成 昭，鄭 蕾，徐 玥，何 昊

（西安醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)院，陜西 西安 710021）

熒光材料與熒光分析方法，因其良好的光學(xué)性能、定性及定量分析特性，得到廣泛應(yīng)用。熒光材料光學(xué)特性與其分子結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，進(jìn)行材料熒光性能調(diào)控時，需綜合考慮分子剛性、平面性、共軛結(jié)構(gòu)與取代基等影響因素[1,2]。其中，基于平面大π 鍵結(jié)構(gòu)的剛性分子骨架，進(jìn)行取代基修飾，對材料的熒光性能影響顯著，相關(guān)研究工作屢見報道[3-5]。實際工作中，主要依靠給電子、吸電子取代基引入，實現(xiàn)材料的熒光性能調(diào)控。其中，給電子基團(tuán)-OH、-OR、-NR2等，因p-π 共軛作用形成，使電子共軛程度增強(qiáng)、電子云密度增大，材料熒光性能隨之增強(qiáng)，一般還伴隨著熒光材料的熒光發(fā)射波長紅移、熒光量子產(chǎn)率增大。當(dāng)吸電子基團(tuán)-COOH、-NO2、-X 等被引入分子時，則使電子共軛程度降低、電子云密度減小，材料熒光減弱。

本文設(shè)計合成BAPTA 受體熒光材料S15、S16、S17 時，分別在其熒光發(fā)色團(tuán)的雜環(huán)結(jié)構(gòu)中引入吸電子取代基4-NO2、合成得到S17，引入給電子取代基N-CH3、得到S16，期望調(diào)控S16 與S17 的電子云密度及熒光性能。作為最小的烷基與給電子取代基，甲基的引入不會造成較大空間位阻[6,7]，而甲基引入雜環(huán)后顯著的共軛與超共軛作用，預(yù)期將使S17 的熒光性能顯著增強(qiáng)，硝基對S16 的影響則反之。此外，綜合比較單發(fā)色團(tuán)熒光材料鈣綠-1 與相應(yīng)雙發(fā)色團(tuán)材料鈣綠-2 的結(jié)構(gòu)及性能[8]，發(fā)現(xiàn)雙發(fā)色團(tuán)致使熒光增強(qiáng)，因此，本文亦合成具有苯并咪唑雙發(fā)色團(tuán)的熒光材料S15，以單發(fā)色團(tuán)材料S16 與S17 為對照、研究S15 的熒光性能增效。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

鄰硝基酚、1-溴-2-氯乙烷、溴乙酸甲酯、鄰苯二胺、N-甲基鄰苯二胺、4-硝基鄰苯二胺、無水K2CO3、還原鐵粉，均為化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、石油醚，均為化學(xué)純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司。

XT-4 型顯微熔點儀（北京泰克）；TENSOR T-27型傅里葉變換紅外光譜儀（美國布魯克）；AVANCE III 400MHz 型超導(dǎo)核磁共振波譜儀（美國布魯克）；microTOF-QⅡESI-Q-TOF LC/MS/MS 型飛行時間-質(zhì)聯(lián)儀（美國布魯克）；LS-55 型熒光分光光度計（美國鉑金埃爾默）。

1.2 實驗方法

基于前期研究工作中合成得到的熒光材料S11結(jié)構(gòu)，針對材料發(fā)色團(tuán)的熒光基團(tuán)數(shù)目、電子云密度、分子剛性等結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行差異性設(shè)計，以鄰硝基酚、1-溴-2-氯乙烷、溴乙酸甲酯、鄰苯二胺、N-甲基鄰苯二胺、4-硝基鄰苯二胺等為原料，經(jīng)6 步合成得到3 種新型BAPTA 受熒光材料1,2-二（2-氨基-5-苯并咪唑基苯氧基）乙烷-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（S15）、2-[2-（2-氨基苯氧基）乙氧基]-4-（N-甲基苯并咪唑基）苯胺-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（S16）、2-[2-（2-氨基苯氧基）乙氧基]-4-（4-硝基苯并咪唑基）苯胺-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（S17），合成路線見圖1、2。

圖1 BAPTA 受體熒光材料S15 的合成路線Fig.1 Synthetic route of BAPTA fluorescent material S15

圖2 BAPTA 受體熒光材料S16、S17 的合成路線Fig.2 Synthetic route of BAPTA fluorescent materials S16 and S17

1.3 1,2-二（2-氨基-5-苯并咪唑基苯氧基）乙烷-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（S15）的合成

1.3.1 2-（2-氯乙氧基）-硝基苯（化合物1）的合成 將鄰硝基酚（1.39g, 0.01mol）、1-溴-2-氯乙烷（4.30g,0.03mol）與無水K2CO3（2.07g, 0.015mol）均勻分散于DMF（8mL）中，120℃反應(yīng)5h。待反應(yīng)結(jié)束、冷卻，加入20mL 乙酸乙酯稀釋、水洗（10mL×3）、旋干，以甲醇-水重結(jié)晶，得到黃色固體1，產(chǎn)率93%，m.p.36～37℃。1H NMR（CDCl3，400MHz），δ：7.85（d, J=8Hz,1H, ArH），7.53～7.57（m, 1H, ArH），7.04～7.23（m,2H, ArH），4.40（t, J=12Hz, 2H, -CH2O-），3.86（t, J=12Hz, 2H, -CH2Cl）。IR（KBr），ν，cm-1：2972.34，2926.51，2875.20（νC-H）；1608.27，1484.98（νC=C）；1522.27，1343.29（ν-NO2）；1247.30，1026.00（νC-O-C）；745.61，667.76（δ=C-H）。

1.3.2 1,2-二（2-硝基苯氧基）乙烷（化合物2）的合成 將化合物1（2.01g, 0.01mol）、鄰硝基酚（1.39g,0.01mol）與無水K2CO3（2.50g, 0.018mol）均勻分散于DMF（10mL）中，140℃反應(yīng)4h。待反應(yīng)結(jié)束、冷卻，加入20mL 冰水，經(jīng)抽濾、水洗（10mL×3）、甲醇-水重結(jié)晶，得到黃色固體2，產(chǎn)率為95%，m.p.168～169℃。1H NMR（CDCl3，400MHz），δ：7.83（d, J=8Hz,2H, ArH），7.57（t, J=8Hz, 2H, ArH），7.24（t, J=8Hz,2H, ArH），7.08（t, J=8Hz, 2H, ArH），4.54（s, 4H,-OCH2CH2O-）。IR（KBr），ν，cm-1：3051.66（ν=C-H）；2956.13，2931.93，2873.61，2760.34（νC-H）；1606.92，1582.83，1484.65（νC=C）；1518.56，1359.96（νNO2）；1278.08，1090.66（νC-O）；744.19，671.99（δ=C-H）。

1.3.3 1,2-二（2-氨基苯氧基）乙烷（化合物3）的合成 將濃HCl（0.2mL）、無水乙醇（10mL）、還原鐵粉（3.36g, 0.06mol）混合均勻，80℃反應(yīng)30min，再向其中分批加入化合物2（3.04g, 0.01mol），80℃反應(yīng)4h。待反應(yīng)結(jié)束，向其中趁熱加入15% KOH-乙醇、至pH 值為7～8，濾除鐵粉，向濾液中加入6mol·L-1H2SO4，將硫酸鹽沉淀過濾并溶于熱水，再加入飽和NaOH 至pH 值為9～10，冷卻、抽濾、甲醇重結(jié)晶，得到白色固體3，產(chǎn)率88%，m.p.116～117℃。1H NMR（CDCl3，400MHz），δ：6.91～7.04（m, 8H, Ar-H），4.36（s, 4H, -OCH2CH2O-），3.82（s, 4H, 2×-NH2）。IR（KBr），ν，cm-1：3432.36，3355.57（νN-H）；3059.23（ν=C-H）；2934.32（νC-H）；1612.32，1507.94（νC=C）；1276.75，1217.40（νC-O）；941.92，739.95（δ=C-H）。

1.3.4 1,2-二（2-氨基苯氧基）乙烷-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（化合物4）的合成 將化合物3（2.44g,0.01mol）、二異丙基乙胺（6mL, 0.05mol）與溴乙酸甲酯（3mL,0.05mol）均勻混合于乙腈（10mL）中，80℃反應(yīng)12h。待反應(yīng)結(jié)束、冷卻，向其中加入20mL 乙酸乙酯，抽濾、旋干、得到黃色油狀物，加入少量甲醇、攪拌6h，抽濾、甲醇重結(jié)晶，得到白色固體4，產(chǎn)率87%，m.p.94～95℃。1H NMR（CDCl3，400MHz），δ：6.82～6.89（m, 8H, Ar-H），4.27（s, 4H, -OCH2CH2O-），4.15（s,8H, 4×-CH2-），3.56（s, 12H, 4×-CH3）。IR（KBr），ν，cm-1：3067.78（ν=C-H）；2993.00，2951.29，2921.02，2888.20（νC-H）；1748.17（νC=O）；1596.85，1509.53（νC=C）；1173.12（νC-O）；742.49，706.25（δ=C-H）。

1.3.5 1,2-二（2-氨基-5-甲?；窖趸┮彝?N,N,N',N'-四乙酸甲酯（化合物6）的合成 5～10℃，將POCl3（9.6mL）于40～45min 內(nèi)滴加至DMF（20mL）中，再將化合物4（5.32g, 0.01mol）的DMF 溶液滴加至上述POCl3/DMF 混合物中，75℃反應(yīng)4h。待反應(yīng)完全、冷卻，加入100mL 冰水、抽濾，柱分離，V乙酸乙酯∶V正己烷=2∶1 為洗脫劑，得到黃色固體6，產(chǎn)率90%，m.p.145～146℃。1H NMR（CDCl3, 400 MHz），δ：9.80（s,2H,2×-CHO），7.37～7.40（m, 4H, Ar-H），6.76（d, J=8Hz, 2H,Ar-H），4.31（s, 4H, 2×-OCH2-），4.23（s, 8H, 4×-CH2COO-），3.58（s, 12H, 4×-CH3）。13C NMR（CDCl3,101MHz），δ：190.45，171.16，149.51，145.02，129.85，127.02，116.55，110.37，77.30，76.98，76.66，66.94，53.44，51.99。IR（KBr），ν，cm-1：2954.41（νC-H）；1747.19（νC=O）；1519.63（νC=C）；1168.65（νC-O）；786.81（δ=C-H）。ESI-MS，m/z：611.1848 [M+Na]+。

1.3.6 1,2-二（2-氨基-5-苯并咪唑基苯氧基）乙烷-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（S15）的合成 將化合物6（0.59g, 1mmol）與鄰苯二胺（0.22g, 2mmol）均勻混合于無水乙醇（10mL）中，78℃反應(yīng)4h，待反應(yīng)結(jié)束、冷卻、旋干，柱分離，V乙酸乙酯∶V正己烷=2∶1 為洗脫劑，得到黃色固體S15，產(chǎn)率為53%，m. p. 204～206℃。1H NMR（400MHz, CDCl3），δ：7.98（dd, J=8, 4.3Hz,4H, Ar-H），7.58～7.61（m, 2H, Ar-H），7.26（t, J=4.4Hz, 2H, Ar-H），6.87（d, J=8.6Hz, 2H, Ar-H），6.45（d, J=9.6Hz, 4H, Ar-H），3.85（s, 2H），3.24（s, 8H），2.60（s,12H），2.10（s,4H）。ESI-MS，m/z：765.2876[M+H]+。

1.4 S16 及S17 的合成

1.4.1 2-[2-（2-氨基苯氧基）乙氧基]-4-甲?；桨?N,N,N',N'-四乙酸甲酯（化合物5）的合成 5～10℃，向DMF（20mL）中緩慢滴加POCl3（2.4mL），于40～45min 內(nèi)滴加完全。將所得的POCl3/DMF 混合物在室溫下攪拌1～2h、混合均勻，再滴加至化合物4（5.32g, 0.01mol）的DMF（20mL）溶液中，75℃反應(yīng)4h。待反應(yīng)結(jié)束、冷卻，加入100mL 冰水、抽濾，柱分離，V乙酸乙酯∶V正己烷=1∶1 為洗脫劑，得到白色固體5，產(chǎn)率85%，m.p.131～132℃。1H NMR（CDCl3，400MHz），δ：9.80（s,1H,-CHO），7.37～7.40（m,2H,Ar-H），6.81～6.90（m, 4H, Ar-H），6.76（d, J=8.3Hz, 1H, Ar-H），4.31～4.32（m, 2H, -CH2O-），4.26～4.27（m, 2H,-OCH2-），4.24（s, 4H, 2×-CH2-），4.15（s, 4H, 2×-CH2-），3.57（d, J=4.5Hz, 12H, 4×-CH3）。13C NMR（CDCl3，100MHz），δ：190.47，171.92，171.22，150.12，149.64，145.00，139.27，129.89，126.71，122.17，121.59，118.93，116.49，112.85，110.51，76.98，76.66，67.25，66.64，53.33，51.95，51.76。IR（KBr），ν，cm-1：3015.76（ν=C-H）；2954.95，2928.97（νC-H）；1746.40（νOC=O）；1681.01（νHC=O）；1 593.97，1509.15（νC=C）；1245.85，1164.87（νC-O）；747.14（δ=C-H）。ESI-MS，m/z：583.1894[M+Na]+。

1.4.2 S16 及S17 的合成 合成方法類似于S15，2-[2-（2-氨基苯氧基）乙氧基]-4-甲酰基苯胺-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（化合物5）的用量為0.56g、1mmol，N-甲基鄰苯二胺或4-硝基鄰苯二胺的用量分別為0.12g、1mmol，0.16g、1mmol。V乙酸乙酯∶V正己烷=2∶1 為柱分離洗脫劑。

2-[2-（2-氨基苯氧基）乙氧基]-4-（N-甲基苯并咪唑基）苯胺-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（S16）：黃色固體，產(chǎn)率68%，m. p.122～123℃。1H NMR（400MHz,CDCl3），δ：7.92～7.94（m, 1H, Ar-H），7.46（d, J=7.0Hz,1H, Ar-H），7.37～7.39（m, 2H, Ar-H），7.37（dd, J=6.3,2.8Hz, 2H, Ar-H），6.83～6.92（m, 5H, Ar-H），4.41（s,3H,-CH3），4.24（s,6H,2×-CH3），4.15（s,6H,2×-CH3），3.92（s, 4H, 2×-CH2-），3.58（s, 4H, 2×-CH2-），2.07（s,2H,-OCH2-），2.04（s,2H,-OCH2-）。IR（KBr），ν，cm-1：3393.08（νN-H）；2951.93，2924.81（νC-H）；1745.82（νC=O）；1603.47，1508.99，1455.33（νC=C, νN=H）；1172.28（νC-O）；741.63（δ=C-H）。ESI-MS，m/z：663.2664[M+H]+。

2-[2-（2-氨基苯氧基）乙氧基]-4-（4-硝基苯并咪唑基）苯胺-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（S17）：紅色固體，產(chǎn)率70%，m. p.165～167℃。1H NMR（400MHz,CDCl3），δ：8.49（s, 1H, Ar-H），8.20（dd, J=8.9, 2.0Hz,1H, Ar-H），7.98（s, 2H, Ar-H），7.76（s, 1H, Ar-H），7.68（t, J=8.6Hz, 2H, Ar-H），6.84～6.88（m, 3H, Ar-H），4.41（s, 1H, -NH-），4.25（s, 4H, 2×-CH2-），4.13（s, 4H, 2×-CH2-），2.99（s, 6H, 2×-CH3），2.86（s, 6H,2×-CH3），2.01（s, 2H, -OCH2-），1.99（s, 2H, -OCH2-）。IR（KBr），ν，cm-1：3374.15（νN-H）；2999.98，2950.10（νC-H）；1744.32（νC=O）；1603.59，1507.13（νC=C）；1171.49（νC-O）；742.12（δ=C-H）。ESI-MS，m/z：716.2172[M+Na]+。

1.5 結(jié)構(gòu)表征

合成中間產(chǎn)物經(jīng)IR 與1H NMR 表征，均與文獻(xiàn)相符。另由熒光材料S15、S16、S17 的1H NMR、IR 與MS 等表征數(shù)據(jù)可知，其結(jié)構(gòu)正確，經(jīng)合成引入的官能團(tuán)羰基、醚鍵等均呈現(xiàn)其特征吸收，特征氫位移均能由1H NMR 進(jìn)行歸屬，符合實驗預(yù)期的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可進(jìn)行進(jìn)一步的光學(xué)性質(zhì)研究。

IR 采用溴化鉀壓片法對各步合成產(chǎn)物進(jìn)行IR 測試，波數(shù)范圍4000～400cm-1。

1H NMR 以四甲基硅為內(nèi)標(biāo)、CDCl3為溶劑，對各步合成產(chǎn)物進(jìn)行400MHz 的氫核磁及100MHz的碳核磁共振分析。

熒光分析 出射與入射狹縫寬度均為1nm，波長范圍300～550nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 熒光材料S15、S16、S17 的熒光光譜

配制濃度為1×10-5mol·L-1的S15、S16、S17 水溶液，進(jìn)行300～550nm 波段熒光光譜掃描，熒光材料S16、S17 的熒光光譜見圖3。

圖3 熒光材料S16、S17 的熒光光譜Fig.3 Fluorescent spectra of fluorescent materials S16 and S17

由圖3 可知，因熒光發(fā)色團(tuán)電子云密度的差異，分子中設(shè)計引入給電子基團(tuán)-CH3的S16，相較于引入吸電子基團(tuán)-NO2的S17，熒光譜峰顯著紅移[9,10]。測定顯示，S16 的λmax=416nm，而引入-NO2，致使熒光發(fā)色團(tuán)中電子云密度較小的S17，其λmax=368nm，熒光強(qiáng)度亦相對較弱。

圖4 為熒光材料S15、S16 的熒光光譜。

圖4 熒光材料S15、S16 的熒光光譜Fig.4 Fluorescent spectra of fluorescent materials S15 and S16

由圖4 可知，具有雙發(fā)色團(tuán)結(jié)構(gòu)的熒光材料S15（λmax=397nm），相比單發(fā)色團(tuán)結(jié)構(gòu)的S16 分子，熒光強(qiáng)度幾乎達(dá)到2 倍增幅。由此可見，雙發(fā)色團(tuán)的結(jié)構(gòu)修飾對熒光材料光學(xué)性能影響顯著。

2.2 苯并咪唑縮合反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理

圖5 為苯并咪唑縮合反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理。

圖5 苯并咪唑縮合反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理Fig.5 Reaction mechanism of the benzimidazole condensation

S15、S16、S17 合成路徑中的苯并咪唑縮合反應(yīng)，以取代鄰苯二胺與芳香醛（S16、S17 制備路徑中的化合物5，或S15 制備路徑中的化合物6）為反應(yīng)物。經(jīng)反應(yīng)溫度考察，顯示低溫冰浴條件下進(jìn)行該縮合反應(yīng)時，反應(yīng)進(jìn)行4h 時，產(chǎn)物為油狀物（a），而放置數(shù)天后，油狀物發(fā)生性狀的明顯改變，得到新的黃色固體產(chǎn)物（b，即S16）。進(jìn)一步分析化合物（a）、（b）的紫外-可見與紅外光譜，譜圖均顯示特征譜帶的差異。其中，紫外-可見光譜中，化合物（a）的吸收譜帶峰值分別位于307.0、294.5、248.0 以及212.0nm，而（b）的吸收譜帶峰值為291.0、245.0 和212.0nm。紅外光譜中，（a）的特征吸收譜帶為3066.8cm-1（ν=C-H）、1681.8cm-1（νN=H）、1030.1cm-1（νC-O-C），而（b）的氮氫伸縮振動處于1455.3cm-1（νN=H），較化合物（a）紅移227cm-1。綜合光譜分析結(jié)果，推測中間產(chǎn)物（a）為席夫堿，（b）為縮合反應(yīng)產(chǎn)物苯并咪唑（圖5），化合物（b）紅外光譜特征氮氫伸縮振動νN=H的紅移，可能是由于咪唑環(huán)上的碳氮鍵介于碳氮單鍵與碳氮雙鍵之間，相比碳氮單鍵有所紅移。此外，參考文獻(xiàn)報道[11]，苯并咪唑縮合產(chǎn)物受反應(yīng)熱力學(xué)與動力學(xué)因素影響較大[12,13]，席夫堿產(chǎn)物（a）是速率產(chǎn)物與熱力學(xué)產(chǎn)物，在反應(yīng)中先生成，低溫條件亦可穩(wěn)定存在；苯并咪唑縮合產(chǎn)物（b）較（a）席夫堿產(chǎn)物穩(wěn)定，經(jīng)反應(yīng)溫度升高或反應(yīng)時間延長而得到。反應(yīng)發(fā)生時，芳香醛與鄰苯二胺衍生物先加成后消去、給出席夫堿產(chǎn)物，繼而發(fā)生關(guān)環(huán)、得到苯并咪唑縮合產(chǎn)物。為得到目標(biāo)產(chǎn)物（b），經(jīng)反應(yīng)溫度與溶劑選擇，最終確定該縮合反應(yīng)的最優(yōu)反應(yīng)條件為無水乙醇反應(yīng)體系、78℃下進(jìn)行回流反應(yīng)，反應(yīng)時長4h。

3 結(jié)論

通過縮合反應(yīng)，將經(jīng)典的BAPTA 受體與苯并咪唑類熒光發(fā)色團(tuán)相連接，同時，設(shè)計引入吸電子基團(tuán)-NO2、給電子基團(tuán)-CH3，設(shè)計引入雙發(fā)色團(tuán)結(jié)構(gòu)，借以調(diào)控苯環(huán)電子云密度與材料熒光強(qiáng)度，調(diào)控BAPTA 受體與目標(biāo)物的結(jié)合能力?；谏鲜龅牟町愋越Y(jié)構(gòu)構(gòu)筑，合成得到3 種熒光材料S15、S16、S17。光譜研究顯示，吸電子基團(tuán)-NO2與給電子基團(tuán)-CH3對S16、S17 的熒光性能產(chǎn)生了一定影響，給電子基團(tuán)-CH3的引入使S16 結(jié)構(gòu)中苯環(huán)電子云密度增大，使其紫外-可見與熒光光譜相較于S17，出現(xiàn)最大吸收與發(fā)射波長向長波方向的紅移。此外，分子中引入雙發(fā)色團(tuán)結(jié)構(gòu)的熒光材料S15，熒光強(qiáng)度明顯優(yōu)于僅具有單發(fā)色團(tuán)S16、S17，符合預(yù)期結(jié)構(gòu)設(shè)計。這種差異性結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的合成設(shè)計，實現(xiàn)了對熒光材料光學(xué)性能的有效調(diào)控，能夠為新型光學(xué)材料的開發(fā)提供一定研究基礎(chǔ)。