BODIPY衍生物光敏性在溶剂检测上的应用

申凤娟， 余旭东， 庞雪蕾， 张亚军

（河北科技大学理学院，石家庄050018）

0 引 言

BODIPY具有较高的摩尔吸光系数，荧光量子产率高、光稳定等优点，广泛应用于分子探针、生物荧光标记、激光染料、太阳能电池等领域。由于有机溶剂在环境、工业和化学领域的重要性，近十年来，有机溶剂的选择性和可视化检测越来越受到重视［1-5］。本实验设计合成一种氟硼二吡咯（BODIPY）三联吡啶衍生物（BODIPY-DT），通过光照发现它的二甲基甲酰胺（DMF）溶液红色荧光褪去呈现黄绿光荧光，而其他溶剂的溶液没有荧光颜色的变化，利用这个性质可以实现对溶剂的可视化识别。

为了提高学生的综合实验能力，培养科研实践能力，促进教学与科研的融合［6-7］，将此实验引入实验教学中。通过合成锻炼动手能力和实验技能，通过性质研究引起学生探索的兴趣［8-11］，并引导学生分析褪色原因，找出现象背后的理论依据，并通过仪器测试数据验证支持理论推导。此实验适合具有一定实验基础的学生开展，不但实现对学生操作能力的综合训练，培养学生处理和分析实验数据的能力，还培养学习分析问题解决问题的能力，通过现象寻找理论依据并通过实验验证理论，有利于提高学生的科研思维及科研素养，为科研打下良好的基础，有利于促进教学与科研的相互融合［12-15］。

1 实验试剂与仪器

实验试剂：2，4-二甲基吡咯、对甲酰基苯甲酸甲酯、三氟化硼乙醚（BF3·Et2O）、高碘酸、2，3-二氯-5，6-二氰对苯醌（DDQ）、碘（I2）、三甲基硅乙炔、PdCl2（PPh3）、二异丙胺（DIPA）、三乙胺、三氟乙酸（TFA）碘化亚铜等试剂均购于国药集团化学试剂。

实验仪器：电子天平、旋转蒸发仪、磁力搅拌器、紫外分光光度计、荧光光谱仪、核磁共振仪等。

2 实验内容

2.1 化合物的合成

（1）1，3，5，7-四甲基-8-对甲氧甲酰基苯基氟硼二吡咯（化合物2）的合成。取2.7 g（16.45 mmol）对甲酰基苯甲酸甲酯（化合物1）加入到1 L圆底烧瓶中，用400 mL干燥的CH2Cl2，搅拌至全部溶解。再加入3.45 g（36.26 mmol）的2，4-二甲基吡咯，0.4 mL三氟乙酸，室温搅拌过夜。向反应液中分批加入2.8 g（12.33 mmol）DDQ，搅拌30 min后滴加二异丙胺30 mL，反应溶液由红褐色变成绿色；搅拌30min后冰浴充分冷却，使用恒压滴液漏斗缓慢滴加三氟化硼乙醚30 mL，室温搅拌过夜。旋转蒸发除去溶剂，柱色谱分离提纯得到橘红色化合物2（880 mg，13.5%）。1H NMR（CDCl3，500 MHz）δ：8.19（2H，d，J=8.5 Hz，ArH），7.40（2H，d，J=8.5 Hz，ArH），5.99（2H，s，CH），3.97（3H，s，OCH3），2.56（6H，s，CH3），1.36（6H，s，CH3）.m.p.186℃。

（2）1，3，5，7-四甲基-8-对甲氧甲酰基苯基-2，6-二碘氟硼二吡咯（化合物3）的合成。在500 mL圆底烧瓶中加入化合物2（2.5 mmol，0.956 g）和碘（3 mmol，0.761 g），加入300 mL乙醇，搅拌将固体溶解。恒压滴液漏斗滴加HIO3溶液（高碘酸0.528 g溶于10 mL水中），油浴60℃加热，TLC检测反应结束。反应结束后加入饱和硫代硫酸钠溶液，有沉淀生成。减压抽滤得到红色化合物3（0.96 g，88%）。1H NMR（500 MHz，CDCl3）δ：8.22（2H，d，J=8.5 Hz，ArH），7.39（2H，d，J=8.5 Hz，ArH），3.99（3H，s，OCH3），2.65（6H，s，CH3），1.37（6H，s，CH3）.Mp＞250℃。

（3）1，3，5，7-四甲基-8-对甲氧甲酰基苯基-2，6-二4-［4′-（2，2′：6′2″-三联吡啶）］苯炔基氟硼二吡咯（化合物5）的合成。在100 mL圆底烧瓶中依次加入化合物3（642 mg，1 mmol），4′-（4-炔苯基）-2，2′：6′2″-三联吡啶（化合物4）（1.18 g，3.54 mmol），PdCl2（PPh3）2（42 mg，0.096 mmol），CuI（19.5 mg，0.102 mmol），再加入45 mL干燥四氢呋喃，15 mL二异丙胺，氮气保护，60℃油浴加热5 h，柱色谱得到蓝紫色固体（0.18 g，17%）。1H NMR（500 MHz，CDCl3）δ：8.74（8H，s，CH），8.67（4H，m，J=7.5 Hz，CH），8.25（2H，d，J=7.5 Hz，CH），7.88（8H，m，CH），7.58（4H，d，J=8.5 Hz，CH），7.46（2H，d，J=7 Hz，CH），7.36（4H，m，CH），4.02（3H，s，OCH3），2.78（6H，s，CH3），1.55（6H，s，CH3）；13C NMR（150 MHz，CDCl3）δ：156.0，155.9，149.1，139.2，137，133.1，131.0，127.4，127.3，124.0，121.4，118，31.6，29.1，27.7，22.7，14.1，13.8，13.6；MS calc.for［C67H47BF2N8O2+Na］+：1 067.38；Found：1 068.2.Anal.Calcd.For：C67H47BF2N8O2：C，77.0；H，4.5；N，10.7；Found：C，76.9；H，4.8；N，10.6.Mp：＞250℃。化合物5的合成如图1所示。

图1 BODIPY-DT（化合物5）的合成路线

2.2 BODIPY-DT在不同溶剂中的变色

将BODIPY-DT（化合物5）用不同溶剂（DMF，二甲亚砜，四氢呋喃，丙酮，对二甲苯，二氯甲烷，甲苯，氯仿，乙二醇单甲醚，乙腈，乙酸乙酯）分别配成浓度为10μmol/L的溶液，放置在自然光中，放置5 h前后分别拍照。DMF溶液红色荧光褪去变成黄绿光（见图2）。将不同溶剂的溶液分别放置2 d，作荧光变化曲线，发现经长时间放置后只有DMF溶液使BODIPY

图2 BODIPY-DT在不同溶剂中变色（溶剂从中到右依次为DMF，二甲亚砜，四氢呋喃，丙酮，对二甲苯，二氯甲烷，甲苯，氯仿，乙二醇单甲醚，乙腈，乙酸乙酯）（乙腈中溶解度低）

DT红色荧光褪去，其他溶剂中BODIPY-DT红色荧光强度略有降低（见图3）。表明BODIPY-DT对DMF溶剂具有可视化选择性识别。

图3 BODIPY-DT在不同溶剂中荧光强度随时间变化

2.3 BODIPY-DT的DMF溶液变色快慢

将BODIPY-DT（化合物5）配成浓度为10μmol/L的DMF溶液两份，一份放置在自然光中研究变色情况，另一份用365 nm灯照射，分别用荧光光谱仪监测变色过程。600～650 nm处的吸收峰强度随着照射时间延长而慢慢地变弱，直至消失，而500～550 nm和350～400 nm两处的吸收峰则随着时间的增长而渐渐变大。开始变色较快20 min内618 nm的发射峰强度迅速减弱，随着时间推移变色速度越来越慢。365 nm灯照射下的溶液颜色由红色变为黄绿色的速度明显要快于自然光下的溶液。日光下需要24 h 618 nm峰消失，而在365 nm紫外灯下只需要5 h（见图4）。

图4 BODIPY-DT的DMF溶液变色荧光曲线

3 实验结果与讨论

3.1 BODIPY-DT对DMF可视化识别

化合物5在DMF溶液中经365 nm灯照射后颜色变化明显，由最开始的红色转变为黄绿色。而且降低溶液浓度变色加快。因此利用变色现象可实现对DMF溶剂的可视化识别。

3.2 变色机理

（1）紫外吸收光谱。光照情况下，溶液变色速度加快，分析原因是由于BODIPY是光敏剂，在DMF溶液中更易产生单线态氧。单线态氧的氧化性强，将化合物5氧化分解，因此，红光褪去显示出分解后产物的荧光。

吸光光度法是通过测定化学探针捕获单线态氧前后的吸光度变化来进行定量检测单线态氧，因此此类方法在单线态氧检测领域操作简便。1，3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）是一种常用的化学捕获试剂，其在410 nm处具有较大的吸光度。DPBF与单线态氧反应时，能迅速生成一种稳定的内过氧化物，此反应具有较大的反应速率常数且反应结束后DPBF吸光度几乎下降为0。因此使用紫外分光光度计测定在410 nm处的吸光度的变化量即可间接测量单线态氧的含量。目前，该方法已经被广泛用于测定化学反应中单线态氧的含量。

因此，本实验采用1，3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）作为单线态氧的捕捉剂，通过紫外吸收光谱验证单线态氧的存在。在BODIPY-DT的DMF溶液中加入DPBF，用紫外光谱仪测定溶液紫外吸收强度。发现随时间延长，DPBF逐渐减少，而化合物5含量基本不变，当DPBF紫外吸收强度不再减弱时，化合物5开始分解。证明确实是在DMF溶液中有利于单线态氧生成导致化合物5被氧化分解（见图5）。

图5 BODIPY-DT（10μmol/L）与DPBF（50μmol/L）在DMF混合溶液的紫外吸收光谱

（2）质谱。由于叁键容易被氧化，BODIPY-DT在叁键部分容易被单线态氧氧化分解，为了证明BODIPY在DMF溶液中变色是因为被氧化分解，因此对变色后产物进行质谱分析。通过对质谱碎片峰的分析发现m/z：764.7，525.5，562.3，353.1，338可能分别为BODIPY-DT氧化分解产物1，2，3，4，5的碎片峰（见图6）。

图6 BODIPY-DT氧化分解后部分产物

（3）氢谱。从变色跟踪核磁谱图的变化可以看到，随着时间的推移在化学位移10.5附近出现官能团甲酰基（—CHO）的氢峰和在12.2附近出现羧基（—COOH）的氢峰，从氢谱数据分析同样可以证明BODIPY-DT（化合物5）分解（见图7）。

图7 BODIPY-DT在DMF溶液中变色跟踪氢谱

4 结 语

本文开发了一种基于氟硼二吡咯法的用于DMF选择性、动态和视觉传感的新型荧光传感器。氟硼二吡咯自身是一种良好的光敏剂，而且通过本实验可知，其在DMF溶液中能更好地诱导产生单线态氧，产生的单线态氧又能够将分子中的炔键和氟硼二吡咯荧光团骨架氧化，进而产生溶液颜色和荧光的变化，实现对溶剂的可视化识别。教师通过把科研成果转化成教学内容，实现科研与教学的结合，学生通过学习科研过程，夯实了基础知识，拓展了思路，启迪了思维，培养了科研素养。将科研成果转化成教学内容，指导学生从实验现象入手，到理论探讨、再到实验数据的分析整理及结论的获得，让学生从这个过程中真正认识科研、了解科研，培养科研素养，将来才能更好地投入工作。做到教学与科研相互渗透融合，科研带动教学，教学促进科研，才能共同完成教学过程，培养更多适应社会需求的高水平创新型专业人才。