新型苯并香豆素醛的設(shè)計合成及光物理性質(zhì)研究

周炳江，代 青，劉衛(wèi)敏

（中國科學院 理化技術(shù)研究所 光化學轉(zhuǎn)換與功能材料重點實驗室，北京100190）

香豆素類熒光染料具有熒光量子產(chǎn)率較高、分子量小、生物相容性好、合成簡單且結(jié)構(gòu)易修飾的特點，被廣泛應用于生物醫(yī)學［1，2］、熒光探針［3，4］和激光染料［5，6］等領(lǐng)域，但 受其結(jié)構(gòu)本身的影響，吸收發(fā)射一般位于藍紫色區(qū)域，一定程度上限制了它的應用。香豆素母體本身不具有熒光發(fā)射性能，它的熒光發(fā)射功能在很大程度上取決于香豆素母體環(huán)的修飾。常見的是在7－位引入推電子基團（如羥基、烷基、烷氧基或烷氨基等），在3－位或4－位引入拉電子基團（如醛基，也便于進一步修飾），形成典型的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）化合物，可以很大程度的改變香豆素熒光發(fā)射波長范圍［7］。然而僅靠外圍取代基的修飾，對香豆素化合物的發(fā)光波長的調(diào)節(jié)范圍畢竟有限，為此我們設(shè)想：如果我們能夠在香豆素母體環(huán)上增加一個苯環(huán)，這不僅增大了其π共軛體系，同時還可以保留其剛性環(huán)的結(jié)構(gòu)，避免外圍取代修飾帶來的量子效率下降的弊端，將可以有效的擴展其發(fā)射波長范圍，得到一類具有較長發(fā)射波長的熒光發(fā)色團。

基于以上設(shè)想，通過在7－（N，N－二乙氨基）－3－甲酰基香豆素醛（CA）母環(huán)上增加一個苯環(huán)，我們合成了具有長波長發(fā)射的8－二乙氨基－2－氧－2H－苯并［h］香豆素醛（BCA）（圖1）。利用吸收光譜和熒光光譜比較了CA和BCA在二氯甲烷中的光物理性質(zhì)，并研究了其在不同極性溶劑中吸收光譜和熒光光譜的變化情況，探索了溶劑極性與化合物BCA光物理性質(zhì)之間的關(guān)系。

圖1 CA和BCA的結(jié)構(gòu)

1 實驗部分

1．1 試劑和儀器

實驗中所用叔丁醇鉀購自Alfa Aesar公司；3，3－二乙氧基丙腈、碘甲烷、氫氧化鈉均為北京化學試劑公司產(chǎn)品，分析純，使用前未作進一步純化；光譜分析中所用的水為去離子水；溶劑效應研究所用溶劑均為色譜純。

實驗中的熒光光譜和吸收光譜分別在Hitachi F－4500熒光光譜儀和 Hitachi U－3010型吸收光譜 儀 上 測 定。1HNMR、13CNMR 在 Bruker－400（400MHz）型核磁共振儀上測定；質(zhì)譜在Finnigan 4021C型質(zhì)譜儀和 APEXII FT－ICR型質(zhì)譜儀上測定；化合物的熔點在X－4顯微熔點儀上測定。

1．2 合成實驗

1．2．1 BCA的合成

BCA的合成路線如圖2所示。

（1）6－二乙氨基－1－羥基萘酚－2－甲醛（1）的合成

根據(jù)文獻［8］，合成化合物1，經(jīng)核磁共振和質(zhì)譜分析鑒定，結(jié)構(gòu)與文獻報道一致。

（2）6－二乙氨基－1－甲氧基－2－甲醛（2）的合成

0．48g化合物1（2mmol）溶于15mL乙腈，加入1．2g K2CO3，攪拌條件下加入過量的CH3I（1．5mL）。體系加熱到70℃，TLC檢測反應，3h后反應完全。冷卻至室溫，減壓旋出溶劑，加入水和乙酸乙酯，分層，萃取，有機相用無水硫酸鎂干燥過夜。去除溶劑后，粗產(chǎn)品經(jīng)柱層析分離（石油醚∶乙酸乙酯＝10∶1）得到淺黃綠色固體（0．51g）。產(chǎn)率為90%，熔點：94～96 ℃。1HNMR（400MHz，CDCl3）：10．47（s，1H），8．13（s，1H），7．77（s，1H），7．42 （s，1H），7．26 （s，1H），7．19（s，1H），4．12 （s，3H），3．52 （d，J＝5．3Hz，4H），1．27（t，J＝7．1Hz，6H）．13CNMR （100MHz，CDCl3）：188．74，163．32，148．43，140．88，124．96，123．62，122．66，121．34，115．56，105．55，77．26，77．05，76．73，65．45，44．81，12．68．EI－MS M＋，calc．for C16H19NO2，257．1；found，257．1。

（3）BCA的合成

圖2 化合物BCA的合成路線

將80mg叔丁醇鉀溶于5mL無水THF，形成懸濁液，向體系中滴加3，3－二乙氧基丙腈（70 μL）的THF溶液（3mL），反應液呈桔黃色。再稱取100mg化合物2（0．39mmol）溶于5mL無水THF，直接加到反應體系中。在40℃反應過夜，停止反應。反應液濃縮后，加入水并調(diào)節(jié)反應液pH值為中性，用乙酸乙酯萃取有機相，合并有機相后干燥。柱色譜分離出黃綠色熒光點后，將其溶解到乙醇和水的混合溶劑中，加入1mol／L的鹽酸，在回流溫度下反應1h。停止反應，用KOH中和反應液至中性，乙酸乙酯萃取反應液，干燥。柱色譜分離（乙酸乙酯∶石油醚＝6∶1），收集紅色產(chǎn)物點，乙酸乙酯－正己烷重結(jié)晶，得到針狀晶體。產(chǎn)率約30%，熔點：216 ℃。1HNMR （CDCl3，400MHz）：1．28（t，J＝7．1Hz，6H），3．54（q，J＝7．1Hz，4H），6．85 （s，1H），7．15（dd，1H），7．34～7．42（m，2H），8．39（d，J＝9．4Hz，1H），8．43（s，1H），10．24（s，1H）；13CNMR （CDCl3，100 MHz）：12．8，44．9，105．1，110．9，113．6，115．7，117．1，123．8，125．5，139．6，146．4，149．6，155．7，161．4，188．0；EI－MS M＋，calc．for C18H17NO3，295．1205；found，295．1208。

1．2．2 CA的合成

根據(jù)文獻［9］合成CA。經(jīng)核磁共振和質(zhì)譜分析鑒定，結(jié)構(gòu)與文獻報道一致。

1．3 光譜測試

稱取一定量的固體化合物BCA和CA，選取不同極性的溶劑，分別配成5．0×10－6mol／L的溶液，測試時用移液槍吸取2mL溶液于石英液槽中，采用相應波長激發(fā)，測試溫度為室溫。

1．4 熒光量子產(chǎn)率測定

純?nèi)芤褐袩晒饬孔赢a(chǎn)率：CA以硫酸奎寧為參比（1NH2SO4中 熒 光 量 子 產(chǎn) 率 為 0．6）［10］；BCA以羅丹明B為參比（水中的熒光量子產(chǎn)率為0．31）［11］，采用稀溶液方法測定，計算公式為：

式中，n、F和A分別代表溶液的折射率、發(fā)射峰面積和激發(fā)波長下的吸收值。下標R表示參比，S表示未知樣品。因為溶液是稀溶液，因此可用純?nèi)軇┑恼凵渎蚀嫦∪芤旱恼凵渎省?/p>

2 結(jié)果與討論

2．1 CA與BCA光物理性質(zhì)對比

BCA在香豆素母體上比CA多了一個苯環(huán)，分子的共軛體系增大。我們對比了兩者在二氯甲烷中的光物理性質(zhì)，如圖3所示，與CA相比，BCA最大吸收峰和發(fā)射峰均發(fā)生了明顯的紅移。表1列出了二者在二氯甲烷中的光物理數(shù)據(jù)，相對于化合物CA，BCA的吸收峰和發(fā)射峰分別紅移了44nm和80nm，Stokes位移增大了2倍，熒光量子產(chǎn)率略有降低，這主要是由于共軛體系增大，化合物能隙降低，非輻射衰變的速率常數(shù)增加，使吸收和發(fā)射光譜發(fā)生紅移，熒光量子效率降低。鑒于BCA與CA類似的優(yōu)異光物理性質(zhì)，預計BCA有望成為熒光探針的新型長波長熒光發(fā)色團。

圖3 二氯甲烷中CA和CBA的吸收（a）和發(fā)射（b）光譜

表1 二氯甲烷中CA與BCA的光物理性質(zhì)對比aThe photophysical property of BCAin contrast to CAin CH2

表1 二氯甲烷中CA與BCA的光物理性質(zhì)對比aThe photophysical property of BCAin contrast to CAin CH2

a．λ和Stokes shift單位都為nm，ε單位為L·mol－1·cm－1；b．利用硫酸奎寧作參比計算得到；c．利用羅丹明B作參比計算得到

化合物 λmax，abs（ε） λmax，em Stokes shift Φf CA 445（45000） 477 32 0．67b BCA 489（44000） 557 68 0．50c

2．2 不同溶劑中BCA的光物理性質(zhì)研究

圖4 BCA在不同溶劑中的吸收（a）和熒光光譜（b）

圖5 BCA在不同極性溶劑中（5μmol／L）在可見光（a）和紫外光（b）下的圖片The pictures of BCAirradiated by visible or UV light in different solvents

許多熒光分子，如ICT化合物，其光譜特別是熒光光譜易受溶劑極性的影響。因此我們進一步考察了BCA在不同極性溶劑中的吸收和熒光光譜。如圖4所示，隨著溶劑極性的增大，BCA的吸收峰值波長略有紅移，顏色從淺綠色經(jīng)橙色變到粉色（圖5a），表明溶質(zhì)分子在基態(tài)與溶劑間存在著相互作用，反映了隨著環(huán)境的改變（溶劑極性）其分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移的程度也有所改變。由于具有ICT特征，BCA的發(fā)射峰值隨著溶劑極性的增大而呈現(xiàn)非常明顯的紅移，由正己烷到DMSO，紅移了54nm。紫外燈照射下，溶液顏色經(jīng)歷了從藍綠色→綠色→橙色→紅色的變化（圖5b），同時發(fā)光強度也逐漸減弱，說明BCA激發(fā)態(tài)的極性隨著溶劑極性增大而增大，導致熒光光譜隨溶劑極性增大而向長波方向移動［12］。

2．3 溶劑極性與BCA光物理性質(zhì)的關(guān)系

溶劑－溶質(zhì)間的作用通常是比較復雜的，籠統(tǒng)的說可以將溶劑－溶質(zhì)間的作用歸納為非特異性作用（non－specific interaction）和特 異性作用（specific interaction）［13］。非特異性作用通常由溶劑的折光指數(shù)（n）和介電常數(shù)（ε）來決定，而特異性作用通常是指氫鍵、電荷轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移形成復合物等情況。這些作用往往會導致分子整個電子結(jié)構(gòu)的改變，如導致偶極矩變化，從而對光物理性質(zhì)帶來影響。利用 Lippert－Mataga方程［14］（（2）式）可以估算BCA分子基態(tài)和激發(fā)態(tài)偶極矩的差值（Δμ＝μe－μg）：

式中，ε是溶劑的介電常數(shù)，n是溶劑折光率。

表2是BCA在一系列溶劑中的光譜數(shù)據(jù)，包括吸收、發(fā)射峰值、Stokes位移、量子產(chǎn)率以及溶劑的極性參數(shù)。

表2 BCA在不同極性溶劑中的光物理性質(zhì)和溶劑極性參數(shù)aThe photophysical characteristic of BCAin different solvents and solvent polar parameter

我們以BCA的Stokes位移（即Δ?v）對溶劑極性參數(shù)Δf之間作圖（圖6），利用其斜率，再根據(jù)方程（2）可以得到BCA基態(tài)與激發(fā)態(tài)偶極矩差值Δμ大約為14．6D。從這個數(shù)值可以看出BCA在激發(fā)態(tài)具有比基態(tài)大得多的偶極矩，這也正是其發(fā)射光譜隨著溶劑極性改變而具有明顯的紅移的主要原因。

此外，我們還考察了BCA在一系列溶劑中熒光量子產(chǎn)率的變化情況。由表2可知，BCA的熒光量子產(chǎn)率隨著溶劑極性的增大而減小，這種規(guī)律在非質(zhì)子性溶劑中具有良好的體現(xiàn)。這是由于溶劑極性增大，會加強溶劑和溶質(zhì)分子間的相互作用，引起發(fā)光分子激發(fā)態(tài)能級下降，使能級間的間隙減小，增大無輻射躍遷，從而導致熒光量子產(chǎn)率降低。以極性參數(shù)Δf為橫坐標，熒光量子產(chǎn)率Φf為縱坐標作圖時，可以得到一個很好的線性關(guān)系（圖7）。

圖6 BCA的Stokes位移（Δ?ν）對溶劑極性參數(shù)Δf之間的關(guān)系

圖7 BCA熒光量子產(chǎn)率與Mataga極性參數(shù)Δf間的關(guān)系

3 結(jié)論

本文設(shè)計并合成了一類新型的具有較長發(fā)射波長的苯并香豆素醛BCA。通過在香豆素的母體環(huán)上增加一個苯環(huán)結(jié)構(gòu)，不僅有效的增加了其π共軛結(jié)構(gòu)，而且保持了其固有的剛性結(jié)構(gòu)，使BCA具有較高發(fā)光效率和較長發(fā)射波長。BCA具有明顯的溶致變色效應，其發(fā)射波長在不同的極性溶劑中表現(xiàn)出較寬的變化范圍，可以實現(xiàn)從藍綠到紅光的調(diào)節(jié)。BCA結(jié)構(gòu)的特點及特殊光物理性質(zhì)將有助于解決香豆素類熒光探針共軛體系小、發(fā)射波長短的問題。

［1］ Chia Y C，Chang F R，Wang J C，Wu C C，Chiang M Y N，Lan Y H，Chen K S，Wu Y C．Antiplatelet aggregation coumarins from the leaves of Murraya omphalocarpa［J］．Molecules，2008，13（1）：122－128．

［2］ Dekic B R，Radulovic N S，Dekic V S，Vukicevic R D，Palic R M．Synthesis and antimicrobial activity of new 4－h(huán)eteroarylamino coumarin derivatives containing nitrogen and sulfur as heteroatoms［J］．Molecules，2010，15（4）：2246－2256．

［3］ Xu Z C，Liu X，Pan J，Spring D R．Coumarin－derived transformable fluorescent sensor for Zn2＋［J］．Chemical Communications，2012，48（39）：4764－4766．

［4］ Ray D，Nag A，Jana A，Goswami D，Bharadwaj P K．Coumarin derived chromophores in the donor－acceptor－donor format that gives fluorescence enhancement and large two－photon activity in presence of specific metal ions［J］．Inorganica Chimica Acta，2010，363（12）：2824－2832．

［5］ Wolfbeis O S．Synthesis and properties of some new hydroxy substituted coumarin derived laser－dyes［J］．Monatshefte Für Chemie，1978，109（6）：1413－1421．

［6］ Raikar U S，Tangod V B，Mannopantar S R，Mastiholi B M．Ground and excited state dipole moments of coumarin 337 laser dye［J］．Optics Communications，2010，283（21）：4289－4292．

［7］ Czajkowski W，Kazmierska M．Coumarin－derived fluorescent dyes［J］．Przemysl Chemiczny，2002，81（3）：177－180．

［8］ Kim H M，Yang P R，Seo M S，Yi J S，Hong J H，Jeon S J，Ko Y G，Lee K J，Cho B R．Magnesium ion selective twophoton fluorescent probe based on a benzo［h］chromene derivative for in vivo imaging［J］．Journal of Organic Chemistry，2007，72（6）：2088－2096．

［9］ Chen J H，Liu W M，Ma J J，Xu H T，Wu J S，Tang X L，F(xiàn)an Z Y，Wang P F．Synthesis and properties of fluorescence dyes：tetracyclic pyrazolo［3，4－b］pyridine－based coumarin chromophores with intramolecular charge transfer character［J］．Journal of Organic Chemistry，2012，77（7）：3475－3482．

［10］ Eaton D F．Reference materials for fluorescence measurement［J］．Pure and Applied Chemistry，1988，60（7）：1107－1114．

［11］ Magde D，Rojas G E，Seybold P G．Solvent dependence of the fluorescence lifetimes of xanthene dyes［J］．Photochemistry and Photobiology，1999，70（5）：737－744．

［12］ Du C Y，Chen J M，Guo Y L，Lu K，Ye S H，Zheng J，Liu Y Q，Shuai Z G，Yu G．Dicyanovinyl heterotetracenes：synthesis，solid－state structures，and photophysical properties［J］．Journal of Organic Chemistry，2009，74（19）：7322－7327．

［13］ Reichardt C．Solvatochromic dyes as solvent polarity indicators［J］．Chemical Reviews，1994，94（8）：2319－2358．

［14］ Teale F W J．Principles of fluorescence spectroscopy－Lakowicz，Jr［J］．Nature，1984，307（5950）：486－486．

［15］ Raju B B．Photophysical properties of ground－state twisted bicoumarins［J］．Journal of Physical Chemistry A，1997，101（6）：981－987．

［16］ Schneide F，Lippert E．Electron spectra and electron structure of 9，9′－dianthryl［J］．Berichte Der Bunsen－Gesellschaft Für Physikalische Chemie，1968，72（9－10）：1155－1160．