠一水合物、四氯苯醌、氘代氯仿从伊诺凯科技有限公司购买（分析纯），甲醛水溶液（37%）、乙腈、冰醋酸、-二甲基甲酰胺、乙醚、二氯甲烷、石油醚、乙酸乙酯、甲醇从国药集团公司购买（化学纯），以上试剂未经纯化直接使用[12-14]。

AVANCE Ⅲ HD 400核磁共振波谱仪（Bruker）、LS-55荧光光谱仪（Perkin Elmer）。

1.2 硫罗丹明SRho的合成及产物表征

化合物1：根据文献报道方法合成[15]。将间碘苯胺（1.04 g, 4.7 mmol）溶于20 mL乙腈中，加入37%甲醛溶液（4 mL, 145.2 mmol）、氰基硼氢化钠（0.95 g, 15.2 mmol）和冰醋酸（0.5 mL, 8.7 mmol）后室温搅拌3 h，之后补加冰醋酸（0.5 mL，8.7 mmol）继续室温搅拌0.5 h。停止反应后加入75 mL乙醚，1 M KOH溶液洗涤（2×20 mL），收集有机相，碳酸钾干燥后旋去溶剂，得化合物1（1.12 g, 96%）。1H NMR (400 MHz, CDCl3)7.07 – 7.00 (m, 2H), 6.93 (t,= 8.3 Hz, 1H), 6.70 – 6.61 (m, 1H), 2.93 (s, 6H).

化合物2：反应瓶中依次加入化合物1（247.0 mg，1.0 mmol），九水硫化钠（144.0 mg， 0.6 mmol），碘化亚铜（19.0 mg，0.1 mmol），碳酸钾（138.0 mg，1.0 mmol）和-二甲基甲酰胺（2 mL）。氮气保护下120℃反应18 h，冷却降至室温，加入50 mL乙酸乙酯，经水洗（2×25 mL）、饱和食盐水洗（25 mL）后收集有机相，无水MgSO4干燥后减压蒸馏除去溶剂得到粗产物，经硅胶柱层析分离得到化合物2（103.0 mg, 76%）。1H NMR (400 MHz, CDCl3)7.14 (t,= 8.0 Hz, 2H), 6.81 – 6.72 (m, 2H), 6.69 (d,= 7.6 Hz, 2H), 6.59 (dd,= 8.4, 2.5 Hz, 2H), 2.90 (s, 12H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)151.04, 136.44, 129.56, 119.05, 114.79, 111.20, 40.50.

化合物SRho：厚壁耐压管中依次加入化合物2（54.5 mg, 0.2 mmol），苯甲醛（106.0 mg, 1.0 mmol），对甲苯磺酸一水合物（38.0 mg, 0.2 mmol），140℃下反应5 h。降至室温后加入四氯苯醌（49.2 mg，0.2 mmol）和5 mL甲醇，室温搅拌3 h后减压蒸馏除去溶剂得到粗产物，经硅胶柱层析分离得到化合物SRho（56.8 mg, 72%）。1H NMR (400 MHz, CDCl3)7.59 (dd,= 5.0, 1.7 Hz, 3H), 7.37 (dd,= 6.1, 3.5 Hz, 4H), 7.31 – 7.27 (m, 2H), 6.93 (dd,= 9.7, 2.6 Hz, 2H), 3.34 (s, 12H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)159.72, 153.38, 144.79, 136.35, 135.62, 129.48, 129.18, 128.76, 119.15, 115.26, 106.23, 40.97.

1.3 硫罗丹明SRho的荧光激发和发射光谱测定

将SRho用二甲基亚砜配制成2 mM浓度的母液，取所需体积母液至PBS缓冲溶液（pH = 7.4）中稀释成5 μM浓度，测定荧光激发和发射光谱。其中激发光谱固定发射波长为630 nm，发射光谱固定激发波长为520 nm。

2 实验结果与讨论

2.1 硫罗丹明SRho的合成

在合成硫罗丹明SRho的过程中（图式2），首先研究了反应物——二芳硫醚的合成方法。经典的二芳硫醚合成方法：通过卤代芳烃与硫源化合物在过渡金属催化下形成C-S键[16-18]。基于这一原理，首先尝试通过-二甲基间溴苯胺与九水硫化钠在碘化亚铜的催化下合成二芳硫醚中间体，尽管将反应温度从120℃逐渐提高到180℃，仍不能检测到目标产物。进一步将硫源替换为硫氰化钾依旧不能生成二芳硫醚。推测可能是-二甲基间溴苯胺上间位的供电子基——二甲氨基不利于C-S键的生成，因此我们尝试用反应活性更高的碘代芳烃作为反应物。其中，-二甲基间碘苯胺以间碘苯胺为原料根据文献方法得到，产率96%。进一步，-二甲基间碘苯胺与九水硫化钠在碘化亚铜的催化下顺利得到了二芳硫醚中间体，产率达76%。

在顺利得到二芳硫醚中间体后，我们参考罗丹明的合成方法，将等当量的二芳硫醚与苯甲醛以丙酸为溶剂，在对甲苯磺酸一水合物的催化下加热反应[19]。将反应温度从80℃提高到150℃，仅能检测到微量的硫罗丹明产物。这一现象与已报道的硅罗丹明的合成现象类似，推测二芳硫醚的反应活性可能也较低，传统的罗丹明反应条件无法生成硫罗丹明。借鉴硅罗丹明和磷罗丹明的合成方法[20-21]，不加入溶剂，增加苯甲醛的比例至五当量，在厚壁耐压管下加热反应，增加分子间碰撞，成功得到了硫罗丹明SRho，产率高达72%。

图式2 基于二芳硫醚中间体的SRho的合成

Scheme 2 Synthesis of SRho through diaryl sulfides intermediate

2.2 硫罗丹明的荧光光谱

如图1所示，硫罗丹明SRho在PBS缓冲溶液（pH = 7.4）中的最大激发波长和最大发射波长分别为571、594 nm，与对应的罗丹明相比，最大激发和发射波长分别红移了19、20 nm[22]。这主要是由于这主要是由于硫原子较氧原子体积增大，使得分子HOMO-LUMO能隙差减小，氧化还原电位降低，从而导致激发和发射光谱红移[9]。

图1 SRho的荧光激发和发射光谱图

3 小结

本实验以间碘苯胺为起始原料，通过合成二芳硫醚中间体并进一步与苯甲醛反应缩合得到硫罗丹明SRho，其最大激发和发射波长分别为571、594 nm。结果表明，该合成方法具有反应条件简单、产率高的优势，为硫罗丹明在生物成像中的应用奠定了基础。

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SYNTHESIS OF S-RHODAMINES VIA DIARYL SULFIDES INTERMEDIATE

*DENG Fei1,2, LI Jia-li1, LIU Si-si1

（1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Ji’an, Jiangxi 343009, China; 2. The key Laboratory of Coordination Chemistry of Jiangxi Province, and Institute of Applied Chemistry, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China）

With 3-iodoaniline as the starting material, we have synthesized S-rhodamine through the condensation of diaryl sulfides intermediate and benzaldehydes. The overall yields of this synthetic route were 53%. The structures of these compouds were confirmed by1H NMR and13C NMR. Besides, the excitation and emission spectra of S-rhodamine were also determined. These results will benefit the application of S-rhodamine in fluorescence imaging.

diaryl sulfides; S-rhodamine; fluorescent dye; wavelength

TQ463

A

10.3669/j.issn.1674-8085.2021.05.006

1674-8085（2021）05-0024-04

2021-02-16；

2021-05-06

江西省自然科学基金项目（20202BABL213008）；江西省教育厅科技计划项目(GJJ190567）；井冈山大学博士科研启动项目(JZB1907)

*邓 霏(1991-)，男，江西吉安人，讲师，博士，主要从事荧光染料研究(E-mail：dengfei@jgsu.edu.cn)；

李佳丽(2000-)，女，内蒙古兴安盟人，井冈山大学化学化工学院化学工程与工艺专业2018级本科生(E-mail: 1449113394@qq.com)；

刘思思(1999-)，女，江西九江人，井冈山大学化学化工学院化学工程与工艺专业2018级本科生(E-mail：370467176@qq.com).