CN110272637B - 一种耐酸性光控荧光分子开关及其合成方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种耐酸性光控荧光分子开关及其合成方法和应用,该分子开关具体分子结构以3‑伯胺或仲胺取代的罗丹明螺酰胺为基本结构单元,其结构式如(1)所示。本发明的耐酸性光控荧光分子开关应用在超分辨荧光成像、分子探针、荧光传感及其他领域。本发明的3‑伯胺或仲胺取代罗丹明螺酰胺不仅具有耐酸的性能,而且保留了光控分子开关性能。因此这类耐酸性光控荧光分子开关可以应用于基于单分子定位的超分辨成像技术中,且不受生物环境中pH的干扰。此外,本发明的耐酸光控荧光分子开关还可以作为分子荧光探针应用于传感及检测领域。
Description
技术领域
本发明属于分子开关领域,具体涉及一种耐酸性光控荧光分子开关及其合成方法和应用。
背景技术
近年来发展出一系列超高分辨率荧光成像技术,其中基于单分子定位的光激活定位显微技术(PLAM)和随机光学重构显微技术(STORM或dSTORM)使光学显微镜的空间分辨达到了前所未有的高度(20nm)。目前超分辨显微成像技术已经被广泛应用到生命科学研究中,然而尽管超分辨显微成像技术取得了巨大的进步,将荧光显微镜的空间分辨率推进到了20纳米,但是超分辨荧光显微成像技术仍然面临诸多技术问题,其中之一就是所必需的荧光染料性能亟需改善。基于单分子定位的超分辨显微成像技术需要荧光染料不仅满足光稳定性好和荧光亮度高的需要,还要具有光控荧光分子“开-关”功能,这样才能够实现单分子的定位和检测。因此开发高荧光强度和光稳定性,具有光控荧光分子开关性能的新型荧光染料是超分辨荧光成像的迫切需求和当前热点。
开发生物成像用单分子定位超分辨荧光染料,目前最好的方法是在高荧光强度和光稳定性的染料中引入光控分子开关。罗丹明类染料由于其突出的光性能,是目前超分辨中用的最多的一类染料。罗丹明染料的荧光分子开关“明-暗”状态是基于酰胺螺环的光控开关,即传统罗丹明螺酰胺在紫外光辐照下,会由不发光的闭环结构变为强荧光发射的开环结构。S.W.Hell等人最早利用这一独特的光控分子开关将罗丹明螺酰胺标记在固定的PtK2细胞的微丝骨架上,利用单分子定位技术实现了超分辨成像。但是,包括罗丹明螺酰胺在内,光控开关分子在细胞内应用所面临的共同难题是需要紫外光作为“开-关”激活光,例如罗丹明螺酰胺需要用波长小于375nm的光来将闭环结构打开变为有荧光的开环结构,而紫外光会对细胞产生严重的光毒性,难以在活细胞中应用。为了改善激活光波长,W.E.Moerner等人将酰胺取代基修饰为较大的共轭体系,将吸收波长向长波长移动,首次将开关激发光延长到可见光区(>400nm),实现了对细菌表面的三维超分辨荧光成像。由此,罗丹明螺酰胺在超分辨成像中表现出巨大潜力。
罗丹明螺酰胺实现了用可见光来控制荧光分子“开-关”,这对于生物成像来说极其重要和有意义,但是这类分子还存在一个严重缺点限制其在超分辨成像中的应用,那就是罗丹明螺酰胺这种分子开关除了可以光控之外,还可以由酸碱来控制,即在酸性条件下,罗丹明酰胺螺环打开变成可发光的开环结构。而细胞内存在许多偏酸性的环境(如溶酶体,蛋白的酸性位点等),当罗丹明螺酰胺染料应用在这些酸性环境中,其酸控制的开关会严重干扰甚至导致光控分子开关性能完全失效,因此在酸性环境中基于这类染料的荧光探针目前无法应用于超分辨荧光成像。综上所述,开发耐酸性同时具有可见光控制的的罗丹明螺酰胺类荧光分子开关对于活细胞超分辨荧光成像显得尤为迫切和重要。
发明内容
本发明提供了一种耐酸光控荧光分子开关及其合成方法和应用,该分子开关是以3-伯胺或仲胺取代的罗丹明螺酰胺染料为结构单元,研究发现这类光控分子开关染料在有机相和水相中都具有耐酸的特性,即表现为在酸性环境中螺酰胺部分遇质子进攻时不发生开环异构反应,保持无荧光状态,如图4所示。将这类耐酸染料标记并成像溶酶体,研究发现在酸性溶酶体中染料分子能够保持耐酸性同时具有紫外光控制的荧光分子开关特性,将这类耐酸性荧光开关染料应用于STORM成像时,能够大大降低酸性环境对探针荧光信号的干扰,因此这类染料在STORM技术上具有潜在的巨大应用前景。
本发明所述的一种耐酸性光控荧光分子开关,其结构式如下所示:
其中:R1、R2、R3、R4、R5是相同或不同的基团,为H、CmH2m+1、CmH2m-1、CmH2m-3、C6+mH5+2m、CmH2m+1CO、CmH2m+1SO2或CmH2m+1PhSO2中的任一基团;
X为O、C、Si、Ge、S或SO2基团;
Y为H、SO3Na;Z是CmH2m+1、CmH2m-1、CmH2m-3、C6+mH5+2m、(C2H4O)mCH3、(C2H4O)mOH、CmH2m(C4H8NO)、或其带有单个或多个二级取代的衍生结构;
其中,二级取代是F、Cl、Br、I、R、CA0A1 3、CA0A1A2A3、NO2、OR、SR、SO2R、SOR、SO3R、NHR、NRR1、CHO、CH2OR、CO2R、OCOR、OCOCH2R、CHBCHO、CB2CHO、CHBCO2R或CHBOR中任何一种基团;
A0、A1、A2、A3和B是相同或不同的基团,为H、F、Cl、Br、I、NO2、OR6、SR6、NHR6、NR6R7、(CH2)mCHO、(CH2)mCO2R6或R6中的任何一种基团;所述R6和R7是相同或不同的基团,具体为H、CmH2m+1、CmH2m-1、CmH2m-3或C6+mH5+2m中的任一基团;
在上述的不同结构通式的化合物中,m是1~20之间的任何整数。
一种耐酸性光控荧光分子开关的合成方法,具体步骤如下:
(1)将3-硝基罗丹明和烃基伯胺按物质的量比1:1-20溶解于无水乙醇,升温至回流,搅拌1-4小时后减压蒸除溶剂,中间体罗丹明3-硝基螺酰胺通过硅胶柱色谱分离提纯;
(2)取上述步骤(1)中产物罗丹明3-硝基螺酰胺全部溶于体积比为1-5:1甲醇和二氯甲烷混合溶剂,在氢气氛围及占反应物质量百分比0.5-10%的钯碳催化下搅拌1-3小时,抽滤并取滤液,减压蒸除溶剂后得到罗丹明3-氨基螺酰胺产物;
(3)取上述步骤(2)中产物罗丹明3-氨基螺酰胺和酰氯或碘甲烷按物质的量比1:1-30溶解于无水二氯甲烷,常温搅拌1-3小时后减压蒸除溶剂,最后将罗丹明3-酰胺或烃基取代的螺酰胺产物通过柱色谱分离提纯。
所述的烃基伯胺为丁胺、氨基六聚乙二醇、氨基六聚乙二醇单甲醚、或2-乙氨基吗啉;
所述的酰氯为乙酰氯、甲磺酰氯、或对甲苯磺酰氯。
其合成的路线为:
一种耐酸性光控荧光分子开关的应用,基于耐酸性光控荧光分子开关的耐酸性和光控分子开关特点应用在超分辨荧光成像、生物及化学物质的传感及检测等诸多领域。
本发明的优点和有益效果为:
基于单分子定位的超分辨荧光成像技术的核心是荧光分子开关染料,而罗丹明螺酰胺是一类广泛应用于该技术的光空荧光分子开关染料。然而传统的罗丹明螺酰胺可以通过两种路径,即光控制或者酸控制,实现分子“开-关”的转变。然而生物环境普遍存在pH小于7的酸性环境,在酸性环境中这类染料发生酸控分子开关会导致其失去光控分子开关性能,因此这类染料在酸性环境中无法应用于的超分辨荧光成像技术。
而本发明里开发的3-伯胺或仲胺取代罗丹明螺酰胺不仅具有耐酸的性能,而且保留了光控分子开关性能(如图5所示)。因此这类耐酸性光控荧光分子开关可以应用于基于单分子定位的超分辨成像技术中,且不受生物环境中pH的干扰。此外,本发明中的耐酸光控荧光分子开关还可以作为分子荧光探针应用于传感及检测领域。
附图说明
图1:为实施例1-4制备的P1-P4在二氯甲烷/甲醇(9/1,v/v)混合溶剂中(浓度为10-5M)分别加入三氟乙酸(2.3μL,1000eq)前后的时间分辨紫外可见吸收光谱及可见照片变化;
图2:为实施例6和8中的两个水溶性产物(P6和P8)在不同pH值的缓冲溶液(浓度为10-5M)中测得的紫外可见吸收及荧光光谱。
图3:为实施例9中的产物P9(10μM)和商业的溶酶体标记染料(LTG,0.1μM)共同染色培养的MCF-7细胞在不同紫外(375nm)光照时间下的共聚焦图像。
图4:为实施例10中的产物P10(10μM)和商业的溶酶体标记染料(LTG,0.1μM)共同染色培养的MCF-7细胞在不同紫外(375nm)光照时间下的共聚焦图像。
图5:光控和酸控3-伯胺或仲胺取代的罗丹明螺酰胺结构异构化。
具体实施方式
本发明给出了一类耐酸性光控荧光分子开关的合成方法及其作为光空荧光分子开关应用于基于单分子定位的超分辨荧光成像技术领域。
实施例1
当R1=R2=R3=R4=C2H5,R5=H,X=O,Y=H,Z=C4H9时,其分子(P1)合成路线和产物结构如下:
合成步骤及表征:将3-硝基罗丹明(5mmol,2.4g)和正丁胺(20mmol,1.4g)溶于无水乙醇(50mL)。升温至78℃回流,搅拌8小时后减压蒸除溶剂,产物通过硅胶色谱柱来分离提纯(石油醚/乙酸乙酯,8:1v/v),得到的浅黄色粉末(2.6g,95%)。接着将该粉末全部溶于甲醇/二氯甲烷(50mL,3:1v/v)混合溶剂中,在氢气氛围下,通过钯碳(0.21g,10%wt)催化还原,抽滤取滤液,减压蒸除溶剂后得到最终白色粉末产物(2g,98%)。
产物进行了核磁和质谱的表征:1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.14(t,J=7.6Hz,1H),6.56(t,J=8.2Hz,3H),6.41–6.25(m,5H),3.34(dd,J=13.4,6.5Hz,8H),3.05(s,2H),1.24–1.04(m,16H),0.68(t,J=7.1Hz,3H)。13C NMR(101MHz,CDCl3)δ169.59,154.86,153.08,148.63,144.95,133.24,129.03,114.15,113.31,112.11,108.04,106.77,97.69,,64.59,44.33,39.70,30.64,20.32,13.57,12.57ppm。LC-MS(ESI):m/z:计算值:512.3151,实验值:513.3220[M+H]+。
经上述检测,鉴定其结构为P1所示。
将P1溶解于二氯甲烷/甲醇(9/1,v/v)混合溶剂中(浓度为10-5M),往溶液中加入三氟乙酸(2.3μL,1000eq)。测试加酸前后时间分辨的紫外可见吸收光谱并拍摄可见光下的照片,如图1所示,加酸后P1没有出现罗丹明开环结构的特征吸收峰随酸化时间的延长而增强的现象,溶液颜色仍然保持无色,证明P1具有耐酸性。
实施例2
当R1=R2=R3=R4=C2H5,R5=CH3,X=O,Y=H,Z=C4H9时,其分子(P2)合成路线和产物结构如下:
合成步骤及表征:将P1(0.25g,0.5mmol),碘甲烷(0.28g,2mmol)和碳酸钾(0.34g,2.5mmol)混合于乙腈(8mL),回流搅拌10小时,冷却至室温后过滤得到滤液,减压蒸除溶剂,粗产物通过柱色谱(硅胶,石油醚/乙酸乙酯,10:1v/v)分离提纯得到白色粉末P2(0.17g,65%)。
产物进行了核磁和质谱的表征:1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.23(t,J=7.9Hz,1H),6.75(d,J=4.9Hz,1H),6.57(t,J=9.3Hz,2H),6.49(d,J=8.1Hz,1H),6.41–6.22(m,5H),3.33(q,J=7.0Hz,8H),3.04(s,2H),2.97(d,J=4.9Hz,3H),1.16(t,J=6.9Hz,12H),1.07(s,4H),0.67(t,J=6.5Hz,3H)。13C NMR(101MHz,CDCl3)δ170.15,154.93,153.09,148.60,147.23,133.78,129.01,113.08,110.19,108.01,107.53,106.74,97.67,44.33,39.63,30.69,29.42,20.30,13.60,12.57。LC-MS(ESI):m/z:计算值:526.3308;实验值:527.3523[M+H]+。
经上述检测,鉴定其结构为P2所示。
将P2溶解于二氯甲烷/甲醇(9/1,v/v)混合溶剂中(浓度为10-5M),往溶液中加入三氟乙酸(2.3μL,1000eq)。测试加酸前后时间分辨的紫外可见吸收光谱并拍摄可见光下的照片,如图1所示,加酸后P2没有出现罗丹明开环结构的特征吸收峰随酸化时间的延长而增强的现象,溶液颜色仍然保持无色,证明P2具有耐酸性。
实施例3
当R1=R2=R3=R4=C2H5,R5=CH3CO,X=O,Y=H,Z=C4H9时,其分子(P3)合成路线和产物结构如下:
合成步骤及表征:将P1(0.25g,0.5mmol)和乙酰氯(58mg,0.75mmol)混合于二氯甲烷(5mL),搅拌2小时后减压蒸除溶剂,粗产物通过柱色谱(硅胶,石油醚/乙酸乙酯,8:1v/v)分离提纯得到白色粉末P3(0.26g,95%)。
产物进行了核磁和质谱的表征:1H NMR(400MHz,CDCl3)δ10.60(s,1H),8.43(d,J=8.2Hz,1H),7.39(t,J=7.9Hz,1H),6.74(d,J=7.6Hz,1H),6.46(d,J=8.8Hz,2H),6.38(d,J=2.6Hz,2H),6.28(dd,J=8.9,2.6Hz,2H),3.34(q,J=7.0Hz,8H),3.06(t,J=7.0Hz,2H),2.29(s,3H),1.17(t,J=7.0Hz,12H),1.12–1.02(m,4H),0.69(t,J=6.7Hz,3H)。13CNMR(101MHz,CDCl3)δ169.30,168.85,158.27,153.50,153.27,148.83,136.75,133.81,128.78,117.95,117.52,116.43,108.07,105.32,101.26,99.97,97.72,65.17,44.36,39.98,30.41,24.97,20.35,13.55,12.55。LC-MS(ESI):m/z:计算值:554.3257;实验值:555.3382[M+H]+。
经上述检测,鉴定其结构为P3所示。
将P3溶解于二氯甲烷/甲醇(9/1,v/v)混合溶剂中(浓度为10-5M),往溶液中加入三氟乙酸(2.3μL,1000eq)。测试加酸前后时间分辨的紫外可见吸收光谱并拍摄可见光下的照片,如图1所示,加酸后P3没有出现罗丹明开环结构的特征吸收峰随酸化时间的延长而增强的现象,溶液颜色仍然保持无色,证明P3具有耐酸性。
实施例4
当R1=R2=R3=R4=C2H5,R5=CH3PhSO2,X=O,Y=H,Z=C4H9时,其分子(P4)合成路线和产物结构如下:
合成步骤及表征:将P1(0.25g,0.5mmol)和对甲苯磺酰氯(95mg,0.5mmol)混合于二氯甲烷(5mL),搅拌3小时后减压蒸除溶剂,粗产物通过柱色谱(硅胶,石油醚/乙酸乙酯,6:1v/v)分离得到黄色粉末P4(0.30g,91%)。
产物进行了核磁和质谱的表征:1H NMR(400MHz,CDCl3)δ9.88(s,1H),7.83(d,J=8.3Hz,2H),7.51(d,J=8.1Hz,1H),7.32–7.25(m,3H),6.67(d,J=7.5Hz,1H),6.35(d,J=1.9Hz,2H),6.28–6.14(m,4H),3.33(q,J=7.1Hz,8H),2.99(t,J=7.0Hz,2H),2.41(s,3H),1.16(t,J=7.0Hz,12H),1.07–0.96(m,4H),0.67(t,J=6.8Hz,3H)。13C NMR(101MHz,CDCl3)δ167.92,153.86,153.14,148.78,143.49,136.52,135.47,133.45,129.43,128.58,127.52,118.59,118.03,117.21,107.90,105.02,97.67,65.03,44.34,39.76,30.25,21.55,20.19,13.54,12.50。LC-MS(ESI):m/z:计算值:666.3240;实验值:667.3211[M+H]+。
经上述检测,鉴定其结构为P4所示。
将P4溶解于二氯甲烷/甲醇(9/1,v/v)混合溶剂中(浓度为10-5M),往溶液中加入三氟乙酸(2.3μL,1000eq)。测试加酸前后时间分辨的紫外可见吸收光谱并拍摄可见光下的照片,如图1所示,加酸后P4没有出现罗丹明开环结构的特征吸收峰随酸化时间的延长而增强的现象,溶液颜色仍然保持无色,证明P4具有耐酸性。
实施例5
当R1=R2=R3=R4=C2H5,R5=H,X=O,Y=H,Z=C6H5时,其分子(P5)合成路线和产物结构如下:
合成步骤及表征:将3-硝基罗丹明(2mmol,1.12g)和苯胺(2mmol,0.186g)溶于无水乙醇(5mL)。升温至78℃回流,搅拌4小时后减压蒸除溶剂,产物通过柱色谱(硅胶,石油醚/乙酸乙酯,6:1v/v)分离得到的浅黄色固体(1.08g,96%)。接着将该固体产物全部溶于甲醇和二氯甲烷(5mL,3:1v/v)混合溶剂中,在氢气氛围及钯碳(10%wt)催化下搅拌1小时,抽滤并取滤液,减压蒸除溶剂后得到最终白色固体产物(1.01g,99%)。
产物进行了核磁和质谱的表征:1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.22(t,J=7.7Hz,1H),7.14-7.04(m,3H),6.85-7.74(m,4H),6.60(d,J=7.9Hz,1H),6.40(d,J=7.4Hz,1H),6.33(dd,J=8.8,2.5Hz,2H),6.24(d,J=2.5Hz,2H),5.41(s,2H),3.31(q,J=7.1Hz,8H),1.14(t,J=7.0Hz,12H)。13C NMR(101MHz,CDCl3)δ169.30,154.56,152.84,148.60,145.57,136.55,133.97,128.86,128.40,127.15,126.32,113.40,113.33,112.15,108.03,107.08,97.67,67.10,44.25,12.55。LC-MS(ESI):m/z:计算值:532.2838,实验值:533.2840[M+H]+。
经上述检测,鉴定其结构为P5所示。
将P5溶解于二氯甲烷/甲醇(9/1,v/v)混合溶剂中(浓度为10-5M),往溶液中加入三氟乙酸(2.3μL,1000eq)。测试加酸前后时间分辨的紫外可见吸收光谱并拍摄可见光下的照片,结果所示加酸后P5没有出现罗丹明开环结构的特征吸收峰随酸化时间的延长而增强的现象,溶液颜色仍然保持无色,证明P5具有耐酸性。
实施例6
当R1=R2=R3=R4=C2H5,R5=H,X=O,Y=H,Z=PEG6-OH(C12H25O6)时,其分子(P6)合成路线和产物结构如下:
合成步骤及表征:将3-硝基罗丹明(2mmol,0.974g)和氨基六聚乙二醇(2mmol,0.562g)溶于无水乙醇(5mL),升温至78℃回流,搅拌4小时后减压蒸除溶剂,产物通过柱色谱(硅胶,二氯甲烷/甲醇,10:1v/v)分离提纯得到的浅黄色粘性液体(1.42g,95%)。接着将该液体产物全部溶于甲醇(5mL),在氢气氛围及钯碳(10%wt)催化下搅拌1小时,抽滤并取滤液,减压蒸除溶剂后得到最终白色粘性液体产物(1.35g,99%)。
产物进行了核磁和质谱的表征:1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.14(t,J=7.7Hz,1H),6.58–6.50(m,3H),6.38–6.26(m,5H),3.74–3.70(m,2H),3.67–3.56(dd,J=16.6,8.3Hz,16H),3.51–3.47(m,2H),3.39–3.26(m,12H),3.17–3.09(m,4H),1.16(t,J=7.0Hz,12H)。13CNMR(101MHz,CDCl3)δ169.84,155.00,152.99,148.64,145.12,133.59,128.88,113.41,112.01,108.03,106.16,97.98,97.65,72.62,72.60,70.45,70.38,70.37,70.28,70.25,70.13,69.93,69.90,68.07,64.55,61.50,44.33,12.61。LC-MS(ESI):m/z:计算值:720.4098,实验值:721.4183[M+H]+。
经上述检测,鉴定其结构为P6所示。
将水溶性产物P6溶解于不同pH值的缓冲溶液(浓度为10-5M)中,并测试其在不同pH下的紫外可见吸收光谱和荧光光谱(图2)。如图2所示,P6在pH为酸性的缓冲溶液中并没有出现罗丹明的特征吸收峰和发射峰,这表明在酸性环境中闭环螺酰胺结构没有发生改变,进一步证明了P6的耐酸性特征。
实施例7
当R1=R2=R3=R4=C2H5,R5=H,X=O,Y=H,Z=PEG6-CH3(C13H27O6)时,其分子(P7)合成路线和产物结构如下:
合成步骤及表征:3-硝基罗丹明(0.24g,0.5mmol)和氨基六聚乙二醇单甲醚(0.14g,0.5mmol)溶于无水乙醇(8mL)中,升温至78℃回流,搅拌4小时后减压蒸除溶剂,残余物通过柱色谱(硅胶,乙酸乙酯/甲醇,30:1v/v)分离得到粘性液体(0.34g,90%)。将其全部溶于甲醇(5mL)并加入20mg 10%钯碳在氢气氛围下催化还原。反应混合物抽滤,滤液通过减压蒸除溶剂,产物通过柱色谱(硅胶,乙酸乙酯/甲醇,20:1v/v)分离得到粘性液体P7(0.32g,96%)。
产物进行了核磁和质谱的表征:1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.11(t,J=7.7Hz,1H),6.54(t,J=8.9Hz,3H),6.35(d,J=2.4Hz,2H),6.32–6.23(m,3H),5.37(s,2H),3.67–3.51(m,16H),3.51–3.46(m,2H),3.41–3.25(m,15H),3.13(t,J=7.2Hz,2H),1.15(t,J=7.0Hz,12H)。13C NMR(101MHz,CDCl3)δ169.55,154.76,152.76,148.38,144.91,133.28,128.65,113.20,113.08,111.69,107.79,106.04,97.44,71.66,70.32,70.27,70.24,70.24,70.22,70.11,69.70,67.85,64.26,58.74,44.09,38.56,12.38。LC-MS(ESI):m/z:计算值:734.4255;实验值:735.4290[M+H]+。
经上述检测,鉴定其结构为P7所示。
将水溶性产物P7溶解于不同pH值的缓冲溶液(浓度为10-5M)中,并测试其在不同pH下的紫外可见吸收光谱和荧光光谱。结果显示P7在pH为酸性的缓冲溶液中并没有出现罗丹明的特征吸收峰和发射峰,这表明在酸性环境中闭环螺酰胺结构没有发生改变,进一步证明了P7的耐酸性特征。
实施例8
当R1=R2=R3=R4=C2H5,R5=CH3CO,X=O,Y=H,Z=PEG6-CH3(C13H27O6)时,其分子(P8)合成路线和产物结构如下:
合成步骤及表征:将P7(0.22g,0.3mmol)和乙酰氯(35mg,0.45mmol)混合于二氯甲烷(5mL)中,搅拌2小时后减压蒸除溶剂并通过柱色谱(硅胶,乙酸乙酯/甲醇,20:1v/v)分离得到粘性液体P8(0.22g,95%)。
产物进行了核磁和质谱的表征:1H NMR(400MHz,CDCl3)δ10.47(s,1H),8.39(d,J=8.2Hz,1H),7.34(t,J=7.9Hz,1H),6.68(d,J=7.6Hz,1H),6.41(d,J=8.8Hz,2H),6.33(d,J=2.4Hz,2H),6.24(dd,J=8.9,2.4Hz,2H),3.60–3.48(m,16H),3.47–3.42(m,2H),3.35–3.25(m,15H),3.08(t,J=7.1Hz,2H),2.25(s,3H),1.13(t,J=7.0Hz,13H)。13C NMR(101MHz,CDCl3)δ169.06,168.82,153.52,152.97,148.66,136.57,133.85,128.43,117.79,117.38,115.71,107.90,104.58,97.56,71.69,70.34,70.30,70.11,69.82,67.62,64.95,58.78,44.15,38.83,24.73,12.38。LC-MS(ESI):m/z:计算值:776.4360;实验值:777.4435[M+H]+。
经上述检测,鉴定其结构为P8所示。
将水溶性产物P8溶解于不同pH值的缓冲溶液(浓度为10-5M)中,并测试其在不同pH下的紫外可见吸收光谱和荧光光谱。如图2所示,P8在pH为酸性的缓冲溶液中并没有出现罗丹明的特征吸收峰和发射峰,这表明在酸性环境中闭环螺酰胺结构没有发生改变,进一步证明了P8的耐酸性特征。
实施例9
当R1=R2=R3=R4=C2H5,R5=H,X=O,Y=H,Z=C6H12NO时,其分子(P9)合成路线和产物结构如下:
合成步骤及表征:将3-硝基罗丹明(2mmol,0.974g)和2-乙氨基吗啉(2mmol,0.146g)溶于无水乙醇(35mL)。升温至78℃回流,搅拌4小时后减压蒸除溶剂,产物通过柱色谱(硅胶,石油醚/乙酸乙酯,4:1v/v),分离提纯最后得到的浅黄色粉末(1.14g,95%)。接着将该粉末全部溶于甲醇(5mL),在氢气氛围及钯碳(10%wt)催化下搅拌1小时,抽滤取滤液,减压蒸除溶剂后得到最终白色粉末产物P9(1.07g,99%)。
产物进行了核磁和质谱的表征:1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.15(t,J=7.7Hz,1H),6.56(dd,J=8.3,5.8Hz,3H),6.34(t,J=5.3Hz,3H),6.28(dd,J=8.9,2.6Hz,2H),3.63–3.52(m,4H),3.33(q,J=7.0Hz,8H),3.24–3.15(m,2H),2.24(s,4H),2.11–2.04(m,2H),1.16(t,J=7.0Hz,12H).13C NMR(101MHz,CDCl3)δ169.45,154.71,153.07,148.58,144.93,133.41,129.08,113.91,113.36,112.15,107.97,106.32,97.55,66.89,64.52,56.33,53.22,44.32,36.55,12.54.LC-MS(ESI):m/z:计算值:569.3366,实验值:570.3457[M+H]+。
经上述检测,鉴定其结构为P9所示。
将P9溶解于二氯甲烷/甲醇(9/1,v/v)混合溶剂中(浓度为10-5M),往溶液中加入三氟乙酸(2.3μL,1000eq)。测试加酸前后时间分辨的紫外可见吸收光谱并拍摄可见光下的照片,结果所示加酸后P9没有出现罗丹明开环结构的特征吸收峰随酸化时间的延长而增强的现象,溶液颜色仍然保持无色,证明P9具有耐酸性。
将P9(10μM)和商业的溶酶体标记染料(LTG,0.1μM)共同染色培养MCF-7细胞,通过激光共聚焦倒置显微镜实时观察两个通道内的荧光染色状况,绿色通道的激发光波长为488nm,采集500–550nm波段的荧光信号,红色通道的激发光波长561nm,采集580–653nm波段的荧光信号。对比观察发现绿色通道在染色0.5小时后就能够观察到溶酶体中的荧光信号,而红色通道在染色2小时后溶酶体中仍然没有出现明显的荧光信号,随后用375nm紫外光原位辐照细胞,分别采集辐照0和3分钟各自两个通道的荧光图像(图3),对比发现随着紫外辐照时间的延长,红色通道中溶酶体内的荧光信号由弱变强,与绿色通道中的荧光信号能够很好重叠,这些结果表明P9染料在生物酸性环境中能够保持耐酸的特性,同时在酸性环境中具有光激活荧光的性能。
实施例10
当R1=R2=R3=R4=C2H5,R5=CH3CO,X=O,Y=H,Z=C6H12NO时,其分子(P10)合成路线和产物结构如下:
合成步骤及表征:将P9(1.14g,2mmol)和乙酰氯(0.23g,3mmol)混合于二氯甲烷(30mL)中,搅拌2小时后减压蒸除溶剂,粗产物通过柱色谱(硅胶,石油醚/乙酸乙酯,8:1v/v)提纯得到白色粉末P10(1.16g,95%)。
产物进行了核磁和质谱的表征:1H NMR(400MHz,CDCl3)δ10.52(s,1H),8.45(d,J=8.2Hz,1H),7.40(t,J=7.9Hz,1H),6.75(d,J=7.6Hz,1H),6.47(d,J=8.8Hz,2H),6.37(d,J=2.5Hz,2H),6.28(dd,J=8.9,2.5Hz,2H),3.62–3.51(m,4H),3.34(q,J=7.0Hz,8H),3.25–3.16(m,2H),2.29(s,3H),2.23(s,4H),2.10–2.03(m,2H),1.16(t,J=7.0Hz,12H).13CNMR(101MHz,CDCl3)δ169.30,168.76,153.38,153.30,148.85,136.77,133.97,128.87,118.03,117.62,116.29,108.08,105.01,97.67,66.87,65.14,56.07,53.22,44.37,36.82,29.67,24.97,12.53.LC-MS(ESI):m/z:计算值:611.3472,实验值:612.3507[M+H]+。
经上述检测,鉴定其结构为P10所示。
将P10溶解于二氯甲烷/甲醇(9/1,v/v)混合溶剂中(浓度为10-5M),往溶液中加入三氟乙酸(2.3μL,1000eq)。测试加酸前后时间分辨的紫外可见吸收光谱并拍摄可见光下的照片,结果所示加酸后P10没有出现罗丹明开环结构的特征吸收峰随酸化时间的延长而增强的现象,溶液颜色仍然保持无色,证明P10具有耐酸性。
用P10(10μM)和商业的溶酶体标记染料(LTG,0.1μM)共同染色培养MCF-7细胞,通过激光共聚焦倒置显微镜实时观察两个通道内的荧光染色状况,绿色通道的激发光波长为488nm,采集500–550nm波段的荧光信号,红色通道的激发光波长561nm,采集580–653nm波段的荧光信号。对比观察发现绿色通道在染色0.5小时后就能够观察到溶酶体中的荧光信号,而红色通道在染色2小时后溶酶体中仍然没有出现明显的荧光信号,随后用375nm紫外光原位辐照细胞,分别采集辐照0,1和5分钟各自两个通道的荧光图像(图4),对比发现随着紫外辐照时间的延长,红色通道中溶酶体内的荧光信号从无到有并逐渐增强,与绿色通道中的荧光信号能够很好重叠,这些结果表明P10染料在生物酸性环境中能够保持耐酸的特性,同时在酸性环境中具有光激活荧光的性能。
Claims (5)
2.根据权利要求1所述耐酸性光控荧光分子开关的合成方法,其特征在于:该方法的具体步骤如下:
(1)将3-硝基罗丹明和烃基伯胺按物质的量比1:1-20溶解于无水乙醇,升温至回流,搅拌1-4小时后减压蒸除溶剂,中间体罗丹明3-硝基螺酰胺通过硅胶柱色谱分离提纯,
(2)随后将提纯后的中间体罗丹明3-硝基螺酰胺全部溶于体积比为1-5:1甲醇和二氯甲烷混合溶剂,在氢气氛围及占反应物质量百分比0.5-10%的钯碳催化下搅拌1-3小时,抽滤并取滤液,减压蒸除溶剂后得到罗丹明3-氨基螺酰胺产物;
(3)将罗丹明3-氨基螺酰胺和酰氯或碘甲烷按物质的量比1:1-30溶解于无水二氯甲烷,常温搅拌1-3小时后减压蒸除溶剂,最后将罗丹明3-酰胺或烃基取代的螺酰胺产物通过柱色谱分离提纯。
3.根据权利要求2所述耐酸性光控荧光分子开关的合成方法,其特征在于:所述的烃基伯胺为丁胺、氨基六聚乙二醇、氨基六聚乙二醇单甲醚或N-(2-乙氨基)吗啉。
4.根据权利要求2所述耐酸性光控荧光分子开关的合成方法,其特征在于:所述的酰氯为乙酰氯、甲磺酰氯、或对甲苯磺酰氯。
5.一种如权利要求1所述的耐酸性光控荧光分子开关在制备超分辨荧光成像、分子探针及荧光传感的制剂中的应用。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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