基于二芳硫醚中間體的硫羅丹明合成

鄧 霏，李佳麗，劉思思

基于二芳硫醚中間體的硫羅丹明合成

*鄧 霏1,2，李佳麗1，劉思思1

（1. 井岡山大學化學化工學院，江西，吉安 343009； 2. 江西省配位化學重點實驗室 應(yīng)用化學研究所，江西，吉安 343009）

本實驗以間碘苯胺為起始原料，通過合成二芳硫醚中間體并進一步與苯甲醛反應(yīng)縮合得到硫羅丹明，總產(chǎn)率達53%。其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和13C NMR進行表征，并測定了硫羅丹明的激發(fā)和發(fā)射光譜，為硫羅丹明的熒光成像應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

二芳硫醚；硫羅丹明；熒光染料；波長

熒光成像能夠?qū)崟r和高靈敏度地在生物體中識別生物分子，是生命科學研究中不可或缺的重要工具[1-2]。該技術(shù)的實現(xiàn)和發(fā)展離不開發(fā)光性能優(yōu)異的熒光染料。目前，應(yīng)用得最為廣泛的是具有氧雜蒽結(jié)構(gòu)的羅丹明類化合物[3-4]。以羅丹明B為例，其水溶液的最大吸收和發(fā)射波長分別為553、572 nm[5]。隨著熒光成像應(yīng)用范圍從細胞水平向組織乃至活體水平發(fā)展，傳統(tǒng)羅丹明的發(fā)光范圍不能滿足成像深度的需求[6]。因此，通過結(jié)構(gòu)修飾使羅丹明的發(fā)光波長紅移是目前染料研究的重點[7-8]。

有研究發(fā)現(xiàn)，將羅丹明10號位的氧原子替換為硫原子能夠得到了最大吸收和發(fā)射波長紅移約20 nm的硫羅丹明[9]。目前已報道的硫羅丹明合成路線由Detty課題組提出，其關(guān)鍵在于合成硫雜蒽酮中間體，如圖式1所示，以-二乙基對二甲氨基苯甲酰胺為起始原料，叔丁基鋰與苯環(huán)3號位的活潑氫交換形成鋰鹽，后與二芳基二硫醚反應(yīng)引入橋連硫原子，進一步通過二異丙基胺基鋰處理環(huán)化生成硫雜蒽酮。得到的硫雜蒽酮中間體與芳基格式試劑反應(yīng)引入底環(huán)，最終得到硫羅丹明。上述合成路線中，各步驟的反應(yīng)產(chǎn)率分別為51 %，13 %和71 %，此外每一步反應(yīng)都涉及金屬有機試劑的使用，反應(yīng)條件苛刻，因此大大限制了硫羅丹明的應(yīng)用[10-11]。針對以上問題，我們研究了一種直接將二芳硫醚中間體與苯甲醛縮合構(gòu)建硫羅丹明的新方法。

圖式1 已報道的硫羅丹明合成路線圖

Scheme 1 Synthetic routes to prepare S-rhodamine in previous reports.

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

間碘苯胺、氰基硼氫化鈉、九水硫化鈉、碘化亞銅、苯甲醛、對甲苯磺酸鈉一水合物、四氯苯醌、氘代氯仿從伊諾凱科技有限公司購買（分析純），甲醛水溶液（37%）、乙腈、冰醋酸、-二甲基甲酰胺、乙醚、二氯甲烷、石油醚、乙酸乙酯、甲醇從國藥集團公司購買（化學純），以上試劑未經(jīng)純化直接使用[12-14]。

AVANCE Ⅲ HD 400核磁共振波譜儀（Bruker）、LS-55熒光光譜儀（Perkin Elmer）。

1.2 硫羅丹明SRho的合成及產(chǎn)物表征

化合物1：根據(jù)文獻報道方法合成[15]。將間碘苯胺（1.04 g, 4.7 mmol）溶于20 mL乙腈中，加入37%甲醛溶液（4 mL, 145.2 mmol）、氰基硼氫化鈉（0.95 g, 15.2 mmol）和冰醋酸（0.5 mL, 8.7 mmol）后室溫攪拌3 h，之后補加冰醋酸（0.5 mL，8.7 mmol）繼續(xù)室溫攪拌0.5 h。停止反應(yīng)后加入75 mL乙醚，1 M KOH溶液洗滌（2×20 mL），收集有機相，碳酸鉀干燥后旋去溶劑，得化合物1（1.12 g, 96%）。1H NMR (400 MHz, CDCl3)7.07 – 7.00 (m, 2H), 6.93 (t,= 8.3 Hz, 1H), 6.70 – 6.61 (m, 1H), 2.93 (s, 6H).

化合物2：反應(yīng)瓶中依次加入化合物1（247.0 mg，1.0 mmol），九水硫化鈉（144.0 mg， 0.6 mmol），碘化亞銅（19.0 mg，0.1 mmol），碳酸鉀（138.0 mg，1.0 mmol）和-二甲基甲酰胺（2 mL）。氮氣保護下120℃反應(yīng)18 h，冷卻降至室溫，加入50 mL乙酸乙酯，經(jīng)水洗（2×25 mL）、飽和食鹽水洗（25 mL）后收集有機相，無水MgSO4干燥后減壓蒸餾除去溶劑得到粗產(chǎn)物，經(jīng)硅膠柱層析分離得到化合物2（103.0 mg, 76%）。1H NMR (400 MHz, CDCl3)7.14 (t,= 8.0 Hz, 2H), 6.81 – 6.72 (m, 2H), 6.69 (d,= 7.6 Hz, 2H), 6.59 (dd,= 8.4, 2.5 Hz, 2H), 2.90 (s, 12H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)151.04, 136.44, 129.56, 119.05, 114.79, 111.20, 40.50.

化合物SRho：厚壁耐壓管中依次加入化合物2（54.5 mg, 0.2 mmol），苯甲醛（106.0 mg, 1.0 mmol），對甲苯磺酸一水合物（38.0 mg, 0.2 mmol），140℃下反應(yīng)5 h。降至室溫后加入四氯苯醌（49.2 mg，0.2 mmol）和5 mL甲醇，室溫攪拌3 h后減壓蒸餾除去溶劑得到粗產(chǎn)物，經(jīng)硅膠柱層析分離得到化合物SRho（56.8 mg, 72%）。1H NMR (400 MHz, CDCl3)7.59 (dd,= 5.0, 1.7 Hz, 3H), 7.37 (dd,= 6.1, 3.5 Hz, 4H), 7.31 – 7.27 (m, 2H), 6.93 (dd,= 9.7, 2.6 Hz, 2H), 3.34 (s, 12H).13C NMR (100 MHz, CDCl3)159.72, 153.38, 144.79, 136.35, 135.62, 129.48, 129.18, 128.76, 119.15, 115.26, 106.23, 40.97.

1.3 硫羅丹明SRho的熒光激發(fā)和發(fā)射光譜測定

將SRho用二甲基亞砜配制成2 mM濃度的母液，取所需體積母液至PBS緩沖溶液（pH = 7.4）中稀釋成5 μM濃度，測定熒光激發(fā)和發(fā)射光譜。其中激發(fā)光譜固定發(fā)射波長為630 nm，發(fā)射光譜固定激發(fā)波長為520 nm。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 硫羅丹明SRho的合成

在合成硫羅丹明SRho的過程中（圖式2），首先研究了反應(yīng)物——二芳硫醚的合成方法。經(jīng)典的二芳硫醚合成方法：通過鹵代芳烴與硫源化合物在過渡金屬催化下形成C-S鍵[16-18]。基于這一原理，首先嘗試通過-二甲基間溴苯胺與九水硫化鈉在碘化亞銅的催化下合成二芳硫醚中間體，盡管將反應(yīng)溫度從120℃逐漸提高到180℃，仍不能檢測到目標產(chǎn)物。進一步將硫源替換為硫氰化鉀依舊不能生成二芳硫醚。推測可能是-二甲基間溴苯胺上間位的供電子基——二甲氨基不利于C-S鍵的生成，因此我們嘗試用反應(yīng)活性更高的碘代芳烴作為反應(yīng)物。其中，-二甲基間碘苯胺以間碘苯胺為原料根據(jù)文獻方法得到，產(chǎn)率96%。進一步，-二甲基間碘苯胺與九水硫化鈉在碘化亞銅的催化下順利得到了二芳硫醚中間體，產(chǎn)率達76%。

在順利得到二芳硫醚中間體后，我們參考羅丹明的合成方法，將等當量的二芳硫醚與苯甲醛以丙酸為溶劑，在對甲苯磺酸一水合物的催化下加熱反應(yīng)[19]。將反應(yīng)溫度從80℃提高到150℃，僅能檢測到微量的硫羅丹明產(chǎn)物。這一現(xiàn)象與已報道的硅羅丹明的合成現(xiàn)象類似，推測二芳硫醚的反應(yīng)活性可能也較低，傳統(tǒng)的羅丹明反應(yīng)條件無法生成硫羅丹明。借鑒硅羅丹明和磷羅丹明的合成方法[20-21]，不加入溶劑，增加苯甲醛的比例至五當量，在厚壁耐壓管下加熱反應(yīng)，增加分子間碰撞，成功得到了硫羅丹明SRho，產(chǎn)率高達72%。

圖式2 基于二芳硫醚中間體的SRho的合成

Scheme 2 Synthesis of SRho through diaryl sulfides intermediate

2.2 硫羅丹明的熒光光譜

如圖1所示，硫羅丹明SRho在PBS緩沖溶液（pH = 7.4）中的最大激發(fā)波長和最大發(fā)射波長分別為571、594 nm，與對應(yīng)的羅丹明相比，最大激發(fā)和發(fā)射波長分別紅移了19、20 nm[22]。這主要是由于這主要是由于硫原子較氧原子體積增大，使得分子HOMO-LUMO能隙差減小，氧化還原電位降低，從而導(dǎo)致激發(fā)和發(fā)射光譜紅移[9]。

圖1 SRho的熒光激發(fā)和發(fā)射光譜圖

3 小結(jié)

本實驗以間碘苯胺為起始原料，通過合成二芳硫醚中間體并進一步與苯甲醛反應(yīng)縮合得到硫羅丹明SRho，其最大激發(fā)和發(fā)射波長分別為571、594 nm。結(jié)果表明，該合成方法具有反應(yīng)條件簡單、產(chǎn)率高的優(yōu)勢，為硫羅丹明在生物成像中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

[1] Sigal Y M, Zhou R, Zhuang X. Visualizing and discovering cellular structures with super-resolution microscopy[J]. Science, 2018, 361(6405): 880-887.

[2] Schermelleh L, Ferrand A, Huser T, et al. Super-resolution microscopy demystified[J]. Nat Cell Biol, 2019, 21(1): 72-84.

[3] Wang L, Du W, Hu Z, et al. Hybrid rhodamine fluorophores in the visible/NIR region for biological imaging[J]. Angew Chem Int Edit, 2019, 58(40): 14026-14043.

[4] 盛新鳳,董彥杰. 羅丹明6G與羅丹明6G酰肼測汞的對比研究[J]. 井岡山大學學報:自然科學版, 2020, 41(3): 19-23.

[5] Ren T B, Xu W, Zhang W, et al. A General Method To Increase Stokes Shift by Introducing Alternating Vibronic Structures[J]. J Am Chem Soc, 2018, 140(24): 7716-7722.

[6] Hong G, Antaris A L, Dai H. Near-infrared fluorophores for biomedical imaging[J]. Nat Biomed Eng, 2017, 1(1): 1-22.

[7] Deng F, Xu Z. Heteroatom-substituted rhodamine dyes: Structure and spectroscopic properties[J]. Chin Chem Lett, 2019, 30(10): 1667-1681.

[8] Deng F, Liu L, Huang W, et al. Systematic study of synthesizing various heteroatom-substituted rhodamines from diaryl ether analogues[J]. Spectrochim Acta A, 2020: 118466.

[9] Ohulchanskyy T Y, Donnelly D J, Detty M R, et al. Heteroatom substitution induced changes in excited-state photophysics and singlet oxygen generation in chalcogenoxanthylium dyes: Effect of sulfur and selenium substitutions[J]. J Phys Chem B, 2004,108(25): 8668-8672.

[10] Brennan N K, Donnelly D J, Detty M R. Selenoxanthones via directed metalations in 2-arylselenobenzamide derivatives[J]. J Org Chem, 2003, 68(8): 3344-3347.

[11] Detty M R, Prasad P N, Donnelly D J, et al. Synthesis, properties, and photodynamic properties in vitro of heavy-chalcogen analogues of tetramethylrosamine[J]. Bioorg Med Chem, 2004, 12(10): 2537-2544.

[12] 劉飛躍,胡青英,周志會,等. 木質(zhì)素與異氰酸酯基聚丙烯酸酯的接枝共聚研究[J]. 井岡山大學學報:自然科學版, 2016, 37(1): 34-39.

[13] 胡文杰,朱立成,殷帥文,等. 油樟葉精油不同餾分化學成分及其抗氧化能力評價[J]. 井岡山大學學報:自然科學版, 2019, 40(5): 26-33.

[14] 匡仁云,張振興,黃翔,等. PEG-400/H2O中無配體條件下鹵代芳烴與芳基硼酸交叉偶聯(lián)反應(yīng)的研究[J]. 井岡山大學學報:自然科學版, 2020, 41(1): 25-29.

[15] Liu P M, Frost C G. Ruthenium-catalyzed C-H functionalization of arylpyrazoles: regioselective acylation with acid chlorides[J]. Org Lett, 2013, 15(22): 5862-5865.

[16] Li Y, Nie C, Wang H, et al. A highly efficient method for the copper‐catalyzed selective synthesis of diaryl chalcogenides from easily available chalcogen sources[J]. Eur J Org Chem, 2011, 2011(36): 7331-7338.

[17] Ke F, Qu Y, Jiang Z, et al. An efficient copper-catalyzed carbon-sulfur bond formation protocol in water[J]. Org Lett, 2011, 13(3): 454-457.

[18] Reddy K H, Reddy V P, Kumar A A, et al. Nano copper oxide catalyzed synthesis of symmetrical diaryl sulfides under ligand free conditions[J]. Beilstein J Org Chem, 2011, 7(1): 886-891.

[19] Mudd G, Pi I P, Fethers N, et al. A general synthetic route to isomerically pure functionalized rhodamine dyes[J]. Methods Appl Fluores, 2015, 3(4): 045002.

[20] Wang B G, Chai X Y, Zhu W W, et al. A general approach to spirolactonized Si-rhodamines[J]. Chem Commun, 2014, 50(92): 14374-14377.

[21] Chai X Y, Cui X Y, Wang B G, et al. Near-Infrared Phosphorus-Substituted Rhodamine with Emission Wavelength above 700 nm for Bioimaging[J]. Chem Eur J, 2015, 21(47): 16754-16758.

[22] Fischer C, Sparr C. Direct transformation of esters into heterocyclic fluorophores[J]. Angew Chem Int Edit, 2018, 57(9): 2436-2440.

SYNTHESIS OF S-RHODAMINES VIA DIARYL SULFIDES INTERMEDIATE

*DENG Fei1,2, LI Jia-li1, LIU Si-si1

（1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Ji’an, Jiangxi 343009, China; 2. The key Laboratory of Coordination Chemistry of Jiangxi Province, and Institute of Applied Chemistry, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China）

With 3-iodoaniline as the starting material, we have synthesized S-rhodamine through the condensation of diaryl sulfides intermediate and benzaldehydes. The overall yields of this synthetic route were 53%. The structures of these compouds were confirmed by1H NMR and13C NMR. Besides, the excitation and emission spectra of S-rhodamine were also determined. These results will benefit the application of S-rhodamine in fluorescence imaging.

diaryl sulfides; S-rhodamine; fluorescent dye; wavelength

TQ463

A

10.3669/j.issn.1674-8085.2021.05.006

1674-8085（2021）05-0024-04

2021-02-16；

2021-05-06

江西省自然科學基金項目（20202BABL213008）；江西省教育廳科技計劃項目(GJJ190567）；井岡山大學博士科研啟動項目(JZB1907)

*鄧 霏(1991-)，男，江西吉安人，講師，博士，主要從事熒光染料研究(E-mail：dengfei@jgsu.edu.cn)；

李佳麗(2000-)，女，內(nèi)蒙古興安盟人，井岡山大學化學化工學院化學工程與工藝專業(yè)2018級本科生(E-mail: 1449113394@qq.com)；

劉思思(1999-)，女，江西九江人，井岡山大學化學化工學院化學工程與工藝專業(yè)2018級本科生(E-mail：370467176@qq.com).