羧基偶氮螺吡喃類(lèi)分子的合成及其開(kāi)關(guān)效應(yīng)

張文凱，黃月金，周子玉

(1 中南民族大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2 岑溪中學(xué)，廣西 梧州 543200)

螺吡喃和偶氮化合物都是重要的光致變色化合物，可用于各種領(lǐng)域，如分子機(jī)器、傳感成像、材料科學(xué)和生物功能調(diào)節(jié)[1]。其中螺吡喃是高度敏感的化合物，在外部條件如熱、光、pH和機(jī)械壓力等作用下可以可逆地發(fā)生開(kāi)環(huán)-閉環(huán)反應(yīng)，在無(wú)色的螺吡喃(Spiropyran，SP)和有色的部花菁(Merocyanine，MC)形式之間切換。SP和MC形式具有顯著不同的極性，電荷和分子構(gòu)象，螺吡喃的典型光致變色反應(yīng)是螺吡喃環(huán)中C-O鍵的可逆光化學(xué)裂解。在SP形式中的螺碳原子是一個(gè)手性碳原子，一般以外消旋的形式存在，但在特定條件下，特別是在手性超分子主體化合物的存在下，可誘導(dǎo)出一定消旋比的光學(xué)活性異構(gòu)體[2-3]。

大多數(shù)螺吡喃化合物的吸收發(fā)生在紫外光譜區(qū)，一般在200～400 nm范圍內(nèi)，不呈現(xiàn)顏色。在外界條件刺激下，分子中的C-O鍵發(fā)生異裂，螺碳原子轉(zhuǎn)變?yōu)閟p2結(jié)構(gòu)，兩個(gè)環(huán)系由正交變?yōu)楣财矫?，整個(gè)分子形成一個(gè)大的共軛體系。斷鍵后形成的分子結(jié)構(gòu)類(lèi)似部花菁染料(MC)，吸收出現(xiàn)在500～600 nm范圍[4]。

偶氮類(lèi)化合物則通過(guò)偶氮雙鍵的順?lè)串悩?gòu)實(shí)現(xiàn)光致變色，這種異構(gòu)同時(shí)伴隨著化合物“長(zhǎng)度”和寬度的改變[5]。這種尺寸效應(yīng)導(dǎo)致其作為客體分子時(shí)只能以一定的構(gòu)型與主體分子結(jié)合，而當(dāng)它作為功能團(tuán)修飾于主體分子時(shí)，也可以用于調(diào)節(jié)主體分子的結(jié)合性能[6]。偶氮基團(tuán)的反式構(gòu)型是能量較低的穩(wěn)定構(gòu)型，通過(guò)紫外光照，其可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣艿捻樖綐?gòu)型。

在本文中，我們?cè)O(shè)計(jì)合成了一種帶有羧基和偶氮苯基的螺吡喃化合物SP-Azo-COOH(如Scheme 1所示)，該化合物結(jié)合了螺吡喃和偶氮類(lèi)化合物的特點(diǎn)，同時(shí)引入對(duì)酸堿敏感的羧基。我們研究了其在不同溶劑中對(duì)酸性和堿性的開(kāi)關(guān)效應(yīng)，希望將來(lái)利用具有內(nèi)部空腔帶正電荷的配合物或有機(jī)分子籠與其結(jié)合，穩(wěn)定其在特定條件下無(wú)色的閉環(huán)態(tài)或顯色的開(kāi)環(huán)態(tài)。

Scheme 1 目標(biāo)化合物1的合成途徑

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器與藥品

德國(guó)Bruker 600 MHz核磁共振儀，日本島津ShimazuUV-2600紫外光譜儀，美國(guó)安捷倫Agilent 6460 ESI-MS 質(zhì)譜儀，低溫反應(yīng)器，上海亞榮RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀。所用試劑或原料均為市售化學(xué)純或分析純，未做進(jìn)一步處理。

1.2 化合物的合成

1.2.1 合成化合物3

將2.74 g對(duì)氨基苯甲酸(20 mmol)懸浮于24 mL濃鹽酸和100 mL水的混合溶劑中，冷卻至0 ℃左右。在劇烈攪拌下，用5～10 min將1.38 g NaNO2(20 mmol)在7 mL水中的冰冷溶液慢慢滴入其中。滴完后在該溫度下繼續(xù)攪拌20 min，并用6 mol/L NaOH水溶液小心將反應(yīng)體系的pH值調(diào)至9左右(注意保持體系溫度低于5 ℃)。接著，將2.1 mL水楊醛(20 mmol)在25 mL 10% NaOH的冰冷水溶液滴入上述混合液。低溫?cái)嚢? h后，用濃鹽酸調(diào)至pH 2～3，加熱回流10 min后，自然冷卻，抽濾收集所得固體，水洗至近中性后真空干燥得3.6 g黃色固體，產(chǎn)率67%。1H-NMR(d6-DMSO)：δ13.22(br，1H，COOH)，11.70(br，1H，OH)，10.38(s, 1H，CHO)，8.22 (s, 1H，Ar-H)，8.13 (m, 3H，Ar-H)，7.94 (d, 1H，Ar-H)，7.22 (d, 1H，Ar-H)，所得產(chǎn)物為偶氮化合物(E)-4-((3-formyl-4-hydroxyphenyl)diazenyl)benzoic acid。

1.2.2 合成化合物2

將5.0 mL 3,3-二甲基-2-亞甲基二氫吲哚和6.4 g碘丙酸混合于10 mL丁酮中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下回流5 h。冷卻至室溫后，將反應(yīng)混合物傾倒于50 mL水中，用3×50 mL二氯甲烷洗滌水溶液。最后減壓旋蒸除去水溶液的溶劑得黃棕色的固體產(chǎn)物8.0 g，產(chǎn)率74%。1H-NMR(d6-DMSO)：δ7.99 (m, 1H，Ar-H)，7.85 (m, 1H，Ar-H)，7.62 (m, 2H，Ar-H)，4.65 (t, 2H，CH2CH2)，3.70(br，1H，COOH)，2.98 (t, 2H，CH2CH2)，2.87(s, 3H，CH3)，1.53(s, 6H，CH3)。所得產(chǎn)物為碘化物1-(2-carboxyethyl)-2,3,3-trimethyl-3H-indol-1-ium iodide。

1.2.3 合成目標(biāo)化合物1

將1.3 g 化合物2(3 mmol)、0.81 g化合物3(3 mmol)和0.5 mL哌啶混合于10 mL丁酮中，氮?dú)獗Ｗo(hù)下加熱攪拌10 min后，室溫?cái)嚢柽^(guò)夜。抽濾收集所產(chǎn)生的的固體，以3×5 mL丁酮洗滌后真空干燥，得0.45 g黃綠色固體產(chǎn)物，產(chǎn)率31%。1H-NMR(d6-DMSO)：δ8.11 (d, 2H，Ar-H)，7.91 (t, 2H，Ar-H)，7.85 (d, 1H，Ar-H)，7.77(dd, 1H，Ar-H)，7.20 (d, 1H，Ar-H)，7.15(d, 1H，Ar-H)，7.12 (d, 1H，Ar-H)，6.89(d, 1H，Ar-H)，6.80(t, 1H，Ar-H)，6.66 (d, 1H，Ar-H)，5.95(d, 1H，Ar-H)，3.52 (m, 2H，CH2CH2)，3.38 (m, 2H，CH2CH2)，1.22(s, 3H，CH3)，1.09(s, 3H，CH3)。ESI-MS：482.3(陰離子[M-H]-)和483.3(陽(yáng)離子[M+H]+)。所得產(chǎn)物為目標(biāo)化合物(E)-4-((1′-(2-carboxyethyl)-3′,3′-dimethylspiro[chromene-2,2′-indolin]-6-yl)diazenyl)benzoic acid。

1.3 開(kāi)關(guān)性能研究方法

配制SP-Azo-COOH在不同溶劑中濃度為5.0×10-5mol/L的溶液，每次取3.0 mL，測(cè)定其紫外可見(jiàn)吸收光譜；然后以0.2 eq的間隔加入有機(jī)強(qiáng)堿二氮雜二環(huán)(DBU)并測(cè)定加入后的紫外可見(jiàn)吸收光譜，直至光譜不再變化；接著以0.2 eq的間隔加入有機(jī)強(qiáng)酸三氟乙酸(TFA)并測(cè)定加入后的紫外可見(jiàn)吸收光譜，直至光譜不再變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 螺吡喃化合物SP-Azo-COOH的合成

我們以Scheme 1所示的途徑合成目標(biāo)化合物。其中(E)-4-((3-formyl-4-hydroxyphenyl)diazenyl)benzoic acid根據(jù)文獻(xiàn)[7]合成，其中1-(2-carboxyethyl)-2,3,3-trimethyl-3H-indol-1-ium iodide根據(jù)文獻(xiàn)[8]合成，產(chǎn)物經(jīng)1H-NMR表征，與文獻(xiàn)一致。

目標(biāo)化合物SP-Azo-COOH采取一般螺吡喃類(lèi)化合物的合成方法，以六氫哌啶作為催化劑。產(chǎn)物經(jīng)H-NMR和ESI-MS表征確認(rèn)。其中δ8.11為苯環(huán)上與羧基相鄰的氫，5.95為吡喃環(huán)上與螺碳原子相鄰的氫，3.52和3.38為CH2CH2基團(tuán)上的氫原子，1.22和1.09為甲基上的氫原子，產(chǎn)生了裂分。其他化學(xué)位移7.91、7.85、7.77、7.20、7.15、7.12、6.89、6.80、6.66來(lái)自苯環(huán)和吡喃環(huán)上氧原子對(duì)位的氫，難以精確指認(rèn)。沒(méi)有觀察到羧基上活性氫的信號(hào)。該化合物的分子量為483.18，我們分別采用了陰離子和陽(yáng)離子種電離方式，使用電噴霧質(zhì)譜(ESI-MS)對(duì)其進(jìn)行了表征，分別測(cè)定482.3和483.3的信號(hào)，對(duì)應(yīng)[M-H]-和[M+H]+離子，進(jìn)一步確認(rèn)了該化合物。

2.2 螺吡喃化合物SP-Azo-COOH在不同溶劑中的酸堿開(kāi)關(guān)效應(yīng)

我們探討了螺吡喃化合物SP-Azo-COOH在不同極性以及質(zhì)子或非質(zhì)子溶劑中對(duì)酸或堿的響應(yīng)性，堿使用有機(jī)強(qiáng)堿二氮雜二環(huán)(DBU)，酸使用三氟乙酸(TFA)，溶劑選用了DCM、CH3CH2OH、DMF、DMSO、MeCN以及H2O這幾種溶劑。將螺吡喃化合物A溶解在不同溶劑中，加入不同當(dāng)量的DBU/TFA，測(cè)定其紫外光譜的變化?；衔颯P-Azo-COOH在多種溶劑中的溶解性較差，只在DMF、DMSO中溶解性較好，因此以DCM、CH3CH2OH、DMF、MeCN或H2O作為溶劑測(cè)試時(shí)需加入5%的DMSO助溶。測(cè)定化合物A在不同溶劑中的紫外光譜時(shí)，先以每0.2 eq的DBU加入，直至其紫外光譜不再變化，再以每0.2 eq的TFA加入，直到與加入的DBU等量。不同溶劑體系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 化合物SP-Azo-COOH在不同溶劑中加入DBU/TFA時(shí)的紫外光譜(c=5.0×10-5 mol/L)

從圖1中可以看到，只有在水的介質(zhì)中，加入DBU可誘導(dǎo)化合物A開(kāi)環(huán)產(chǎn)生部花菁結(jié)構(gòu)，在560nm處出現(xiàn)吸收峰，溶液變?yōu)樽仙?圖2)。當(dāng)加入與DBU等當(dāng)量的TFA時(shí)，又可變回閉環(huán)的螺吡喃結(jié)構(gòu)，紫色消失且在可見(jiàn)光區(qū)沒(méi)有吸收。而在DCM、CH3CH2OH溶劑中測(cè)試發(fā)現(xiàn)，加入DBU最大吸收峰發(fā)生輕微的紅移，但并未在可見(jiàn)光區(qū)產(chǎn)生明顯的新吸收峰，顏色也沒(méi)發(fā)生變化，再加入與DBU等當(dāng)量的TFA時(shí)，其吸收光譜基本上與起始溶液相同，這說(shuō)明在這兩個(gè)溶劑體系中，酸和堿對(duì)化合物A的螺吡喃存在形式無(wú)影響。而在DMF、DMSO、MeCN溶劑中，加入DBU時(shí)，螺吡喃部分異構(gòu)化為部花青素形式，在可見(jiàn)光區(qū)475nm處有吸收，在加入與DBU等量的TFA時(shí)，可與原來(lái)的空白溶液紫外光譜基本重合，呈現(xiàn)淺紅色。這為我們進(jìn)一步探究分子籠與該化合物SP-Azo-COOH在酸堿滴定中的主客體化學(xué)的結(jié)合提供了一種合適的溶劑。

圖2 化合物SP-Azo-COOH的開(kāi)閉環(huán)結(jié)構(gòu)及顏色變化

2 結(jié) 論

合成了一種同時(shí)含有螺吡喃基團(tuán)、偶氮基團(tuán)和不同羧羧基取代的一種酸堿開(kāi)關(guān)型分子SP-Azo-COOH，通過(guò)核磁共振氫譜和質(zhì)譜對(duì)其進(jìn)行了表征確認(rèn)。該化合物在水中表現(xiàn)出良好的可逆酸堿開(kāi)關(guān)性能，在酸性介質(zhì)中其以接近無(wú)色的閉環(huán)螺吡喃形成存在，在堿性介質(zhì)中，其以呈紅紫色的開(kāi)環(huán)部花菁形式存在。相關(guān)工作為該分子作為響應(yīng)型客體分子與超分子受體分子的結(jié)合和相互作用提供了一定基礎(chǔ)。