BAPTA 受体荧光材料的差异性结构构筑与合成*

成 昭，郑 蕾，徐 玥，何 昊

（西安医学院 药学院，陕西 西安 710021）

荧光材料与荧光分析方法，因其良好的光学性能、定性及定量分析特性，得到广泛应用。荧光材料光学特性与其分子结构关系密切，进行材料荧光性能调控时，需综合考虑分子刚性、平面性、共轭结构与取代基等影响因素[1,2]。其中，基于平面大π 键结构的刚性分子骨架，进行取代基修饰，对材料的荧光性能影响显著，相关研究工作屡见报道[3-5]。实际工作中，主要依靠给电子、吸电子取代基引入，实现材料的荧光性能调控。其中，给电子基团-OH、-OR、-NR2等，因p-π 共轭作用形成，使电子共轭程度增强、电子云密度增大，材料荧光性能随之增强，一般还伴随着荧光材料的荧光发射波长红移、荧光量子产率增大。当吸电子基团-COOH、-NO2、-X 等被引入分子时，则使电子共轭程度降低、电子云密度减小，材料荧光减弱。

本文设计合成BAPTA 受体荧光材料S15、S16、S17 时，分别在其荧光发色团的杂环结构中引入吸电子取代基4-NO2、合成得到S17，引入给电子取代基N-CH3、得到S16，期望调控S16 与S17 的电子云密度及荧光性能。作为最小的烷基与给电子取代基，甲基的引入不会造成较大空间位阻[6,7]，而甲基引入杂环后显著的共轭与超共轭作用，预期将使S17 的荧光性能显著增强，硝基对S16 的影响则反之。此外，综合比较单发色团荧光材料钙绿-1 与相应双发色团材料钙绿-2 的结构及性能[8]，发现双发色团致使荧光增强，因此，本文亦合成具有苯并咪唑双发色团的荧光材料S15，以单发色团材料S16 与S17 为对照、研究S15 的荧光性能增效。

1 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

邻硝基酚、1-溴-2-氯乙烷、溴乙酸甲酯、邻苯二胺、N-甲基邻苯二胺、4-硝基邻苯二胺、无水K2CO3、还原铁粉，均为化学纯，国药集团化学试剂有限公司；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、石油醚，均为化学纯，天津市天力化学试剂有限公司。

XT-4 型显微熔点仪（北京泰克）；TENSOR T-27型傅里叶变换红外光谱仪（美国布鲁克）；AVANCE III 400MHz 型超导核磁共振波谱仪（美国布鲁克）；microTOF-QⅡESI-Q-TOF LC/MS/MS 型飞行时间-质联仪（美国布鲁克）；LS-55 型荧光分光光度计（美国铂金埃尔默）。

1.2 实验方法

基于前期研究工作中合成得到的荧光材料S11结构，针对材料发色团的荧光基团数目、电子云密度、分子刚性等结构因素进行差异性设计，以邻硝基酚、1-溴-2-氯乙烷、溴乙酸甲酯、邻苯二胺、N-甲基邻苯二胺、4-硝基邻苯二胺等为原料，经6 步合成得到3 种新型BAPTA 受荧光材料1,2-二（2-氨基-5-苯并咪唑基苯氧基）乙烷-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（S15）、2-[2-（2-氨基苯氧基）乙氧基]-4-（N-甲基苯并咪唑基）苯胺-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（S16）、2-[2-（2-氨基苯氧基）乙氧基]-4-（4-硝基苯并咪唑基）苯胺-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（S17），合成路线见图1、2。

图1 BAPTA 受体荧光材料S15 的合成路线Fig.1 Synthetic route of BAPTA fluorescent material S15

图2 BAPTA 受体荧光材料S16、S17 的合成路线Fig.2 Synthetic route of BAPTA fluorescent materials S16 and S17

1.3 1,2-二（2-氨基-5-苯并咪唑基苯氧基）乙烷-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（S15）的合成

1.3.1 2-（2-氯乙氧基）-硝基苯（化合物1）的合成 将邻硝基酚（1.39g, 0.01mol）、1-溴-2-氯乙烷（4.30g,0.03mol）与无水K2CO3（2.07g, 0.015mol）均匀分散于DMF（8mL）中，120℃反应5h。待反应结束、冷却，加入20mL 乙酸乙酯稀释、水洗（10mL×3）、旋干，以甲醇-水重结晶，得到黄色固体1，产率93%，m.p.36～37℃。1H NMR（CDCl3，400MHz），δ：7.85（d, J=8Hz,1H, ArH），7.53～7.57（m, 1H, ArH），7.04～7.23（m,2H, ArH），4.40（t, J=12Hz, 2H, -CH2O-），3.86（t, J=12Hz, 2H, -CH2Cl）。IR（KBr），ν，cm-1：2972.34，2926.51，2875.20（νC-H）；1608.27，1484.98（νC=C）；1522.27，1343.29（ν-NO2）；1247.30，1026.00（νC-O-C）；745.61，667.76（δ=C-H）。

1.3.2 1,2-二（2-硝基苯氧基）乙烷（化合物2）的合成 将化合物1（2.01g, 0.01mol）、邻硝基酚（1.39g,0.01mol）与无水K2CO3（2.50g, 0.018mol）均匀分散于DMF（10mL）中，140℃反应4h。待反应结束、冷却，加入20mL 冰水，经抽滤、水洗（10mL×3）、甲醇-水重结晶，得到黄色固体2，产率为95%，m.p.168～169℃。1H NMR（CDCl3，400MHz），δ：7.83（d, J=8Hz,2H, ArH），7.57（t, J=8Hz, 2H, ArH），7.24（t, J=8Hz,2H, ArH），7.08（t, J=8Hz, 2H, ArH），4.54（s, 4H,-OCH2CH2O-）。IR（KBr），ν，cm-1：3051.66（ν=C-H）；2956.13，2931.93，2873.61，2760.34（νC-H）；1606.92，1582.83，1484.65（νC=C）；1518.56，1359.96（νNO2）；1278.08，1090.66（νC-O）；744.19，671.99（δ=C-H）。

1.3.3 1,2-二（2-氨基苯氧基）乙烷（化合物3）的合成 将浓HCl（0.2mL）、无水乙醇（10mL）、还原铁粉（3.36g, 0.06mol）混合均匀，80℃反应30min，再向其中分批加入化合物2（3.04g, 0.01mol），80℃反应4h。待反应结束，向其中趁热加入15% KOH-乙醇、至pH 值为7～8，滤除铁粉，向滤液中加入6mol·L-1H2SO4，将硫酸盐沉淀过滤并溶于热水，再加入饱和NaOH 至pH 值为9～10，冷却、抽滤、甲醇重结晶，得到白色固体3，产率88%，m.p.116～117℃。1H NMR（CDCl3，400MHz），δ：6.91～7.04（m, 8H, Ar-H），4.36（s, 4H, -OCH2CH2O-），3.82（s, 4H, 2×-NH2）。IR（KBr），ν，cm-1：3432.36，3355.57（νN-H）；3059.23（ν=C-H）；2934.32（νC-H）；1612.32，1507.94（νC=C）；1276.75，1217.40（νC-O）；941.92，739.95（δ=C-H）。

1.3.4 1,2-二（2-氨基苯氧基）乙烷-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（化合物4）的合成 将化合物3（2.44g,0.01mol）、二异丙基乙胺（6mL, 0.05mol）与溴乙酸甲酯（3mL,0.05mol）均匀混合于乙腈（10mL）中，80℃反应12h。待反应结束、冷却，向其中加入20mL 乙酸乙酯，抽滤、旋干、得到黄色油状物，加入少量甲醇、搅拌6h，抽滤、甲醇重结晶，得到白色固体4，产率87%，m.p.94～95℃。1H NMR（CDCl3，400MHz），δ：6.82～6.89（m, 8H, Ar-H），4.27（s, 4H, -OCH2CH2O-），4.15（s,8H, 4×-CH2-），3.56（s, 12H, 4×-CH3）。IR（KBr），ν，cm-1：3067.78（ν=C-H）；2993.00，2951.29，2921.02，2888.20（νC-H）；1748.17（νC=O）；1596.85，1509.53（νC=C）；1173.12（νC-O）；742.49，706.25（δ=C-H）。

1.3.5 1,2-二（2-氨基-5-甲酰基苯氧基）乙烷-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（化合物6）的合成 5～10℃，将POCl3（9.6mL）于40～45min 内滴加至DMF（20mL）中，再将化合物4（5.32g, 0.01mol）的DMF 溶液滴加至上述POCl3/DMF 混合物中，75℃反应4h。待反应完全、冷却，加入100mL 冰水、抽滤，柱分离，V乙酸乙酯∶V正己烷=2∶1 为洗脱剂，得到黄色固体6，产率90%，m.p.145～146℃。1H NMR（CDCl3, 400 MHz），δ：9.80（s,2H,2×-CHO），7.37～7.40（m, 4H, Ar-H），6.76（d, J=8Hz, 2H,Ar-H），4.31（s, 4H, 2×-OCH2-），4.23（s, 8H, 4×-CH2COO-），3.58（s, 12H, 4×-CH3）。13C NMR（CDCl3,101MHz），δ：190.45，171.16，149.51，145.02，129.85，127.02，116.55，110.37，77.30，76.98，76.66，66.94，53.44，51.99。IR（KBr），ν，cm-1：2954.41（νC-H）；1747.19（νC=O）；1519.63（νC=C）；1168.65（νC-O）；786.81（δ=C-H）。ESI-MS，m/z：611.1848 [M+Na]+。

1.3.6 1,2-二（2-氨基-5-苯并咪唑基苯氧基）乙烷-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（S15）的合成 将化合物6（0.59g, 1mmol）与邻苯二胺（0.22g, 2mmol）均匀混合于无水乙醇（10mL）中，78℃反应4h，待反应结束、冷却、旋干，柱分离，V乙酸乙酯∶V正己烷=2∶1 为洗脱剂，得到黄色固体S15，产率为53%，m. p. 204～206℃。1H NMR（400MHz, CDCl3），δ：7.98（dd, J=8, 4.3Hz,4H, Ar-H），7.58～7.61（m, 2H, Ar-H），7.26（t, J=4.4Hz, 2H, Ar-H），6.87（d, J=8.6Hz, 2H, Ar-H），6.45（d, J=9.6Hz, 4H, Ar-H），3.85（s, 2H），3.24（s, 8H），2.60（s,12H），2.10（s,4H）。ESI-MS，m/z：765.2876[M+H]+。

1.4 S16 及S17 的合成

1.4.1 2-[2-（2-氨基苯氧基）乙氧基]-4-甲酰基苯胺-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（化合物5）的合成 5～10℃，向DMF（20mL）中缓慢滴加POCl3（2.4mL），于40～45min 内滴加完全。将所得的POCl3/DMF 混合物在室温下搅拌1～2h、混合均匀，再滴加至化合物4（5.32g, 0.01mol）的DMF（20mL）溶液中，75℃反应4h。待反应结束、冷却，加入100mL 冰水、抽滤，柱分离，V乙酸乙酯∶V正己烷=1∶1 为洗脱剂，得到白色固体5，产率85%，m.p.131～132℃。1H NMR（CDCl3，400MHz），δ：9.80（s,1H,-CHO），7.37～7.40（m,2H,Ar-H），6.81～6.90（m, 4H, Ar-H），6.76（d, J=8.3Hz, 1H, Ar-H），4.31～4.32（m, 2H, -CH2O-），4.26～4.27（m, 2H,-OCH2-），4.24（s, 4H, 2×-CH2-），4.15（s, 4H, 2×-CH2-），3.57（d, J=4.5Hz, 12H, 4×-CH3）。13C NMR（CDCl3，100MHz），δ：190.47，171.92，171.22，150.12，149.64，145.00，139.27，129.89，126.71，122.17，121.59，118.93，116.49，112.85，110.51，76.98，76.66，67.25，66.64，53.33，51.95，51.76。IR（KBr），ν，cm-1：3015.76（ν=C-H）；2954.95，2928.97（νC-H）；1746.40（νOC=O）；1681.01（νHC=O）；1 593.97，1509.15（νC=C）；1245.85，1164.87（νC-O）；747.14（δ=C-H）。ESI-MS，m/z：583.1894[M+Na]+。

1.4.2 S16 及S17 的合成 合成方法类似于S15，2-[2-（2-氨基苯氧基）乙氧基]-4-甲酰基苯胺-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（化合物5）的用量为0.56g、1mmol，N-甲基邻苯二胺或4-硝基邻苯二胺的用量分别为0.12g、1mmol，0.16g、1mmol。V乙酸乙酯∶V正己烷=2∶1 为柱分离洗脱剂。

2-[2-（2-氨基苯氧基）乙氧基]-4-（N-甲基苯并咪唑基）苯胺-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（S16）：黄色固体，产率68%，m. p.122～123℃。1H NMR（400MHz,CDCl3），δ：7.92～7.94（m, 1H, Ar-H），7.46（d, J=7.0Hz,1H, Ar-H），7.37～7.39（m, 2H, Ar-H），7.37（dd, J=6.3,2.8Hz, 2H, Ar-H），6.83～6.92（m, 5H, Ar-H），4.41（s,3H,-CH3），4.24（s,6H,2×-CH3），4.15（s,6H,2×-CH3），3.92（s, 4H, 2×-CH2-），3.58（s, 4H, 2×-CH2-），2.07（s,2H,-OCH2-），2.04（s,2H,-OCH2-）。IR（KBr），ν，cm-1：3393.08（νN-H）；2951.93，2924.81（νC-H）；1745.82（νC=O）；1603.47，1508.99，1455.33（νC=C, νN=H）；1172.28（νC-O）；741.63（δ=C-H）。ESI-MS，m/z：663.2664[M+H]+。

2-[2-（2-氨基苯氧基）乙氧基]-4-（4-硝基苯并咪唑基）苯胺-N,N,N',N'-四乙酸甲酯（S17）：红色固体，产率70%，m. p.165～167℃。1H NMR（400MHz,CDCl3），δ：8.49（s, 1H, Ar-H），8.20（dd, J=8.9, 2.0Hz,1H, Ar-H），7.98（s, 2H, Ar-H），7.76（s, 1H, Ar-H），7.68（t, J=8.6Hz, 2H, Ar-H），6.84～6.88（m, 3H, Ar-H），4.41（s, 1H, -NH-），4.25（s, 4H, 2×-CH2-），4.13（s, 4H, 2×-CH2-），2.99（s, 6H, 2×-CH3），2.86（s, 6H,2×-CH3），2.01（s, 2H, -OCH2-），1.99（s, 2H, -OCH2-）。IR（KBr），ν，cm-1：3374.15（νN-H）；2999.98，2950.10（νC-H）；1744.32（νC=O）；1603.59，1507.13（νC=C）；1171.49（νC-O）；742.12（δ=C-H）。ESI-MS，m/z：716.2172[M+Na]+。

1.5 结构表征

合成中间产物经IR 与1H NMR 表征，均与文献相符。另由荧光材料S15、S16、S17 的1H NMR、IR 与MS 等表征数据可知，其结构正确，经合成引入的官能团羰基、醚键等均呈现其特征吸收，特征氢位移均能由1H NMR 进行归属，符合实验预期的结构设计，可进行进一步的光学性质研究。

IR 采用溴化钾压片法对各步合成产物进行IR 测试，波数范围4000～400cm-1。

1H NMR 以四甲基硅为内标、CDCl3为溶剂，对各步合成产物进行400MHz 的氢核磁及100MHz的碳核磁共振分析。

荧光分析 出射与入射狭缝宽度均为1nm，波长范围300～550nm。

2 结果与讨论

2.1 荧光材料S15、S16、S17 的荧光光谱

配制浓度为1×10-5mol·L-1的S15、S16、S17 水溶液，进行300～550nm 波段荧光光谱扫描，荧光材料S16、S17 的荧光光谱见图3。

图3 荧光材料S16、S17 的荧光光谱Fig.3 Fluorescent spectra of fluorescent materials S16 and S17

由图3 可知，因荧光发色团电子云密度的差异，分子中设计引入给电子基团-CH3的S16，相较于引入吸电子基团-NO2的S17，荧光谱峰显著红移[9,10]。测定显示，S16 的λmax=416nm，而引入-NO2，致使荧光发色团中电子云密度较小的S17，其λmax=368nm，荧光强度亦相对较弱。

图4 为荧光材料S15、S16 的荧光光谱。

图4 荧光材料S15、S16 的荧光光谱Fig.4 Fluorescent spectra of fluorescent materials S15 and S16

由图4 可知，具有双发色团结构的荧光材料S15（λmax=397nm），相比单发色团结构的S16 分子，荧光强度几乎达到2 倍增幅。由此可见，双发色团的结构修饰对荧光材料光学性能影响显著。

2.2 苯并咪唑缩合反应的反应机理

图5 为苯并咪唑缩合反应的反应机理。

图5 苯并咪唑缩合反应的反应机理Fig.5 Reaction mechanism of the benzimidazole condensation

S15、S16、S17 合成路径中的苯并咪唑缩合反应，以取代邻苯二胺与芳香醛（S16、S17 制备路径中的化合物5，或S15 制备路径中的化合物6）为反应物。经反应温度考察，显示低温冰浴条件下进行该缩合反应时，反应进行4h 时，产物为油状物（a），而放置数天后，油状物发生性状的明显改变，得到新的黄色固体产物（b，即S16）。进一步分析化合物（a）、（b）的紫外-可见与红外光谱，谱图均显示特征谱带的差异。其中，紫外-可见光谱中，化合物（a）的吸收谱带峰值分别位于307.0、294.5、248.0 以及212.0nm，而（b）的吸收谱带峰值为291.0、245.0 和212.0nm。红外光谱中，（a）的特征吸收谱带为3066.8cm-1（ν=C-H）、1681.8cm-1（νN=H）、1030.1cm-1（νC-O-C），而（b）的氮氢伸缩振动处于1455.3cm-1（νN=H），较化合物（a）红移227cm-1。综合光谱分析结果，推测中间产物（a）为席夫碱，（b）为缩合反应产物苯并咪唑（图5），化合物（b）红外光谱特征氮氢伸缩振动νN=H的红移，可能是由于咪唑环上的碳氮键介于碳氮单键与碳氮双键之间，相比碳氮单键有所红移。此外，参考文献报道[11]，苯并咪唑缩合产物受反应热力学与动力学因素影响较大[12,13]，席夫碱产物（a）是速率产物与热力学产物，在反应中先生成，低温条件亦可稳定存在；苯并咪唑缩合产物（b）较（a）席夫碱产物稳定，经反应温度升高或反应时间延长而得到。反应发生时，芳香醛与邻苯二胺衍生物先加成后消去、给出席夫碱产物，继而发生关环、得到苯并咪唑缩合产物。为得到目标产物（b），经反应温度与溶剂选择，最终确定该缩合反应的最优反应条件为无水乙醇反应体系、78℃下进行回流反应，反应时长4h。

3 结论

通过缩合反应，将经典的BAPTA 受体与苯并咪唑类荧光发色团相连接，同时，设计引入吸电子基团-NO2、给电子基团-CH3，设计引入双发色团结构，借以调控苯环电子云密度与材料荧光强度，调控BAPTA 受体与目标物的结合能力。基于上述的差异性结构构筑，合成得到3 种荧光材料S15、S16、S17。光谱研究显示，吸电子基团-NO2与给电子基团-CH3对S16、S17 的荧光性能产生了一定影响，给电子基团-CH3的引入使S16 结构中苯环电子云密度增大，使其紫外-可见与荧光光谱相较于S17，出现最大吸收与发射波长向长波方向的红移。此外，分子中引入双发色团结构的荧光材料S15，荧光强度明显优于仅具有单发色团S16、S17，符合预期结构设计。这种差异性结构构筑的合成设计，实现了对荧光材料光学性能的有效调控，能够为新型光学材料的开发提供一定研究基础。