CN103980885A

CN103980885A - 一种新型的pH响应荧光分子探针及其制备方法

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Publication number: CN103980885A
Application number: CN201410229607.7A
Authority: CN
Inventors: 顾玮瑾; 江玉亮; 宋香云; 王炳祥
Original assignee: Nanjing Normal University
Current assignee: Nanjing Normal University
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2034-05-27
Also published as: CN103980885B

Abstract

本发明涉及一种化学名称为5-(2-苯基吡咯并[2,1,5-cd]中氮茚-5-基)-1,3,4-噁二唑-2-硫酚的pH响应荧光分子探针、制备方法及其用途，所述制备方法首次采用巯基为识别基团、中氮茚类基团为信号基团而成功制备得到上述化合物。该荧光探针分子实现了对不同pH值下H⁺的灵敏识别，丰富了pH响应荧光分子探针的种类，开拓了巯基官能团的新用途，具有十分广泛的工业化应用前景，也为科学研究提供了重要的参考价值。

Description

一种新型的pH响应荧光分子探针及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型的pH响应荧光分子探针、制备方法及其用途，更具体地涉及一种化学名称为5-(2-苯基吡咯并[2,1,5-cd]中氮茚-5-基)-134-二唑-2-硫酚的pH响应荧光分子探针、制备方法及其用途，属于有机分析和光化学领域。

背景技术

pH是影响物质的理化性质及反应性能的一个重要参数，其具有重要的生物学意义。目前最广泛使用的pH测量方法就是pH比色指示剂和玻璃电极。自发现石蕊试液具有随着pH值变化发生颜色变化的特性依赖，各种酸碱指示剂得到了广泛的应用，但是该方法也存在缺陷，即无法用于生命体内进行活体细胞造影，而且比色法的灵敏度较低，无法检测到细胞中0.10-0.20个单位的pH变化。玻璃电极虽然灵敏，但是用于较小的细胞检测时会有电流干扰以及机械损伤，因此玻璃电极同样不适用于细胞内pH检测和细胞成像，且在极端pH值检测时误差较明显。相比以上两种检测方法，基于质子化或去质子化的荧光探针的光学检测方法则不具有上述问题，其不仅便于荧光显微学研究，而且可实时监测pH值的动态分布和区域变化。因此，开发新型用于pH准确测量的荧光探针成为当代分子荧光识别领域的一个研究热点。

基于不同识别基团的pH荧光探针，其识别机理主要是由于识别基团上含有电负性大的原子或易解离的基团(如氨基、羟基、羧基等)，通过质子化或去质子化作用导致发光信号的改变而实现检测的。现有技术中已存在多种pH响应荧光分子探针的制备，作为例举性的有如下几种：

CN101424641A的专利申请报道了一种基于氟硼荧染料的强酸型pH荧光探针，其结构式如下。该探针分子可适用于强酸型环境，解决了现有检测pH的荧光探针在强酸性环境下效果不理想的问题。

CN103320120A的专利申请公开了一种含半胱酸乙酯结构的罗丹明B类靶向溶酶体pH荧光探针，其结构式如下。该探针在中性和碱性条件下无荧光，而随pH的降低(pH＝4)荧光强度则逐渐达到最大值，且具有良好的抗干扰能力和可逆性。

尽管如此，上述现有技术报道的探针分子所采用的识别基团却仅仅涉及易解离的胺基、羧基等类似基团。由于巯基(-SH)含有活泼氢，是细胞中化学活性最高的基团；同时，含有1,3,4-二唑-2-巯基官能团的化合物多数用作合成药物的中间体或用于合成有电致发光性能的有机金属配合物，而并没有被开发为pH荧光探针的相关报道。此外，巯基上活泼氢的去质子化可导致含有该官能团的化合物共轭结构的变化，从而改变其光学性能而有望成为荧光探针的识别基团。

基于上述理解，本发明人在大量文献调研的基础上，旨在通过特定的识别基团、信号基团和连接基团的筛选及分子结构和位置关系的设计而开发出一种对H⁺具有良好识别效果的新型pH荧光分子探针。

发明内容

为了克服上述所指出的诸多缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而开发出一种新型的pH响应荧光分子探针、制备方法及其用途，进而完成了本发明。

具体而言，本发明的技术方案和内容涉及三个方面：

第一方面，本发明的技术方案和内容涉及一种化学名称为5-(2-苯基吡咯并[2,1,5-cd]中氮茚-5-基)-1,3,4-二唑-2-硫酚的pH响应荧光分子探针，其结构如下式(I)所示：

第二方面，本发明的技术方案和内容涉及一种上述化学名称为5-(2-苯基吡咯并[2,1,5-cd]中氮茚-5-基)-1,3,4-二唑-2-硫酚的pH响应荧光分子探针的制备方法，所述方法为：在碱的存在下，下式(II)化合物与CS₂在溶剂中反应，从而得到式(I)化合物，如下反应式所示：

在本发明的所述制备方法中，所述碱可为KOH、NaOH、Na₂CO₃、K₂CO₃、Cs₂CO₃中的任意一种。

在本发明的所述制备方法中，所述式(II)化合物和碱的摩尔比为1:2-4，例如可为1:2、1:2.5、1:3、1:3.5或1:4，优选为1:3。

在本发明的所述制备方法中，所述式(II)化合物和溶剂的摩尔体积比为1:15-30mol/L，即每一升(L)溶剂中加入15-30mol式(II)化合物，例如可为1:15mol/L、1:16mol/L、1:17mol/L、1:18mol/L、1:19mol/L、1:20mol/L、1:21mol/L、1:22mol/L、1:23mol/L、1:24mol/L、1:25mol/L、1:26mol/L、1:27mol/L、1:28mol/L、1:29mol/L或1:30mol/L。

在本发明的所述制备方法中，所述溶剂并无特别的限制，例如可为有机溶剂如苯、甲苯、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、乙腈、苯甲醚、二氧六环、二氯乙烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、正己烷、四氢呋喃(THF)、乙醚、醇类等中的一种或多种，或任意一种或多种与水的组合。

其中所述醇类例如为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丁醇、戊醇、己醇、乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇或1,5-戊二醇中的任意一种。

在本发明的所述制备方法中，所述溶剂优选为有机溶剂与水的混合物，其中有机溶剂与水的体积比为5-15:1，例如可为5:1、10:1或15:1。

在本发明的所述制备方法中，所述溶剂更优选为醇类溶剂和水的混合物，所述醇类溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丁醇、戊醇、己醇、乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇或1,5-戊二醇中的任意一种或其组合，其中醇类溶剂与水的体积比为5-15:1，例如可为5:1、10:1或15:1。

在本发明的所述制备方法中，所述式(II)化合物和CS₂的摩尔比为1:3-7，非限定性地例如1:3、1:3.5、1:4、1:4.5、1:5、1:5.5、1:6、1:6.5或1:7。

在本发明的所述制备方法中，反应温度为50℃-回流温度，优选为60℃-回流温度，更优选在回流温度下进行。

在本发明的所述制备方法中，反应时间无特别的限制，其可通过TLC薄层色谱而监测反应终点，例如可为5-24h，非限定性地可为5h、6h、7h、8h、9h、10h、11h、12h、13h、14h、15h、16h、17h、18h、19h、20h、21h、22h、23h或24h，优选为8-18h。

在本发明的所述制备方法中，反应结束后的后处理并无特别的限定，本领域技术人员可依据物料理化性质采用常规的分离手段实现目标产物的分离。在本发明中采用将反应液倒入水中，用酸调节pH，析出固体后抽滤、重结晶的方式获得产物。

第三方面，本发明的技术方案和内容涉及所述的式(I)化合物用于荧光分析或检测领域的用途。所述式(I)化合物可用作荧光探针分子，可实现对不同pH下对H⁺的识别，从而丰富了pH响应荧光分子探针的种类，开拓了巯基官能团的新用途，为有机分析和光化学提供了新型的探针分子。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、首次实现了以巯基为识别基团、以中氮茚类基团为信号基团而制备了新型pH响应荧光分子探针，开拓了巯基类官能团的新用途；

2、采用新型荧光分子探针实现了在pH2.19-7.21酸度范围内敏锐识别H⁺的能力，克服了酸碱性环境的影响；

3、为分析检测和光化学检测提供了一种新型pH响应荧光分子探针，具有广泛的工业应用前景和科研价值。

附图说明

图1是不同pH下本发明所述式(I)化合物的荧光发射光谱图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明，但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。

实施例1

向反应瓶中加入1mmol式(II)化合物、3mmol的KOH、20mL乙醇和2mL水，搅拌，并加热回流至澄清透明；然后加入4.9mmol的CS₂，继续加热回流，TLC追踪。反应10h后冷却，倒入200mL水中，用质量百分浓度为10％的盐酸调pH至5-6，析出大量固体，抽滤，滤饼用乙酸乙酯重结晶，得到式(I)化合物为黄色固体，收率81.3％。

实施例2

向反应瓶中加入1mmol式(II)化合物、2mmol的KOH、15mL乙醇和1mL水，搅拌，并加热回流至澄清透明；然后加入4mmol的CS₂，继续加热回流，TLC追踪。反应12h后冷却，倒入200mL水中，用质量百分浓度为10％的盐酸调pH至5-6，析出大量固体，抽滤，滤饼用乙酸乙酯重结晶，得到式(I)化合物为黄色固体，收率78.6％。

实施例3

向反应瓶中加入1mmol式(II)化合物、4mmol的KOH、25mL乙醇和2.5mL水，搅拌，并加热回流至澄清透明；然后加入7mmol的CS₂，继续加热回流，TLC追踪。反应10h后冷却，倒入200mL水中，用质量百分浓度为10％的盐酸调pH至5-6，析出大量固体，抽滤，滤饼用乙酸乙酯重结晶，得到式(I)化合物为黄色固体，收率77.4％。

实施例4

向反应瓶中加入1mmol式(II)化合物、3mmol的KOH、25mL乙醇和5mL水，搅拌，并加热回流至澄清透明；然后加入3.5mmol的CS₂，继续加热回流，TLC追踪。反应15h后冷却，倒入200mL水中，用质量百分浓度为10％的盐酸调pH至5-6，析出大量固体，抽滤，滤饼用乙酸乙酯重结晶，得到式(I)化合物为黄色固体，收率76.1％。

实施例5-8

除将碱KOH替换为如下的种类外，以与实施例1-4相同的方式而分别实施了实施例5-8，组分与实验结果的对应关系如下表1所示。

表1

实施例9-12

除将有机溶剂乙醇替换为如下的种类外，以与实施例1-4相同的方式而分别实施了实施例9-12，组分与实验结果的对应关系如下表2所示。

表2

性能测试

下面对实施例1-12所制备得到的荧光分子探针进行表征和性能测试。

1、化合物的结构确认

实验仪器：X-4显微熔点测定仪；Bruker公司ACF-400型核磁共振仪，DMSO-d₆为溶剂，TMS为内标；双聚焦VG-ZAB-HS型质谱仪；Perkin-Elmer240C型元素分析仪。

经仪器检测确定实施例1-12所制备得到的化合物均为相同的产物，即本发明式(I)结构的目标化合物，其各结构确认参数分别如下所示：

熔点：275-278℃。

核磁共振氢谱：¹H-NMR(400MHZ,DMSO-d₆)：7.44(t,J＝7.2Hz,1H),7.55(t,J＝7.6Hz,2H),7.95(s,1H),8.00(t,J＝7.6Hz,1H),8.20(q,J＝7.6Hz,3H),8.30(d,J＝8Hz,1H),8.59(s,1H),14.73(s,1H)。

元素分析：C,68.34；H,3.90；N,13.66。(计算值：C,68.12；H,3.49；N,13.24)。

质谱(EMI-MS)：318.30(计算值：317.06)。

2、式(I)化合物的pH荧光响应能力测试

实验仪器：Varian公司Cary5000紫外-可见光谱仪和Cary Eclipse荧光分析仪；SJ-4A型pH计。

实验步骤：

称取0.05mmol的式(I)化合物，溶于DMSO/H₂O(v/v＝4/1)溶液中，制成50mL浓度为1mmol/L的储备液待用。分别取1mmol/L的储备液0.25mL，滴加不同体积的HCl和NaOH水溶液，调节至不同pH并稀释至10mL，最后混合溶液浓度均为25μM。溶液配制完毕经充分混合后先用pH计测量溶液pH值，各组溶液的pH值分别为2.19、3.21、4.58、5.33、6.12和7.21，然后于室温下移取不同pH的探针分子溶液各3mL至石英比色皿中，分别测定其荧光光谱和紫外-可见吸收光谱。

实验结果：

①式(I)化合物的紫外-可见光谱最大吸收波长为430nm，荧光最大激发波长为334nm，荧光最大发射波长为455nm。

②不同pH下的荧光发射光谱图参见图1，从图1中可以看出，式(I)化合物在强酸性条件下荧光强度较弱，随着pH的升高，荧光强度逐渐增强，其中pH＝7.21处的荧光强度是pH＝2.19处的约4倍，且荧光最大发射峰位移无明显变化，均处于455nm左右。

③探针分子的荧光量子产率利用慈云祥法以1.0μg/mL硫酸奎宁的0.1mol/L硫酸溶液(φ_fstd＝0.55)为标准物质，选取探针样品溶液与标准溶液吸收曲线相交点所对应的波长为测量探针和标准物的荧光发射光谱时的激发波长。该波长需要满足下列两个条件：在300-400nm之间；所对应的吸光度值A≤0.05。由于吸收曲线与浓度有密切的关系，配制了不同浓度的样品溶液(DMSO/H₂O＝4/1,v/v)，通过紫外光谱的测定，最后采用1.0×10^-6mol/L的样品溶液来测定其荧光量子产率。

测量结果按下式计算荧光量子产率：

φ_{fx} = \frac{{n^{2}}_{x}}{{n^{2}}_{std}} \times \frac{F_{x}}{F_{std}} \times \frac{A_{std}}{A_{x}} \times φ_{fstd}

其中，下标x与std分别代表样品与标准物，n表示溶液的折射率，F表示荧光积分面积，A表示吸光度。n_x近似地采用所用溶剂的折射率值，n_std采用文献值1.3370。本发明采用的慈云祥法测量荧光量子效率是一种简化的方法：选择吸收光谱中样品溶液与标准溶液吸收曲线交点所对应的波长作为激发样品和标准物质的波长(当交点不只一个时，尽量选择曲线平滑处的交点)，吸光度A可以从公式中消去，减小了测量的误差。

经过上述计算，以硫酸奎宁为基准物质，测量得到式(I)化合物的荧光量子效率为0.9320。

综上所述，本发明人付出了大量的创造性劳动而开发了一种新型pH响应荧光分子探针，其首次采用巯基为信号基团、中氮茚类基团为信号基团而成功制备得到5-(2-苯基吡咯并[2,1,5-cd]中氮茚-5-基)-1,3,4-二唑-2-硫酚，即式(I)化合物。该荧光探针分子实现了对不同pH下对H⁺的识别，丰富了pH响应荧光分子探针的种类，开拓了巯基官能团的新用途，为有机分析和光化学提供了新型的探针分子，具有十分重要的研究参考价值。

应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims

1.一种化学名称为5-(2-苯基吡咯并[2,1,5-cd]中氮茚-5-基)-1,3,4-二唑-2-硫酚的pH响应荧光分子探针，其结构如下式(I)所示：

2.一种权利要求1所述式(I)化合物的制备方法，所述方法为：在碱的存在下，下式(II)化合物与CS₂在溶剂中反应，得到式(I)化合物，反应式如下所示：

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述碱为KOH、NaOH、Na₂CO₃、K₂CO₃、Cs₂CO₃中的任意一种。

4.如权利要求2-3任一项所述的制备方法，其特征在于：所述式(II)化合物和碱的摩尔比为1:2-4。

5.如权利要求2-4任一项所述的制备方法，其特征在于：所述式(II)化合物和溶剂的摩尔体积比为1:15-30mol/L。

6.如权利要求2-5任一项所述的制备方法，其特征在于：所述式(II)化合物和CS₂的摩尔比为1:3-7。

7.如权利要求2-6任一项所述的制备方法，其特征在于：所述溶剂优选为有机溶剂与水的混合物，其中有机溶剂与水的体积比为5-15:1。

8.如权利要求2-7任一项所述的制备方法，其特征在于：所述溶剂更优选为醇类溶剂和水的混合物，所述醇类溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丁醇、戊醇、己醇、乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇或1,5-戊二醇中的任意一种或其组合，其中醇类溶剂与水的体积比为5-15:1。

9.如权利要求2-8任一项所述的制备方法，其特征在于：反应温度为50℃-回流温度。

10.权利要求1所述的式(I)化合物用于荧光分析或检测领域的用途。