溴乙基取代鎵(III)咔咯的合成及熒光性質(zhì)研究

李仕成，方玉琦，郭峻彤，周靜怡，王燦彬，尹 偉,2，劉爐英,2，史 蕾,2*

(1.廣東第二師范學(xué)院 化學(xué)系，廣東 廣州 510303；2.廣東省普通高校先進(jìn)材料與節(jié)能減排工程技術(shù)開發(fā)中心，廣東 廣州 510303)

咔咯(Corrole)是一種新型的合成大環(huán)化合物，它的結(jié)構(gòu)和卟啉化合物很是相似，都是有18-π共軛電子的骨架結(jié)構(gòu)，咔咯化合物的5、10、15位被稱為meso位；2、3、7、8、12、13、17、18被稱為β位，meso位和β位容易引入取代基而生成不同的衍生物，可以進(jìn)一步設(shè)計和合成很多具備不同功能和效果的新型化合物。咔咯相對于卟啉少一個碳原子，直接導(dǎo)致咔咯的對稱性下降，咔咯分子內(nèi)腔減小，在失去氫后，因為有著更大的電荷密度，可以與高價的金屬離子生成更為穩(wěn)定的結(jié)合[1]。因為咔咯金屬配合物在可見光區(qū)間有特殊的吸收帶和發(fā)射帶[2-3]、獨(dú)特的18-π共軛電子的骨架結(jié)構(gòu)、并且在多種化學(xué)反應(yīng)中表現(xiàn)出特有的催化性能[4-6]和光物理性能[7-10]，因此多年來，咔咯的化學(xué)研究熱度不斷增加，使其活躍在催化化學(xué)、藥物化學(xué)、生物化學(xué)等領(lǐng)域，它無限的潛能吸引著許多科學(xué)家為之著迷。

因為咔咯化合物的合成方法比卟啉晚了快30年，所以咔咯的金屬配合物相比于卟啉的金屬配合物少得多，但是經(jīng)過這些年研究人員的努力，咔咯類的化合物也是越來越多。在密度泛函理論(DFT)計算表明咔咯可以完美的和金屬鎵進(jìn)行配位形成鎵咔咯配合物后，越來越多的研究人員將目光轉(zhuǎn)向了對咔咯鎵配合物的研究。因為有較高的熒光強(qiáng)度和S1-S0熒光量子產(chǎn)率、獨(dú)特的光譜性能[11]，因此其在熒光探針方面有比較顯著的應(yīng)用前景。例如陸俊[12]等人研究表明ct-DNA和陽離子型鎵咔咯配合物在通過相互外部結(jié)合方式的作用下具有切斷DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的能力。黃俊騰[13]等人研究表明水溶性的磺酸基咔咯金屬鎵配合物在光催化斷裂DNA雙鏈方面有明顯的作用。苯甲酸甲酯鎵在有效的光照下具有對超螺旋質(zhì)粒DNA進(jìn)行切割的能力[14]。陰離子型的磺酸咔咯鎵配合物與蛋白質(zhì)加合得到的加合物應(yīng)用在腫瘤細(xì)胞的檢測和清除方面有明顯作用[15-16]。β-乙烯基-咔咯鎵的D-A衍生物能夠作為氰化物的比色探針[17]。乙氧羰基咔咯鎵在穿透生物細(xì)胞膜上表現(xiàn)出快速性和光毒性，作為理想光敏劑有著無限可能[18-19]。

圖1 化合物的合成路線

一方面當(dāng)咔咯的β位連接不同推、拉電子取代基團(tuán)如-CCl3、-Cl等取代基時，其咔咯配合物的性能會受到很大的影響[20-21]，其電子吸收光譜和電化學(xué)性質(zhì)會隨取代基的不同而發(fā)生一定的改變[22]。另一方面在抗腫瘤藥氮芥類生物烷化劑中，其烷基化部分(二氯乙氨基)是抗腫瘤活性的功能基，不同的化學(xué)修飾對其性能的影響不同。因此綜合以上，本文通過咔咯(P-OH, 1)與金屬鹽對咔咯環(huán)內(nèi)腔進(jìn)行鎵配位得到(P-OH-Ga, 2)，對(2)進(jìn)行二溴乙烷化學(xué)修飾得到了新穎10-(4-溴乙基苯基)-5,15-二(2,3,4,5,6-五氟苯基)咔咯鎵配合物(P-E-Ga, 3)，用UV-vis、1H-NMR和HR-MS對以上三種化合物進(jìn)行表征。通過探究穩(wěn)態(tài)吸收光譜和穩(wěn)態(tài)熒光光譜，研究他們的光物理性能和熒光量子產(chǎn)率和磷光量子產(chǎn)率。

1 實(shí)驗部分

1.1 儀器與試劑

AVANCE Digital 400 MHz傅里葉變換核磁共振波譜儀；島津RF-5301PC型熒光分光光度計；島津UV-Vis 2450型紫外可見分光光度計；Burker Agilent 1290廠商Burker(德國)型號Agilent1290/maXis impact型超高壓液相色譜—高分辨質(zhì)譜聯(lián)用儀。

正己烷(Hex)、二氯甲烷(DCM)、吡咯、五氟苯甲醛、4-羥基苯甲醛、液溴、三氟乙酸(TFA)、三乙胺、2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌(DDQ)、吡啶、氯化鈉(NaCl)、氯化鎵(GaCl3)、二溴乙烷(EDB)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、甲醇(CH3OH)、無水碳酸鉀均為分析純。實(shí)驗用水為蒸餾水。

1.2 合成

1.2.1 (P-OH, 1)的合成[23]

在250 mL圓底燒瓶中加入0.7252 g(1.00 mmol)五氟苯基二吡咯烷烴、80 mL二氯甲烷、0.0604 g(0.50 mmol)對羥基苯甲醛，固體溶解后加入40 μL三氟乙酸，避光室溫反應(yīng)4.5h。然后加入80 μL三乙胺中和三氟乙酸，反應(yīng)至白煙散去，加入80 mL二氯甲烷稀釋反應(yīng)體系，加入0.36 g(1.60 mmol)2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌繼續(xù)室溫下反應(yīng)1h。對產(chǎn)物進(jìn)行硅膠柱層析法提純，濕法裝柱，二氯甲烷為洗脫劑，除去剩余2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌，得粗產(chǎn)品。重新裝柱，用2∶1(DCM∶Hex)為洗脫劑，除去剩余雜質(zhì)，減壓蒸餾得紫色目標(biāo)產(chǎn)物(1)，產(chǎn)率約為16%。

1.2.2 (P-OH-Ga, 2)的合成[24]

在50 mL圓底燒瓶中加入10 mL除水吡啶溶液、25 mg(1)、0.2550 g大過量干燥氯化鎵，120 ℃硅油浴下回流氮?dú)獗Ｗo(hù)反應(yīng)2 h。減壓蒸餾除去未反應(yīng)的吡啶溶液得粗產(chǎn)物，對產(chǎn)物進(jìn)行硅膠柱層析法提純，濕法裝柱，2∶1∶0.5(DCM∶Hex∶CH3OH)為洗脫劑，除去剩余雜質(zhì)，減壓蒸餾得血紅色目標(biāo)產(chǎn)物(2)，產(chǎn)率約為85%。

1.2.3 (P-E-Ga, 3)的合成

在150mL圓底燒瓶中加入30 mg(2)和25mLDMF溶液，加入20mL過量的EDB，以K2CO3為催化劑，硅油浴加熱160℃回流反應(yīng)4 h。將粗產(chǎn)品用DCM溶解后，倒入分液漏斗中，加入飽和NaCl溶液萃取三次，除去過量的K2CO3。對產(chǎn)物進(jìn)行硅膠柱層析法提純，濕法裝柱，2∶1(DCM∶Hex)為洗脫劑，除去剩余雜質(zhì)，減壓蒸餾得紫黑色目標(biāo)產(chǎn)物(3)，產(chǎn)率約為54%。UV-Vis(CH2Cl2) λmax:421,532,573,602nm； HR-MS(ESI)m/z: Calcd forC50H20N5O2SF10NaMn{[M+Na]+}976.3010, found 976.0082。

1.3 穩(wěn)態(tài)吸收光譜和穩(wěn)態(tài)熒光光譜的測定

用電子分析天平分別稱取參照物四苯基卟啉(TPP)和樣品(1)、(2)、(3)，將其分別先在燒杯中溶解于DCM，然后定容于2 mL容量瓶，使其作為母液濃度均為1.25 mmol/L。再用微量注射器取出母液稀釋到濃度為2.5 μmol/L作為稀釋液。取稀釋液到1 mm厚石英比色皿中，在UV-Vis光譜儀上分別測定各溶液的紫外可見吸收光譜。同理，在穩(wěn)態(tài)熒光光譜儀上分別測定各溶液的穩(wěn)態(tài)熒光光譜，416nm為激發(fā)波長，200～800nm為記錄波長。實(shí)驗數(shù)據(jù)在室溫下獲得。

1.4 氧化斷裂DNA測定

加入不同濃度(3)到含有0.1 μg pBR322 DNA中，然后加入過氧化氫溶液(200 mmol·L-1)作為氧化劑，再加入Tris-HCl作為緩沖溶液(5 mmol·L-1Tris-HCl, 18 mmol·L-1NaCl, 2% DMF，pH值=7.2)，均保證總體積為10 μL。避光靜置反應(yīng)2 h，瓊脂糖凝膠電泳2 h(77 V, 30 mA)后，放入EB溶液中染色15 min，水沖洗后放入凝膠成像系統(tǒng)中成像。

2 結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)態(tài)吸收光譜

圖2為TPP和三種咔咯樣品在DCM中的紫外-可見吸收光譜圖，由圖可知：①在相同濃度情況下，TPP的Soret帶吸光度均比三種咔咯樣品的大，吸光度大小為TPP>P-E-Ga>P-OH-Ga>P-OH；然而在Q帶，三種化合物的吸光度明顯高于TPP，順序為P-E-Ga>P-OH-Ga>P-OH>TPP，表明咔咯類化合物在可見光區(qū)比卟啉類化合物具有更強(qiáng)的吸收。②咔咯鎵配合物P-OH-Ga與P-E-Ga相比，具有相似的吸收光譜，且P-E-Ga的吸光度在波長范圍400～550nm之間略大于P-OH-Ga，說明二溴乙烷的引入雖然對P-OH-Ga電子能級結(jié)構(gòu)沒有太大的影響，但在一定波長范圍內(nèi)增加了化合物的吸光度。③自由咔咯P-OH與咔咯鎵配合物相比，吸光度均有增加，S帶的特征吸收峰更加窄而尖，Q帶的特征吸收峰強(qiáng)度也均有增加，在可見光區(qū)的吸收增長。

圖2 TPP和咔咯樣品在DCM(2.5 μmol/L)中的UV-Vis譜圖

2.2 穩(wěn)態(tài)熒光光譜

圖3為在DCM溶液中，TPP和三種咔咯樣品在416 nm激發(fā)波長下的熒光發(fā)射光譜，依圖得出：①濃度相同、500～800 nm情況下，三種咔咯樣品的最大熒光強(qiáng)度均比TPP的大，熒光強(qiáng)度大小為(2)>(3)>(1)>TPP，含鎵的化合物相比于無鎵的化合物熒光強(qiáng)度略有增強(qiáng)，原因可能是因為金屬鎵的進(jìn)入，直接提高了整個化合物的平面性，影響了環(huán)內(nèi)π電子遷移，因而引起熒光強(qiáng)度的增加。②在此條件下，(1)的最強(qiáng)熒光發(fā)射峰在660 nm附近，而(2)、(3)的最強(qiáng)熒光發(fā)射峰在620nm附近，這表明金屬鎵的引入，不同軌道間的能量差距大小被改變，所以使得最大熒光發(fā)射波長發(fā)生藍(lán)移。③對于兩種鎵配合物，二溴乙烷基團(tuán)的引入對熒光強(qiáng)度沒有明顯的影響。接著，為了能夠直觀定量說明吸收和發(fā)射性質(zhì)對三種咔咯樣品熒光量子產(chǎn)率大小的影響，采用下列公式對三種樣品的熒光量子產(chǎn)率進(jìn)行了計算[25]

圖3 在416nm激發(fā)波長下TPP和咔咯樣品的熒光光譜

Yu=Ys×(As/Au)×(Fu/Fs)

參照物為TPP(Ys=0.00242[26])，先通過公式計算得S1態(tài)的熒光量子產(chǎn)率，然后根據(jù)S1態(tài)的熒光量子產(chǎn)率計算T1態(tài)的磷光量子產(chǎn)率(ΦT1=1-Yu)[27]。三種樣品的熒光量子產(chǎn)率和磷光量子產(chǎn)率計算結(jié)果列于表 1。

表1 三種化合物的熒光量子產(chǎn)率和磷光量子產(chǎn)率

由上表可知：①咔咯與金屬鎵形成配合物后，化合物的熒光量子產(chǎn)率有明顯提高，熒光量子產(chǎn)率大小為(2)>(3)>(1)。可能是因為金屬鎵的引入，使得環(huán)內(nèi)質(zhì)子氫消失，環(huán)內(nèi)空間位阻減小甚至消失，導(dǎo)致咔咯的平面性增強(qiáng)，在一定情況下增強(qiáng)輻射躍遷幾率，所以化合物的熒光量子產(chǎn)率增加[28]。②對于兩種鎵配合物，二溴乙烷基團(tuán)的引入并沒有使得化合物熒光量子產(chǎn)率增加，但提高了T1態(tài)的磷光量子產(chǎn)率。這可能是由于溴原子具有重原子效應(yīng)，能夠增大單線態(tài)到三重態(tài)的ISC過程，使得熒光強(qiáng)度相對較弱，磷光強(qiáng)度相對較強(qiáng)。

3 結(jié)論

通過UV-Vis，1H-NMR、MS對所得化合物進(jìn)行表征，可以確定合成的化合物為目標(biāo)化合物。將濃度均為2.5×10-6mol/L的參照物四苯基卟啉TPP與三種咔咯樣品(1)、(2)、(3)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)吸收光譜和穩(wěn)態(tài)熒光光譜的對比。最終得出：濃度相同情況下，金屬鎵的引入可以提高化合物的熒光強(qiáng)度、吸收強(qiáng)度和熒光量子產(chǎn)率，進(jìn)一步為熒光探針的設(shè)計和研發(fā)提供了新的思路。而引入二溴乙烷后，雖對化合物的吸收強(qiáng)度和熒光強(qiáng)度沒有太大的影響，但增強(qiáng)了化合物的ISC過程，提高了T1態(tài)的磷光量子產(chǎn)率。這對于發(fā)展一類新型的性質(zhì)優(yōu)良的光敏劑是不可或缺的。