含非對(duì)稱苝二酰亞胺側(cè)鏈多肽的合成

甄小麗 李曉浩 張陽(yáng)

摘要：苝二酰亞胺及其衍生物因具有獨(dú)特的光物理和電化學(xué)性質(zhì)而備受關(guān)注。為了獲得具有新穎光物理性質(zhì)的苝二酰亞胺材料，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修飾。以3，4，9，10苝四羧酸二酐為起始原料，分步與環(huán)己胺和LAlaDLeu（NMe）AlaDLeuAlly四肽進(jìn)行氨解反應(yīng)，用于合成不對(duì)稱的苝二酰亞胺側(cè)鏈多肽?？疾炝宋锪媳?、溶劑、催化劑等因素對(duì)反應(yīng)的影響，確定了較優(yōu)的反應(yīng)條件。結(jié)果表明：當(dāng)物料比n（苝酐）∶n（環(huán)己胺）=1∶6、乙醇/水為溶劑（V（乙醇）∶V（水）=4∶1）、于70 ℃反應(yīng)6 h，可得到中間產(chǎn)物N環(huán)己基3，4，9，10苝四羧酸3，4酸酐9，10酰亞胺；后者再與LAlaDLeu（NMe）AlaDLeuAlly鏈狀四肽在咪唑中混合，以4二甲氨基吡啶（以下簡(jiǎn)稱DMAP）為催化劑，于120 ℃反應(yīng)4 h，可得到目標(biāo)化合物N環(huán)己基N（LAlaDLeu（NMe）AlaDLeuAlly）3，4，9，10苝四羧酸二酰亞胺，總收率為32.6%；得到的產(chǎn)物通過(guò)ESIMS和1HNHR進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。該合成方法反應(yīng)條件溫和，操作簡(jiǎn)便，為制備非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的苝二酰亞胺類化合物提供了一條便捷途徑。

關(guān)鍵詞：有機(jī)合成化學(xué)；苝酐；苝二酰亞胺；非對(duì)稱；鏈狀四肽；合成

中圖分類號(hào)：O62文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：20180118；修回日期：20180319；責(zé)任編輯：張士瑩

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（21472034）

第一作者簡(jiǎn)介：甄小麗（1962—），女，河北保定人，教授，博士，主要從事有機(jī)合成及藥物中間體合成方面的研究。

Email：zhenxl@hebust.edu.cn

甄小麗，李曉浩，張陽(yáng).含非對(duì)稱苝二酰亞胺側(cè)鏈多肽的合成[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，39（2）：149153.

ZHEN Xiaoli， LI Xiaohao， ZHANG Yang.Synthesis of polypeptides with asymmetric perylene diimide side chains[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2018，39（2）：149153.Synthesis of polypeptides with asymmetric perylene diimide side chains

ZHEN Xiaoli， LI Xiaohao， ZHANG Yang

（School of Science， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract：Perylenetetracarboxylic diimides （PDI） and their derivatives have been paid more attention due to their special photophysical and electrochemical properties. The modification on molecular structure of PDI aimed at changing the photophysical properties is one of an important means to obtain functional materials of PDI. An asymmetric PDI containing polypeptide chain at one imide nitrogen is synthesized by stepwise aminolysis reaction of 3，4，9，10perylenetetracarboxylic dianhydride. The influence of reactions on yield is then inquired. The optimal reaction condition are determined as follows： molar ratio of PDI to cyclohexylamine， 1∶6； the solvent volume ratio of ethanol to water， 4∶1； reaction temprature and time， 70 ℃ and 6 h， the intermediate Ncyclohexyl3，4，9，10perylenetetracarboxylic3，4anhydride9，10imide. In the presence of the catalyst DMAP， this intermediate undergoing aminolysis reaction with LAlaDLeu（NMe）AlaDLeuAlly affords polypeptides with asymmetric PDI in imidazole for 4 h at 120 ℃， and the tatal yield is above 32.6%. The product structure is characterized by ESIMS and 1HNHR. The process is simple and mild conditions， which provides a convenient synthetic route for the preparation of asymmetric PDI compounds.

Keywords：organic synthesis chemistry； perylene anhydride； perylene diimide； asymmetric； chain tetrapeptide； synthesis

苝二酰亞胺類衍生物作為一類含有特殊稠環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物，其大的剛性平面使分子之間容易產(chǎn)生較大的ππ相互作用，具有較高的電荷傳輸能力和優(yōu)異的光、熱及化學(xué)穩(wěn)定性，在可見光區(qū)到紅外光區(qū)有很強(qiáng)的吸收和發(fā)射能力，是具有獨(dú)特的光物理和光化學(xué)性質(zhì)的有機(jī)光電材料。此外，苝類衍生物熒光量子產(chǎn)率非常高，也是一種很好的熒光物質(zhì)。近年來(lái)，對(duì)苝類衍生物發(fā)光性質(zhì)和光物理性質(zhì)的研究愈來(lái)愈受到關(guān)注，并逐漸成為研究熱點(diǎn)[12]。目前對(duì)該類化合物的研究已涉及電致發(fā)光[38]、生物熒光探針、電子照相、太陽(yáng)能電池、有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管[910]、液晶（liquid crystal）[1112]及分子光電材料等領(lǐng)域。

河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)2018年第2期甄小麗，等：含非對(duì)稱苝二酰亞胺側(cè)鏈多肽的合成苝二酰亞胺結(jié)構(gòu)中具有較大的平面共軛體系，這種良好的分子平面性使分子間ππ相互作用增強(qiáng)，可通過(guò)該類化合物構(gòu)筑超分子聚集體（如結(jié)晶、液晶、凝膠等）。通過(guò)苝二酰亞胺ππ相互作用形成的超分子化合物，是超分子體系中重要的一類，呈現(xiàn)出眾多獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，相關(guān)方面的研究已有報(bào)道[13]。

近年來(lái)，對(duì)于多肽與苝酰亞胺的合成研究越來(lái)越多。河北大學(xué)某課題小組設(shè)計(jì)了一種樹枝狀多肽修飾的苝酰亞胺類化合物[14]，帶有羧基的苝酰亞胺型熒光染料既有親脂性又有親水性。將非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的苝二酰亞胺與多肽通過(guò)共價(jià)鍵相連形成含功能側(cè)臂多肽的合成，以及自組裝的研究未見報(bào)道。本文設(shè)計(jì)合成了含非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的苝二酰亞胺側(cè)鏈的鏈狀四肽，考察物料比、溶劑、催化劑等對(duì)反應(yīng)的影響，確定了較優(yōu)的反應(yīng)條件，合成方法反應(yīng)條件溫和，操作簡(jiǎn)便。該研究不僅為合成非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的苝二酰亞胺類化合物提供了一種便捷方法，而且對(duì)研究含非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的苝二酰亞胺側(cè)鏈的多肽及環(huán)肽類化合物的合成及自組裝，進(jìn)一步研究組裝體的光電性能，及開發(fā)光誘導(dǎo)的電子轉(zhuǎn)移和能量傳遞開關(guān)具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要儀器與試劑

500 MHz共振波譜儀，瑞士Bruker公司提供；500MS液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國(guó)Varian公司提供。

無(wú)水乙醇、無(wú)水甲醇，均為分析純；DMAP、咪唑、3，4，9，10苝四羧酸二酐，均為安耐吉公司生產(chǎn)；LAlaDLeu（NMe）AlaDLeuAlly鏈狀四肽，按文獻(xiàn)＼[15＼]制備。

1.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

N環(huán)己基N（LAlaDLeu（NMe）AlaDLeuAlly）3，4，9，10苝四羧酸二酰亞胺的合成路線如圖1所示。

2結(jié)果與討論

3，4，9，10苝四羧酸二酐結(jié)構(gòu)具有高度對(duì)稱性，氨解反應(yīng)的選擇性較差，易生成對(duì)稱結(jié)構(gòu)的苝二酰亞胺衍生物。文獻(xiàn)報(bào)道的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的苝二酰亞胺類化合物的合成方法有如下幾種：1）先合成對(duì)稱的苝酰亞胺，然后將其在強(qiáng)堿體系中部分水解后得到苝單酐單酰胺，再進(jìn)行氨解[1617]；2）苝二酸酐在氫氧化鉀/異丙醇溶液中部分水解得到苝單酐單羧酸鹽， 后者再與胺類反應(yīng)[12]；3）一鍋法直接合成[18]。這些方法普遍存在選擇性差、副產(chǎn)物多、分離困難等弊端。

本文采用新的合成方法，將3，4，9，10苝四羧酸二酐與環(huán)己胺及鏈狀四肽分步進(jìn)行氨解反應(yīng)，合成了非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的苝二酰亞胺類化合物。該方法的第一步反應(yīng)是決定反應(yīng)選擇性和收率的關(guān)鍵，優(yōu)化第一步反應(yīng)的條件，保證環(huán)己基苝單酰亞胺的最佳產(chǎn)率，才可實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱苝二酰亞胺的較高收率。由于苝環(huán)的ππ堆積作用，使得第一步反應(yīng)產(chǎn)物苝單酰亞胺的溶解度較差，難以實(shí)現(xiàn)分離純化。本文是在完成兩步反應(yīng)后，得到苝二酰亞胺衍生物的混合物，以V（甲醇）︰V（二氯甲烷）=1︰100為洗脫劑，經(jīng)過(guò)柱層析得到純品，收率為兩步反應(yīng)的產(chǎn)率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，考察不同物料比、溶劑、溫度、催化劑等對(duì)反應(yīng)收率的影響。

2.1溶劑的影響

從表1可以看出溶劑的影響。在不同的反應(yīng)體系中，只有用V（乙醇）∶V（水）=4∶1作溶劑才生成了N環(huán)己基3，4，9，10苝四羧酸3，4酸酐9，10酰亞胺，而在其他溶劑中得不到預(yù)期的產(chǎn)物。由于用其他弱極性烷烴類試劑也沒有得到理想結(jié)果，故只列出了幾項(xiàng)，沒有全部列出。其中乙醇/水混合溶劑的比例是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到的結(jié)果，在此不作詳細(xì)敘述。原因是在乙醇/水混合溶劑中，中間產(chǎn)物N環(huán)己基3，4，9，10苝四羧酸3，4酸酐9，10酰亞胺以

2.2物質(zhì)的量比的影響

由表2可知物質(zhì)的量比的影響，適當(dāng)增大苝酐與環(huán)己胺物質(zhì)的量比，主產(chǎn)物收率明顯提高，當(dāng)n（苝酐） ︰n（環(huán)己胺）=1︰6時(shí)收率最高，為326%；但物質(zhì)的量比再增大時(shí)主產(chǎn)物收率反而降低。其原因是提高環(huán)己胺的比例，增加了苝酐與環(huán)己

2.3催化劑的影響

通過(guò)閱讀文獻(xiàn)，再結(jié)合先前合成多肽的經(jīng)驗(yàn)，選擇加入DMAP作為催化劑，結(jié)果見表3。由表3可知，反應(yīng)體系中加入DMAP，收率顯著提高。主要原因是，DMAP結(jié)構(gòu)上供電子的二甲氨基與吡啶環(huán)的共振，能強(qiáng)烈增加吡啶環(huán)上氮原子的電子云密度，使其親核性顯著增強(qiáng)[1922]，易與?；噭┬纬筛邼舛鹊腘酰基4二甲氨基吡啶鹽而使酰基活化，因此可作為胺類?；磻?yīng)的高效催化劑。

由編號(hào)為1，2，3的實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)反應(yīng)（Ⅰ）溫度不變、反應(yīng)（Ⅱ）溫度升高時(shí)，收率也隨之升高，但是溫度超過(guò)120 ℃后收率反而下降。其原因是反應(yīng)溫度升高，提高了分子間的有效碰撞；但溫度過(guò)高，導(dǎo)致副反應(yīng)增多，主產(chǎn)物收率降低。由編號(hào)為2，4，5的實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)反應(yīng)（Ⅱ）溫度不變、反應(yīng)（Ⅰ）溫度升高時(shí)，收率也隨之上升，當(dāng)溫度超過(guò)70 ℃后，收率反而下降。其原因是溫度過(guò)高，雖然使苝酐的反應(yīng)活性提高，但反應(yīng)的選擇性降低，容易生成對(duì)稱結(jié)構(gòu)的苝二酰亞胺，而使主產(chǎn)物收率降低。

3結(jié)語(yǔ)

以3，4，9，10苝四羧酸二酐為起始原料，首先與環(huán)己胺在乙醇/水溶劑中（V（乙醇）︰V（水）=4︰1）于70 ℃反應(yīng)6 h，反應(yīng)混合物經(jīng)酸化、分離得到中間產(chǎn)物N環(huán)己基3，4，9，10苝四羧酸3，4酸酐9，10酰亞胺；后者直接與LAlaDLeu（NMe）AlaDLeuAlly四肽在咪唑中混合，以DMAP為催化劑、于120 ℃氨解反應(yīng)4 h，經(jīng)酸化、分離、提純，得到目標(biāo)化合物N環(huán)己基N（LAlaDLeu（NMe）AlaDLeuAlly）3，4，9，10苝四羧酸二酰亞胺，總收率為32.6%。

該方法反應(yīng)條件溫和，操作簡(jiǎn)便，且中間產(chǎn)物無(wú)需提純，是合成含非對(duì)稱結(jié)構(gòu)苝二酰亞胺側(cè)鏈多肽的一種簡(jiǎn)便方法。本文僅討論了DMAP作為催化劑的影響，下一步的工作將擴(kuò)大催化劑的種類，進(jìn)一步考察其他催化劑對(duì)反應(yīng)收率的影響。

參考文獻(xiàn)/References：

[1]GUAN Y， YU S H， ANTONIETTI M，et al. Synthesis of supramolecular polymers by ionic selfassembly of oppositely charged dyes[J]. European Journal of Chemistry， 2005， 11（4）： 13051311.

[2]LI X Y， SINKS L E， RYBTCHINSKI B， et al. Ultrafast aggregatetoaggregate energy transfer within selfassembled lightharvesting columns of zinc phthalocyanine tetrakis（perylenediimide）[J]. Journal of America Chemistry Society， 2004， 126（35）： 1081010811.

[3]LU W， GAO J P， WANG Z Y. Electrochemical characterization， electrochroism， and voltagedependent fluorescence of novel perylenecontaining polyimides[J]. Macromolecules， 1999， 32（32）： 88808885.

[4]馮奕鈺. 光響應(yīng)性有機(jī)共軛體和碳納米管的制備和表征[D].天津：天津大學(xué)，2007.

FENG Yiyu. Preparation and Characterization of Photoresponsive Organic Conjugates and Carbon Nanotubes [D]. Tianjin：Tianjin University， 2007.

[5]WURTHNER F， SAHAMOLLER C R， FIMMEL B， et al. Perylene bisimide dye assemblies as archetype functional supramolecular materials[J]. Chemical Reviews， 2016， 116（3）： 9621002.

[6]KUMAR J， NAKASHIMA T， TSUMATORI H，et al.Circularly polarized luminescence in supramolecular assemblies of chiral bichromophoric perylene bisimides[J].European Journal of Chemistry， 2013， 19（14）： 1409014097.

[7]KUMAR J， NAKASHIMA T， KAWAI T， et al. Circularly polarized luminescence in chiral molecules and supramolecular assemblies[J]. Journal Letters， 2015， 6（17）： 34453452.

[8]KUMAR J， TSYMATORI H， YUASA J， et al. Selfdiscriminating termination of chiral supramolecular polymerization： Tuning the length of nanofibers[J]. Angewandte Chemie International Edition， 2015， 54（20）： 59435947.

[9]徐業(yè)偉，朱方華，張海連，等.含苝聚合物功能材料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2012，26（17）：92102.

XU Yewei， ZHU Fanghua， ZHANG Hailian， et al. Progress in functional materials containing perylene[J]. Materies Review， 2012， 26（17）： 92102.

[10]ZHAN X W， TAN Z A， DOMERCQ B， et al. A highmobility electrontransport polymer with broad absorption and its use in fieldeffect transistors and allpolymer solar cells[J]. Journal of America Chemistry Society， 2007， 129（33）： 72467247.

[11]YAO D J， WANG Z Y， SUNDARARAJAN P R. Time dependent crystalsmectic transformation in perylenecontaining polyimides[J]. Polymer， 2005， 46（12）： 43904396.

[12]STRUIJK C W， SIEVAL A B， DAKHORST J E J， et al. Liquid crystalline perylene diimides： Architecture and charge carrier mobilities[J]. Journal of America Chemistry Society， 2000， 122（45）： 1105711066.

[13]KOLHE N B， ASHA S K， SENANAYAK S P， et al. Ntype field effect transistors based on rigid rod and liquid crystalline alternating copoly（benzobisoxazole） imides containing perylene and/or naphthalene[J]. Journal of Physical Chemistry B， 2010， 114（50）： 1669416704.

[14]張麗翠. 含有支化結(jié)構(gòu)的水溶性化合物的合成與性質(zhì)[D].保定：河北大學(xué)，2011.

ZHANG Licui. Synthesis and Properties of WaterSoluble Compounds Containing Branched Structures[D].Baoding：Hebei University， 2011.

[15]ZHEN Xiaoli，MA Zhenjie，TIAN Xia. Synthesis and structure analysis of a tripeptide containing nmethyl group amino acid[J]. Chinese Journal of Structural Chemistry， 2016， 35（5）： 718724.

[16]孫先勝，陳孔常.苝酰胺單酐和非對(duì)稱取代苝四羧酰二亞胺的合成[J].染料工業(yè)，1999，41（6）：2425.

SUN Xiansheng， CHEN Kongchang. Synthesis of perylene amide monoanhydride and asymmetrically substituted perylene tetracarboxylic diimide[J]. Journal of Dye Industry， 1999，41（6）： 2425.

[17]WURTHNER F. Plastic transistors reach maturity for mass applications in microelectronics[J]. Angewandte Chemie International Edition， 2001， 40（6）： 10371039.

[18]LOCKLIN J， LI D， BAO Z， et al. Organic thin film transistors：Based on cyclohexylsubstituted organic semiconductors[J]. Chem Mater， 2005， 17（13）： 33663374.

[19] SPIVEY A C， ARSENIYADIS S. Nucleophilic catalysis by 4（dialkylamino）pyridines revisited：The search for optimal reactivity and selectivity[J]. Angewandte Chemie International Edition， 2004， 43（41）： 54365441.

[20]MATHIAS L J， VAIDIA R A. Synthesis， cyclopolymerization， and cyclocopolymerization of 4（diallylamino）pyridine： A new monomer[J]. Journal of Polymer Science Polymer Letters Edition， 1985， 23（6）：289297.

[21]曲榮君，孫昌梅，王春華，等.相轉(zhuǎn)移催化在高分子化合物合成中的應(yīng)用[J].催化學(xué)報(bào)，2003，24（9）：716724.

QU Rongjun， SUN Changmei， WANG Chunhua， et al. Application of phase transfer catalysis in the synthesis of polymeric compounds [J]. Chinese Journal of Catalysis， 2003，24（9）： 716724.

[22]邊陽(yáng)陽(yáng)，申淑鋒.相變吸收劑捕集二氧化碳的研究進(jìn)展[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，38（5）：460468.

BIAN Yangyang，SHEN Shufeng.Advance in the capture of carbon dioxide by phase change absorbents[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2017，38（5）：460468.第39卷第2期河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)Vol.39，No.2

2018年4月Journal of Hebei University of Science and TechnologyApr. 2018