一類新穎熒光化合物五取代四氫嘧啶的合成及其光學(xué)特性與應(yīng)用的研究.pdf

1、有機(jī)熒光化合物在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)等多種領(lǐng)域有著廣泛的用途，是學(xué)術(shù)界乃至工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。大多數(shù)有機(jī)熒光化合物在稀溶液中有很好的發(fā)光性能，但在聚集狀態(tài)，尤其是在晶態(tài)時(shí)，熒光減弱甚至猝滅。這種現(xiàn)象被稱為熒光“聚集誘導(dǎo)淬滅效應(yīng)”(ACQ)。ACQ限制了熒光物質(zhì)在制備有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)、化學(xué)與生物傳感器等多種領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，ACQ一直是有機(jī)熒光物質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中一個(gè)難以克服卻又必須解決的難題。在人們致力發(fā)展各種性能更加優(yōu)

2、異的新型發(fā)光材料的過(guò)程中，唐本忠(Tang Ben Zhong)院士課題組于2001年發(fā)現(xiàn)了一種在溶液中不發(fā)光，而在固態(tài)時(shí)卻呈現(xiàn)很強(qiáng)的發(fā)光特性的硅雜環(huán)戊二烯(Silole)。他們將這一現(xiàn)象命名為聚集誘導(dǎo)發(fā)光特性(AIE)。聚集誘導(dǎo)發(fā)光特性化合物的發(fā)現(xiàn)為消除ACQ提供了一種根本的解決方法。短短的十來(lái)年間，具有AIE性質(zhì)的有機(jī)熒光物質(zhì)已在OLED、生物檢測(cè)以及化學(xué)檢測(cè)等多種應(yīng)用領(lǐng)域中顯示了其獨(dú)特性質(zhì)的優(yōu)勢(shì)。但到目前為止，具有高發(fā)光效率的AI

3、E化合物種類有限，主要有silole型和多苯基取代乙烯型等小分子化合物和少數(shù)高分予化合物。多組分反應(yīng)(MCRs)具有原子經(jīng)濟(jì)性、高效性、總產(chǎn)率高以及其產(chǎn)物具有結(jié)構(gòu)多樣性和復(fù)雜性等特點(diǎn)，是一種符合綠色化學(xué)概念的理想反應(yīng)模式，在多種領(lǐng)域，尤其是在新藥發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本課題組近期發(fā)展了一種原料易得、操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和的五組分反應(yīng)(5CR)。該5CR產(chǎn)物五取代四氫嘧啶類化合物具有很強(qiáng)的AIE效應(yīng)及很高的熒光量子產(chǎn)率，是首次由M

4、CRs合成的環(huán)狀A(yù)IE化合物，打破了環(huán)狀A(yù)IE化合物難以合成的觀點(diǎn)。本論文一方面利用該5CR在合成上的優(yōu)勢(shì)，合成了結(jié)構(gòu)各異的五取代四氫嘧啶類化合物并研究了其光學(xué)特性，另一方面發(fā)現(xiàn)了該新型AIE化合物在pH和金屬離子檢測(cè)等方面的用途。本論文共分五章（文獻(xiàn)綜述、五取代四氫嘧啶類化合物的多組份反應(yīng)合成、五取代四氫嘧啶類化合物光學(xué)特性、金屬銅離子檢測(cè)以及pH測(cè)定），包含三大部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（五取代四氫嘧啶類化合物的多組份反應(yīng)合成、光學(xué)特性以及其應(yīng)用

5、研究）。
　　 第一部分五取代四氫嘧啶類化合物的多組份反應(yīng)合成
　　 目的:合成結(jié)構(gòu)各異的五取代四氫嘧啶類化合物，以用于其光學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用研究。
　　 方法:利用本課題組近期發(fā)展的一種原料易得、操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和的5CR進(jìn)行目標(biāo)化合物的合成。
　　 結(jié)果:
　　 (1)共合成了22種化合物。
　　 (2)對(duì)22種化合物進(jìn)行了ESI-MS、1H and13C NMR等結(jié)構(gòu)表征。
　　

6、 (3)用紫外-可見(jiàn)分光光度法測(cè)定化合物在溶液和懸濁液中的吸收光譜。
　　 (4)用穩(wěn)態(tài)熒光法測(cè)定化合物在溶液和懸濁液中發(fā)射光譜。
　　 結(jié)論：
　　 (1)利用本課題組近期發(fā)展的5CR，以不同的伯胺、甲醛、不同的芳香醛和丁炔二酸二酯為原料，在溫和的反應(yīng)條件下，可方便的合成目標(biāo)化合物，產(chǎn)物總產(chǎn)率在40％-60％之間。
　　 (2)發(fā)現(xiàn)6顯示重要的AIEE性能，它在溶液中實(shí)際上是不發(fā)光的（ΦF,s→0），

7、但是在聚集體中發(fā)出很強(qiáng)的熒光，熒光量子率達(dá)到93％(6bb)。
　　 第二部分五取代四氫嘧啶類熒光化合物的光學(xué)性質(zhì)
　　 目的：五取代四氫嘧啶類熒光化合物不僅具有特殊的聚集誘導(dǎo)發(fā)光性質(zhì)，某些化合物還具有發(fā)射波長(zhǎng)與形態(tài)無(wú)關(guān)的特性，以及在不同的條件下形成藍(lán)綠熒光異構(gòu)體的特性。因此，本部分實(shí)驗(yàn)擬通過(guò)測(cè)定五取代四氫嘧啶類熒光化合物在不同溶劑、溫度、濃度等條件下的光學(xué)性質(zhì)，培養(yǎng)熒光異構(gòu)體單晶并解析晶體結(jié)構(gòu)中分子堆積模式，以探測(cè)該類

8、化合物的發(fā)光機(jī)理。
　　 方法：
　　 (1)用紫外-可見(jiàn)分光光度法測(cè)定化合物在溶液和懸濁液中的吸收光譜；
　　 (2)用穩(wěn)態(tài)熒光法測(cè)定化合物在溶液和懸濁液中以及不同形態(tài)的（粉末、薄膜、晶體）激發(fā)和發(fā)射光譜；
　　 (3)用X-射線單晶衍射法測(cè)定化合物的單晶結(jié)構(gòu)；
　　 (4)用diamond軟件解析單晶結(jié)構(gòu)中分子堆積模式及分子間作用力。
　　 結(jié)果：
　　 (1)溶劑、溫度及濃度

9、對(duì)藍(lán)綠光晶體的形成有明顯的影響。高溫或者低濃度有利于藍(lán)光晶體的形成。相反，低溫或者高濃度有利于綠光晶體的形成。最開(kāi)始形成的懸濁液粒子是以綠色熒光異構(gòu)體，在高溫條件下隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，綠色熒光異構(gòu)體就會(huì)全部轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色熒光異構(gòu)體。這就意味著動(dòng)力學(xué)有利于綠色熒光異構(gòu)體的形成，熱力學(xué)有利于藍(lán)色熒光異構(gòu)體的形成。
　　 (2)當(dāng)水/乙醇比例增加到80％時(shí)，6aa的紫外吸收光譜紅移且在長(zhǎng)波區(qū)域尾部抬高，同時(shí)發(fā)光強(qiáng)度顯著地增強(qiáng)。這表明形成了

10、J-聚集?；衔?aa在乙醇溶液中不發(fā)光，即便擴(kuò)大50倍，也只能得到噪聲信號(hào)，然而，當(dāng)水的體積比達(dá)到95％時(shí)熒光量子產(chǎn)率增加為0.52。6aa晶體和粉末的的最大發(fā)射波長(zhǎng)與懸浮液最大發(fā)射波長(zhǎng)相同。這些結(jié)果說(shuō)明6aa在藍(lán)光聚集體中發(fā)射波長(zhǎng)具有形態(tài)無(wú)關(guān)的特性。
　　 (3)單晶-X射線衍射數(shù)據(jù)分析顯示6aa的藍(lán)綠光發(fā)射特性產(chǎn)生于不同的分子堆積模式:藍(lán)光是R/S-S/R堆積模式，綠光是R/R-S/S。因此，在不同的條件下制備藍(lán)光聚集體，

11、綠光聚集體以及藍(lán)綠光聚集體混合物實(shí)際上是R/S-S/R與R/R-S/S堆積模式比例的改變。
　　 (4)根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，6的聚集誘導(dǎo)發(fā)光增強(qiáng)的性質(zhì)可能是由它們特殊的結(jié)構(gòu)和J-聚集造成的。因?yàn)?的三個(gè)苯環(huán)彼此不共軛，并通過(guò)C-C或者C-N單鍵鏈接非芳香中心環(huán)，它們處于單分子狀態(tài)（在純有機(jī)溶液中）時(shí)可以自由旋轉(zhuǎn)，從而使相應(yīng)激發(fā)態(tài)去活化，6在溶液中不發(fā)光。6在聚集態(tài)時(shí)發(fā)強(qiáng)的熒光是由于它非對(duì)稱的立體分子結(jié)構(gòu)有效的抑制了π-π堆積

12、，同時(shí)J-聚集抑制了分子內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)以及形成了分子間電荷轉(zhuǎn)移態(tài)。
　　 (5)在藍(lán)光及綠光晶體聚集體中不發(fā)光的表面分子可能由于6aa高度靈活性和非對(duì)稱立體結(jié)構(gòu)所決定。
　　 結(jié)論：
　　 聚集誘導(dǎo)發(fā)光增強(qiáng)特性及6aa與形態(tài)無(wú)關(guān)性質(zhì)可能產(chǎn)生于:1）可高度自由旋轉(zhuǎn)的連接苯基的單鍵（6中的三個(gè)相鄰的芳基互不共軛;通過(guò)單鍵與非芳香四氫嘧啶環(huán)相連接）;2）不對(duì)稱的立體結(jié)構(gòu)（相鄰的三個(gè)苯基與手性四氫嘧啶環(huán)相連，并且相互垂直）;3

13、）J-聚集。
　　 第三部分五取代四氫嘧啶類熒光化合物的應(yīng)用研究
　　 目的：
　　 (1)金屬銅離子是生物體內(nèi)重要的微量元素，過(guò)多過(guò)少都會(huì)影響生物體內(nèi)正常的生理功能。因此，檢測(cè)銅離子濃度具有重要的臨床意義。為發(fā)展高選擇性和高靈敏度的銅離子熒光探針，測(cè)定了5CR產(chǎn)物的熒光強(qiáng)度對(duì)銅離子的濃度的相應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其中的一個(gè)5CR產(chǎn)物dimethyl1，2，3，6-tetrahydro-2-(4-hydroxy-3-metho

14、xyphenyl)-1,3-diphenylpyrimidine-4,5-dicarboxylate，即6bh,可發(fā)展為一種新型的銅離子熒光探針。
　　 (2)細(xì)胞和細(xì)胞器的許多重要生理過(guò)程等都與pH值密切相關(guān)。正常的生理?xiàng)l件下細(xì)胞外液中H+的濃度40nmol/L(pH=7.40)，其變動(dòng)幅度一般在0.1-0.2個(gè)pH單位。酸性和堿性過(guò)強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致心、肺病變或神經(jīng)類疾病，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)猩ｋU(xiǎn)，利用各種熒光參數(shù)（如熒光強(qiáng)度、熒光壽命

15、等）的變化來(lái)測(cè)定pH值，不僅便于熒光顯微鏡學(xué)研究，而且可時(shí)實(shí)檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)pH的動(dòng)態(tài)分布和區(qū)域變化。發(fā)現(xiàn)其中的一個(gè)5CR產(chǎn)物， dimethyl1，2，3，6-tetrahydro-2-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,3-diphenylpyrimidine-4,5-dicarboxylate，即6bh,及Dimethyl1,2,3,6-tetrahydro-2-(4-hydroxy)-1,3-diphenylp

16、yrimidine-4,5-dicarboxylate，即6bj，其不僅具有AIE性能，因而可開(kāi)發(fā)為pH熒光探針?lè)椒ā?br>　　 結(jié)果：
　　 (1)6bh(30μM)在沒(méi)有金屬離子存在（99％水/乙醇混合液)與有金屬離子(300μM)(Ag+，Ca2+，Co2+，Cu2+，Mn2+，Ni2+, Zn2+，Eu3+，Gd3+, Pr3+，Mg2+，Ce3+and Fe3+)存在的條件下，其發(fā)射光譜顯示只有銅離子才能引起熒光的

17、顯著增加，而其他的金屬離子對(duì)其沒(méi)有影響(Ag+和Ca2+)或者熒光淬滅（除了Cu2+，Ag+和Ca2+，其他金屬離子）。Fe3+幾乎是使6bh聚集體的熒光完全淬滅。當(dāng)Cu2+濃度減少到30μM，6bh聚集體的熒光強(qiáng)度仍然顯著的增加。該結(jié)果表明，6bh是一種具有很高靈敏性Cu2+熒光探針。
　　 (2)在與其它金屬離子共存的情況下，6bh對(duì)Cu2+的選擇性沒(méi)有受到影響，這些結(jié)果從而說(shuō)明Cu2+與6bh的相互作用是有競(jìng)爭(zhēng)性的，對(duì)Cu

18、2+具有很高的選擇性。
　　 (3)化合物6bj在pH＞12的溶液中，幾乎沒(méi)有熒光，這是因?yàn)?，在堿性條件下，化合物6bj的酚羥基被轉(zhuǎn)化為醇鈉鹽的形式，使其溶解在混合溶液中，沒(méi)有聚集體產(chǎn)生。隨著混合溶液pH值的降低，化合物6bj的醇鈉鹽結(jié)構(gòu)逐漸減少，部分失去醇鈉鹽結(jié)構(gòu)的化合物6bj開(kāi)始聚集，溶液的熒光強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。當(dāng)pH=4或者5時(shí)，溶液的熒光強(qiáng)度保持不變，是pH=11溶液熒光強(qiáng)度的20倍，在波長(zhǎng)為365 nm紫外光的照射下，肉

19、眼可以看出兩者的明顯區(qū)別。pH=4熒光強(qiáng)度最大，此時(shí)化合物6bj形成了大量的聚集體。實(shí)驗(yàn)表明，化合物6bj對(duì)pH值的變化有著靈敏的響應(yīng)。
　　 結(jié)論：
　　 (1)6bh是一種新型的銅離子熒光增強(qiáng)熒光探針，其對(duì)銅離子具有高的選擇性靈敏性。6bh熒光強(qiáng)度與銅離子濃度為0-60μM時(shí)具有好的線性關(guān)系。6bh可以用來(lái)定量分析環(huán)境水樣中銅離子。一個(gè)有趣的現(xiàn)象是隨著銅離予濃度的增加除了熒光強(qiáng)度增強(qiáng)外，粒子尺寸減小，這可能是配位誘導(dǎo)