CN104151326B - 一种苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针及其制备方法和应用 - Google Patents

一种苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针，所述荧光探针由如下结构式构成：。本发明还公开了其制备方法和应用。本发明的苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针具有良好的溶解性和灵敏的荧光探针性质，可作为近红外荧光发射的灵敏pH荧光探针和汞离子荧光探针，在荧光开关和传感器、荧光探针、生物标记及荧光成像、有机发光器件等领域具有重要的应用价值。

Description

一种苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及荧光探针技术领域，具体涉及一种苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针及其制备方法和应用。
背景技术
苝二酰亚胺具有很强的近红外发射，量子效率高，荧光性能良好，但其大π共轭平面堆叠，分子间π-π相互作用强，溶解性很差，这使得苝二酰亚胺荧光化合物的应用受到了极大的限制。
通过在苝环湾位和酰胺位修饰取代基，提高苝衍生物的溶解度，调控分子的荧光性能，研究开发高效、近红外发射的苝二酰亚胺类荧光探针受到广泛关注。此类材料可用于制备高效发光器件、荧光分子探针和化学生物传感器。
发明内容
本发明目的是提供一种苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针。
本发明的另一目的是提供上述荧光探针的制备方法。
本发明的再一个目的是提供上述探针作为pH响应荧光探针或汞离子荧光探针的应用。
本发明采用以下技术方案：
一种苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针，所述荧光探针由如下结构式构成：
上述苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、氮气保护下，将1,7-双(4-叔丁基苯基氧基)-3,4,9,10-苝四羧酸二酐、罗丹明-乙基胺和催化剂加入到二甲基甲酰胺中，升温至110℃～120℃，反应1h～2h；其中，罗丹明-乙基胺和1,7-双(4-叔丁基苯基氧基)-3,4,9,10-苝四羧酸二酐的摩尔比为2.4～3.5：1，所述催化剂为咪唑；
步骤二、氮气保护下，将步骤一的反应溶液冷却至室温，之后滴加乙醇，回流升温至110℃～120℃，反应3h～5h；
步骤三、将步骤二的反应溶液蒸馏浓缩、萃取、柱色谱提纯，得到所述苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针。
上述苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针作为pH响应荧光探针或汞离子荧光探针的应用。
本发明的有益效果：
本发明的苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针是由罗丹明荧光团和苝荧光团通过乙二胺连接而成的树形分子，溶解性好，荧光性能优异、可调控。罗丹明稳定性好，荧光量子效率高，在苝环的双侧酰胺位连接罗丹明荧光团，罗丹明-苝复合荧光团组合通过罗丹明的闭环-开环结构互变以及罗丹明与苝环之间的光诱导电子转移和荧光共振能量转移机制灵敏调控分子的荧光性能。同时在苝环湾位修饰对叔丁基苯基氧基取代基，提高化合物的溶解度。本发明的苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针具有良好的溶解性和灵敏的荧光探针性质，可作为近红外荧光发射的灵敏pH荧光探针和汞离子荧光探针，在荧光开关和传感器、荧光探针、生物标记及荧光成像、有机发光器件等领域具有重要的应用价值。
附图说明
图1为Rh-PDI在水/四氢呋喃混合溶液中随pH响应的荧光光谱图。
图2是Rh-PDI在水/四氢呋喃混合溶液中的紫外可见吸收光谱和荧光光谱。
图3是Rh-PDI在水/四氢呋喃混合溶液中荧光强度比值随Hg2+浓度的变化。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。
一种苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针，是由罗丹明荧光团和苝荧光团通过乙二胺连接而成的树形分子，由如下结构式构成：
上述苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针是在氮气保护下以咪唑为催化剂，由1,7-双(4-叔丁基苯基氧基)-3,4,9,10-苝四羧酸二酐与罗丹明-乙基胺通过酸酐氨解反应制备，具体包括如下步骤：
步骤一、氮气保护下，将1,7-双(4-叔丁基苯基氧基)-3,4,9,10-苝四羧酸二酐、罗丹明-乙基胺和催化剂加入到二甲基甲酰胺中，加热回流至催化剂完全溶解，升温至110℃～120℃，反应1h～2h；其中，罗丹明-乙基胺和1,7-双(4-叔丁基苯基氧基)-3,4,9,10-苝四羧酸二酐的摩尔比为2.4～3.5：1，所述催化剂为咪唑；
步骤二、氮气保护下，将步骤一的反应溶液冷却至室温，之后滴加乙醇，回流升温至110℃～120℃，反应3h～5h；
步骤三、将步骤二的反应溶液蒸馏浓缩、萃取、柱色谱提纯，得到所述苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针。
本发明的苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针可作为近红外荧光发射的灵敏pH荧光探针和汞离子荧光探针，在荧光开关和传感器、荧光探针、生物标记及荧光成像、有机发光器件等领域具有重要的应用价值。
实施例1
苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针Rh-PDI的制备
罗丹明-乙基胺(Rh-NH2)按文献方法制备(XuanZhang,YasuhiroShiraishi,TakayukiHirai.Cu(II)-selectivegreenfluorescenceofarhodamine-diaceticacidconjugate.OrganicLetters,2007,9(24),5040)，具体过程如下：氮气保护下，罗丹明B与乙二胺在乙醇中回流15h，得到Rh-NH2。
1,7-双(4-叔丁基苯基氧基)-3,4,9,10-苝四羧酸二酐(PTA)按文献方法由如下步骤制备：
步骤一、按文献方法制备1,7-二溴-3,4,9,10-苝四羧酸二酐(QiuliZhao,ShuangZhang,YiLiu,JuMei,SijieChen,PingLu,AnjunQin,YuguangMa,JingzhiSun,BenzhongTang.Tetraphenylethenyl-modifiedperylenebisimide:aggregation-inducedredemission,electrochemicalpropertiesandorderedmicrostructures.JournalofMaterialsChemistry,2012,22,7387-7394)，具体过程如下：在浓硫酸中苝四羧酸二酐与溴水反应得到1,7-二溴-3,4,9,10-苝四羧酸二酐。
步骤二、参考文献制备1,7-双(4-叔丁基苯基氧基)-3,4,9,10-苝四羧酸二酐(PTA)(JuanjuanSun,MingWang,PingXu,ShuaiZhang,ZhiqiangShi.Synthesisofwater-solubleperylenedicarboximidederivativescontainingpyridineoxidegroups.SyntheticCommunications,2012,42,1472-1479)，具体过程如下：首先由1,7-二溴-3,4,9,10-苝四羧酸二酐与正丁胺反应保护酸酐基团，接着苝环再与对叔丁基苯酚发生芳香取代反应，最后在碱性条件下脱保护，制备得到1,7-双(4-叔丁基苯基氧基)-3,4,9,10-苝四羧酸二酐(PTA)。合成路线如下：
罗丹明B、苝四羧酸二酐和咪唑均为分析纯，从国药集团化学试剂有限公司购买。
由1,7-双(4-叔丁基苯基氧基)-3,4,9,10-苝四羧酸二酐(PTA)与罗丹明-乙基胺(Rh-NH2)按摩尔比1.0:2.5进行酸酐氨解反应，制备苝二酰亚胺-罗丹明荧光分子探针，合成路线如下：
具体步骤如下：氮气保护下，在15mLDMF中加入PTA(0.20g,0.29mmol)，Rh-NH2(0.35g,0.72mmol)和咪唑0.3g，加热回流至咪唑完全溶解，升温至120℃，反应1h。氮气保护下，将上述反应溶液冷却至室温，之后滴加20mL乙醇，回流升温至120℃，反应4h。蒸馏浓缩，萃取，柱色谱提纯，得到苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针(Rh-PDI),熔点>300℃，产率为74.3％。
分析所得化合物Rh-PDI
核磁共振氢谱1HNMR(CDCl3,300MHz)δ:8.53(s，2H)，8.33(d，J＝8.1Hz,2H)，7.72～7.79(m，2H)，7.41～7.43(m，8H)，7.05～7.14(m，4H)，6.96(d，J＝8.4Hz，4H)，6.60～6.61(m,4H)，6.40～6.43(m,4H),6.27～6.28(m，4H)，3.74(t，J＝4.5Hz，4H)，3.52(t，J＝4.8Hz，4H)，3.28(q,J＝6.0Hz，16H)，1.65(s，18H)，1.13(t，J＝6.3Hz，24H)
核磁共振碳谱13CNMR(CDCl3,300MHz)δ:168.45,163.27,155.71,153.34,152.88,147.06,132.81,132.14,128.83,127.88,126.58,123.75,122.96,122.75,120.19,119.58,119.24,44.45,44.31,44.26,44.22,39.44,39.20,34.33,31.69,31.45,29.68,12.55
高分辨质谱HRMS-MALDI-TOFcalcdforC104H101N8O10[M+H]+1621.7641,found1621.7639
获得的化合物结构式为
将实施例1制备的Rh-PDI进行实施例2～4的试验，具体数据和分析如下。其中，水/四氢呋喃混合溶液为水和四氢呋喃按体积比1:9混合。
实施例2
苝二酰亚胺-罗丹明探针Rh-PDI在四氢呋喃中的紫外吸收和荧光性质
Rh-PDI在四氢呋喃中(Rh-PDI的浓度为10-5mol/L)的紫外-可见吸收光谱为双峰结构，最大吸收峰分别为500和530nm。
Rh-PDI在四氢呋喃中的荧光光谱最大波长位于585nm，荧光很弱。此时Rh-PDI中的罗丹明荧光团处于闭环“off”状态，没有荧光；而Rh-PDI中的苝荧光团由于光诱导电子转移导致其荧光淬灭，因而Rh-PDI在四氢呋喃中荧光很弱。
实施例3
苝二酰亚胺-罗丹明探针Rh-PDI对pH灵敏响应
图1为Rh-PDI在水/四氢呋喃混合溶液中随pH响应的荧光光谱图，其中Rh-PDI的浓度为10-5mol/L。当pH大于2.2时，Rh-PDI在水/四氢呋喃混合溶液中荧光淬灭，苝二酰亚胺-罗丹明荧光团处于“off”状态。当pH值小于2.2，在强酸性条件下，Rh-PDI在水/四氢呋喃混合溶液中荧光很强，pH从2.17至1.38，Rh-PDI荧光迅速增强，最大发射峰在552nm，在580nm处的发射峰肩逐渐增强。此时苝二酰亚胺-罗丹明荧光团处于“on”状态。表明Rh-PDI是灵敏的pH响应荧光探针。
随pH响应，探针分子在日光下颜色明显变化，并且在荧光灯下探针分子荧光从无到强的过程清晰可辨。在日光下随着pH值减小，Rh-PDI溶液颜色逐渐变浅。在荧光灯下随着pH值减小，Rh-PDI从没有荧光到荧光明亮。表明Rh-PDI是对强酸灵敏响应的pH荧光探针。
图2是Rh-PDI在水/四氢呋喃混合溶液中的紫外可见吸收光谱和荧光光谱(Rh-PDI的浓度为10-5mol/L，pH值为2.17)。pH值为2.17时，Rh-PDI的紫外-可见吸收光谱为双峰结构，最大吸收峰分别为487和522nm，荧光光谱最大发射波长位于552nm。
实施例4
苝二酰亚胺-罗丹明探针Rh-PDI对Hg2+的识别
图3是Rh-PDI在水/四氢呋喃混合溶液中荧光强度比值随Hg2+浓度的变化，其中，横坐标为Hg2+浓度，纵坐标为不同Hg2+浓度下Rh-PDI荧光强度与空白溶液(Hg2+离子浓度为0)荧光强度比值(Rh-PDI浓度保持不变，均为10-5mol/L)。随Hg2+浓度增加，Rh-PDI荧光强度逐渐增强，Rh-PDI对Hg2+明显识别。表明Rh-PDI可作为Hg2+荧光探针。
本发明的Rh-PDI可溶于有机溶剂及水/四氢呋喃混合溶液。Rh-PDI在四氢呋喃中荧光淬灭。当pH大于2.2时，Rh-PDI在水/四氢呋喃混合溶液中荧光淬灭，苝二酰亚胺-罗丹明荧光团处于“off”状态。当pH值小于2.2，在强酸性条件下，Rh-PDI在水/四氢呋喃混合溶液中荧光明亮，苝二酰亚胺-罗丹明荧光团处于“on”状态，Rh-PDI是灵敏的pH响应荧光探针。Rh-PDI对Hg2+明显识别，随Hg2+浓度增加，Rh-PDI荧光强度逐渐增强，Rh-PDI可作为Hg2+荧光探针。本发明的Rh-PDI具有良好的溶解性和灵敏的荧光探针性质，在荧光开关和传感器、荧光探针、生物标记及荧光成像、有机发光器件等领域具有重要的应用价值。

Claims (3)

1.一种苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针，其特征在于，所述荧光探针由如下结构式构成：
2.权利要求1所述苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、氮气保护下，将1,7-双(4-叔丁基苯基氧基)-3,4,9,10-苝四羧酸二酐、罗丹明-乙基胺和催化剂加入到二甲基甲酰胺中，升温至110℃～120℃，反应1h～2h；其中，罗丹明-乙基胺和1,7-双(4-叔丁基苯基氧基)-3,4,9,10-苝四羧酸二酐的摩尔比为2.4～3.5：1，所述催化剂为咪唑；所述的罗丹明-乙基胺的结构式为：
步骤二、氮气保护下，将步骤一的反应溶液冷却至室温，之后滴加乙醇，回流升温至110℃～120℃，反应3h～5h；
步骤三、将步骤二的反应溶液蒸馏浓缩、萃取、柱色谱提纯，得到所述苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针。
3.权利要求1所述苝二酰亚胺-罗丹明荧光探针作为pH响应荧光探针或汞离子荧光探针的应用。
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