一种新型BODIPY类荧光染料的合成及表征

刘 斌，谢丹波，李 琪，贾健飞，许淡雅，黄金龙，尹守春

（杭州师范大学材料与化学化工学院，浙江杭州310036）

一种新型BODIPY类荧光染料的合成及表征

刘 斌，谢丹波，李 琪，贾健飞，许淡雅，黄金龙，尹守春

（杭州师范大学材料与化学化工学院，浙江杭州310036）

设计合成了一种新型的BODIPY类荧光染料分子，并采用红外、核磁和质谱等手段对其进行表征，同时对反应条件进行了优化.结果表明：在碘代反应中，采用I2／HIO3作为碘代试剂，当I2的用量为1，3，5，7，8－五甲基BODIPY的4倍时，产率可达到87.7%；在Sonogashira偶联反应中，钯催化剂的用量为二碘代BODIPY的4%时，产率可达57.7%.

BODIPY；荧光染料；合成

0 引 言

2005年，Science提出21世纪亟待解决的25个重大科学问题，其中关于化学的问题只有一个，即“我们能够推动化学自组装走多远”，由此可见分子自组装研究的重大意义［1］.自组装就是组装基元通过弱键相互作用自发形成有序结构的过程，它已成为创造新物质和产生新功能的重要手段之一.

为了使形成的自组装体能够稳定存在，分子间弱键的相互作用就需要有一定的强度。近年来，BODIPY（4，4－二氟－4－硼－3a，4a－二氮杂－s－引达省）荧光染料引起人们越来越广泛的研究兴趣［2－3］.由于具有高摩尔消光系数、高荧光量子产率、良好的光和化学稳定性、较窄的吸收和发射光谱半峰宽以及易于分子结构修饰从而易将其激发和发射波长调变到近红外等优点，BODIPY类荧光染料分子已被广泛地应用于荧光探针、光捕获系统、DNA标记及测序、发光材料和光动力疗法的光敏剂等领域［4－9］.同时，BODIPY分子间具有强的π－π叠加作用［10］，如果将其引入到两亲性分子中，就可以有效地增加自组装体的稳定性，最终利用这种稳定的自组装体结构制备纳米结构材料.

为此，本文报道了一种基于BODIPY荧光染料两亲性分子的合成及表征，并对反应条件进行了详细的研究.

1 实验部分

1.1 主要实验仪器

ZF7三用紫外分析仪（杭州瑞佳精密科学仪器有限公司）；DF－101S集热式恒温加热磁力搅拌器（杭州瑞佳精密科学仪器有限公司）；JBZ－14B型磁力搅拌器（上海志威电器有限公司）；Agilent 5975质谱仪（美国Agilent公司）；核磁共振仪（400 MHz，以TMS为内标，瑞士Bruker公司）；红外光谱仪（Tensor 27 FTIR，德国布鲁克公司）.

1.2 主要实验试剂

二氯甲烷、石油醚、乙酸乙酯、甲醇、三乙胺、四氢呋喃、浓硫酸、碳酸氢钠、硫代硫酸钠、无水硫酸钠、碘、碘酸均来自杭州高晶精细化工有限公司；300～400目硅胶来自青岛海洋化工厂；2，4－二甲基吡咯、碘化亚铜、Pd（PPh3）2Cl2来自ACROS ORGANICS公司；10－炔－十一酸来自Alfa Aesar公司.所有试剂均为分析纯.

1.3 无水试剂制备

1.3.1 无水三乙胺的制备

在N2保护下，将2 g氢化钙加入到50 m L的分析纯三乙胺中，95℃下搅拌回流2 h，再蒸馏得到干燥的三乙胺.

1.3.2 无水四氢呋喃的制备

在N2保护下，将2 g钠和1 g二苯甲酮加入到50 m L的四氢呋喃中，75℃下搅拌回流，以二苯甲酮作为指示剂.当二苯甲酮变蓝色后（溶液中无水时，二苯甲酮会变蓝色）即可得到干燥的四氢呋喃.

1.4 含BODIPY类荧光染料的合成

1.4.1 合成过程

图1 化合物1的合成路线Fig.1 Synthetic route of compound 1

1.4.2 10－炔－十一酸甲酯（2）的合成

将182 mg（1 mmol）10－炔－十一酸加入到30 m L甲醇中，然后滴加3 m L浓硫酸.此混合溶液在75℃下加热回流24 h后，减压蒸馏除去甲醇溶剂.残留物用二氯甲烷和水萃取，再用饱和碳酸氢钠溶液萃取至中性.收集有机层，用无水硫酸钠干燥，旋转蒸发除去二氯甲烷后，得到粗产物，再经过硅胶柱层析（V（石油醚）∶V（二氯甲烷）＝1∶1）分离得到化合物1，产率98%.FTIR：υ＝3 312（≡C—H），2 925（CH2，CH3），1 724（C＝O），1 272（O—C—O），692（（CH2）8）cm－1.

1.4.3 4，4－二氟－1，3，5，7，8－五甲基－4－硼－3a，4a－二氮杂－s－引达省（3）的合成

将0.14 m L（1.95 mmol）乙酰氯和0.4 m L（3.85 mmol）2，4－二甲基吡咯溶于150 m L二氯甲烷中.此溶液在氩气保护、45℃下加热回流10 h至颜色呈黑色.将上述黑色溶液旋转蒸发除去一半二氯甲烷后，在0℃下加入4 m L（28.65 mmol）三乙胺，搅拌0.5 h，再加入8 m L（7.52 mmol）三氟化硼乙醚溶液，在室温下搅拌4 h.所得墨绿色反应混合液先用饱和碳酸氢钠溶液清洗，再用二氯甲烷萃取.收集有机层，用无水硫酸钠干燥，旋转蒸发除去二氯甲烷后，得到粗产物，再经过硅胶柱层析（V（石油醚）∶V（乙酸乙酯）＝4∶1）分离得到化合物3.该化合物为褐色粉末，产率为37.3%.FTIR：υ＝2 928（CH2，CH3），1 569（Ar），1 225（B－F）cm－1；1H NMR（400 MHz，CDCl3），δ（ppm）：2.41（s，6H，CH3），2.52（s，6H，CH3），2.58（s，3H，CH3），6.05（s，2H，Ar－H）；MS，m／z：262.1.

1.4.4 4，4－二氟－2，6－二碘－1，3，5，7，8－五甲基－4－硼－3a，4a－二氮杂－s－引达省（4）的合成

将50 mg（0.19 mmol）化合物3和145 mg（0.57 mmol）碘溶于5 m L乙醇中，再将溶于少量水的100 mg（0.57 mmol）碘酸溶液缓慢滴入上述溶液中.室温下搅拌4 h后，此反应混合液先用硫代硫酸钠溶液淬灭，再用二氯甲烷进行萃取.收集有机层，用无水硫酸钠干燥，旋转蒸发除去二氯甲烷后，得到粗产物，再经过硅胶柱层析（V（石油醚）∶V（乙酸乙酯）＝4∶1）分离得到化合物4.该化合物为紫褐色固体，产率为87.7%.FTIR：υ＝2 924（CH2，CH3），1 540（Ar），1 226（B－F）cm－1；1H NMR（400 MHz，CDCl3），δ（ppm）：2.46（s，6 H，CH3），2.61（s，6 H，CH3），2.62（s，3H，CH3）；MS，m／z：513.9.

1.4.5 4，4－二氟－2，6－二（11－甲基氧羰基－1－十一炔）－1，3，5，7，8－五甲基－4－硼－3a，4a－二氮杂－s－引达省（1）的合成

将256 mg（0.5 mmol）化合物4，196 mg（1 mmol）化合物2，28 mg（0.02 mmol）Pd（PPh3）2Cl2和8 mg（0.02 mmol）CuI溶于20 m L无水四氢呋喃和1 m L无水三乙胺中.氩气保护，室温下搅拌1 h后，加热至60℃下回流10 h.此反应混合液先用饱和碳酸氢钠溶液清洗，再用二氯甲烷萃取.收集有机层，用无水硫酸钠干燥，旋转蒸发除去二氯甲烷后，得到粗产物，再经过硅胶柱层析（先V（石油醚）∶V（二氯甲烷）＝1∶1，然后二氯甲烷）分离得到化合物1.该化合物为紫红色固体，产率为57.7%.FTIR：υ＝2 931（CH2，CH3），1 740（C＝O），1 548（Ar），1 221（B－F），1 188（O—C—O），701（（CH2）8）cm－1；1H NMR（400 MHz，CDCl3），δ（ppm）：1.25（m，16H，（CH2）2（CH2）4（CH2）2COOCH3），1.44（m，4H，CH2CH2（CH2）6COOCH3），1.58（m，4 H，CH2CH2（CH2）6COOCH3），2.29（t，4 H，（CH2）6CH2CH2COOCH3），2.44（t，4H，（CH2）7CH2COOCH3），2.47（s，6H，CH3），2.57（s，6H，CH3），2.60（s，3H，CH3），3.66（s，6H，CH3OOC）；MS，m／z：650.2.

2 结果与讨论

图2 I2的用量对碘代反应的影响Fig.2 The effect of the amount of I2on iodide substituted reaction

2.1 BODIPY的碘代反应

2.1.1 碘代试剂的选择

采用ICl和I2／HIO3分别与BODIPY进行碘代反应.虽然ICl的反应活性很高，与BODIPY反应只需20 min就可以65.2%的产率得到化合物4.但与I2／HIO3体系相比，ICl有如下缺点：1）ICl在空气中很不稳定，与空气接触时能形成五氧化二碘；2）ICl易挥发、腐蚀性强、有剧毒，对眼睛、皮肤、粘膜和上呼吸道有强烈刺激作用和腐蚀性.而采用I2／HIO3虽然反应时间较长（4 h），但该体系易于操作且产率高达87.7%.因此，本文选用I2／HIO3与BODIPY进行碘代反应.

2.1.2 I2的用量对碘代反应的影响

为了使BODIPY的2，6位都发生碘代反应，笔者考察了I2的用量对碘代反应的影响，结果如图2所示.

从图中可以看出，I2的用量对碘代反应产率有很大的影响.当n（I2）／n（3）＝2时，得到二碘代产物4的产率仅为30.0%；进一步增加I2的用量，可以有效地增加产率.当n（I2）／n（3）＝4时，反应产率高达87.7%.而再进一步增加I2的用量，反应产率基本没有增加.因此，本文选用I2的用量为n（I2）／n（3）＝4.

2.2 钯催化偶联反应

芳卤和末端炔在钯催化剂作用下可有效地进行Sonogashira偶联反应.本文即采用这个反应将双碘代化合物4与末端炔化合物2进行偶联得到最终产物1.在这步反应中，笔者重点考察了钯催化剂的用量对该Sonogashira偶联反应的影响.因此，CuI的用量保持不变，为单体用量的4%，其结果见图3.

图3 催化剂用量对反应产率的影响Fig.3 The effect of the amount of the catalyst on reaction yield

图3 表明，催化剂用量对该Sonogashira偶联反应有较大的影响.催化剂用量较少时，产率很低，随着催化剂用量的增加，产率也逐渐增加.当n（Cat.）／n（4）＝0.04时，反应产率达到最高值为57.7%.进一步增加催化剂的用量，产率反而有所下降.根据Sonogashira反应机理［11］，当使用二价钯催化剂（Pd（Ph3）2Cl）2）和共催化剂CuI时，CuI与炔类化合物反应生成d－π共轭的炔铜化合物（图4，Cycle B′），使炔类化合物更易于加成到Pd（Ⅱ）产生中间体2，进而还原脱去生成催化活性体零价钯［Pd0］和二炔副产物.因此，催化剂的量与生成的二炔副产物是成正比的.催化剂的量增加虽然可以提高反应的活性，但同时也增加了二炔副产物的生成.因此，在本反应中催化剂用量以n（Cat.）／n（4）＝0.04时为宜.

图4 Sonogashira反应机理Fig.4 Mechanism of Sonogashira reaction

3 结 论

本研究合成和表征了一种新型的BODIPY类荧光染料分子（1），并对其反应条件进行了优化.在碘代反应中，采用I2／HIO3作为碘代试剂，I2的用量为n（I2）／n（3）＝4；在Sonogashira偶联反应中，钯催化剂的用量以n（Cat.）／n（4）＝0.04为宜.下一步，笔者将研究BODIPY类荧光染料分子（1）在非极性溶剂中的自组装行为.

参考文献：

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［5］Peng Xiaojun，Du Jianjun，Fan Jiangli，et al.A selective fluorescent sensor for imaging Cd2＋in living cells［J］.J Am Chem Soc，2007，129（6）：1500－1501.

［6］Cheng Tanyu，Xu Yufang，Zhang Shenyi，et al.A highly sensitive and selective off－on fluorescent sensor for Cadmium in aqueous solution and living cell［J］.J Am Chem Soc，2008，130（48）：16160－16161.

［7］Lee H Y，Bae D R，Park J C，et al.A selective fluoroionophore based on BODIPY－functionalized magnetic silica nanoparticles：removal of Pb2＋from human blood［J］.Angew Chem Int Ed，2009，121（7）：1265－1269.

［8］Harriman A，Izzet G，Ziessel R.Rapid energy transfer in cascade－type BODIPY dyes［J］.J Am Chem Soc，2006，128（33）：10868－10875.

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［10］Nagai A，Miyake J，Kokado K，et al.Highly luminescent BODIPY－based organoboron polymer exhibiting supramolecular self－assemble structure［J］.J Am Chem Soc，2008，130（46），15276－15278.

［11］Sonogashira K.Development of Pd－Cu catalyzed cross－coupling of terminal acetylenes with sp2－carbon halides［J］.J Organomet Chem，2002，653（1／2）：46－49.

The Synthesis and Characterization of a New Fluorescent Dye with BODIPY

LIU Bin，XIE Dan－bo，LI Qi，JIA Jian－fei，XU Dan－ya，HUANG Jin－long，YIN Shou－chun
（College of Material，Chemistry and Chemical Engineering，Hangzhou Normal University，Hangzhou 310036，China）

A new fluorescent dye with BODIPY was synthesized and characterized by FTIR，NMR and MS，and the reaction conditions were optimized.The results show that in the iodo－subsituted reaction，the yield can reach 87.7%when the amount of I2equivalent to 1，3，5，7，8－pentamethyl BODIPY is 4 using I2／HIO3as iodo reagent.In the Sonogashira coupling reaction，the yield can reach 57.7%if the amount of palladium catalyst is 4%of diiodo－subsituted BODIPY.

BODIPY；fluorescent dye；synthesis

O657.39

A

1674－232X（2012）03－0193－05

10.3969／j.issn.1674－232X.2012.03.001

2011－11－13

国家重大研究计划培育项目（91127032）；国家自然科学基金项目（21174035）；浙江省自然科学基金项目（Y4100287）；浙江省新材料及加工工程省重中之重学科开放课题（20110943）；杭州师范大学优秀中青年教师支持计划项目（HNUEYT 2011－01－019）.

尹守春（1976—），男，副教授，主要从事超分子化学、光电功能高分子和荧光探针方面的研究.E－mail：yinsc＠ustc.edu