新型多羧酸衍生物的合成、线路优化与荧光性质*

尉祎雯，冯凯茵，赵天赐，郑 蕾，成 昭

(西安医学院 药学院，陕西 西安 710021)

20世纪80年代初，钱永健教授课题组对二(β-氨基乙基)乙二醇醚-N,N,N′,N′-四乙酸(Ethylene Glycol Tetraacetic Acid，EGTA)配体进行结构修饰，以苯环取代EGTA结构中N、O之间桥连的2个亚甲基，合成得到了一系列新型配体1,2-二(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N′,N′-四乙酸[1,2-bis(2-aminophenoxy)ethane-N,N,N′,N′-tetraacetic acid，BAPTA][1-3](见图1)及其衍生物，并在BAPTA配体结构上进一步连接荧光基团，相继得到了一系列对金属离子表现特征识别性能的小分子BAPTA受体荧光探针。

作为金属离子配体，EGTA与BAPTA的4条羧酸链能够形成空间环状结构，当环的空腔尺寸与目标离子匹配时[4-5]，即可发生EGTA、BAPTA与目标离子的配位与识别作用。此外，作为一种苯环上连接四羧酸结构的给电子受体，BAPTA型受体对离子的识别作用，受到其苯环电子云密度的影响[6-7]。钱永健教授在进行BAPTA受体的结构设计时，还通过改变BAPTA苯环上的取代基，引入吸电子、给电子取代基，改变苯环电子云密度，进而调节BAPTA受体与离子结合能力的强弱。在Biochemistry发表的代表性工作中[1]，钱永健教授课题组首次在BAPTA苯环中分别引入给电子取代基—CH3和吸电子取代基—Br，并测定发现，以—CH3取代BAPTA苯环上的—H，可使BAPTA对金属离子的结合强度增加4个log单位，而—Br对上述—H的取代，则使BAPTA对金属离子的结合强度降低1.2个log单位。

作者设计合成BAPTA衍生物2-[2-(5-甲基-2-氨基苯氧基)乙氧基]-4-苯并咪唑基苯胺-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(S12)时，亦在BAPTA苯环引入4′—CH3，期望增加BAPTA受体部分电子云的密度、调节其配位性能。作为最小的烷基与给电子取代基，甲基的引入不会造成较大空间位阻，且几乎不影响四羧酸环状结构、不影响受体结合底物的选择性与作用方式[8]。在BAPTA经典合成方法的基础上，进行其中几步反应的合成条件优化，提高了产物收率与反应的选择性，并进一步研究了目标产物S12的紫外、荧光性质。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

邻硝基酚、5-甲基-2-硝基苯酚、1-溴-2-氯乙烷、溴乙酸甲酯、二异丙基乙胺、邻苯二胺、无水碳酸钾、还原铁粉：国药集团化学试剂有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、乙腈、甲醇、无水乙醇、乙酸乙酯、石油醚：天津市天力化学试剂有限公司；以上试剂均为化学纯。

显微熔点仪：XT-4，北京泰克科技有限公司；傅里叶变换红外光谱仪：TENSOR T-27，超导核磁共振波谱仪：AVANCE Ⅲ 400MHz，飞行时间-质联仪：microTOF-QⅡ ESI-Q-TOF LC/MS/MS，美国Bruker公司；紫外分光光度计：UV-1700，日本SHIMADZU制作所；荧光分光光度计：LS-55，美国PerkinElmer公司。

1.2 实验方法

以邻硝基酚、5-甲基-2-硝基苯酚、1-溴-2-氯乙烷、溴乙酸甲酯、邻苯二胺等为原料，经6步合成得到一种BAPTA型荧光探针S12，合成路线见图2。

图2 化合物S12的合成路线

1.2.1 2-(2-氯乙氧基)-硝基苯(化合物1)的合成

1.2.2 4-甲基-2-[2-(2-硝基苯氧基)乙氧基]硝基苯(化合物2)的合成

1.2.3 4-甲基-2-[2-(2-氨基苯氧基)乙氧基]苯胺(化合物3)的合成

1.2.4 4-甲基-2-[2-(2-氨基苯氧基)乙氧基]苯胺-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(化合物4)的合成

1.2.5 2-[2-(5-甲基-2-氨基苯氧基)乙氧基]-4-甲酰基苯胺-N,N,N′,N′-四乙酸甲酯(化合物5)的合成

1.2.6 S12的合成

1.3 结构表征

IR：采用溴化钾压片法对各步合成产物进行IR测试，波数为4 000～400 cm-1。

1H NMR：以四甲基硅为内标、CDCl3为溶剂，对各步合成产物分别进行400 MHz的1H NMR测试。

荧光分析：出射与入射狭缝宽度均为1 nm，波长为200～500 nm。

2 结果与讨论

2.1 表征结果

合成中间产物的结构经IR与1H NMR测定，表征数据均与预期结构相符。另由探针S12的1H NMR、IR与MS等表征数据可知，探针S12结构正确，经合成引入的官能团羰基、醚键等均呈现其特征吸收，特征氢位移均能由1H NMR进行归属，符合实验预期结构设计，可以进行进一步的光学性质研究。

2.2 2-(2-氯乙氧基)-硝基苯(化合物1)的合成路线优化

文献报道2-(2-氯乙氧基)-硝基苯的合成方法[6]，多使用1,2-二溴乙烷、原料邻硝基酚的钾盐或钠盐作为反应物(见图3)[9]，但1,2-二溴乙烷中2个溴原子的选择性不强，除生成目标产物2-(2-氯乙氧基)-硝基苯(见图3化合物a)，反应常伴随着生成2分子邻硝基酚偶联的副产物b，致使产率降低、副产物难于分离。

图3 2-(2-氯乙氧基)-硝基苯的经典合成路线

为避免副产物b的生成，选择了具有反应活性差异的不对称试剂1-溴-2-氯乙烷，替代对称试剂1,2-二溴乙烷，—Br与—Cl的反应活性差异提供了更高的反应位点选择性，目标产物2-(2-氯乙氧基)-硝基苯(化合物1)的合成与后续—Cl发生取代反应、得到4-甲基-2-[2-(2-硝基苯氧基)乙氧基]硝基苯(化合物2)的反应收率均高于95%，且产物后处理简单，实现了对2-(2-氯乙氧基)-硝基苯(化合物1)(见图4)与后续产物4-甲基-2-[2-(2-硝基苯氧基)乙氧基]硝基苯(化合物2)合成路线的极大优化。

图4 2-(2-氯乙氧基)-硝基苯的优化合成路线

2.3 4-甲基-2-[2-(2-氨基苯氧基)乙氧基]苯胺(化合物3)的合成方法优化

4-甲基-2-[2-(2-氨基苯氧基)乙氧基]苯胺(化合物3)的合成中，以平行实验筛选合成方法、优化实验方案，反应物4-甲基-2-[2-(2-硝基苯氧基)乙氧基]硝基苯(化合物2)的加入量均控制为3.18 g、0.01 mol，溶剂均为无水乙醇，各方法及其产物收率见表1。

A法[10-11]先进行反应物与铁粉的混合、再加入盐酸，因铁粉未完全活化，致使产率较低。C法[12]中加入盐酸进行铁粉活化、但过量盐酸产生了过多铁粉的消耗，产率仍不理想。以醋酸作为反应引发介质的B法[13]，因醋酸的酸性较弱、速率较慢，反应效果受限。D法合成路径中，进行铁粉充分活化与反应物分批投料，优化合成条件、提高产率，先进行少量盐酸与铁粉的混合、微热(将少量盐酸加入铁粉中，加热下搅拌反应15～30 min)，使铁粉表面充分活化，再于30 min内分批加入反应物，使铁粉与分批次加入的反应物充分接触、充分反应，实现了产物收率的大幅提高。

表1 铁粉还原反应的条件筛选

2.4 探针S12的荧光激发与发射光谱

在200～500 nm进行浓度为1×10-5mol/L探针S12溶液的紫外-可见与荧光光谱扫描[14-15]，见图5。

λ/nma 紫外-可见光谱

λ/nmb 荧光激发与发射光谱图5 S12的紫外-可见光谱和荧光激发与发射光谱

由图5a可知，S12的最大吸收波长位于314 nm。由图5b可知，S12荧光激发与发射光谱呈现良好的荧光强度与镜像对称关系[16-17](λex=313 nm，λem=397 nm)，呈现较大的斯托克位移，为84 nm。图5aS12紫外-可见光谱吸收峰314 nm与图5b荧光激发光谱的峰值波长λex=313 nm基本保持一致，光学性质稳定。

3 结 论

基于BAPTA配体的经典合成路线，在BAPTA苯环引入4′—CH3，合成得到一种BAPTA衍生物S12。给电子基—CH3的引入，增加了BAPTA受体部分电子云的密度，光谱研究显示，BAPTA衍生物S12，其紫外-可见与荧光光谱出现最大吸收与发射波长向长波方向的红移。此外，进行BAPTA经典合成路径中关键反应步骤的条件优化，有效提高了产物收率与反应的选择性，且产物后处理简单，提高了多步合成路线整体的原子利用率，为实现合成路径的绿色化迈进了一步。