专利名称：含n-氧化吡啶基团的水溶性苝酰亚胺衍生物及其合成方法
技术领域：
本发明涉及一类水溶性茈酰亚胺衍生物及其合成方法，属于有机合成技术领域。
背景技术：
茈酰亚胺类化合物是一种刚性，平面，共轭的稠环大分子，具有很好的光化学稳定 性和强的荧光性，在早期的研究中主要被作为颜料或染料。以后发现茈酰亚胺类化合物具 有很好的光电活性，可应用于有机光导体、太阳能转化等领域，因而又引起众多高技术应用 领域内研究者的兴趣，其应用又渗透到彩色液晶显示、以及有机光电分子器件等前沿科技 领域。 近年来，此类化合物已经应用于生物领域，例如抗病毒剂和细胞抑制剂等，水溶性
差直接影响了它在生物和颜料领域的应用，因此提高此类化合物的水溶性及保持高荧光具
有重要意义。目前此类化合物水溶性的解决主要是通过在茈上引入水溶性的基团，如磺酸
基、季铵离子等(结构式如下所示)
<formula>formula see original document page 4</formula>
尽管上述化合物的水溶性得到了一定的提高，但这些化合物在水中的荧光量子产 率较低，而且合成过程中存在不同的问题，如使用了浓硫酸，损害反应的设备并带来严重污 染；使用了价格高、低沸点、毒性大的碘甲烷等原料，使其所得到的目标化合物的成本过高， 需要严格的劳动保护措施。
发明内容
本发明的目的是提供了一类含N-氧化吡啶基团的水溶性茈酰亚胺衍生物，该类 衍生物毒性小且荧光量子产率高。 本发明的另一 目的是提供该类衍生物的制备方法。
本发明采取的技术方案为 含N-氧化吡啶基团的水溶性菲酰亚胺衍生物，具有如下结构通式
R' = ORorH 其中，R'二 OR或H，取代基R相同或不同，独立地选自N-氧化吡啶基或烃基，且至
少一个取代基R为N-氧化吡啶基；所述的烃基为烷烃基或芳香烃基。 含N-氧化吡啶基团的水溶性菲酰亚胺衍生物优选具有如下结构通式的化合物<formula>formula see original document page 5</formula> 其中
含N-氧化吡啶基团的水溶性菲酰亚胺衍生物的制备方法，包括如下步骤
(1)卤代N，N'-二环己基茈-3，4:9，10-四羧酸二酰亚胺的制备(其制备采用现 有技术，先用3，4 :9，10-茈四羧酸二酐和环己胺合成N， N' -二环己基-3，4 :9，10-茈四羧 酸二酰亚胺如CN1706842A，再将N，N' _ 二环己基_3，4 :9， 10-茈四羧酸二酰亚胺卤化)；
(2)向卤代N，N' -二环己基茈_3，4 :9，10-四羧酸二酰亚胺中加入一定量的含羟 基取代试剂、碳酸钾和N-甲基吡咯烷酮，70 12(TC下反应24 36小时，冷却至室温，将 反应后的溶液倒入适量HC1溶液中，静止后抽滤，再将产物水洗和醇洗并干燥，然后柱色谱 分离； (3)将步骤(2)得到的产物中加入异丙醇和氢氧化钾，搅拌并加热回流20 30h， 再加入冰乙酸中止皂化，将产物加水过滤、洗涤并干燥得水解产物，将得到的水解产物再与 对氨基吡啶在喹啉中于130 15(TC加热搅拌下反应8 12小时，然后冷却，将反应后溶 液倒入HC1溶液中抽滤，水洗并干燥，柱色谱分离得取代产物，将得到的取代产物中加入乙 酸和双氧水，室温搅拌0. 2 1小时，然后加热至80 9(TC反应15 30小时，期间适当 补加双氧水，冷却至室温，将溶液倒入水中，静止抽滤并干燥然后柱色谱分离得最终产物； 或者将步骤(2)得到的产物中直接加入乙酸和双氧水，室温搅拌O. 2 1小时，然后加热至 80 9(TC反应15 30小时，期间适当补加双氧水，冷却至室温，将溶液倒入水中，静止抽滤并干燥然后柱色谱分离得最终产物。 步骤(l)中所述的卤代N，N'-二环己基茈-3，4:9，10-四羧酸二酰亚胺为l，7-二 溴-N，N'- 二环己基-3， 4 :9， 10-菲四羧酸二酰亚胺或1， 6， 7， 12-四氯-N，N'- 二环己基-3， 4:9，10-四羧酸二酰亚胺。 步骤(2)中所述的卤代N，N' - 二环己基茈-3， 4 :9， 10-四羧酸二酰亚胺与含羟基 取代基试剂的摩尔比例为l : 2 20，优选1 : 2 10，碳酸钾与含羟基取代基试剂的摩尔 比例为l : 1 ;N-甲基吡咯烷酮的用量至少为使N，N'-二环己基茈-3，4 :9，10-四羧酸二酰 亚胺溶解；HC1溶液的质量浓度为5% 20%，优选5% 10%，其用量为N-甲基吡咯烷酮 体积的2 20倍，优选3 10倍；所述的含羟基取代试剂为羟基吡啶或苯酚或取代苯酚，
所述的柱色谱分离以二氯甲烷丙酮=20 : 1(v/v)或者二氯甲烷石油醚二i : i(vzV) 为淋洗液。 步骤(3)中所述的步骤(2)得到的产物与氢氧化钾的质量比例为1 : 1 100， 优选为1 : 2 10 ;异丁醇的用量至少为能使步骤(2)得到的产物加热条件下全部溶解； 冰乙酸的量以摩尔计为所用氢氧化钾的1. 2 10倍；得到的水解产物与对氨基吡啶的摩
尔比例为i : 1 20，优选比为i : i 5，喹啉的用量至少为使得到的水解产物溶解；
HC1溶液的质量浓度为5% 20% ，优选5% 10% ，其用量为喹啉体积的2 20倍，优选
3 IO倍；乙酸的用量至少为在加热条件下能使得到的取代产物或步骤(2)得到的产物全
部溶解，双氧水的用量至少为能使得到的取代产物或步骤(2)得到的产物在所述反应时间 内全部被氧化(TLC检测)；所述的柱色谱分离以二氯甲烷丙酮=30 : 1(v/v)或二氯甲
烷四氢呋喃=io : 1(v/v)或三氯甲烷四氢呋喃甲醇=250 : 50 : 3(v/v/v)或 者三氯甲烷四氢呋喃甲醇=30 : io : i(v/v/v)或者三氯甲烷四氢呋喃甲醇= 50 : io : 3(v/v/v)为淋洗液。
本发明所述的有益效果是 制备方法条件容易控制，反应比较温和，原料经济，制备的含N-氧化吡啶基团的
水溶性菲酰亚胺衍生物毒性小且荧光量子产率高。
图1为1，7_二 (3-吡啶氧基)-N， N' -二环己基-3，4:9，10-茈二酰亚胺的合成 路线图； 图2为l，6，7，12-四对叔丁基苯氧基-N，N'-二 (4-氮氧化吡啶基)_3，4 :9，10-菲 四羧酸二酰亚胺的合成路线图； 图3为1，7_二 (3-吡啶氧基)-N，N'-二 (4-氮氧化吡啶基)_3， 4 :9，10-茈四羧
酸二酰亚胺的合成路线图。
具体实施方式
实施例1 1，7_二 (3-吡啶氧基)-N，N'-二环己基-3，4:9，10-茈二酰亚胺的制备(合成路 线见图1): 于100毫升反应瓶加入2. 00克3，4 :9， 10-茈四羧酸二酐和30毫升环己胺，剧烈
6搅拌下加热回流至固体完全溶解，大约40小时，减压蒸出过量的环己胺回收，干燥得2. 70 克产物N，N' -二环己基-3，4 :9，10-茈四羧酸二酰亚胺，收率96% ; 于250毫升反应瓶加入2.00克N， N' _二环己基_3，4 :9， 10-茈四羧酸二酰亚胺 和150毫升二氯甲烷，然后30分钟内滴加30毫升含10克溴素的二氯甲烷溶液，氩气保护下 加热回流4天，冷却至室温，常压蒸出二氯甲烷和溴素的混合液回收，柱色谱分离，二氯甲 烷为淋洗液，得1.28克产物1，7-二溴-N， N' -二环己基-3，4 :9， 10-茈四羧酸二酰亚胺， 收率50% ; 于25毫升反应瓶中加入0. 50克1， 7- 二溴-N，N' - 二环己基_3，4 :9， 10-茈四羧 酸二酰亚胺，O. 34克间羟基吡啶，再加入0.49克碳酸钾、10毫升^甲基吡咯烷酮(NMP)， 8(TC反应30小时，冷却至室温，将溶液倒入100毫升20% (wt% )HC1溶液中，静止过夜，抽
滤，水洗至中性，再用少量甲醇洗，干燥，柱色谱分离，二氯甲烷丙酮=20 : i为淋洗液，
得311毫克产物1，7-二 (3-吡啶氧基)-N， N' -二环己基-3，4:9，10-茈二酰亚胺，产率 60% ; 于25毫升反应瓶加入0. 30克1，7-二 (3-吡啶氧基)-N， N' -二环己基-3，4:9， 10-茈二酰亚胺，3毫升乙酸，1毫升双氧水，室温搅拌0. 5小时，然后加热至80°C ，反应3小 时后补加1毫升双氧水，反应24小时，冷却至室温，将溶液倒入10毫升水中，静止过夜，抽
滤，干燥，柱色谱分离，三氯甲烷四氢呋喃甲醇=30 : io : i为淋洗液，得ioo毫克产
物1，7-二 (3-吡啶氧基)-N，N' -二环己基_3，4 :9，10-茈二酰亚胺，产率32%。 得到的1，7_ 二 (3-吡啶氧基)-N， N' _ 二环己基_3，4 :9， 10-茈二酰亚胺的核磁
分析如下 力NMR (300MHz ， CDC13，卯m) : S 9. 28 (2H， d， J = 8. 3Hz) ， 8. 65 (d， 2H， J = 8. 3Hz)， 8. 36 (s， 2H) ， 8. 12 (m， 4H) ， 7. 37 (m， 2H) ， 7. 13 (m， 2H) ， 5. 00 (m， 2H) ， 2. 57-2. 46 (m， 2H)， 1. 90-1. 75 (m， 8H) ， 1. 52-1. 24 (m， 6H) ， 2. 48-2. 57 (m， 4H) 13C NMR(75MHz， CDC13， ppm) : S 163. 143， 162. 566， 152. 110， 132. 125， 131. 200， 131. 070， 129. 051， 126. 370， 125. 470， 125. 163， 125. 045， 123. 653， 107. 866，67. 598， 54. 310， 29. 145， 26. 427， 25. 328， 23. 898.
实施例2 1，6，7，12_四对叔丁基苯氧基-N，N' -二 (4-氮氧化吡啶基)_3， 4 :9， 10-菲四羧 酸二酰亚胺的制备(合成路线见图2): 于50毫升反应瓶中加入l.OO克1，6，7，12-四氯-N，N'-二环己基-3，4 :9， 10-四 羧酸二酰亚胺，1. 74克叔丁基苯酚，再加入0. 97克碳酸钾、20毫升N-甲基吡咯烷酮(NMP)， ll(TC反应24小时，冷却至室温，将溶液倾入150毫升20% HC1溶液中，静止过夜，抽滤，
水洗至中性，再用少量甲醇洗，干燥，柱色谱分离，二氯甲烷石油醚=i : i为淋洗液，得
1.07克产物1，6，7，12-四对叔丁基苯氧基-3，4 :9，10-茈四羧酸二酰亚胺，收率65% ;
于50毫升反应瓶中加入0. 50克l，6，7，12-四对叔丁基苯氧基-N， N' -二环己 基-3， 4 :9， 10-茈四羧酸二酰亚胺，30毫升异丙醇，再加入0. 61克氢氧化钾，常温搅拌1小 时，然后加热回流24小时后，加入过量的冰乙酸中止皂化，再回流0. 5小时，冷至室温，将反 应液倾入大量水中，静置过夜，抽滤，水洗，干燥，得386毫克产物1 ， 6， 7， 12-四对叔丁基苯 氧基-3，4 :9，10-茈四羧酸二酐，收率90% ;
于25毫升反应瓶加入中0. 40克l，6，7，12-四对叔丁基苯氧基-N， N' -二环己 基-3， 4 :9， 10-茈四羧酸二酐，0. 19克对氨基吡啶，6毫升喹啉，反应升温至140°C ，继续加 热搅拌10小时，冷却至室温，将溶液倾入50毫升20% (wt% )HC1溶液中，静止过夜，抽滤， 水洗至中性，干燥，柱色谱分离，二氯甲烷丙酮=30 : l为淋洗液，得277毫克产物1，6， 7， 12-四对叔丁基苯氧基-N， N' - 二 (4-吡啶)-3， 4 :9， 10-茈四羧酸二酰亚胺，收率60% ;
于25毫升反应瓶加入中0. 30克l，6，7，12-四对叔丁基苯氧基-N，N' -二 (4-吡 啶)-3，4 :9， 10-茈四羧酸二酰亚胺，3毫升乙酸，1毫升双氧水，室温搅拌0. 5小时，然后加 热至80°C，反应3小时后补加1毫升双氧水，反应24小时，冷却至室温，将溶液倒入10毫
升水中，静止过夜，抽滤，干燥，柱色谱分离，以三氯甲烷四氢呋喃甲醇=250 : 50 : 3
为淋洗液，得92毫克产物1，6，7， 12-四对叔丁基苯氧基-N，N'- 二 (4-氮氧化吡啶基)_3， 4 :9，10-茈四羧酸二酰亚胺，收率30%。得到的1，6，7，12-四对叔丁基苯氧基-N， N' - 二 (4-氮氧化吡啶基)-3，4 :9，10-茈四羧酸二酰亚胺核磁分析如下 力NMR(300MHz， CDC13，卯m) : S8.71(d，4H， J = 6. 3Hz) ， 8. 26 (s， 4H) ， 7. 58 (d， 4H， J = 6. 3Hz) ， 7. 26 (d， 8H， J = 8. 2Hz) ， 6. 84 (d， 8H， J = 8. 2Hz) ， 1. 29 (s， 36H)
13C NMR(75MHz， CDC13， ppm) : S 162. 381， 156. 279， 152. 460， 147. 950， 139. 721， 133.127，127.239，126.845，121.579，121. 176，120. 312，119. 499，119. 255,31. 394.
实施例3 1，7_二 (3-吡啶氧基)-N，N' -二 (4-氮氧化吡啶基)_3， 4 :9， 10-茈四羧酸二酰 亚胺的制备(合成路线见图3): 于50毫升反应瓶中加入0. 70克1， 7- 二溴-N，N' - 二环己基_3， 4 :9， 10-四羧酸 二酰亚胺，O. 55克间羟基吡啶，再加入0. 81克碳酸钾、20毫升N-甲基吡咯烷酮(NMP) ，80°C 反应24小时，冷却至室温，将溶液倾入150毫升20% (wt% )HC1溶液中，静止过夜抽滤，水 洗至中性，再用少量甲醇洗，干燥，柱色谱分离，以二氯甲烷丙酮=20 : l为淋洗液，得 702毫克产物1，7-二 (3-吡啶氧基)-3，4 :9，10-茈四羧酸二酰亚胺，收率80% ;
于50毫升反应瓶中加入0. 60克1 ， 7- 二 (3-吡啶氧基)_N， N' - 二环己基_3， 4 :9， 10-茈四羧酸二酰亚胺，30毫升异丙醇，再加入1. 36克氢氧化钾，常温搅拌1小时，再加热 回流24小时后，加入过量的冰乙酸中止皂化，再回流O. 5小时，冷至室温，将反应液倾入大 量水中，静置过夜，抽滤，水洗，干燥，得437毫克产物1 ， 7- 二 (3-吡啶氧基)-3， 4 :9， 10-茈 四羧酸二酐，收率87% ; 于25毫升反应瓶中加入中0.40克l，7-二 (3_吡啶氧基)_3，4 :9，10-茈四羧酸二 酐，0. 33克对氨基吡啶，6毫升喹啉，反应升温至140°C ，继续加热搅拌10小时，冷却至室温， 将溶液倾入50毫升20% HC1溶液中，静止过夜，抽滤，水洗至中性，干燥，柱色谱分离，以二 氯甲烷四氢呋喃=10 : l为淋洗液，得281毫克产物l，7-二 (3-吡啶氧基)-N，N'-二 (4-吡啶)-3，4 :9，10-茈四羧酸二酰亚胺，收率55% ; 于25毫升反应瓶中加入中0. 20克1，7-二 (3-吡啶氧基)-N， N'-二 (4-吡啶)-3， 4 :9，10-茈四羧酸二酰亚胺，2毫升乙酸，l毫升30%双氧水，室温搅拌0. 5小时，然后加热 至80°C，反应3小时后补加1毫升30%双氧水，反应24小时，冷却至室温，将溶液倒入10
毫升水中，静止过夜，抽滤，干燥，柱色谱分离，以三氯甲烷四氢呋喃甲醇=50 : io : 3
为淋洗液，得74毫克产物1，7-二 (3-吡啶氧基)-N， N' -二 (4-氮氧化吡啶基)-3，4 :9，10_茈四羧酸二酰亚胺，收率34%。得到的1，7-二 (3-吡啶氧基)-N， N' -二 (4-氮氧化 吡啶基)_3，4 :9， 10-茈四羧酸二酰亚胺核磁分析如下 力NMR(300MHz，DMS0-d6，卯m) : S 9. 39 (d， 1H， J = 7. 8Hz) ， 8. 60 (d， 1H， J = 7. 8Hz)， 8. 43 (m， 5H) ， 8. 32 (s， 1H) ， 8. 13 (d， 2H， J = 7. 2Hz) ， 7. 75 (m， 3H) ， 7. 54—7. 45 (m， 5H) ， 7. 21 (m， 3H)，6.81(d，lH， J = 7. 8Hz)
MS(MALDI—TOF) :m/z 762. 2 (M+)。
权利要求
含N-氧化吡啶基团的水溶性苝酰亚胺衍生物，其特征是具有如下结构通式其中，R’＝OR或H，取代基R相同或不同，独立地选自N-氧化吡啶基或烃基，且至少一个取代基R为N-氧化吡啶基；所述的烃基为烷烃基或芳香烃基。F2009102295266C0000011.tif
2.<image>image see original document page 2</image><formula>formula see original document page 2</formula>
3.按照权利要求1或2所述的含N-氧化吡啶基团的水溶性茈酰亚胺衍生物的制备方法，其特征是包括如下步骤(1) 卤代N，N' -二环己基茈-3，4:9，10-四羧酸二酰亚胺的制备；(2) 向卤代N，N' -二环己基茈-3，4 :9， 10-四羧酸二酰亚胺中加入一定量的含羟基取 代试剂、碳酸钾和N-甲基吡咯烷酮，70 12(TC下反应24 36小时，冷却至室温，将反应后 的溶液倒入适量HC1溶液中，静止后抽滤，再将产物水洗和醇洗并干燥，然后柱色谱分离；(3) 将步骤(2)得到的产物中加入异丙醇和氢氧化钾，搅拌并加热回流20 30小时， 再加入冰乙酸中止皂化，将产物加水过滤、洗涤并干燥得水解产物，将得到的水解产物再与 对氨基吡啶在喹啉中于130 15(TC加热搅拌下反应8 12小时，然后冷却，将反应后溶 液倒入HC1溶液中抽滤，水洗并干燥，柱色谱分离得取代产物，将得到的取代产物中加入乙 酸和双氧水，室温搅拌0. 2 1小时，然后加热至80 9(TC反应15 30小时，期间适当 补加双氧水，冷却至室温，将溶液倒入水中，静止抽滤并干燥然后柱色谱分离得最终产物； 或者将步骤(2)得到的产物中直接加入乙酸和双氧水，室温搅拌O. 2 1小时，然后加热至 80 9(TC反应15 30小时，期间适当补加双氧水，冷却至室温，将溶液倒入水中，静止抽 滤并干燥然后柱色谱分离得最终产物。
4.按照权利要求3所述的含N-氧化吡啶基团的水溶性茈酰亚胺衍生物的制备方法，其 特征是步骤(1)中所述的卤代N， N' -二环己基茈-3，4:9，10-四羧酸二酰亚胺为1，7-二 溴-N，N'- 二环己基-3， 4 :9， 10-茈四羧酸二酰亚胺或1， 6， 7， 12-四氯-N，N'- 二环己基-3， 4:9，10-四羧酸二酰亚胺。
5. 按照权利要求3所述的含N-氧化吡啶基团的水溶性茈酰亚胺衍生物的制备方法，其 特征是步骤(2)中所述的卤代N，N'-二环己基茈-3，4:9，10-四羧酸二酰亚胺与含羟基取 代基试剂的摩尔比例为l : 2 20，碳酸钾与含羟基取代基试剂的摩尔比例为1 : l;N-甲 基吡咯烷酮的用量至少为使N， N' -二环己基茈-3，4:9，10-四羧酸二酰亚胺溶解；11(:1溶 液的质量浓度为5% 20%，其用量为N-甲基吡咯烷酮体积的2 20倍；所述的柱色谱分离以二氯甲烷丙酮=20 : 1或者二氯甲烷石油醚=1 : i为淋洗液。
6. 按照权利要求5所述的含N-氧化吡啶基团的水溶性茈酰亚胺衍生物的制备方法， 其特征是步骤(2)中所述的卤代N，N'-二环己基茈-3，4:9，10-四羧酸二酰亚胺与含羟基 取代基试剂的摩尔比例为l : 2 10 ;所述的含羟基取代试剂为羟基吡啶或苯酚或取代苯 酚；HC1溶液的质量浓度为5% 10%，其用量为N-甲基吡咯烷酮体积的3 10倍。
7. 按照权利要求3所述的含N-氧化吡啶基团的水溶性茈酰亚胺衍生物的制备方法，其 特征是步骤(3)中所述的步骤(2)得到的产物与氢氧化钾的质量比例为1 : 1 100 ;异 丁醇的用量至少为能使步骤(2)得到的产物加热条件下全部溶解；冰乙酸的量以摩尔计为 所用氢氧化钾的1.2 10倍；得到的水解产物与对氨基吡啶的摩尔比例为1 : 1 20，喹 啉的用量至少为使得到的水解产物溶解；HC1溶液的质量浓度为5% 20%，其用量为喹啉 体积的2 20倍；乙酸的用量至少为在加热条件下能使得到的取代产物或步骤(2)得到的 产物全部溶解，双氧水的用量至少为能使得到的取代产物或步骤(2)得到的产物在所述反应时间内全部被氧化；所述的柱色谱分离以二氯甲烷丙酮=30 : i或二氯甲烷四氢呋 喃=io : i或三氯甲烷四氢呋喃甲醇=250 : 50 : 3或者三氯甲烷四氢呋喃甲 醇=30 : io : i或者三氯甲烷四氢呋喃甲醇=50 : io : 3为淋洗液。
8. 按照权利要求7所述的含N-氧化吡啶基团的水溶性茈酰亚胺衍生物的制备方法，其 特征是步骤(3)中所述的步骤(2)得到的产物与氢氧化钾的质量比例为1 : 2 10 ;得到 的水解产物与对氨基吡啶的摩尔比例为1 : 1 5 ;HC1溶液的质量浓度为5% 10%，其 用量为喹啉体积的3 10倍。
全文摘要
本发明公开了一类含N-氧化吡啶基团的水溶性苝酰亚胺衍生物，具有如下结构通式其中，R’＝OR或H，取代基R相同或不同，独立地选自N-氧化吡啶基或烃基，且至少一个取代基R为N-氧化吡啶基；所述的烃基为烷烃基或芳香烃基。该类衍生物通过卤代的苝酰亚胺衍生物与相应含羟基取代试剂反应，然后后经双氧水氧化而成，制备方法条件容易控制，反应比较温和，原料经济，制备的含N-氧化吡啶基团的水溶性苝酰亚胺衍生物毒性小且荧光量子产率高。
文档编号C09K11/06GK101704816SQ20091022952
公开日2010年5月12日 申请日期2009年10月29日 优先权日2009年10月29日
发明者冷传军, 孙娟娟, 张帅, 徐茂友, 石志强, 赵英杰 申请人:山东师范大学