一类吖啶盐染料及其制备方法和应用与流程

本发明属于有机材料、拉曼光谱分析领域，具体涉及一类吖啶盐染料及其制备方法和应用。

背景技术：

高速发展的sers技术极大地提高了拉曼光谱检测的灵敏度，能克服拉曼光谱强度方面的先天不足，再加上拉曼光谱可提供丰富结构信息的优势使得sers技术在生化分析研究领域逐渐成为一个重要的研究手段。

sers标记物，是将具有明显拉曼信号的拉曼分子，接在具有等离子体共振效应的ag或au纳米粒子表面，从而产生一个该拉曼分子的十分强烈的表面增强拉曼散射光谱。当这种基本结构被建立完成，外层的保护层，以及用于生物识别的成分比如抗体等，将会被包覆在标记物的基本结构的外围，从而赋予标记物以生物稳定性、生物相容性以及特异性结合的能力(整体结构参见附图1)。sers标记物的发现发展，被认为是生物物质的光谱分析方面的极大进步，因为相比于其他光学探针，sers标记物具有极高的灵敏度，适合多元分析，具有高耐光性以及可在生物体中进行无危害成像等优势。

吖啶是一类重要的有机含氮杂环化合物，最早是在1874年由gabriel从煤焦油中提炼出。三环刚性平面结构给予吖啶较强的芳香性，而且由于吖啶的角张力较大，具有良好的反应活性。因为吖啶的芳香结构能够嵌入到dna双螺旋结构中，所以它具有良好的生物活性，吖啶衍生物在抗肿瘤、抗病毒、抗疟疾和生物荧光探针等方面已经具有广泛的研究和应用。在红外630nm至785nm区域，生物体内的天然的发色团和水的吸收最小，被称为生物医学光谱窗口。将吖啶阳离子作为拉曼活性分子的电子受体，利用其强吸电子能力增加分子的共轭程度，预计可得到吸收在近红外区并且sers性能优良的表面增强拉曼染料。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一类吖啶盐染料及其制备方法和应用,产物是有机离子型化合物，可通过改变噻吩基或苯环共轭链长度改变染料分子的吸收波长，使得生物体内天然的发色团和水对吸收波长影响较小；同时，产物的sers强度随其浓度的变化较灵敏，有望在sers标记物中得到应用。

该类吖啶盐染料，其特征在于，利用双键将9,10-二甲基吖啶盐与不同的噻吩或苯基团相连，并作为二者之间电荷转移的通道，形成d-π-a结构的sers染料化合物。

所述吖啶盐染料结构通式为(1)和(2)所示：

其中

r1，r2和r3各自独立地为c1-c3直链或支链烷基，优选c1-c2烷基，更优选均为甲基；

x为f、cl、br或i，优选为br或i，更优选i；

n为1-3的整数，优选为1。

最优选地，所述该类吖啶盐染料为如下化合物：

根据本发明的另一方面，提供了一种该类吖啶盐染料的制备方法，该方法如下所示：

具体包括如下步骤：

(1a)末端5位分别以溴和甲醛为取代基的n联噻吩和二烷基胺水溶液回流反应生成以末端5位二烷基胺基和甲醛为取代基的n联噻吩；

(1b)末端4位分别以二烷基胺和溴为取代基的x联苯和末端4位分别以甲醛和硼酸为取代基的n-x联苯回流反应生成以末端4位二烷基胺基和甲醛为取代基的n联苯；

(2)二苯胺与乙酸在氯化锌的作用下反应生成9-甲基吖啶，9-甲基吖啶再与与卤代烷在乙腈中回流反应生成9,10-二甲基吖啶盐；；

(3)末端5位分别以二烷基胺基和甲醛为取代基的n联噻吩或末端4位分别以二烷基胺基和甲醛为取代基的n联苯与9,10-二甲基吖啶盐反应生成所述的n联噻吩或n联苯吖啶盐。

更具体地包括如下步骤：

(1a)末端5位分别以二烷基胺基和甲醛为取代基的n联噻吩的合成：在圆底烧瓶中以1:4的摩尔比加入末端5位分别以溴和甲醛为取代基的n联噻吩和二烷基胺水溶液，在催化剂(例如4-甲基苯磺酸、双三苯基膦氯化镍等)作用下加热反应，反应过程中点板追踪反应进程。二烷基胺等有机胺易挥发，每隔6小时补充一定量的二烷基胺水溶液，直到原料(末端5位分别以溴和甲醛为取代基的n联噻吩)反应完全。反应结束后利用柱层析的方法获得目标产物；

(1b)末端4位分别以二烷基胺基和甲醛为取代基的n联苯的合成：在容器中以1:1的摩尔比加入末端4位分别以二烷基胺和溴为取代基的x联苯和末端4位分别以甲醛和硼酸为取代基的n-x联苯，在催化剂作用下加热反应；反应结束后利用柱层析方法获得目标产物；

(2)9,10-二甲基吖啶盐的合成：在容器中以1:2.8:5.2的摩尔比加入二苯胺、乙酸以及氯化锌，215℃反应5h，反应结束后冷却至室温，通过萃取和柱层析提纯得到9-甲基吖啶。再以2:1的摩尔比投入卤代烷和9-甲基吖啶，并加入适量乙腈，加热回流6小时，冷却至室温，过滤出固体，用乙腈和甲醇的混合溶液对固体进行重结晶，所得产物进行真空干燥，最后得到9.10二甲基吖啶盐；

(3)n联噻吩或n联苯吖啶盐的合成：将末端5位分别以二烷基胺基和甲醛为取代基的n联噻吩或末端4位分别以二烷基胺基和甲醛为取代基的n联苯和9,10二甲基吖啶盐以n联噻吩或n联苯过量的摩尔比加入到无水乙醇中，滴加2～3滴哌啶作为催化剂，85℃回流反应；反应结束后冷却至室温，旋蒸除去溶剂，通过重结晶得目标产物。

根据本发明的另一方面，提供了上述吖啶盐染料在表面增强拉曼散射光谱分析中作为sers标记物的拉曼活性分子的应用。首先测试染料分子的最大吸收波长，然后分别测试了样品的拉曼光谱以及其表面增强拉曼强度随染料分子浓度的变化曲线。所得的染料分子在表面增强拉曼散射强度测试中均表现出一定的表面增强拉曼活性，并在浓度很小时就有较强的响应，而且随着浓度的增加迅速增大，反应灵敏，其sers信号强度很高。其sers信号强度比效果良好的商用标签染料qsy(3,6-二(2,3-二氢-1h-吲哚-1-基)-9-[2-[[4-[[(2,5-二氧代-1-吡咯烷基)氧]羰基]-1-哌啶基]磺酰基]苯基]-氯化呫吨鎓(xanthylium,3,6-bis(2,3-dihydro-1h-indol-1-yl)-9-[2-[[4-[[(2,5-dioxo-1-pyrrolidinyl)oxy]carbonyl]-1-piperidinyl]sulfonyl]phenyl]-,chloride))大100倍以上；

本发明的有益效果如下：

1)利用简单的液相反应制备了d-π-a型染料，节约了成本；

2)具有易于制备，原材料成本低廉，表面增强拉曼强度灵敏等优点；

3)通过噻吩或苯环共轭链的改变，实现了材料的近红外吸收的调整，增加了材料吸收波长的可控性，有助于在生物医学检测方面的应用。

附图说明

图1为sers标记物的经典结构；

图2为实施例1中(e)-9-(2-(5-(二甲胺基)噻吩)乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dtai)分别在ch2cl2溶液中的紫外-可见吸收光谱；

图3是实施例1中(e)-9-(2-(5-(二甲胺基)噻吩)乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dtai)在水溶液中的拉曼光谱；

图4是实施例1中(e)-9-(2-(5-(二甲胺基)噻吩)乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dtai)在水溶液中的表面增强拉曼强度随染料分子浓度的变化曲线；

图5是实施例2中(e)-9-(4-(二甲氨基)苯乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dsai)分别在ch2cl2溶液中的紫外-可见吸收光谱；

图6是实施例2中(e)-9-(4-(二甲氨基)苯乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dsai)在水溶液中的拉曼光谱；

图7是实施例2中(e)-9-(4-(二甲氨基)苯乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dsai)在水溶液中的表面增强拉曼强度随染料分子浓度的变化曲线；

图8为该类吖啶盐染料的结构通式。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：

在本发明具体实施方式中所用的原料和试剂均为普通的市售获得。采用jascov-570型紫外光谱仪对染料分子的紫外吸收光谱进行测定，波长范围为400～900nm；采用bruker公司avanceiii型核磁共振谱仪对中间体和产物的化学结构进行表征，溶剂为cdcl3；采用bruker公司autoflexiiiesi质谱仪对中间体和产物的分子质量进行表征；采用美国deltanu公司inspectornir拉曼光谱仪对样品的表面增强拉曼光谱进行测定，入射激光波长为785nm。

实施例1

(e)-9-(2-(5-(二甲胺基)噻吩)乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dtai)的合成

a、5-(二甲氨基)噻吩-2-甲醛的合成：

在100ml的圆底烧瓶中加入5-溴噻吩-2甲醛(6g,32mmol)和二甲胺水溶液(16.2ml,含量40％，128mmol)，以对甲基苯磺酸(0.55g,3.2mmol)作为催化剂，在100℃回流反应大约24h，二甲胺易挥发，每隔6小时补充约8ml的二甲胺水溶液，过程中点板跟踪，直至5-溴噻吩-2-甲醛原料完全反应；反应结束后冷却至室温，倒至约60ml去离子水中，室温搅拌0.5h，用3×40ml二氯甲烷萃取；萃取后合并有机相，使用无水硫酸钠干燥，抽滤、旋蒸浓缩溶液；使用硅胶柱层析的方法分离提纯(淋洗剂：乙酸乙酯/石油醚＝1/1)，最后得到暗红色的目标产物(产率约为60％)。

¹h-nmr(500mhz,cdcl3):δ＝9.51(s,1h),7.50(d,1h),5.95(d,1h),3.11(s,6h)ppm.ft-ir(kbr):2935,2900,2861,2792,2765,1622,1554,1501,1470,1422,1391,1301,1252,1050,919,762,689,658cm^-1.

b、9,10-二甲基吖啶碘盐的合成：

(1)9-甲基吖啶的合成：

本反应采用berthsen,a.y吖啶合成法：在圆底烧瓶中加入n,n-二苯胺(5.0g,30mmol)，乙酸(5.0g,84mmol)和氯化锌(21.3g,156mmol)，将混合物加热到150℃持续搅拌直至固体全溶，该过程中固体呈现由白色到黄色最后全部为黑色的转变；然后升温至215℃，过量的乙酸会从反应混合物中挥发出去，持续反应5h；反应结束后冷却，再将黑色固体产物重新加热熔融，倒入盛有200ml冰水的烧杯中，用氨水将整个体系的ph调节至13～14，底部固体用乙酸乙酯全溶后，将整个体系过滤，滤液分为水相和有机相，水相再用乙酸乙酯萃取三次，得到的乙酸乙酯溶液与有机相混合，水洗三次，最终合并有机相，用无水mgso4干燥并旋干得到粗产物；粗产物用硅胶柱层析方法分离(淋洗剂：二氯甲烷/乙酸乙酯＝5/1)，最后得土黄色产物(产率71％)。

¹h-nmr(500mhz,cdcl3):δ＝8.27(d,2h),8.25(d,2h),7.79(t,2h),7.58(t,2h),3.15(s,3h)ppm.ft-ir(kbr):3048,3062,1625,1607,1558,1516,1457,1433,1412,1148,753,647,598,556,521cm^-1.

(2)9,10-二甲基吖啶碘盐的合成：

将9-甲基吖啶(1.0g,5mmol)溶于10ml乙腈中，加入碘甲烷(1.4g,10mmol)回流反应6h(碘甲烷易挥发，反应过程中可适当补加碘甲烷)；反应结束后冷却液体，将析出的固体过滤，并用乙腈：甲醇＝4:1的混合溶剂对其进行重结晶，最后得到黄色片状晶体(产率51％)。

¹h-nmr(500mhz,dmso-d6):δ＝8.94(d,2h),8.77(d,2h),8.44(t,2h),8.04(t,2h),4.83(s,3h),3.54(s,3h)ppm.ft-ir(kbr):3078,3010,1609,1576,1546,1449,1373,1296,1266,1189,1171,753,591,550cm^-1。

c、(e)-9-(2-(5-(二甲胺基)噻吩)乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dtai)的合成：

将9,10-二甲基吖啶碘盐(0.3g,1.3mmol)和5-(二甲氨基)噻吩-2-甲醛(0.3g,2mmol)溶于10ml乙醇，加1滴(0.05ml左右)哌啶作催化剂，回流反应12h；反应结束后，旋蒸除去大部分溶剂，倒至过量乙醚中沉析，过滤后甲醇重结晶得墨绿色固体(产率38％)。

核磁确认结构，¹h-nmr(500mhz,dmso-d6):δ＝8.21(d,2h),8.04(d,2h),7.78(t,2h),7.41(t,2h),7.10(d,1h),5.76(d,1h),3.90(s,3h),3.47(s,6h)ppm.maldi-tof-ms:m/z472.2[m]⁺.

附图2为(e)-9-(2-(5-(二甲胺基)噻吩)乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dtai)在ch2cl2溶液中测得的紫外-可见吸收光谱，其最大吸收波长为702nm。

附图3为(e)-9-(2-(5-(二甲胺基)噻吩)乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dtai)在水溶液中的表面增强拉曼散射光谱图。虚线表示的是，在同样实验条件下，同等浓度的商用标签染料qsy的sers结果(已放大20倍)，可以看出(e)-9-(2-(5-(二甲胺基)噻吩)乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dtai)的sers信号强度比相同浓度的qsy大100倍以上。

附图4为(e)-9-(2-(5-(二甲胺基)噻吩)乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dtai)在水溶液中的表面增强拉曼强度随染料分子浓度的变化曲线，其显示了(e)-9-(2-(5-(二甲胺基)噻吩)乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dtai)在浓度很小时就有较强的响应，而且随着浓度的增加,其表面增强拉曼强度迅速增大，反应灵敏。

实施例2

(e)-9-(4-(二甲氨基)苯乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dsai)的合成

a、9,10-二甲基吖啶碘盐的合成：

(1)9-甲基吖啶的合成：

本反应采用berthsen,a.y吖啶合成法：在圆底烧瓶中加入n,n-二苯胺(5.0g,30mmol)，乙酸(5.0g,84mmol)和氯化锌(21.3g,156mmol)，将混合物加热到150℃持续搅拌直至固体全溶，该过程中固体呈现由白色到黄色最后全部为黑色的转变；然后升温至215℃，过量的乙酸会从反应混合物中挥发出去，持续反应5h；反应结束后冷却，再将黑色固体产物重新加热熔融，倒入盛有200ml冰水的烧杯中，用氨水将整个体系的ph值调节至13～14，底部固体用乙酸乙酯全溶后，将整个体系过滤，滤液分为水相和有机相，水相再用乙酸乙酯萃取三次，得到的乙酸乙酯溶液与有机相混合，水洗三次，最终合并有机相，用无水mgso4干燥并旋干得到粗产物；粗产物用硅胶柱层析方法分离(淋洗剂：二氯甲烷/乙酸乙酯＝5/1)，最后得土黄色产物(产率71％)。

¹h-nmr(500mhz,cdcl3):δ＝8.27(d,2h),8.25(d,2h),7.79(t,2h),7.58(t,2h),3.15(s,3h)ppm.ft-ir(kbr):3048,3062,1625,1607,1558,1516,1457,1433,1412,1148,753,647,598,556,521cm^-1.

(2)9,10-二甲基吖啶碘盐的合成：

将9-甲基吖啶(1.0g,5mmol)溶于10ml乙腈中，加入碘甲烷(1.4g,10mmol)回流反应6h(碘甲烷易挥发，反应过程中可适当补加碘甲烷)；反应结束后冷却液体，将析出的固体过滤，并用乙腈：甲醇＝4:1的混合溶剂对其进行重结晶，最后得到黄色片状晶体(产率51％)。

¹h-nmr(500mhz,dmso-d6):δ＝8.94(d,2h),8.77(d,2h),8.44(t,2h),8.04(t,2h),4.83(s,3h),3.54(s,3h)ppm.ft-ir(kbr):3078,3010,1609,1576,1546,1449,1373,1296,1266,1189,1171,753,591,550cm^-1。

b、(e)-9-(4-(二甲氨基)苯乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dsai)的合成：

将9,10-二甲基吖啶碘盐(0.3g,1mmol)和4-(二甲氨基)苯甲醛(0.7g,5mmol)溶于25ml乙醇中，滴加4滴(0.2ml左右)哌啶作催化剂，回流反应24h；反应结束后，旋蒸除去溶剂，用硅胶柱层析方法分离得到粗产物(淋洗剂：二氯甲烷/甲醇＝15/1)，再用甲醇重结晶得蓝黑色固体(产率18％)。

核磁确认结构，¹h-nmr(500mhz,cdcl3):δ＝8.72(d,2h),8.60(d,2h),8.29(t,2h),8.10(d,1h),7.82(t,2h),7.77(d,2h),7.38(d,1h),6.83(d,2h),4.92(s,3h),3.18(s,6h)ppm.esi-ms:m/z339.3[m]⁺.

附图5为(e)-9-(4-(二甲氨基)苯乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dsai)在ch2cl2溶液中测得的紫外-可见吸收光谱，其最大吸收波长为685nm。

附图6为(e)-9-(4-(二甲氨基)苯乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dsai)在水溶液中的表面增强拉曼散射光谱图，与(e)-9-(2-(5-(二甲胺基)噻吩)乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dtai)的sers信号强度属于同一数量级，但是略好于后者。虚线表示的是，在同样实验条件下，同等浓度的商用标签染料qsy的sers结果(已放大20倍)，可以看出(e)-9-(4-(二甲氨基)苯乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dsai)的sers信号强度比相同浓度的qsy大100倍以上。

附图7为(e)-9-(4-(二甲氨基)苯乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dsai)在水溶液中的表面增强拉曼强度随染料分子浓度的变化曲线，其显示了(e)-9-(4-(二甲氨基)苯乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dsai)在浓度很小时就有较强的响应，而且随着浓度的增加,其表面增强拉曼强度迅速增大，反应灵敏；与(e)-9-(2-(5-(二甲胺基)噻吩)乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dtai)对比，两者的表面增强拉曼强度类似,只是在50nm到100nm之间的增幅,(e)-9-(4-(二甲氨基)苯乙烯基)-10-甲基吖啶碘盐(dsai)不如dtai迅速。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。