苝酰亚胺桥式双全甲基化-乙二胺基-β-环糊精衍生物及制备和应用的制作方法

专利名称：苝酰亚胺桥式双全甲基化-乙二胺基-β-环糊精衍生物及制备和应用的制作方法
芘酰亚胺桥式双全甲基化-乙二胺基-i8-环糊精衍生物及制备和应用
技术领域：
本发明属于化学、材料和纳米技术交叉研究领域，涉及一种茈酰亚胺桥式双环糊精衍 生物合成，聚集体的构筑及其传感。
背景技术：
近年来,在水溶液中利用芳香类化合物构筑高级有序的功能化的纳米超分子组装体及
选择性传感是化学、生物和材料领域的研究热点(A. Ajayaghosh, V. K. Praveen. Arc. C&附. 及仏2007， W， 644-656; (2) A. C. Grimsdale, K. Mttllen. /抓￡d 2005， W，
5592-5629; (3) C. C. Lee, C. Grenier， E. W. Meijer, A. P. H. J. Schenning. CAem. Soc. J ev. 2009, M， 671-683; (4) K. N0rgaard， T. Bj0raholm. C/zew. Co/wmz". 2005， 1812-1823. (e) J. H. Ryu， D. J. Hong, M. Lee. C/zew. Co/wm/". 2008， 1043-1054.)。这种相邻的大;t化合物分子之 间的激发态电子的相互作用有可能产生新型的具有特殊光电性质的纳米超分子材料。在各
类大7t的芳香构筑模块之间，茈酰亚胺类衍生物引起了人们的极大兴趣。芘酰亚胺类衍生 物相邻分子之间存在着强的7T-7T堆积作用，并且其具有优良的光电方面的特性，如光热稳
定性好、量子产率高等(F. Wiirthner. Coww朋.2004, 1564~1579; (b) J. A. A. W.
Elemans， R. van Hameren, R. J. M. Nolte， A. E. Rowan.爿dv. JW^a 2006, 1251—1266; (c) M. R. Wasielewski. Org. Oiem. 2006， 77, 5051-5066.)。各种菲酰亚胺的衍生物已经大量 的用来构筑各种形貌的纳米超分子组装体，如棒状、线状、纤维状和球形等(L. Zang, Y. Che， J. S. Moore.爿cc. 及m. 2008， 1596~1608.)。
然而，基于环糊精修饰的茈酰亚胺衍生物方面的研究还没有报道。环糊精 (Cyclodextrins,通常简称为CD)，是一类由D型吡喃葡萄糖单元以1,4糖苷键首尾相连的 截锥状大环分子，具有疏水的空腔和亲水的表面。环糊精习惯上用一个希腊字母表示其葡 萄糖单元数目，其中最常见的是a-、 /3-和y-环糊精，分别拥有6、 7和8个葡萄糖单元(J. Szejtli. Ck加.及"1998，卵,1743-1753.)。环糊精及其衍生物广泛的应用在客体分子的识别 和超分子组装体的构筑(Y. Liu， Y. Chen. Jcc. O e附.及"2006,", 681~691; (2) A. Harada^ Jcc. Oje附.2001， 34， 456>464.)以及药物分子的包结和传输体系中(K. Uekarn^ F. Hirayama， T. Irie. C7 e肌及ev. 1998,站，2045—2076; (2) J. Zhang, R X. Ma. C7^附./加五d 2009，砧，964~968. (3) M. E. Davis， M. E. Brewstev. Ato. i ev. Drwg. D&cov. 2004， 3， ,-膨.)。

发明内容
本发明提供一种茈酰亚胺桥式双全甲基化-乙二胺基-i3"环糊精衍生物的合成，超分 子聚集体的构筑及pH值控制的聚集行为和光学性质的变化，以及该化合物对水溶性芳香类 客体分子的光学传感。
本发明的新型茈酰亚胺桥式双全甲基化-乙二胺基-^"环糊精衍生物，它的化学式为 C152H236N4072，其结构如下
芘酰亚胺桥式双全甲基化-乙二胺基-)8"环糊精衍生物的制备方法及其应用研究，包
括下述步骤
(1) 室温下将2份6-脱氧-6-乙二胺基-全甲基化-jS-环糊精与1份茈四甲酸酐和1份 乙酸锌加入到吡啶溶液中，氮气保护下加热至80-120°C，保持48-72小时；
(2) 将上述反应体系降至室温，减压蒸去溶剂得到红色固体，用氯仿溶解固体，用 水洗去乙酸锌，氯仿相用无水硫酸钠干燥，过滤除去硫酸钠，旋出氯仿，浓缩后的样品用 硅胶柱分离，洗脱剂为体积比30/1的氯仿/甲醇，得到红色茈酰亚胺桥式双全甲基化-乙 二胺基-j^环糊精衍生物；
(3) 茈酰亚胺桥式双全甲基化-乙二胺基-j3-环糊精衍生物聚集体的构筑及pH值控 制的聚集行为和光学性质的变化。
茈酰亚胺桥式双全甲基化-乙二胺基-)3-环糊精衍生物在水溶液中自组装形成纳米级 的球形聚集体，透射电镜(TEM)得到的尺寸大约在80nm左右，调节溶液的pH值至酸 性，使主体化合物的亚胺基质子化，由于分子间增强的静电斥力作用而使超分子聚集体解聚，同时质子化后亚胺基上孤对电子不再是电子供体,分子内光诱导电子转移过程被阻断， 而产生非常强的荧光。
该化合物对水溶性芳香类客体分子传感应用。
茈酰亚胺桥式双全甲基化-乙二胺基-)8~环糊精衍生物对水溶性芳香类客体分子的识 别应用方法，其特征在于，利用全甲基化-j8-环糊精对特定客体分子的包结作用，通过主 客体分子间的相互作用和包结客体分子引起的聚集行为的变化导致茈酰亚胺紫外光谱的 改变，实现了对水溶性芳香类客体分子(苯磺酸钠、萘磺酸钠、2-蒽酸钠和芘丁酸钠)中 的2-蒽酸钠和芘丁酸钠的传感。
客体分子的结构如图所示
本发明中所得固体产物经过iHNMR、 13CNMR、高分辨质谱、红外光谱和元素分析 等手段证明；溶液中聚集体的构筑及pH控制的聚集行为和光学性质通过紫外一可见光谱， 荧光光谱和量子产率研究；超分子聚集体的形貌通过透射电镜(TEM)表征；溶液中超 分子聚集体的尺寸通过动态光散射方法研究;主体化合物对水溶性芳香类客体分子的识别 作用通过紫外 一 可见光谱和二维核磁NOES Y谱研究。
本发明合成了茈酰亚胺桥式双全甲基化-乙二胺基-^环糊精衍生物，构筑了纳米级 球形组装体。应用亚胺基作为质子受体的特性，实现了pH控制的超分子聚集行为和光学 性质；利用芘酰亚胺的特征紫外吸收作为检测信号，用全甲基化-)8-环糊精作为客体分子 的接收器，通过主客体分子之间的相互作用和包结作用引起的聚集行为的改变导致的茈酰 亚胺紫外吸收的变化实现了选择性识别2-蒽酸钠和芘丁酸钠。这种超分子聚集体的构筑 及pH值控制的聚集行为和光学性质以及该化合物对水溶性芳香类客体分子的识别作用在 化学，材料和纳米技术交叉研究领域具有潜在的应用前景。


图l: PTCDI2在不同溶剂中的紫外一可见和荧光光谱；图2: PTCDI 2在CDCl3和D20中的^ NMR;
图3: PTCDI2在氯仿溶液中质子化前后紫外一可见和荧光光谱；
图4: PTCDI2pH值依赖的紫外一可见和荧光光谱；
图5:PTCDI2质子化前后浓度相关的紫外一可见光谱，浓度范围3.0x10—6M到1.0 x l(T4 M;
图6: PTCDI 2质子化前后浓度相关的A(M)/A(M的变化曲线； 图7: PTCDI2质子化前后的堆积常数的拟合曲线； 图8: PTCDI2温度相关的紫外一可见光谱；
图9: PTCDI2质子化前后的绝对量子产率随浓度变化的曲线；
图10:浓度为1.0x 10"M时，PTCDI2质子化前后的TEM图lh浓度为1.0x 1(T^M时，PTCDI2质子化之前的动态光散射的粒径分布；
图12:浓度为1.0xlO—SM时，PTCDI2对芳香类客体分子识别的紫外一可见光谱；
图13:浓度为1.0x10—SM时，PTCDI2对2-蒽酸钠的紫外滴定曲线和稳定常数的拟合 曲线；
图14:主客体总浓度为5.0x 1(rSM时，2-蒽酸钠和PTCDI2的Job曲线；
图15:浓度为1.0x10—SM时，PTCDI2对芘丁酸钠的紫外滴定曲线和稳定常数的拟合 曲线；
图16:主客体总浓度为5.0x lCr5M时，芘丁酸钠和PTCDI2的Job曲线；
图17:芘丁酸钠和PTCDI 2作用的111 NMR谱；
图18:芘丁酸钠和PTCDI 2作用的NOESYi普；
图19:芘丁酸钠和PTCDI2可能的作用模式；
图20: PTCDI2的合成路线；
图21: PTCDI2结构式及客体分子的结构式。具体实施方式

实施例1
茈酰亚胺桥式双全甲基化-乙二胺基-/5-环糊精衍生物的合成 茈酰亚胺桥式双全甲基化-乙二胺基-iS"环糊精衍生物的合成路线如图20所示。 室温下将
6-脱氧-6-乙二胺基-全甲基化-)8-环糊精(0.98 g， 0.67 mmol), 茈四甲酸酐(130mg，0.33mmo1)和乙酸锌(0.073 g, 0.33 mmol) 加入到200毫升吡啶溶液中；
反应体系加热到80-120°C，保持在80-120。C反应48-72小时。停止反应，冷却到室温， 减压蒸去吡啶，得到红色固体。将红色固体用氯仿溶解，加入少量水洗去乙酸锌，氯仿相 用无水硫酸钠干燥12小时，过滤除去硫酸钠，氯仿相浓縮，过硅胶柱，用氯仿/甲醇(体 积比30/1)的洗脱剂得到产物554毫克，产率为50%。该化合物的表征数据如下
FT-IR (KBr) v [cm—1]: 1698,1661; & NMR (CDC13， 300 M Hz, ppm): 5 = 8.67 (m， 8 H), 5.13—5.05 (m， 14 H)， 4.36~3.17 (m， 214 H); 13C NMR (CDC13， 300 M Hz，卯m): 5 = 163.5， 134.8,131.6， 129.5， 126.7,123.5,123.3， 99.1， 99.0， 98.8， 82.3, 82.0, 81.8， 81.4， 80.5， 80.4, 80.3， 800, 71.6， 71.1， 61.6， 59.3， 59.1, 58.6， 58.2， 49.5, 48.0， 40.6; MALDI—MS: calcd for Ci52H236N4072Na+, 3292.4821; found Ci52H236N4072Na+， 3292.4808; Anal, calcd for Ci52H236N4072: C 55.80， H 7.27， N 1.71; found: C 55.67, H 7.18, N 1.82.
实施例2
PTCDI 2在不同溶剂中的聚集行为
在氯仿、甲苯、丙酮、乙腈等有机溶剂中，PTCDI 2呈典型的单体的紫外吸收光谱特 征，其為VJ(M分别为1.52 (氯仿)，1.44 (甲苯)，1.40 (丙酮)，1.35 (乙腈)，而在甲醇溶液中呈 单体向二聚体转变的光谱特征，其JoV^M为1.22，最大吸收峰为0-0峰在520nm左右，0-1峰在490 nm左右。而在水溶液中，0-0峰的吸收强度明显的下降，O-l峰成为最强的吸收 峰，红移到497nm，其^m)M(m减小到0.68，是聚集体状态的特征吸收光谱，如图la，与此 同时，PTCDI 2在水溶液中的荧光强度明显弱于在有机溶剂中的荧光发射强度，如图lb
所示。这是由于在水溶液中茈酰亚胺分子之间的7l-7t堆积相互作用导致荧光的自淬灭。在
CDCl3的溶剂中，茈酰亚胺芳环上的8个H裂分成四个尖峰，说明在CDCl3的溶剂中PTCDI 2处在单体的状态，然而在D20的溶剂中，四个尖峰变化成两组峰，其中一组为宽峰在5 7.91 ppm处，另一组为尖峰在S7.59ppm处，这是由于强的兀-7t堆积作用所致，说明形成 了超分子聚集体(图2)。
实施例3
质子化前后PTCDI 2的光谱研究
PTCDI2在浓度为1.0xl(TSM的氯仿溶液中，加入三氟乙酸使亚胺基质子化，质子化 前后PTCDI 2的為.o"(h的比值基本不变，说明质子化前后PTCDI 2在氯仿溶液中以单体形 式存在，然而其荧光光谱的强度增强近4倍，这是由于质子化后PTCDI 2上的亚氨基不再 是电子供体，分子内的光诱导电子转移被阻断，所以荧光增强(图3)。不同pH值条件下 的紫外-可见光谱研究发现随着pH值的减小，PTCDI 2的紫外-可见光谱发生明显的改变， 峰形变窄，0-0峰(530 nm)和0-l峰(496 nm)明显的上升，但是0-0峰上升幅度远远大 于0-l峰，0-2峰(465 nm)下降，肩峰(560 nm)下降。通过紫外-可见光谱的特征变化 可知，随着pH值的减小即随着PTCDI2被质子化变为PTCDI2H2， PTCDI2的超分子聚集 体逐渐解聚，从聚集体变为单体。与此相应的荧光光谱的强度随着PTCDI2被质子化而增 强(图4b)。 PTCDI 2质子化后荧光增强的原因有两方面 一是亚氨基质子化后，分子内 的电子转移被阻断；二是亚氨基质子化后增强的静电斥力导致聚集体解聚，自淬灭作用减 弱。分别拟合吸收强度在529 nm和荧光发射强度在543 nm随pH值变化的曲线得到 PTCDI 2的p^和pa分别为6.2和6.0。
实施例4质子化前后PTCDI 2的聚集体的聚集行为及光学性质
质子化前后PTCDI 2和PTCDI 2H2的0-0峰和0-1峰的强度随着浓度的增加而逐渐 的下降，但是0-0峰下降的幅度远远大于0-1峰。从紫外-可见光谱可知，在低浓度3.0x 10一6 M时，PTCDI 2以聚集体的形式存在，0-0峰明显低于0-1峰。而PTCDI 2112在此 浓度时主要以单体形式存在如图5所示。在3.0 x 10—6 M时，PTCDI 2和PTCDI 2H2的 為-oM(m值分别为0.85和1.33,同样表明PTCDI 2以聚集体的堆积状态存在，而PTCDI 2H2 的為V^m值与有机溶剂中的比较接近，主要以单体形式存在。随着浓度的增加，PTCDI 2和PTCDI 2H2的為.0/為.1值相应的减小，在1.0 x 10^ M时，其Jo.o"(m值分别为0.52 和0.89。通过曲线的变化趋势可以明显的观察到PTCDI 2在浓度从4.0 x 10_5 M至!j 1.0 x 10"M变化的范围内，其為.oA4(h值只有很小的改变，从0.57减小到0.52，如图6a所示。
曲线的变化趋势接近达到一个极限值，这与文献报道的茈酰亚胺的J(M)"(M值随着堆积个
数的增加，慢慢趋向于一个极限值，即堆积个数增加而J(m)A4(h值基本不在变化。而PTCDI 2H2的為.o/^M值即使在高浓度时变化仍然十分明显(图6b)，这也说明了PTCDI2H2的 堆积能力远远弱于PTCDI2。通过公式拟合得到PTCDI2和PTCDI 2H2的堆积常数分别 为4.7xl()5M"1和5.7x104NT1,相差近一个数量级，如图7所示。对于PTCDI2H2来 说，低温有利于组装体的形成，在5。C时，其^.0/為.1值为0.72，随着温度升高O-O峰和 0-1峰的强度都增强，而0-0峰增加的幅度大于0-1峰，呈现逐渐解聚的过程，在70 °C 时其^wj"(M值增加到1.28，主要以单体形式存在。而PTCDI 2的UV-Vis光谱随温度 变化不明显，随着温度升高，0-0峰和0-1峰都只有小幅度的增加(图8)，说明PTCDI2 之间存在非常强的7t-7T堆积相互作用，温度升高不足以解聚已经存在的聚集体。质子化前 后PTCDI2和PTCDI2H2的荧光特征存在显著差异，如图9所示，无论在低浓度还是在 高浓度下，PTCDI2H2的量子产率都远远大于PTCDI2。由此可知，在质子化之前即碱 性条件下，PTCDI 2有强的聚集能力形成超分子聚集体；质子化之后即酸性条件下， PTCDI2有弱的聚集能力聚集体解聚但具有强的荧光。
实施例5
PTCDI2的聚集体透射电镜(TEM)研究和动态光散射粒径分布特征TEM研究了PTCDI 2和PTCDI 2112的聚集体的形貌特征，如图10所示。在l.O x 10" M 时PTCDI 2呈球形的聚集体形貌，直径大约80 nm。与此形成鲜明对比的是质子化后PTCDI 2H2呈小的点状聚集体，PTCDI2H2由于静电斥力形成低级的聚集体。动态光散射实验得 到了与此相一致的结果。PTCDI2的平均粒径为130nm (图ll)，其大于透射电镜得到的 球形聚集体的直径，这是由于在透射电镜的条件下没有溶剂的参与使得聚集体收縮。而测 试PTCDI2H2时，没有检测到有效的粒径。
实施例6
PTCDI 2对水溶性芳香类客体分子的识别研究
在l.O x 10—SM下，PTCDI2中分别加入50倍的苯磺酸钠、2-萘磺酸钠、2-蒽酸钠和芘 丁酸钠，如图12所示，苯磺酸钠和2-萘磺酸钠的加入PTCDI2的紫外光谱没有明显的变化。 当加入2-蒽酸钠后，PTCDI2的0-1峰明显下降，并且O-l峰和O-O峰发生明显的红移，从497 nm和529 nm位移到504 nm和536 nm, O-l峰高于O-O峰。而当加入芘丁酸钠后，O-l峰明显 下降，0-l峰和0-0峰红移到511nm和545 nm，并且O-O峰高于O-l峰。通过对比O-O峰的位置 和O-O峰与O-l峰的比值，可以实现蒽和芘的选择性识别。2-蒽酸钠和芘丁酸钠对主体化合 物PTCDI2的紫外滴定光谱显示随着客体分子的加入，由于主客体分子间的电子相互作用 以及由于客体包结导致的茈酰亚胺的聚集行为的改变使得PTCDI 2的0-0峰和0-l都发生 明显的红移，通过公式拟合得到PTCDI2与客体2-蒽酸钠和芘丁酸钠的稳定常数分别9.1 x 103NT^4.3 x 10"lvr1 (图13和15)，通过Job法得到主客体分子作用的键合比为l: 1 (图 14和16)。同时，我们利用核磁谱研究了PTCDI 2与芘丁酸钠的包结模式。如图17所示， 芘丁酸钠苯环上质子H在5 7.6-6.9 ppm之间，与主体化合物PTCDI 2形成包合物后基本没 有发生明显的位移，而PTCDI2的菲酰亚胺苯环上的质子H明显的向高场位移，从S8.3-7.5 ppm处位移到56.5ppm，这是由于芘与芘酰亚胺之间发生电子相互作用以及由于环糊精的 包结客体分子导致的茈酰亚胺的聚集行为发生改变所致。芘丁酸钠与PTCDI 2的二维 NOESY研究给出了主客体分子相互作用的较详细的信息，如图18所示，芘的芳环上的质 子H与丁基上的-CH2CH2CHr相关(图18中的A)，并且-CH2CH2CH2-与环糊精的H相关， 导致S7.5 ppm的芘的H与环糊精没有相关，环糊精包结在丁基位置；57.25 ppm和57.0 ppm处芘的苯环上的H与环糊精上的H存在强的相关(图18中的B),说明芘包结在环糊精的空 腔，并且与环糊精1位的H没有相关峰，同时芘的苯环上的H与茈酰亚胺的H存在强的相关 (图18中的C)，表明芘丁酸钠从大口端包入环糊精的空腔，，并且我们推测了其可能的包 结模式，如图19所示。
权利要求
1、一种苝酰亚胺桥式双全甲基化-乙二胺基-β-环糊精衍生物即PTCDI 2，其特征在于它的化学式为C152H236N4O72，其结构如下
2、 按照权利要求1所述的茈酰亚胺桥式双全甲基化-乙二胺基-环糊精衍生物的制备方法，其特征在于它包括下述步骤(1 )室温下将2份6-脱氧-6-乙二胺基-全甲基化-)S-环糊精与1份茈四甲酸酐和1份乙酸 锌加入到吡啶溶液中，氮气保护下加热至80-120°C，保持48-72小时；(2)将上述反应体系降至室温，减压蒸去溶剂得到红色固体，用氯仿溶解固体，用水 洗去乙酸锌，氯仿相用无水硫酸钠干燥，过滤除去硫酸钠，旋出氯仿，浓縮后的样品用硅胶 柱分离，洗脱剂为体积比30/1的氯仿/甲醇，得到红色茈酰亚胺桥式双全甲基化-乙二胺基---环糊精衍生物。
3、 按照权利要求1所述的茈酰亚胺桥式双全甲基化-乙二胺基"#~环糊精衍生物，其特 征在于该化合物自组装为纳米级的球形聚集体有非常弱的荧光，质子化后由于分子间的静电 斥力增加导致超分子聚集体解聚，同时分子内的光诱导电子转移过程被阻断而产生强的荧光。
4、 一种权利要求1的茈酰亚胺桥式双全甲基化-乙二胺基-)3-环糊精衍生物对芳香类客 体分子的光学传感应用方法，其特征在于全甲基化-)5"环糊精作为特定客体分子的接收器，花 酰亚胺的特征光学性质作为检测信号，通过主客体分子间的相互作用引起的聚集体光学性质 的变化，实现了对水溶性芳香类客体分子苯磺酸钠、2-萘磺酸钠、2-蒽酸钠和芘丁酸钠中的 2-蒽酸钠和芘丁酸钠的光学传感。
全文摘要
本发明涉及苝酰亚胺桥式双全甲基化-乙二胺基-β-环糊精衍生物及合成，该分子的化学式为C₁₅₂H₂₃₆N₄O₇₂，结构如附图所示。该化合物在水溶液中自组装成为纳米级的球形聚集体，通过质子化亚胺基使得分子间的静电斥力增加导致超分子聚集体解聚，同时分子内的光诱导电子转移过程被阻断而产生强的荧光，实现了pH值调控的聚集行为和光学性质的变化。该化合物中的环糊精作为特定分子的接收器，苝的优良光学性质作为检测器，能够实现对水溶性芳香类客体分子(苯磺酸钠、2-萘磺酸钠、2-蒽酸钠和芘丁酸钠)的光学传感，模型客体分子结构如附图所示。
文档编号C08B37/00GK101555295SQ20091006896
公开日2009年10月14日 申请日期2009年5月22日 优先权日2009年5月22日
发明者育 刘, 孙战虎, 王克让, 蒋邦平, 郭东升 申请人:南开大学