基于β-環(huán)糊精改性的水溶性苝酰亞胺的合成及其pH響應(yīng)性研究

楊 靖，白 陽，安 娜，劉彩萍，陳香李，步懷天

(陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 陜西省輕化工助劑重點實驗室，陜西 西安 710021)

0 引言

3,4,9,10-苝四甲酸二酐(PTCDA)是由兩個萘環(huán)以sp2雜化構(gòu)成的具有良好平面性的稠環(huán)芳烴，其在結(jié)構(gòu)上擁有大的共軛π體系，也是一類具有強熒光的缺電子分子[1].分子結(jié)構(gòu)中的共軛稠環(huán)結(jié)構(gòu)使其具有良好的穩(wěn)定性，因此PTCDA相較于有相同性質(zhì)的有機分子而言，光、熱、化學(xué)穩(wěn)定性更加突出[2].PTCDA的熒光量子產(chǎn)率幾乎接近100%，且熒光壽命較長[3,4]，研究表明，PTCDA的吸收波長在接近可見到紅外光(400 nm-600 nm)區(qū)域.但是PTCDA分子結(jié)構(gòu)中的羰基的吸電子作用使整個分子處于缺電子狀態(tài)，導(dǎo)致PTCDA易還原難被氧化.同時由于共軛稠環(huán)結(jié)構(gòu)剛性大，導(dǎo)致苝核在常見溶劑和水中極易發(fā)生π-π堆積[5,6]，從而導(dǎo)致PTCDA的溶解性和熒光量子產(chǎn)率大幅度下降，限制了其應(yīng)用，因此有關(guān)其水溶性衍生物的研究是提高其利用度的熱點問題.

苝酰亞胺常見的修飾位點有兩個，Langhals[7]首先提出“燕尾式”取代方法，即以亞胺位置作為取代位點.Seybold等[8]首次提出可對其灣位進行改性.“燕尾式”取代方法是通過增溶基團之間靜電排斥作用、氫鍵作用以及空間位阻效應(yīng)等防止分子之間的聚集.灣位的改性會破壞分子的平面結(jié)構(gòu)，扭曲的空間結(jié)構(gòu)減少了分子間的聚集，從而起到增溶作用，但是也會對分子的光學(xué)性能產(chǎn)生影響.目前常用的改性方法都建立在對這兩個位點的修飾.

本文以PTCDA為原料，采用“燕尾服”式[7,9]取代方法將β-環(huán)糊精(β-CD)與PTCDA亞氨基進行共價連接，在改善其水溶性的同時不改變小分子本身的光物理和電化學(xué)性能[10].β-CD除了本身良好的水溶性及生物相容性，本身對環(huán)境幾乎沒有污染，并且具有廉價易得的優(yōu)勢.環(huán)糊精增溶的原理是通過大環(huán)分子之間靜電排斥、氫鍵以及空間位阻效應(yīng)減弱苝核之間的π-π堆積效應(yīng)，從而增加溶解性[11].除此之外，環(huán)糊精本身與二茂鐵，金剛烷等具有良好的包合性能[12].

基于β-CD改性的CD-PDI-CD熒光探針具有良好的水溶性，且亞氨基是一個質(zhì)子的有效鍵合位點，對pH有一定的敏感性[13]，因此目標(biāo)產(chǎn)物可在不同濃度和pH條件下調(diào)節(jié)苝核的聚集程度，從而進一步實現(xiàn)在濃度和酸度變化條件下熒光的變化.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

(1)主要試劑：β-環(huán)糊精(β-CD)、甲苯-4-磺酰氯(TsCl)、乙腈、氫氧化鈉、丙酮、乙二胺(EDA)、N,N′-二甲基甲酰胺(DMF)、無水乙醇、3,4,9,10-苝四甲酸二酐(PTCDA)、醋酸鋅Zn(AcO)2、吡啶、三氟乙酸，冰醋酸，均為分析純；磷酸鹽緩沖液(PBS,pH=4.0,0.05 M；pH=5.0,0.05 M)，去離子水.

(2)主要儀器：旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、烘箱、400 MHz核磁共振波譜儀,德國Bruker公司;VECTOR-22型紅外光譜儀,德國Bruker公司;UV-2650型紫外可見分光光度計,日本島津公司;F-7000FL型熒光光譜儀,日本Hitachi公司;XE7型原子力顯微鏡,韓國Park公司;透射電子顯微鏡,美國FEI公司.

1.2 探針的合成

熒光探針分子的合成路線和質(zhì)子化如圖1所示.其熒光探針分子具體制備方法如下所述.

1.2.1 磺化環(huán)糊精(β-CD-OTs)的制備

參考白陽[14]報道的合成方法合成6位單取代環(huán)糊精.在冰水浴下，于1 000 mL三口燒瓶中依次加入NaOH(6 570 mg,164.0 mmol)，β-CD(60 000 mg,52.9 mmol)，500 mL去離子水.將TsCl(10 080 mg,52.9 mmol)溶于30 mL乙腈中后緩慢滴加到NaOH溶液中，之后在室溫下反應(yīng)2 h.反應(yīng)結(jié)束后抽濾，收集濾液，將濾液置于冰箱中過夜；抽濾后收集濾餅，并分別用稀鹽酸、去離子水、丙酮洗滌得粗產(chǎn)物.將粗產(chǎn)物進行重結(jié)晶，真空干燥得產(chǎn)物為白色固體7 040 mg，產(chǎn)率12.0%.

1.2.2 胺化環(huán)糊精(β-CD-EDA)的制備

于50 mL燒瓶中加入30 mL EDA，在攪拌的條件下加入β-CD-OTs(5 000 mg,387.9 mmol)，密封后將燒瓶放置在75 ℃油浴中反應(yīng)4.5 h.反應(yīng)結(jié)束后待冷卻到室溫，將反應(yīng)混合液用冰丙酮沉淀，待丙酮的溫度達(dá)到室溫后抽濾，收集濾餅，真空干燥12 h后得白色粘狀物質(zhì)為粗產(chǎn)物；將粗產(chǎn)物丙酮進行兩次沉淀，抽濾，真空干燥，溶劑均為20 mL DMF，最終得產(chǎn)物為白色固體1 250 mg，產(chǎn)率25.0%.

1.2.3 水溶性苝酰亞胺衍生物(CD-PDI-CD)的制備

參考Wang等[15]報道的方法，在N2保護下，于250 mL燒瓶中依次加入β-CD-EDA(490 mg,0.335 mmol)，PTCDA(130 mg,0.165 mmol)，Zn(AcO)2(36.5 mg,0.165 mmol)和100 mL吡啶，將燒瓶放置在100 ℃油浴中反應(yīng)48 h.反應(yīng)結(jié)束后，除去溶劑得到紅色固體為粗產(chǎn)物，將粗產(chǎn)物用去離子水洗滌，收集濾液，除去濾液中大部分水后用甲醇沉淀、抽濾、真空干燥后得產(chǎn)物為紫紅色固體粉末162 mg，產(chǎn)率28.7%.

(a)探針分子的合成路線

(b)探針分子的質(zhì)子化圖1 探針的合成路線和質(zhì)子化

2 結(jié)果與討論

2.1 化合物的表征

2.1.1β-CD-OTs的表征

(1)紅外譜圖：如圖2中a曲線所示，在1 600 cm-1和1 496 cm-1出現(xiàn)的兩個較弱峰為苯環(huán)骨架(C=C)的特征吸收峰.1 364 cm-1和1 176 cm-1處為砜基的對稱伸縮振動特征吸收峰.816 cm-1和668 cm-1處為苯環(huán)上的H(Ar-H)的面外變形振動吸收峰，這些特征峰的出現(xiàn)可以證明對甲苯磺酰基已經(jīng)連接到了β-CD分子上.

(2)核磁氫譜：如圖3(a)所示，1H-NMR(DMSO-d6，TMS)，其中δ=2.5為DMSO溶劑峰，δ=7.75、7.43、2.43 分別對應(yīng)圖中a、b、c處的峰值.a、b對應(yīng)對甲苯磺?；江h(huán)上的兩組質(zhì)子，c對應(yīng)對甲苯磺?；屑谆系腍，根據(jù)苯環(huán)上的氫與環(huán)糊精2，3位羥基氫的比例可以證明單取代的β-CD-OTs已成功合成.

2.1.2β-CD-EDA的表征

(1)紅外光譜：將圖2中a、b曲線進行比較，可以看出兩條曲線的相似度很高，這種情況的出現(xiàn)是因為特征峰的重疊，并且理論上的出峰位置也是相似的，所以想要證明β-CD-EDA分子的合成情況，需進一步使用1H-NMR對化合物的分子結(jié)構(gòu)進行表征.

(2)核磁氫譜：如圖3(b)所示，1H-NMR(DMSO-d6，TMS)，其中δ=2.5為DMSO溶劑峰，δ=3.1～5.9的特征峰與β-CD-OTs的特征峰完全相同，但是在δ=7.0～8.0沒有出現(xiàn)特征峰，即對甲苯磺?；卣鞣寰严?，因此β-CD-OTs上的對甲苯磺酰基被氨基成功取代；并且在δ=2.7～2.9處出現(xiàn)乙基的特征吸收峰，證明乙二胺已經(jīng)連接到β-CD-OTs分子上形成β-CD-EDA.

2.1.3 CD-PDI-CD的表征

(1)紅外譜圖：如圖2中c曲線所示，在3 300 cm-1處出現(xiàn)的峰為環(huán)糊精中-OH的特征峰，1 600 cm-1和1 496 cm-1處出現(xiàn)的兩個較弱峰為苯環(huán)骨架(C=C)的特征吸收峰，在1 659 cm-1處的峰為酰胺鍵的特征吸收峰，這些特征峰的出現(xiàn)證明β-CD成功連接到了苝酰亞胺上.

(2)核磁氫譜：如圖3(c)所示，1H-NMR(DMSO-d6，TMS)，其中δ=2.5為DMSO溶劑峰，在δ=7.0～8.0出現(xiàn)苯環(huán)氫的特征吸收峰，δ=5.5～6.0為環(huán)糊精2，3位-OH的氫的吸收峰，環(huán)糊精分子上羥基的氫與苝核上苯環(huán)氫的比例為1∶3.7，接近理論比例1∶3.5，即證明水溶性苝酰亞胺衍生物CD-PDI-CD已成功合成.

圖2 化合物的FT-IR圖

(a)β-CD-OTs

(b)β-CD-EDA

(c)CD-PDI-CD圖3 化合物的1H-NMR圖

2.2 探針的光譜性質(zhì)和pH響應(yīng)

探針分子CD-PDI-CD在水溶液中溶解性良好.但是由于苝核的剛性結(jié)構(gòu)，在溶劑中分子不是獨立存在的，而是更傾向于分子之間相互聚集這種更為穩(wěn)定的方式存在[16].如圖4所示，(a)和(b)分別為中性和酸性條件下濃度為1×10-4M，1×10-5M，1×10-6M的溶液，在近紅外激光的照射下，溶液均顯示出丁達(dá)爾效應(yīng)，這一現(xiàn)象可證明溶液中有微小的粒子，即初步證明在溶液中分子之間以相互聚集的形式存在.

(a)中性 (b)酸性圖4 丁達(dá)爾效應(yīng)圖

丁達(dá)爾效應(yīng)強度隨著濃度的變化而發(fā)生變化，因此可以推測出在溶劑中苝核的π-π堆積是與濃度相關(guān)的[17,18]，并且苝核之間的聚集程度對整個水溶液體系的熒光性能具有一定影響.圖5中溶液的濃度從左至右依次減小，在加入微量三氟乙酸后，自然光照條件下溶液的顏色沒有發(fā)生任何變化，而在用345 nm的紫外光照射后顯示出強烈的熒光，且熒光強度隨濃度的增加而變強.但是中性下的溶液在自然光照和345 nm的紫外光照射后均無任何變化，由此可以說明合成的分子具有一定的熒光性能，并且有一定的pH響應(yīng)性.

(a)自然光照

(b)345 nm紫外光照圖5 不同光照下的顯色圖

通過UV-vis研究了CD-PDI-CD溶液濃度為1.0×10-4～1.0×10-6M范圍內(nèi)的吸光度變化，如圖6所示.圖6(a)為中性條件下的UV-vis圖，圖6(b)為酸性條件下的UV-vis圖.在中性條件下，隨著濃度的增加500 nm處的峰逐漸增強，且伴隨著濃度的增加在545 nm處出現(xiàn)明顯的肩峰，肩峰的出現(xiàn)說明在溶液中存在著聚集行為[19,20].酸性條件下，由于探針分子被質(zhì)子化，500 nm處的峰和545 nm處的肩峰的強度隨著濃度的增加而逐漸的上升，這與中性條件下峰值的變化趨勢相同.但是質(zhì)子化前后的峰值對比發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子化后500 nm和545 nm處的峰值均大于未質(zhì)子化的峰值，且500 nm處峰的增幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于545 nm處的峰的增幅.

(a)中性

(b)酸性圖6 不同條件下CD-PDI-CD溶液的UV-vis

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：β-CD與PTCDA進行橋連，β-CD作為取代基提供水溶性的同時，亞氨基作為良好的電子供體的同時也是一個有效的質(zhì)子鍵合位點，亞氨基與質(zhì)子的結(jié)合使苝核之間具有一定的排斥性，所以可以通過pH來調(diào)節(jié)CD-PDI-CD溶液在水溶液中的聚集行為和熒光性能.氨基上的孤對電子向激發(fā)態(tài)的熒光基團發(fā)生電子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致熒光基團發(fā)生熒光猝滅.與未質(zhì)子化的相比，質(zhì)子化后的最高峰的峰值大于未質(zhì)子化的峰值，說明質(zhì)子化可以減少苝核之間的聚集，從而熒光性能也有所提高.

圖7為CD-PDI-CD溶液濃度為1.0×10-4～1.0×10-6M范圍內(nèi)的熒光光譜曲線.其中，圖7(a)、(c)為中性條件下濃度為1.0×10-6～1.0×10-5M范圍內(nèi)的熒光光譜曲線，圖7(a)、(c)中均顯示出隨濃度的增加，熒光強度逐漸增強，發(fā)射峰發(fā)生小幅度的紅移[15]；圖7(b)、(d)為酸性條件下濃度5.0×10-5～2.5×10-4M之間的熒光光譜曲線.由圖7(b)、(d)可知，當(dāng)濃度大于1.0×10-5M時，隨著濃度的增加熒光強度都出現(xiàn)下降的趨勢，這是由于分子之間自發(fā)的π-π堆積作用后分子之間的聚集程度增加，所以產(chǎn)生熒光自猝滅現(xiàn)象.

圖7(a)和(c)之間形成鮮明對比，質(zhì)子化后溶液的熒光光譜最大強度約是未質(zhì)子化的4倍，質(zhì)子化后熒光增強的原因有兩個：一是由于質(zhì)子化后分子上的亞氨基不再是電子供體，分子內(nèi)的光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移被阻斷，所以相對于同濃度的溶液出現(xiàn)熒光增強.二是質(zhì)子化后分子之間逐漸解聚，分子之間大范圍的聚集體由于靜電效應(yīng)而趨向于形成更小的聚集體[13].

CD-PDI-CD溶液的熒光光譜圖說明合成的探針分子是有熒光的，并且分子之間存在自猝滅效應(yīng).而熒光強弱的直接表現(xiàn)是絕對量子產(chǎn)率的大小，因此對溶液的絕對量子產(chǎn)率采用參比法進行計算,如表1所示.

圖7顯示溶液的濃度在1.0×10-5M時，中性(未質(zhì)子化)和酸性(質(zhì)子化)條件下熒光強度都是最強的，表1可以證實在濃度為1.0×10-5M下絕對量子產(chǎn)率在同一條件下都是最高的.如表1所示，隨著濃度的增加，中性條件下和酸性條件下的絕對量子產(chǎn)率都呈現(xiàn)出下降趨勢，但是當(dāng)濃度為2.5×10-4M時，中性溶液的絕對量子產(chǎn)率變?yōu)?，證明此時溶液中分子之間存在很大程度的聚集.質(zhì)子化后的絕對量子產(chǎn)率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未質(zhì)子化的絕對量子產(chǎn)率，并且在濃度為1.0×10-5M時質(zhì)子化后的絕對量子產(chǎn)率是未質(zhì)子化的30倍，因此pH的變化對溶液的絕對量子產(chǎn)率有著很大的影響，即pH對熒光強度有影響，并且在酸性條件下熒光強度更強.

(a)中性條件，隨濃度上升熒光強度上升

(d)酸性條件，隨濃度上升熒光強度下降圖7 不同條件下CD-PDI-CD溶液的Fluorescence(λex=500 nm，狹縫寬度=2.5 nm)

表1 不同pH條件下的熒光量子產(chǎn)率(%)

2.3 CD-PDI-CD水溶液中的聚集行為

通過TEM對CD-PDI-CD水溶液中的聚集行為進行表征，其表征結(jié)果如圖8所示.圖8(a)和(b)為pH等于7，濃度分別為1.0×10-4M和1.0×10-5M的TEM圖；圖8(c)和(d)為pH小于7，濃度分別為1.0×10-4M和1.0×10-5M的TEM圖.從圖8可以看出，在任何條件下，溶液中的分子都是以聚集的形式存在的.然而由于酸性條件下分子發(fā)生質(zhì)子化，聚集體的分散度更高，即證明酸性條件對分子的聚集程度有一定影響.

(a)pH=7,1×10-4M (b)pH=7,1×10-5M

(c)pH<7,1×10-4M (d)pH<7,1×10-5M圖8 CD-PDI-CD溶液聚集程度的TEM圖

使用AFM對CD-PDI-CD水溶液中的聚集行為進行表征，其表征結(jié)果如圖9所示.圖9(a)和(b)所用溶液的pH等于7，(c)和(d)所用溶液的pH小于7.通過圖9(a)、(b)與(c)、(d)對比可知，pH小于7的溶液中分子的聚集程度更小.濃度為1×10-4M與濃度為1×10-5M的AFM圖相比，無論是在中性條件還是酸性條件，濃度為1×10-4M溶液中分子的聚集程度比濃度為1×10-5M溶液中分子的聚集程度更大.即可證明濃度的變化對分子的聚集程度有一定影響，但pH的變化對分子的聚集情況起著決定性作用.由此可以說明無論在何種條件下分子均以聚集態(tài)的形式存在，而酸性條件下分子聚集程度更小，從而在紫外光的照射下可以產(chǎn)生熒光，因此可以通過調(diào)節(jié)溶液的pH來調(diào)節(jié)溶液的熒光性能.

(a)pH=7,1×10-4M (b)pH=7,1×10-5M

(c)pH<7,1×10-4M (d)pH<7,1×10-5M圖9 CD-PDI-CD溶液聚集程度的AFM圖

通過以上的表征方式，可以確定濃度及pH對探針分子在水溶液中的聚集程度都有一定影響，而pH的影響十分顯著.因此，如圖10所示，推測出CD-PDI-CD在水溶液中的聚集程度因濃度和pH改變而發(fā)生變化的分子聚集模式圖.

圖10 溶液中濃度和pH依賴的聚集模式圖[15]

2.4 CD-PDI-CD探針分子的應(yīng)用

基于以上的表征，因此選取濃度為1×10-4M的溶液制作CD-PDI-CD中性熒光板.首先將溶液均勻涂于無熒光的硅膠板上，在60 ℃的烘箱內(nèi)放置5 h，制作的熒光板如圖11(a)所示，經(jīng)測試在自然光照和345 nm紫外光照射下均無熒光.

圖11(b)、(c)、(d)所對應(yīng)的分別為pH=5.0，0.05 M的PBS溶液、pH=4.0，0.05 M的PBS溶液和冰醋酸分別涂抹于3塊CD-PDI-CD中性熒光板上，在345 nm的紫外光照下的顯色圖.其中，(b)熒光板因為涂抹溶液的酸性最弱，所以顯示出最弱的黃色熒光；而冰醋酸(d)因為酸性最強而顯示出最強的黃色熒光；(c)熒光板涂抹溶液的酸性介于中間，所以顯示出的熒光也處于中等水平，由此可證明隨著酸性的增強，熒光逐漸增強.并且在測試過程中，30 min內(nèi)熒光穩(wěn)定.因此合成的熒光探針分子有望用于快速檢測酸性溶液，并且可根據(jù)熒光的強弱判斷酸性的強弱，熒光越強則酸性越強，此方法具有操作簡單，易于辨別等特點.

(a)中性熒光板 (b)PBS，pH=5.0，0.05 M (c)PBS，pH=4.0，0.05 M (d)冰醋酸圖11 345 nm紫外光照下，CD-PDI-CD熒光板涂抹不同酸性溶液的熒光顯色圖

3 結(jié)論

本文以β-環(huán)糊精為增溶取代基，3,4,9,10-苝四甲酸二酐為骨架，合成了一種基于的水溶性良好的具有pH響應(yīng)性的熒光探針.β-環(huán)糊精水溶性良好的取代基同時給整個分子骨架提供了大的空間位阻，使苝酰亞胺衍生物中苝核的π-π堆積減弱，從而達(dá)到合成擁有良好水溶性和pH響應(yīng)的熒光性能探針分子.亞氨基作為電子供體對調(diào)節(jié)苝酰亞胺衍生物的光學(xué)性質(zhì)起到關(guān)鍵作用，質(zhì)子化之前亞氨基上的孤對電子有效的淬滅激發(fā)態(tài)苝酰亞胺的熒光，質(zhì)子化后亞氨基帶上正電荷，起到靜電斥力的作用使得聚集體的堆積作用減弱，苝核之間的π-π堆積減弱，因此可以通過調(diào)節(jié)pH控制分子的聚集和調(diào)節(jié)熒光性能，并且對于不同酸性的在345 nm紫外光照射下可發(fā)出不同程度的熒光有望應(yīng)用于對不同酸性溶液的快速檢測.