羧基偶氮螺吡喃类分子的合成及其开关效应

张文凯，黄月金，周子玉

(1 中南民族大学化学与材料科学学院，湖北 武汉 430074；2 岑溪中学，广西 梧州 543200)

螺吡喃和偶氮化合物都是重要的光致变色化合物，可用于各种领域，如分子机器、传感成像、材料科学和生物功能调节[1]。其中螺吡喃是高度敏感的化合物，在外部条件如热、光、pH和机械压力等作用下可以可逆地发生开环-闭环反应，在无色的螺吡喃(Spiropyran，SP)和有色的部花菁(Merocyanine，MC)形式之间切换。SP和MC形式具有显着不同的极性，电荷和分子构象，螺吡喃的典型光致变色反应是螺吡喃环中C-O键的可逆光化学裂解。在SP形式中的螺碳原子是一个手性碳原子，一般以外消旋的形式存在，但在特定条件下，特别是在手性超分子主体化合物的存在下，可诱导出一定消旋比的光学活性异构体[2-3]。

大多数螺吡喃化合物的吸收发生在紫外光谱区，一般在200～400 nm范围内，不呈现颜色。在外界条件刺激下，分子中的C-O键发生异裂，螺碳原子转变为sp2结构，两个环系由正交变为共平面，整个分子形成一个大的共轭体系。断键后形成的分子结构类似部花菁染料(MC)，吸收出现在500～600 nm范围[4]。

偶氮类化合物则通过偶氮双键的顺反异构实现光致变色，这种异构同时伴随着化合物“长度”和宽度的改变[5]。这种尺寸效应导致其作为客体分子时只能以一定的构型与主体分子结合，而当它作为功能团修饰于主体分子时，也可以用于调节主体分子的结合性能[6]。偶氮基团的反式构型是能量较低的稳定构型，通过紫外光照，其可以转变为高能的顺式构型。

在本文中，我们设计合成了一种带有羧基和偶氮苯基的螺吡喃化合物SP-Azo-COOH(如Scheme 1所示)，该化合物结合了螺吡喃和偶氮类化合物的特点，同时引入对酸碱敏感的羧基。我们研究了其在不同溶剂中对酸性和碱性的开关效应，希望将来利用具有内部空腔带正电荷的配合物或有机分子笼与其结合，稳定其在特定条件下无色的闭环态或显色的开环态。

Scheme 1 目标化合物1的合成途径

1 实 验

1.1 仪器与药品

德国Bruker 600 MHz核磁共振仪，日本岛津ShimazuUV-2600紫外光谱仪，美国安捷伦Agilent 6460 ESI-MS 质谱仪，低温反应器，上海亚荣RE-52AA旋转蒸发仪。所用试剂或原料均为市售化学纯或分析纯，未做进一步处理。

1.2 化合物的合成

1.2.1 合成化合物3

将2.74 g对氨基苯甲酸(20 mmol)悬浮于24 mL浓盐酸和100 mL水的混合溶剂中，冷却至0 ℃左右。在剧烈搅拌下，用5～10 min将1.38 g NaNO2(20 mmol)在7 mL水中的冰冷溶液慢慢滴入其中。滴完后在该温度下继续搅拌20 min，并用6 mol/L NaOH水溶液小心将反应体系的pH值调至9左右(注意保持体系温度低于5 ℃)。接着，将2.1 mL水杨醛(20 mmol)在25 mL 10% NaOH的冰冷水溶液滴入上述混合液。低温搅拌1 h后，用浓盐酸调至pH 2～3，加热回流10 min后，自然冷却，抽滤收集所得固体，水洗至近中性后真空干燥得3.6 g黄色固体，产率67%。1H-NMR(d6-DMSO)：δ13.22(br，1H，COOH)，11.70(br，1H，OH)，10.38(s, 1H，CHO)，8.22 (s, 1H，Ar-H)，8.13 (m, 3H，Ar-H)，7.94 (d, 1H，Ar-H)，7.22 (d, 1H，Ar-H)，所得产物为偶氮化合物(E)-4-((3-formyl-4-hydroxyphenyl)diazenyl)benzoic acid。

1.2.2 合成化合物2

将5.0 mL 3,3-二甲基-2-亚甲基二氢吲哚和6.4 g碘丙酸混合于10 mL丁酮中，在氮气保护下回流5 h。冷却至室温后，将反应混合物倾倒于50 mL水中，用3×50 mL二氯甲烷洗涤水溶液。最后减压旋蒸除去水溶液的溶剂得黄棕色的固体产物8.0 g，产率74%。1H-NMR(d6-DMSO)：δ7.99 (m, 1H，Ar-H)，7.85 (m, 1H，Ar-H)，7.62 (m, 2H，Ar-H)，4.65 (t, 2H，CH2CH2)，3.70(br，1H，COOH)，2.98 (t, 2H，CH2CH2)，2.87(s, 3H，CH3)，1.53(s, 6H，CH3)。所得产物为碘化物1-(2-carboxyethyl)-2,3,3-trimethyl-3H-indol-1-ium iodide。

1.2.3 合成目标化合物1

将1.3 g 化合物2(3 mmol)、0.81 g化合物3(3 mmol)和0.5 mL哌啶混合于10 mL丁酮中，氮气保护下加热搅拌10 min后，室温搅拌过夜。抽滤收集所产生的的固体，以3×5 mL丁酮洗涤后真空干燥，得0.45 g黄绿色固体产物，产率31%。1H-NMR(d6-DMSO)：δ8.11 (d, 2H，Ar-H)，7.91 (t, 2H，Ar-H)，7.85 (d, 1H，Ar-H)，7.77(dd, 1H，Ar-H)，7.20 (d, 1H，Ar-H)，7.15(d, 1H，Ar-H)，7.12 (d, 1H，Ar-H)，6.89(d, 1H，Ar-H)，6.80(t, 1H，Ar-H)，6.66 (d, 1H，Ar-H)，5.95(d, 1H，Ar-H)，3.52 (m, 2H，CH2CH2)，3.38 (m, 2H，CH2CH2)，1.22(s, 3H，CH3)，1.09(s, 3H，CH3)。ESI-MS：482.3(阴离子[M-H]-)和483.3(阳离子[M+H]+)。所得产物为目标化合物(E)-4-((1′-(2-carboxyethyl)-3′,3′-dimethylspiro[chromene-2,2′-indolin]-6-yl)diazenyl)benzoic acid。

1.3 开关性能研究方法

配制SP-Azo-COOH在不同溶剂中浓度为5.0×10-5mol/L的溶液，每次取3.0 mL，测定其紫外可见吸收光谱；然后以0.2 eq的间隔加入有机强碱二氮杂二环(DBU)并测定加入后的紫外可见吸收光谱，直至光谱不再变化；接着以0.2 eq的间隔加入有机强酸三氟乙酸(TFA)并测定加入后的紫外可见吸收光谱，直至光谱不再变化。

2 结果与讨论

2.1 螺吡喃化合物SP-Azo-COOH的合成

我们以Scheme 1所示的途径合成目标化合物。其中(E)-4-((3-formyl-4-hydroxyphenyl)diazenyl)benzoic acid根据文献[7]合成，其中1-(2-carboxyethyl)-2,3,3-trimethyl-3H-indol-1-ium iodide根据文献[8]合成，产物经1H-NMR表征，与文献一致。

目标化合物SP-Azo-COOH采取一般螺吡喃类化合物的合成方法，以六氢哌啶作为催化剂。产物经H-NMR和ESI-MS表征确认。其中δ8.11为苯环上与羧基相邻的氢，5.95为吡喃环上与螺碳原子相邻的氢，3.52和3.38为CH2CH2基团上的氢原子，1.22和1.09为甲基上的氢原子，产生了裂分。其他化学位移7.91、7.85、7.77、7.20、7.15、7.12、6.89、6.80、6.66来自苯环和吡喃环上氧原子对位的氢，难以精确指认。没有观察到羧基上活性氢的信号。该化合物的分子量为483.18，我们分别采用了阴离子和阳离子种电离方式，使用电喷雾质谱(ESI-MS)对其进行了表征，分别测定482.3和483.3的信号，对应[M-H]-和[M+H]+离子，进一步确认了该化合物。

2.2 螺吡喃化合物SP-Azo-COOH在不同溶剂中的酸碱开关效应

我们探讨了螺吡喃化合物SP-Azo-COOH在不同极性以及质子或非质子溶剂中对酸或碱的响应性，碱使用有机强碱二氮杂二环(DBU)，酸使用三氟乙酸(TFA)，溶剂选用了DCM、CH3CH2OH、DMF、DMSO、MeCN以及H2O这几种溶剂。将螺吡喃化合物A溶解在不同溶剂中，加入不同当量的DBU/TFA，测定其紫外光谱的变化。化合物SP-Azo-COOH在多种溶剂中的溶解性较差，只在DMF、DMSO中溶解性较好，因此以DCM、CH3CH2OH、DMF、MeCN或H2O作为溶剂测试时需加入5%的DMSO助溶。测定化合物A在不同溶剂中的紫外光谱时，先以每0.2 eq的DBU加入，直至其紫外光谱不再变化，再以每0.2 eq的TFA加入，直到与加入的DBU等量。不同溶剂体系的实验结果见图1。

图1 化合物SP-Azo-COOH在不同溶剂中加入DBU/TFA时的紫外光谱(c=5.0×10-5 mol/L)

从图1中可以看到，只有在水的介质中，加入DBU可诱导化合物A开环产生部花菁结构，在560nm处出现吸收峰，溶液变为紫色(图2)。当加入与DBU等当量的TFA时，又可变回闭环的螺吡喃结构，紫色消失且在可见光区没有吸收。而在DCM、CH3CH2OH溶剂中测试发现，加入DBU最大吸收峰发生轻微的红移，但并未在可见光区产生明显的新吸收峰，颜色也没发生变化，再加入与DBU等当量的TFA时，其吸收光谱基本上与起始溶液相同，这说明在这两个溶剂体系中，酸和碱对化合物A的螺吡喃存在形式无影响。而在DMF、DMSO、MeCN溶剂中，加入DBU时，螺吡喃部分异构化为部花青素形式，在可见光区475nm处有吸收，在加入与DBU等量的TFA时，可与原来的空白溶液紫外光谱基本重合，呈现浅红色。这为我们进一步探究分子笼与该化合物SP-Azo-COOH在酸碱滴定中的主客体化学的结合提供了一种合适的溶剂。

图2 化合物SP-Azo-COOH的开闭环结构及颜色变化

2 结 论

合成了一种同时含有螺吡喃基团、偶氮基团和不同羧羧基取代的一种酸碱开关型分子SP-Azo-COOH，通过核磁共振氢谱和质谱对其进行了表征确认。该化合物在水中表现出良好的可逆酸碱开关性能，在酸性介质中其以接近无色的闭环螺吡喃形成存在，在碱性介质中，其以呈红紫色的开环部花菁形式存在。相关工作为该分子作为响应型客体分子与超分子受体分子的结合和相互作用提供了一定基础。