4—（3—苯丙基吡啶基于cation—π相互作用作為烷基化殘留物熒光傳感器

楊斌

【摘 要】4-（3-苯丙基）吡啶發(fā)生烷基化反應(yīng)所生成的吡啶鹽的熒光強(qiáng)度顯著增加，可以被用來(lái)作為烷基化殘留物的熒光傳感器。本文主要通過(guò)研究這種吡啶和與之對(duì)應(yīng)的吡啶鹽與α-環(huán)糊精通過(guò)的主客體相互作用的熒光性質(zhì)驗(yàn)證這種cation–π相互作用存在。

【關(guān)鍵詞】烷基化；熒光傳感器；cation–π相互作用；主客體相互作用

中圖分類號(hào)： R318.08 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）23-0169-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.074

【Abstract】The pyridyl salt formed by the alkylation reaction of 4-（3-phenylpropyl）pyridine has a markedly increased fluorescence intensity and can be used as a fluorescent sensor for alkylation residues.In this paper，the existence of this cation–π interaction was verified by studying the fluorescence properties of this pyridine and its corresponding pyridinium salt and the host-guest interaction of α-cyclodextrin.

【Key words】Alkylation；Fluorescence sensor；Cation–π interaction；Host-guest interaction

0 前言

隨著有機(jī)合成化學(xué)的逐步成熟和發(fā)展，各種新型合成路線被不斷的開(kāi)發(fā)，活化的強(qiáng)力碳?xì)滏I引入烷基結(jié)構(gòu)成為目前藥物化學(xué)合成中的有力途徑，極大地拓寬了有機(jī)合成藥物的發(fā)展前景[1]。然而，烷基化反應(yīng)常常伴隨有烷基化試劑的殘留，對(duì)于生物體系而言，此類親電試劑極易與生物細(xì)胞中的親核試劑產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，破壞生物體的正常生理功能，因此，需要建立嚴(yán)格而可靠的檢測(cè)方案，對(duì)合成類藥物中的烷基化殘留物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。熒光檢測(cè)作為一種高靈敏的檢測(cè)手段，正越來(lái)越多地被應(yīng)用到生物相關(guān)領(lǐng)域，通過(guò)設(shè)計(jì)合成具有特定功能的熒光探針?lè)肿樱梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)烷基化殘留物的精準(zhǔn)檢測(cè)[1]。

cation–π相互作用因?yàn)槠渥饔们昂髮?duì)熒光染料分子電荷分布有著明顯的影響，可被設(shè)計(jì)成為具有高靈敏度的熒光傳感器。早在2010年，英國(guó)巴斯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)便發(fā)現(xiàn)了通過(guò)正丙烷基團(tuán)連接的苯環(huán)與吡啶化合物可在分子內(nèi)形成cation–π相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生了明顯的熒光增強(qiáng)作用，并且通過(guò)改變吡啶環(huán)上連接的基團(tuán)種類，可在熒光響應(yīng)上產(chǎn)生相應(yīng)的明顯變化，伯明翰大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的這一發(fā)現(xiàn)為碘甲烷檢測(cè)提供了理論基礎(chǔ)。

結(jié)果與討論：

1.4-（3-苯丙基）吡啶鹽的獲得與合成

4-（3-苯丙基）吡啶記作（PR1）。將 PR1（5.92g，30mmol）裝入圓底燒瓶中，用盡可能少的丙酮使其溶解。之后再加入碘甲烷（6.39g，45mmol）于溶解好的溶液中，在 65℃下回流兩小時(shí)。反應(yīng)完成后，冷卻至室溫，減壓抽濾除去溶劑以及其他雜質(zhì)，得到最終產(chǎn)物吡啶鹽記作PR2（9.96g），產(chǎn)率：98%。

2.對(duì)應(yīng)烷基化殘留物的熒光檢測(cè)

在碘甲烷的作用下，吡啶化合物1（PR1）分子會(huì)與之形成N-烷基化產(chǎn)物（PR2），而這種產(chǎn)物PR2在產(chǎn)生cation–π相互堆疊作用發(fā)生堆疊后受到起始波長(zhǎng)260_nm的光進(jìn)行激發(fā)，在420_nm處出現(xiàn)了明顯的熒光增強(qiáng)作用。通過(guò)對(duì)濃度與熒光強(qiáng)度的擬合，這一熒光成倍增強(qiáng)的現(xiàn)象可被應(yīng)用于痕量碘甲烷的檢測(cè)分析（圖1）。

F/F0：加入碘甲烷前后熒光發(fā)射峰處強(qiáng)度的對(duì)比倍數(shù)。

3.cation–π相互堆疊效應(yīng)的驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，熒光增強(qiáng)明顯并且檢測(cè)限極低，達(dá)到億分之一（1_nm）的濃度水平，但在實(shí)際檢測(cè)中，能夠引起熒光增強(qiáng)的因素較多，為了證明這種明顯的熒光增強(qiáng)作用的機(jī)理，我們?cè)O(shè)計(jì)了以環(huán)糊精為主體的主客體相互作用方案，進(jìn)一步確認(rèn)cation–π相互堆疊效應(yīng)的存在。

3.1 PR1與PR2與α-環(huán)糊精進(jìn)行主客體作用

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們使用了四氫呋喃與水的混合體系，通過(guò)調(diào)控混合溶劑比例，我們探尋出四氫呋喃和水合適的體積比為1：2，在此體積比下，兩種物質(zhì)均能很好地溶解。

配制時(shí)，改變PR1和α-環(huán)糊精的濃度比，同時(shí)保持四氫呋喃和水的體積比為1：2，溶液各配制1mL。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用濃度比為1：6及以下比例進(jìn)行主客體作用的探究。

由于PR1吡啶基團(tuán)與苯基通過(guò)丙烷直鏈鏈接，兩端無(wú)論是吡啶基團(tuán)或苯環(huán)，尺寸均小于α-環(huán)糊精的內(nèi)腔，因此PR1分子理論上可以通過(guò)主客體相互作用嵌入環(huán)糊精的內(nèi)腔之中，帶來(lái)熒光強(qiáng)度的增強(qiáng)。隨著環(huán)糊精加入的當(dāng)量增加，PR1的熒光強(qiáng)度也不斷增加（圖2.a），這主要是因?yàn)榄h(huán)糊精的有限空間將4-（3-苯丙基）吡啶結(jié)構(gòu)中單鍵的自由旋轉(zhuǎn)成功限制，使得光致激發(fā)能量不易以非輻射形式釋放。與碘甲烷反應(yīng)后的PR2化合物，形成cation–π相互作用成為堆疊形態(tài)，其空間半徑明顯增大，位阻效應(yīng)使得α-環(huán)糊精無(wú)法將其包括在內(nèi)，所以α-環(huán)糊精的引入并不會(huì)對(duì)PR2分子的熒光產(chǎn)生增強(qiáng)作用（圖2.b）。

總結(jié)：

通過(guò)對(duì)PR1的烷基化吡啶鹽的PR2的熒光檢測(cè)，能得到一種優(yōu)質(zhì)的對(duì)于含量極低的烷基化殘留物的檢測(cè)傳感器。通過(guò)研究PR1與PR2與環(huán)糊精的主客體作用的熒光性質(zhì)的不同，充分驗(yàn)證了cation–π相互作用的存在，為進(jìn)一步拓寬該類熒光探針應(yīng)用方向奠定基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]孫濤，李月明，辛飛飛，李尚洋，侯月會(huì)，郝愛(ài)友.化學(xué)進(jìn)展， 2012，24，70-79.