一種基于羅丹明-硫脲類衍生物的新型活性染料的合成

伊廷秀, 趙 崗, 光善儀*, 徐洪耀,1c

(1.東華大學(xué) a.化學(xué)化工與生物工程學(xué);b.材料科學(xué)與工程學(xué)院;c.分析測試中心,上海 201620)

羅丹明B衍生物具有較高的熒光量子產(chǎn)率、較高的摩爾消光系數(shù)、優(yōu)良的水溶性以及對人體幾乎無毒無害等一系列優(yōu)點(diǎn)，可作為一種優(yōu)良的活性染料。羅丹明衍生物的母體內(nèi)含有氧橋鍵，分子具有剛性共平面的特點(diǎn)，可在激發(fā)光的照射下表現(xiàn)出強(qiáng)烈熒光。近年來，研究人員已報(bào)道了大量的基于羅丹明衍生物類熒光探針。

三嗪環(huán)具有獨(dú)特的芳環(huán)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)中的氮原子具有孤對電子，可以作為氫鍵的受體形成氫鍵。3個(gè)氯原子不僅具有類似酰氯的反應(yīng)活性，且反應(yīng)活性不同，可通過控制實(shí)驗(yàn)條件分步進(jìn)行。在有機(jī)光電子學(xué)領(lǐng)域，三嗪衍生物由于其強(qiáng)的吸電子能力而備受關(guān)注[9]。

硫脲衍生物結(jié)合熒光基團(tuán)后具有良好的協(xié)同性、較高的熱穩(wěn)定性及良好的生物相容性。硫脲結(jié)構(gòu)中含有能參與配位的氮、硫原子，可以作為電子的給予體與多種金屬離子配位形成配合物，從而能做到對某種金屬離子特異性識(shí)別，達(dá)到檢測金屬離子的目的。因此，硫脲結(jié)構(gòu)經(jīng)常作為熒光探針的識(shí)別基團(tuán)，廣泛用于熒光探針的設(shè)計(jì)。

本文以活性基團(tuán)三聚氯嗪為橋基，通過親核取代反應(yīng)將硫脲結(jié)構(gòu)及羅丹明B酰肼連接到三嗪環(huán)上，設(shè)計(jì)并合成了一種具有熒光探針性能的活性染料。即以羅丹明B為原料，與水合肼在無水乙醇中經(jīng)縮合取代反應(yīng)制得中間體羅丹明B酰肼(1);1在無水四氫呋喃中與三聚氯嗪發(fā)生親核取代反應(yīng)，制得羅丹明酰B酰肼-三聚氯嗪化合物(2)，最后在N2氛下，化合物2與4-苯基-硫代氨基脲反應(yīng)生成一種新型的具有化學(xué)傳感器性能的目標(biāo)產(chǎn)物——羅丹明B酰肼-三聚氯嗪-硫代氨基脲(3,RCP,Scheme 1),其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR、IR、HR-MS和元素分析表征。并研究了化合物對Hg2+的識(shí)別性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

SGWX-4型熔點(diǎn)儀；Bruker AVANCE/DMX 600 MHz型核磁共振儀器(DMSO-d6為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；Nicolet 8700 型紅外光譜儀(KBr壓片)；VARIAN 310型四極桿質(zhì)譜儀。

1和2參考文獻(xiàn)方法合成；所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1) 4-苯基-硫代氨基脲(M)的合成

取 80%水合肼1.2 mL(19.8 mmol)加入20 mL乙腈中，攪拌下緩慢滴加異硫氰酸苯酯0.85 mL(19.8 mmol)，滴畢，氮?dú)鈿夥障?，?2 ℃回流反應(yīng)5 h。冷卻至室溫，抽濾，濾餅依次用乙腈洗滌，用丙酮重結(jié)晶，真空干燥得白色粉末狀固體M,m.p.143～144 ℃，收率97%;1H NMR(600 MHz)δ:3.33(s,2H),7.16～7.55(m,5H),9.64～9.87(d,2H);13C NMR(600 MHz)δ:156.1,141.7,129.3,121.5,117.2;FT-IRν:3116,3221,2496,1541 cm-1。

(2) RCP的合成

在150 mL的三口燒瓶中，加入M 0.10 g(0.6 mmol)和K2CO30.17 g(1.2 mmol)和20 mL THF，攪拌使其溶解；氮?dú)鈿夥障?，攪拌下?0～45 ℃滴加RHC 0.3 g(0.57 mmol)的THF(50 mL)溶液，滴畢(約30 min)，回流反應(yīng)15 h。冷卻至室溫，過濾，濾液旋蒸除溶，殘余物經(jīng)硅膠柱層析[洗脫劑:V(乙酸乙酯)/V(石油醚)=1/3]純化得淡紅色的固體，濃縮，殘余物真空干燥得淡紅色固體RCP，收率91.3%;1H NMR(600 MHz)δ:1.06(t,J=16.0 Hz,12H),3.36(q,J=8.0 Hz,CH2,8H),6.99(d,J=1.2 Hz,1H),6.96(s,4H),7.15(s,3H),7.43(d,J=2.0 Hz,2H),7.48(d,J=3.0 Hz,2H);13C NMR(600 MHz)δ:12.9,17.5,38.6,44.6,97.9,108.6,111.4,117.8,118.5,121.7,122.8,123.2,124.9,127.5,128.0,129.2,130.2,132.4,132.6,134.8,136.6，139.9,142.3,146.0,148.8,160.5;FT-IRν:2978,2935,2562,1707,1603,1566,1521,1271 cm-1;MALDI-TOF(MS)m/z:Calcd for C38H39N10O2SCl{[M+H]+}735.34,found 735.31;Anal.calcd for C38H39ClN10O2S:C 62.07,H 5.35,N 19.05,found C 62.14,H 5.38,N 19.17。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成分析

在化合物M的合成過程中，水合肼有很高的反應(yīng)活性，隨著反應(yīng)的進(jìn)行產(chǎn)物不斷從乙腈中析出。此反應(yīng)中，原料水合肼和異硫氰酸苯酯兩者物質(zhì)的量比是控制實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。為了提高產(chǎn)物的純度，在1的合成中采用了柱層析分離。與重結(jié)晶的提純方法相比，柱層析得到的產(chǎn)量相對較多，純度也較高。在2的合成中，由于三聚氯嗪具有較活潑的化學(xué)性質(zhì)，反應(yīng)必須在N2保護(hù)下進(jìn)行，并且要嚴(yán)格控制反應(yīng)在無水且低溫條件下進(jìn)行，反應(yīng)幾乎按計(jì)量進(jìn)行。在3的合成中，由于K2CO3的量會(huì)影響最終產(chǎn)率，所以用量不宜過多，可通過升高溫度至約40 ℃實(shí)現(xiàn)氯原子的親核取代反應(yīng)。為了提高產(chǎn)物純度，采用硅膠色譜柱進(jìn)行分離目標(biāo)產(chǎn)物。

2.2 結(jié)構(gòu)表征

中間產(chǎn)物4-苯基-硫代氨基脲(M)的1H NMR與IR譜如圖1～2所示。由圖1可見，中間產(chǎn)物M為異硫氰酸苯酯與水合肼反應(yīng)后的產(chǎn)物，δ3.33為NH2的質(zhì)子吸收峰，δ7.16～7.55為苯環(huán)的特征吸收峰，δ9.64～9.87為NH的吸收振動(dòng)峰。由圖2可知，對于化合物M 3116,3221 cm-1處的峰為NH2吸收振動(dòng)峰，2496 cm-1處的峰為C=S的伸縮振動(dòng)峰，1541 cm-1處的峰為NH的伸縮振動(dòng)峰。

δ圖1 M的1H NMR譜圖Figure 1 1H NMR spectrum of compound M

ν/cm-1圖2 化合物M的IR譜圖Figure 2 FT-IR spectrum of comound M

δ圖 3 化合物RCP的1H NMRFigure 3 1H NMR spectrum of comound RCP

ν/cm-1圖 4 化合物RCP的IR譜圖Figure 4 IR spectrum of RCP

m/z圖 5 化合物RCP的MS譜圖Figure 5 MS spectrum of compound RCP

目標(biāo)產(chǎn)物RCP的1H NMR譜圖、IR譜圖和質(zhì)譜如圖3～5所示。由圖3可知，化合物M與化合物2發(fā)生反應(yīng)后，δ1.06處特征峰為CH3的吸收峰，δ3.06處特征峰為CH2的吸收峰，δ6.99，-7.48處特征峰為苯環(huán)的吸收峰。由圖4可知，2978 cm-1處特征峰為CH2的吸收峰，2562 cm-1處特征峰為碳硫雙鍵的伸縮振動(dòng)峰,1707 cm-1處特征峰為羰基的伸縮振動(dòng)吸收峰，1603,1566,1521 cm-1處特征峰為苯環(huán)骨架振動(dòng)吸收峰,1271 cm-1處特征峰為C—N鍵吸收峰。由圖5可知，m/z735.34處特征峰為[C38H39N10O2SCl+H]+的吸收峰。綜上可知，該化合物已成功合成。

2.3 離子檢測

圖6為RCP在DMF-水溶液中對不同金屬離子響應(yīng)的熒光發(fā)射光譜。由圖6可見，RCP僅對Hg2+有響應(yīng)[21-23]，RCP-Hg2+的熒光強(qiáng)度為單純探針熒光強(qiáng)度的數(shù)倍。其他離子(Pb2+，Cd2+，Mg2+，Ca2+，Mn2+，Ni2+，F(xiàn)e3+，Ba2+，Cu2+，Zn2+，Co2+)在586 nm處的熒光強(qiáng)度與探針本身基本相同。

圖7為不同DMF-水溶液中探針對不同濃度Hg2+熒光響應(yīng)圖。由圖7可見，隨著Hg2+濃度的增加，熒光強(qiáng)度逐漸變大；在5.0～9.0 μmol/L間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

λ/nm圖 6 DMF/水溶液中,RCP對不同金屬離子的熒光發(fā)射光譜(λex=566 nm)Figure 6 Fluorescence emission spectra of RCP and different metal ions in V(DMF)/V(water)=1/1

λ/nm圖 7 DMF/水溶液中探針對不同濃度Hg2+的熒光響應(yīng)圖(λex=566 nm，λem=586 nm)Figure 7 FL response of probe to different concentrations of Hg2+ in V(DMF)/V(water)=1/1

以活性基團(tuán)三聚氯嗪為橋基，成功合成了一種基于羅丹明-硫脲結(jié)構(gòu)的新型活性染料(RCP)。RCP可以在V(DMF)/V(水)=1/1溶液中檢測Hg2+。