CN113461722B

CN113461722B - 一种具有aie效应的双bodipy类近红外荧光染料及其制备方法

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Publication number: CN113461722B
Application number: CN202110905477.4A
Authority: CN
Inventors: 徐海军; 王怡; 李鹏飞; 宗轩莱
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Nanjing Forestry University
Priority date: 2021-08-06
Filing date: 2021-08-06
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2041-08-06
Also published as: CN113461722A

Abstract

本发明涉及一种具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料及其制备方法，使用BODIPY衍生物(I)先后与对苯二甲醛和4‑(二苯氨基)苯甲醛发生两步Knoevenagel缩合反应得到化合物(III)。通过引入具有AIE效应的强给/受体基团，将传统的BODIPY类荧光染料从ACQ分子转变为AIE分子，在近红外区域表现出良好的聚集诱导发光效应。且该荧光染料具有大的斯托克斯位移(70nm)，作为一种新型近红外AIE荧光染料，在发光材料、生物荧光成像、化学传感器、光动力治疗等众多领域均具有广阔的应用前景。该制备方法反应条件温和、选择性较好、分离提纯较为简便。

Description

一种具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料及其制备方法

技术领域

本发明属于有机化合物合成、功能性荧光染料和精细化工技术领域，具体涉及一种具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料及其制备方法。

背景技术

传统的荧光分子因自身的π共轭体系，空间结构不够立体，在聚集态下分子间相互碰撞造成能量损失，此时便发生了聚集导致的荧光猝灭(ACQ)。这种现象很大程度上制约了荧光材料的应用范围。2001年，唐本忠院士课题组报道了一种具有“聚集诱导发光(AIE)”现象的有机荧光分子。与ACQ分子相反，AIE分子在聚集态下分子运动受限，会抑制非辐射跃迁过程促进辐射跃迁过程，导致发光显著增强。聚集导致荧光淬灭的难题因为AIE性质的发现而从根本上得到了解决。随着科学界对此现象的深入研究，具有AIE效应的发光材料已经在化学传感器、生物成像、光动力治疗和刺激响应材料等应用领域取得了巨大成就。

在研究拓展AIE分子体系的过程中，具有近红外荧光发射的分子与可见光区域的荧光分子相比，可以有效地减少组织自发荧光的干扰、增强传感和成像深度。特别的是，具有AIE性能的近红外荧光材料可以很好的解决传统荧光材料在生物体内聚集导致荧光猝灭的问题。当其以聚集态的形式存在，避免生物体散射光的同时还表现出优异的抗光漂白性能，可实现高分辨率和高信噪比的荧光成像。因此，一些功能性的近红外AIE荧光染料，在分子诊断、靶向治疗等生命科学领域表现出了巨大潜力。

在众多的有机荧光染料中，BODIPY作为基础荧光基团，具有良好的光热稳定性、荧光信号不易受外界影响、光谱吸收/发射峰窄，灵敏度高、母体结构易于修饰等特点。氰基苯乙烯基苯(CS)分子是典型的电子受体，具有高度稳定的能级、由“扭曲弹性”特性引起的高溶解度等特点。另外，其扭曲的空间构象可以保证分子的AIE性能，有利于AIE功能分子的设计。三苯胺(TPA)是一种性能优异的电子给体，在聚集状态下，三苯胺单元的空间扭曲结构可以阻止分子间π-π堆积相互作用，从而有效避免荧光猝灭，增强分子在聚集态的发光强度。通常情况下，电子给体可以提高HOMO能级，电子受体可以降低LUMO能级，从而显著降低分子能隙实现光谱红移。然而，AIE效应近红外荧光染料分子仍存在合成步骤多、产率低、数量不多的问题。因此，本发明通过Knoevenagel缩合反应，引入强电子给体三苯胺和强电子受体氰基苯乙烯基苯来修饰拓展BODIPY的共轭结构，得到一种具有良好AIE效应的近红外荧光染料。对于开发AIE分子体系、扩展AIE材料应用领域都具有重要意义。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料及其制备方法。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

本发明的一种具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料及其制备方法，其特征在于该近红外荧光染料具有如式(III)所示结构式：

一种具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料及其制备方法，步骤如下：

1)在无水条件下，将对苯二甲醛与BODIPY衍生物(I)溶解于一定比例的甲醇和二氯甲烷混合溶液，向其中滴加1M的甲醇钠的甲醇溶液，滴加结束后在室温下反应6～8小时。加水淬灭反应，用二氯甲烷萃取，有机层经无水硫酸钠干燥、减压蒸除溶剂后经硅胶柱层析分离提纯，洗脱剂为二氯甲烷-石油醚(v∶v＝9∶1)，得到化合物(II)。

2)在无水条件下，将化合物(II)、4-(二苯氨基)苯甲醛和新干燥的对甲苯磺酸加入100mL的两颈反应瓶，配备Dean-Stark装置，然后加入10mL甲苯溶解，并加入0.2mL哌啶作催化剂，搅拌加热到回流4～6小时。反应结束后冷却至室温，二氯甲烷萃取，水洗、干燥，减压蒸干溶剂后经硅胶柱层析分离提纯，洗脱剂为二氯甲烷-石油醚(v∶v＝2∶3)，得到具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料(III)。具体化学反应式如下：

上述步骤1)中，对苯二甲醛、BODIPY衍生物(I)与甲醇钠的物质的量之比为1∶2.2～2.5∶8～10，甲醇与二氯甲烷的体积比为2∶1。

上述步骤2)中，化合物(II)、对甲苯磺酸与4-(二苯氨基)苯甲醛物质的量之比为1∶0.5∶4.0～6.0，甲苯、哌啶与化合物(II)的体积与物质的量之比为50mL∶1mL∶1mmol。

本发明的有益效果

与现有技术相比，本发明的一种具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料及其制备方法具有的优点有：(1)制备方法反应成熟，选择性地引入强电子给体/受体，降低分子能隙使光谱发生显著红移，该荧光染料最大电子吸收光谱为697nm，最大荧光发射波长为767nm；(2)具有高的摩尔消光系数(大于2.19×10⁵cm^-1mol^-1L)、大的斯托克斯位移(70nm)和良好的光稳定性，可以有效解决因荧光自吸收导致的在生物应用方面的缺陷；(3)在BODIPY母体上引入具有AIE特性的电子给体/受体基团，将传统的近红外分子从ACQ分子转变为AIE分子；该荧光染料聚集态下最大荧光强度可增强12.5倍，在近红外区域表现出优越的聚集诱导发光(AIE)效应；使其在发光材料、生物荧光成像、化学传感器、光动力治疗等众多领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料(III)的紫外-可见吸收光谱图；

图2是具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料(III)的荧光发射光谱图；

图3为具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料(III)在不同比例的DMSO/水混合溶液中的荧光发射光谱图；

图4为具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料(III)在不同比例的DMSO/水混合溶液中的荧光强度增强倍数(以荧光染料在纯DMSO溶液中的发射强度I₀作为对比)。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明做进一步的说明。

用¹H-NMR、MALDI-TOF-MS表征并证实具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料的结构。检测所用仪器为：Bruker ARX400型核磁共振仪，Bruker ARX600型核磁共振仪(均用氘代氯仿为溶剂)，岛津UV-3100型紫外-可见分光光度计(扫描范围300～900nm，光路狭缝2nm)，荧光光谱用美国Amico Bowman Series 2 Luminescence Spectrometer测试。

实施例1化合物(II)的制备

在无水条件下，将对苯二甲醛(80mg，0.6mmol)与BODIPY衍生物(I)(672mg，1.4mmol)溶解于甲醇和二氯甲烷(v/v，16mL/8mL)的混合溶液，向其中滴加甲醇钠的甲醇溶液(1M，6mL)，滴加结束后在室温下反应6小时。加水淬灭反应，用二氯甲烷萃取，有机层经无水硫酸钠干燥、减压蒸除溶剂后经硅胶柱层析分离提纯，洗脱剂为二氯甲烷-石油醚(v∶v＝9∶1)，得到化合物(II)(244mg，38％)。¹H NMR(400MHz，CDCl₃)：δ7.91(s，4H)，7.38-7.39(d，J＝3.6Hz，2H)，7.28(s，2H)，6.97(s，4H)，6.83-6.84(d，J＝3.6Hz，2H)，6.04(s，2H)，2.64(s，6H)，2.60(s，6H)，2.34(s，6H)，2.13(s，12H)，1.44(s，6H)，1.41(s，6H)。

实施例2具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料(III)的制备

在无水条件下，将化合物(II)(214mg，0.2mmol)、4-(二苯氨基)苯甲醛(328mg，1.2mmol)和新干燥的对甲苯磺酸(17mg，0.1mmol)加入100mL的两颈反应瓶，配备Dean-Stark装置，然后加入10mL甲苯和0.2mL哌啶，搅拌加热到回流5小时；反应结束后冷却至室温，二氯甲烷萃取，水洗、干燥，减压蒸干溶剂后经硅胶柱层析分离提纯，洗脱剂为二氯甲烷-石油醚(v∶v＝2∶3)，得到具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料(III)(200mg，48％)。¹H NMR(600MHz，CDCl₃)：δ7.91(s，4H)，7.55-7.63(m，4H)，7.47-7.48(d，J＝8.4Hz，4H)，7.42(d，J＝3.6Hz，2H)，7.27-7.30(t，J＝7.8Hz，12H)，7.26(s，4H)，7.23-7.24(d，J＝7.8Hz，8H)，7.13-7.14(d，J＝7.8Hz，8H)，7.07-7.09(t，J＝8.4Hz，12H)，7.02-7.04(m，8H)，6.97(s，8H)，6.93(d，J＝3.6Hz，2H)，6.78-6.80(m，2H)，6.67(s，2H)，2.34(s，6H)，2.16(s，12H)，1.46(s，6H)，1.33(s，6H)。UV-vis：354nm，427nm，506nm，697nm(图1)；EmissionWavelength：767nm(图2)；MALDI-TOF-MS：calculated for C₁₄₀H₁₁₀B₂F₄N₁₀S₂：2092.848，found：2093.269[M+H]⁺。

实施例3具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料(III)溶液紫外-可见吸收光谱

将具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料(III)溶于二氯甲烷中，配置成浓度为1×10^-5mol/L二氯甲烷溶液，测定其紫外-可见吸收光谱。图1为本发明实施例2制备的荧光染料(III)溶液紫外-可见吸收光谱。

实施例4具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料(III)溶液荧光发射光谱

将具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料(III)溶于二氯甲烷中，配置成浓度为1×10^-5mol/L二氯甲烷溶液，测定其荧光发射光谱。图2为本发明实施例2制备的荧光染料(III)溶液荧光光谱。

实施例5双BODIPY类近红外荧光染料(III)的AIE效应

将双BODIPY类近红外荧光染料(III)溶于DMSO中，配置成浓度为1×10^-3mol/L的储备液。取10份储备液，分别加入不同比例的DMSO/水溶液稀释至3mL。其中蒸馏水含量分别为90％，80％，70％，60％，50％，40％，30％，20％，10％，0％；在710nm激发波长下测定其荧光发射光谱的变化过程。由图3可以看出，水体积分数为10％的溶液荧光强度略低于纯DMSO溶液中的荧光强度，当进一步增加体系的水体积分数时，荧光强度显著提高。当水的比例增加到90％时，荧光强度达到最大值，增强12.5倍。图4为本发明实施例2制备的荧光染料(III)在不同水含量的溶液体系下荧光强度增强倍数(I₀表示纯DMSO时的荧光强度)。

Claims

1.一种具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料(III)，其特征在于，其结构式如式(III)所示：

2.权利要求1所述的一种具有AIE效应的)双BODIPY类近红外荧光染料(III)的制备方法，其特征在于，所述的制备方法为：先用BODIPY衍生物(I)与对苯二甲醛发生Knoevenagel缩合反应得到化合物(II)，再用化合物(II)与4-(二苯氨基)苯甲醛发生Knoevenagel缩合反应得到具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料(III)，该制备过程的反应式如下：

3.根据权利要求2所述的一种具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料(III)的制备方法，其特征在于，所属特征方法包括以下步骤：

1)在无水条件下，将对苯二甲醛与BODIPY衍生物(I)溶解于一定比例的甲醇和二氯甲烷混合溶液，向其中滴加1M的甲醇钠的甲醇溶液，滴加结束后在室温下反应6～8小时；加水淬灭反应，用二氯甲烷萃取，有机层经无水硫酸钠干燥、减压蒸除溶剂后经硅胶柱层析分离提纯，洗脱剂为二氯甲烷-石油醚，得到化合物(II)；

2)在无水条件下，将化合物(II)、4-(二苯氨基)苯甲醛和新干燥的对甲苯磺酸加入100mL的两颈反应瓶，配备Dean-Stark装置，然后加入10mL甲苯溶解，并加入0.2mL哌啶作催化剂，搅拌加热到回流4～6小时；反应结束后冷却至室温，二氯甲烷萃取，水洗、干燥，减压蒸干溶剂后经硅胶柱层析分离提纯，洗脱剂为二氯甲烷-石油醚，得到具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料(III)。

4.根据权利要求3所述的一种具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料(III)的制备方法，其特征在于所述步骤1)中，对苯二甲醛、BODIPY衍生物(I)与甲醇钠的物质的量之比为1∶2.2～2.5∶8～10，甲醇与二氯甲烷的体积比为2∶1。

5.根据权利要求3所述的一种具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料(III)的制备方法，其特征在于所述步骤2)中，化合物(II)、对甲苯磺酸与4-(二苯氨基)苯甲醛物质的量之比为1∶0.5∶4.0～6.0，甲苯、哌啶与化合物(II)的体积与物质的量之比为50mL，1mL∶1mmol。

6.根据权利要求1或权利要求2至5任一项所述的制备方法制备的一种具有AIE效应的双BODIPY类近红外荧光染料(III)在发光材料、生物荧光成像、化学传感器、光动力治疗领域的用途，所述的用途不涉及疾病诊断或治疗。