BODIPY二聚體及三聚體的一鍋合成法及其性質(zhì)研究

趙 娜，李 杰，楊艷華，戴恩睿，李湘廣

(1.昆明學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650214；2.昆明學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，云南 昆明 650214)

0 引 言

硼氟二吡咯(Boron Dipyrromethene, 簡寫為：BODIPY，母核結(jié)構(gòu)如圖1所示)熒光染料自1968年被意外發(fā)現(xiàn)并首次報道以來，就因其在可見光區(qū)甚至近紅外光區(qū)都具有極強的吸收和較高的摩爾消光系數(shù)(> 70 000 M-1cm-1)、光化學(xué)穩(wěn)定性好、易通過分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)修飾來精細(xì)調(diào)控其光電性質(zhì)等特點而受到世界范圍內(nèi)的廣泛研究和應(yīng)用[1-5].作為一類新興的有機熒光染料，近二十年來，BODIPY類熒光染料已廣泛應(yīng)用于化學(xué)傳感器[6]、光動力治療[7]、有機太陽能電池[8]、熒光標(biāo)記[9]、近紅外吸收/發(fā)射染料[10]等領(lǐng)域.

圖1 BODIPY的母核結(jié)構(gòu) Fig.1 The core structure of BODIPY

目前，對BODIPY的功能化修飾主要集中在如圖1所示的位置.在眾多的化學(xué)修飾手段中，通過拓展BODIPY的共軛結(jié)構(gòu)，可以有效增強分子的共軛程度，從而顯著影響B(tài)ODIPY分子的光物理性質(zhì)，獲得具有獨特光電性質(zhì)的BODIPY功能材料.有效拓展BODIPY共軛體系的方法主要包括：(1)線性修飾BODIPY結(jié)構(gòu)，即通過在BODIPY母核上引入不同的π電子取代基來拓展共軛體系[11-14]；(2)芳環(huán)稠合修飾BODIPY結(jié)構(gòu)，即通過在BODIPY母核上稠合芳環(huán)結(jié)構(gòu)單元來實現(xiàn)更大的剛性結(jié)構(gòu)[15-23].

通過多聚共軛來構(gòu)筑新型BODIPY寡聚物，是一種有效拓展BODIPY的共軛結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)BODIPY線性修飾的新手段.目前，已有文獻(xiàn)報道可通過FeCl3氧化偶聯(lián)法[24-26]、高價碘([雙(三氟乙酰氧基)碘]苯, PIFA)氧化偶聯(lián)法[27]、金屬催化偶聯(lián)法[28-30]制備BODIPY寡聚物.然而，由于BODIPY反應(yīng)位點多，氧化偶聯(lián)法僅適用于1,2,3,5,6,7多取代的BODIPY結(jié)構(gòu)；而金屬催化偶聯(lián)法需要進(jìn)行冗長的功能化修飾和繁瑣的分離過程.基于此，我們設(shè)想可以通過“一鍋法”來直接合成BODIPY寡聚物.在本文中，我們報道了一種“一鍋法”合成BODIPY二聚體、三聚體的新方法，通過調(diào)控BODIPY溴代物、B2Pin2的比例，可以調(diào)控BODIPY二聚體、三聚體的生成比例.進(jìn)一步地，研究了BODIPY、BODIPY二聚體、BODIPY三聚體的光物理性質(zhì)及電化學(xué)性質(zhì).

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

試劑：實驗中所用到的水為去離子水；吡咯、2,4,6-三甲基苯甲醛、鹽酸、2,3-二氯-5,6-二氰對苯醌(DDQ)、三乙胺(Et3N)、三氟化硼乙醚(BF3·Et2O)、N-溴代丁二酰亞胺(NBS)、聯(lián)硼酸頻那醇酯(B2Pin2)、碳酸氫鈉、硫酸鈉、碳酸鉀、氯化鈉、二氯甲烷、石油醚(PE)、甲醇均為市售分析純，購自阿拉丁試劑，未經(jīng)進(jìn)一步純化；四(三苯基膦)鈀(Pd(PPh3)4)、醋酸鈀(Pd(OAc)2)、雙三苯基磷二氯化鈀(PdCl2(PPh3)2)、DPPF二氯化鈀(PdCl2(dppf))、三(二亞芐基丙酮)二鈀-氯仿加合物(Pd2(dba)3·CHCl3)、乙酸鉀(KOAc)、叔丁醇鉀(t-BuOK)、磷酸三鉀(K3PO4)、碳酸銫(Cs2CO3)、2-二環(huán)己基膦-2’,4’,6’-三異丙基聯(lián)苯(X-Phos)、三叔丁基膦(P(t-Bu)3)、三環(huán)己基膦四氟硼酸鹽(Pcy·HF4)、三苯基膦(PPh3)、1,4-二氧六環(huán)(1,4-dioxane)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亞砜(DMSO)、四氫呋喃、甲苯均購自百靈威無水試劑.

“這是誰都勉強不了的事情！”汪隊長拍拍頭，面露難色，“這也不是你我說了算的事情，也不是你那個陳班長一廂情愿的事情，關(guān)鍵是要讓李曉英心甘情愿才成！”

儀器：Bruker ADVANCE 400核磁譜儀、Bruker Daltonics Inc.BIFLEX III MALDI-TOF或Waters micromass GCT 高分辨質(zhì)譜儀、島津UV-3600Plus UV-VIS-NIR分光光度計、日立F-4500熒光譜儀、CHI66電化學(xué)工作站.

1.2 化合物的合成

1.2.4 化合物7(dimer)、8(trimer)的合成

問：我是《養(yǎng)生三記》的讀者，很信任你。不知你記不記得，我曾為老伴的身體狀況向你咨詢，他腿腫，腳也腫，鞋得穿大一號的；小腿發(fā)癢，總撓。你建議吃麥綠素，他死活不吃。無奈之下，我先服用，晚上睡眠好，白天特有精神。他看效果這么好，動心了，也試著服用。今年一月九號開始吃，現(xiàn)在腿腫已消，小腿有時還癢，但人有精神頭了，每天主動服用，可用心了。請問他的小腿癢，還需要吃什么補品？

化合物8(trimer)：紫色粉末狀固體，12.9 mg.1H NMR(400 MHz,CDCl3,298 K)δ=8.10(s,4H),7.93(s,2H),6.98(s,2H),6.97(s, 4H),6.68(d,J=4.0 Hz,2H),6.58(s,4H),6.48(d,J=2.7 Hz,2H),2.39(s,3H),2.37(s,6H),2.10(s,18H).13C NMR(100 MHz,CDCl3,298 K)δ=147.34,146.51,145.23,142.55,141.88,139.42,139.28,136.61,136.58,136.47,136.07,130.65,129.79,129.69,128.60,128.52,126.97,126.52,123.24,123.20,119.14,21.40,20.25.HRMS(MALDI-TOF,[M]+,100%):calcd for C54H47B3F6N6,926.404 6;found,926.405 6.

在 250 mL 的燒杯中加入 100 mL 0.18 M 的鹽酸溶液，再加入2(2.80 mL,40.5 mmol)，磁力攪拌下加入1(1.99 mL,13.5 mmol)，室溫反應(yīng) 6 h，抽濾，濾餅用 200 mL 水、100 mL 石油醚分別洗滌，干燥，硅膠柱層析分離純化(PE/DCM=1/1)，得到 1.15 g 白色固體，產(chǎn)率32.2%.1H NMR (400 MHz,CDCl3,298 K)δ=7.95(brs,2H),6.87(s,2H),6.67(dd,J=4.0,2.4 Hz,2H),6.19(dd,J=5.9,2.8 Hz,2H),6.02(dd,J=3.6,2.2 Hz, 2H),5.93(s,1H),2.29(s,3H),2.06(s,6H).13C NMR(100 MHz,CDCl3,298 K)δ=137.82,136.82,134.70,131.43,130.55,116.36,108.85,106.69,38.49,21.03,20.79.HRMS (EI,[M]+,100%):calcd for C18H20N2,264.162 6;found,264.163 2.

圖2 BODIPY二聚體、三聚體的合成Fig.2 The synthesis of BODIPY-based dimer and trimer

本文從鈀催化劑、堿、配體、溶劑和反應(yīng)溫度等方面對反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化，如表1所示.起初，使用Pd(PPh3)4作為催化劑、K2CO3作為堿、THF/H2O作為溶劑時，沒有觀察到化合物7(dimer)和8(trimer)的生成(Entry 1)；當(dāng)使用Pd(OAc)2為催化劑、X-Phos為配體時，dimer的產(chǎn)率僅為7%，展示了較低的反應(yīng)活性(Entry 2)；當(dāng)使用PdCl2(PPh3)2為催化劑時，dimer的產(chǎn)率有所提升，但仍然沒有生成trimer(Entry 3).而當(dāng)使用PdCl2(dppf) 為催化劑時，dimer和trimer的產(chǎn)率分別為22%和5%(Entry 4)；使用 Pd2(dba)3·CHCl3為催化劑時dimer和trimer的產(chǎn)率進(jìn)一步提升到28%和13%(Entry 5)，顯示 Pd2(dba)3·CHCl3為較優(yōu)的鈀催化劑.一般而言，堿在催化偶聯(lián)反應(yīng)體系中扮演著十分重要的角色，接下來，對堿也進(jìn)行了優(yōu)化.使用K2CO3、KOAc、t-BuOK、K3PO4、Cs2CO3作為堿時，Cs2CO3顯示較高的反應(yīng)產(chǎn)率(Entries 5～9)，堿使用4當(dāng)量時dimer和trimer的產(chǎn)率分別為41%和22%，為最優(yōu)當(dāng)量(Entries 9～11).配體的使用對反應(yīng)也有著重要的影響，當(dāng)使用X-Phos為配體時，dimer和trimer的產(chǎn)率分別為46%和28%，產(chǎn)率遠(yuǎn)高于P(t-Bu)3、Pcy·HF4、PPh3等配體(Entries 12～15).在本文的反應(yīng)條件下，1,4-dioxane/H2O為最佳反應(yīng)溶劑(Entries 10, 12, 16～18).延長反應(yīng)時間、提高反應(yīng)溫度，對dimer和trimer的產(chǎn)率沒有明顯的提升(Entries 19～20).令人高興的是，通過改變化合物5、6和B2Pin2的比例，可以調(diào)控dimer和trimer的產(chǎn)率.當(dāng)增大B2Pin2的量時有利于提高trimer的產(chǎn)率，而當(dāng)增大化合物5的量時dimer的產(chǎn)率有明顯的提升(Entries 21～22).

一個家庭也有它自己的政治秩序，劉瑜說，健康的政治制度的真諦在于制衡。很多時候，我們給了寶寶無限大的權(quán)利，而忘了制衡——要適當(dāng)?shù)叵拗扑挠麩o限放大，尤其是當(dāng)他的行為和喜好已經(jīng)妨礙到其他家庭成員的時候。如果家里所有人因為重視他愛護(hù)他而無限制地讓著他，那么，他就會默認(rèn)為，自己擁有的權(quán)利是沒有邊界的，所有人都應(yīng)當(dāng)為他讓位。

1.2.3 化合物5、6的合成

在一 100 mL 的單口瓶里，加入化合物4(465.2 mg,1.5 mmol)，再加入等體積的CH2Cl2/CH3OH混合溶液(CH2Cl2/CH3OH=25 mL/25 mL), 常溫攪拌使化合物4溶解，向反應(yīng)體系中緩慢加入 480.5 mg(2.7 mmol)的N-溴代丁二酰亞胺(NBS)，反應(yīng)液于室溫下攪拌 2 h，TLC監(jiān)測反應(yīng)過程，待化合物4反應(yīng)完畢，向反應(yīng)體系中加入飽和NaHCO3溶液，CH2Cl2萃取，無水Na2SO4干燥，濃縮，硅膠柱層析分離純化(PE/DCM=3/1)，第一條色帶為化合物6，綠色金屬光澤固體，收集到 322.9 mg，產(chǎn)率46.0%；第二條色帶收集到 245.7 mg 紅色固體，即化合物5，產(chǎn)率42.1%.

圖4右下表示LNAPI_SA對LNAPI_SA的脈沖響應(yīng)結(jié)果，表明CPI給自身一個沖擊，在第1期時便立即響應(yīng)，產(chǎn)生正響應(yīng)，且響應(yīng)的效果逐漸增強，在第2期達(dá)到最大；之后響應(yīng)的效果逐漸減弱，在第5期時變?yōu)?；之后繼續(xù)下跌，產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)；在第7期時達(dá)到最大負(fù)效應(yīng)；之后回升至第12期時再次變?yōu)?；之后趨于平穩(wěn)。這說明CPI受自身影響大，尤其是在CPI上升后的3個月內(nèi)影響最大，但在1年后產(chǎn)生了負(fù)影響。

化合物6：1H NMR (400 MHz,CDCl3,298 K)δ=7.82(s,2H),6.96(s,2H),6.70(s,2H),2.35(s,3H),2.10(s,6H,).13C NMR (100 MHz,CDCl3,298 K)δ=147.94,144.73,139.84,136.36,135.47,130.50,128.79,128.67,107.62,21.38,20.24.HRMS(EI,[M]+,100%):calcd for C18H15BBr2F2N2,465.966 3;found,465.965 7.

化合物5：1H NMR(400 MHz,CDCl3,298 K)δ=7.98(s, 1H),7.76(s,1H),6.96(s,2H),6.76(d,J=4.2 Hz,1H),6.62(s,1H),6.52(d,J=4.3 Hz,1H),2.36(s,3H),2.10(s,6H).13C NMR(100 MHz,CDCl3,298 K)δ=147.89,146.70,142.55,139.48,136.46,136.20,134.94,132.03,129.34,129.03,128.55,119.90.106.26,21.37,20.23.HRMS(EI,[M]+,100%):calcd for C18H16BBrF2N2,388.055 8;found,388.056 3.

BODIPY二聚體、三聚體的合成反應(yīng)式見圖2.

在 250 mL 的二口瓶里，加入中間體3(1.07 g,4.05 mmol)，然后加入 75 mL 無水CH2Cl2，攪拌使之溶解，再將事先溶于 50 mL 無水CH2Cl2的919.4 mg(4.05 mmol)的2,3-二氯-5,6-二氰基苯醌(DDQ)加入反應(yīng)體系中，常溫攪拌 50 min，向反應(yīng)液中滴加 3.5 mL 三乙胺，攪拌 1 h，緩慢滴加 4.5 mL 三氟化硼乙醚溶液，繼續(xù)反應(yīng) 30 min，TLC監(jiān)測，待反應(yīng)完畢，反應(yīng)液用飽和NaHCO3溶液洗滌(3×100 mL),CH2Cl2萃取，無水Na2SO4干燥，濃縮，硅膠柱層析分離純化(PE/DCM=2/1)，得到 556.5 mg 紅色顆粒狀固體，產(chǎn)率44.3%.1H NMR (400 MHz,CDCl3,298 K)δ=7.91(s,2H),6.95(s,2H),6.68(d,J=4.1 Hz,2H),6.47(d,J=3.8 Hz,2H),2.36(s,3H),2.10(s,6H).13C NMR (100 MHz,CDCl3,298 K)δ=147.95,144.47,139.10,136.56,135.62,130.41,129.93,128.42,118.76,21.39,20.23.HRMS (EI,[M]+,100%):calcd for C18H17BF2N2,310.145 3;found,310.145 1.

在一干燥無水的 25 mL 二口瓶中，加入化合物5(19.5 mg,0.05 mmol)，6(23.4 mg,0.05 mmol)，B2Pin2(12.7 mg,0.05 mmol)，Pd2(dba)3·CHCl3(2.6 mg,0.002 5 mmol)，Cs2CO3(65.2 mg,0.2 mmol)和X-Phos(2.4 mg,0.005 mmol)，反復(fù)抽真空三次，Ar保護(hù)下注入 3.0 mL 1,4-dioxane：H2O(體積比為9∶1)，反應(yīng)液Ar保護(hù)下室溫反應(yīng) 48 h，TLC監(jiān)測反應(yīng)過程，反應(yīng)畢，反應(yīng)液經(jīng)二氯甲烷萃取，有機層用飽和NaCl水溶液洗，無水Na2SO4干燥，濃縮，硅膠柱層析分離純化(PE/DCM=1/2)得到目標(biāo)化合物7和8.進(jìn)一步純化可使用DCM/MeOH重結(jié)晶.

化合物7(dimer)：藍(lán)色粉末狀固體，14.2 mg.1H NMR (400 MHz,CDCl3,298 K)δ=8.05(s,2H),7.91(s,2H),6.97(s,4H),6.68(d,J=4.1 Hz,2H),6.60(s,2H),6.47(dd,J=4.1,1.5 Hz,2H),2.37(s,6H),2.10(s,12H).13C NMR(100 MHz,CDCl3,298 K)δ=147.40,145.07,141.82,139.29,136.57,136.05,130.60,129.78,128.52,126.64,123.26,119.08,21.40,20.24.HRMS (MALDI-TOF,[M]+,100%):calcd for C36H32B2F4N4,618.274 9;found,618.275 2.

1.2.1 化合物3的合成

2 結(jié)果與討論

2.1 dimer與trimer的優(yōu)化合成(圖3)

1.2.2 化合物4(monomer)的合成

“道家者流，蓋出于史官。歷記成敗、存亡、禍褔、古今之道。然后知秉要執(zhí)本，清虛以自守，卑弱以自持，君人南面之術(shù)也?！盵11]道家的前身是王官之學(xué)體制中的史官，負(fù)責(zé)記錄歷史事實，并以保持本心不虛妄為行事規(guī)范以求所記史實符合客觀實際。《漢書》中對于史官特征的表述也與歷史上對史官職責(zé)與特征的描述，如“公心執(zhí)筆”，“素心”都是要求史官能夠排除外部干擾，以清凈，無欲的內(nèi)心記錄歷史事實。作為道家的創(chuàng)始人，老子在王官之學(xué)的體制下也是一名史官，老子在擔(dān)任史官這一職業(yè)的前提下積極通過自覺考察，自主選擇，自覺涵養(yǎng)，自覺踐履塑造了自己的思維和行為風(fēng)格。

2.4 女性腦卒中患者自我感受負(fù)擔(dān)的多因素分析 以女性腦卒中患者自我感受負(fù)擔(dān)得分為因變量，以單因素分析中有統(tǒng)計學(xué)意義的影響因素為自變量(學(xué)歷、人均月收入、居住地、是否有伴隨疾病、是否絕經(jīng)及社會支持得分)進(jìn)行多因素非條件Logistic回歸分析，結(jié)果顯示，最終進(jìn)入回歸方程的3個影響因素分別為伴隨疾病、絕經(jīng)及社會支持得分。其中，伴隨疾病與絕經(jīng)的回歸系數(shù)為正值，OR值>1，說明其是自我感受負(fù)擔(dān)的危險因素；而社會支持水平回歸系數(shù)為負(fù)值，OR值<1，即社會支持水平為影響自我感受負(fù)擔(dān)的保護(hù)因素。見表4。

圖3 dimer與trimer的優(yōu)化合成反應(yīng)式Fig.3 Optimized synthesis reaction of dimer and trimer

表1 反應(yīng)條件的優(yōu)化①

2.2 化合物的光物理分析

為了探究多聚共軛對光電性質(zhì)的影響，本文測試了化合物4(monomer)、7(dimer)、8(trimer)在二氯甲烷溶液中的紫外-可見吸收光譜和熒光光譜.如圖4所示，monomer在可見光區(qū)顯示出極強的窄吸收帶(50.1 nm,ε=8.2×104M-1cm-1)，而在紫外區(qū)有著較弱的吸收帶.當(dāng)共軛一個BODIPY結(jié)構(gòu)形成二聚體時，dimer的最大吸收光譜較monomer紅移了 108.5 nm，而當(dāng)共軛兩個BODIPY結(jié)構(gòu)形成三聚體時，trimer的最大吸收光譜較monomer紅移了 179 nm(680.5 nm,ε=12.4×104M-1cm-1).此外，相較于monomer，dimer和trimer顯示出較寬的吸收帶，這可歸因于dimer和trimer分子內(nèi)存在較強的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移作用[31].而在短波區(qū)域(300～450 nm)，dimer和trimer也展示出了更寬且更強的吸收帶.在發(fā)射光譜中，monomer在 512 nm 處展示出了較強的熒光(ФF=0.92).跟吸收類似，dimer和trimer的熒光同樣發(fā)生了不同程度的紅移，相較于monomer，dimer紅移了 144.5 nm，trimer紅移了近 200 nm 至近紅外區(qū)(703.5 nm).值得注意的是，dimer和trimer都有較低的熒光量子產(chǎn)率(0.07和0.12).此外，monomer、trimer的斯托克斯位移都較小，在400～500 cm-1左右，而dimer的斯托克斯位移幾乎是它們的3倍.具體數(shù)據(jù)見表2.

圖4 化合物在二氯甲烷中的吸收光譜(a)和熒光光譜(b)Fig.4 The absorption(a) and fluorescence(b) spectra of monomer, dimer and trimer in CH2Cl2

表2 化合物的光物理及電化學(xué)性質(zhì)匯總

2.3 化合物的電化學(xué)分析

化合物的電化學(xué)性質(zhì)可使用循環(huán)伏安法進(jìn)行研究.如圖5所示，以二茂鐵為外標(biāo)，在我們的電化學(xué)測量窗口內(nèi)，monomer、dimer、trimer均可觀察到可逆的還原峰，歸因于BODIPY母核上可形成陰離子自由基.盡管monomer未出現(xiàn)氧化峰，但dimer不僅有2個可逆的還原峰，還觀察到了1個半可逆的氧化峰；trimer不僅有3個可逆的還原峰，還觀察到了2個半可逆的氧化峰，顯示出多聚共軛以后有利于形成陽離子自由基.從表2中可以看出，相對于monomer，dimer和trimer具有低的LUMO能級和較高的HOMO能級，更窄的能帶.因此，通過多聚共軛，能夠有效調(diào)控分子的HOMO/LUMO能級，形成具有獨特光電性能的有機功能材料并有望應(yīng)用于有機場效應(yīng)晶體管、有機光伏器件等領(lǐng)域.

圖5 化合物在二氯甲烷中的循環(huán)伏安曲線 (掃描速度:50 mV/s) Fig.5 CVs of ferrocene, monomer, dimer and trimer in CH2Cl2(Scan rate:50 mv/s)

3 結(jié) 論

本文發(fā)展了一種同時制備BODIPY二聚體、三聚體的“一鍋合成法”，通過調(diào)控BODIPY溴代物、B2Pin2的比例，可以有效調(diào)控BODIPY二聚體、三聚體的生成比例.光物理性質(zhì)研究表明，通過多聚共軛，可以引起吸收光譜和發(fā)射光譜的極大紅移，有望得到近紅外熒光染料.電化學(xué)性質(zhì)研究表明，dimer和trimer具有更低的LUMO能級、更高的HOMO能級以及更窄的能帶，有望在有機功能材料領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用.