具有雙光子熒光的新型香豆素類衍生物的合成及其光學性能

方國順, 劉 闖, 薛震泳, 馮 燕(安徽大學 化學化工學院，安徽 合肥 230601)

具有雙光子熒光的新型香豆素類衍生物的合成及其光學性能

方國順, 劉 闖, 薛震泳, 馮 燕*
(安徽大學 化學化工學院，安徽 合肥 230601)

以7-碘代香豆素-3-甲酸乙酯為原料通過Sonogashira偶聯(lián)、酯水解和酰胺化反應合成了新型香豆素類衍生物——7-(4-甲氧基苯乙炔基)香豆素-3-N-炔丙基甲酰胺(4)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR，13C NMR， HR-MS(ESI)和元素分析表征。并對其紫外-可見吸收光譜、熒光發(fā)射光譜及雙光子熒光光譜進行了研究。結(jié)果表明：溶劑極性對4的光學性質(zhì)影響顯著，4具有明顯的溶致變色效應。此外，4具有較大的有效雙光子吸收截面(在乙酸乙酯、甲苯和氯仿中分別為222.57、 168.98 和211.77 GM)，并可發(fā)射較強的雙光子誘導熒光。

7-碘代香豆素-3-甲酸乙酯; 香豆素類衍生物; 合成; 溶致變色效應; 雙光子熒光

香豆素及其衍生物為苯并吡喃酮結(jié)構(gòu)，其中存在C=C、 C=O雙鍵以及特殊的環(huán)內(nèi)酯，因而具有剛性的共平面結(jié)構(gòu)及較大共軛π電子體系[1-4]。香豆素及其衍生物具有許多顯著的光學性能，如熒光量子產(chǎn)率高、stokes位移大、光穩(wěn)定性和生物相容性好等[5-8]。香豆素類化合物是一類具有良好熒光性能的有機小分子，其作為熒光傳感器可以實現(xiàn)對金屬離子、細胞內(nèi)pH和活性硫物質(zhì)的有效識別[9-12]。然而，這些報道的香豆素衍生物的熒光大多是基于單光子激發(fā)的，至今，具有雙光子吸收性能，能夠發(fā)射雙光子熒光的香豆素類衍生物的報道較少[5]。雙光子熒光指的是在脈沖激光的激發(fā)下，具有大的π電子共軛體系和較大的躍遷偶極距的有機分子同時吸收兩個光子，使其從基態(tài)躍遷到吸收兩倍光子能量的激發(fā)態(tài)，并隨之產(chǎn)生熒光的過程[13]。與單光子熒光相比，雙光子熒光所用的激發(fā)光波長在近紅外區(qū)域內(nèi)，吸收幾率與入射光強的平方成正比，化合物在長波的激發(fā)光中具有較好的光化學穩(wěn)定性，同時激發(fā)光在介質(zhì)中的散射大幅度降低、穿透力增強和空間選擇性高[14]。近年來，雙光子技術(shù)在雙光子顯微鏡與生物成像方面有著廣泛的應用，其中，我們課題組以香豆素[5]和咔唑[15-19]為熒光團，開發(fā)了一系列可用于活細胞或活體中金屬離子、活性氧和活性硫物質(zhì)，以及粘度檢測及生物成像的雙光子熒光探針。

Scheme1

本文以7-碘代香豆素-3-甲酸乙酯(1)為原料，在二(三苯基磷)二氯化鈀的催化下，通過與4-甲氧基苯乙炔發(fā)生Sonogashira偶聯(lián)反應生成7-(甲氧基苯乙炔基)香豆素-3-甲酸乙酯(2);2在氫氧化鈉的醇溶液中水解得到7-(甲氧基苯乙炔基)香豆素-3-甲酸(3);3再與丙炔胺酰胺化，合成了新型的以甲氧基為給體(D)、酰胺基為受體(A)的D-π-A型的香豆素類衍生物(4, Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR，13C NMR， HR-MS(ESI)和元素分析表征。

通過上述一系列反應，不僅增大了香豆素熒光團的共軛體系，而且構(gòu)建了以香豆素為骨架的D-π-A型雙光子熒光團。我們針對性分析了它在不同極性溶劑的紫外-可見吸收光譜、熒光發(fā)射光譜和雙光子熒光光譜，并對它的有效雙光子吸收截面進行了計算，充分證明了4具有溶致變色效應和雙光子吸收性質(zhì)，并且可以發(fā)射雙光子誘導熒光，這將為新型雙光子吸收材料的設計提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

YRT-3型熔點儀;Agilent 8453 型紫外-可見分光光度計；Hitachi FL-7000型熒光光譜儀；Bruker AV 400-MHz型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑，TMS 為內(nèi)標)；Waters Q-TOF Premier型質(zhì)譜儀；Vario EL-III型元素分析儀；鈦寶石激光器(Coherent Mira 900 F，脈沖140 fs，頻率80 MHz)。

1～3按照文獻[5]方法自制;氫氧化鈉，鹽酸，丙炔胺，1-羥基并三唑(HOBT)，碳化二亞胺鹽酸鹽(EDC·HCl)和二異丙基乙胺(DIPEA)，阿拉丁試劑有限公司；其余所用試劑均為分析純。

1.24的合成[20]

在三頸圓底燒瓶中加入30.320 g(1 mmol)， HOBT 0.203 g(1.5 mmol)和EDC·HCl 0.211 g(1.1 mmol)， N2保護下，注入無水DMF 10 mL，加入無水DMF稀釋的DIPEA 0.496 mL(3 mmol)和炔丙胺 0.192 mL(3 mmol)，攪拌下于室溫反應24 h。加入大量水和鹽酸，用CH2Cl2萃取，依次用1 mol·L-1NaHCO3水溶液洗滌，無水MgSO4干燥，減壓蒸除溶劑，殘余物經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑:石油醚 ∶二氯甲烷=2 ∶1,V/V)純化得淡黃色固體40.139 g，收率39%, m.p.118.5～121.3 ℃;1H NMRδ: 8.93(t,J=5.5 Hz, 1H, NH), 8.89(s, 1H, ArH), 8.01(d,J=8.1 Hz, 1H, ArH), 7.65(s, 1H, ArH), 7.57(d,J=8.7 Hz, 3H, ArH), 7.03(d,J=8.8 Hz, 2H, ArH), 4.13(d,J=3.2 Hz, 2H, CH2), 3.82(s, 3H, CH3), 3.18(t,J=2.2 Hz, 1H, CH);13C NMRδ: 160.92, 160.18, 159.95, 153.85, 147.02, 133.38, 130.51, 128.11, 127.73, 118.65, 118.32, 118.11, 114.55, 113.28, 94.14, 87.22, 80.65, 73.23, 55.35, 38.72; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C22H15NO4{[M+H]+}358.102 9, found 358.104 9; Anal. calcd for C22H15NO4: C 73.94, H 4.23, N 3.92, found C 73.96, H 4.22, N 3.95。

1.3 性能測試

以DMF為溶劑，配制濃度為2×10-3mol·L-14母液。測試濃度為1.0×10-5mol·L-1，所用樣品池為1.0×1.0 cm石英比色皿，測試溶劑經(jīng)除水處理。熒光發(fā)射光譜的狹縫寬度為2.5×2.5 nm，測試電壓為500 V，測試溫度為20～25 ℃。4雙光子熒光光譜的測試以760 nm的飛秒激光為激發(fā)光源，入射能量為0.5 W，測試濃度為1×10-3mol·L-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑效應

首先，我們測試了4在不同溶劑(甲苯，氯仿，乙酸乙酯，四氫呋喃，二氯甲烷，乙醇，甲醇，N,N-二甲基甲酰胺，乙腈和二甲亞砜)中的紫外-可見吸收光譜(圖1)和熒光發(fā)射光譜(圖2)。從圖1可以看出，4在不同極性溶劑中紫外吸收峰位于370～380 nm，吸收峰位移不明顯，溶液呈淡黃色。然而，從圖2可以看出，一方面，4的熒光發(fā)射峰隨溶劑極性的增加而發(fā)生紅移，其中，在極性較弱的氯仿、乙酸乙酯及四氫呋喃等溶劑中4的熒光發(fā)射峰在473 nm左右，發(fā)射較強的藍色熒光；而在強極性的甲醇和N,N-二甲基甲酰胺等溶劑中，熒光發(fā)射峰在520 nm左右，發(fā)射較弱的黃色熒光。在強極性溶劑中熒光發(fā)射峰相對于弱極性溶劑中發(fā)生了大約47 nm的紅移，該現(xiàn)象稱為溶劑效應或溶致變色效應，主要是因為分子的激發(fā)態(tài)偶極矩比基態(tài)大，溶劑極性的增大將會增加溶質(zhì)分子和溶劑子之間的偶極-偶極作用力，導致激發(fā)態(tài)的能量降低，使光譜發(fā)生紅移[21]；另一方面，從總體上來說，4在弱極性溶劑甲苯、氯仿、乙酸乙酯、四氫呋喃和二氯甲烷中具有較強的熒光發(fā)射峰，其熒光發(fā)射峰相對強度為670～1 260，而在強極性溶劑乙醇、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙腈和二甲亞砜中，其熒光發(fā)射峰相對強度較小，為0～130。本實驗中4在極性最弱的溶劑甲苯中的熒光發(fā)射強度是在極性最強溶劑二甲亞砜中的40倍左右。

λ/nm圖1 4在不同溶劑中的紫外-可見吸收譜圖Figure 1 UV-Vis absorption spectra of 4 in different solvents

λ/nm圖2 4在不同溶劑中的熒光發(fā)射光譜Figure 2 Fluorescence emission spectra of 4 in different solvents

為了進一步證明4的溶致變色效應，我們選取了兩種互溶溶劑，強極性溶劑乙腈和相對弱極性溶劑二氯甲烷，測試了4在不同比例乙腈與二氯甲烷混合溶劑中的紫外-可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜，結(jié)果分別見圖3和圖4。

由圖3可見，隨著乙腈體積分數(shù)逐漸增大，4的紫外吸收峰發(fā)生明顯藍移，純二氯甲烷中最大紫外吸收峰位于377 nm，純乙腈中紫外吸收峰位于370 nm，隨著乙腈體積分數(shù)的增加逐漸產(chǎn)生了7 nm的藍移。

從圖4可知，隨著乙腈體積分數(shù)逐漸增大，熒光發(fā)射峰逐漸發(fā)生紅移。在純二氯甲烷中，熒光發(fā)射峰位于489 nm處，而在純乙腈溶劑中，其熒光發(fā)射峰在519 nm處，發(fā)生了30 nm的紅移。此外，隨著乙腈體積百分比的增加，其熒光發(fā)射強度也逐漸減弱，在純二氯甲烷中的單光子熒光發(fā)射強度是在純乙腈中的5倍左右。這些現(xiàn)象與4在不同溶劑中的現(xiàn)象是一致的，進一步證明了4具有溶致變色效應。

λ/nm圖3 4在不同體積分數(shù)的乙腈-二氯甲烷溶劑中的紫外-可見吸收光譜圖Figure 3 UV-Vis absorption spectra of 4 in CH3CN-CH2Cl2 with different volume percents

λ/nm圖 4 4在不同體積分數(shù)的乙腈-二氯甲烷溶劑中的熒光發(fā)射光譜圖Figure 4 Fluorescence emission spectra of 4 in CH3CN-CH2Cl2 mixed solvents with different volume percents

另外，我們還比較了起始原料1和目標化合物4在乙酸乙酯中的紫外可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜。如圖5所示，1的紫外吸收峰位于332 nm，而4的紫外吸收峰位于371 nm處，4相對于1發(fā)生了39 nm的紅移；另一方面，可以看出，1在乙酸乙酯中熒光發(fā)射強度接近0，幾乎不發(fā)射熒光，而4的熒光發(fā)射峰的相對強度在1 000以上，熒光發(fā)射峰的相對強度遠遠大于1。該實驗結(jié)果證明了我們通過結(jié)構(gòu)設計，不但增大香豆素熒光團的共軛體系，而且有效構(gòu)建了以香豆素為骨架的D-π-A型生色團，4與1相比，紫外可見吸收峰不僅發(fā)生明顯紅移，熒光發(fā)射強度也大幅度增強，賦予了它可能的雙光子誘導熒光性能。

λ/nm圖5 1和4在乙酸乙酯中的紫外-可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜圖Figure 5 UV-Vis absorption and fluorescence emission spectra of 1 and 4 in ethyl acetate

2.2 雙光子熒光光譜及有效雙光子吸收截面

以760 nm的飛秒激光為激發(fā)光源，當入射能量0.5 W時，測試了濃度為1×10-3mol·L-1時4的雙光子熒光性質(zhì)，結(jié)果見圖6。從圖6可以看出，4具有雙光子熒光性能，4在溶劑乙酸乙酯、氯仿和甲苯中的雙光子熒光光譜的最大波長分別位于506， 506和492 nm。和單光子熒光峰相比，雙光子熒光峰分別發(fā)生了約32， 34和45 nm的紅移，這是由濃溶液的重吸收造成的[22]。

4的有效雙光子吸收截面采用參比法測定[23]，所用標準物質(zhì)是pH=11的熒光素的氫氧化鈉水溶液。在測試中，所有溶液的濃度均為1×10-3mol·L-1，熒光素的熒光量子產(chǎn)率為0.95，其不同波長雙光子吸收截面值可查文獻[24]。根據(jù)計算獲得4在激發(fā)光波長范圍在680～880 nm，入射能量為0.5 W時，乙酸乙酯、氯仿和甲苯溶液中的有效雙光子吸收截面值，由數(shù)據(jù)作圖見圖7所示。4在760 nm飛秒激光的激發(fā)下，具有最大的有效雙光子吸收截面，分別為222.57 GM(乙酸乙酯)，168.98 GM(甲苯)和 211.77 GM(氯仿)。為了進一步驗證4在乙酸乙酯，氯仿和甲苯產(chǎn)生的熒光來自于樣品的雙光子吸收效應，以氯仿為例，波長設定為800 nm，通過改變?nèi)肷浼す獾哪芰?0.3～0.8 W)，測試了氯仿為溶劑的4在不同入射光強度下的雙光子熒光光譜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)熒光輸出能量(Iout)和輸入能量(Iin)之間有很好的平方關(guān)系(圖7插圖所示，斜率為1.999 3)，充分說明了4具有雙光子吸收性質(zhì)，并可以發(fā)射雙光子誘導熒光。

λ/nm圖6 4在甲苯(PhMe)，乙酸乙酯(EA)和氯仿(CHCl3)中的單(S)和雙光子(T)熒光發(fā)射光譜圖Figure 6 One-photon/two-photon fluorescence emission spectra of 4 in toluene,ethyl acetate and chloroform

λ/nm圖 7 4在乙酸乙酯、甲苯和氯仿中的有效雙光子吸收截面[插圖：4的熒光輸出能量(Iout)和輸入能量(Iin)的平方關(guān)系]Figure 7 Two-photon excitation action cross sections of 4 />in toluene,ethyl acetate and chloroform[The inset figure shows the square relationship of TPEF output intensity(Iout)and input laser power(Iin)]

以7-碘代香豆素-3-甲酸乙酯為原料通過Sonogashira偶聯(lián)、酯水解和酰胺化反應合成了新型香豆素類衍生物(4)，并對其結(jié)構(gòu)進行了表征。通過結(jié)構(gòu)設計，不僅增大了香豆素熒光團的共軛體系，而且有效構(gòu)建了以香豆素為骨架的D-π-A型雙光子熒光團。研究結(jié)果表明：4隨著溶劑極性的逐漸增加，4的熒光發(fā)射峰會隨之發(fā)生紅移，熒光強度隨之降低。并通過測試4在不同體積百分比乙腈和二氯甲烷混合溶劑的紫外-可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜，進一步證實了4具有明顯的溶致變色效應。通過對目標化合物4在甲苯，氯仿，乙酸乙酯溶劑中雙光子熒光光譜測試和有效雙光子吸收截面的計算，充分說明了4具有雙光子吸收性質(zhì)，并可以發(fā)射雙光子誘導熒光，是一個性質(zhì)優(yōu)良的香豆素基雙光子吸收材料。

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SynthesisandOpticalPropertiesofANewTwo-photonFluorescentCoumarinDerivative

FANG Guo-shun, LIU Chuang, XUE Zhen-yong, FENG Yan*
(School of Chemistry and Chemical Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China)

A new coumarin derivative, 7-(4-methoxyphenylethynyl)coumarin-3-N-propargyl formamide(4), was synthesized by Sonogashira couple reaction, ester hydrolysis and amidation reaction using 7-iodide-coumarin-3-ethyl formate as the raw material. The structure was characterized by1H NMR,13C NMR, HR-MS(ESI) and elemental analysis. UV-Vis absorption spectra, single photon fluorescence spectra and two-photon fluorescence spectra were investigated. The results showed that the polarity of the solvent had a significant effect on the optical properties of4, and4had the obvious solvatochromic effects. Moreover,4had the large two-photon excitation action cross sections(222.57 GM in ethyl acetate, 168.98 GM in toluene and 211.77 GM in chloroform) and can emit strong two-photon-induced fluorescence.

7-iodide-coumarin-3-ethyl formate; coumarin derivative; synthesis; solvatochromic effect; two-photon fluorescence

2017-03-20;

2017-08-04

2015年安徽高校自然科學研究項目重點項目(KJ2015A047)； 2016年度安徽省自然科學基金(1608085MB39)

方國順(1991-)，男，漢族，江西鄱陽人，碩士研究生，主要從事光學材料的合成及性能的研究。 E-mail: Royalfang@126.com

馮燕，副教授， Tel. 0551-63861467, E-mail: fy70@163.com

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O625.15

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.11.17061