一種新型BODIPY類熒光染料的合成及表征

劉 斌，謝丹波，李 琪，賈健飛，許淡雅，黃金龍，尹守春

（杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，浙江杭州310036）

一種新型BODIPY類熒光染料的合成及表征

劉 斌，謝丹波，李 琪，賈健飛，許淡雅，黃金龍，尹守春

（杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，浙江杭州310036）

設(shè)計合成了一種新型的BODIPY類熒光染料分子，并采用紅外、核磁和質(zhì)譜等手段對其進行表征，同時對反應(yīng)條件進行了優(yōu)化.結(jié)果表明：在碘代反應(yīng)中，采用I2／HIO3作為碘代試劑，當(dāng)I2的用量為1，3，5，7，8－五甲基BODIPY的4倍時，產(chǎn)率可達到87.7%；在Sonogashira偶聯(lián)反應(yīng)中，鈀催化劑的用量為二碘代BODIPY的4%時，產(chǎn)率可達57.7%.

BODIPY；熒光染料；合成

0 引 言

2005年，Science提出21世紀亟待解決的25個重大科學(xué)問題，其中關(guān)于化學(xué)的問題只有一個，即“我們能夠推動化學(xué)自組裝走多遠”，由此可見分子自組裝研究的重大意義［1］.自組裝就是組裝基元通過弱鍵相互作用自發(fā)形成有序結(jié)構(gòu)的過程，它已成為創(chuàng)造新物質(zhì)和產(chǎn)生新功能的重要手段之一.

為了使形成的自組裝體能夠穩(wěn)定存在，分子間弱鍵的相互作用就需要有一定的強度。近年來，BODIPY（4，4－二氟－4－硼－3a，4a－二氮雜－s－引達?。晒馊玖弦鹑藗冊絹碓綇V泛的研究興趣［2－3］.由于具有高摩爾消光系數(shù)、高熒光量子產(chǎn)率、良好的光和化學(xué)穩(wěn)定性、較窄的吸收和發(fā)射光譜半峰寬以及易于分子結(jié)構(gòu)修飾從而易將其激發(fā)和發(fā)射波長調(diào)變到近紅外等優(yōu)點，BODIPY類熒光染料分子已被廣泛地應(yīng)用于熒光探針、光捕獲系統(tǒng)、DNA標(biāo)記及測序、發(fā)光材料和光動力療法的光敏劑等領(lǐng)域［4－9］.同時，BODIPY分子間具有強的π－π疊加作用［10］，如果將其引入到兩親性分子中，就可以有效地增加自組裝體的穩(wěn)定性，最終利用這種穩(wěn)定的自組裝體結(jié)構(gòu)制備納米結(jié)構(gòu)材料.

為此，本文報道了一種基于BODIPY熒光染料兩親性分子的合成及表征，并對反應(yīng)條件進行了詳細的研究.

1 實驗部分

1.1 主要實驗儀器

ZF7三用紫外分析儀（杭州瑞佳精密科學(xué)儀器有限公司）；DF－101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（杭州瑞佳精密科學(xué)儀器有限公司）；JBZ－14B型磁力攪拌器（上海志威電器有限公司）；Agilent 5975質(zhì)譜儀（美國Agilent公司）；核磁共振儀（400 MHz，以TMS為內(nèi)標(biāo)，瑞士Bruker公司）；紅外光譜儀（Tensor 27 FTIR，德國布魯克公司）.

1.2 主要實驗試劑

二氯甲烷、石油醚、乙酸乙酯、甲醇、三乙胺、四氫呋喃、濃硫酸、碳酸氫鈉、硫代硫酸鈉、無水硫酸鈉、碘、碘酸均來自杭州高晶精細化工有限公司；300～400目硅膠來自青島海洋化工廠；2，4－二甲基吡咯、碘化亞銅、Pd（PPh3）2Cl2來自ACROS ORGANICS公司；10－炔－十一酸來自Alfa Aesar公司.所有試劑均為分析純.

1.3 無水試劑制備

1.3.1 無水三乙胺的制備

在N2保護下，將2 g氫化鈣加入到50 m L的分析純?nèi)野分校?5℃下攪拌回流2 h，再蒸餾得到干燥的三乙胺.

1.3.2 無水四氫呋喃的制備

在N2保護下，將2 g鈉和1 g二苯甲酮加入到50 m L的四氫呋喃中，75℃下攪拌回流，以二苯甲酮作為指示劑.當(dāng)二苯甲酮變藍色后（溶液中無水時，二苯甲酮會變藍色）即可得到干燥的四氫呋喃.

1.4 含BODIPY類熒光染料的合成

1.4.1 合成過程

圖1 化合物1的合成路線Fig.1 Synthetic route of compound 1

1.4.2 10－炔－十一酸甲酯（2）的合成

將182 mg（1 mmol）10－炔－十一酸加入到30 m L甲醇中，然后滴加3 m L濃硫酸.此混合溶液在75℃下加熱回流24 h后，減壓蒸餾除去甲醇溶劑.殘留物用二氯甲烷和水萃取，再用飽和碳酸氫鈉溶液萃取至中性.收集有機層，用無水硫酸鈉干燥，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去二氯甲烷后，得到粗產(chǎn)物，再經(jīng)過硅膠柱層析（V（石油醚）∶V（二氯甲烷）＝1∶1）分離得到化合物1，產(chǎn)率98%.FTIR：υ＝3 312（≡C—H），2 925（CH2，CH3），1 724（C＝O），1 272（O—C—O），692（（CH2）8）cm－1.

1.4.3 4，4－二氟－1，3，5，7，8－五甲基－4－硼－3a，4a－二氮雜－s－引達?。?）的合成

將0.14 m L（1.95 mmol）乙酰氯和0.4 m L（3.85 mmol）2，4－二甲基吡咯溶于150 m L二氯甲烷中.此溶液在氬氣保護、45℃下加熱回流10 h至顏色呈黑色.將上述黑色溶液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去一半二氯甲烷后，在0℃下加入4 m L（28.65 mmol）三乙胺，攪拌0.5 h，再加入8 m L（7.52 mmol）三氟化硼乙醚溶液，在室溫下攪拌4 h.所得墨綠色反應(yīng)混合液先用飽和碳酸氫鈉溶液清洗，再用二氯甲烷萃取.收集有機層，用無水硫酸鈉干燥，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去二氯甲烷后，得到粗產(chǎn)物，再經(jīng)過硅膠柱層析（V（石油醚）∶V（乙酸乙酯）＝4∶1）分離得到化合物3.該化合物為褐色粉末，產(chǎn)率為37.3%.FTIR：υ＝2 928（CH2，CH3），1 569（Ar），1 225（B－F）cm－1；1H NMR（400 MHz，CDCl3），δ（ppm）：2.41（s，6H，CH3），2.52（s，6H，CH3），2.58（s，3H，CH3），6.05（s，2H，Ar－H）；MS，m／z：262.1.

1.4.4 4，4－二氟－2，6－二碘－1，3，5，7，8－五甲基－4－硼－3a，4a－二氮雜－s－引達?。?）的合成

將50 mg（0.19 mmol）化合物3和145 mg（0.57 mmol）碘溶于5 m L乙醇中，再將溶于少量水的100 mg（0.57 mmol）碘酸溶液緩慢滴入上述溶液中.室溫下攪拌4 h后，此反應(yīng)混合液先用硫代硫酸鈉溶液淬滅，再用二氯甲烷進行萃取.收集有機層，用無水硫酸鈉干燥，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去二氯甲烷后，得到粗產(chǎn)物，再經(jīng)過硅膠柱層析（V（石油醚）∶V（乙酸乙酯）＝4∶1）分離得到化合物4.該化合物為紫褐色固體，產(chǎn)率為87.7%.FTIR：υ＝2 924（CH2，CH3），1 540（Ar），1 226（B－F）cm－1；1H NMR（400 MHz，CDCl3），δ（ppm）：2.46（s，6 H，CH3），2.61（s，6 H，CH3），2.62（s，3H，CH3）；MS，m／z：513.9.

1.4.5 4，4－二氟－2，6－二（11－甲基氧羰基－1－十一炔）－1，3，5，7，8－五甲基－4－硼－3a，4a－二氮雜－s－引達?。?）的合成

將256 mg（0.5 mmol）化合物4，196 mg（1 mmol）化合物2，28 mg（0.02 mmol）Pd（PPh3）2Cl2和8 mg（0.02 mmol）CuI溶于20 m L無水四氫呋喃和1 m L無水三乙胺中.氬氣保護，室溫下攪拌1 h后，加熱至60℃下回流10 h.此反應(yīng)混合液先用飽和碳酸氫鈉溶液清洗，再用二氯甲烷萃取.收集有機層，用無水硫酸鈉干燥，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去二氯甲烷后，得到粗產(chǎn)物，再經(jīng)過硅膠柱層析（先V（石油醚）∶V（二氯甲烷）＝1∶1，然后二氯甲烷）分離得到化合物1.該化合物為紫紅色固體，產(chǎn)率為57.7%.FTIR：υ＝2 931（CH2，CH3），1 740（C＝O），1 548（Ar），1 221（B－F），1 188（O—C—O），701（（CH2）8）cm－1；1H NMR（400 MHz，CDCl3），δ（ppm）：1.25（m，16H，（CH2）2（CH2）4（CH2）2COOCH3），1.44（m，4H，CH2CH2（CH2）6COOCH3），1.58（m，4 H，CH2CH2（CH2）6COOCH3），2.29（t，4 H，（CH2）6CH2CH2COOCH3），2.44（t，4H，（CH2）7CH2COOCH3），2.47（s，6H，CH3），2.57（s，6H，CH3），2.60（s，3H，CH3），3.66（s，6H，CH3OOC）；MS，m／z：650.2.

2 結(jié)果與討論

圖2 I2的用量對碘代反應(yīng)的影響Fig.2 The effect of the amount of I2on iodide substituted reaction

2.1 BODIPY的碘代反應(yīng)

2.1.1 碘代試劑的選擇

采用ICl和I2／HIO3分別與BODIPY進行碘代反應(yīng).雖然ICl的反應(yīng)活性很高，與BODIPY反應(yīng)只需20 min就可以65.2%的產(chǎn)率得到化合物4.但與I2／HIO3體系相比，ICl有如下缺點：1）ICl在空氣中很不穩(wěn)定，與空氣接觸時能形成五氧化二碘；2）ICl易揮發(fā)、腐蝕性強、有劇毒，對眼睛、皮膚、粘膜和上呼吸道有強烈刺激作用和腐蝕性.而采用I2／HIO3雖然反應(yīng)時間較長（4 h），但該體系易于操作且產(chǎn)率高達87.7%.因此，本文選用I2／HIO3與BODIPY進行碘代反應(yīng).

2.1.2 I2的用量對碘代反應(yīng)的影響

為了使BODIPY的2，6位都發(fā)生碘代反應(yīng)，筆者考察了I2的用量對碘代反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖2所示.

從圖中可以看出，I2的用量對碘代反應(yīng)產(chǎn)率有很大的影響.當(dāng)n（I2）／n（3）＝2時，得到二碘代產(chǎn)物4的產(chǎn)率僅為30.0%；進一步增加I2的用量，可以有效地增加產(chǎn)率.當(dāng)n（I2）／n（3）＝4時，反應(yīng)產(chǎn)率高達87.7%.而再進一步增加I2的用量，反應(yīng)產(chǎn)率基本沒有增加.因此，本文選用I2的用量為n（I2）／n（3）＝4.

2.2 鈀催化偶聯(lián)反應(yīng)

芳鹵和末端炔在鈀催化劑作用下可有效地進行Sonogashira偶聯(lián)反應(yīng).本文即采用這個反應(yīng)將雙碘代化合物4與末端炔化合物2進行偶聯(lián)得到最終產(chǎn)物1.在這步反應(yīng)中，筆者重點考察了鈀催化劑的用量對該Sonogashira偶聯(lián)反應(yīng)的影響.因此，CuI的用量保持不變，為單體用量的4%，其結(jié)果見圖3.

圖3 催化劑用量對反應(yīng)產(chǎn)率的影響Fig.3 The effect of the amount of the catalyst on reaction yield

圖3 表明，催化劑用量對該Sonogashira偶聯(lián)反應(yīng)有較大的影響.催化劑用量較少時，產(chǎn)率很低，隨著催化劑用量的增加，產(chǎn)率也逐漸增加.當(dāng)n（Cat.）／n（4）＝0.04時，反應(yīng)產(chǎn)率達到最高值為57.7%.進一步增加催化劑的用量，產(chǎn)率反而有所下降.根據(jù)Sonogashira反應(yīng)機理［11］，當(dāng)使用二價鈀催化劑（Pd（Ph3）2Cl）2）和共催化劑CuI時，CuI與炔類化合物反應(yīng)生成d－π共軛的炔銅化合物（圖4，Cycle B′），使炔類化合物更易于加成到Pd（Ⅱ）產(chǎn)生中間體2，進而還原脫去生成催化活性體零價鈀［Pd0］和二炔副產(chǎn)物.因此，催化劑的量與生成的二炔副產(chǎn)物是成正比的.催化劑的量增加雖然可以提高反應(yīng)的活性，但同時也增加了二炔副產(chǎn)物的生成.因此，在本反應(yīng)中催化劑用量以n（Cat.）／n（4）＝0.04時為宜.

圖4 Sonogashira反應(yīng)機理Fig.4 Mechanism of Sonogashira reaction

3 結(jié) 論

本研究合成和表征了一種新型的BODIPY類熒光染料分子（1），并對其反應(yīng)條件進行了優(yōu)化.在碘代反應(yīng)中，采用I2／HIO3作為碘代試劑，I2的用量為n（I2）／n（3）＝4；在Sonogashira偶聯(lián)反應(yīng)中，鈀催化劑的用量以n（Cat.）／n（4）＝0.04為宜.下一步，筆者將研究BODIPY類熒光染料分子（1）在非極性溶劑中的自組裝行為.

參考文獻：

［1］Robert F.How far can we push Chemical Self－Assembly？［J］.Science，2005，309（5731）：95.

［2］Loudet A，Burgess K.BODIPY dyes and their derivatives：syntheses and spectroscopic properties［J］.Chem Rev，2007，107（11）：4891－4932.

［3］Ulrich G，Ziessel R，Harriman A.The chemistry of fluorescent BODIPY dyes：versatility unsurpassed［J］.Angew Chem Int Ed，2008，47（7）：1184－1201.

［4］Li Zeng，Miller E W，Pralle A，et al.A selective turn－on fluorescent sensor for imaging copper in living cells［J］.J Am Chem Soc，2006，128（1）：10－11.

［5］Peng Xiaojun，Du Jianjun，F(xiàn)an Jiangli，et al.A selective fluorescent sensor for imaging Cd2＋in living cells［J］.J Am Chem Soc，2007，129（6）：1500－1501.

［6］Cheng Tanyu，Xu Yufang，Zhang Shenyi，et al.A highly sensitive and selective off－on fluorescent sensor for Cadmium in aqueous solution and living cell［J］.J Am Chem Soc，2008，130（48）：16160－16161.

［7］Lee H Y，Bae D R，Park J C，et al.A selective fluoroionophore based on BODIPY－functionalized magnetic silica nanoparticles：removal of Pb2＋from human blood［J］.Angew Chem Int Ed，2009，121（7）：1265－1269.

［8］Harriman A，Izzet G，Ziessel R.Rapid energy transfer in cascade－type BODIPY dyes［J］.J Am Chem Soc，2006，128（33）：10868－10875.

［9］Liu Jianyong，Ermilov E A，R?der B，et al.Switching the photo－induced energy and electron－transfer processes in BODIPY–phthalocyanine conjugates［J］.Chem Commun，2009：1517－1519.

［10］Nagai A，Miyake J，Kokado K，et al.Highly luminescent BODIPY－based organoboron polymer exhibiting supramolecular self－assemble structure［J］.J Am Chem Soc，2008，130（46），15276－15278.

［11］Sonogashira K.Development of Pd－Cu catalyzed cross－coupling of terminal acetylenes with sp2－carbon halides［J］.J Organomet Chem，2002，653（1／2）：46－49.

The Synthesis and Characterization of a New Fluorescent Dye with BODIPY

LIU Bin，XIE Dan－bo，LI Qi，JIA Jian－fei，XU Dan－ya，HUANG Jin－long，YIN Shou－chun
（College of Material，Chemistry and Chemical Engineering，Hangzhou Normal University，Hangzhou 310036，China）

A new fluorescent dye with BODIPY was synthesized and characterized by FTIR，NMR and MS，and the reaction conditions were optimized.The results show that in the iodo－subsituted reaction，the yield can reach 87.7%when the amount of I2equivalent to 1，3，5，7，8－pentamethyl BODIPY is 4 using I2／HIO3as iodo reagent.In the Sonogashira coupling reaction，the yield can reach 57.7%if the amount of palladium catalyst is 4%of diiodo－subsituted BODIPY.

BODIPY；fluorescent dye；synthesis

O657.39

A

1674－232X（2012）03－0193－05

10.3969／j.issn.1674－232X.2012.03.001

2011－11－13

國家重大研究計劃培育項目（91127032）；國家自然科學(xué)基金項目（21174035）；浙江省自然科學(xué)基金項目（Y4100287）；浙江省新材料及加工工程省重中之重學(xué)科開放課題（20110943）；杭州師范大學(xué)優(yōu)秀中青年教師支持計劃項目（HNUEYT 2011－01－019）.

尹守春（1976—），男，副教授，主要從事超分子化學(xué)、光電功能高分子和熒光探針方面的研究.E－mail：yinsc＠ustc.edu