一种新型不对称菁类功能染料的合成与表征

富莹莹，赵 奎，魏崇斌，马明玉，洪建权，郑昌戈

（江南大学化学与材料工程学院，江苏 无锡 214122）

荧光染料是一类重要的功能染料，在现代科学中有着多种应用[1-2]。在荧光显微镜方面起着关键性的作用，染料与目标分子形成共价染料共轭物可以使目标分子被实时观测。菁类染料是荧光染料的一种，它是在碱性条件下通过两个亚甲基碱（杂环体系）和一种聚甲基试剂的缩合直接或逐步合成的。通过改变多甲氧基链、端基取代基、氮原子上的取代基和杂环取代，或者大量合成前和合成后的修饰来实现其结构多样性。菁类染料两端每个杂环都含有一个与聚甲川链共轭的氮原子，当两个末端杂环相同时，染料称为对称菁染料；当末端杂环不同时，则称为不对称菁染料。菁类染料的特殊结构对它们的电子云分布有显著的影响，从而影响其在电子基态下的平衡结构。在所有菁类染料中，沿聚甲川链碳原子的π 电荷密度交替分布，尤其是在对称菁染料中，碳-碳键长度的差异很小，这导致在吸收光谱中的吸收带很窄。

本文以丙醛二乙基乙缩醛为原料，经Vilsmeier-Haack 反应得到（E）-3-乙氧基-2-甲基丙烯醛（1）；1 与3-羧甲基绕丹宁反应得到2-（（E）-5-（（E）-3-乙氧基-2-甲基亚烯基）-4-氧基-2-硫代噻唑烷-3-基）乙酸（2）；2-甲基苯并唑与1,3-丙烷磺内酯反应可得到2-甲基-3-（3-磺丙基）苯并[d]恶唑（3）；2 和3 在碱性条件下反应开发了一种新型菁类染料（4）。确定合成菁类染料（4）的最优反应条件，使其收率提升至78%。通过1H NMR 对其结构进行表征。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

TU-1901 型双光束紫外可见分光光度计；Bruker AVANCE 400MHz 型核磁共振仪（CDCL3、DMSO-d6为溶剂，TMS 为内标）。

按文献方法合成[3]1，反应步骤见图1；其余所用试剂均为分析纯；实验室用水为去离子水。

图1 菁类染料前体1 和2

1.2 合成或制备

1.2.1 化合物1 的合成

在50 mL 茄形瓶中加入POCl3383 mg（2.5 mmol），滴加DMF 182.5 mg（2.5 mmol），在30 ℃下搅拌15 min。升温至70 ℃，缓慢加入丙醛二乙基乙缩醛132 mg（1 mmol）并剧烈搅拌，保持70 ℃反应2 h（TLC 跟踪）。停止反应后降至室温，将反应液倒入冰水中，用K2CO3溶液调至pH 值为8。随后用二氯甲烷萃取，有机相用Na2SO4干燥，减压旋蒸除溶剂，蒸干后经硅胶柱层析色谱分离（流动相：V（石油醚）/V（乙酸乙酯）=3/1）得到微黄色油状液体1（93 mg，45%）。1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ 9.23（dd，J=3.0，1.6 Hz，1H，CHO），6.99（s，1H，CH），4.18（qdd，J=7.1，2.0，1.1 Hz，2H，CH2），1.69（dd，J=3.1，1.2 Hz，3H，CH3），1.40（tdd，J=7.1，2.7，1.5 Hz，3H，CH3）。

1.2.2 化合物2 的合成

在50 mL三口烧瓶中依次加入1（114 mg，1 mmol）、3-羧基绕丹宁（382 mg，2 mmol）和乙酸钠（205 mg，2.5 mmol），随后加入乙酸（2 mL），升温至120 ℃，反应5 h（TLC 跟踪）。减压蒸馏除去溶剂，再加入20 mL水，析出沉淀，用布氏漏斗抽滤，去离子水冲洗，真空干燥得到棕色化合物2（115 mg，40%），反应过程见图1。1H NMR（400 MHz,DMSO）δ 13.23（s，1H，OH），7.56（s，1H，CH），7.48（s，1H，CH），4.68（s，2H，CH2），4.16（q，J=7.1 Hz，2H，CH2），1.87（s，3H，CH）3，1.28（t，J=7.1 Hz，3H，CH3）。

1.2.3 化合物3 的合成

在N2氛围下向耐压管中加入2-甲基苯并[d]恶唑（161 mg，1.2 mmol）和1,3-丙烷磺酰内酯（244 mg，2 mmol），再加入甲苯（6 mL）使固体溶解，升温至130 ℃反应过夜。反应生成大量白色固体，抽滤，得到固体，再用甲苯洗涤三次，烘干，得到白色固体3（248 mg，80%），反应过程见图2。

图2 菁类染料前体3 及菁类染料4

1.2.4 化合物4 的合成

在N2氛围下向耐压管中加入化合物2（115 mg，0.4 mmol）和化合物3（102 mg，0.4 mmol），再加入NaOH（35 mg，0.88 mmol）和4 mL无水乙醇，升温至100 ℃，反应12 h（TLC 跟踪）。减压蒸馏除去溶剂，所得混合产物采用硅胶柱层析色谱分离提纯（流动相：V（二氯甲烷）/V（甲醇）=20/1），得到蓝色有荧光固体4（168 mg，78%），反应过程见图2。1H NMR（400 MHz，DMSO）δ 7.28 7.22（m，1H，ArH），7.16（dd，J=7.8，1.4 Hz，1H，ArH），7.04（d，J=7.3 Hz，1H，ArH），6.96 6.87（m，1H，ArH），6.71（dd，J=16.0，7.7 Hz，1H，CH），6.61 6.44（m，1H，CH），4.45（s，2H，CH2），3.77（dt，J=13.8，7.7 Hz，1H，CH），3.51（q，J=7.0 Hz，1H，CH2），3.43（ddd，J=7.0，5.2，3.1 Hz，1H，CH2），2.62（dd，J=9.0，6.9 Hz，2H，CH2），1.81（dt，J=15.1，7.5 Hz，2H，CH2），1.74（s，3H，CH3）。

2 结果与讨论

通过对NaOH 用量，反应温度和反应时间的优化最终使目标产物收率提升至78%。具体优化条件见表1。

表1 反应条件及收率

3 结论

本文通过四步反应合成了一种新型不对称菁类染料，并对最后一步反应中NaOH 的用量、反应温度和反应时间进行了优化，确定NaOH 用量是2.2eq，反应温度为100 ℃，反应时间为12 h，化合物4 最优的分离产率为78%。对化合物4 进行了紫外吸收光谱的测试，确定了产物在水溶液中λMax为536 nm，吸光度为0.592；在甲醇溶剂中吸收光谱λMax为591 nm，吸光度为0.643。本研究的特色在于合成了一种新的不对称菁类染料，测定了他的最大吸收波长，并优化了合成工艺，提高了反应收率。