CN111253296B - 一种过渡金属络合氮杂二吡咯甲川两亲性近红外染料及其制备方法 - Google Patents

一种过渡金属络合氮杂二吡咯甲川两亲性近红外染料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种过渡金属络合氮杂二吡咯甲川两亲性近红外染料及其制备方法。染料结构式如下；其中，M代表Co、Ni、Cu、Zn四种过渡金属元素中的任意一种，R代表C8H17、C10H21、C12H25、C14H29、C16H33五种饱和直链烷基中的任意一种，n的值为3‑6范围内的任意整数。将4,4'‑双烷氧基氮杂二吡咯甲川和4,4'‑双氧杂烷氧基氮杂二吡咯甲川加入反应器中，加入正丁醇溶解；滴加过渡金属乙酸盐M2+(CH3COO‑)2的正丁醇溶液；反应结束后，经分离提纯、重结晶得到固体状过渡金属络合氮杂二吡咯甲川染料。染料在水溶液中形成的聚集体有着较强的近红外荧光，具有显著的聚集诱导发光性质。
Figure DDA0002387462350000011

Description

一种过渡金属络合氮杂二吡咯甲川两亲性近红外染料及其制 备方法
技术领域
本发明属于聚集诱导发光近红外染料的制备技术领域，具体涉及一种过渡金属络合氮杂二吡咯甲川两亲性近红外染料及其制备方法。
背景技术
近红外荧光成像技术由于具有深的组织穿透性、低背景荧光干扰、最小生物样本光损伤等特点而成为备受关注的研究课题。其中，开发荧光效率高、生物兼容性好的近红外荧光染料是近红外荧光成像技术发展的关键所在。与贵金属纳米簇、半导体量子点等无机荧光材料相比，有机近红外荧光染料具有高摩尔消光系数和荧光量子产率、良好的生物相容性、结构易调、价格低廉等显著优势。目前对有机近红外染料的研究与开发主要集中在菁类、BODIPY、罗丹明、方酸、卟啉与酞菁等几类染料发色团的改进与修饰上(参见Chemistryof materials,2012,24,812-827)，而具有新型发色团的有机近红外染料则罕见报道。
氮杂二吡咯甲川是近年来兴起的一类有机近红外光吸收染料，其有着很强的摩尔消光系数和光稳定性，但由于其分子刚性差而引起的非辐射跃迁，导致其荧光极其微弱而无法应用于荧光成像。为了提升氮杂二吡咯甲川的荧光性质，通常的结构改进方法是用三氟化硼乙醚(BF3·Et2O)与氮杂二吡咯甲川络合反应而进一步得到氮杂氟硼二吡咯染料(参见J.Org.Chem.2012,77,669-673)，不仅可以使吸收波长进一步红移，而且大幅提升了这类染料的荧光量子产率。
Figure BDA0002387462330000011
然而，这种结构改进得到的氮杂氟硼二吡咯染料由于具有较大的π-共轭平面结构，分子间存在较强的π-π堆积相互作用，因此在溶液中尤其是水体系中容易发生聚集诱导淬灭现象而降低了它在荧光成像中的应用价值。针对以上问题，本发明对氮杂二吡咯甲川采用新的结构改进策略，用过渡金属与两种具有不同亲疏水性的氮杂二吡咯甲川络合，形成具有立体结构的两亲性过渡金属络合氮杂二吡咯甲川染料分子，从而可以避免分子间的强π-π堆积相互作用引起的聚集诱导淬灭，从而制备得到一种两亲性的、具有聚集诱导发光性质的新型近红外荧光染料。
发明内容
本发明提供一种具有近红外光吸收和聚集诱导发光性质的过渡金属络合氮杂二吡咯甲川两亲性荧光染料。
本发明的技术方案如下：
一种过渡金属络合氮杂二吡咯甲川两亲性近红外染料；其结构式如下：
Figure BDA0002387462330000021
其中，M代表Co、Ni、Cu、Zn四种过渡金属元素中的任意一种，R代表C8H17、C10H21、C12H25、C14H29、C16H33五种饱和直链烷基中的任意一种，n的值为3-6范围内的任意整数。
本发明的一种过渡金属络合氮杂二吡咯甲川两亲性近红外染料的制备方法；反应过程如下：
Figure BDA0002387462330000022
(1)将4,4'-双烷氧基氮杂二吡咯甲川5和4,4'-双氧杂烷氧基氮杂二吡咯甲川2加入反应器中，加入正丁醇溶解；
(2)在搅拌下加热至100-130℃，边搅拌边向其中滴加过渡金属乙酸盐M2+(CH3COO-)2的正丁醇溶液，滴加完成后，在100-130℃下回流反应4-8个小时；
(3)反应结束后，旋蒸除掉反应体系中的正丁醇，产物用硅胶柱层析分离提纯，流动相为二氯甲烷/甲醇，用二氯甲烷/正己烷混合溶剂重结晶，得到固体状过渡金属络合氮杂二吡咯甲川染料1。
所述的步骤(1)中4,4'-双烷氧基氮杂二吡咯甲川与4,4'-双氧杂烷氧基氮杂二吡咯甲川的摩尔比为1:1。
所述的步骤(1)中的正丁醇与4,4'-双烷氧基氮杂二吡咯甲川的摩尔比为1000-3000:1。
所述的步骤(2)中的搅拌转速为400-800rpm。
所述的步骤(2)中的过渡金属乙酸盐M2+(CH3COO-)2与4,4'-双烷氧基氮杂二吡咯甲川的摩尔比为1-2:1。
所述的步骤(2)中的正丁醇与过渡金属乙酸盐M2+(CH3COO-)2的摩尔比为250-750:1。
所述的步骤(2)中正丁醇溶液滴加速率为每秒60-120滴。
所述的步骤(3)中的流动相为二氯甲烷/甲醇体积比20-40:1。
所述的步骤(3)中二氯甲烷/正己烷体积比1:20-30。
本发明中涉及的4,4'-双烷氧基氮杂二吡咯甲川可按照文献(ChemMedChem,2019,14,1378–1383)中已有报道的方法制备得到，主要反应步骤包括：苯乙酮和对烷氧基苯甲醛通过羟醛缩合反应生成4-烷氧基查尔酮中间体、查尔酮与硝基甲烷通过迈克尔加成反应生成1-苯基-3-(4-烷氧基苯基)-4-硝基-1-丁酮加成产物、加成产物与乙酸铵加热缩合反应，即得到4,4'-双烷氧基氮杂二吡咯甲川5。
本发明中涉及的4,4'-双氧杂烷氧基氮杂二吡咯甲川可按照文献(Journal ofMaterials Chemistry B,2018,6,3285-3296)中已有报道的方法制备得到，主要反应步骤包括：4-羟基查尔酮与聚乙二醇单甲醚对甲苯磺酸酯通过威廉姆逊醚合成反应生成4-氧杂烷氧基查尔酮中间体、查尔酮与硝基甲烷通过迈克尔加成反应生成1-苯基-3-(4-氧杂烷氧基苯基)-4-硝基-1-丁酮加成产物、加成产物与乙酸铵加热缩合反应，即得到4,4'-双氧杂烷氧基氮杂二吡咯甲川2。
本发明的技术效果如下：
过渡金属络合氮杂二吡咯甲川染料1是一种全新的具有两亲性的近红外染料，其在有机溶剂(四氢呋喃或二甲基亚砜)中的吸收谱带位于550-700nm波长范围内，其荧光是淬灭的，而在水溶液中，两亲性染料1在疏水相互作用的驱动下发生超分子自组装而形成J型聚集体，使吸收谱带红移至600-750nm的波长范围，其最大吸收峰相比在有机溶剂中红移了约90nm，摩尔消光系数显著增大，更重要的是，染料1在水溶液中形成的聚集体有着较强的近红外荧光(最大发射波长位于750-760nm)，具有显著的聚集诱导发光性质。本发明制备的过渡金属络合氮杂二吡咯甲川染料是一种性能优异的的适用于水体系的近红外荧光染料，因此在生物荧光成像领域有潜在的应用价值。
附图说明
图1为实施例中所用的4,4'-双十二烷氧基氮杂二吡咯甲川的核磁共振氢谱。
图2为实施例中所用的4,4'-双3,6,9,12,15-五氧杂十六烷氧基氮杂二吡咯甲川的核磁共振氢谱。图3为实施例1所合成锌络合氮杂二吡咯甲川染料1a的核磁共振氢谱。
图4为实施例1所合成锌络合氮杂二吡咯甲川染料1a的质谱图(MALDI-TOF)。
图5为锌络合氮杂二吡咯甲川染料1a在不同溶剂中的紫外-可见吸收光谱，染料1a在四氢呋喃和二甲基亚砜中的最大吸收波长分别为598nm和606nm，而1a在水溶液中由于发生聚集，其最大吸收波长红移至690nm。
图6为锌络合氮杂二吡咯甲川染料1a在二甲基亚砜和水溶液中的荧光光谱，可以看出染料1a在二甲基亚砜中是荧光淬灭的，而1a在水溶液中由于聚集诱导发光性质而发出较强的荧光，最大发射波长位于760nm。
具体实施方式
以下实施例以含C12H25饱和直链烷基和3,6,9,12,15-五氧杂十六烷氧基(n＝5)的两亲性过渡金属络合氮杂二吡咯甲川染料的制备方法为例进行说明，本发明涉及的其它过渡金属络合氮杂二吡咯甲川染料均可以相同的方法制备得到。
本发明中涉及的4,4'-双烷氧基氮杂二吡咯甲川可按照文献(ChemMedChem,2019,14,1378–1383)中已有报道的方法制备得到，其核磁共振氢谱如图1所示；4,4'-双氧杂烷氧基氮杂二吡咯甲川可按照文献(Journal of Materials Chemistry B,2018,6,3285-3296)中已有报道的方法制备得到，其核磁共振氢谱如图2所示。
实施例1：
(1)将4,4'-双十二烷氧基氮杂二吡咯甲川5(1mmol,0.82g)和4,4'-双3,6,9,12,15-五氧杂十六烷氧基氮杂二吡咯甲川2(1mmol,0.95g)加入反应器中，加入正丁醇(1mol,74g)溶解；
(2)在搅拌下(400rpm)加热至120℃，边搅拌(400rpm)边向其中滴加(每分钟60滴)乙酸锌(1mmol,0.18g)的正丁醇(0.25mol,19g)溶液，滴加完成后，在120℃下回流反应5个小时；
(3)反应结束后，用旋蒸除掉正丁醇，产物用硅胶柱层析分离(300-400目硅胶)，流动相为二氯甲烷/甲醇(体积比20:1)，产物用二氯甲烷/正己烷(体积比1:20)混合溶剂重结晶，得到纯净的棕红色固体状锌络合氮杂二吡咯甲川两亲性染料1a(产率46％)。1a的核磁共振氢谱如图3所示，1H NMR(400MHz,CDCl3,300K,TMS):δ＝7.82(d,J＝7.9Hz,8H),7.47(d,J＝6.4Hz,8H),7.06(dd,J＝14.9,7.1Hz,12H),6.96(t,J＝7.6Hz,8H),6.61(s,4H),4.24(s,4H),4.06(t,J＝6.1Hz,4H),3.95(s,4H),3.79(s,4H),3.76–3.57(m,24H),3.55(s,4H),3.37(s,6H),1.91–1.81(m,4H),1.55–1.14(m,36H),0.89(t,J＝5.5Hz,6H).1a的质谱图如图4所示，MS(MALDI-TOF):Calcd for C110H136N6O14Zn,[M+H]+＝1829.944m/z,found1831.291m/z。
Figure BDA0002387462330000051
如图5所示，所制备的锌络合氮杂二吡咯甲川两亲性染料1a在四氢呋喃和二甲基亚砜中的最大吸收波长分别为598nm和606nm，荧光是淬灭的，而1a在水溶液中由于发生聚集，其最大吸收波长红移至690nm，并且由于聚集诱导发光性质而发出较强的荧光，如图6所示，最大发射波长位于760nm。
实施例2：
(1)将4,4'-双十二烷氧基氮杂二吡咯甲川5(1mmol,0.82g)和4,4'-双3,6,9,12,15-五氧杂十六烷氧基氮杂二吡咯甲川2(1mmol,0.95g)加入反应器中，加入正丁醇(2mol,148g)溶解；
(2)在搅拌下(600rpm)加热至100℃，边搅拌(600rpm)边向其中滴加(每分钟80滴)乙酸钴(1.2mmol,0.2g)的正丁醇(0.6mol,44g)溶液，滴加完成后，在100℃下回流反应8个小时。
(3)反应结束后，用旋蒸除掉正丁醇，产物用硅胶柱层析分离(300-400目硅胶)，流动相为二氯甲烷/甲醇(体积比30:1)，产物用二氯甲烷/正己烷(体积比1:20)混合溶剂重结晶，得到纯净的褐色固体状钴络合氮杂二吡咯甲川两亲性染料1b(产率41％)。MS(MALDI-TOF):Calcd for C110H136N6O14Co,[M+H]+＝1823.945m/z,found 1825.287m/z。
Figure BDA0002387462330000061
所制备的钴络合氮杂二吡咯甲川两亲性染料1b在四氢呋喃和二甲基亚砜中的最大吸收波长分别为596nm和602nm，荧光是淬灭的，而1b在水溶液中由于发生聚集，其最大吸收波长红移至689nm，并且由于聚集诱导发光性质而发出较强的荧光，最大发射波长位于758nm。
实施例3：
(1)将4,4'-双十二烷氧基氮杂二吡咯甲川5(1mmol,0.82g)和4,4'-双3,6,9,12,15-五氧杂十六烷氧基氮杂二吡咯甲川2(1mmol,0.95g)加入反应器中，加入正丁醇(2mol,148g)溶解；
(2)在搅拌下(800rpm)加热至130℃，边搅拌(800rpm)边向其中滴加(每分钟100滴)乙酸镍(1.6mmol,0.27g)的正丁醇(0.8mol,59g)溶液，滴加完成后，在130℃下回流反应6个小时；
(3)反应结束后，用旋蒸除掉正丁醇，产物用硅胶柱层析分离(300-400目硅胶)，流动相为二氯甲烷/甲醇(体积比40:1)，产物用二氯甲烷/正己烷(体积比1:25)混合溶剂重结晶，得到纯净的暗红色固体状镍络合氮杂二吡咯甲川两亲性染料1c(产率43％)。MS(MALDI-TOF):Calcd for C110H136N6O14Ni,[M+H]+＝1822.947m/z,found 1823.221m/z。
Figure BDA0002387462330000062
所制备的镍络合氮杂二吡咯甲川两亲性染料1c在四氢呋喃和二甲基亚砜中的最大吸收波长分别为590nm和600nm，荧光是淬灭的，而1c在水溶液中由于发生聚集，其最大吸收波长红移至685nm，并且由于聚集诱导发光性质而发出较强的荧光，最大发射波长位于750nm。
实施例4：
(1)将4,4'-双十二烷氧基氮杂二吡咯甲川5(1mmol,0.82g)和4,4'-双3,6,9,12,15-五氧杂十六烷氧基氮杂二吡咯甲川2(1mmol,0.95g)加入反应器中，加入正丁醇(3mol,222g)溶解；
(2)在搅拌下(500rpm)加热至110℃，边搅拌(500rpm)边向其中滴加(每分钟120滴)乙酸铜(2mmol,0.36g)的正丁醇(1.5mol,111g)溶液，滴加完成后，在110℃下回流反应4个小时。
(3)反应结束后，用旋蒸除掉正丁醇，产物用硅胶柱层析分离(300-400目硅胶)，流动相为二氯甲烷/甲醇(体积比30:1)，产物用二氯甲烷/正己烷(体积比1:30)混合溶剂重结晶，得到纯净的棕红色固体状铜络合氮杂二吡咯甲川两亲性染料1d(产率44％)。MS(MALDI-TOF):Calcd for C110H136N6O14Cu,[M+H]+＝1827.941m/z,found 1829.231m/z。
Figure BDA0002387462330000071
所制备的铜络合氮杂二吡咯甲川两亲性染料1d在四氢呋喃和二甲基亚砜中的最大吸收波长分别为592nm和604nm，荧光是淬灭的，而1d在水溶液中由于发生聚集，其最大吸收波长红移至685nm，并且由于聚集诱导发光性质而发出较强的荧光，最大发射波长位于752nm。
本发明公开和提出的技术方案，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (10)

1.一种过渡金属络合氮杂二吡咯甲川两亲性近红外染料；其特征是结构式如下：
Figure FDA0003932045150000011
其中，M代表Co、Ni、Cu、Zn四种过渡金属元素中的任意一种，R代表C8H17、C10H21、C12H25、C14H29、C16H33五种饱和直链烷基中的任意一种，n的值为3-6范围内的任意整数。
2.权利要求1中所述的一种过渡金属络合氮杂二吡咯甲川两亲性近红外染料的制备方法；其特征是反应过程如下：
Figure FDA0003932045150000012
(1)将4,4'-双烷氧基氮杂二吡咯甲川5和4,4'-双氧杂烷氧基氮杂二吡咯甲川2加入反应器中，加入正丁醇溶解；
(2)在搅拌下加热至100-130℃，边搅拌边向其中滴加过渡金属乙酸盐M2+(CH3COO-)2的正丁醇溶液，滴加完成后，在100-130℃下回流反应4-8个小时；
(3)反应结束后，旋蒸除掉反应体系中的正丁醇，产物用硅胶柱层析分离提纯，流动相为二氯甲烷/甲醇，用二氯甲烷/正己烷混合溶剂重结晶，得到固体状过渡金属络合氮杂二吡咯甲川染料1。
3.如权利要求2所述的方法，其特征是步骤(1)中4,4'-双烷氧基氮杂二吡咯甲川与4,4'-双氧杂烷氧基氮杂二吡咯甲川的摩尔比为1:1。
4.如权利要求2所述的方法，其特征是步骤(1)中的正丁醇与4,4'-双烷氧基氮杂二吡咯甲川的摩尔比为1000-3000:1。
5.如权利要求2所述的方法，其特征是步骤(2)中的搅拌转速为400-800rpm。
6.如权利要求2所述的方法，其特征是步骤(2)中过渡金属乙酸盐M2+(CH3COO-)2与4,4'-双烷氧基氮杂二吡咯甲川的摩尔比为1-2:1。
7.如权利要求2所述的方法，其特征是步骤(2)中的正丁醇与过渡金属乙酸盐M2+(CH3COO-)2的摩尔比为250-750:1。
8.如权利要求2所述的方法，其特征是步骤(2)中正丁醇溶液滴加速率为每秒60-120滴。
9.如权利要求2所述的方法，其特征是步骤(3)中流动相为二氯甲烷/甲醇体积比20-40:1。
10.如权利要求2所述的方法，其特征是步骤(3)中二氯甲烷/正己烷体积比1:20-30。
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