4—（3—苯丙基吡啶基于cation—π相互作用作为烷基化残留物荧光传感器

杨斌

【摘 要】4-（3-苯丙基）吡啶发生烷基化反应所生成的吡啶盐的荧光强度显著增加，可以被用来作为烷基化残留物的荧光传感器。本文主要通过研究这种吡啶和与之对应的吡啶盐与α-环糊精通过的主客体相互作用的荧光性质验证这种cation–π相互作用存在。

【关键词】烷基化；荧光传感器；cation–π相互作用；主客体相互作用

中图分类号： R318.08 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）23-0169-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.074

【Abstract】The pyridyl salt formed by the alkylation reaction of 4-（3-phenylpropyl）pyridine has a markedly increased fluorescence intensity and can be used as a fluorescent sensor for alkylation residues.In this paper，the existence of this cation–π interaction was verified by studying the fluorescence properties of this pyridine and its corresponding pyridinium salt and the host-guest interaction of α-cyclodextrin.

【Key words】Alkylation；Fluorescence sensor；Cation–π interaction；Host-guest interaction

0 前言

随着有机合成化学的逐步成熟和发展，各种新型合成路线被不断的开发，活化的强力碳氢键引入烷基结构成为目前药物化学合成中的有力途径，极大地拓宽了有机合成药物的发展前景[1]。然而，烷基化反应常常伴随有烷基化试剂的残留，对于生物体系而言，此类亲电试剂极易与生物细胞中的亲核试剂产生化学反应，破坏生物体的正常生理功能，因此，需要建立严格而可靠的检测方案，对合成类药物中的烷基化残留物进行监测。荧光检测作为一种高灵敏的检测手段，正越来越多地被应用到生物相关领域，通过设计合成具有特定功能的荧光探针分子，可以实现对烷基化残留物的精准检测[1]。

cation–π相互作用因为其作用前后对荧光染料分子电荷分布有着明显的影响，可被设计成为具有高灵敏度的荧光传感器。早在2010年，英国巴斯大学的研究团队便发现了通过正丙烷基团连接的苯环与吡啶化合物可在分子内形成cation–π相互作用，进而产生了明显的荧光增强作用，并且通过改变吡啶环上连接的基团种类，可在荧光响应上产生相应的明显变化，伯明翰大学研究团队的这一发现为碘甲烷检测提供了理论基础。

结果与讨论：

1.4-（3-苯丙基）吡啶盐的获得与合成

4-（3-苯丙基）吡啶记作（PR1）。将 PR1（5.92g，30mmol）装入圆底烧瓶中，用尽可能少的丙酮使其溶解。之后再加入碘甲烷（6.39g，45mmol）于溶解好的溶液中，在 65℃下回流两小时。反应完成后，冷却至室温，减压抽滤除去溶剂以及其他杂质，得到最终产物吡啶盐记作PR2（9.96g），产率：98%。

2.对应烷基化残留物的荧光检测

在碘甲烷的作用下，吡啶化合物1（PR1）分子会与之形成N-烷基化产物（PR2），而这种产物PR2在产生cation–π相互堆叠作用发生堆叠后受到起始波长260_nm的光进行激发，在420_nm处出现了明显的荧光增强作用。通过对浓度与荧光强度的拟合，这一荧光成倍增强的现象可被应用于痕量碘甲烷的检测分析（图1）。

F/F0：加入碘甲烷前后荧光发射峰处强度的对比倍数。

3.cation–π相互堆叠效应的验证

在实验环境下，荧光增强明显并且检测限极低，达到亿分之一（1_nm）的浓度水平，但在实际检测中，能够引起荧光增强的因素较多，为了证明这种明显的荧光增强作用的机理，我们设计了以环糊精为主体的主客体相互作用方案，进一步确认cation–π相互堆叠效应的存在。

3.1 PR1与PR2与α-环糊精进行主客体作用

实验过程中我们使用了四氢呋喃与水的混合体系，通过调控混合溶剂比例，我们探寻出四氢呋喃和水合适的体积比为1：2，在此体积比下，两种物质均能很好地溶解。

配制时，改变PR1和α-环糊精的浓度比，同时保持四氢呋喃和水的体积比为1：2，溶液各配制1mL。在实际实验过程中，采用浓度比为1：6及以下比例进行主客体作用的探究。

由于PR1吡啶基团与苯基通过丙烷直链链接，两端无论是吡啶基团或苯环，尺寸均小于α-环糊精的內腔，因此PR1分子理论上可以通过主客体相互作用嵌入环糊精的内腔之中，带来荧光强度的增强。随着环糊精加入的当量增加，PR1的荧光强度也不断增加（图2.a），这主要是因为环糊精的有限空间将4-（3-苯丙基）吡啶结构中单键的自由旋转成功限制，使得光致激发能量不易以非辐射形式释放。与碘甲烷反应后的PR2化合物，形成cation–π相互作用成为堆叠形态，其空间半径明显增大，位阻效应使得α-环糊精无法将其包括在内，所以α-环糊精的引入并不会对PR2分子的荧光产生增强作用（图2.b）。

总结：

通过对PR1的烷基化吡啶盐的PR2的荧光检测，能得到一种优质的对于含量极低的烷基化残留物的检测传感器。通过研究PR1与PR2与环糊精的主客体作用的荧光性质的不同，充分验证了cation–π相互作用的存在，为进一步拓宽该类荧光探针应用方向奠定基础。

【参考文献】

[1]孙涛，李月明，辛飞飞，李尚洋，侯月会，郝爱友.化学进展， 2012，24，70-79.