CN102286213A

CN102286213A - 近红外氮杂-bodipy染料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN102286213A
Application number: CN2011101221402A
Authority: CN
Inventors: 赵伟利; 史才遵; 姜新东
Original assignee: Henan University
Current assignee: Henan University
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2011-12-21

Abstract

本发明属于光功能材料领域，特别涉及一种近红外氮杂-BODIPY染料及其制备方法和应用。其通式如式I所示。本发明提供了一种新型的近红外氮杂-BODIPY染料，其有超过730nm的吸收，超过740nm的荧光发射；染料的光稳定性好，荧光量子产率达到0.28。

Description

近红外氮杂-BODIPY染料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于光功能材料领域，特别涉及一种近红外氮杂-BODIPY染料及其制备方法和应用。

背景技术

分子荧光可提供灵敏、快速、单分子水平和远距离监测。近红外荧光探针以其高灵敏性、高安全性著称，近红外光可以穿透生物组织的距离最大，在活体内穿透可达10-20 cm，采用近红外荧光探针可以对深层的组织和器官进行探测和成像，这是可见区荧光探针所不能比拟的。常用的近红外荧光探针（700－850 nm）基本都使用菁染料，但荧光量子产率低、光稳定性差是菁染料普遍面临的问题。当染料吸收趋于近红外时，聚集体的生成，光漂白以及系间窜跃增加导致荧光效率低下、稳定性差等难题，阻碍了近红外染料的进展。虽然近年来快速发展的量子点（Quantum dot）可作为稳定性较好的近红外探针，但其透膜性差，且重金属离子的泄漏所引起的安全考量也有待近一步研究（Rao, J.; Dragulescu-Andrasi, A.; Yao, H. Curr. Opin. Biotech. 2007, 18, 17-25.；傅妮娜，王红，张华山，分析科学学报，2008，233-239）。氟硼二吡咯（BODIPY）染料是最常用的荧光探针系列，具有荧光产率高、稳定性好等优点；但因吸收波长短（400－650 nm）、穿透深度浅而在肿瘤诊断领域受到限制（Loudet, A.; Burgess, K. Chem. Rev. 2007, 107, 4891-4932）。氮杂BODIPY染料是近年来受到广泛关注的一类新型近红外荧光染料，该类染料具有吸收和发射波长长，光稳定性好、半峰宽窄、量子产率高、摩尔消光系数大等特点，在生物分析领域具有广阔的应用前景，已经成为近年来光功能材料研究的热点。上世纪四十年代，开始对氮杂BODIPY的研究，如Knott, E. B. US, 1949, 2469830。早期氮杂BODIPY染料的研究局限于可见区光记录材料如：JP (1999) 11092479及JP (1999) 11034500，以及生物探针方面如US (1998) 5786219，(1998) 5723218，(1996) 5573909，及WO 93/23492。2003年Donald F. O’Shea等（WO 03/080627）报道了氮杂BODIPY用于光动力治疗肿瘤的研究，推动了氮杂BODIPY的进展（O’Shea, D. F. et al. Bioconj. Chem. 2010, 21, 1130-1133; Li, Y. et al. Chem. Asian J. 2009, 4, 707-713; O’Shea, D. F. et al. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 16360-16361; O’Shea, D. F. et al. J. Med. Chem. 2010, 53, 7337–7343; O’Shea, D. F. et al. Org. Lett. 2008，10, 4771-4774; Gawley, R. E. et al. J. Org. Chem. 2007, 72, 2187-2191; Andraud, C. et. al. Adv. Mater. 2009, 21, 1151–1154）。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的近红外氮杂-BODIPY染料。

本发明采用的技术方案如下：

近红外氮杂-BODIPY染料，其通式如式I所示：

其中， R₁、R₂任意为氢、羟基、甲氧基、乙氧基、甲氧乙氧基、甲氧羰基甲氧基、乙氧羰基甲氧基、叔丁氧羰基甲氧基、羧基甲氧基、乙酰氧基、N,N-二甲氨基、N,N-二乙氨基、吗啉基、哌啶基、N-甲基哌嗪基；Ar、Ar’任意为苯基、对氯苯基、对甲氧基苯基、对乙氧基苯基。

其中，R₁，R₂优选为氢、羟基、甲氧基、乙酰氧基、叔丁氧羰基甲氧基、羧基甲氧基、N,N-二甲氨基、吗啉基、哌啶基，更优选为氢、羟基、甲氧基、叔丁氧羰基甲氧基、羧基甲氧基。Ar，Ar’优选为苯基、对甲氧基苯基、对乙氧基苯基，更优选为苯基、对甲氧基苯基。

进一步，所述的近红外氮杂-BODIPY染料其结构式如式I-1、I-2、I-3、I-4所示：

。

本发明首次将共轭烯键引入氮杂BODIPY母体结构中，扩大了染料的共轭结构，从而将氮杂BODIPY的最大吸收波长扩展到730nm以上，处在近红外区。

本发明还进一步提供了一种所述近红外氮杂-BODIPY染料的制备方法：先对不含共轭双键的吡咯分子进行亚硝化，再与含共轭双键的吡咯分子反应制备氮杂二吡咯甲川染料，之后再与BF₃络合即得所述的近红外氮杂-BODIPY染料。

具体的，使用芳香醛与甲基酮反应得到β-芳基取代的烷基乙烯基酮或者使用芳基锂与β-甲氧基环己烯酮反应得到β-芳基取代的环己烯酮。获得的不饱和酮在LDA作用下与苯基2-氮环丙烯反应可得到含共轭双键的吡咯，使用4,5-二氢-7-甲氧基-3-苯基苯并[g]吲哚经亚硝化，再与含共轭双键的吡咯在乙酸酐作用下生成的染料与三氟化硼络合得到所述的近红外氮杂-BODIPY染料。

染料的合成采用如下所示反应来实现：

本发明的制备方法重在反应物的选择，反应过程本领域技术人员可根据掌握的常规技术手段进行，如可参照以下两篇文章进行：1）W. Zhao, E. M. Carreira, Chem. Eur. J. 2006, 12, 7254 –7263. 2）W. Zhao, E. M. Carreira, Angew. Chem. 2005, 117, 1705 –1707; Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 1677 –1679.

本发明通过将吡咯环及其取代芳环通过并环模式增加共轭，减少非辐射失活，所合成的共轭双键的氮杂BODIPY类染料有超过730 nm的吸收，超过740 nm荧光发射；染料的光稳定性好，荧光量子产率达到0.28，与报道的近红外菁染料的量子产率相当；摩尔消光系数大、半峰宽窄。

基于以上特点，所述的近红外氮杂-BODIPY染料在荧光传感器、细胞成像、近红外光动力学治疗方面有很好的应用。

本发明相对于现有技术，有以下优点：

本发明提供了一种新型的近红外氮杂-BODIPY染料，其有超过730 nm的吸收，超过740 nm的荧光发射；染料的光稳定性好，荧光量子产率达到0.28。

附图说明

图1为式I-1、I-2化合物在CHCl₃中的吸收光谱；

图2为式I-1、I-2 化合物在CHCl₃中的荧光光谱；

图3为I-2化合物对U87神经胶质瘤细胞的激光共聚焦成像图。

具体实施方式

以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：

实施例1

氮杂BODIPY 类染料式I-1化合物的合成

1. (E)-4-苯基-甲基乙烯基酮

于500 mL单颈烧瓶中加入苯甲醛（4.2 g ，4.0 mL，39.6 mmol）、水（180 mL）、丙酮（9.4 g，12 mL，164 mmol）和10% NaOH水溶液（45 mL，113 mmol），40℃搅拌15 h，出现大量白色固体，过滤，滤饼水洗至中性，乙醚重结晶后得到白色晶体（4.4 g，收率 70.8 %）。

2. (E)-4-苯基-2-苯乙烯基吡咯

在氮气保护下，于-78℃并在磁力搅拌下，将LDA（二异丙基胺基锂，2.0 M，1.0 mL）滴加到含有4-苯基-甲基乙烯基酮（292 mg，2.0 mmol）的四氢呋喃（5 mL）溶液中，反应5 min后，再滴加3-苯基2H-氮丙烯（251 mg，2.0 mmol），-78℃反应2 h，慢慢升温至室温，然后加冰水淬灭，稀盐酸中和后用二氯甲烷萃取，有机层分别用水、饱和食盐水洗涤，无水Na₂SO₄干燥，溶剂去除后过柱分离（二氯甲烷/石油醚 = 1：1），得到产品再经石油醚/二氯甲烷重结晶得到白色片状晶体（244 mg，收率49.8%）

¹H NMR (400MHz, CDCl₃): d = 8.32 (br, 1H), 7.50-7.56 (d, J = 8.4 Hz, 2H), 7.40-7.45 (d, J = 8.4 Hz, 2H), 7.30-7.38 (m, 4H), 7.16-722 (m, 1H), 7.07 (s, 1H), 6.94-6.99 (d, J = 16.4 Hz，1H), 6.67-6.73 (d, J = 16.4 Hz, 1H), 6.65 ppm (s, 1H);

¹³C NMR (100MHz , CDCl₃): d = 137.4, 135.3, 131.8, 128.8, 127.7, 127.2, 126.5，126.0, 125.8, 124.1, 118.7, 115.9, 106.9 ppm.

3. 式I-1化合物的合成

4,5-二氢-7-甲氧基-3-苯基苯并[g]吲哚(27.5 mg ，0.1 mmol)溶解在1mL冰醋酸中，在冰浴和磁力搅拌下分批加入亚硝酸钠(6.9 mg ，0.1 mmol)，反应体系自无色渐变成黄色、褐色，再变成棕黄色，搅拌15 min后加入(E) 4-苯基-2-苯乙烯基吡咯（24.5 mg，0.1 mmol）、0.4 mL乙酸酐，体系瞬间变蓝，室温反应0.5 h后，80℃反应0.5 h，TLC检测反应结束。加入大量冰水淬灭，析出固体经过滤，水洗至中性。滤饼用二氯甲烷溶解，通过一短的氧化铝柱过滤，并用二氯甲烷洗涤，将收集到的蓝色染料溶液通过旋蒸去除溶剂，所得固体加入干燥的1,2-二氯乙烷（10 mL）和三乙胺（0.24 mL，1.7 mmol），缓慢滴入三氟化硼乙醚（0.24 mL，1.9 mmol），室温搅拌0.5 h，升温至80℃反应0.5 h，体系转变为黄褐色。倾倒入冰水中，有机层经水洗，无水硫酸钠干燥，柱层析分离（二氯甲烷/石油醚洗脱），并经二氯甲烷/石油醚重结晶，得到有金属铜色泽固体（11.1 mg，收率19.1%）。

¹H NMR (400MHz, CDCl₃): d = 8.82 (d, J = 8.4 Hz，1H), 8.10 (d, J = 7.2 Hz, 2H), 7.65-7.76 (m, 5H), 7.35-7.55 (m, 10H), 7.25 (s, 1H), 7.07 (dd, J = 8.8, 2.4 Hz, 1H), 6.88 (d, J = 2.4 Hz, 1H), 3.95 (s, 3H), 2.98 ppm (s, 4H); ¹³C NMR (100MHz, CDCl₃): d = 162.7, 154.7, 151.3, 147.2, 144.9, 144.4, 140.1, 138.2, 137.5, 136.4, 132.7, 131.9, 130.4, 129.4, 128.8, 128.7, 128.6, 128.4, 128.1, 127.8, 120.0, 119.2, 120.0, 119.2, 114.6, 113.4, 113.2, 55.5, 30.4, 21.7 ppm;

IR (KBr):ν = 3058, 2924, 2840, 1599, 1532, 1360, 1284, 1143, 1063, 1047, 692 cm^-1;

HRMS：(EI) calcd for C₃₇H₂₉BF₂N₃O [M] 计算值 580.2372，实际值580.2366。

其光谱数据见表1。

实施例2

氮杂BODIPY I-2的合成

1. (E)-4-对甲氧苯基-甲基乙烯基酮

使用实施例1中步骤1的方法，用对甲氧基苯甲醛（4.5 g，4.0 mL，33.0 mmol）代替苯甲醛得到白色晶体（4.3 g，收率 74.6%）。

2. (E)-4-对甲氧苯基-2-苯乙烯基吡咯

使用实施例1中步骤2的方法，用(E)-4-对甲氧苯基-甲基乙烯基酮（352 mg，2.0 mmol）代替(E)-4-苯基-甲基乙烯基酮，得到白色片状晶体（342 mg，收率62.2%）。

¹H NMR (400MHz, CDCl₃):d = 8.33 (brs, 1H), 7.50-7.58 (d, 2H), 7.30-7.40 (m，4H), 7.16-7.22 (m, 1H), 7.08 (s，1H), 6.80-6.90 (m，3H), 6.64-6.70 (d, J = 16.4Hz, 1H), 6.60 (s, 1H), 3.80 ppm (s, 3H).

3.氮杂BODIPY I-2

使用实施例1中步骤3的方法，(E)-4-对甲氧苯基-2-苯乙烯基吡咯（27.5 mg，0.1 mmol）代替(E)-4-苯基-2-苯乙烯基吡咯，得到金属铜色泽固体（35.5 mg，收率59.1%）。

¹H NMR (400MHz, CDCl₃): d = 8.77 (d, J = 9.2 Hz, 1H), 8.09 (dd, J = 8.0, 1.6 Hz, 2H), 7.73 (d, J = 6.8 Hz, 2H), 7.64 (d, J = 8.8 Hz, 2H), 7.49 (t, 3H), 7.35-7.45 (m, 5H), 7.22 (s, 1H), 7.05 (dd, J = 8.8, 2.4Hz, 1H), 6.95 (d, J = 8.8 Hz, 2H), 6.86 (d, J = 2.4Hz, 1H), 3.93 (s, 3H), 3.87 (s, 3H), 2.95 ppm (s, 4H); ¹³C NMR (100MHz, CDCl₃): d= 162.3, 161.0, 153.3, 152.5, 146.7, 144.8, 144.5, 138.0, 137.6, 132.7, 132.2, 131.4, 130.4, 129.6, 129.4, 128.7, 128.7, 128.4, 128.3, 128.1, 120.3, 117.1, 114.5, 114.4, 113.6, 113.1, 55.5, 55.4, 30.5, 21.7 ppm;

IR (KBr): ν = 3047, 2941, 2834, 1592, 1509, 1447, 1280, 1253, 1140, 1044, 681 cm^-1;

HRMS (EI) calcd for C₃₈H₃₂BF₂N₃O₂ [M] 计算值610.2454，实际值610.2457。其光谱数据见表1。

实施例3 氮杂BODIPY I-3的合成

1. 3-(对甲氧苯基)-环己-2-烯酮

在氮气保护下，于-78℃及磁力搅拌下将3-乙氧基环己-2-烯酮（1.43 g, 10 mmol）的6 mL乙醚溶液滴加到对甲氧苯基溴化锂中（从2.31 g 对甲氧苯基溴苯和8 mL 1.5 M/L 丁基锂的正己烷溶液于15 mL乙醚中制备），搅拌1.5 h后用10%稀盐酸（8 mL）淬灭，乙醚萃取。有机相用稀NaHCO₃溶液洗涤，水洗后经一短的氧化铝柱过滤并用乙醚洗涤，溶剂旋蒸去除后经乙醚/正己烷重结晶得到淡黄固体1.17 g （57.8%）。

2. 6-（对甲氧基苯基）-3-苯基-4,5-二氢-吲哚

使用实施例1中步骤2的方法，用3-(对甲氧苯基)-环己-2-烯酮（405 mg，2.0 mmol）代替(E)-4-苯基-甲基乙烯基酮，得到淡黄色晶体（463 mg，收率77.1%）

¹H NMR (300 MHz, CDCl₃): d= 8.02 (brs, 1H), 7.50-7.32 (m, 6H), 7.26-7.19 (m, 1H), 6.94-6.86 (m, 3H), 3.83 (s, 3H), 3.06-2.96 (m, 2H), 2.87-2.77 (m, 2H).

3. 氮杂BODIPY I-3

使用实施例1中步骤3的方法，6-（对甲氧基苯基）-3-苯基-4,5-二氢-吲哚（31 mg，0.1 mmol）代替(E)-4-苯基-2-苯乙烯基吡咯，用4,5-二氢-7-叔丁氧羰基甲氧基-3-苯基苯并[g]吲哚（37.6 mg，0.1 mmol）代替4,5-二氢-7-甲氧基-3-苯基苯并[g]吲哚得到金属铜色泽固体（14 mg，收率19.0 %）。

实施例4

氮杂BODIPY I-4的合成

BODIPY I-3（14 mg）在三氟醋酸（0.2 mL）和CH₂Cl₂（2 mL）混合溶液搅拌4 h，硅胶柱色谱分离（CH₂Cl₂/THF/MeOH = 1 : 1 : 0.1）得到氮杂BODIPY I-4。

HRMS (MALDI) Calcd. for C₄₁H₃₂BF₂N₃O₄: 678.2381 (M-H⁺). Found: 678.2375 (100%)。

表1

细胞培养及激光共聚焦成像实验

取0.1mL配制好的1×10^-5mol/L实施例2化合物的氯仿溶液，用氮气流吹干溶剂后，用 0.1mL的二甲基亚砜溶解，用 PBS溶液(18.2%K₂HPO₄、81.8%KH₂PO₄)定容在10mL的容量瓶中待用；U87神经胶质瘤细胞用常规的DMEM培养液（10%胎牛血清，0.2%NaHCO₃水溶液，青霉素100U/mL）调整细胞浓度为1×10⁵mL^-1，置于无菌盖玻片的培养皿中，37℃ 5%CO₂培养箱放置4h，用没有血清的DMPE清洗3次，除去没有贴壁的细胞，获取贴壁的U87神经胶质瘤细胞供实验用。荧光成像前，用PBS缓冲溶液冲洗。实施例2化合物对U87神经胶质瘤细胞的激光共聚焦成像图见图2。由图可见，经化合物染色后，在37℃抚育20分钟的一组细胞呈现出强的荧光，细胞清晰可见。说明此种染料对肿瘤细胞有很好的成像作用。

Claims

1.近红外氮杂-BODIPY染料，其特征在于，其通式如式I所示：

其中， R₁、R₂为氢、羟基、甲氧基、乙氧基、甲氧乙氧基、甲氧羰基甲氧基、乙氧羰基甲氧基、叔丁氧羰基甲氧基、羧基甲氧基、乙酰氧基、N,N-二甲氨基、N,N-二乙氨基、吗啉基、哌啶基或N-甲基哌嗪基；Ar、Ar’为苯基、对氯苯基、对甲氧基苯基或对乙氧基苯基。

2.如权利要求1所述的近红外氮杂-BODIPY染料，其特征在于，其结构式如式I-1、I-2、I-3或I-4所示：

。

3.权利要求1所述的近红外氮杂-BODIPY染料的制备方法，其特征在于，先对不含共轭双键的吡咯分子进行亚硝化，再与含共轭双键的吡咯分子反应制备氮杂二吡咯甲川染料，之后再与BF₃络合即得所述的近红外氮杂-BODIPY染料。

4.如权利要求3所述的近红外氮杂-BODIPY染料的制备方法，其特征在于，不饱和酮在LDA作用下与苯基2-氮环丙烯反应可得到含共轭双键的吡咯，使用4,5-二氢-7-甲氧基-3-苯基苯并[g]吲哚经亚硝化，再与含共轭双键的吡咯在乙酸酐作用下生成的染料与三氟化硼络合得到所述的近红外氮杂-BODIPY染料，所述的不饱和酮为β-芳基取代的烷基乙烯基酮或β-芳基取代的环己烯酮。

5.如权利要求4所述的近红外氮杂-BODIPY染料的制备方法，其特征在于，β-芳基取代的烷基乙烯基酮由芳香醛与甲基酮反应得到。

6.如权利要求4所述的近红外氮杂-BODIPY染料的制备方法，其特征在于，β-芳基取代的环己烯酮由芳基锂与β-甲氧基环己烯酮反应得到。

7.权利要求1所述的近红外氮杂-BODIPY染料在荧光传感器、细胞成像、近红外光动力学治疗方面的应用。