利用Knoevenagel縮合反應(yīng)合成聚集誘導(dǎo)發(fā)光型丙烯腈衍生物

尹昱婷，張博軒，劉欣怡，蘇小龍，齊春軒，馮海濤

寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，AIE (聚集誘導(dǎo)發(fā)光)研究中心，陜西 寶雞 721000

1 引言

發(fā)光材料被廣泛應(yīng)用于人類社會的各個領(lǐng)域，對人類社會的發(fā)展至關(guān)重要，與無機發(fā)光材料相比，有機發(fā)光材料具有光色易調(diào)、發(fā)光效率高、功耗低、響應(yīng)速度快、易加工、成膜性好等優(yōu)點。但傳統(tǒng)有機發(fā)光材料由于聚集誘導(dǎo)熒光淬滅(Aggregation-caused Quenching，ACQ)效應(yīng)，嚴(yán)重限制了其實際應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)熒光化合物通常在單分子或稀溶液中有強烈的熒光發(fā)射，但當(dāng)分子發(fā)生聚集或在固體狀態(tài)時熒光淬滅，引起該現(xiàn)象的主要原因是相鄰的發(fā)光分子間容易形成π–π堆積，使激發(fā)態(tài)分子以非輻射方式回到基態(tài)，導(dǎo)致熒光淬滅。聚集誘導(dǎo)發(fā)光現(xiàn)象則與之完全相反，該類分子在溶解狀態(tài)下發(fā)光微弱，而在聚集狀態(tài)下或固態(tài)、薄膜中熒光急劇增強[1,2]。自2001年首例AIE分子(1-甲基-1,2,3,4,5-五苯基噻咯)被報道以來[3]，AIE分子由于其良好的光物理性能，被廣泛應(yīng)用于固態(tài)發(fā)光器件、有機光電、生物成像、光動力治療、化學(xué)/生物傳感等前沿領(lǐng)域[2,4,5]。掌握AIE材料的發(fā)光機理對該類材料的設(shè)計有很大的指導(dǎo)意義，經(jīng)過大量研究，目前最為廣泛接受的機理是由唐本忠教授等人提出的分子內(nèi)運動受限(restriction of intramolecular motion，RIM)[2]，包括分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)受限(restriction of intramolecular rotation，RIR)和分子內(nèi)振動受限(restriction of intramolecular vibration，RIV)兩種。AIE分子在聚集或固體狀態(tài)下限制了分子內(nèi)的運動導(dǎo)致激發(fā)態(tài)能量以輻射躍遷的方式被釋放，直觀表現(xiàn)為強烈熒光。因此，我們希望在有機實驗課堂上，通過利用經(jīng)典有機合成方法構(gòu)筑AIE化合物，讓學(xué)生在掌握有機合成反應(yīng)機理及實驗操作的同時，初步了解AIE熒光分子的分子結(jié)構(gòu)特點及AIE材料發(fā)光機理，進一步增強有機實驗課程趣味性。

Knoevenagel縮合反應(yīng)是經(jīng)典的有機人名反應(yīng)之一，目前在《有機化學(xué)實驗》中已有所涉及[6]。該類反應(yīng)通常是將一種羰基化合物與活性亞甲基脫水縮合，用于碳碳雙鍵的構(gòu)建，是制備取代烯烴類化合物的一種重要且常用的方法。利用該反應(yīng)合成的α,β-不飽和化合物是一類重要的有機化合物及反應(yīng)中間體，在精細化工品、醫(yī)藥中間體、生命科學(xué)制備等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[7,8]。因此，我們期望在有機實驗課程中引入Knoevenagel縮合反應(yīng)，使學(xué)生掌握Knoevenagel縮合反應(yīng)的機理、實驗操作及其應(yīng)用。

本實驗利用Knoevenagel縮合反應(yīng)，將4-氰基苯乙腈與芳香醛在堿性條件下，通過分子間脫水，制備同時含供電子基和吸電子基的丙烯腈衍生物。該實驗具有原料易得、條件溫和、反應(yīng)時間短、操作簡便、高產(chǎn)率和易重復(fù)的特點，極其適用于本科生實驗教學(xué)。同時，還可以采用核磁共振譜(NMR)確定化合物結(jié)構(gòu)，利用紫外-可見吸收光譜、熒光發(fā)射光譜研究目標(biāo)化合物的光物理性質(zhì)，為本科生初步了解有機化合物結(jié)構(gòu)與性能表征提供案例，有利于激發(fā)學(xué)生對有機化學(xué)、有機化學(xué)實驗、材料化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，同時也能使學(xué)生對AIE的相關(guān)研究有初步了解。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

Knoevenagel縮合反應(yīng)是指具有活性亞甲基的化合物(例如：丙二酸酯、β-酮酸酯、氰乙酸酯、硝基乙酸酯等)在弱堿的催化作用下，與醛、酮發(fā)生脫水縮合反應(yīng)，得到α,β-不飽和化合物的反應(yīng)。反應(yīng)機理是羰基化合物在伯胺、仲胺或銨鹽的催化下形成亞胺過渡態(tài)，然后與活性亞甲基化合物所形成的碳負(fù)離子加成。利用Knoevenagel縮合反應(yīng)制備丙烯腈衍生物，其制備反應(yīng)式如圖1所示，反應(yīng)機理如圖2所示[6]。

圖1 丙烯腈衍生物的制備反應(yīng)式

圖2 丙烯腈衍生物合成機理

2.2 實驗試劑或材料

4-氰基苯乙腈、N,N-二乙基-4-氨基苯甲醛、苯甲醛、4-溴苯甲醛、4-硝基苯乙腈、4-甲?；郊兹?、苯乙腈、糠醛、2-萘甲醛、乙醇、四氫吡咯(該實驗所用試劑均為分析純)。

2.3 儀器和表征方法

實驗儀器：25 mL圓底燒瓶、球形冷凝管、干燥管、抽濾裝置、便攜式紫外燈、分析天平(賽多利斯GL224-1SCN)、核磁共振儀(德國布魯克Agilent-400 MHz)、磁力加熱攪拌器(北京大龍MS7-H550-S)、紫外-可見吸收光譜儀(日本島津UV-2550)、穩(wěn)態(tài)-瞬態(tài)熒光光譜儀(法國Horiba FluoroMax-4)。

表征方法：采用核磁共振譜(NMR)確定化合物結(jié)構(gòu)，通過紫外-可見吸收光譜、熒光發(fā)射光譜研究目標(biāo)化合物的光學(xué)性質(zhì)。

2.4 實驗步驟

(1) 制備：在干燥的25 mL圓底燒瓶中依次加入用分析天平稱量的4-氰基苯乙腈(0.2843 g，2 mmol)、N,N-二乙基-4-氨基苯甲醛(0.3545 g，2 mmol)，依次量取15 mL乙醇和40 μL四氫吡咯，注入反應(yīng)瓶中，安裝球形冷凝管及干燥管，連接回流水。在90 °C下加熱回流30 min。

(2) 純化：冷卻，待固體析出完全后，減壓抽濾，濾餅用冷乙醇(10 mL)洗滌3次，隨后將其轉(zhuǎn)移至圓底燒瓶中，加6 mL二氯甲烷，加熱使固體完全溶解，隨后逐滴加入乙醇，待溶液中有固體物質(zhì)開始出現(xiàn)時(約12 mL)，停止滴加，隨后，緩慢冷卻至室溫，冰浴使其結(jié)晶完全，待晶體析出完全后抽濾。將濾餅真空干燥2–3 h。得到0.5593 g橙黃色粉末，即化合物1，產(chǎn)率約為93%。熔點為：192 °C。1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ7.87 (d,J= 9.2 Hz, 2 H), 7.71 (d,J= 8.8 Hz, 2 H), 7.66 (d,J= 8.8 Hz, 2 H),7.46 (s, 1 H), 6.70 (d,J= 9.2 Hz, 2 H), 3.45 (q,J= 7.2 Hz, 4 H), 1.23 (t,J= 7.2 Hz, 6 H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ150.15, 144.64, 140.28, 132.55, 132.35, 125.55, 120.13, 118.83, 118.63, 111.17, 110.74,101.22, 44.57, 12.55。

(3) 測試溶液的配制：用分析天平稱取3.0 mg化合物1，將其溶解在10 mL四氫呋喃中，得1 mmol·L?1的溶液，隨后，取1 mL該溶液，將其定容至10 mL，得0.1 mmol·L?1的母液，隨后取10支比色管并編號，依次按照表1加入不同體積的相應(yīng)物質(zhì)，以配制不同水體積分?jǐn)?shù)的待測溶液。

表1 不同水體積分?jǐn)?shù)下化合物1的配制

3 結(jié)果與討論

3.1 1H NMR和13C NMR表征

核磁是驗證有機物結(jié)構(gòu)最常用的方法之一。稱取10 mg干燥后的產(chǎn)物裝入核磁管中，加入0.5 mL氘代氯仿溶解，進行核磁測試，結(jié)果如圖3、圖4所示。通過核磁共振氫譜及碳譜分析，說明我們成功的獲得了目標(biāo)化合物。本部分實驗成本預(yù)計80元。

圖3 化合物1的1H NMR

圖4 化合物1的13C NMR

3.2 化合物1的光物理性質(zhì)

為探究化合物1的紫外-可見吸收光譜及AIE特性，我們將化合物1溶解在四氫呋喃(THF)中，按照表1配制不同水體積分?jǐn)?shù)的溶液。隨后，以紫外-可見吸收光譜儀及熒光光譜儀收集了其相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5A所示，由于供體–受體效應(yīng)，化合物在425 nm出現(xiàn)明顯的紫外吸收，這主要是由于分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移所致。為驗證化合物1的AIE活性，我們收集了其在不同水體積分?jǐn)?shù)下的熒光光譜，結(jié)果如圖5B、5C所示，在水體積分?jǐn)?shù)由0%增加到90%時，發(fā)光波長逐漸紅移，這可能是隨著水體積分?jǐn)?shù)的增加，溶劑極性逐漸增大，由于溶劑化效應(yīng)，溶液的發(fā)光波長逐漸紅移。此外，當(dāng)水體積分?jǐn)?shù)小于70%時，溶液的熒光發(fā)生輕微增強，而當(dāng)水體積分?jǐn)?shù)大于70%時，其熒光發(fā)生明顯敏化。在水體積分?jǐn)?shù)達到90%時，化合物1在混合溶液的熒光強度(I)是在純THF(I0)中的6.6倍。進一步，化合物1在365 nm紫外燈照射下的實物照片(如圖5C插圖)表明，化合物1在水體積分?jǐn)?shù)為0%時，熒光微弱，而當(dāng)水體積分?jǐn)?shù)達到90%時，混合溶液發(fā)出強烈的黃色熒光。以上結(jié)果表明，化合物1具有典型的AIE特性。本部分實驗成本預(yù)計30元(儀器服務(wù)費)。

圖5 (A) 化合物1在THF中的紫外吸收光譜；(B) 化合物1在THF和水混合溶劑中，不同水體積分?jǐn)?shù)fw (vol%)下的熒光光譜圖；(C) 化合物1在521 nm處，不同水體積分?jǐn)?shù)下的熒光強度(I)與純THF中的熒光強度(I0)比值

3.3 SEM

為說明水體積分?jǐn)?shù)在90%下熒光曲線與其他熒光曲線不同的原因，我們分別收集了化合物1在水體積分?jǐn)?shù)為70%和90%下的掃描電鏡圖片。結(jié)果如圖6所示，在水體積分?jǐn)?shù)為70%時，化合物1主要以無定形顆粒存在，而水體積分?jǐn)?shù)達到90%時，出現(xiàn)明顯塊狀晶體，說明化合物1的形貌與發(fā)光波長和強度密切相關(guān)。當(dāng)水體積分?jǐn)?shù)為90%時，熒光曲線出現(xiàn)肩峰，這主要是由于化合物1在水體積分?jǐn)?shù)為90%下形成了微晶，使其發(fā)生了分子間相互作用所致。本部分實驗成本預(yù)計200元。

圖6 化合物1在是體積分?jǐn)?shù)分別為70%和90%時的掃描電鏡圖片

3.4 單晶

為進一步理解結(jié)構(gòu)特點，我們在四氫呋喃和甲醇的體系中，采用揮發(fā)法成功獲得了化合物1(CCDC號：2284359)的單晶。單晶結(jié)果表明(圖7)，化合物1存在多個分子間氫鍵(距離分別為2.589、2.940、3.104、3.255和3.373 ? (1 ? = 0.1 nm))。本部分實驗成本預(yù)計300元。

圖7 化合物1的單晶結(jié)構(gòu)

3.5 酸堿響應(yīng)測試

為探究目標(biāo)化合物的應(yīng)用，我們將0.0100 g的化合物1用四氫呋喃溶解，并用其浸潤薄層層析硅膠板，待溶劑揮發(fā)干后，將硅膠板先后放置于鹽酸和三乙胺瓶口，分別記錄其在可見光和365 nm紫外光照射下的熒光顏色變化(圖8)。結(jié)果如圖8所示，化合物1在可見光和紫外光下時呈現(xiàn)出明顯的黃色(圖8左)，而置于鹽酸瓶口時，顏色和熒光均消失(圖8中)，隨后將其放置于三乙胺瓶口，化合物1的可見光下及紫外光下顏色在1 min內(nèi)均恢復(fù)(圖8右)，說明該化合物具有很好的酸堿響應(yīng)性能。發(fā)生熒光變化的主要原因可能是在酸性情況下，N,N-二乙基的氮原子可以結(jié)合氫離子，并形成銨鹽，破壞了化合的供體-受體(D-A)作用，導(dǎo)致熒光消失；而在三乙胺熏蒸后，三乙胺可以奪取氫離子，使銨鹽恢復(fù)為化合物1，從而熒光恢復(fù)(圖9)。本部分實驗成本預(yù)計7元(鹽酸和三乙胺均按10mL計算)。

圖8 化合物1的酸堿響應(yīng)性能

圖9 化合物1的酸堿響應(yīng)機理

3.6 底物普適性研究

為探究不同取代基對該反應(yīng)及其產(chǎn)物光物理性質(zhì)的影響，我們分別探索了吸電子基、給電子基、重原子、雜環(huán)等因素對該反應(yīng)及發(fā)光性質(zhì)的影響，結(jié)果如圖10所示。無論與芳環(huán)鍵連的取代基是吸電子基還是給電子基，目標(biāo)化合物均能高產(chǎn)率地制備，且目標(biāo)化合物均具有AIE活性，且具有比較良好的發(fā)光效率。此外，我們收集了化合物2–7在可見光(左)和紫外光(右)下的實物照片。為了更清晰地理解其發(fā)光光譜，我們收集了化合物在固體下的紫外吸收與熒光發(fā)射光譜，結(jié)果如圖11所示，所制備的化合物發(fā)光波長介于藍光和黃光之間。

圖10 不同取代基對反應(yīng)及發(fā)光的影響，激發(fā)波長均為365 nm

圖11 不同產(chǎn)物的歸一化紫外-可見吸收光譜(虛線)與熒光發(fā)射光譜圖(實線)

其中化合物2產(chǎn)率約為81%，熔點為：148 °C。在可見光下為白色粉末，紫外照射下發(fā)出藍色熒光。1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ7.94–7.91 (m, 2 H), 7.81–7.78 (m, 2 H), 7.76–7.73 (m, 2 H), 7.63 (s, 1 H), 7.51–7.48 (m, 3 H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ145.03, 138.94, 133.12, 132.97, 131.68, 129.79,129.31, 126.69, 118.31, 117.28, 112.89, 110.10。

化合物3產(chǎn)率約為92%，熔點為198 °C。在可見光下為淺黃色粉末，紫外照射下發(fā)出青色熒光。

1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ7.80–7.77 (m, 4 H), 7.76–7.73 (m, 2 H), 7.65–7.61 (m, 2 H), 7.56 (s, 1 H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ143.50, 138.58, 133.02, 132.62, 131.94, 131.07, 126.70, 126.21, 118.21,117.03, 113.13, 110.77。

化合物4產(chǎn)率約為80%，熔點為192 °C。在可見光下為黃色粉末，紫外照射下發(fā)出強烈的黃色熒光。1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ7.76–7.73 (m, 2H), 7.72–7.69 (m, 2H), 7.66 (dd,J= 1.6, 0.4 Hz, 1H),7.47 (s, 1H), 7.29 (d,J= 3.6 Hz, 1H), 6.64–6.61 (m, 1H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ149.78, 146.2,138.21, 132.96, 130.22, 126.16, 118.34, 117.4, 117.04, 113.4, 112.51, 105.7。

化合物5產(chǎn)率約為94%，熔點為188 °C。在可見光下為淡黃色粉末，紫外照射下具有明顯的黃綠色熒光。1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ8.33 (s, 1 H), 8.12–8.10 (dd,J= 8.8, 2.0 Hz, 1 H), 7.95–7.92 (d,J= 9.2 Hz, 2 H), 7.89–7.87 (m, 1 H), 7.84–7.81 (m, 2 H), 7.77 (s, 1 H), 7.76–7.73 (m, 2 H), 7.62–7.54 (m, 2 H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ144.97, 139.07, 134.69, 133.15, 132.96, 131.57, 130.63, 129.15, 129.09,128.41, 127.98, 127.23, 126.65, 125.19, 118.34, 117.50, 112.80, 109.87。

化合物6產(chǎn)率約為80%，熔點為95 °C。可見光下為黃色針狀固體，紫外照射下呈現(xiàn)出較弱的黃綠色熒光。1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ= 7.85 (d,J= 9.2 Hz, 2 H), 7.65–7.62 (m, 2 H), 7.43–7.40 (m, 3 H), 7.33–7.29 (m, 1 H), 6.70 (d,J= 9.2 Hz, 2 H), 3.43 (q,J= 7.2 Hz, 4 H), 1.22 (t,J= 8.2 Hz 6 H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ149.50, 142.65, 135.85, 131.74, 128.98, 127.93, 125.53, 120.99, 119.72, 111.24,103.90, 44.64, 12.74。

化合物7產(chǎn)率約為97%，熔點為168 °C?？梢姽庀聻辄S色粉末，紫外照射下呈現(xiàn)強烈的黃色熒光。1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ8.28 (d,J= 8.8 Hz, 2 H), 7.94 (d,J= 8.8 Hz, 2 H), 7.81 (d,J= 8.8 Hz, 2 H),7.60 (s, 1 H), 7.01 (d,J= 8.8 Hz, 2 H), 3.89 (s, 3 H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ162.56, 147.66, 145.14,141.23, 132.07, 126.47, 125.83, 124.44, 117.85, 114.80, 106.33, 55.68。

合成上述化合物的實驗成本分別為：化合物2：12元；化合物3：11.9元；化合物4：11.6元；化合物5：11.7元；化合物6：7元；化合物7：9.3元。

4 結(jié)語

本實驗通過經(jīng)典的Knoevenagel縮合反應(yīng)將商業(yè)可得的芳香醛與苯乙腈衍生物反應(yīng)，制備了典型的AIE型丙烯腈衍生物。對化合物結(jié)構(gòu)和熒光性能的研究，使學(xué)生對Knoevenagel縮合反應(yīng)機理和AIE現(xiàn)象有直觀的認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生對有機化學(xué)、有機實驗、AIE類化合物的學(xué)習(xí)興趣。該實驗還可讓學(xué)生將書本知識靈活運用于實際操作中，提高學(xué)生實驗操作技能。此外該實驗具有反應(yīng)時間快、產(chǎn)率高等特點，可收到較為良好的課堂效果，可以作為4學(xué)時的本科生綜合實驗對其進行推廣。進一步，將經(jīng)典有機人名反應(yīng)——Knoevenagel縮合反應(yīng)與我國科學(xué)家首次提出且在全球范圍內(nèi)被廣泛研究的前沿科學(xué)領(lǐng)域之一——AIE相結(jié)合，不僅可以促進學(xué)生了解AIE的發(fā)展史，而且還可以增強學(xué)生民族自信心，提升責(zé)任感與使命感，有利于有機化學(xué)、有機實驗課程思政建設(shè)。