双酰胺类超长寿命室温磷光化合物及其制备方法和应用与流程

文档序号:17918093发布日期:2019-06-14 23:55
双酰胺类超长寿命室温磷光化合物及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种显影分子,尤其是涉及咔唑和二酰氯类化合物制备双酰胺类化合物的制备方法以及其在防伪、保密和生物影像中的应用。



背景技术:

超长寿命室温磷光材料由于其寿命超长等独特的性质,可以应用于有机发光二极管(OLED)、生物影像、化学传感器、光学和防伪技术等领域。例如,当应用于生物影像时,由于其具有长寿命的性质,在关掉紫外灯光照后仍然存在一定程度的余晖,可以消除对光照的需要并且避免纳秒级组织自荧光的干扰,得到信噪比高、更加清晰可信赖的生物成像。目前大多数超长寿命室温磷光材料主要局限于无机化合物或金属有机化合物,例如铂(Pt),金(Au),铱(Ir)等配位化合物,而这一类金属往往价格非常昂贵。纯有机室温磷光材料具有成本低,品种多,环境友好,良好的生物相容性,可观的稳定性和良好的加工性等诸多优点,可以广泛应用在光电和生物领域,逐渐替代无机或金属有机化合物受到研究者的青睐。

磷光是分子受到激发后,由三线态激发态辐射跃迁回基态所释放出一定波长的光,这一过程涉及到单线态激发态到三线态激发态的系间窜跃和三线态激发态到基态的辐射跃迁过程。然而三线态激发态很容易通过分子内振动转动和外部猝灭(如氧气和水分等)发生非辐射跃迁,难以实现有效的超长寿命室温磷光。为了克服这些障碍,通常会尝试两种方法:一种是通过引入重原子、杂环原子或芳香羰基等来促进旋转轨道耦合(SOC)作用,进而促进系间窜跃过程的进行;另一种方法是提供刚性介质来抑制非辐射跃迁进而稳定三线态激发态,从而促进室温磷光的产生,比如形成晶体,掺杂入聚合物薄膜中,嵌入刚性主体材料或形成金属-有机配位化合物(MOF)等。

尽管在过去几年中取得了令人兴奋的进步,构筑高效发光的超声寿命纯有机室温磷光材料仍然是一个挑战。首先,对于已经报道的寿命超过几百个毫秒的磷光体,其量子效率通常低于5%;另外,在复杂和变化的环境中稳定的室温磷光是很罕见的,这大大限制了其在数据记录、保密和生物成像等方面的应用。因此有必要开发一种高效且稳定的超长寿命纯有机室温磷光分子。



技术实现要素:

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种双酰胺类超长寿命室温磷光化合物及其制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:

双酰胺类超长寿命室温磷光化合物,具有式Ⅰ~Ⅳ所示的结构:

分别为DCED(Ⅰ)、o-PBCM(Ⅱ)、m-PBCM(Ⅲ)和p-PBCM(Ⅳ)四种化合物。

双酰胺类超长寿命室温磷光化合物的制备方法,采用以下步骤:

室温下,向烧瓶中加入氢化钠和用有机溶剂A溶解的咔唑溶液,搅拌约半小时后,逐滴滴加化合物B或者用有机溶剂A溶解的化合物C的溶液。在室温下反应过夜,硅胶层析板(TLC)监测反应进程。反应结束后加入蒸馏水终止反应,分离纯化,真空干燥,得到式Ⅰ~Ⅳ所示结构的化合物。

所述有机溶剂A为重蒸的四氢呋喃,所述化合物B为草酰氯或邻苯二甲酰氯,所述化合物C为间苯二甲酰氯或对苯二甲酰氯。

氢化钠、化合物B或C、咔唑之间的摩尔比为2~1.5:1.5~1.2:1。

制备得到的式Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ所示结构的化合物在乙醇中重结晶得到单晶,使用在乙醇溶液中重结晶的方法得到了DCED、o-PBCM和p-PBCM三种化合物的单晶。我们继续尝试了溶剂挥发、溶剂交换等方法培养m-PBCM,最终却没能得到能用做单晶X射线衍射的晶体,只得到了重结晶后的絮状物质:

的晶体空间群为C 2/c,晶胞参数为α=90°,β=120.804(8)°,γ=90°,Z=4。

的晶体空间群为Pbca,晶胞参数为α=β=γ=90°,Z=8。

的晶体空间群为P 21/c,晶胞参数为α=90°,β=108.880(1)°,γ=90°,Z=2。

制备得到的双酰胺类超长寿命室温磷光化合物可以在光学领域、防伪和保密领域以及生物影像领域中的应用。

与现有技术相比,本发明通过咔唑与酰氯的N酰基化反应制备,一步反应得到四种超长寿命纯有机室温磷光分子,合成步骤简单,后处理简便,得到了DCED(Ⅰ)、o-PBCM(Ⅱ)、m-PBCM(Ⅲ)和p-PBCM(Ⅳ)四种化合物。由于分子中的咔唑基团是一种高能级三线态的平面给电子体,可以促进系间窜越过程的进行;羰基具有一定的自旋耦合度,增强分子内的旋轨耦合作用;引入苯环以进一步增加π轨道成分,为提高T1态3(π,π*)成分提供可能。得到了一系列纯有机室温磷光分子,与以往报道的材料相比,具有高效且超长寿命的特点。实际的测试结果表明在室温下四种分子在365nm紫外光激发下都能产生明亮发光,其中m-PBCM的磷光寿命长达710.6ms,发光效率达到13.4%;其中DCED的磷光寿命为295.6ms,发光效率为7.9%;o-PBCM的磷光寿命为344.4ms,发光效率为23.6%;p-PBCM的磷光寿命为311.8ms,发光效率为22.0%。如此长的磷光寿命和高的量子效率,显示了一定的生物影像用途。

附图说明

图1为DCED、o-PBCM、m-PBCM和p-PBCM四种化合物在室温下的瞬时和延迟光谱,延迟时间为0.1ms。在归一化曲线中,A)代表DCED,B)代表o-PBCM,C)代表m-PBCM,D)代表p-PBCM。

图2为四种化合物的磷光衰减曲线,A)代表DCED,B)代表o-PBCM,C)代表m-PBCM,D)代表p-PBCM,它们的激发波长分别为340、370、346和370nm。

图3为制备得到的材料在防伪和保密中的应用。

其中图3A)代表防伪材料p-PBCM在紫外灯关灯前后的对比图;图3B)代表保密材料o-PBCM在紫外灯关灯前后的对比图。

图4为DCED、o-PBCM、m-PBCM和p-PBCM通过DLS测试的DCED、o-PBCM、m-PBCM和p-PBCM四种分子纳米颗粒的尺寸分布图以及它们的TEM图像,TEM图像的尺度为100nm。

图5为DCED、o-PBCM、m-PBCM和p-PBCM纳米颗粒在Milli-Q水中、PBS和胎牛血清(FBS)中的余晖发光图像。

图6为将m-PBCM和p-PBCM纳米粒子注射到小鼠皮下的体内余晖发光图像,6A)代表注射m-PBCM纳米粒子,6B)代表注射p-PBCM纳米粒子。

图7为前哨淋巴结的体内余晖成像。m-PBCM纳米颗粒通过注射方式注入小鼠前爪。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

双酰胺类超长寿命室温磷光化合物,具有式Ⅰ~Ⅳ所示的结构:

上述化合物分别为DCED(Ⅰ)、o-PBCM(Ⅱ)、m-PBCM(Ⅲ)和p-PBCM(Ⅳ)四种,采用以下方法制备得到:

室温下,向烧瓶中加入氢化钠和用重蒸的四氢呋喃溶剂溶解的咔唑溶液,搅拌约半小时后,逐滴滴加草酰氯或邻苯二甲酰氯,或者用重蒸的四氢呋喃溶剂溶解的间苯二甲酰氯或对苯二甲酰氯溶液,加入的氢化钠、草酰氯或邻苯二甲酰氯或间苯二甲酰氯或对苯二甲酰氯、咔唑之间的摩尔比为2~1.5:1.5~1.2:1。在室温下反应过夜,硅胶层析板(TLC)监测反应进程。反应结束后加入蒸馏水终止反应,分离纯化,真空干燥,得到上述式Ⅰ~Ⅳ所示结构的化合物。

上述制备得到的化合物中。式Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ所示结构的化合物在乙醇中重结晶得到单晶,使用在乙醇溶液中重结晶的方法得到了DCED、o-PBCM和p-PBCM三种化合物的单晶。继续尝试了溶剂挥发、溶剂交换等方法培养m-PBCM,最终却没能得到能用做单晶X射线衍射的晶体,只得到了重结晶后的絮状物质,各单晶结构如下:

的晶体空间群为C 2/c,晶胞参数为α=90°,β=120.804(8)°,γ=90°,Z=4。

的晶体空间群为Pbca,晶胞参数为α=β=γ=90°,Z=8。

的晶体空间群为P 21/c,晶胞参数为α=90°,β=108.880(1)°,γ=90°,Z=2。

以上制备得到的双酰胺类超长寿命室温磷光化合物可以在光学领域、防伪和保密领域以及生物影像领域中的应用。

以下是更加详细的实施案例,通过以下实施案例进一步说明本发明的技术方案以及所能够获得的技术效果。

实施例1:

化合物DCED的制备

在250ml两口圆底烧瓶中加入3.83g氢化钠(95.59mmol,60%分散在煤油中),将8g咔唑(47.84mmol)溶解在120ml重蒸四氢呋喃溶液中并加入烧瓶中,搅拌约半小时后,逐滴滴加6.07ml(71.77mmol)草酰氯试剂。在室温下反应过夜,硅胶层析板(TLC)监测反应进程。反应结束后在烧瓶中加入蒸馏水猝灭,用二氯甲烷/饱和食盐水萃取分液,有机层用无水硫酸钠干燥过夜,抽滤,旋蒸除去有机溶剂。粗产物用硅胶柱层析法分离提纯(淋洗剂体积比为DCM/PE=1:10~1:2),得到3.95g白色固体粉末,产率为45.25%。然后用乙醇溶液重结晶得到白色方块状晶体。

1H NMR(500MHz,CDCl3)δ8.85(d,J=10.0Hz,2H),8.05-7.98(dd,J=27.5,10Hz,4H),7.64-7.61(m,2H),7.56-7.53(m,2H),7.34-7.30(m,4H),7.18-7.15(m,2H).

13C NMR(125MHz,CDCl3)δ160.92,138.56,136.36,128.46,127.90,127.32,127.10,125.88,125.08,120.79,120.05,118.28,112.88.

HRMS(ESI)m/z:[M+H]+for[C26H17N2O2]+,理论值389.4340;实验值:389.1290。

实施例2:

化合物o-PBCM的制备

具体合成步骤与DCED合成步骤相似,在250ml两口圆底烧瓶中加入3.83g氢化钠(95.59mmol,60%分散在煤油中),将8g咔唑(47.84mmol)溶解在120ml重蒸四氢呋喃溶液中并加入烧瓶中,搅拌约半小时后,逐滴滴加10.54mL(98%,71.77mmol)的邻苯二甲酰氯试剂。在室温下反应过夜,硅胶层析板(TLC)监测反应进程。反应结束后在烧瓶中加入蒸馏水猝灭,用二氯甲烷/饱和食盐水萃取分液,有机层用无水硫酸钠干燥过夜,抽滤,旋蒸除去有机溶剂。粗产物用硅胶柱层析法分离提纯(淋洗剂体积比为DCM/PE=1:10~1:2),得到6.28g淡乳黄色固体粉末,产率为56.53%。用乙醇重结晶得到白色针状晶体。

1H NMR(500MHz,CDCl3)δ7.98(d,J=10.0Hz,4H),7.67-7.63(m,4H),7.56-7.55(d,J=5.0Hz,4H),7.37-7.34(m,4H),7.31-7.28(m,4H).

13C NMR(125MHz,CDCl3)δ168.14,138.93,137.05,131.36,129.25,127.09,126.49,123.97,119.90,116.18.

HRMS(ESI)m/z:[M+Na]+for[C32H20N2NaO2]+理论值:487.5138;实验值:487.1421。

实施例3:

化合物m-PBCM的制备

在500ml两口圆底烧瓶中加入2.39g氢化钠(59.80mmol,60%分散在煤油中),将5g咔唑(29.90mmol)溶解在120ml重蒸四氢呋喃溶液中并加入烧瓶中,搅拌约半小时后,将9.11g(44.85mmol)间苯二甲酰氯溶解在70ml重蒸四氢呋喃溶液中并逐滴滴加进反应体系。在室温下反应过夜,硅胶层析板(TLC)监测反应进程。反应结束后在烧瓶中加入蒸馏水猝灭,用二氯甲烷/饱和食盐水萃取分液,有机层用无水硫酸钠干燥过夜,抽滤,旋蒸除去有机溶剂。粗产物用硅胶柱层析法分离提纯(淋洗剂体积比为DCM/PE=1:10~1:2),得到2.45g白色固体粉末,产率为35.25%。然后用乙醇溶液重结晶得到白色絮状物。

1H NMR(500MHz,CDCl3)δ8.12(s,1H),8.01-7.99(m,4H),7.97(d,J=5.0Hz,2H),7.69(t,J=5.0Hz,1H),7.59-7.57(m,4H),7.38-7.34(m,8H).

13C NMR(125MHz,CDCl3)δ168.25,139.01,136.96,132.62,129.69,127.04,126.35,123.96,120.14,115.89.

HRMS(ESI)m/z:[M+H]+for[C32H21N2O2]+理论值:465.5320;实验值:465.1597。

实施例4:

化合物p-PBCM的制备

与m-PBCM合成步骤相似,在500ml两口圆底烧瓶中加入2.39g氢化钠(59.80mmol,60%分散在煤油中),将5g咔唑(29.90mmol)溶解在120ml重蒸四氢呋喃溶液中并加入烧瓶中,搅拌约半小时后,将9.11g(44.85mmol)对苯二甲酰氯溶解在70ml重蒸四氢呋喃溶液中并逐滴滴加进反应体系。在室温下反应过夜,硅胶层析板(TLC)监测反应进程。反应结束后在烧瓶中加入蒸馏水猝灭,用二氯甲烷/饱和食盐水萃取分液,有机层用无水硫酸钠干燥过夜,抽滤,旋蒸除去有机溶剂。粗产物用硅胶柱层析法分离提纯(淋洗剂体积比为DCM/PE=1:10~1:2),得到5.31g淡乳黄色粉末,产率为76.55%。在乙醇溶液中重结晶得到白色细针状晶体。

1H NMR(500MHz,CDCl3)δ8.04-8.02(dd,J=7.5,5Hz,4H),7.89(s,4H),7.61-7.59(dd,J=5,5Hz,4H),7.41-7.37(m,8H).

13C NMR(125MHz,CDCl3)δ168.61,139.26,139.04,129.69,127.14,126.45,124.08,120.19,116.01.

HRMS(ESI)m/z:[M+H]+for[C32H21N2O2]+理论值:465.5320;实验值:465.1601。

实施例5:

化合物m-PBCM的制备

在500ml两口圆底烧瓶中加入2.15g氢化钠(53.75mmol,60%分散在煤油中),将5g咔唑(29.90mmol)溶解在120ml重蒸四氢呋喃溶液中并加入烧瓶中,搅拌约半小时后,将7.89g(38.86mmol)间苯二甲酰氯溶解在70ml重蒸四氢呋喃溶液中并逐滴滴加进反应体系。在室温下反应过夜,硅胶层析板(TLC)监测反应进程。反应结束后在烧瓶中加入蒸馏水猝灭,用二氯甲烷/饱和食盐水萃取分液,有机层用无水硫酸钠干燥过夜,抽滤,旋蒸除去有机溶剂。粗产物用硅胶柱层析法分离提纯,然后用乙醇溶液重结晶得到白色絮状物。

1H NMR(500MHz,CDCl3)δ8.12(s,1H),8.01-7.99(m,4H),7.97(d,J=5.0Hz,2H),7.69(t,J=5.0Hz,1H),7.59-7.57(m,4H),7.38-7.34(m,8H).

13C NMR(125MHz,CDCl3)δ168.25,139.01,136.96,132.62,129.69,127.04,126.35,123.96,120.14,115.89.

HRMS(ESI)m/z:[M+H]+for[C32H21N2O2]+理论值:465.5320;实验值:465.1597。

实施例6:

化合物p-PBCM的制备

与m-PBCM合成步骤相似,在500ml两口圆底烧瓶中加入1.79g氢化钠(44.75mmol,60%分散在煤油中),将5g咔唑(29.90mmol)溶解在120ml重蒸四氢呋喃溶液中并加入烧瓶中,搅拌约半小时后,将7.59g(37.39mmol)对苯二甲酰氯溶解在70ml重蒸四氢呋喃溶液中并逐滴滴加进反应体系。在室温下反应过夜,硅胶层析板(TLC)监测反应进程。反应结束后在烧瓶中加入蒸馏水猝灭,用二氯甲烷/饱和食盐水萃取分液,有机层用无水硫酸钠干燥过夜,抽滤,旋蒸除去有机溶剂。粗产物用硅胶柱层析法分离提纯(淋洗剂体积比为DCM/PE=1:10~1:2),在乙醇溶液中重结晶得到白色细针状晶体。

1H NMR(500MHz,CDCl3)δ8.04-8.02(dd,J=7.5,5Hz,4H),7.89(s,4H),7.61-7.59(dd,J=5,5Hz,4H),7.41-7.37(m,8H).

13C NMR(125MHz,CDCl3)δ168.61,139.26,139.04,129.69,127.14,126.45,124.08,120.19,116.01.

HRMS(ESI)m/z:[M+H]+for[C32H21N2O2]+理论值:465.5320;实验值:465.1601。

图1为DCED、o-PBCM、m-PBCM和p-PBCM四种化合物的瞬时和延迟光谱。从图中可以看出,DCED峰值在398nm处,伴随着425、485和529nm处出现三个较为明显的肩膀峰;m-PBCM的最大发射峰位出现在425nm处,在398、433和485处伴随肩膀峰;而o-PBCM和p-PBCM的发射光谱相似,最大发射峰位均为485nm。在延迟0.1ms之后,原来的发射主峰位消失,对应529、572和623nm处出现新的发射峰位,把其归属为磷光的发射,这些发射峰位也与其黄色余晖相对应。图2代表DCED、o-PBCM、m-PBCM和p-PBCM四种化合物的磷光衰减曲线,激发波长分别为340、370、346和370nm。

实施例7:

防伪应用

制备得到的双酰胺类超长寿命室温磷光化合物可以在防伪领域中的应用,本实施例中,如图3中的图3A)所示,将p-PBCM作为防伪墨水在无自发光的黑色背景塑料纸上印出交通大学校徽的图形,在365nm紫外灯光照下,可以清楚的看到蓝绿色的荧光发光(图中左侧颜色较深的部分)。在关掉紫外灯的瞬间,发光颜色马上由蓝绿色变为明亮的黄色(图中右侧颜色较浅的部分),并且在肉眼观测下可以看到持续几秒的余晖。这种紫外灯激发下的荧光发光,移去激发光源后的颜色转变(即磷光发光),以及持续的磷光余晖,这三种连续且不同的现象均可作为防伪的应用依据,与以往的单响应性材料相比更具有多重防伪效果。

实施例8:

信息保密应用

制备得到的双酰胺类超长寿命室温磷光化合物可以在保密领域应用。如图3中的图3B)所示。用重结晶和已制备的o-PBCM在黑色背景下摆出“8888”这一串数字,摆放方式如下图3B)所示,所用材料为o-PBCM在不同聚集状态在的固体,图片下部所用为o-PBCM的单晶,图片上部剩余部分所用为o-PBCM已制备状态的粉末,激发波长为365nm。数字型保密图案在365nm紫外灯光照下呈现出8888数字串的信息,但是在关闭紫外灯光照后,黄色的“PHOS”(phosphorescence简写)字母清晰且明亮的呈现在我们眼前,可以把这种现象归属为晶态o-PBCM和已制备o-PBCM两种不同状态下的磷光发光性质不同,在紫外灯关灯前后可以传达出不同的信息,可以应用在保密领域中。图案也不局限于“8888”字符串,也可以摆成其他样式,至少包含有两种不同发光性质的材料。

实施例9:

生物影像和淋巴肿瘤成像应用

制备得到的双酰胺类超长寿命室温磷光化合物可以在生物影像领域中的应用。在3mL脂质PEG2000(10mg)水溶液中,加入1mg重结晶后的DCED、o-PBCM、m-PBCM或p-PBCM。然后用装有微探针的探针超声仪(Branson,S-250D)对混合物进行超声处理10分钟,所得悬浮液通过0.45μm注射器驱动过滤器过滤,得到其纳米粒子溶液。如图4描述,动态光散射数据显示,DCED、o-PBCM、m-PBCM和p-PBCM纳米粒子的粒径分别为154、132、126和125nm,透射电镜所观察到的结果证明了所有纳米粒子均有球形形态。

将四种纳米粒子分别悬浮于超纯水、PBS和血清中。用365nm手提紫外灯照射30s,然后立即用IVIS设备的生物自发光模式采集图像(无激发程序)。图5说明在接近体内环境的介质体系中m-PBCM、p-PBCM纳米粒子比o-PBCM、DCED具有更强的磷光信号,这一结果意味着我们可以尝试进行生物体内成像应用。

接下来分别将m-PBCM和p-PBCM纳米粒子溶液注射到裸鼠的右背部,将小鼠置于IVIS仪器中,然后将其暴露于365nm手持紫外灯下30s,在停止光激发后立即在生物发光模式下获取图像。图6是活小鼠皮肤下的m-PBCM和p-PBCM纳米粒子的磷光图像,6A)代表注射m-PBCM纳米粒子,6B)代表注射p-PBCM纳米粒子。我们能够观察到来自两个纳米粒子的清晰且唯一的磷光信号,并且此信号不受任何小鼠背景荧光的干扰。图6中的余晖图像,m-PBCM和p-PBCM纳米粒子的信噪比分别高达428和187。

将m-PBCM纳米粒子注射到裸鼠前爪。给药后1小时,用365nm手持式紫外灯照射小鼠30s,随后在生物发光模式下进行图像采集。如图7所示,m-PBCM纳米粒子的超长寿命室温磷光可以清楚地显示腋下淋巴结。这些结果表明具有高强的室温磷光特征的m-PBCM纳米粒子可以作为有效的余晖造影剂,以优异的灵敏度和信噪比精确照亮腋下淋巴结。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

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