三丹磺?；〈?,4,7-三氮環(huán)壬烷的合成與熒光性質(zhì)*

方 霄，王宇靜，汪清清，周 婷，王小波**

(1.湖北科技學(xué)院醫(yī)學(xué)部藥學(xué)院，湖北 咸寧437100；2.湖北科技學(xué)院核技術(shù)與化學(xué)生物學(xué)院)

在環(huán)境和生命體系中，廣泛存在的各種活性小分子在維持環(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡及調(diào)控生物體的生理活動(dòng)中扮演著重要角色。這些物質(zhì)的含量通常須維持在一定范圍，若異常波動(dòng)則將破壞環(huán)境系統(tǒng)，直接或間接導(dǎo)致生物體機(jī)能失調(diào)，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的不可逆疾病。此外，生命體內(nèi)微環(huán)境的極性異常(如局部水含量偏少或過(guò)多)也與多種疾病的形成與發(fā)展密切相關(guān)，如肝硬化、腫瘤與多囊性腎病等[1-3]。因此，對(duì)環(huán)境中水分的定性、定量檢測(cè)及生命體系中某些特定部位的極性檢測(cè)具有重要意義。

熒光探針技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種光化學(xué)檢測(cè)分析手段，具有靈敏度高、選擇性好、能實(shí)現(xiàn)原位檢測(cè)和操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、生命體系中的熒光成像等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用[4-8]。丹磺?；捎谛再|(zhì)穩(wěn)定和斯托克斯位移大而被廣泛用于制備各種小分子熒光探針[9-13]。

本文以丹磺酰氯為起始原料，與經(jīng)典的三氮環(huán)1,4,7-三氮環(huán)壬烷(TACN)通過(guò)簡(jiǎn)單反應(yīng)得到三丹磺?；?1,4,7-三氮環(huán)壬烷(TD3)，以熒光分光光度計(jì)檢測(cè)其在不同溶劑體系下的發(fā)射光譜，探索極性對(duì)TD3的發(fā)射波長(zhǎng)及熒光強(qiáng)度的影響，為后續(xù)研究開(kāi)發(fā)丹磺酰類(lèi)熒光探針提供有益的參考。

1 材料與方法

1.1 主要儀器與試劑

油浴鍋，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，PHS-3C型pH計(jì)，微樣進(jìn)液槍，DRX-400核磁共振儀(德國(guó)Bruker公司)，LCQ電噴霧質(zhì)譜儀(ThermoFisher公司)，熒光分光光度計(jì)(日立F-4700)。

二甲亞砜、四氫呋喃、乙醇、乙腈、碳酸鉀、氫氧化鈉、無(wú)水硫酸鈉、氯仿、層析柱硅膠均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)。1,4,7-三氮環(huán)壬烷鹽酸鹽、丹磺酰氯、氘代氯仿等均購(gòu)買(mǎi)于安耐吉試劑公司。

1.2 三丹磺酰基-1,4,7-三氮環(huán)壬烷(TD3)的合成

1,4,7-三氮環(huán)壬烷鹽酸鹽(9.20g,38.8mmol)溶解于20mL去離子水后置于冰水浴中，分批加入氫氧化鈉顆粒(4.30g,2.8eq.)，調(diào)pH至13。產(chǎn)物用氯仿萃取3次，每次萃取約2h(3×30mL)，合并氯仿層，加無(wú)水硫酸鈉過(guò)夜，抽濾后濾液減壓旋蒸，得淡黃色油狀物即1,4,7-三氮環(huán)壬烷，產(chǎn)率為58.0%。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ2.78(s,12H)，13C NMR(100MHz,CDCl3):δ47.58，合成路線見(jiàn)圖1。

圖1 三丹磺?；?1,4,7-三氮環(huán)壬烷(TD3)的合成路線

將丹酰氯(2.50g,9.6mmol)溶于20mL 氯仿中，加入碳酸鉀(1.50g,10.8mmol)后于60℃下攪拌。三氮環(huán)(0.40g,3.1mmol)溶于10mL氯仿，置于恒壓滴液漏斗中緩慢滴加，滴完后繼續(xù)反應(yīng)6h。冷至室溫，抽濾。溶液依次以飽和碳酸氫鈉溶液(20mL×3)和ddH2O(20mL×2)洗滌，收集有機(jī)相，加無(wú)水硫酸鈉，放置過(guò)夜。抽濾，旋干溶液，得到淡黃色粗產(chǎn)物。用硅膠柱對(duì)粗產(chǎn)物純化，洗脫體系為氯仿∶甲醇=20∶1，得黃色粉末即為三丹磺酰基-1,4,7-三氮環(huán)壬烷T(mén)D3，產(chǎn)率為54.0%。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ2.89(s,12H),3.63(s,8H),7.18(d,J=8.0Hz,4H),7.51(t,J=8.0Hz,6H),7.56(t,J=8.0Hz,6H),8.03(d,J=8.0Hz,4H),8.46(d,J=8.0Hz,4H),8.57(D,J=8.0Hz,4H)。13C NMR(100MHz,CDCl3):δ45.66,51.20,115.48,119.71,123.17,128.42,129.28,130.32,133.73,151.72。ESI-MS(陽(yáng)離子模式,m/z):理論值828.28,實(shí)測(cè)值851.74，該峰歸屬為[TD3+Na]+。

圖2 TD3在CDCl3中的1H NMR圖譜

1.3 熒光光譜測(cè)試

選定溶劑為純二甲基亞砜、純乙醇、純乙腈及純四氫呋喃，配制TD3濃度均為10μmol/L的待測(cè)溶液。同樣配制一系列濃度梯度的THF/H2O及DMSO/H2O混合溶劑，并配制成TD3濃度為10μmol/L的待測(cè)液。用移液槍吸取2mL待測(cè)溶液于石英熒光比色皿中，使用熒光分光光度計(jì)測(cè)定其發(fā)射光譜，測(cè)試溫度為室溫。

2 結(jié) 果

2.1 TD3在純有機(jī)溶劑中的熒光發(fā)射光譜研究

在激發(fā)波長(zhǎng)345nm下，觀測(cè)了TD3在二甲亞砜、乙醇、乙腈及四氫呋喃溶劑中的發(fā)射波長(zhǎng)分別為534nm、525nm、524nm和503nm，如圖3所示。在紫外光下(激發(fā)波長(zhǎng)：365nm)，肉眼可見(jiàn)4種TD3溶液的顏色也呈現(xiàn)明顯差異(圖3內(nèi)嵌圖)。

圖3 TD3在不同溶劑中的發(fā)射光譜圖(內(nèi)嵌圖A-D分別為DMSO、EtOH、CH3CN、THF)

2.2 TD3在混合溶劑中的熒光發(fā)射光譜研究

選擇二甲基亞砜和四氫呋喃，通過(guò)調(diào)整二甲基亞砜及四氫呋喃在水溶液中比例，我們進(jìn)一步驗(yàn)證了隨著極性的變化，TD3的熒光發(fā)射光譜的變化情況。如圖4(A)所示，對(duì)于DMSO/H2O體系，在DMSO(100%)、DMSO(80%)和DMSO(60%)混合溶劑中，TD3的最大發(fā)射波長(zhǎng)分別為532nm、533nm和537nm?？煽吹剑l(fā)射峰相比純DMSO溶劑體系逐漸紅移，且熒光強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)。當(dāng)DMSO含量由60%繼續(xù)降至40%時(shí)，熒光強(qiáng)度迅速增強(qiáng)且伴隨著發(fā)射峰的藍(lán)移。在低DMSO含量區(qū)間(40%、20%、10%)，TD3的最大發(fā)射波長(zhǎng)分別為501nm、503nm和501nm，基本無(wú)變化，但熒光強(qiáng)度逐漸降低。

圖4 TD3在DMSO/H2O(A)和THF/H2O(B)混合溶劑中的發(fā)射光譜圖

類(lèi)似地，如圖4(B)所示，對(duì)于THF/H2O體系，TD3隨著THF濃度降低，波長(zhǎng)分別為503nm(100%THF)、521nm(80%THF)、525nm(60%THF)、528nm(40%THF)、509nm(20%THF)、505nm(10%THF)，發(fā)射峰會(huì)出現(xiàn)先紅移后藍(lán)移的現(xiàn)象，并且在紅移的同時(shí)伴隨著熒光強(qiáng)度的降低，藍(lán)移的同時(shí)伴隨著熒光強(qiáng)度的增強(qiáng)，最終在THF∶水=1∶9體系中，最大發(fā)射波長(zhǎng)藍(lán)移至接近于100%THF體系時(shí)的數(shù)據(jù)。

3 討 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同純有機(jī)溶劑中TD3溶液顏色的明顯差異是由于隨著溶劑極性的增強(qiáng)，TD3分子在溶劑中的聚集形態(tài)不同，導(dǎo)致了發(fā)射波長(zhǎng)不斷紅移?？赡茉蚴荰D3分子激發(fā)態(tài)的極性強(qiáng)于基態(tài)，溶劑極性增強(qiáng)致使激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間的能量差降低，進(jìn)而使得熒光發(fā)射峰隨溶劑極性的增強(qiáng)而出現(xiàn)了較明顯的紅移現(xiàn)象[14]。

在混合溶劑體系中，TD3的熒光發(fā)射光譜結(jié)果表明，發(fā)射峰藍(lán)移現(xiàn)象可能是由于極性的增加導(dǎo)致基態(tài)分子比激發(fā)態(tài)分子的穩(wěn)定性更好，出現(xiàn)負(fù)溶致變色現(xiàn)象[15]。隨著調(diào)節(jié)混合溶劑的比例來(lái)改變極性，光譜的結(jié)果會(huì)呈現(xiàn)相應(yīng)的改變。這與在純單一溶劑中測(cè)試所得結(jié)果一致，更進(jìn)一步驗(yàn)證了溶劑的種類(lèi)、極性對(duì)TD3發(fā)射光譜有著顯著影響。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)并合成了丹磺?；〈拇蟓h(huán)多胺類(lèi)化合物—三丹磺?；?1,4,7-三氮環(huán)壬烷(TD3)，并通過(guò)NMR、質(zhì)譜等手段進(jìn)行了結(jié)構(gòu)確認(rèn)，詳細(xì)研究了純有機(jī)溶劑及混合溶劑下TD3的熒光發(fā)射光譜。結(jié)果表明，TD3具有明顯的溶致變色效應(yīng)，可通過(guò)改變?nèi)軇┘罢{(diào)節(jié)混合溶劑的比例來(lái)調(diào)節(jié)其最大發(fā)射波長(zhǎng)和熒光強(qiáng)度，這為后續(xù)研究新型基于丹磺酰胺的極性熒光探針提供了實(shí)驗(yàn)借鑒。