一種水溶性花青素染料的合成及光學(xué)性能

王旭梅，孫 琦，王東華，馬小平，宋新建

(湖北民族大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

花青素又稱花青素苷，是廣泛存在于植物體內(nèi)的一種天然色素，它不僅賦予植物根、莖、葉、花、果實(shí)等器官五彩繽紛的顏色[1-6]，而且還可以提高植株繁殖后代和抵御不良環(huán)境的能力.到目前為止，在27個(gè)科和72個(gè)屬的被子植物中均發(fā)現(xiàn)有花青素的存在[7-9].圖1所示的結(jié)構(gòu)為花青素的基本結(jié)構(gòu)單元，它是一類以黃酮核為母體的化合物，主要由兩個(gè)苯環(huán)和一個(gè)含氧雜環(huán)構(gòu)成.該類化合物在食品著色、醫(yī)藥、化妝品等方面已得到廣泛應(yīng)用，尤其是作為熒光染料用于熒光探針方面[10-11].2015年，Yuan[12]和Wang[13]課題組發(fā)現(xiàn)優(yōu)化之后的花青素類物質(zhì)有熒光發(fā)射紅移的性質(zhì)，但對于其結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性之間的關(guān)系仍一直是個(gè)待解決的難題.2017年，Yuan課題組[14]對花青素結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)的DFT計(jì)算，結(jié)果顯示A環(huán)的7-位和C環(huán)的4′-位屬于電子分布的連接點(diǎn).因此，改變這兩個(gè)位置的取代基理論上應(yīng)可以顯著影響花青素的熒光性質(zhì).另外，當(dāng)B環(huán)的4-位未被取代時(shí)易受親核試劑進(jìn)攻而發(fā)生加成反應(yīng)，從而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定.

圖1 花青素結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of anthocyan

基于對花青素結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)關(guān)系的分析，本文對花青素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以期改善花青素結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和熒光性能.在缺電子的4-位引入一個(gè)(2-羧基)苯基以阻止該位置發(fā)生親核加成反應(yīng)從而增加分子的穩(wěn)定性，并向A環(huán)的7-位和C環(huán)的4′-位分別引入供電子基二乙氨基和二(羧甲基)氨基以改善熒光性能和水溶性，采用簡單的三步反應(yīng)合成了目標(biāo)化合物Ⅵ合成路線如圖2所示.

圖2 目標(biāo)化合物Ⅵ的合成路線Fig.2 The synthetic procedure of the title compound Ⅵ

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

瓦里安Unity Inova-600型超導(dǎo)核磁共振儀(TMS為內(nèi)標(biāo)，DMSO-d6或CD3OD為溶劑)；X4型顯微熔點(diǎn)測定儀；安捷倫6230 TOF質(zhì)譜儀；賽默飛世爾Nicolet iS5傅里葉變換紅外光譜儀；島津RF-6000型熒光分光光度計(jì).所用藥品若無特殊說明均為分析純或化學(xué)純試劑，且用前未經(jīng)進(jìn)一步處理.

1.2 化合物Ⅲ的合成

于100 mL圓底燒瓶中依次加入對氨基苯乙酮(Ⅰ)1.00 g(7.4 mmol)、溴乙酸乙酯(Ⅱ)4.94 g(29.6 mmol)和二異丙基乙胺4.20 g(32.6 mmol)，在140 ℃條件下回流4 h，反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，倒入到50 mL體積比為1∶1的乙酸乙酯與正己烷混合溶劑，依次用10%檸檬酸水溶液、飽和碳酸氫鈉水溶液和飽和食鹽水洗滌，并用無水硫酸鎂干燥，用柱層析法分離提純，得黃色固體Ⅲ，產(chǎn)率為83%.

1.3 化合物Ⅳ的合成

向100 mL圓底燒瓶中加入化合物Ⅲ 0.50 g(1.63 mmol)、20% NaOH溶液10 mL和10 mL無水乙醇，常溫?cái)嚢?6 h，薄層色譜監(jiān)控至反應(yīng)結(jié)束.反應(yīng)完后，減壓抽濾得粗產(chǎn)物.用蒸餾水溶解粗產(chǎn)物，稀鹽酸調(diào)節(jié)pH至大量固體析出，抽濾，固體用乙醇重結(jié)晶，得化合物Ⅳ0.35 g，產(chǎn)率為87%.

1.4 目標(biāo)化合物Ⅵ的合成

向100 mL圓底燒瓶中加入化合物Ⅴ(4-二乙氨基酮酸)0.31 g(1 mmol)和化合物Ⅳ0.25 g(1 mmol)，再加入10 mL甲烷磺酸，通氬氣保護(hù)，90 ℃下反應(yīng)4 h后，冷卻至室溫，用二氯甲烷萃取，減壓蒸去溶劑，用體積比為20∶1的二氯甲烷與甲醇淋洗液進(jìn)行柱層析分離，得紫色固體即為產(chǎn)物Ⅵ，產(chǎn)率15%.

1.5 化合物的表征

1) 核磁共振波譜操作過程：分別取約15 mg化合物Ⅲ和Ⅳ溶于500 μL DMSO-d6、約15 mg產(chǎn)物Ⅵ溶于500 μL CD3OD中，再將樣品溶液轉(zhuǎn)移至核磁管中，放入磁體，設(shè)置參數(shù)后開始測樣，得到測試圖譜.

2) 紅外光譜操作過程：用干燥的溴化鉀(KBr)做背景，將化合物Ⅳ與KBr以1∶120的比例混合研磨后壓成薄片，將壓好的樣品放入紅外光譜儀中進(jìn)行測樣.

3) 高分辨質(zhì)譜：將產(chǎn)物Ⅵ溶于甲醇配置成濃度約為10-6mol/L的溶液，然后將其轉(zhuǎn)移至樣品瓶中，再放入質(zhì)譜儀中進(jìn)行測試，得出數(shù)據(jù).

4) 光譜性質(zhì)檢測：取1.6 mg產(chǎn)物Ⅵ溶于302 μL的二甲基亞砜(DMSO)中，從中分別取5 μL用8種不同溶劑稀釋至500 μL，制得10-4mol/L的溶液，最后稀釋至10-5mol/L的溶液進(jìn)行光譜測定.摩爾吸光系數(shù)(ε)通過朗伯-比爾定律計(jì)算可得；量子產(chǎn)率(Φ)的計(jì)算依據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算：

Φx=Φs(AsFx/AxFs).

式中，Φx表示樣品的量子產(chǎn)率，Φs表示標(biāo)準(zhǔn)樣品羅丹明B的量子產(chǎn)率，F(xiàn)x和Fs分別表示待測樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的積分熒光強(qiáng)度，As和Ax分別表示標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測物在相同條件下所測得的吸光度值，且As和Ax數(shù)值小于0.05.

2 結(jié)果與分析

2.1 合成方法

對目標(biāo)分子通過逆合成分析法探討合成路線和合成方法，如圖3所示，首先產(chǎn)物Ⅵ可通過a處斷裂開環(huán)可得化合物Ⅳ和化合物Ⅴ，這兩種化合物在甲烷磺酸的條件下可以進(jìn)行關(guān)環(huán)；化合物Ⅳ可由相應(yīng)的酯(Ⅲ)在堿性條件下水解得到；化合物Ⅲ可由溴乙酸乙酯(Ⅱ)和對氨基苯乙酮(Ⅰ)在堿性條件下通過親核取代反應(yīng)得到.

圖3 逆合成分析法的分析過程Fig.3 Analysis process of inverse synthesis analysis

通過對花青素結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾得到了一種新的花青素類熒光染料，且向分子中引入多個(gè)羧基官能團(tuán)，可在一定程度上提高其水溶性，這為設(shè)計(jì)水溶性熒光染料奠定了基礎(chǔ).

2.2 結(jié)構(gòu)表征

2.2.1 核磁共振波譜及高分辨質(zhì)譜表征 中間體及最終產(chǎn)物經(jīng)核磁共振及高分辨質(zhì)譜表征，化合物Ⅲ、Ⅳ及產(chǎn)物Ⅵ的熔點(diǎn)、核磁共振波譜及高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)表征如下.

化合物Ⅲ：熔點(diǎn)為53～54 ℃.1H NMR (400 MHz,DMSO-d6):δ7.79 (d,J=9.0 Hz,2H),6.63 (d,J=9.0 Hz,2H),4.31 (s,4H),4.13 (q,J=7.1 Hz,4H),2.44 (s,3H),1.20 (s,6H).13C NMR (100 MHz,DMSO-d6):195.53,169.77,151.48,130.05,126.26,110.09,60.59,52.48,26.00,14.04.

化合物Ⅳ：熔點(diǎn)大于 300 ℃.1H NMR (400 MHz,DMSO-d6):δ7.79 (d,J=8.4 Hz,2H),6.49 (d,J=8.5 Hz,2H),4.06 (s,4H),2.43 (s,3H).13C NMR (100 MHz,DMSO-d6):195.49,173.41,150.88,130.20,125.60,110.28,57.14,25.97.

產(chǎn)物Ⅵ：熔點(diǎn)大于300 ℃.1H NMR (400 MHz,CD3OD):δ8.07 (d,J=8.8 Hz,2H),8.00 (s,1H),7.70～7.59 (m,2H),7.58 (s,1H),7.44～7.34 (m,2H),7.09 (d,J=7.5 Hz,2H),6.76 (d,J=8.8 Hz,2H),3.64 (dd,J=7.1 Hz,4H),1.98 (s,4H),1.29 (t,J=7.0 Hz,6H).13C NMR (100 MHz,CD3OD):168.64,164.70,159.60,157.84,156.02,139.97,136.08,132.53,131.06,131.02,130.83,130.18,117.39,116.60,116.16,115.62,110.06,101.41,97.20,46.51,21.11,12.76.HR-MS (ESI-TOF) calcd for C30H29N2O7+[M]+:529.196 9,found:529.195 5.

產(chǎn)物Ⅵ的核磁共振氫譜和碳譜圖如圖4、圖5所示.

圖4 產(chǎn)物Ⅵ的1H NMR譜圖Fig.4 1H NMR spectrum of product Ⅵ

圖5 產(chǎn)物Ⅵ的13C NMR譜圖Fig.5 13C NMR spectrum of product Ⅵ

2.2.2 紅外表征 圖6為產(chǎn)物Ⅵ的紅外光譜圖.譜圖中，1 720 cm-1位置的中強(qiáng)峰為羧基中羰基(C=O)的伸縮振動(dòng)吸收峰；3 430

圖6 產(chǎn)物Ⅵ的紅外光譜 圖7 產(chǎn)物Ⅵ在不同溶劑中的紫外可見吸收光譜圖(a)和熒光光譜圖(b)Fig.6 IR spectrum of product

cm-1為羧基中羥基(O-H)的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 080 cm-1為芳環(huán)中C-O的伸縮振動(dòng)吸收峰，與該化合物的結(jié)構(gòu)相符.

2.3 光譜性質(zhì)

對目標(biāo)化合物Ⅵ(10 μmol/L)在不同溶劑中測定其光物理性質(zhì)，并計(jì)算出該物質(zhì)在不同溶劑中的摩爾吸光系數(shù)及量子產(chǎn)率，結(jié)果列于表1.紫外可見吸收光譜圖和熒光光譜圖如圖7所示，由圖7(a)可知，該熒光染料的可見吸收峰的位置在590～600 nm，處于橙光區(qū)域，發(fā)射波長在633～666 nm，處于紅光區(qū)域(圖7(b)).該化合物在二氯甲烷溶劑中量子產(chǎn)率最高，可達(dá)0.81，純水中該物質(zhì)也有較強(qiáng)熒光，熒光量子產(chǎn)率為0.25，說明該物質(zhì)水溶性較好.從光物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)過優(yōu)化后的該花青素結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較好的熒光性能，具有良好的應(yīng)用前景.

表1 產(chǎn)物Ⅵ的摩爾吸光系數(shù)(ε)和量子產(chǎn)率(Φ)Tab.1 The molar absorption coefficient (ε) and quantum yield (Φ) of product Ⅵ

3 結(jié)論

使用價(jià)廉易得的化學(xué)試劑為原料，通過簡單的三步反應(yīng)合成了一種新的水溶性花青素類熒光染料，其結(jié)構(gòu)經(jīng)核磁共振氫譜、碳譜、紅外光譜和質(zhì)譜等手段予以表征.并對其在不同溶劑中的紫外可見吸收光譜和熒光光譜進(jìn)行了檢測，從結(jié)果可看出該花青素?zé)晒馊玖系牧孔赢a(chǎn)率較高，且熒光發(fā)射波長處于紅光區(qū)，可作為一種性能良好的水溶性熒光染料.