一类基于罗丹明的近红外荧光染料及其制备方法与应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一类基于罗丹明的近红外的荧光染料，具有如下结构式I：Y为O或S；Z为NR6R7或者OR8；R1、R2、R6、R7、R8分别独立的为氢、烃基、醚基、取代烷基、酰基或芳基；R3、R4、R5、R9、R10、R11分别独立的为氢、低级烃基、低级烷氧基、氰基或卤素；R12、R13、R14、R15、R16分别独立的为氢、低级烃基、低级烷氧基、卤素、甲酸基、甲酸盐基、磺酸基、磺酸盐基、磺酰氯基、甲酸酯基、甲酰卤基、甲酰胺基、羟基、氨基、氰基、异氰酸酯基、异硫氰酸酯基或胺基；X为阴离子；还公开了该类染料的制备方法。这类染料有良好的生物相容性和光稳定性、较低的毒性、较长的荧光发射和较高的荧光量子产率，用于荧光探针的荧光团以及生物大分子的共价荧光标记。
【专利说明】一类基于罗丹明的近红外荧光染料及其制备方法与应用
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一类近红外荧光染料及其制备方法与应用，尤其是涉及一类基于罗丹明的近红外荧光染料及其制备方法与应用。
【背景技术】
[0002]近年来，对生命奥秘的揭示、临床诊断以及药物筛选等领域的发展具有重要的意义，荧光影像正越来越成为生物研究的重要技术。这主要得益于越来越多的荧光探针的面世，既包括小分子荧光探针、纳米量子点，也包括荧光蛋白。荧光蛋白示踪技术已经广泛地应用于生物医药研究，但荧光蛋白存在分子量大、立体位阻大，以及蛋白质一蛋白质相互作用所产生的干扰等问题，纳米量子点的安全性则一直是未定论的问题。近年来在特定蛋白质的光学标记方面，尤其是分子小、量子效率高的荧光探针分子设计与应用方面的研究取得了较大进展。荧光分子探针是荧光分析技术中常见的概念，当某种物质或体系的某一物理性质发生变化时，荧光信号能发生相应改变的分子就可称为某一物质或物理性质的荧光分子探针。设计并合成可以选择性识别不同目标体系的荧光分子探针在超分子化学、医学、生物学及环境监测等诸多学科和领域引起了科研工作者的广泛关注。由于荧光分子探针可以通过简单的荧光性的增强或是荧光淬灭来实现对特定分析物体系的快速识别，所以荧光分子探针在分子识别领域得到了广泛地应用。
[0003]然而至今可用作信号基团的发光分子为数非常有限，主要集中在蒽、香豆素类、荧光素类、罗丹明类等荧光染料，但这些染料的发光波长大部分小于600nm，在蓝光~橙光之间。而近红外荧光化学敏感器(发射波长在650~900nm)由于其独特的优点，如:对生物组织有更深的透光能力，有很强的抗生物组织自发光(550m左右)的干扰，可用于活体成像，且可用简便的半导体激光器作激发光源，从而有利于敏感器件的小型化和集成化等，在生物学、临床医学上有十分重要的实际意义。但市场上可售近红外荧光染料极其有限，且聚集体的生成、光漂白、系间窜跃增加等问题导 致荧光效率低下、稳定性差等诸多难题阻碍了近红外荧光染料的进展。比如目前可在生物医学领域实际应用的菁染料体系，但该体系由于其分子结构的对称性使得该类染料分子只有很小的Stokes位移，因而有严重的自吸收和散射干扰，同时由于分子中存在着多个自由旋转的双键影响了分子的稳定性，从而限制了该类体系在生物体系中的应用。因此开发出光稳定、荧光效率高的近红外荧光材料是我们研究的重点。
[0004]罗丹明类染料是一种碱性染料，其水溶液具有较大的摩尔吸光系数；分子结构有较大的刚性平面，且苯环间有氧桥相联，容易吸收入射光的能量而发射长波，因此，罗丹明类染料单体水溶液能产生很强的荧光，且具有很好的氧化还原能力。罗丹明类染料具有醌式结构，能产生颜色，被氧化时，其醌式结构遭破坏，染料溶液颜色变浅甚至变为无色，这为光度分析和荧光分析奠定了理论基础。罗丹明类荧光染料的缺点主要是Stock位移小，容易光致褪色，光猝灭率高，PH敏感性强等。但由于目前没有合适的替代品，它们在生物医学领域内仍然是应用最为广泛的荧光团。近年报道的新型罗丹明类荧光染料，主要是通过增加分子共平面性、结构刚性以及电子共扼体系来提高荧光效率并使荧光红移。在芳环上引入取代基以改变荧光的光量子产率和发射波长，这些结构上的修饰弥补了罗丹明的某些功能缺陷，使其具有了更高灵敏度、更高选择性和可靠性，更加有利于分析检测。随着合成及应用技术的不断进步，研制高荧光量子产率、结构高度刚化、高稳定性和超高灵敏度的复杂杂环罗丹明类荧光染料仍然是该领域的重要研究方向。
[0005]传统的香豆素荧光染料具有Stokes位移大，光稳定性较好，分子体积比较小、油溶性好等诸多优点，然而吸收发射波长过短，对其的应用有很大的限制。本发明将香豆素与罗丹明两类染料有机结合，一方面通过香豆素母体增大染料的Stokes位移，提高光稳定性；另一方面香豆素基团的引入使得分子共轭体系增大，结构更加刚性，从而使得发射波长大大红移，达到650nm以上。本发明基于原料易得的香豆素类衍生物，通过其与相应的邻苯甲酰基取代苯酚或者邻苯甲酰基取代苯硫酚衍生物在五氧化二磷催化氧化下反应，可以得到一种类罗丹明的近红外荧光染料。这类染料具有良好的生物相容性和光稳定性、较低的毒性、较长的荧光发射和较高的荧光量子产率，可以避免背景荧光，可以作为母体染料进一步反应制得合适的荧光探针，用于化学分析检测以及生物标记和生物分析检测等领域。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的第一个技术问题在于提供一种基于罗丹明的近红外荧光染料。
[0007]本发明要解决的第二个技术问题在于提供一种基于罗丹明的近红外荧光染料的制备方法。
[0008]本发明要解决的第三个技术问题在于提供一种基于罗丹明的近红外荧光染料的应用。
[0009]为解决第一个技术问题，本发明的一类基于罗丹明的近红外的染料结构式I如下:
[0010]
【权利要求】
1.一类基于罗丹明的近红外荧光染料，其特征在于，具有如下结构式1:
2.根据权利要求1所述的近红外荧光染料，其特征在于，R1与R3、R1与Rn、R2与R3、R2与Rn、R6与R5、R6与R9、R7与R5、R7与R9、R1与R2或R6与R7可以独立依次形成如下Ia-1n结构:
3.根据权利要求1或2所述的近红外荧光染料，其特征在于，所述的RpHRpR8中的直链、支链或环状的包含1-20个碳原子的烃基为甲基、三氟甲基、乙基、丙基、异丙基、环丙基、稀丙基、丁基、异丁基、叔丁基、戍基、异戍基、新戍基、叔戊基、己基、2-甲基戊基、环己基、庚基、2-甲基己基、辛基、2—甲基庚基、壬基、葵基、十一烷基、十二烷基、十三烷基、十四烷基、十五烷基、十六烷基、十七烷基或十八烷基； 所述的中的低级经基为甲基、二氣甲基、乙基、丙基、异丙基、环丙基、稀丙基、丁基、异丁基、叔丁基、戍基、异戍基、新戍基、叔戍基或己基；所述的R3、R4>R5>R9>R1Q、Rn、R12、R13、R14、R15>Ri6中的低级烷氧基为甲氧基、三氟甲氧基、乙氧基、丙氧基、异丙氧基、环丙氧基、稀丙氧基、丁氧基、异丁氧基、叔丁氧基、戍氧基、异戍氧基、新戍氧基、叔戍氧基或己氧基； 所述札、R2> R6> R7> R8中碳原子数为4~20，氧原子数≤8的醚基为CH2CH2OCH2CH3、CH2CH20CH2CH20H、CH2CH2 (OCH2CH2) 2CH2CH3、CH2CH2 (OCH2CH2) 2CH2CH20H, CH2CH2 (OCH2CH2) 3ch2ch3、CH2CH2 (OCH2CH2) 3CH2CH20H、CH2CH2 (OCH2CH2) 4CH2CH3 或 CH2CH2 (OCH2CH2) 4CH2CH20H ； 所述札、民、1?6、1?7、1?8中的ω -甲酸基取代1-20个碳原子烷基为(CH2)mCOOH,其中m为1-18 ； 所述1、R2> R6> R7、R8中的ω -甲酸盐基取代1-20个碳原子烷基为(CH2) mC00M，其中m为1-18，M为平衡电荷的阳离子； 当RpHRpR8中所述ω -甲酸酯基取代1-20个碳原子烷基中甲酸酯基为甲酸2_20个碳原子烃基酯基时，所述ω-甲酸酯基取代1-20个碳原子烷基为(CH2)mC00(CH2)nCH3、(CH2) ^COOC(CH3)3 或(CH2) ^cOOCH2CH=CH2，其中 m 为 1-18，η 为 0-18 ； 当RpHRpR8中所述ω -甲酸酯基取代1-20个碳原子烷基中甲酸酯基为甲酸2_20个碳原子取代烷基酯基时，所述ω-甲酸酯基取代1-20个碳原子烷基为(CH2)mCOO(CH2)nCH2C00H、(CH2) mC00 (CH2) nCH2C00M、(CH2) mC00 (CH2) nCH2S03H 或(CH2) mC00 (CH2) nCH2S03M,其中m为1-18, n为0_18, M为平衡电荷的阳离子； 所述IVHRpR8中的ω -甲酸苄酯基取代1-20个碳原子烷基为(CH2)mCOOCH2C6H5,其中m为1-18 ； 所述1、R2> R6> R7、R8中的ω -甲酸N-琥珀酰亚胺酯基取代1-20个碳原子烷基为
4.根据权利要求1或2所述的近红外荧光染料，其特征在于，当Y为0，R3>R4> R5> R9>Rio> Rn为氢，Ri2为羟基，Rh为N, N’ - 二乙胺基时，RpHR7不同时为乙基。
5.如权利要求广4所述的近红外荧光染料的制备方法，其特征在于，具有如下步骤: 将化合物II与化合物III与四氯乙烷混合；所述化合物II与化合物III的物质的量的比值为1:1 ;所述化合物II与四氯乙烷的比值为Imol: IOL ； 分批加入五氧化二磷；所述五氧化二磷与化合物II的物质的量的比值为5~10: I ;得到混合溶液； 在回流条件下反应2-8小时，冷却后加水，萃取；去除氯仿相的溶剂，将所得产物溶于乙醇或甲醇中，加入质量百分浓度为70%的高氯酸，慢慢滴加蒸馏水，析出固体，过滤、真空干燥，柱层析纯化分离得到产物I;所述乙醇和高氯酸的体积比为5: I ； 所述化合物II的结构式如下:
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于， 所述％、R2> R6> R7> R8的烃基为直链、支链或环状；所述烃基包含1-20个碳原子； 所述1、R2> R6> R7' R8的醚基中碳原子数为4~20，氧原子数≤8 ； 所述1、R2> R6、R7' R8的取代烷基为直链或支链；所述1、R2> R6> R7' R8的取代烷基为苄基、ω -甲酸基取代1-20个碳原子烷基、ω -甲酸盐基取代1_20个碳原子烷基、ω -甲酸酯基取代1-20个碳原子烷基、ω -甲酰胺基取代1-20个碳原子烷基、ω -甲酰卤基取代1_20个碳原子烷基、ω -磺酸基取代1-20个碳原子烷基、ω -磺酸盐基取代1_20个碳原子烷基、ω-磺酰氯基取代1-20个碳原子烷基、ω -卤素取代1_20个碳原子烷基、ω -羟基取代1-20个碳原子烷基、ω -氰基取代1-20个碳原子烷基、ω -氨基取代1_20个碳原子烷基、ω -巯基取代1-20个碳原子烷基或ω -马来酰亚胺取代1-20个碳原子烷基；其中所述ω -甲酸酯基取代1-20个碳原子烷基中甲酸酯基为甲酸2-20个碳原子烃基酯基、甲酸2-20个碳原子取代烷基酯基、甲酸苄酯基或甲酸N-琥珀酰亚胺酯基；所述的ω -甲酰胺基取代1-20个碳原子烷基中甲酰胺基为2-40个碳原子烃基甲酰胺基、2-40个碳原子取代烷基甲酰胺基或马来酰亚胺基； 所述RpHRpR8的酰基为2-6个碳原子烷基酰基、叔丁氧羰基、苯甲酰基、1-6个碳原子取代苯甲酰基或卤素取代苯甲酰基； 所述1、R2> R6> R7' R8的芳基为苯基、低级烷基取代苯基、低级烷氧基取代苯基、卤素取代苯基、硝基取代苯基、甲酸基取代苯基、甲酸盐基取代苯基、甲酸酯基取代苯基、甲酰胺基取代苯基、甲酰齒基取代苯基、磺酸基取代苯基、磺酸盐基取代苯基、磺酰氯基取代苯基、羟基取代苯基、氣基取代苯基、胺基取代苯基、氰!基取代苯基、异氰!酸酷基取代苯基或异硫氰I酸酯基取代苯基；其中所述的甲酸酯基取代苯基中甲酸酯基为甲酸2-20个碳原子烃基酯基、甲酸2-20个碳原子取代烷基酯基、甲酸苄酯基或甲酸N-琥珀酰亚胺酯基；所述的甲酰胺基取代苯基中甲酰胺基为2-40个碳原子烃基甲酰胺基、2-40个碳原子取代烷基甲酰胺基或马来酰亚胺基；所述的胺基取代苯基中的胺基为NR6R7 ； 所述R12、R13、R14、R15、R16的甲酸酯基为甲酸2-20个碳原子烃基酯基、甲酸2-20个碳原子取代烷基酯基、甲酸苄基酯基或甲酸N-琥珀酰亚胺酯基； 所述R12、R13、R14、R15、R16的甲酰胺基为2-40个碳原子烃基甲酰胺基、2-40个碳原子取代烷基甲酰胺基、苄基甲酰胺基或马来酰亚胺基； 所述的R12、R13、R14、R15、R16的胺基为1-40个碳原子烃基胺基、1-40个碳原子取代烷基胺基或酰基胺基； 所述的卤素为氟、氯、溴或碘。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于， 所述的R1与R3、R1与Rn、R2与R3、R2与R11或R1与R2可以独立依次形成如下IIa-1Ig的结构:
8.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于， 所述的RpHRpR8中的直链、支链或环状的包含1-20个碳原子的烃基为甲基、三氟甲基、乙基、丙基、异丙基、环丙基、稀丙基、丁基、异丁基、叔丁基、戍基、异戍基、新戍基、叔戊基、己基、2-甲基戊基、环己基、庚基、2-甲基己基、辛基、2—甲基庚基、壬基、葵基、十一烷基、十二烷基、十三烷基、十四烷基、十五烷基、十六烷基、十七烷基或十八烷基； 所述的中的低级经基为甲基、二氣甲基、乙基、丙基、异丙基、环丙基、稀丙基、丁基、异丁基、叔丁基、戍基、异戍基、新戍基、叔戍基或己基；所述的R3、R4>R5>R9>R1Q、Rn、R12、R13、R14、R15>Ri6中的低级烷氧基为甲氧基、三氟甲氧基、乙氧基、丙氧基、异丙氧基、环丙氧基、稀丙氧基、丁氧基、异丁氧基、叔丁氧基、戍氧基、异戍氧基、新戍氧基、叔戍氧基或己氧基； 所述札、R2> R6> R7> R8中碳原子数为4~20，氧原子数≤8的醚基为CH2CH2OCH2CH3、CH2CH20CH2CH20H、CH2CH2 (OCH2CH2) 2CH2CH3、CH2CH2 (OCH2CH2) 2CH2CH20H, CH2CH2 (OCH2CH2) 3ch2ch3、CH2CH2 (OCH2CH2) 3CH2CH20H、CH2CH2 (OCH2CH2) 4CH2CH3 或 CH2CH2 (OCH2CH2) 4CH2CH20H ； 所述札、民、1?6、1?7、1?8中的ω -甲酸基取代1-20个碳原子烷基为(CH2)mCOOH,其中m为1-18 ； 所述1、R2> R6> R7、R8中的ω -甲酸盐基取代1-20个碳原子烷基为(CH2) mC00M，其中m为1-18，M为平衡电荷的阳离子； 当RpHRpR8中所述ω -甲酸酯基取代1-20个碳原子烷基中甲酸酯基为甲酸2_20个碳原子烃基酯基时，所述ω-甲酸酯基取代1-20个碳原子烷基为(CH2)mC00(CH2)nCH3、(CH2) ^COOC(CH3)3 或(CH2)-cOOCH2CH=CH2，其中 m 为 1-18，η 为 0-18 ； 当RpHRpR8中所述ω -甲酸酯基取代1-20个碳原子烷基中甲酸酯基为甲酸2_20个碳原子取代烷基酯基时，所述ω-甲酸酯基取代1-20个碳原子烷基为(CH2)mCOO(CH2)nCH2C00H、(CH2) mC00 (CH2) nCH2C00M、(CH2) mC00 (CH2) nCH2S03H 或(CH2) mC00 (CH2) nCH2S03M,其中m为1-18, n为0_18, M为平衡电荷的阳离子；所述IVHRpR8中的ω -甲酸苄酯基取代1-20个碳原子烷基为(CH2)mCOOCH2C6H5,其中m为1-18 ； 所述1、R2> R6> R7、R8中的ω -甲酸N-琥珀酰亚胺酯基取代1-20个碳原子烷基为
9.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，当Y’为羟基，R3>R4> R5> R9> IVR11为氢，R12为羟基，R14为N，N，- 二乙胺基时，R1' R2、R6、R7不同时为乙基。
10.如权利要求f4所述的基于罗丹明的近红外荧光染料的应用，其特征在于，应用于荧光探针的荧光团以及生 物大分子的共价荧光标记。
【文档编号】C09K11/06GK103468018SQ201210186889
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年6月7日 优先权日:2012年6月7日
【发明者】刘卫敏, 汪鹏飞, 陈建宏 申请人:中国科学院理化技术研究所