新型芳基修飾的尿苷型熒光探針的合成及其性能

翟文姬, 張肖肖, 洪建權(quán), 鄭昌戈

(江南大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

·研究論文·

新型芳基修飾的尿苷型熒光探針的合成及其性能

翟文姬, 張肖肖, 洪建權(quán), 鄭昌戈*

(江南大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

4-氟苯乙酮經(jīng)二氧化硒氧化得到4-氟苯甲酰甲酸(1);1與鹽酸氨基脲在堿性條件下經(jīng)環(huán)合反應(yīng)制得5-(4-氟苯基)-6-氮雜嘧啶(2);2與1-乙酰氧基-2,3,5-三苯甲酰氧基-1-β-D-呋喃核糖在無水乙腈中反應(yīng)得2′,3′,5′-三苯甲酰氧基-5-(4-氟苯基)-6-氮雜尿苷(3);3在甲醇中水解合成了一種新型熒光核苷探針——5-(4-氟苯基)-6-氮雜尿苷(4)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR,13C NMR和MS(ESI)表征。并研究了4的性能。結(jié)果表明：4在水中的量子產(chǎn)率高達(dá)0.81，對極性變化敏感；4可選擇性識別Pd2+，在5.0×10-7～5.0×10-6mol·L-1能定量檢測Pd2+。

5-(4-氟苯基)-6-氮雜尿苷; 熒光探針; 合成; 離子識別; 熒光性能

Abstract： 4-Fluorobenzoylformic acid(1) was prepared by oxidation reaction of 4-fluoroacetophenone with selenium dioxide. Cyclization of1with semicarbazide hydrochloride under alkaline conditions gave 5-(4-fluorophenyl)-6-aza uracil(2). 5-(4-fluorophenyl)-6-aza-2′,3′,5′-tribenzoyl-uridine(3) was obtained by the reaction of2with 1-O-acetyl-2,3,5-tri-O-benzoyl-β-D-ribofuranose in anhydrous acetonitrile. A novel fluorescent nucleoside probe, 5-(4-fluorophenyl)-6-aza uridine(4), was synthesized by hydrolysis of3in methanol. The structure was characterized by1H NMR,13C NMR and MS(ESI). In addition, the properties of4were also investigated. The results showed that the quantum yield of4was up to 0.81 in water and it was very sensitive to environmental polarity. A study of the recognition effect of4for different metal cations was carried out. The result indicated that4exhibited good selectivity toward Pd2+in the range of 5.0×10-7～5.0×10-6mol·L-1.

Keywords： 5-(4-fluorophenyl)-6-aza uridine; fluorescence probe; synthesis; ion recognition; fluorescent property

熒光探針廣泛應(yīng)用于光學(xué)材料、化學(xué)傳感以及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。熒光光譜檢測的可靠性和靈敏度取決于熒光探針的特性。隨著生物科學(xué)的發(fā)展和各學(xué)科間的交叉滲透，制備低毒性、高量子產(chǎn)率及高靈敏度的熒光探針，成為人們研究的熱點(diǎn)。

Scheme1

核苷是DNA與RNA的基本組成單元，可以作為生物探針的良好骨架[1]。通過對堿基結(jié)構(gòu)的化學(xué)修飾(如擴(kuò)大π鍵共軛[2-4]、融合芳香雜環(huán)[5-7]),可賦予核苷良好的光物理性質(zhì)。苯環(huán)是最常見的芳香基團(tuán)，具有較大的平面共軛結(jié)構(gòu)，能有效延伸堿基的共軛體系，有利于熒光發(fā)射。此外，在嘧啶6-位引入氮原子，可進(jìn)一步增強(qiáng)“推-拉”電子極化效應(yīng)，使發(fā)射波長紅移至可見光區(qū)并提高對環(huán)境的敏感性。

與熒光染料及大分子熒光探針相比，以天然核苷為模板修飾的熒光探針具有良好的發(fā)射性、生物兼容性和敏感性[8-10]。目前，核苷類熒光探針主要應(yīng)用于生物和醫(yī)藥領(lǐng)域，在金屬離子識別方面的研究較少。因此開發(fā)新型熒光核苷探針，探究其對環(huán)境或生物體內(nèi)金屬離子的識別能力，有利于擴(kuò)大熒光核苷探針的應(yīng)用范圍。

鈀是一種不能被自然降解的金屬。殘留在土壤、水質(zhì)中的痕量鈀，可通過生物富集進(jìn)入人體。研究表明，人體中鈀的過量積累會導(dǎo)致線粒體和DNA發(fā)生一定程度的降解，抑制酶的活性，造成細(xì)胞功能障礙[11]。因此，開發(fā)一種選擇性好、毒性低的檢測鈀的方法具有較高的實(shí)際意義。

本文以4-氟苯乙酮為原料，經(jīng)二氧化硒氧化得到4-氟苯甲酰甲酸(1);1與鹽酸氨基脲在堿性條件下經(jīng)環(huán)合反應(yīng)制得5-(4-氟苯基)-6-氮雜嘧啶(2);2與1-乙酰氧基-2,3,5-三苯甲酰氧基-1-β-D-呋喃核糖在無水乙腈中反應(yīng)得2′,3′,5′-三苯甲酰氧基-5-(4-氟苯基)-6-氮雜尿苷(3);3在甲醇中水解合成了一種新型熒光核苷探針——5-(4-氟苯基)-6-氮雜尿苷(4, Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR,13C NMR和MS(ESI)表征。并研究了4的性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

TU-1901型雙光束紫外可見分光光度計(jì)；CARY Eclipse熒光分光光度計(jì)；Bruker AVANCE 400 MHz型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；LCMS-2010EV型質(zhì)譜儀。

1按文獻(xiàn)[12]方法合成；其余所用試劑均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 合成

(1)2的合成

在100 mL圓底燒瓶中依次加入1504.4 mg(3 mmol)，鹽酸氨基脲401.5 mg(3.6 mmol)和去離子水30 mL，攪拌下于60 ℃反應(yīng)18 h。滴加2 mol·L-1NaOH溶液12 mL，反應(yīng)4 h。用濃鹽酸調(diào)至pH 4，析出白色沉淀，抽濾，濾餅干燥得白色固體2447.5 mg，產(chǎn)率72%;1H NMRδ: 12.51(s, 1H, NH), 12.11(s, 1H, NH), 7.93(dd,J=8.8 Hz, 5.7 Hz, 2H, ArH), 7.28(t,J=8.9 Hz, 2H, ArH);13C NMRδ:164.41, 161.95, 157.22, 149.69, 140.72, 130.69, 129.36, 115.58, 115.36。

(2)3的合成

氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在三口燒瓶中加入2207.2 mg(1 mmol),N,O-雙三甲硅基乙酰胺(BSA)0.76 mL(3 mmol)和無水乙腈40 mL，攪拌使其混合均勻；依次加入1-乙酰氧基-2,3,5-三苯甲酰氧基-1-β-D-呋喃核糖570.1 mg(1.1 mmol)和三氟甲磺酸三甲基硅酯(TMSOTf)0.2 mL(1 mmol)，于85 ℃反應(yīng)2 h(TLC跟蹤)。減壓蒸除溶劑，殘余物加入乙酸乙酯20 mL，依次用去離子水(3×15 mL)和飽和NaCl溶液(3×15 mL)洗滌，無水Na2SO4干燥，蒸干后經(jīng)硅膠柱層析[洗脫劑：A=V(二氯甲烷)/V(甲醇)=80/1]純化得白色泡沫狀固體3540.8 mg，產(chǎn)率83%;1H NMRδ: 12.52(s, 1H, NH), 8.04(dd,J=8.5 Hz, 5.8 Hz, 2H, ArH), 7.95(d,J=7.9 Hz, 2H, ArH), 7.88(dd,J=7.2 Hz, 5.6 Hz, 4H, ArH), 7.70～7.63(m, 2H, ArH), 7.58(t,J=7.4 Hz, 1H, ArH), 7.47(dt,J=20.4 Hz, 7.7 Hz, 4H, ArH), 7.31(t,J=7.8 Hz, 2H, ArH), 7.24(t,J=8.9 Hz, 2H, ArH), 6.54(d,J=2.8 Hz, 1H, CH), 6.01～6.16(m, 2H, CH2), 4.87～ 4.82(m, 1H, CH), 4.68(dd,J=12.2 Hz, 3.3 Hz, 1H, CH), 4.57(dd,J=12.3 Hz, 4.5 Hz, 1H, CH)。

(3)4的合成

在100 mL耐壓管中加入3521.3 mg(0.8 mmol)和甲醇40 mL，攪拌下通入氨氣至固體完全溶解；密封后于60 ℃反應(yīng)過夜(TLC跟蹤)。蒸除溶劑，殘余物經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑：A=20/1)純化得白色固體4257.9 mg，產(chǎn)率95%;1H NMRδ: 12.37(s, 1H, NH), 8.03～7.94(m, 2H, ArH), 7.37～7.27(m, 2H, ArH), 6.02(d,J=3.2 Hz, 1H, CH), 5.31(d,J=5.0 Hz, 1H, OH), 5.04(d,J=6.1 Hz, 1H, OH), 4.67(t,J=5.9 Hz, 1H, OH), 4.32(dd,J=8.3 Hz, 4.9 Hz, 1H, CH), 4.19(dd,J=11.1 Hz, 5.7 Hz, 1H, CH), 3.84(dd,J=9.7 Hz, 5.2 Hz, 1H, CH), 3.61～3.56(m, 1H, CH), 3.51～3.36(m, 1H, CH);13C NMRδ: 164.69, 162.23, 156.53, 149.04, 141.27, 131.06, 129.08, 115.75, 115.54, 90.01, 85.02, 73.34, 70.66, 62.01; MS(ESI)m/z: 340{[M+H]+}。

2 結(jié)果與討論

2.1 光學(xué)性能

(1) UV-Vis

圖1為4在不同溶劑中的UV-Vis譜圖。由圖1可見，4的紫外吸收峰位于近紫外區(qū)，這是由n→π*電子躍遷所產(chǎn)生的。4在二氧六環(huán)中的最大吸收波長為303 nm，在水溶液中的最大吸收波長為295 nm。這是因?yàn)閴A基中的雜原子含有孤對電子，在極性溶劑中容易形成氫鍵，躍遷時(shí)需要一定的附加能量破壞氫鍵。因此隨著溶劑極性的增大，最大吸收波長出現(xiàn)微小藍(lán)移。

λ/nm

(2) FL

圖2為4在不同溶劑中的FL譜圖。由圖2可見，4在二氧六環(huán)和水中的發(fā)射波長分別為390 nm和421 nm。這是因?yàn)榉蓟囊霐U(kuò)大了堿基共軛體系，4受到激發(fā)后產(chǎn)生了π→π*躍遷，因激發(fā)態(tài)的極性比基態(tài)大，極性的增大會對激發(fā)態(tài)產(chǎn)生更大的穩(wěn)定作用，所以發(fā)射峰有明顯的紅移趨勢。

λ/nm

表1為4在不同溶劑中的光譜數(shù)據(jù)。由表1可見，4的斯托克斯位移值(Stocks shift)較大，且隨溶劑極性增大而增大。在光譜學(xué)中，可以通過研究Stocks shift與極性參數(shù)ET(30)之間的關(guān)系，來判斷化合物是否具備對極性敏感的光物理性質(zhì)。

表1 4的光譜數(shù)據(jù)

表2 4與Pd2+的相互作用*Table 2 Interaction of 4 with Pd2+

*γ=n(4) ∶n(Pd2+)。

圖3為Stocks shift與ET(30)的關(guān)系。由圖3可知，4的Stocks shift與ET(30)之間具有較好的線性關(guān)系，其光物理性質(zhì)隨著極性的變化而產(chǎn)生規(guī)律性的改變。據(jù)此判斷，4對極性敏感，可應(yīng)用于極性的相關(guān)研究。

ET(30)/kcal·mol-1

由表1和圖3還可見，4的熒光量子產(chǎn)率隨溶劑極性增大而提高，在水溶液中最高(0.81)。與C5-位修飾尿苷衍生物相比[13-14]，量子產(chǎn)率顯著提高?？疾?對金屬離子的識別性能時(shí)，選擇水作為溶劑。

2.2 對金屬離子的選擇性識別

圖4為4對金屬離子(Mn+)的選擇性識別作用。由圖4可見，4的水溶液中分別加入K+、Ca2+、 Na+、 Mg2+、 Al3+、 Zn2+、 Fe3+、 Cu2+、 Mn2+、 Sn2+、 Cd2+、 Ni2+、 Co2+和Ag+，其發(fā)射峰位置與發(fā)射強(qiáng)度都沒有明顯變化。加入Pd2+后，溶液的熒光強(qiáng)度明顯減弱。

熒光核苷類似物的熒光性質(zhì)主要取決于其堿基結(jié)構(gòu)[14-15]。為考察Pd2+的絡(luò)合方式，我們也研究了化合物2在加入不同金屬離子前后的熒光光譜變化，結(jié)果見圖5。由圖5可以看出，化合物2與4的熒光光譜相似，但對金屬離子的響應(yīng)不同。16種金屬離子對化合物2均有明顯的猝滅作用。2中的嘧啶環(huán)包含三個(gè)氮原子，其中3-位氮原子的兩側(cè)各有一個(gè)吸電子基團(tuán)(羰基)，因此與金屬的配位能力最弱。1-位和6-位的氮原子較容易與多種金屬形成螯合配位，從而引起熒光猝滅現(xiàn)象。接入戊糖結(jié)構(gòu)后，化合物2中的嘧啶1-位氮原子受到保護(hù)，在諸多金屬離子中，Pd2+與化合物4的糖環(huán)醚鍵氧原子和嘧啶6-位氮原子最容易發(fā)生較強(qiáng)的配位作用，阻礙或減弱了4的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)，從而導(dǎo)致其發(fā)光猝滅，熒光強(qiáng)度大幅下降。

λ/nm

λ/nm圖5 2對Mn+的選擇性*Figure 5 Selectivity recognition of 2 for Mn+*c(2)=5×10-6mol·L-1, [Mn+]=1×10-5mol·L-1。

Mn+K+Ca2+Na+Mg2+Al3+Zn2+Fe3+Cu2+Mn2+Cd2+Ab/a.u.558553566585575584561580557565Bc/a.u147145140138140138110140118114

ac(4)=5×10-6mol·L-1, [Pd2+]=5×10-6mol·L-1, [Mn+]=5×10-5mol·L-1;bPd2+加入前熒光強(qiáng)度;cPd2+加入后熒光強(qiáng)度。

λ/nm

[Pd2+]/×10-6 mol·L-1

Chart 1

表2為4與Pd2+的相互作用結(jié)果。由表2可知，4與Pd2+的摩爾比為1 ∶1時(shí)，熒光強(qiáng)度變化最大，因此可以得出4與Pd2+的配位比為1 ∶1。

根據(jù)圖4，圖5和表2的結(jié)果，結(jié)合類似雜環(huán)結(jié)構(gòu)與金屬配位的報(bào)道[16-17]，我們推測4中的糖環(huán)醚鍵氧原子和嘧啶6-位氮原子容易與Pd2+發(fā)生1 ∶1的較強(qiáng)配位，形成具有穩(wěn)定五元環(huán)結(jié)構(gòu)的絡(luò)合物(Chart 1)。

圖6和圖7為不同濃度Pd2+對4熒光強(qiáng)度的影響。由圖6和圖7可知，隨著Pd2+濃度的增大，熒光強(qiáng)度逐漸減弱。Pd2+濃度為5.0×10-7～5.0×10-6mol·L-1時(shí)，熒光強(qiáng)度與Pd2+濃度之間存在良好的線性關(guān)系，其擬合方程為Y=568.400 7-8.574 895×10-5[Pd2+] mol·L-1，相關(guān)系數(shù)R=0.995 06。以空白3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算，檢出限為2.0×10-7mol·L-1。根據(jù)該線性方程可知，可檢測5.0×10-7～5.0×10-6mol·L-1Pd2+的含量。

綜上可見，4在水溶液中對Pd2+有良好的識別性能。為進(jìn)一步評價(jià)其對Pd2+的選擇性識別性能，以K+、 Ca2+、 Na+、 Mg2+、 Al3+、 Zn2+、 Fe3+、 Cu2+、 Mn2+和Cd2+為干擾離子，考察了干擾離子存在下4對Pd2+的識別作用，結(jié)果見表3。由表3可見，干擾離子加入后，熒光強(qiáng)度變化很小，加入Pd2+后熒光強(qiáng)度明顯減弱，因此可以認(rèn)為干擾離子對4的選擇性識別性能無影響。

合成了一種新型熒光核苷探針——5-(4-氟苯基)-6-氮雜尿苷(4)，并研究了4的性能。結(jié)果表明：4在水中的量子產(chǎn)率為0.81，對極性變化敏感；4可選擇性識別Pd2+，在5.0×10-7～5.0×10-6mol·L-1能定量檢測Pd2+。該研究不僅對環(huán)境和細(xì)胞中Pd2+的檢測具有一定的應(yīng)用價(jià)值，還擴(kuò)大了核苷類熒光探針的應(yīng)用范圍。

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SynthesisandPropertiesofANovelAryl-modifiedUridineFluorescentProbe

ZHAI Wen-ji, ZHANG Xiao-xiao, HONG Jian-quan, ZHENG Chang-ge*

(School of Chemical and Material Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

O621.3; O614.82

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.10.17059

2017-03-19;

2017-08-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21562041); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(JUSRP115A08)

翟文姬(1991-)，女，漢族，江蘇連云港人，碩士研究生，主要從事熒光核苷類似物的合成及應(yīng)用研究。 E-mail: 1585814711zwj@sina.com

鄭昌戈，博士，副教授, E-mail: cgzheng@jiangnan.edu.cn