CN102617652A - 具有双光子吸收特性的双核磷光铱配合物及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一类具有双光子吸收特性的双核铱配合物磷光材料，它是以芳香双炔作为连接基团，将两个含米基硼的离子型铱配合物连接在一起形成的双核铱配合物。本发明的化合物具有730-840nm波段较强双光子吸收和强的上转换磷光发射的优异光学性能。具有较高的双光子吸收截面，并可以用于双光子离子探针、细胞成像和生物传感。本发明的化合物在双光子激发诱导的氟离子探针、时间分辨成像、双光子荧光显微成像和生物荧光传感器领域具有重要的应用前景。

Description

具有双光子吸收特性的双核磷光铱配合物及其应用

技术领域

本发明涉及一类双核铱配合物磷光材料，具体是以芳香双炔作为连接基团，将两个离子型铱配合物连接在一起形成的化合物，其具有较强的双光子吸收性能，并具有上转换的磷光发射。

背景技术

双光子吸收是指在强光激发下，介质分子同时吸收两个光子，从基态跃迁到两倍光子能量的激发态的过程。荧光显微成像是研究活体生物的重要工具，而最通常的细胞成像方法则是使用单光子激发荧光团的单光子显微成像。近红外光源激发的双光子荧光探针克服了单光子荧光探针的光漂白与光致毒而更适于生物检测与成像，为生命科学研究提供了更为锐利的工具。近年来，有机双光子吸收材料在诸多领域，尤其是双光子荧光显微和成像中的应用得到了广泛的关注。设计和合成双光子吸收截面大和上转换荧光强的有机分子能大大促进双光子荧光显微成像在生物系统中的应用。

通过对强双光子吸收材料调研可以发现，当前人们对于强双光子吸收材料的研究已经不仅仅限于有机分子，配位化合物的双光子吸收和荧光性质引起了越来越多研究者的兴趣。目前文献上报道较多的配合物体系有三类：第一类是三氟化硼与β-二酮形成的配合物；第二类是由多齿氮氧配体与稀土金属离子形成的配合物；第三类是由多齿氮氧配体与过渡金属离子形成的配合物以及卟啉和酞菁之类的芳香性大环配体与金属离子形成的配合物。

近年来，具有磷光发射的重金属配合物具有优异的光物理性质，已被成功的应用于电致发光领域。另外，与有机发光材料相比，磷光重金属配合物具有发光效率高、斯托克斯位移大、发射寿命长等独特的光物理性质。这些性质对于其在离子传感和生物成像领域具有很好的应用前景。目前为止，基于磷光重金属配合物的双光子材料的研究还比较少，仅有的几篇报道中，其材料的发光效率和双光子吸收截面比较小，限制了其在双光子成像领域的应用。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种具有较强双光子吸收特性的磷光双核铱配合物，其应具有较高的双光子吸收截面，并可以用于双光子离子探针、细胞成像和生物传感。

技术方案：本发明的一种具有双光子吸收特性的双核磷光铱配合物，为分子式如下所示的寡聚物：

其中，

为下列基团中的一个，

其中，

为下列基团中的一个，

其中，其中R₁-R₅为具有1至32个碳原子的直链、支链或者环状烷基链，相同或者不同。

该方法的合成路线如下：

具体是通过Sonogashira偶联反应制备得到芳香基取代的N^N配体，Sonogashira偶联反应的反应条件为Ph(PPh3)4/CuI/THF/NEt2；通过

缩合反应得到溴取代的苯喹啉，再在丁基锂(n-BuLi)/-78℃/四氢呋喃(THF)反应条件下制备得到含有米基硼单元的C^N配体；然后通过配位反应制备得到相应的配合物。

所述的具有双光子吸收特性的双核磷光铱配合物的应用，用于单光子或双光子激发诱导的氟离子探针。

所述的具有双光子吸收特性的双核磷光铱配合物的应用，用于生物成像和荧光传感器领域。

有益效果：本发明的双核磷光铱配合物在溶液中具有强的磷光发射，在溶液中730-840nm的飞秒钛宝石激光器激发下，可获得强上转换磷光发射；

本发明的双核磷光铱配合物在溶液中双光子吸收截面最大可达到481 GM(以香豆素作为参比)。

基于以上优点，本发明的双核磷光铱配合物在双光子激发诱导的氟离子探针、时间分辨成像、双光子荧光显微成像和生物荧光传感器领域具有重要的应用前景。

附图说明

图1.实施例1中化合物(dL)的单光子和双光子激发的光谱图。

图2.实施例2中化合物(dIr)的单光子和双光子激发的光谱图。

图3.实施例1和实施例2中两种化合物(dL和dIr)的双光子吸收光谱图。

图4.实施例2中化合物(dIr)的双光子激发诱导下的PL谱对氟离子的响应图。

图5.实施例2中化合物(dIr)的选择性测试。

具体实施方式

本发明的具有较强双光子吸收特性的磷光双核铱配合物，它是以芳香双炔作为连接基团，将两个离子型铱配合物连接在一起形成的双核铱配合物，其通式为：

其中，

为下列基团中的一个，

为下列基团中的一个，

R₁-R₅为具有1至32个碳原子的直链、支链或者环状烷基链，相同或者不同。

上述技术方案中，联吡啶具有吸电子能力和电子传输特性，

具有给电子能力和空穴传输特性，当

为下列基团中的一个时，

也具有给电子能力和空穴传输特性，配合物的N^N配体是具有D-A-D-π-D-π-A-D或A-D-π-D-π-A结构特征的对称型共轭材料。因此配合物的N^N配体具有良好的双光子吸收特性。另外，由于重金属原子的存在，使其整体发射呈现磷光特征。

此外，该类配合物磷光材料的特征在于配体中的米基硼单元对氟离子有强的结合能力和选择性。在配合物溶液中不断加入氟离子，可以导致配合物的激发态性质改变，从而引起其吸收光谱和发射光谱的变化，实现了单双光子激发诱导下的磷光氟离子传感。

为了更好地理解本发明专利的内容，下面通过具体的实例来进一步说明本发明的技术方案，具体包括合成、性质测定。但这些实施实例并不限制本发明。

实施例1、当

时配体的制备：

本实施例获得的化合物的分子式：

化合物1：5，5’-二溴-2，2’-联吡啶的制备

称取2，5-二溴吡啶(2.0g，8.7mmol)和四(三苯基磷钯)(0.2g，0.2mmol)加入到两颈瓶中，并对反应装置采取避光措施，然后在双排管上抽真空-充氮气-抽真空，循环三次，再用氮气保护反应体系。用注射器将经过蒸馏、并用氮气鼓泡除氧的对二甲苯(70mL)注入到反应体系中，然后再注入六正丁基二锡烷(2.46mL)。将反应温度升至130℃，搅拌反应3天。原料反应完全后，将反应温度降至室温，然后将反应混合物倒入EDTA的饱和水溶液(约250mL)中，室温下搅拌约30分钟，停止搅拌后混合物会分为油、水两相。将有机相分离出来，水相用氯仿萃取(3×100mL)，再用饱和食盐水洗两次。所得到的有机溶液用无水Na SO 24干燥完全后，过滤除去无机盐固体，并用旋转蒸发仪除去溶剂。用二氯甲烷对粗产物进行重结晶提纯，得到白色针状晶体(0.98g，65％)。¹H NMR(400MHz，CDCl₃)：δ(ppm)＝7.91(dd，J＝8.4，J＝2.4Hz，2H)，8.26(d，J＝8.4Hz，2H)，8.68(d，J＝2Hz，2H)。

化合物2：N^N配体前驱体(CzbpyBr)的制备

称取5，5’-二溴-2，2’-联吡啶(2.2g，6.9mmol)、9-己基咔唑-3-硼酸(1.0g，2.3mmol)和Pd(PPh₃)₄(0.05g，0.04mmol)加入到两颈瓶中，并对反应装置采取避光措施，然后在双排管上抽真空-充氮气-抽真空，循环三次，最后用氮气保护反应体系。将2M的碳酸钠水溶液(2.5mL)、甲苯(5.0mL)及乙醇(2.5mL)分别用氮气鼓泡除氧后，用注射器注入到反应体系中。升温至70℃，搅拌反应36小时。然后，将反应体系冷却至室温并倒入大量水中，用CH₂Cl₂萃取。萃取液用饱和食盐水洗后再用无水Na₂SO₄干燥。干燥后过滤除去无机盐固体，将所得滤液用旋转蒸发仪低压下除去溶剂。残余物用硅胶柱层析提纯，以石油醚/二氯甲烷作为洗脱液。最后用正己烷/二氯甲烷作溶剂进行重结晶纯化，得淡黄色片状晶体(0.68g，61％)。¹HNMR(400MHz，CDCl₃，298K)：δ＝9.03(d，J＝2.1，1H)，8.75(d，J＝2.3，1H)，8.46(d，J＝8.3，0H)，8.38(d，J＝8.2，2H)，8.15(m，2H)，7.96(dd，J＝8.5，2.3，1H)，7.76(dd，J＝8.5，1.7，1H)，7.51(m，2H)，7.44(d，J＝8.1，1H)，7.29(d，J＝7.2，1H)，4.34(t，J＝7.2，2H)，1.89(m，2H)，1.35(m，6H)，0.88(t，J＝7.0，3H)。

化合物3：对溴苯喹啉(Brpq)的制备

7.8mmol邻氨基苯甲醛和7.8mmol对溴苯乙酮，加入到30ml绝对乙醇中，再加入饱和NaOH乙醇溶液。加热反应混合物，并回流过夜后，冷却过滤，所得粗产物用CH₂Cl₂进行重结晶，得到白色针状晶体，产率70％。¹H NMR：(400MHz，CDCl₃)，δ(ppm)：8.23(d，1H)，9.13(d，1H)，8.04(d，2H)，7.82-7.85(m，2H)，7.73(t，1H)，7.64(d，2H)，7.54(t，1H)。

化合物4：含米基硼的C^N配体(Bpq)的制备

将所有的玻璃仪器在140℃干燥5小时，然后趁热装配，通高纯氮气使其冷却。将Brpq(0.500g，1.76mmol)和18mL THF加入到50ml反应瓶中。用干冰-丙酮浴将反应体系降温至-78℃，用注射器加入1.32mL 1.6M正丁基锂的正己烷溶液。-78℃搅拌约1小时，氮气保护下用注射器将0.566g二米基氟化硼(Mes₂BF)(2.11mmol)的THF溶液迅速注入到反应瓶中。磁力搅拌下自然升至室温并继续反应18小时。上述反应过程均在干燥的氮气保护下进行。反应结束后，将混合物小心倒入50ml蒸馏水中水解，用二氯甲烷萃取三次，无水硫酸钠干燥后，浓缩，经重结晶提纯，得到目标化合物Bpq，产率65％。¹H NMR：(400MHz，CDCl₃)，δ(ppm)：8.13-8.25(m，4H)，7.54-7.93(m，6H)，6.85(s，4H)，2.33(s，6H)，2.05(s，12H)。

化合物5：含有双N^N配位点的配体(dL)的制备

称取CzbpyBr(0.50g，1mmol)，2，7-二炔-9，9’-二辛基芴(0.39g，0.91mmol)和Pd(PPh₃)₄(0.05g，0.04mmol)加入到两颈瓶中，然后在双排管上抽真空-充氮气-抽真空，循环三次，最后用氮气保护反应体系。注入THF溶剂。加热至回流，搅拌反应过夜。然后，将反应体系冷却至室温并倒入大量水中，用CH₂Cl₂萃取。萃取液用饱和食盐水洗后再用无水Na₂SO₄干燥。干燥后过滤除去无机盐固体，将所得滤液用旋转蒸发仪低压下除去溶剂。残余物用短硅胶柱层析提纯，以石油醚/乙酸乙酯作为为洗脱液。最后用正己烷/二氯甲烷作溶剂进行重结晶纯化，得黄色片状晶体(0.6g，55％)。¹HNMR(400MHz，CDCl₃，298K)：δ＝9.08(d，J＝2.3Hz，2H)，8.89(d，J＝2.0Hz，2H)，8.53(m，4H)，8.40(d，J＝1.7Hz，2H)，8.17(dd，J＝11.2，5.2Hz，4H)，8.01(dd，J＝8.2，2.2Hz，2H)，7.77(m，4H)，7.54(m，10H)，7.29(t，J＝7.3Hz，2H)，4.36(t，J＝7.3Hz，4H)，2.03(m，4H)，1.92(m，4H)，1.30(m，32H)，0.88(t，J＝7.0Hz，6H)，0.83(t，.J＝7.1Hz，6H)，0.65(m，4H)。

实施例2、当

时，配合物(dIr)的制备：

本实施例获得的化合物的分子式：

称取IrCl₃·3H₂O(5.52mmol)和环金属化Bpq(11.04mmol)加入到双颈瓶中，在双排管上抽真空-充氮气-抽真空，循环三次，最后用氮气保护反应体系。用注射器注入2-乙氧基乙醇和水的混合物(3∶1，v/v)后，将反应混合物加热至110℃，搅拌反应约24小时，有沉淀生成。反应停止后将反应混合物降至室温，过滤得到沉淀。所得沉淀分别用水、乙醇洗，得到红色固体铱二氯桥化合物(C^N)₂Ir(μ-Cl)₂Ir(C^N)₂。称取铱二氯桥化合物(0.40mmol)和相应的N^N配体dL(0.32mmol)加入到双颈瓶中，再加入CH₂Cl₂和甲醇的混合溶剂(2∶1，v/v)15mL，然后开始搅拌，并升温至回流。反应约4小时后，降至室温，加入5倍当量的六氟磷酸钾(KPF₆)，继续搅拌约1小时后，用旋转蒸发仪除去溶剂，将所得固体混合物再溶于约10mL的CH₂Cl₂中，将不溶物过滤除去，在滤液上加上一层乙醚，静置过夜，析出的红色晶体即为产物。¹H NMR(400MHz，CDCl₃)：δ＝8.54(d，J＝1.6Hz，2H)，8.45(dd，J＝17.0，8.7Hz，4H)，8.34(m，2H)，8.21(d，J＝1.6Hz，2H)，8.16(dd，J＝8.4，1.8Hz，2H)，7.99(m，16H)，7.77(d，J＝8.4Hz，2H)，7.55(m，24H)，7.33(m，12H)，7.18(d，J＝8.9Hz，2H)，6.52(s，16H)，6.46(s，2H)，6.26(s，2H)，4.34(t，J＝7.1Hz，4H)，2.26(d，J＝14.6Hz，24H)，2.05(m，4H)，1.89(m，4H)，1.68(d，J＝21.1Hz，48H)，1.26(m，32H)，0.88(m，12H)，0.61(m，4H)；元素分析理论值(C₂₂₁H₂₁₆N₁₀B₄F₁₂Ir₂P₂)：C，71.17；H，5.84；N，3.75；元素分析实验值：C，69.31；H，6.18；N，3.58。

实施例3、双光子激发诱导下，实施例2中的配合物溶液中对F^-的响应性实验

配置10μM的配合物溶液(THF或二氯甲烷作溶剂)，移取2.5mL配合物溶液于荧光比色皿中，逐渐滴加5×10^-2mol/L F^-溶液(THF作溶剂)2μl直至达到平衡(即光谱不再明显变化)，分别测得不加F^-和滴加不同含量的F^-的双光子激发下的光致发光谱图，如图4所示。测试数据表明：随着F^-的加入基于铱配合物的橙红光发射逐渐减弱，最终接近于猝灭。

实施例4、选择性实验

配置20μM的配合物溶液(THF或二氯甲烷作溶剂)，移取7份2.5mL配合物溶液于荧光比色皿中，分别加入8个当量的不同阴离子(F^-、Cl^-、Br^-、I^-、NO₃ ^-、ClO₄ ^-、H₂PO₄ ^-、CH₃COO^-)的乙腈溶液，测试其PL光谱(如图5所示)。测试数据表明：加入过量其它阴离子，发射光谱没有明显变化或变化很小，说明配合物对F^-具有高的选择性。

Claims (4)

1.一种具有双光子吸收特性的双核磷光铱配合物，其特征在于该铱配合物为分子式如下所示的寡聚物：

其中，为下列基团中的一个，

其中，

为下列基团中的一个，

其中，其中R₁-R₅为具有1至32个碳原子的直链、支链或者环状烷基链，相同或者不同。

2.一种如权利要求1所述的具有双光子吸收特性的双核磷光铱配合物的制备方法，其特征在于该方法的合成路线如下：

具体是通过Sonogashira偶联反应制备得到芳香基取代的N^N配体，Sonogashira偶联反应的反应条件为Ph(PPh₃)₄/CuI/THF/NEt₂；通过

缩合反应得到溴取代的苯喹啉，再在丁基锂(n-BuLi)/-78℃/四氢呋喃(THF)反应条件下制备得到含有米基硼单元的C^N配体；然后通过配位反应制备得到相应的配合物。

3.一种如权利要求1所述的具有双光子吸收特性的双核磷光铱配合物的应用，其特征在于该材料用于单光子或双光子激发诱导的氟离子探针。

4.一种如权利要求1所述的具有双光子吸收特性的双核磷光铱配合物的应用，其特征在于该材料用于生物成像和荧光传感器领域。

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