田華-1120112828-吩嗪衍生物熒光探針分子的合成與表征

1、北京理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）畢業(yè)設計（論文）題目： 吩嗪衍生物熒光探針分子的合成與表征學 院： 化學學院 專 業(yè)： 應用化學 班 級： 19111101 姓 名： 田華 指導教師： 張汝波 校外指導教師： 無 33摘要兩個新型近紅外氰化物陰離子熒光探針基于5,10-二己基-5,10-二氫吩嗪已經(jīng)被設計并合成出來。帶有二氰基乙烯基作為識別位點和電子捕獲在兩側，探針1展示了一個分子內(nèi)的電子轉(zhuǎn)移吸收譜帶在545nm處，和一個發(fā)射譜帶在730nm處，這樣，在雙側與氰化物陰離子在CH3CN反應后就會出現(xiàn)一個分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移阻礙并且實現(xiàn)開關。探針2利用不活潑的甲?；鶊F來代替兩個活性二氰基乙烯基中的一個

2、作為電子捕獲基團。由于單側的ICT識別過程，探針2被重定向并產(chǎn)生一個標志性的比色和比率計在近紅外區(qū)域熒光響應為青色。兩個探針都具有著高度的靈敏性和選擇性，可以產(chǎn)生被肉眼觀察到的明顯的響應信息，甚至在多種陰離子的共同組合中。光學的光譜技術、NMR滴定測量手段以及功能密度理論計算都被使用來推斷探針檢測機理。ABSTRACT目錄摘要1ABSTRACT1第1章 緒論4引言41.1 熒光探針41.2 熒光探針的響應機理61.21 光致電子轉(zhuǎn)移機理（ PET機理）61.22 分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移機理（ICT機理）81.3 熒光探針分子的設計原則101.4 硫醇檢測探針的發(fā)展和現(xiàn)狀10第2章 實驗清單132.1

3、實驗試劑132.2 實驗儀器15第3章 實驗部分152.2 探針分子1的合成152.21 5,10-二氫吩嗪的合成152.23 5,10-二己基-5,10-二氫吩嗪-2-甲醛 （7）的合成172.24 5,10-二己基-5,10-二氫吩嗪-2-二氰基乙烯(探針分子1)的合成182.3 探針分子2的合成192.31 5,10-二氫吩嗪的合成192.32 5,10-二己基-5,10-二氫吩嗪的合成192.33 5,10-二己基-5,10-二氫吩嗪-2,7-二甲醛 (8)的合成192.34 7-甲酰基-5,10-二己基-5,10-二氫吩嗪-2-氰基乙烯 (10)的合成202.35 7-氰基羧基乙烯基

4、-5,10-二己基-5,10-二氫吩嗪-2-二氰基乙烯（探針分子2）的合成21第3章 結果與討論223.1 分子的合成與設計223.2 探針1對CN-的光學響應233.3 探針2對氰離子的光學響應26附錄A 目標分子的1H-NMR圖、13C-NMR圖、EI-MS圖30第1章 緒論引言近期，熒光檢測特別是使用有機小分子熒光探針已經(jīng)吸引了世界范圍內(nèi)廣泛的注意。因為這些小分子探針不僅僅能夠簡單快速的進行檢測，而且小分子探針具有著高靈敏度以及低費用的優(yōu)勢。因此，大量的研究都在致力于熒光探針對硫醇的檢測，并且產(chǎn)生了豐碩的成果，在過去的二十年里，許多對硫醇反應并且具有選擇性的熒光探針已經(jīng)被合成出來。1.1

5、 熒光探針在當今世界上，很多現(xiàn)代化技術都依賴于靈敏的檢測分析技術。這對于環(huán)境科學，藥物學，生物學等等都有著很重有的意義.使用有機分子在紫外和可見光區(qū)進行非熒光熒光標記或者檢測，在某些領域是一種很重要的檢測手段1。然而在最近的幾十年里，基于熒光技術的檢測已經(jīng)獲得了世界的廣泛關注。經(jīng)過世界范圍內(nèi)科學工作者們幾十年的努力，不但在熒光素的合成方面有了重大的進展，而且在熒光設備方面也有了很大的發(fā)展。熒光在生命體系中已經(jīng)占據(jù)了不可估計的地位，被廣泛的應用到了DNA檢測，細胞內(nèi)氨基酸檢測，病情檢測，機理分析等等。熒光檢測之所以對于生物學而言有著很重要的地位，因為通過物質(zhì)材料的比率變化或者化合物的吸收或者熒光

6、的改變，從紫外區(qū)到近紅外區(qū)的電磁波譜可以得到很多重要的信息。而如何進行檢測，怎樣進行檢測，并且通過檢測獲得哪些相應的信息，這些都是要通過熒光探針來進行。熒光探針，簡單的說就是一種把化學信息轉(zhuǎn)變光學信息的分子裝置。這里的光學信息自然也就是指熒光光譜信號，光學信號更容易被接收，進而使人們能夠獲得特定的信息。所有的熒光探針都基于三個可以通過設計好確定的應用來組合在一起的組分。即熒光團（fluorophore）、連接體部分(spacer)和受體(receptor)。熒光團是吸收光能量的部分。熒光部分相當于天線的作用，決定了探針分子的靈敏性，電子在適宜波長光照條件下，吸收光子，并產(chǎn)生能級躍遷，到達激發(fā)態(tài)

7、；連接體部分大多為烷基鏈，使得熒光團和受體部分分開；而受體則是決定了探針分子的選擇特異性，通過與分析物進行特異性反應，從而達到檢測的效果。熒光的產(chǎn)生大多需要經(jīng)過幾個過程，一是吸收，二是弛豫，三是熒光發(fā)射44。在這里我們只考慮共軛結構下的情況。當共軛分子在一個合適波長的光照射下，位于S0基態(tài)的電子吸收光子能量，躍遷到了激發(fā)態(tài)能級S1或者S2。這個過程很快，因此，分子來不及改變結構，但是當進行熒光發(fā)射就沒有這么快了。處在S1或S2能級的電子并不能夠立刻回到基態(tài)，而是會經(jīng)過一個中間過程，即弛豫。這個過程是一個趨于穩(wěn)定的過程，在這個過程中，分子的結構可能會發(fā)生改變。對于處在激發(fā)態(tài)S2能級的電子，首先要

8、進行一個內(nèi)轉(zhuǎn)換，無輻射的躍遷回到S1能級基態(tài)；而處在高能態(tài)的電子，也會躍遷回到S1能級基態(tài)。而對于S1態(tài)的電子，也會發(fā)生改變。這是因為熒光發(fā)射需要的時間，相對于熒光分子的溶劑化過程和分子的構型轉(zhuǎn)變過程，是超過這兩個過程所需要的時間的。所以，在S1能級的電子依然會因為和離子、分子的碰撞過程等等或者因為自旋軌道電子耦合，使得電子從單線態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定的三線態(tài)，能量降低。這個過程便是系間竄越，而通過系間竄越到達的三線態(tài)電子在躍遷回到電子的基態(tài)，這時發(fā)射的光變?yōu)榱坠狻Ｗ詈蟊闶菬晒獍l(fā)射的過程了。S1激發(fā)態(tài)電子躍遷回到基態(tài)，并發(fā)射光子，因為其間能量會有所損失，因此發(fā)射的光波的波長往往是出現(xiàn)紅移。有時也會出現(xiàn)

9、光譜變寬的情況，這是因為S1態(tài)電子躍遷到了S0態(tài)的振動基態(tài)，或者振動激發(fā)態(tài)，從而使得發(fā)射波長出現(xiàn)差異2。相比于傳統(tǒng)的檢測手段，熒光探針具有著很多的優(yōu)點。首先是靈敏度高，選擇性好。通過設計特定的基團，來進行選擇性檢測，而且相比于其他分子反應更加迅速。其次是使用方便，具有著低廉的成本。制備成探針往往具有著很好的穩(wěn)定性，能夠較好的存儲，能夠便捷的進行3。1.2 熒光探針的響應機理在分析化學中，熒光光譜由于其專一和靈敏性，已經(jīng)變?yōu)榱艘环N強有力的工具。隨著熒光素和分析物的反應，熒光壽命，量子產(chǎn)率和熒光強度都分別的發(fā)生改變。后者在現(xiàn)階段工作中被測量來證明探針和分析物的反應，建立一個標定點，或者確定反應的動

10、力學。兩種的機理將在下文中被描述。1.21 光致電子轉(zhuǎn)移機理（ PET機理）通常來講，光致電子轉(zhuǎn)移（PET）發(fā)生在當一個PET供體到一個激發(fā)態(tài)熒光素受體并且淬滅其熒光的情況下。熒光淬滅的產(chǎn)生有兩種情況，即外部因素和內(nèi)部因素。外部因素是當粒子間的發(fā)生碰撞等等。因為碰撞過程中熒光團的單線態(tài)激發(fā)電子與淬滅物質(zhì)的孤電子對發(fā)生了耦合，進而使得單線態(tài)電子轉(zhuǎn)變?yōu)榱巳€態(tài)，而三線態(tài)電子是比較穩(wěn)定的，不容易發(fā)生躍遷，這樣就使得量子產(chǎn)率降低，出現(xiàn)熒光淬滅。而內(nèi)部因素則正如其言，熒光分子自身的影響。例如，在熒光團上連上一些吸電子基團，氰基或者羧基等等，吸電子基團的引入會使得原分子HOMO和LUMO軌道之間出現(xiàn)新的軌

11、道。這個處在中間能級軌道的存在會使電子非輻射躍遷增加，引起量子產(chǎn)率的降低，出現(xiàn)熒光淬滅。再如，熒光基團上的氮等雜原子含有孤電子對，也可能造成和激發(fā)電子的耦合，變?yōu)檩^穩(wěn)定的三線態(tài)，造成熒光淬滅。下文中的PET機理、ICT機理等等都是分子內(nèi)部因素的影響。正如上文所說，所有的熒光探針都基于三個可以通過設計好確定的應用來組合在一起的組分。即熒光團、連接體部分和受體。一個熒光團起到了捕獲光子的天線的作用，并且作為電子的受體。染料分子的數(shù)量實際上是并不收限制的，并且覆蓋了整個的光譜范圍。這樣，熒光團的選擇通過需要的激發(fā)和發(fā)射波長來確定。而連接體部分則由至少一個亞甲基組成，作用是使得熒光團和受體分開。連接體

12、能夠在一個長的范圍內(nèi)促進PET效應。根據(jù)對熒光PET探針的調(diào)查，理想的亞甲基基團的數(shù)目是在三到四個之間。第三單元是受體（電子供體），這些與分析物鍵合或者發(fā)生了反應，因此改變了PET效率。分子的設計目的決定了受體單元的結構4,5,6。 PET探針在未鍵合時呈現(xiàn)較低或者沒有熒光，但是在鍵合或者發(fā)生了反應之后就會出現(xiàn)一個強熒光。基于這個原理，大多數(shù)PET探針都被用來設計為開關型熒光素7。圖一 分析物與受體鍵合后PET被打斷接下來，我們將具體以熒光素開關的機理來討論PET效應的原理。通常的講，未與分析物鍵合的受體承受著自由電子對，例如氮原子或者氧原子上的孤電子對。其中一個電子能夠躍遷到光激發(fā)生色團的未

13、占據(jù)HOMO軌道。反電子躍遷然后從生色團的激發(fā)態(tài)到受體的HOMO能級。這就導致了激發(fā)態(tài)的非輻射失活,熒光發(fā)生淬滅。如果一個分析物和受體鍵合，那么PET就被打斷，熒光出現(xiàn)（如圖1.2）。在大多數(shù)情況下，帶有自由電子對的供體是被移除或者被分析物以氧化8，9、共價鍵結合10或者非共價鍵結合的形式打斷。在自由態(tài)，受體的HOMO能級位于熒光素的HOMO和LUMO能級之間。和分析物反應后，受體把HOMO能級轉(zhuǎn)移到更低值，也更加穩(wěn)定。理想的是，能級比熒光素的HOMO能級更低。在這種情況下，PET效應完全是被抑制的（打開模式）11,12。根據(jù)HOMO/LUMO能級理論，受體和染料的氧化還原電勢的對比提供了關于

14、能級的信息。這是進行設計此類熒光探針的很有用的標準。Weller13已經(jīng)得到了一個預測PET效率的有效的途徑。在所有的情況下，PET發(fā)生的都很快，并且是可逆的。1.22 分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移機理（ICT機理）光譜性質(zhì)也能夠通過用分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移機理（ICT）來改變。通常，ICT熒光由供電基團和受電基團和中間共軛結構來組成。而且，該類探針包含有雜原子，這些也會帶來分子極性的變化，導致出現(xiàn)一個推拉式的極性結構。當分子由基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，便處于了一種能量高但是很不穩(wěn)定的狀態(tài)，很容易發(fā)生躍遷。而具有上述結構的探針分子，在被激發(fā)后，高能級激發(fā)態(tài)電子會轉(zhuǎn)移到受電基團上去，出現(xiàn)一個電荷分離的情況。當處于激發(fā)態(tài)時，偶極

15、矩會會隨著電子云的重新分配二增加，微環(huán)境的改變則能夠通過吸收或者發(fā)射光譜來檢測。ICT熒光探針對溶劑的極性敏感程度很高。熒光大多數(shù)情況下會隨著溶劑極性的增加而發(fā)生紅移，因為熒光探針和溶劑的偶極偶極反應會使得激發(fā)態(tài)變得穩(wěn)定，這樣也就降低了其能量，因此熒光的波長也就會變?yōu)樵介L，發(fā)生一個紅移。這也就使得能夠通過應用分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移熒光探針（ICT探針）的熒光波長在與分析物反應前后的光學變化來進行判斷和檢測14-19。為了增加目標物在測量環(huán)境中比溶劑分子使用電場更強的能力，ICT探針對于帶電的或者電中性的分析物來講需要額外的增加一個受體。聯(lián)合起來的熒光團-受體體系是最常見的結構，同時富有供電子和拉電子基

16、團。毫無疑問，吸收和發(fā)射的波長取決于受體的位置以及受體和分析物反應的位置。例如，當受體在供電子端相連時，當探針和待測物反應后會出現(xiàn)一個吸收和發(fā)射波長的藍移。正電的客體和熒光素的正電端之間的排斥力使得電子激發(fā)態(tài)S1變得不穩(wěn)定，即增加了其能量。藍移的寬度與離子的濃度有著直接的關聯(lián)，這也就使得能夠進行比率分析。相對比的是，當電子受體端連有離子受體時，熒光素會發(fā)生紅移。在ICT機理中，包含有一種特殊的情況，即扭曲分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（TICT）20。由于ICT的存在能夠使得偶極矩的大幅提高，對于有著特定結構的分子，例如用碳碳雙鍵來連接供受體的分子，很容易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)分子內(nèi)能量轉(zhuǎn)移，即TICT，形成熒光淬滅21。

17、例如山東大學Zhang課題組發(fā)表的DNA探針9E-BMVC就是通過TICT機理制備的22。圖1- DNA探針9E-BMVC該DNA探針有兩個吡啶基團離子作為強的拉電子基團，并且均通過碳碳雙鍵和咔唑母體相連。該化合物整體應該呈現(xiàn)一種平面結構，但是因為吡啶基團較強的極性而且當有溶劑時，偶極矩增大，雙鍵電子云向著吡啶偏移，因此雙鍵可以發(fā)生一定程度的扭轉(zhuǎn)，當有光子照射時，探針吸收能量處于激發(fā)態(tài)，扭轉(zhuǎn)的雙鍵會給電子躍遷提供一個非輻射躍遷通道，致使熒光效率降低，熒光很弱。當雙鍵與DNA反應后，非輻射躍遷通道不復存在，熒光增強。這便是DNA該探針的檢測機理。1.3 熒光探針分子的設計原則1.4 硫醇檢測探針

18、的發(fā)展和現(xiàn)狀生命體內(nèi)的小分子游離態(tài)例如氨基酸、單糖、生長激素等等在生命體機能的正常運轉(zhuǎn)過程中起著非常重要的作用。氨基酸，是蛋白質(zhì)的組成單元和一級結構；單糖包括葡萄糖、半乳糖等等，即不能再水解的糖，主體作用是為生命體提供能量；生長激素則是促進生命體生長發(fā)育的關鍵性物質(zhì)。故此，這些小分子物質(zhì)的含量或許小但卻是不可或缺的，而其含量的檢測也就有著非常重要的意義。細胞內(nèi)的各種細胞器由于其較大的尺寸，能夠在顯微鏡下直接觀察，但是這些游離態(tài)小分子不能。為此，人們建立起來了多種多樣的檢測方法和手段來進行測量。高效液相色譜、氣相色譜-質(zhì)譜法，電泳分離分析法，以及基于納米粒子的等離子體諧振檢測法等。但是以上這些方

19、法多少存在著對細胞的損傷并且操作相對繁雜，相比之下，運用熒光探針進行檢測顯得操作便捷、耗費較低而且對細胞破壞較小等等優(yōu)點，因此引起了廣泛的關注與研究。功能與結構息息相關，結構決定性質(zhì)。細胞內(nèi)小分子當然也不例外，作用多是由其結構組成所決定。硫醇類小分子含有很強親核性的巰基，而巰基的硫原子含有孤對電子，呈現(xiàn)較強的親核性，容易發(fā)生親核加成反應，或者與含有空軌道的金屬離子配位；巰基具有一定的還原性，所以容易被氧化為二硫鍵，二硫鍵則是連接肽鏈的重要部分，對于組成蛋白質(zhì)的回曲盤旋的結構有著非常的意義。細胞中硫醇類分子主要有谷胱甘肽（GSH），半胱氨酸（Cys），同型半胱氨酸（Hcy）等。其中分子結構如下：

20、圖 半胱氨酸（Cys）、同型半胱氨酸(Hcy)和谷胱甘肽(GSH)的結構半胱氨酸含有巰基，其參與的二硫鍵的形成對于形成蛋白質(zhì)的三四級結構有著密不可分的聯(lián)系。同時，半胱氨酸還有著調(diào)節(jié)細胞微環(huán)境中重金屬離子的作用，通過與這些金屬離子進行配位作用，在一定程度上避免了重金屬對人體的危害。當氨基酸在人體內(nèi)濃度失調(diào)時，會出現(xiàn)許多疾病。特別是同型半胱氨酸，雖然在人體內(nèi)濃度很低，但是對于心血管等疾病有著重要的影響。也因為這個緣故，我們可以通過測定半胱氨酸的濃度來進行判斷人體內(nèi)是否出現(xiàn)了問題，達到部分疾病診斷的效果。生物硫醇例如谷胱甘肽，半胱氨酸，同型半胱氨酸等在人體中扮演著非常重要的角色。生命體內(nèi)硫醇分子的含

21、量是和許多疾病緊密相連的，例如帕金森氏病、風濕性關節(jié)疼痛、冠心病、老年癡呆等。因此，發(fā)展一種便捷、快速而且高度選擇性的手段來監(jiān)測在生物細胞中氨基酸含量具有著重要的意義23。幾種檢測生物硫醇的分析手段已經(jīng)被報道，例如電化學手段和高效液相色譜（HPLC）24。然而，上述的轉(zhuǎn)化技術很是消耗時間，并且會產(chǎn)生昂貴的設備費用，這樣就對于日常檢測或醫(yī)療用途就不是一個合適的方法。比色分析很快并且很有效率，但是其靈敏度被對于那些有了寬的吸收范圍的硫醇并不是非常好25。一個熒光手段因為其高靈敏和特意選擇性是很能夠吸引人的，尤其是考慮到其跟蹤檢測的優(yōu)越性。這樣，就有巨大的努力都被投入到了靈敏特異性探針的研發(fā)中來。例

22、如基于香豆素的熒光探針的巰基檢測反應。Sippel合成了以香豆素為母體的巰基檢測探針，通過把馬來酰亞胺連接在香豆素上進行熒光淬滅，當加上硫醇后，發(fā)生邁克爾加成，從而恢復了熒光。目前人們使用了多種多樣的識別策略，例如邁克爾加成27-29，和醛的環(huán)化反應30,31，金屬絡合物識別32，以及磺胺類33,34、磺酸酯35,36、硫醇的二硫化物37的裂解?；诹虼荚斐傻牧呀鈾C理，多種多樣的熒光探針已經(jīng)被研制出來。這些多是以硫醇檢測為目的，通過使用不同的熒光團，例如香豆素、若丹明、熒光黃等等。為了獲得理想的能夠適用到生命體系中的生物硫醇探針，新種類的硫醇探針的研發(fā)依然在緊鑼密鼓中。第2章 實驗清單引言硫醇

23、類分子親核性較強，這使得小分子巰基化合物在細胞內(nèi)有著不可替代的作用。同時，這也為其檢測提供了手段和途徑。例如，巰基和，不飽和化合物發(fā)生邁克爾加成反應，進而制備得到巰基化合物檢測探針。2.1 實驗試劑序號試劑名稱純度生產(chǎn)廠家1吩嗪分析純2三氯氧磷分析純3N，N-二甲基甲酰胺分析純4溴己烷分析純上海通亞精細化工廠5四丁基氯化銨分析純6DMSO分析純7連二硫酸鈉分析純北京化工廠81,2-二氯乙烷分析純9對甲苯磺酸分析純10丙二腈分析純11三氯甲烷分析純北京化工廠12二氯甲烷分析純北京化工廠13乙二醇分析純14氰乙酸分析純北京百靈威化學技術有限公司15無水硫酸鈉分析純北京化工廠16石油醚分析純北京化工

24、廠17硅膠試劑純北京化工廠18乙酸銨分析純北京化工廠19氫化鈣分析純阿法埃莎(天津)化學有限公司20冰醋酸分析純北京化工廠21乙醚分析純北京化工廠22無水硫酸鎂分析純北京化工廠23濃硫酸分析純北京化工廠24氯化鈉分析純北京化工廠25石英砂分析純北京化工廠26無水乙醇分析純北京化工廠27乙酸乙酯分析純北京化工廠28氫氧化鈉分析純北京化工廠29甲苯分析純2.2 實驗儀器序號儀器型號生產(chǎn)廠家1核磁共振儀AV-400德國布魯克公司2質(zhì)譜儀BIFLEX III德國布魯克公司3熒光光度計RF-5301日本島津公司4紫外可見分光光度計TU-1901普析通用有限公司5電子天平JA1203B越平科學儀器公司6旋

25、轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀RE52CS上海亞榮生化儀器廠7手提式紫外分析儀UV-II炳洋科技有限公司注：N，N-二甲基甲酰胺(DMF)用氫化鈣除水并蒸餾后使用。所有其他的原料和反應物包括吩嗪直接購買得到，無需進一步的純化處理。第3章 實驗部分3.1 探針分子1的合成3.11 5,10-二氫吩嗪的合成取1.8g吩嗪用100ml乙醇溶解，先進行除空氣。然后在氮氣保護下，在三口瓶中進行加熱回流，待其完全溶解。加入18g Na2S2O4的水溶液（需要現(xiàn)用現(xiàn)配），繼續(xù)攪拌?？捎^察到，剛加入硫代硫酸鈉時，混合物立刻變成藍色，當繼續(xù)添加Na2S2O4，藍色逐漸消失，變?yōu)槿辄S色沉淀。此中使用大磁子。當沉淀量不再添加時，停止加熱

26、，冷卻至室溫。將氮氣保護下的產(chǎn)物冷卻至室溫或者更低時，用具有磨口的布氏漏斗進行抽濾。漏斗底部加NaOH的濃溶液，進行吸收產(chǎn)生的氣體。用水沖洗三次，抽濾，快速收取濾渣（淺黃色沉淀），避免在空氣中的氧化。3.12 5,10-二己基-5,10-二氫吩嗪的合成將濾渣轉(zhuǎn)移至單口圓底燒瓶中，加入3g NaOH，0.5g 四丁基氯化銨（作為相轉(zhuǎn)移催化劑），加入50ml DMSO。N2保護后，進行攪拌5min，使得完全溶解，設置溫度為45，冷凝回流。然后用針管加入一溴己烷 2ml，持續(xù)反應4小時。反應物冷卻至室溫，取出磁子，倒入大量水中（大于3倍的DMSO），攪拌后，用CH2Cl2萃取。有機相合并，用無水硫酸

27、鈉進行干燥，過濾，旋蒸去除溶劑38。圖譜數(shù)據(jù)：1H NMR (400 MHz, C6D6), (ppm): 6.69 6.63 (m, 4H), 6.28 6.21(m, 4H), 3.18 3.12 (m, 4H), 1.541.41 (m, 4H), 1.24 1.14 (m, 4H),1.12 1.03 (m, 8H), 0.86 0.83 (t, J = 7.2 Hz, 6H). 13C NMR (100MHz, C6D6), (ppm): 137.44, 121.12, 110.90, 45.32, 31.66, 26.71, 24.54, 22.92, 14.13. HRMS (E

28、SI, m/z) M + calcd for C24H34N2: 350.2722. Found: 350.27193.13 5,10-二己基-5,10-二氫吩嗪-2-甲醛 （7）的合成將上一步產(chǎn)物（2.47g，7.06mmol）溶于100ml 1,2-二氯乙烷中，加入到三口瓶中，中間口連上冷凝管，密封，充氮氣以排除氧氣。然后在N2環(huán)境下攪拌。反應器在冰浴中進行，緩慢滴加0.546 mlDMF和0.645 ml POCl3于溶液中?；旌衔镌诒∠聰嚢?.5h，然后轉(zhuǎn)移至油浴中，設置溫度為85，反應7h。冷卻至室溫。倒入冰水中后，繼續(xù)攪拌，用二氯甲烷進行萃取，干燥有機相。旋蒸后，粗產(chǎn)物用硅膠過柱

29、子，使用石油醚和CH2Cl2（2：1）作為洗脫劑來分離組分。圖譜數(shù)據(jù)：1H NMR(400 MHz, C6D6) (ppm): 9.66 (s,1H), 6.90(s,1H), 6.78(s,1H), 6.58(s,2H), 6.14(d,J=6.7Hz,2H), 5.93(d,J=7.7Hz,1H), 3.062.96(m,4H), 1.501.38(m,2H), 1.371.27(m,2H), 1.241.13 (m,4H), 1.111.01 (m,8H), 0.900.81(m,6H).13C NMR(100 MHz,C6D6) (ppm): 188.95,143.16,137.51,

30、136.57,135.09, 131.09,128.69,122.71,121.14,111.65,111.26,109.21,107.07,45.41,45.17, 31.51,26.52, 24.44,24.00,22.88,14.10. HRMS (ESI, m/z) M+ calcdfor C 25H34N2O: 378.2671. Found: 378.2673.3.14 5,10-二己基-5,10-二氫吩嗪-2-二氰基乙烯(探針分子1)的合成過量的丙二氰、乙酸銨的混合物和產(chǎn)物9溶于50ml甲苯中，在單口瓶中，除氧操作，在N2環(huán)境中反應6h，混合物傾入水中，用二氯甲烷進行萃取，并干燥

31、。粗產(chǎn)物使用硅膠，并用石油醚和CH2Cl2作為洗脫劑。產(chǎn)物為藍色。檢測其1H-NMR和13C-NMR。圖譜數(shù)據(jù)：1H NMR(400 MHz, DMSO-d6) (ppm): 7.80 (m,1H), 7.06-7.04(m,1H), 6.93(s,1H), 6.67(m,1H), 6.58(d,J=6.7Hz,1H), 6.47(m,1H), 6.35(m,2H), 1.50(4.5H) 1.37-1.30(m,13H), 0.90-0.85(m,6H).13C NMR(100 MHz,DMSO-d6) (ppm): 3.2 探針分子2的合成2.31 5,10-二氫吩嗪的合成 合成方法同2.

32、212.32 5,10-二己基-5,10-二氫吩嗪的合成合成方法同2.222.33 5,10-二己基-5,10-二氫吩嗪-2,7-二甲醛 (8)的合成將上一步產(chǎn)物（2.5g，7.06mmol）溶于100ml 1,2-二氯乙烷中，在三口燒瓶中，進行除氧操作。然后在N2環(huán)境下攪拌。反應器在冰浴中進行，緩慢滴加2.2ml DMF，2.6ml POCl3于溶液中?；旌衔镌?冰浴下攪拌0.5h，然后轉(zhuǎn)移至油浴中，設置溫度為85，反應7h。冷卻至室溫。倒入冰水中后，繼續(xù)攪拌，用二氯甲烷進行萃取，干燥有機相。旋蒸后，粗產(chǎn)物用硅膠過柱子，使用硅膠200-300目，并且石油醚和CH2Cl2（3：1）作為洗脫劑來

33、分離組分。產(chǎn)物為磚紅色。圖譜數(shù)據(jù)：1H NMR (400 MHz,CDCl3) (ppm): 9.60 (s, 2H), 7.11 (d, J = 7.8 Hz, 2H), 6.71 (s, 2H), 6.26 (d, J = 8.1 Hz, 2H), 3.43 (t, J = 8.0 Hz, 4H), 1.691.61 (m, 4H),1.481.35 (m, 12H), 0.94 (t, J = 7.0 Hz, 6H). 13C NMR (101 MHz,CDCl3) (ppm): 189.81, 142.52, 135.18, 130.17, 109.77, 108.25,45.77,

34、31.44, 26.47, 25.62, 24.15, 22.67, 14.01.2.34 7-甲酰基-5,10-二己基-5,10-二氫吩嗪-2-氰基乙烯 (10)的合成先進行單醛基保護（vi）：取三口燒瓶，將產(chǎn)物8（2g，4.9mmol）溶解于50ml甲苯中，加入乙二醇0.3ml，對甲苯磺酸0.01g（0.06mmol）使用分水器回流過夜，溫度設置為120，N2環(huán)境中反應。冷卻至室溫后，將混合物傾倒于10%的NaOH溶液中，用二氯甲烷進行萃取，干燥后得到產(chǎn)物9。上單個二氰基乙烯基（vii）：過量的丙二氰、乙酸銨的混合物和產(chǎn)物9溶于50ml甲苯中，在N2環(huán)境中反應6h。去醛基保護(viii)：

35、將反應后溶液倒入稀的鹽酸溶液中，用三氯甲烷進行萃取，并干燥。粗產(chǎn)物使用200-300目硅膠過柱色譜，其中洗脫劑為石油醚和CH2Cl2。得到純凈物10為灰褐色。中間產(chǎn)物10圖譜數(shù)據(jù)為：1HNMR (400 MHz, DMSO-d6) (ppm): 9.61 (s, 1H), 7.97 (s, 1H), 7.26 (dd, J1 = 8.2 Hz, J2 = 1.3 Hz, 1H), 7.20 (dd,J1 = 8.6 Hz, J2 = 1.6 Hz, 1H), 6.99 (d, J = 1.6 Hz, 1H), 6.77(d,J = 1.3Hz, 1H), 6.53 (d, J = 8.5 Hz

36、, 2H), 3.533.47 (t, 2H), 3.413.35 (t,2H), 1.571.47 (m, 4H), 1.441.36 (m, 4H), 1.361.29 (m, 8H),0.950.85 (m, 6H). 13C NMR (101 MHz, DMSO-d6) (ppm):190.07, 158.00, 142.75, 141.36, 134.19, 133.32, 132.73, 129.90, 129.55,124.61, 115.72, 114.98, 110.87, 110.71, 109.63, 108.63, 106.40, 71.57,54.89, 45.31,

37、 44.57, 30.99, 30.82, 25.54, 23.75, 23.57, 22.13, 22.09,13.85. HRMS (ESI, m/z) M + H+ calcd for C29H35N4O: 455.2811.Found: 455.2815. 2.35 7-氰基羧基乙烯基-5,10-二己基-5,10-二氫吩嗪-2-二氰基乙烯（探針分子2）的合成取產(chǎn)物10（0.7g，1.54mmol）于三口瓶中，然后加入氰乙酸0.66g，醋酸銨 0.81g，并加入60ml甲苯，N2保護，在磁子攪拌下放在油浴鍋中，加熱回流7h，設置溫度為120。過柱色譜，使用200-300目硅膠，用二氯甲烷

38、和乙酸乙酯（10:1）為洗脫劑進行過柱子分離。核磁數(shù)據(jù)為：1HNMR (400 MHz, DMSO-d6) (ppm): 7.91 (s, 1H), 7.82 (m, 1H), 7.20 (m, 3H), 6.95 (dd,J1 = 8.6 Hz, J2 = 1.6 Hz, 1H), 6.45 (d, J = 1.6 Hz, 2H), 2.81-3.96(m, 32H), 1.51 (s, 5H), 1.38-1.30 (m, 16H), 0.94-0.85 (m,8H). 13C NMR (101 MHz, DMSO-d6) (ppm):231.44, 132.936, 124.60, 10

39、9.30, 40.103, 39.893, 39.889, 39.479, 39.269, 39.060, 38.855, 30.980, 25.555, 22.153, 13.855.ESI-MS: m/z calcd. for C20H16N2S3 521, found: 521.6 (M+). 第3章 結果與討論3.1 分子的合成與設計我們的主意是利用巰基和二氰基乙烯基的親核反應作為檢測氨基酸的方法。為了這個目的，探針1和2被設計與合成出來。探針1包含了一個二氰基乙烯基和一個氰乙酸受體，并連接了兩個二氫吩嗪供體部分。與探針1兩個相同的受體不同的是，探針2有一個醛基和僅僅一個二氰基乙烯基作

40、為受體。兩個己基的出現(xiàn)改變了最初的電子缺乏的狀態(tài)，并呈現(xiàn)了富電子。在拉電子基團如兩個二氰基乙烯基或者醛基和二氰基乙烯基在碳3和碳8上連接后，分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移更加平穩(wěn)了。拉電子能力可以通過氰基調(diào)整。二氰基乙烯基在感應機理上通過探針1和2以及先前的產(chǎn)物8在乙腈溶液中的熒光發(fā)射譜來實現(xiàn)對比的。在加入氰離子前，探針1和2展現(xiàn)的近紅外發(fā)射峰在730nm和720nm處，相應的，化合物8展示了一個最大發(fā)射峰在620nm處。據(jù)我們所知，這些發(fā)射峰從ICT中出現(xiàn)，而ICT包含了電子供體和電子受體。當氰離子被加入乙腈溶液時，探針2一個在發(fā)射光譜的激發(fā)轉(zhuǎn)換會被觀查到。探針2的近紅外發(fā)射峰會在一個新出現(xiàn)的在接近630n

41、m處的發(fā)射峰到最大時消失，這個峰很像是化合物8的最大發(fā)射波長。當量的氰離子基團的親和進攻在C=C雙鍵上預期出現(xiàn)。在這個反應中，拉電子的二氰基乙烯基被反應成為富電子基團，并帶有負電。在探針1中，兩個二氰基乙烯基在氰離子進攻后均變?yōu)榱斯w。然而，探針2一個新的ADD系統(tǒng)將會作用，并改變ICT循環(huán)的方向。效果是產(chǎn)生了新的發(fā)射峰在630nm處，并使基于探針2的平臺構建一個近紅外傳感器成為可能?，F(xiàn)象和機理的解答如下：探針1和2的合成起始于還原和吩嗪的烷基化。并且苯環(huán)側邊的醛基化通過Vilsmeier-Haack反應進行。之后腦文格反應需要的產(chǎn)物即被觀察到。結構通過1HNMR和13CNMR和MS-ESI進

42、行驗證。3.2 探針1對CN-的光學響應我們首先探索了探針1在乙腈中的吸收和熒光光譜的光學響應變化。探針1（10在乙腈溶液中）為紫色并且主吸收峰在545nm和372nm。隨著滴加0-0.4當量的氰離子，吸收帶在545nm處減小，并且紅移到600nm處，在612nm處有一個等吸收點，然而在372nm處的吸收顯示了一個藍移到350nm。隨著滴定的繼續(xù)，600nm處吸收強度減少，直到加入2.8當量的CN-到達飽和點。與此同時，另一個移動后的吸收峰350nm的也出現(xiàn)了減小，并且呈現(xiàn)了進一步的15nm的紅移。探針1是與氰離子的兩步反應。其中一個二氰基乙烯基被氰離子進攻，成為負電子基團。ICT吸收帶出現(xiàn)了

43、紅移從545nm到600nm，因為ICT本是從吩嗪到兩個二氰基乙烯基，后來改變成了到一個。在滴加了近1當量的氰離子后，溶液的顏色從最初的紫色到淺藍色，肉眼可看。隨著滴加進行，更多的氰離子開始進攻另一個二氰基乙烯基的不飽和雙鍵。600nm處的吸收帶減小了，最終在加了2.8當量的氰離子時消失了。因為單邊ICT系統(tǒng)出現(xiàn)的吸收帶消失了，溶劑明顯變?yōu)閹缀鯚o色。 吸收強度在545nm和612nm處的在表三中展示。1/A545h和1/CN-間呈現(xiàn)線性關系（當CN-為低濃度不超過0.15當量時）證明了化合物1和CN離子之間的化學計量關系為1:1。當CN濃度超過0.15時，直線的斜率會發(fā)生改變，表明CN-1-C

44、N2-的形成。這也是反映了化合物1和1-CN-（612nm）等吸收點，這依然是低濃度的CN-并開始伴隨著CN-1-CN2-的形成減小。有趣的是，探針1展示了不同的發(fā)射譜在540和400nm間。如表格4中所示，當激發(fā)波長被設在540nm時，一個近紅外帶在近730nm處被檢測出來，隨著CN離子的滴加，迅速減小。特別是，當加入等量的氰離子超過0.4時，730nm處的熒光強度迅速減小并達到飽和點，并且隨著繼續(xù)的滴定不發(fā)生改變，在大約0.4當量的氰離子飽和點前出現(xiàn)了一個理想的線性獨立性。當在400nm激發(fā)時，一個更寬的發(fā)射帶在600nm處被檢測出來，這個隨著氰離子的加入迅速減小。相似的，隨著0.4當量的

45、氰離子的加入，600nm處發(fā)射帶強度達到了最小值，跟著在540nm處激發(fā)峰達到飽和點。隨著氰離子的繼續(xù)加入，一個新的500nm處的發(fā)射帶出現(xiàn)。滴加了2.8當量的氰離子后，達到了飽和點，這與吸收譜的飽和點保持一致。探針1對CN-的檢出限通過氰離子的濃度從0.0到4.0變化時的熒光強度來測量，這呈現(xiàn)了很好的線性關系，并出現(xiàn)了5.77×10-8M的檢出限。這樣，精確的近紅外熒光強度提供了明顯的信號和一個低的檢出限，遠低于飲用水中CN-的檢出限(0.2ppm)。氰離子探針另一個明顯的特征是光譜中的比色響應可以通過ICT的轉(zhuǎn)移來獲得。3.3 探針2對氰離子的光學響應不同于探針1，探針2的吸收光譜展示出了四個主吸收帶，分別在集中在了570,452,360,293nm處（如圖6）。隨著CN-離子的滴加，在570和452nm處的吸收逐漸消失。另一個360nm處的吸收強度的降低也是明顯可見的，并且伴隨有10nm的紅移。而且，在293nm處一個顯著的吸收帶出現(xiàn)。在316nm處明顯的等吸收點表明2-CN-加成物的形成。探針2的溶液從深棕色變?yōu)榱藴\黃色，這些伴隨著氰離子的滴加可以明顯觀察出