新型硒二唑衍生物熒光分子的合成及光電性能研究

江 凡, 蔣振濤, 林升大, 張賢慧, 黃雯孝, 黃薛龍*

(1. 贛南醫學院 心腦血管疾病防治教育部重點實驗室 藥學院,江西 贛州 341000;2. 廣東省礦產應用研究所 國土資源部放射性與稀有稀散礦產重點實驗室,廣東 韶關 512026)

分子內電荷轉移(ICT)效應是熒光探針設計采用的最為廣泛的作用機理之一。ICT機理的熒光探針結構包括熒光生色團和特征識別基團,其中熒光生色團包括給電子單元(Donor,簡稱D)和吸電子單元(Acceptor,簡稱A)。 D-A單元構筑的熒光生色團通過給電子單元和吸電子單元的推拉效應形成電子云的再分布,通過發生光誘導分子內電荷轉移為激發態的變化,實現分子吸收光譜的紅移和藍移[1-6]。三苯胺單元具有結構穩定、Stoke位移大的特征,易與強吸電子單元偶聯得到高熒光量子效率的共軛分子,是熒光探針設計中一種常見的給電子單元[7-8]。本課題組基于三苯胺(D單元)和苯并噻二唑(A單元)化合物設計合成了一種熒光探針TBBA,可以實現對生物體痕量Hg2+的特異識別。優化熒光分子在NIR區間的覆蓋范圍,有助于避免光誘導的生物損傷和降低自發熒光,同時還可以提高細胞穿透力,利于熒光探針在生物體檢測的實際應用[9]。在保持給電子單元為三苯胺不變的情況下,選擇吸電子能力更強的A單元來提高熒光分子的ICT效應,從而達到吸收光譜紅移的目的。硒原子相比同主族的硫原子,具有原子半徑大、電負性小的特點,因而有望使吸收光譜發生紅移[10-14]。

本文基于合成的TBBA,將苯并噻二唑單元換成苯并硒二唑和吡啶硒二唑單元,得到兩個新型結構的熒光分子(Z)-2-(5-(4-(7-(4-(二苯胺基)苯基)苯并[c][1,2,5]硒二唑-4-基)芐叉亞甲基)-4-氧代-2-硫代噻唑烷-3-基)乙酸(TBSeBA, Scheme 1)和(Z)-2-(5-(4-(4-(4-(二苯胺基)苯基)-[1,2,5]硒二唑[3,4-c]吡啶-7-基)芐叉亞甲基)-4-氧代-2-硫代噻唑烷-3-基)乙酸(TPSeBA, Scheme 1),以期獲得吸收光譜的紅移,為近紅外熒光探針的設計提供一種新思路。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Bruker AV-400 MHz型核磁共振儀(CDCl3或DMSO-d6為溶劑,TMS為內標);Varioskan LUX-3020型紫外可見光譜儀;Varioskan LUX-3020型熒光分光光度計;FL2000型發射光譜儀;Waters Q-TOF型質譜儀。

4,7-二溴-[1,2,5]硒二唑[3,4-c]吡啶和4,7-二溴苯并[c][1,2,5]硒二唑按文獻[10,15]方法合成，4-硼酸三苯胺、4-甲?；脚鹚?、羅丹寧-3-乙酸、四(三苯基膦)鈀、甲苯、四氫呋喃、二苯甲酮。

Scheme 1

1.2 合成

(1) 化合物4的合成

將4-硼酸三苯胺0.8555 g(2.9700 mmol)和4,7-二溴苯并硒二唑1.0100 g(2.9700 mmol)加入到150.00 mL兩口瓶中,抽換氣3次,氮氣保護下加入四(三苯基膦)鈀催化劑51.00 mg。用注射器從軟管加入干燥甲苯15.00 mol、 10%四丁基氫氧化銨水溶液10.00 mL和干燥四氫呋喃30.00 mL,于120 ℃條件下回流反應24 h。冷卻至室溫,二氯甲烷萃取,水洗3次,無水硫酸鎂干燥,溶劑旋干,殘余物經硅膠柱層析(洗脫劑:乙酸乙酯/石油醚=20/3,V/V)純化,甲醇重結晶后得橙黃色塊狀固體4,收率45.2%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz,)δ: 7.65(s, 2H), 7.39(d,J=7.5 Hz, 2H), 7.32～7.27(m, 4H), 7.20～7.16(m, 6H), 7.10～7.05(m, 2H);13C NMR(CDCl3,100 MHz)δ: 158.46, 157.25, 148.29, 147.37, 135.28, 132.45, 132.17, 130.55, 130.18, 129.40, 127.60, 125.01, 124.39, 123.46, 122.58, 116.55, 114.94, 35.00, 31.52, 30.14, 29.73; MS(ESI)m/z: Calcd for C24H16N3BrSe[M+]504.97, found 505.97。

(2) 化合物6的合成

將4-(苯并[1,2,5]硒二唑-4-基)-二苯基苯胺0.1652 g(0.3269 mmol)和4-羧基苯硼酸0.0750 g(0.4900 mmol)加入到150.00 mL兩口瓶中,抽換氣3次,氮氣保護下加入四(三苯基膦)鈀催化劑0.0566 g(0.0490 mmol)。用注射器從軟管加入干燥甲苯15.00 mL、四丁基氫氧化銨10.00 mL和干燥四氫呋喃30.00 mL,于120 ℃條件下加熱回流24 h。冷卻至室溫,二氯甲烷萃取,水洗3次,無水硫酸鎂干燥,旋干,殘余物經硅膠柱層析(洗脫劑:乙酸乙酯/石油醚=20/1,V/V)純化。甲醇重結晶后得紅褐色塊狀固體6,收率68.7%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 10.04(s, 1H), 7.99(q,J=8.4 Hz, 4H), 7.74(d,J=8.8 Hz, 2H), 7.64(d,J=7.3 Hz, 1H), 7.57(d,J=7.1 Hz, 1H), 7.22(dd,J=15.9 Hz, 8.5 Hz, 5H), 7.17～7.09(m, 6H), 7.01(t,J=7.3 Hz, 1H);13C NMR(CDCl3, 100 MHz)δ: 190.94, 158.57, 147.19, 146.35, 143.10, 134.75, 134.60, 131.82, 130.01, 129.23, 129.05, 128.83, 128.46, 128.36, 126.38, 123.97, 122.39, 121.55; MS(ESI)m/z: Calcd for C31H21N3OSe[M+]531.08, found 537.53。

(3) 化合物TBSeBA的合成

將4-(7-(4-(二苯氨基)苯基)苯并[1,2,5]硒二唑-4-基)苯甲酸0.1340 g(1.0000 mol)和羅丹寧-3-乙酸0.0872 g(1.9600 mol)加入到150.00 mL兩口瓶中,抽換氣3次,氮氣保護下加入乙酸0.2803 g(18.5000 mol)至完全溶解。加入乙酸酐0.0461 g(1.7900 mol)和NH4OAc 0.0433 g(2.2300 mol),于120 ℃條件下反應20 h,再升溫至130 ℃反應4 h。冷卻至室溫,布氏漏斗抽濾,濾渣用冰水沖洗,洗至濾液由黃色變為無色透明。經硅膠柱層析(洗脫劑:乙酸乙酯/石油醚=10/1,V/V)純化、二氯甲烷沖洗,50 ℃真空干燥得紅褐色塊狀固體TBSeBA,收率86.8%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 7.82(d,J=7.5 Hz, 1H), 7.76～7.69(m, 3H), 7.39(d,J=7.5 Hz, 1H), 7.29(dd,J=8.5 Hz, 7.2 Hz, 6H), 7.22～7.14(m, 9H), 7.10～7.04(m, 3H);13C NMR(CDCl3, 100 MHz)δ: 158.61, 158.47, 148.29, 147.53, 147.37, 135.28, 132.45, 130.56, 130.18, 129.40, 129.35, 127.60, 125.01, 124.87, 123.46, 123.24, 122.58, 114.94; MS(ESI)m/z: Calcd for C36H24N4O3S2Se[M+]704.05, found 702.52。

(4) 化合物4-(7-溴-[1,2,5]硒二唑[3,4-c]吡啶-4-基)-N,N-二苯基苯胺5的合成

將4,7-二溴-[1,2,5]硒代二唑[3,4-c]吡啶1.3674 g(4.0000 mmol)和4-硼酸三苯胺1.1565 g(4.0000 mmol)加入到100.00 mL兩口瓶中,抽換氣3次,氮氣保護下加入四(三苯基磷)鈀催化劑0.2311 g(0.2000 mmol)。用注射器從軟管加入干燥甲苯32.00 mL、干燥四氫呋喃16.00 mL和四丁基氫氧化銨10.00 mL, 90 ℃條件下加熱回流24 h。冷卻至室溫,水洗3次,二氯甲烷萃取,無水硫酸鎂干燥。溶劑旋干,硅膠柱層析(洗脫劑:乙酸乙酯/石油醚=40/1,V/V)純化。甲醇重結晶得鮮紅色固體5,收率39.1%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 8.62(s, 1H), 8.40(d,J=8.8 Hz, 2H), 7.32(dd,J=8.4 Hz, 7.3 Hz, 4H), 7.22～7.16(m, 5H), 7.16～7.10(m, 3H);13C NMR(CDCl3, 100 MHz)δ: 160.36, 154.99, 153.84, 150.39, 146.85, 145.25, 131.54, 129.52, 129.39, 125.63, 124.16, 121.28, 111.08; MS(ESI): Calcd for C23H15BrN4Se[M+]505.96, found 506.97。

(5) 化合物4-(7-溴-[1,2,5]硒二氮雜[3,4-c]吡啶-4-基)-N,N-二苯基苯胺7的合成

將4-(7-溴-[1,2,5]硒二氮雜[3,4-c]吡啶-4-基)-N,N-二苯基苯胺0.3822 g(0.7534 mmol)和4-甲?；脚鹚?.1692 g(1.1301 mmol)加入到100.00 mL兩口瓶中,抽換氣3次,氮氣保護下加入四(三苯基磷)鈀催化劑0.2610 g(0.2260 mmol)。用注射器從軟管加入干燥甲苯20.00 mL、干燥四氫呋喃10.00 mL和10%四丁基氫氧化銨水溶液8.00 mL,于90 ℃條件下加熱回流24 h。冷卻至室溫,水洗3次,二氯甲烷萃取,無水硫酸鎂干燥。溶劑旋干,硅膠柱層析(洗脫劑:乙酸乙酯/石油醚=40/1,V/V)純化。甲醇重結晶后得暗紅色固體7,收率67.6%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 10.12(s, 1H), 8.63(s, 1H), 8.49～8.43 (m, 2H), 8.14(d,J=8.4 Hz, 2H), 8.09～8.03(m, 2H), 7.35～7.30(m, 4H), 7.24～7.18(m, 6H), 7.15～7.10(m, 2H);13C NMR(CDCl3, 100 MHz)δ: 191.89, 160.95, 155.45, 150.39, 146.87, 141.40, 135.91, 131.67, 130.05, 130.00, 129.52, 126.47, 125.64, 124.16, 121.31; MS(ESI)m/z: Calcd for C30H20N4OSe[M+]532.08, found 533.08。

(6) 化合物TPSeBA的合成

將4-(7-溴-[1,2,5]硒二氮雜[3,4-c]吡啶-4-基)-N,N-二苯基苯胺0.2240 g(0.4206 mmol)、羅丹寧-3-乙酸0.1576 g(0.8243 mmol)和醋酸銨0.0730 g(0.9479 mmol)加入10.00 mL兩口瓶中,抽換氣3次,氮氣保護下加入乙酸酐0.1548 g(1.5058 mmol)和冰乙酸1.8690 g(31.1244 mmol),油浴下加熱至120 ℃反應20 h,再升溫至130 ℃反應4 h。冷卻至室溫,布氏漏斗抽濾,濾渣用冰水沖洗,洗至濾液由黃色變為無色透明,繼續用二氯甲烷沖洗。真空干燥得紫黑色塊狀固體TPSeBA,收率66.9%;1H NMR(DMSO-d6, 400 MHz)δ: 13.50(s, 1H), 8.71(s, 1H), 8.54～8.49(m, 2H), 8.25(d,J=8.2 Hz, 2H), 7.99(s, 1H), 7.85(d,J=8.3 Hz, 2H), 7.43～7.36(t,J=8.0 Hz, 4H), 7.17(dd,J=7.7 Hz, 4.2 Hz, 6H), 7.09～7.05(m, 2H), 4.77(s, 2H);13C NMR(DMSO-d6, 100 MHz)δ: 193.58, 166.88, 153.37, 146.90, 142.48, 138.32, 133.92, 132.09, 131.43, 130.74, 130.29, 126.20, 125.72, 124.75, 120.95, 45.53, 21.54; MS(ESI)m/z: Calcd for C35H23N5O3S2Se[M+]705.04, found 706.04。

2 結果與討論

2.1 合成

熒光分子合成路線如Scheme 1所示。4-(二苯基氨基)苯硼酸與4,7-二溴苯并[c][1,2,5]硒二唑在鈀催化下通過Suzuki偶聯得到化合物4,化合物4與4-甲?；脚鹚崤悸摰玫交衔?,化合物6與識別基團羅丹寧-3-乙酸加成得到目標分子TBSeBA。采取類似的合成路線,用4,7-二溴苯并[c][1,2,5]硒二唑替換4,7-二溴-[1,2,5]硒代二唑[3,4-c]吡啶可以得到目標分子TPSeBA。

合成路線中的所有單體和目標產物均通過核磁共振氫譜碳譜表征,TBSeBA為紅褐色塊狀固體,TPSeBA為紫黑色塊狀固體。其中甲苯和四氫呋喃處理方法為:甲苯用濃硫酸洗滌3次,再用碳酸氫鈉水溶液和去離子水分別洗滌3次,經無水硫酸鎂干燥過夜后待用;四氫呋喃在氮氣環境下用金屬鈉干燥,回流24 h后加入二苯甲酮變成藍色后待用。

2.2 表征

(1) 光學性能

圖1為TPSeBA和TBSeBA在DMSO溶液中的紫外-可見吸收光譜。TPSeBA和TBSeBA在350～450 nm和450～600 nm處均呈現一個吸收帶,其中350～450 nm吸收帶屬于三苯胺等共軛單元所產生的π-π*躍遷吸收,450～600 nm的吸收帶歸屬于給電子單元三苯胺與吸電子單元苯并硒二唑/吡啶硒二唑之間形成的分子內電荷轉移峰(ICT)。TBSeBA在溶液中的吸收峰為465 nm,而TPSeBA的吸收峰紅移至510 nm,該現象歸因于吡啶硒二唑比苯并硒二唑具有更強的吸電子能力。圖2為TPSeBA和TBSeBA的發射光譜。TPSeBA最大熒光發射峰為744 nm,TBSeBA最大熒光發射峰為646 nm,兩個峰均屬于紅光區域,其中TPSeBA相較于前期合成的TBBA,其最大熒光發射峰有發生近70 nm紅移。

λ/nm圖1 化合物的UV-Vis譜圖Figure 1 UV-Vis spectra of compounds

λ/nm圖2 化合物的FL譜圖Figure 2 FL spectra of compounds

(2) 電化學性能

通過循環伏安法測定TPSeBA和TBSeBA的電化學性質。在CHI 660A電化學工作站中,以六氟磷酸四正丁基銨(Bu4NPF6)-DMSO為溶液,采用標準的三電極電化學電池來進行測定(飽和甘汞電極為參比電極,鉑碳電極為工作電極,鉑絲為輔助電極,以二茂鐵(Fc+/Fc)為內標)。氧化過程中TPSeBA的起始電壓為1.50 eV,而TBSeBA的起始電壓為1.51 eV,這主要是由于吸電子單元結構的差異引起的,以相同方法測得TPSeBA還原電位為-0.66 eV,TBSeBA還原電位為-0.70 eV(圖3)。

Potential vs. Fc/Fc+(V)圖3 化合物的CV曲線Figure 3 CV curves of compounds

表1 熒光電化學與吸收性質Table 1 Optical and electrochemical properties of compounds

二茂鐵(Fc+/Fc)的真空能級為4.8 eV,測得其起始電位為0.52 eV。最高占有分子軌道能級(HOMO)可根據公式計算得出:EHOMO=-(Eox+4.28) eV,最低未占有分子軌道能級(LUMO)可根據公式ELUMO=-(Ered+4.28) eV。根據上述公式,TPSeBA和TBSeBA的HOMO能級分別為-5.78 eV和-5.79 eV, LUMO能級分別為-3.62 eV和-3.58 eV(表1)。

以三苯胺為給電子單元,苯并硒二唑和吡啶硒二唑為吸電子單元,羅丹寧為識別基團,設計合成了兩種新型熒光分子TBSeBA和TPSeBA。在DMSO溶液中,TBSeBA和TPSeBA的吸收峰分別位于465 nm 和 520 nm。通過循環伏安法測得TBSeBA的HOMO和LUMO能級分別為-5.00 eV和-2.82 eV;TPSeBA的HOMO和LUMO能級分別為-5.17 eV和-2.77 eV。本文采用引入硒原子的策略對熒光分子進行光譜和能級的有效調控,為熒光探針類分子的光譜調控提供一種新思路。