一种作为近红外荧光探针的含腈基的薁-苯乙烯衍生物及其制备方法和应用
【专利摘要】本发明属于荧光染料技术领域，具体为一种含腈基的薁?苯乙烯衍生物及其制备方法和应用。本发明提出的含腈基的薁?苯乙烯衍生物是在腈基苯乙烯结构上引入薁而得到的3?(1?薁基)?2?(4?羟基苯基)丙烯腈衍生物，其对酸具有高效的响应，与酸作用后荧光有明显的增强，可作为一类优良的pH荧光增强型探针，可用于水体、土壤及生物体内pH值的检测。此外，该类衍生物与酸形成的复合物还对紫外光有响应，用紫外光进行照射后，在近红外区产生很强的荧光发射信号，可以作为一种优秀的近红外荧光染料，用于生物体及细胞的荧光标记等。
【专利说明】
一种作为近红外荧光探针的含腈基的莫-苯乙烯衍生物及其 制备方法和应用
技术领域
[0001] 本发明属于荧光染料技术领域，具体涉及一种含腈基的奧-苯乙烯衍生物，以及该 类化合物的制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 荧光技术由于灵敏度高、选择性好、操作简便等诸多优点，在生物分析及造影方面 的应用十分广泛。传统的荧光分子探针的发光主要集中在可见光的范围（400-750 nm)，同 时许多生物体及其组织在紫外/可见光激发下自身会发射荧光，从而对生物样品的荧光检 测和成像造成了严重的干扰。近红外荧光探针的最大吸收和发射波长为600-900 nm，可避 免生物样品自身的干扰，在生物样品分析中有明显的优势。
[0003] 腈基苯乙烯衍生物是一类具有典型的光致异构π共辄分子，其光照顺反异构现象 可被用于分子开关、光敏调控等体系。它的反式异构体在热力学上比较稳定，在有光照的条 件下，反式异构体可以转变为顺式异构体，分子内的双键是重要的光敏基团（W. Fub，et al.如gw. CAei，及/.，2004，妨，4178.)，此类化合物可以作为荧光探针检测微 环境的变化（Z. R. Grabowski, et al. 7?eK·，2003，2似，3899·)。但目前对于此 类化合物的研究及其应用主要集中在"聚集诱导发光效应"上(B.-K. An，et al.上 CAeffi. 5bc.，2002，224，14410.)，而对其进行衍生化从而得到能对特定刺激产生相应的 智能材料的研究非常少。
[0004] 奧及其衍生物是一类能对酸产生响应的化合物，在酸性环境下其七元环可以稳定 氢离子，同时其吸收和发射光谱都会产生较大的变化。
[0005] 结合以上研究背景，目前，开发出能对多种刺激进行精确响应的、可调控的、高灵 敏度近红外荧光染料具有重要的意义，在光电领域具有非常重要的作用，适用于化学传感、 生物标记、智能材料和发光器件等方面。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种能对多种刺激进行精确响应的、可调控的、高灵敏度 近红外荧光探针及其制备方法和应用。
[0007] 本发明首先设计、合成一种含腈基的奧-苯乙烯衍生物。该化合物能对酸高效的响 应，与酸作用后荧光有明显的增强，可作为一类优良的pH荧光探针;除此之外，在其和酸作 用之后，再用紫外光进行照射，能在近红外光区有良好的荧光发射信号，可以作为一种近红 外荧光染料。
[0008] 本发明利用腈基苯乙烯对光照的刺激响应性，在腈基苯乙烯结构上引入奧作为对 酸响应的活性位点，利用二者的性质产生协同作用，实现了对pH的响应和近红外荧光的发 射。
[0009] 本发明提供的含腈基的奧-苯乙烯衍生物，是在腈基苯乙烯结构上引入奧而得到 的3-(1-奧基)-2-(4-羟基苯基)丙烯腈衍生物，可作为一种近红外荧光探针，其结构式如通 式I所示，
通式I 其中： R为氢，或1-8个碳原子的烷基； 进一步的，R为4-6个碳原子的烷基； 进一步的，R为4个碳原子的烷基。
[0010] 本发明还提供上述荧光探针的制备方法，其合成路线如下所示：
具体步骤如下： (1) 在氮气保护下，以干燥的N，N-二甲基甲酰胺作为反应溶剂，将适量的三氯氧磷滴入 后，逐渐升至室温，反应0.5-2小时;然后将底物奧加入，三氯氧磷和奧的摩尔质量比为1-3 mmol:0.8-l mmol;在25-40 °C下反应0.5-3小时，得到1-奧甲醛，即为反应式中化合物3; (2) 以乙酸酐为溶剂，浓硫酸为催化剂，将4-羟基苯乙腈与乙酸酐反应得到乙酰化的产 物(4-氰基甲基)苯酚乙酯，即为反应式中化合物4;其中，4-羟基苯乙腈与乙酸酐的摩尔体 积比为〇.8 _2 mmol:5_20 mL; (3) 在氮气保护下，将1，8_二氮杂二环十一碳-7-烯加入到化合物3和化合物4的吡啶溶 液中，在回流条件下反应8-12小时，得到缩合产物3-(1-奧基)-2-(4-羟基苯基)丙烯腈，即 为反应式中化合物2;其中，1，8_二氮杂二环十一碳-7-烯与化合物3和化合物4的摩尔质量 比为0.8-2 mmol :0.8-2 mmol :0.8-4 mmol ； (4) 在氮气保护下，将化合物2溶于干燥的丙酮中，加入碳酸钾和相应的溴代烷(RBr)， 在25-80 °C下反应4-20小时，得到取代的3-(1-奧基)-2-(4-羟基苯基)丙烯腈，即为反应式 中化合物1。
[0011] 本发明中，步骤⑷中，化合物2(3-(1-奧基)-2-(4-羟基苯基)丙烯腈)和丙酮的摩 尔体积比为0.8~1.2 mmo 1:18~30 mL，化合物2、碳酸钾、溴代烷的摩尔比为0.8~1.2: 2~3: 0.8~1.6,在25-80 °C下搅拌反应4-20小时，过滤，滤液真空浓缩，柱层析分离，得取代的3-(1-奧基)-2-( 4-羟基苯基)丙稀腈。
[0012] 本发明提供的含腈基的奧-苯乙烯衍生物，可以用于检测检测PH值。将该化合物与 氢离子反应，生成具有通式II结构的化合物，导致荧光改变，从而检测溶液中的H+;
通式II 通式II中R与通式I表示的化合物中的R相同。
[0013] 所述通式I结构的化合物用于检测H+的工序如下： (1)将通式I结构的化合物与H+反应； (2 )测定由上述工序中的反应引起的体系荧光变化。
[0014] 本发明提供的含腈基的奧-苯乙烯衍生物，也可以作为近红外荧光染料。将通式II 结构的化合物用紫外光光照，生成具有通式III结构的化合物，其在近红外区有新的荧光发 射峰。
[0015] 通式 III 通式I结构的化合物用于近红外荧光测定的工序如下： (1) 将通式I结构的化合物与H+反应，形成通式II结构的化合物； (2) 将通式II结构的化合物用紫外光照射，形成通式III结构的化合物； (3 )测定由上述工序中的反应引起的体系荧光变化。
[0016] 本发明提供的化合物可用于水体、土壤或生物体系中的检测。
[0017] 相对于现有的pH荧光探针和近红外荧光染料而言，本发明所提供的3-(1-奧基)_ 2-(4-羟基苯基)丙烯腈衍生物具有合成简单、单分子多功能化的优点。解决了现有技术中 探针单一响应、成本较高、合成路线复杂的技术问题。
【附图说明】
[0018] 图1.本发明提供的近红外荧光探针应用的原理示意图。
[0019] 图2.实施例1中，0.5 ymol/L化合物I在加入不同当量的三氟乙酸后荧光发射图 谱，从下到上，三氟乙酸的浓度依次为0、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 111〇1/1，溶液体系为三 氯甲烷，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度值。
[0020] 图3. 0.5 ymol/L化合物1-1在加入0.5 mol/L的三氟乙酸后，经过365 nm的紫外 光照射30分钟后，荧光发射强度有明显的减弱，溶液体系为三氯甲烷，横坐标为波长，纵坐 标为荧光强度值。
[0021] 图4. 0.5 ymol/L化合物1-1在加入0.5 mol/L的三氟乙酸后，经过365 nm的紫外 光照射30分钟后，用430 nm的紫外光激发能得到503 nm和810 nm两个发射峰，溶液体系为 三氯甲烷，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度值。
[0022] 图5. 0.5 ymol/L化合物1-1在加入0.5 mol/L的三氟乙酸后经过365 nm的紫外光 照射30分钟后，用725nm的近红外光激发能得到810 nm的荧光发射峰，溶液体系为三氯甲 烷，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度值。
【具体实施方式】
[0023]下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，其目的仅在于更好地理解本发明的内 容。因此，所举之例并不限制本发明的保护范围。
[0024]下列实施例中所说的室温是:25-28 °C ;所用原料及试剂均未市售品。
[0025] 实施例1 (1)化合物3的合成 在50mL的圆底烧瓶中加入lmL N，N-二甲基甲酰胺，0 °C下缓慢加入O.lmL三氯氧磷，之 后缓慢升至室温反应30分钟，随后加入奧(0.128 mg，l mmol)，在室温下反应1小时后加入 稀的氢氧化钠溶液调节pH至中性，用二氯甲烷萃取三次（15mLX3)，合并有机层，用饱和食 盐水洗，无水硫酸钠干燥。真空浓缩后经柱层析分离纯化，以石油醚：乙酸乙酯=10: l(v/v) 为洗脱剂，得深紫色油状液体3,产率95%。咕M1R (400 MHz，CDC13) <?(ppm):10.38 (s， 1Η)，9·62 (d，/= 9.6 Ηζ，1Η)，8·54 (d，/= 9.7 Ηζ，1Η)，8·30 (d，/= 4.2 Ηζ，1Η)， 7.89 (t，/= 9.7 Ηζ，2Η)，7·66 (t，/= 9.9 Ηζ，1Η)，7·56 (t，/= 9.7 Ηζ，2Η)，7·36 (d， /=4.1 Hz,lH)〇
[0026] (2)化合物4的合成 在lOOmL的圆底烧瓶中加入20mL乙酸酐，随后加入4-羟基苯乙腈（0.665 mg，0.5 mmol)和两滴浓硫酸。在氮气保护下回流4小时后冷却至室温，缓慢倒入冰水中，用饱和碳酸 钠溶液调节pH至中性，用二氯甲烷萃取三次(20mLX3)，合并有机层，用饱和食盐水洗，无水 硫酸钠干燥。真空浓缩后经柱层析分离纯化，以石油醚：乙酸乙酯=10: l(v/V)为洗脱剂，得 白色固体4,产率95%</H NMR (400 MHz, CDC13) <?(ppm):7.37 - 7.32 (m，2H)，7.14-7.09 (m，2H)，3.75 (s，2H)，2.31 (s，3H)〇
[0027] (3)化合物2的合成 在50mL的圆底烧瓶中加入1-醛基奧（1 mmol)和5mL吡啶，随后加入乙酰基-4-羟基苯乙 腈（1.2 mmol)、DBU(1.2 mmol)，在氮气保护下100 °C反应12小时。反应结束后加入适量二 氯甲烷稀释，倒入稀盐酸中，用二氯甲烷萃取三次（15mLX3)，合并有机层，用饱和食盐水 洗，无水硫酸钠干燥。真空浓缩后经柱层析分离纯化，以石油醚：乙酸乙酯=5: l(v/v)为洗脱 剂，得绿色粉末状固体2,产率70%。咕 MMR (400 MHz，CDC13) <?(ppm):9.03 (d，/= 4.4 Ηζ，1Η)，8·53 (d，/= 9.9 Ηζ，1Η)，8·39-8·34 (m，lH)，8.02 (s，lH)，7.71 (t，/= 9.8 Ηζ，1Η)，7·66-7·62 (m，2H)，7.52 (d，/= 4.4 Ηζ，1Η)，7·33 (dd，/= 9·6,7·8 Hz，2H)， 6.95-6.91 (m，2H)，4.99 (s，lH). 13C NMR (101 MHz，CDC13) <?(ppm):155.87，143.59， 139.64,139.01，137.74,135.91，133.13,131.29,129.29,127.01，126.18,124.95,120.56， 116.03,115.98。
[0028] (4)化合物1(即通式I所示化合物)的合成 在50mL的圆底烧瓶中加入20mL丙酮、化合物2、碳酸钾和1-溴正丁烷，在氮气保护下回 流8小时，过滤，滤液真空浓缩后经柱层析分离纯化，以石油醚：乙酸乙酯=10: l(v/v)为洗脱 剂，得绿色粉末状固体 1-1，产率95%。咕 MMR (400 MHz，CDC13) <?(ppm):9.04 (d，/ = 4·4，1Η)，8·53 (d，/= 9·9，1Η)，8·36 (d，/= 9·3，1Η)，8·02 (s，lH)，7.70 (t，/= 7.5， 1Η)，7·66 (m，2H)，7.52 (d，/= 4·3，1Η)，7·31 (dd，/= 15·1，7·6,2Η)，6·97 (m，2H)， 4.02 (t，/= 6·5,2Η)，1·81 (m，2H)，1.53 (m，2H)，1.00 (t，/= 7.4,3H). 13C NMR (101 MHz, CDC13) (ppm):159.31，143.52,139.54,138.95,137.65,135.88,133.10,130.85， 129.03,128.02,126.72,126.08,124.86,123.45,120.51，120.23,114.97,67.91，31.31， 19.27,13.88〇
[0029] 实施例2 将上述所得化合物I溶解于三氯甲烷中，配置成0.5 ymol/L的溶液。将2mL溶液加入到1 cmXl cmX4 cm的带塞比色皿中，然后用微量注射器分别加入不同体积的三氟乙酸后均匀 混合1分钟后，测试其荧光发射光谱，= 302 nm，结果如图2所示。随着三氟乙酸的不断加 入，溶液的荧光强度逐渐加强。
[0030] 实施例3 将上述所得化合物I溶解于三氯甲烷中，配置成0.5 ymol/L的溶液。将2mL溶液加入到1 cmXl cmX4 cm的带塞比色皿中，然后用微量注射器分别加入一定体积的三氟乙酸后均勾 混合1分钟后，将加入酸之后的溶液置于365 nm光照下30分钟，测试其荧光发射光谱，λΘΧ = 302 nm，随着光照时间的增加，溶液的颜色会发生显著变化，由黄绿色变为深绿色，同时荧 光强度也有明显的下降，结果如图3所示。
[0031] 实施例4 将上述所得化合物I溶解于三氯甲烷中，配置成0.5 ymol/L的溶液。将2 mL溶液加入到 1 cmXl cmX4 cm的带塞比色皿中，然后用微量注射器分别加入一定体积的三氟乙酸后均 匀混合1分钟后，将加入酸之后的溶液置于365 nm光照下30分钟，测试其荧光发射光谱，λΘΧ =725 nm，在810 nm仍能有很强的荧光发射，结果如图5所示。
【主权项】
1. 一种含腈基的奧-苯乙烯衍生物，其特征在于是在腈基苯乙烯结构上引入奧而得到 的3-α-奧基)-2-(4-羟基苯基)丙烯腈衍生物，可作为近红外荧光探针，其结构式如通式I 所示：通式I 其中： R为氢，或1-8个碳原子的烷基。2. 如权利要求1所述的含腈基的奧-苯乙烯衍生物，其特征在于，结构式中R为4-6个碳 原子的烷基。3. 如权利要求1所述的含腈基的奧-苯乙烯衍生物，其特征在于，结构式中R为4个碳原 子的烷基。4. 一种如权利要求1所述的含腈基的奧-苯乙烯衍生物的制备方法，其特征在于具体步 骤如下： (1) 在氮气保护下，以干燥的N，N-二甲基甲酰胺作为反应溶剂，将适量的三氯氧磷滴入 后，逐渐升至室温，反应0.5-2小时;然后将底物奧加入，三氯氧磷和奧的摩尔质量比为1-3 mmol:0.8-l mmol;在25-40 °C下反应0.5-3小时，得到1-奧甲醛，即为反应式中化合物3; (2) 以乙酸酐为溶剂，浓硫酸为催化剂，将4-羟基苯乙腈与乙酸酐反应得到乙酰化的产 物(4-氰基甲基)苯酚乙酯，即为反应式中化合物4;其中，4-羟基苯乙腈与乙酸酐的摩尔体 积比为〇.8 _2 Mnol :5_20 mL; (3) 在氮气保护下，将1，8_二氮杂二环十一碳-7-烯加入到化合物3和化合物4的吡啶溶 液中，在回流条件下反应8-12小时，得到缩合产物3-(1-奧基)-2-(4-羟基苯基)丙烯腈，即 为反应式中化合物2;其中，1，8_二氮杂二环十一碳-7-烯与化合物3和化合物4的摩尔质量 比为0.8-2 mmol :0.8-2 mmol :0.8-4 mmol ； (4) 在氮气保护下，将化合物2溶于干燥的丙酮中，加入碳酸钾和相应的溴代烷，在25-80 °C下反应4-20小时，得到取代的3-(1-奧基)-2-(4-羟基苯基)丙烯腈，即为通式I所示的 化合物。5. 如权利要求4所述的制备方法，其特征在于:步骤(4)中，化合物2和丙酮的摩尔体积 比为0 · 8~1 · 2 mmol: 18~30 mL，化合物2、碳酸钾、溴代烷的摩尔比为0 · 8~1 · 2:2~3:0 · 8~1 · 6; 反应结束后，进行过滤，滤液真空浓缩，柱层析分离，得取代的3-(1-奧基)-2-(4-羟基苯基） 丙稀腈。6. 权利要求1-3之一所述的含腈基的奧-苯乙烯衍生物作为荧光探针在检测pH值的应 用。7. 根据权利要求6所述的应用，其特征在于，具体工序为： (1)将通式I结构的化合物与H+反应，生成具有通式II结构的化合物：通式II 通式II中，R与通式I的化合物中的R相同； (2 )测定由上述工序中的反应引起的体系荧光变化，从而检测溶液中的H+。8. 权利要求1-3之一所述的含腈基的奧-苯乙烯衍生物作为近红外荧光染料方面的应 用。9. 根据权利要求8所述的的应用，其特征在于，具体工序为 (1) 将通式I结构的化合物与H+反应，形成通式II结构的化合物：通式II 通式II中，R与通式I的化合物中的R相同； (2) 将通式II结构的化合物用紫外光照射，形成通式III化合物：通式III (3 )测定由上述工序中的反应引起的体系荧光变化。
【文档编号】C07C255/37GK105884650SQ201610241333
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】朱亮亮, 周蕴赟
【申请人】复旦大学