C1軸手性3-醛基聯(lián)萘酚熒光探針對胺類化合物的手性識別研究

劉大亮， 張 春， 韋思平， 王 平， 尤 強， 王 力*

(西南醫(yī)科大學藥學院藥物化學教研室，四川瀘州 646000)

應用對映選擇性熒光傳感器測定手性化合物對映異構(gòu)體組成，是手性化合物實時測定技術(shù)中的一種重要方法，能快速測定化合物光學異構(gòu)體比例，確定化合物構(gòu)型[1]。尤其針對如手性胺、氨基酸、氨基醇等在生物體內(nèi)中廣泛存在的手性活性物質(zhì)，其對映選擇性識別，在生物科學、醫(yī)學都有很大的應用價值[2]。因此，設計和合成具有良好底物普適性和靈敏性的新型熒光傳感器也成為超分子化學研究領域的重要課題[3]。其中，基于聯(lián)萘酚結(jié)構(gòu)的熒光傳感器，由于其強手性誘導作用、便于基團修飾等優(yōu)點而得到了人們的廣泛關注，并且累積了大量的優(yōu)秀成果[4]。

圖1 具有C1對稱軸的對映體熒光傳感器Fig.1 C1-symmetric enantiomeric fluorescent sensor

從已有文獻來看，對具有C2對稱軸的聯(lián)萘酚衍生物作為手性催化劑和熒光傳感器已進行了深入研究[5]，然而盡管C1對稱軸的聯(lián)萘酚衍生物作為不對稱催化劑也顯示出相當大的潛力[6]，但其作為手性熒光傳感器研究卻相對有限。Tang等[7]合成了具有C1對稱軸的聯(lián)萘酚熒光傳感器(圖1，化合物1)，能夠選擇性識別色氨酸，并且對L-色氨酸識別效果好于D-色氨酸。2016年Xu等[8]報道了不需要金屬離子參與識別的新型聯(lián)萘酚熒光傳感器(圖1，化合物2)，在沒有Zn2+的條件下，該熒光傳感器能在410 nm波長下選擇性地識別1,2-環(huán)己二胺，并能夠確定兩種手性二胺的對映體構(gòu)成，這是目前在該類研究中唯一成功的案例。

圖2 手性熒光傳感器R-3以及手性1,2-二苯基乙二胺(S,S)-4和(R,R)-4Fig.2 Enantioselective fluorescent sensor R-3 recognition with chiral 1,2-diphenylethylenediamine

2014年，Huang[9]等人開發(fā)出基于C2對稱軸的3,3′-二醛-1,1′-聯(lián)萘酚熒光傳感器，該傳感器在Zn2+存在下可對多種手性底物進行識別，在λ>500 nm處均表現(xiàn)出良好的識別效果，然而該配體不能對映選擇性識別1,2-二苯基乙二胺，而這類二胺是Salen配體催化劑的重要的手性中間體[10]。因此，我們猜想具有C1對稱軸的聯(lián)萘酚衍生物能否比具有C2對稱軸的3,3′-二醛-1,1′-聯(lián)-2-萘酚(圖2)對特定的手性化合物具有更好的識別效果。本研究以(R)聯(lián)萘酚為底物,通過雙羥基保護、醛基化、鹽酸水解等步驟最終合成具有C1對稱軸的(R)-2,2′-二羥基-3-甲酰-1,1′-聯(lián)萘(R-3)。該化合物是合成聯(lián)萘酚類化合物的重要中間體，但直接作為熒光傳感器的研究尚未見報道。實驗結(jié)果顯示，R-3作為一種熒光傳感器，能與某些二胺類化合物以及氨基酸作用呈現(xiàn)出明顯的熒光增強信號，并對不同構(gòu)型的胺類化合物具有一定的對映選擇性。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

1H NMR、13C NMR使用德國Bruker公司生產(chǎn)的型號為Ascend 400 M核磁共振波譜儀測定，樣品添加四甲基硅烷(Tetramethyl Silane,TMS)內(nèi)標。熒光光譜使用日本Hitachi F-7000型熒光光譜儀在25 ℃ 下測定。在對映選擇性熒光識別研究中，所用溶劑均為色譜純或光譜純，其中甲醇、乙醇、二氯甲烷、乙腈、N,N二甲基甲酰胺(DMF)、四氫呋喃(THF)、二甲基亞砜(DMSO)均購自北京百靈威有限公司。

(R)-(+)-1,1′-聯(lián)-2-萘酚(R-BINOL)、(S)-(-)-1,1′-聯(lián)-2-萘酚(S-BINOL)、NaH、氯甲基甲醚(MOMCl)、Zn(Ac)2·H2O、三氟甲磺酸鋅(Zn(OTf)2)、ZnCl2、MgSO4、1,2-二苯基乙二胺(4)、1,2-環(huán)己二胺(5)、丙氨酸(6)、纈氨酸(7)為分析純，四甲基乙二胺(TMEDA)，正丁基鋰(n-BuLi,1.6 mol/L in hexanes)溶液等均購自Sigma-Aldrich，如無特殊說明，均為直接使用。

1.2 R-3以及S-3合成與表征

R-3((R)-2,2′-二羥基-3-甲酰-1,1′-聯(lián)萘)的制備：氮氣保護下，將氯甲基甲醚保護的2.6 gR-BINOL(7 mmol)的THF溶液冷卻至-78 ℃，并將1.26 mL TMEDA(8.36 mmol)以及n-BuLi溶液(2.93 mmol)依次緩慢滴入該溶液中，混合物升溫至0 ℃攪拌30 min后，再次冷卻至-78 ℃，將0.63 mL DMF(8.57 mmol)的THF(30 mL)溶液緩慢滴加進反應體系并繼續(xù)攪拌30 min，升溫至0 ℃攪拌30 min，得到黃色溶液用飽和NH4Cl水溶液(50 mL)猝滅。在加入1 mol/L HCl(30 mL)后，用乙醚(15 mL×3)萃取，合并有機相。有機相經(jīng)飽和NaHCO3(50 mL)和鹽水洗滌，無水MgSO4干燥。除去溶劑后的粗品用硅膠柱色譜法純化，洗脫劑為石油醚/乙酸乙酯=20∶1～10∶1。1H NMR(400 MHz,CDCl3)：δ5.21(s,1H),7.12(d,1H),7.29～7.47(m,6H),7.91～8.03(m,3H),8.37(s,1H);13C NMR(100 MHz,CDCl3):δ196.6,154.3,151.4,139.1,137.6,133.3,131.2,130.4,130.0,129.2,128.3,127.8,126.7,125.0,124.9,124.4,123.5,122.1,117.7,115.0,113.1。

S-3((S)-2,2′-二羥基-3-甲酰-1,1′-聯(lián)萘)的制備，以S-BINOL為原料，制備方法同上。R-3及S-3合成步驟如下：

1.3 希夫堿8和9的合成與表征

將化合物R-3(78.5 mg,0.25 mmol)和(S,S)-4(79.5 mg,0.38 mmol)置于50 mL圓底燒瓶中，加入二氯甲烷16 mL和甲醇8 mL，加熱回流24 h后冷卻至室溫，得到淡黃色懸濁液，減壓蒸餾得到淡黃色固體，將固體置于10 mL圓底燒瓶中，加入8 mL甲醇，攪拌過夜后抽濾，并用甲醇洗滌多次，然后真空干燥得到85.5 mg產(chǎn)品希夫堿8，產(chǎn)率62%。1H NMR(400 MHz，CDCl3)：δ4.40(s,1H)，4.77(s,1H)，7.07～7.31(m,17H)，7.87～8.01(m,4H)，8.71(s,1H)，13.30(s,1H)。希夫堿9的制備采用R-3和(R,R)-4為原料，合成方法與上述制備方法相同，產(chǎn)率73%。1H NMR(400 MHz，CDCl3)：δ4.40(s,1H)，4.71(s,1H)，7.11～7.39(m,17H)，7.74～8.01(m,4H)，8.62(s,1H)，13.23(s,1H)。

希夫堿8和9的合成步驟如下：

1.4 熒光測量樣品的制備

R-3與1,2-二苯基乙二胺的相互作用：配制R-3溶液(2.0×10-3mol/L甲醇)和Zn2+溶液(2.0×10-3mol/L甲醇)，現(xiàn)配現(xiàn)用。在熒光識別研究中，將40 μLR-3溶液(2.0×10-3mol/L甲醇)和40 μL Zn2+溶液(2.0×10-3mol/L甲醇)與不同體積比的1,2-二苯基乙二胺溶液(2×10-3mol/L甲醇)在5 mL 帶塞試管中混合，混合物在室溫下靜置3至3.5 h后，用甲醇定容至2 mL，用熒光分光光度計測試樣品。R-3與1,2-二環(huán)己二胺的相互作用方法與之類似。

R-3與丙氨酸的相互作用：現(xiàn)配現(xiàn)用R-3(2.0×10-3mol/L甲醇)溶液、Zn2+(2.0×10-3mol/L甲醇)溶液和丙氨酸(2.0×10-3mol/L甲醇/水，V/V=1∶9)溶液，熒光識別研究中，在5 mL帶塞試管里將40 μLR-3(2.0×10-3mol/L甲醇)溶液和40 μL Zn2+溶液(2.0×10-3mol/L甲醇)混合在不同體積的丙氨酸(2.0×10-3mol/L甲醇/水，V/V=1∶9)中，混合物均在室溫下靜置3至3.5 h后，用甲醇定容至2 mL，然后用熒光分光光度計測試樣品。R-3與纈氨酸的相互作用方法與之類似。

2 結(jié)果與討論

2.1 識別實驗條件篩選

圖3 R-3熒光發(fā)射光譜(4.0×10-5 mol/L甲醇溶液，激發(fā)波長為438 nm,狹縫寬度均為5 nm)Fig.3 The fluorescence spectrum of R-3 in methanol solution (4.0×10-5 mol/L,λex=438 nm,slits=5/5 nm)

預試驗表明，僅有R-3的甲醇溶液中，當在438 nm處激發(fā)時，熒光發(fā)射光譜最大峰值出現(xiàn)在505 nm左右，且強度較低(圖3)，而R-3在Zn2+存在下與1,2-二苯基乙二胺作用后，在438 nm處激發(fā)時，熒光發(fā)射光譜在λ=560 nm處出現(xiàn)新的信號增強峰。1,2-二苯基乙二胺在R-3-Zn2+甲醇溶液的熒光光譜中，配合物的激發(fā)波長為是438 nm，發(fā)射波長是560 nm，斯托克斯位移122 nm。于是考察了鋅鹽對該反應的影響，分別使用Zn(Ac)2、Zn(OTf)2、ZnCl2作為Zn2+源進行熒光掃描，結(jié)果表明鋅鹽陰離子部分對該反應體系沒有影響。實驗中選擇Zn(Ac)2。然后我們考察了溶劑對該反應的影響，對甲醇、THF、乙腈、DMF、DMSO、乙醇和二氯甲烷等多種溶劑進行考察后發(fā)現(xiàn)，R-3 在甲醇、DMF、DMSO和乙醇中與1,2-二苯基乙二胺作用效果均比較好。綜合溶劑沸點、經(jīng)濟性和選擇性的考慮，最終選擇甲醇作為實驗溶劑。

由于體系僅在添加Zn2+后在λ=560 nm處產(chǎn)生新的紅移熒光信號，且考慮到Zn2+濃度變化可能導致熒光強度變化，我們考察了Zn2+濃度對該識別體系的影響(圖(4a))。實驗結(jié)果顯示，當R-3的濃度為4.0×10-5mol/L,(1S,2S)-4以及(1R,2R)-4為5.6×10-5mol/L時，添加4.0×10-5mol/L Zn2+體系熒光增強最大且選擇性最好，所以采用添加4.0×10-5mol/L Zn2+進行后續(xù)實驗。通過繪制熒光強度隨作用時間的變化曲線發(fā)現(xiàn)，配體和二胺的作用時間對該體系的熒光增強也有影響(圖(4b))，體系的熒光強度在3 h左右基本達到穩(wěn)定。

圖4 (a)Zn2+濃度對體系熒光強度影響；(b)R-3(4.0×10-5 mol/L,甲醇溶液)和(1S,2S)-4(4.0×10-5 mol/L,甲醇溶液)作用時間對熒光強度的影響Fig.4 (a)The effect of Zn2+ concentration on the fluorescent recognition;(b)The effect of interaction time on the fluorescence enhancement in methanolR-3(4.0×10-5 mol/L),(1S,2S)-4 or (1R,2R)-4(5.6×10-5 mol/L),and Zn2+(4.0×10-5 mol/L) in methanol solution,λex=438 nm,slits=5/5 nm,1 cm.

圖5 1,2-二苯基乙二胺濃度對熒光強度的影響Fig.5 The influence of the diamines concentration on the fluorescent recognitionR-3 (4.0×10-5 mol/L) and Zn2+ (4.0×10-5 mol/L) in methanol solution(4.0×10-5mol/L),λex=438 nm,slits=5/5 nm,3 h.

通過繪制(S,S)-4以及(R,R)-4的熒光滴定曲線(λemi=560 nm)，我們考察了1,2-二苯基乙二胺摩爾濃度對體系選擇性的影響(圖5)。結(jié)果表明加入的手性1,2-二苯基乙二胺摩爾濃度大小會影響傳感器對其的對映選擇性，在4.0×10-5mol/LR-3溶液中當加入5.6×10-5mol/L的1,2-二苯基乙二胺(1.4倍當量)時其對映選擇性最佳，而隨著其摩爾濃度的繼續(xù)增加，體系的熒光強度和對映選擇性均相應降低，曲線變化趨于平穩(wěn)。

圖6 R-3(a)與S-3(b)對映選擇識別1,2-二苯基乙二胺Fig.6 The confirmation of the enantioselective recognition of ligand 3 against diamines(a)R-3 and Zn2+ in methanol solution(4.0×10-5 mol/L),λex=438 nm,slits=5/5 nm,5.6×10-5 mol/L amine in methanol,1 cm,3 h;(b) S-3 and Zn2+ in methanol solution (4.0×10-5 mol/L),λex=438 nm,slits=5/5 nm,5.6×10-5 mol/L amine in methanol,1 cm,3 h.

2.2 對映選擇性熒光響應的確認

為了確認該變化與3-醛基聯(lián)萘酚的手性誘導作用有關，我們制備了其對映體(S)-3，研究其對(S,S)-和(R,R)-4的熒光響應(圖6)。R-3、Zn2+分別和(1S,2S)-(+)-1,2-二苯基乙二胺和(1R,2R)-(-)-1,2-二苯基乙二胺作用后的最大熒光強度為1 600和1 200，而S-3、Zn2+分別和(1S,2S)-(+)-1,2-二苯基乙二胺以及(1R,2R)-(-)-1,2-二苯基乙二胺的最大熒光強度為1 200 和1 600，基本呈鏡像關系，進一步證明實驗結(jié)果的正確性。該結(jié)果表明，3-醛基手性聯(lián)萘酚配體確實可以對不同構(gòu)型的二胺進行識別，當使用(R)-3-醛基聯(lián)萘酚時，一定濃度范圍內(nèi)，熒光增強幅度較大的為(1S,2S)-(+)-1,2-二苯基乙二胺，增強幅度較小的為(1R,2R)-(-)-1,2-二苯基乙二胺；使用(S)-3-醛基聯(lián)萘酚時，則剛好相反。

2.3 結(jié)合常數(shù)計算

隨著1,2-二苯基乙二胺濃度增大，R-3濃度為4.0×10-5mol/L，在λ=560 nm處熒光發(fā)射強度逐漸增強(圖7(a)和7(b))，這也符合Benesi-Hilderand方程的線性表達[11]。通過計算R-3和(1R,2R)-4以及(1S,2S)-4的結(jié)合常數(shù)為KR=1.17×104L/mol，KS=0.82×104L/mol，KR/KS值為1.432。利用同樣方法也可計算R-3分別和(1S,2S)-1,2-環(huán)己二胺(1S,2S)-5)/(1R,2R)-1,2-環(huán)己二胺(1R,2R)-5，以及其他手性氨基酸類化合物，如丙氨酸(L-6/D-6)、纈氨酸(L-7/D-7)結(jié)合常數(shù)。

圖7 1,2-二苯基乙二胺濃度對R-3熒光增強的影響Fig.7 The effect of 1,2-diphenylethylen diamine concentration on the R-3 fluorescence enhancement(R-3)(4.0×10-3 mol/L),Zn2+(4.0×10-5 mol/L);(a)(1S,2S)-4)(4.0×10-7-4.8×10-5 mol/L);(b)(1R,2R)-4(4.0×10-7-4.8×10-5 mol/L;λex=438 nm,slits=5/5 nm,1 cm,3.5 h,methanol solution.

2.4 識別機理研究

我們認為該體系熒光增強可能是由于熒光傳感器R-3和1,2-二苯基乙二胺作用生成的希夫堿與Zn2+形成配合物導致的。為此，分別合成化合物8和9兩種構(gòu)型的1,2-二苯基乙二胺與R-3形成的希夫堿(圖8)，并測試其熒光響應情況。在相同濃度下的8和9溶液中，當添加了Zn2+后，在560 nm處兩者熒光均增強，而未添加Zn2+的樣品中沒有發(fā)現(xiàn)熒光增強現(xiàn)象。此外，化合物8-Zn2+較化合物9-Zn2+表現(xiàn)出更大的熒光增強，這與R-3對1,2-二苯基乙二胺的手性識別實驗結(jié)果一致。

圖8 希夫堿8和9在甲醇(4.0×10-5 mol/L)中的熒光響應Fig.8 The fluorescence response of 8 and 9 in methanol solution (4.0×10-5 mol/L) in presence or absence of Zn2+λex=438 nm,slits=5/5 nm.1 cm,3.5 h.

3 結(jié)論

3-甲?；?1,1′-聯(lián)-2-萘酚可以作為一種熒光傳感器，對手性二胺和氨基酸進行對映選擇性識別。在Zn2+存在下，該傳感器對手性二胺和手性氨基酸都可以表現(xiàn)出極大的熒光增強，且最大發(fā)射波長紅移至560 nm處，表現(xiàn)出適度的對映體選擇性。該方法簡便快捷、靈敏度高。通過添加Zn2+和胺類化合物形成穩(wěn)定的希夫堿金屬配合物，可能是該體系能夠表現(xiàn)出對映選擇性熒光增強的原因。