周为浩 毕业设计论文2.1 - 图文

Southwest university of science and technology

本科毕业设计（论文）

刚性杂环香豆素荧光探针的合成及性能研究

学院名称 理学院

专业名称 学生姓名 学

号

光信息科学与技术

周为浩 20112833 任洪波

二〇一六年六月

指导教师

西南科技大学本科生毕业论文

I

刚性杂环香豆素荧光探针的合成

及性能研究

摘要：自然界中存在着各种金属，包括碱土金属、碱金属、过渡金属和重金属，而这些金属与环境、生物、医学和化学学科密切相关，生命体中金属离子的浓度在一定范围内有利于生物的健康，浓度过大则会对生物体产生严重的危害。因此设计及合成具有高选择性和高灵敏度的荧光探针越来越受到人们重视。

近些年来，香豆素母体被广泛应用于生物、医药、香料、化妆品及荧光染料等领域。由于其具有荧光量子产率高、Stokes位移大、光物理和光化学性质可调以及光稳定性好等优点，香豆素类化合物已成为荧光传感器分子设计中的优秀候选荧光团。[18]本文通过改良的Knoevenagel反应，将2,4-二羟基苯甲醛、氰乙酸乙酯分别与邻苯二胺、邻氨基苯酚、邻氨基硫酚反应，合成了三种刚性含氮杂环的单齿香豆素衍生物，并利用红外、核磁等方法对目标化合物进行了结构表征鉴定。考察了它们对常见阳离子的响应，发现探针可以高选择性识别水溶液中的Pd2+。另外，我们研究了这三种配体和Pd2+的自组装行为，成功制备了一种新型金属-有机凝胶材料。

关键词：香豆素； 荧光探针； 分子识别

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II

Synthesis and Property Research of Rigid Heterocyclic Coumarin Fluorescent Probe

Abstract: There are various metals, including alkaline earth metals, alkali metals, transition metals and heavy metals in nature. These metals are closely related with the environment, biology, medicine and chemistry. The concentration of metal ions within a certain range is useful to the life of the body, but it will lead to many serious detriment when the concentration is too maximum. So design and synthesis high selective and sensitive fluorescent probe is getting more and more attention.

Recent years, coumairn and its derivative have been found to be widely used in the fields of biology, medicine, perfumes, cosmetics and dyes etc. Due to its unique optical properties such as high fluorescence quantum yield, large stokes shifts, excellent light stabilities and less toxicity. Coumairns have received considerable attention in construction of fluorescence chemosensors. In this study, through the improved Knoevenagel reaction, the 2,4-dihydroxybenzaldehyde, ethyl cyanoacetate was

respectively

reactioned

with

o-phenylenediamine,

o-aminophenol,

oro-aminothiophenol, to get a kind of rigid N-heterocyclic coumarin derivatives. The structures of the new compounds were characterized by NMR and IR spectra. We studied the fluorescent properties of this class of compounds and found that they could serve as candidates for fluorescent Pd2+ sensing in aqueous solutions. Moreover, we explored the assembly of the structurally simple and conformationally rigid N-heterocyclic coumarin derivatives with Pd2+ to creat a new type of metal-organic gel.

Key words：coumarin; fluorescent probes; molecular recognition

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III

目录

第一章 绪论......................................................... 1

1.1.1 荧光现象....................................................................................................... 1 1.1.2 荧光的发光原理........................................................................................... 1 1.1.3 荧光传感器（荧光探针）........................................................................... 3 1.1.4 荧光外部影响因素及其排除办法............................................................... 4 1.2 香豆素类化合物性质及用途.......................................................................... 6 1.3 香豆素类化合物的主要合成方法.................................................................. 7 1.4 香豆素类荧光探针的近期研究...................................................................... 8 1.5 本课题的提出.................................................................................................. 9 第二章 实验与结果...................................................................................................... 1

2.1 实验概述.......................................................................................................... 1 2.2 实验试剂、仪器及表征方法.......................................................................... 1

2.2.1实验试剂................................................................................................. 2 2.2.2实验仪器................................................................................................. 3 2.2.3分析测试................................................................................................. 3 2.2.3.1 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析 ............................................... 3 2.2.3.2 核磁共振（NMR）分析 ................................................................... 3 2.2.3.3 荧光光谱分析..................................................................................... 4 2.2.3.4 场发射扫描电镜分析......................................................................... 4 2.2.3.5 透射电镜分析..................................................................................... 4 2.3 实验内容.......................................................................................................... 4

2.3.1 3-苯并咪唑基-7-羟基香豆素（CIM）的合成 ..................................... 4 2.3.2 3-苯并噁唑基-7-羟基香豆素（COM）的合成 ................................... 5 2.3.3 3-苯并噻唑基-7-羟基香豆素（CSM）的合成 .................................... 7 2.4 结果与讨论...................................................................................................... 9

2.4.1 探针的荧光光谱分析............................................................................ 9 2.4.2 探针对金属阳离子荧光识别作用的研究............................................ 9

2.4.2.1 探针CIM对金属阳离子荧光识别作用的研究 ...................... 10 2.4.2.2 探针COM对金属阳离子荧光识别作用的研究 .................... 11 2.4.2.3 探针CSM对金属阳离子荧光识别作用的研究 ..................... 12

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IV

2.4.3 Pd2+浓度对探针CIM、COM、CSM荧光强度的影响 .................... 13 2.4.4 不同溶剂对荧光探针的影响.............................................................. 15 2.4.5 荧光探针的竞争性研究...................................................................... 15 2.4.6 探针与Pd2+可能的作用机理 ............................................................. 16 2.4.7 配体与Pd2+的自组装行为研究 ......................................................... 17

2.4.7.1 配体与不同金属盐在DMF中的凝胶化实验结果 ................. 17 2.4.7.2 溶剂对CIM和Pd(OAc)2自组装行为的影响......................... 17 2.4.7.3 凝胶的形貌图............................................................................ 18 2.4.7.4 阴离子对CIM和Pd2+自组装行为的影响 .............................. 18 2.4.7.5 凝胶的性质................................................................................ 19

结论............................................................... 21 致谢................................................................ 1 文献................................................................ 2

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第一章 绪论

1.1.1 荧光现象

当用一种波长的光（紫外光或可见光）照射某种物质时，这个物质会在极短的时间内发射出各种不同颜色和强度的光（比照射波长更长的光），这种光称为荧光。这种光线伴随照射源停止照射而很快地消失，对于荧光来说，当激发光停止照射后，发光过程几乎立即（10-9-10-6 S）停止。

西班牙的内科医生和植物学家N.Monardes于1575年第一次记录了荧光现象。17世纪，Boyle和Newton等著名科学家再次观察到荧光现象。虽然在17到18世纪又陆陆续续发现了其它一些发荧光的材料和溶液，但是在荧光现象的解释方面却没有什么进展。直到1852年stokes在考察奎宁与叶绿素的荧光时，使用分光计发现荧光的波长比入射光的波长稍长，才判明这种现象是由于这些物质在吸收光能后重新发射的不同波长的光，而不是由光的漫射所引起的，从而导入了荧光是光发射的概念。他还由发荧光的矿物“萤石”推演而提出“荧光”这一术语。Stokes还对荧光强度与浓度之间的关系进行了研宄，描述了当高浓度和外来物质存在时会发生荧光淬灭现象。1867年，Goppelsroder进行了历史上首次的荧光分析工作，运用具有荧光的铝-桑色素配合物的荧光进行铝的测定。1880年，Liebeman最早提出关于荧光与化学结构关系的经验法则，到了19世纪末，人们己经知道了600多种突光化合物。20世纪以来，荧光现象被研究得更多了，例如，1905年Wood发现了共振荧光；1914年Frank和Hertz利用电子冲击发光进行定量研究；1922年Frank和Cario发现了增感应光；1924年Wawillow进行了荧光产率的绝对测定；1926年Gaviola进行了荧光寿命的直接测定等。近年来，荧光分析法由于其高的灵敏度和选择性，已被化学检测、生物医药、环境监测等很多方面运用，具有很好的发展前途。[1] 1.1.2 荧光的发光原理

荧光是一种光致发光现象，那么，由于分子对光的选择性吸收，不同波长的入射光便具有不同的激发频率。

分子的吸收光谱可能含有几个吸收带，但其发射光谱却通常只含有一个发射带。绝大多数情况下即使分子被激发到S2电子态以上的不用振动能级，但是由于内转化和振动松弛的速率是那样的快，以致很快地丧失多余的能量而衰变到

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S1态的最低振动能级，然后发射荧光，因而其发射光谱通常只含一个发射带，且发射光谱的形状与激发波长无关，只与基态中振动能级的分布情况以及各振动带的跃迁概率有关。但是也有例外，例如有些荧光体具有两个电离态，而每个电离态显示不同的吸收和发射光谱等。

物质在吸收入射光的过程中，光子的能量传递给了物质分子。分子被激发后，发生了电子从较低的能级到较高能级的跃迁。该跃迁过程经历的时间约10-15s。跃迁所涉及的两个能级间的能量差，等于所吸收光子的能量。紫外、可见光区的光子能量较高，足以引起分子中的电子发生电子能级间的跃迁。处于该激发态的分子称为电子激发态分子。

电子激发态的多重态用2S+1表示，S是电子自旋角动量量子数的代数和，其数值为0或1。分子中同一轨道里同一轨道里所占据的两个电子必须具有相反的自旋方向，即自选配对。如果分子中的全部电子都是自旋配对的，即S=0，该分子便处于单重态（或称单线态），用符号S表示。大多数有机物分子的基态是处于单重态的。如果分子吸收能量后电子在跃迁过程中不发生自旋方向的变化，这时分子处于激发的单重态；倘若电子在跃迁过程中还伴随着自旋方向的改变，这时分子便具有两个自旋不配对的电子，即S=1，分子处于激发的三重态（或称三线态），用符号T表示。符号S0、S1和S2分别表示分子的基态、第一和第二电子激发单重态，T1和T2则分别表示第一和第二电子激发三重态。处于激发态的分子不稳定，它可能通过辐射跃迁和非辐射跃迁的衰变过程而返回基态。另外，激发态分子也可能由于分子间的作用过程而失活。

辐射跃迁的衰变过程伴随着光子的发射，即产生荧光活磷光；非辐射跃迁的衰变过程，包括振动松弛（VR）、内转化（ic）、和系间窜越（isc），这些衰变过程导致激发能转化为热能传递给介质。振动松弛是指分子将多余的振动能量传递给介质而衰变到同一电子态的最低振动能级的过程。内转化指相同多重态的两个电子态间的非辐射跃迁过程（例如S1～S0，T2～T1）；系间窜越则指不同多重态的两个电子态间的非辐射跃迁过程（例如S1～T1，T1～S0）。图1.1为分子内所发生的激发过程以及辐射跃迁和非辐射跃迁过程的示意图。

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图1.1 分子内的激发和衰变过程

A1.A2.吸收；F.荧光；P.磷光；ic.内转化；isc.系间窜越；VR.振动松弛 如果分子被激发到S2以上的某个电子激发单重态的不同振动能级上，处于这种激发态的分子很快（约10-12～10-14s）发生振动松弛而衰变到该电子态的最低振动能级，然后又经由内转化及振动松弛而衰变到S1态的最低振动能级。接着，有如下几种衰变到基态的途径：①S1→S0的辐射跃迁而发射荧光；②S1～S0内转化；③S1～T1系间窜越。而处于T1态的最低振动能级的分子，则可能发生T1～S0的辐射跃迁而发射磷光，也可能同时发生T1～S0系间窜越。

1.1.3 荧光传感器（荧光探针）

荧光传感器（荧光探针）可分为两类：（1）其一种是化学反应型传感器，这类传感器通过与分析物发生特异的化学反应，引起荧光信号变化，从而实现对分析物的检测；（2）另一类是络合型传感器，这类荧光探针通过离子络合作用引起荧光信号变化，从而实现对分析物的检测。荧光探针主要由荧光团、连接基和接受基团三部分构成。[2]当分析物与接受基团结合后，导致传感分子的光物理性质发生变化，具体表现为:荧光团荧光的增强或猝灭，或者光谱位移。荧光探针的设计一方面要求设计的分子中包含能与特定分析物选择性相互作用的接受基团，另一方面要求分子中包含能将识别信息转化为可测量的荧光信号的报告基团。接受基团的设计是荧光探针研究中的重要环节，直接关系到荧光探针的识别

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性能。根据被分析物的特性，如金属离子的直径、电荷密度、配位数等，选择合理的接受基团是关键。[3]常见的阳离子识别基团有冠醚、吡啶、环芳烃、多胺类、含有中心原子氮或硫的配体等。对于荧光团的选择，要求其具有良好的光物理和光化学性能。[4]

图1.2 荧光探针的工作原理示意图

荧光传感器（荧光探针）就是一类能将分子识别事件通过荧光信号有效表达的分子。荧光化学传感器及分子开关是超分子化学领域的研究热点。在香豆素的或位引入供电子基团，或位引入吸电子基团得到具有“供体-受体”的共轭体系、“推-拉”电子模式的衍生物，它们与不同的阳离子受体结合即可得到基于或机理的荧光探针。通常，冠醚、穴状配体对碱金属离子具有较好的选择识别性，而具有“硬”氧中心的冠醚容易与“硬”碱金属离子结合，而有S和N中心的则易与“软”过渡金属离子结合；含有-OH的螫合受体对二价的硬阳离子具有较好的络合作用。此外，轮烷、杯芳烃和螫合剂等均可用于香豆素荧光探针分子设计。

1.1.4 荧光外部影响因素及其排除办法

在测量溶液的荧光强度时，通常应注意溶剂的散射光（瑞利散射和拉曼散射）、胶粒的散射光（丁铎尔效应）以及容器表面的散射光的影响问题。上述几种散射光除拉曼散射外均具有与激发光相同的波长。拉曼散射光的波长与激发波长不同，通常要比激发波长稍长一些，且随激发波长的改变而改变，但与激发波长维持一定的频率差。散射光的干扰常是提高荧光灵敏度的主要限制因素，因而实际工作中要注意加以克服。选择适当的激发波长和测定波长，可以大大降低或排除散射光的影响。在测量微弱的荧光强度时，常要加大狭缝宽度以获得足够的荧光强度测量值，但狭缝加大后散射光的影响也将加大，因而实际测定时应选择

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合适的狭缝宽度。通过空白测定，亦可对散射光的影响进行校正。

很多因素都会影响物质的荧光光谱和荧光强度，除了物质自身结构的影响，还受环境因素的影响，如溶剂、PH值、温度、氢键、重原子效应、表面活性剂及其它溶质影响。

（1）溶剂的影响：同一荧光体在不同的溶剂中，其荧光光谱的位置和强度可能发生显著地变化。由于溶液中溶质与溶剂分子之间存在着静电相互作用，而溶质分子的基态与激发态又具有不同的电子分布，从而具有不同的偶极矩和极化率，导致基态和激发态两者与溶剂分子之间的相互作用程度不同，这对荧光的光谱位置和强度有很大影响。很多荧光体，尤其是那些在芳环上含有极性取代基的荧光体，它们的荧光光谱易受溶剂的影响。溶剂的影响可分为一般的溶剂效应和特殊的溶剂效应，前者指的是溶剂的折射率和介电常数的影响，后者指的是荧光体和溶剂分子间的特殊化学作用，如形成氢键和配合作用。在不同极性的溶剂中，荧光物质激发态的稳定性不同，从而使荧光强度不同，一般来说，许多共辄芳香烃化合物的荧光强度变化与溶剂极性呈正相关，且荧光峰波长也呈正相关。一般的溶剂效应是普遍存在的，而特殊的溶剂效应则决定于溶剂和荧光体的化学结构。特殊的溶剂效应所引起的荧光光谱的移动值往往大于一般的溶剂效应所引起的。除了一般的和特殊的溶剂效应外，某些荧光体由于自身所具有的化学结构，可能因为溶剂极性的改变而形成分子内电荷转移态和扭转的分子内电荷转移态。因此，在做荧光测试时我们应选择合适的溶剂[7-10]。

（2）溶液PH值影：如果荧光物质是一种有机酸或弱碱，该弱酸和弱碱的分子及其相应的离子，可视为两种不同的型体，各具有不同的荧光特性（不同的荧光光谱、荧光寿命或荧光量子产率），溶液的酸碱性变化将使荧光物质的两种不同型体的比例发生变化，响当荧光物质呈弱酸性或弱碱性时，溶液的改变对物质荧光影响很大。这是由于它们的分子与离子在电子构型上的差异，从而对荧光光谱的形状和强度产生很大的影响。可通过调节溶液的PH值以产生某种所要求的型体，该型体的荧光光谱移动后可与干扰组分的荧光光谱分离开来，达到提高选择性的目的[8-11]。

（3）温度影响：温度对于溶液的荧光强度有着显著的影响。通常，随着温度的降低，溶液的荧光量子产率和荧光强度将增大，因为温度降低时，溶剂中分子的活动性减弱，溶液的點度增大，溶质分子与溶剂分子间碰撞机会减少，降低了各种无福去活化概率，使荧光效率和荧光强度增强；反之则下降。在进行荧光

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测定时，由于荧光计光源的温度相当高，容易引起测定溶液的温度上升，加上分析过程中室温可能发生变化，从而导致荧光强度的变化，因此在荧光分析中一定要严格控制温度，样品室四周的温度在测定过程中应尽可能保持恒定[8-11]。

（4）氢键影响：荧光物质与溶剂之间的氢键作用，对物质的荧光光谱和强度有显著的影响。形成氢键配合物主要有两种情况，①在激发前基态的荧光物质分子与溶剂间已形成氢键配合物，②激发后荧光物质才能与溶剂间形成氢键配合物。第①种情况荧光物质的吸收光谱和荧光光谱都会受到形成的氢键配合物的影响；第②种情况，由于只能在激发后才能形成氢键配合物，因而只有荧光光谱受到氢键作用的影响。

（5）重原子效应：由于溶剂分子中含有高原子序的原子所造成的，这种效应就是通常所说的“外重原子效应”；芳族化合物分子中的重原子取代基团，同样会引起荧光强度减弱、磷光强度增强的现象，这类重原子效应通常称为“内重原子效应”[8-11]。

重原子效应荧光物质本身含有重原子或含高原子序数原子的溶剂，对溶质的荧光强度产生影响，然而对跃迁频率无可观察影响的一类溶剂效应。

（6）表面活性剂的影响（有序介质的影响）：表面活性剂具有明显的亲水和疏水部分，一般分为阴离子、阳离子、非离子和两性表面活性剂。当表面活性剂达到一定临界胶束浓度时形成胶束。光学上透明和稳定的胶束水溶液对荧光物质的测定具有增溶、增敏和增稳作用[9]。

（7）其它溶质的影响荧光物质与其它溶质相互作用：例如芳族配位体与金属离子发生配位作用之后对配位体的荧光光谱和强度的影响。另外，荧光体还可能与其他溶质发生电荷转移、能量转移、发生化学反应等，都会影响荧光物质的荧光性质。

1.2 香豆素类化合物性质及用途

此类化合物在紫外光下常显蓝色荧光天然的香豆素类化合物广泛分布于多种植物中，尤其在伞形科芸香料中特别多。近年来，从多种高等植物的根茎中不断地有新的香豆素类化合物被分离出来并具有许多生理活性。现己发现的天然香豆素类化合物有100多种，广泛分布于多种植物中。此类化合物在紫外光下常常显蓝色荧光，若带有含氧基团，则在可见光下也能观察到荧光。香豆素遇到浓硫酸会产生特征的蓝色荧光，很容易被发现。香豆素是最早发现具有较好的荧光性

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能的物质之一，许多天然的和人工合成的香豆素衍生物都是具有强烈荧光的化合物，荧光量子产率很高。

从分子结构看，香豆素化合物通过内酷结构使二苯乙烯化合物双键被固定，使得双键的旋转被阻抑起来，光稳定性提高，使原来中较低的二苯乙烯化合物转变成了中较高的香豆素化合物，避免了二苯乙烯化合物在紫外光照射下顺反式的相互转化。常见的香豆素类荧光化合物一般在其母体的位和位有不同的吸电子和供电子取代基，与香豆素的内酷环形成“供体-受体”的共轭体系、“推-拉”电子模式，化合物便带有了强烈的荧光性能。正是由于香豆素类化合物具有荧光效率高以及位移大的特性，因而被广泛应用于荧光染料、激光燃料、太阳能敏化燃料、荧光探针以及非极性光学材料等方面。另外，香豆素类化合物具有独特的光物理和光化学性质，在发光材料和光记录材料方面得到了广泛的应用，在光学应用方面用途非常广泛，己被广泛应用在香料工业，医药工业、农药工业和化学检测中。

1.3 香豆素类化合物的主要合成方法

香豆素类荧光探针化合物主要是通过Knovengle反应[24]、Perkin反应[21-23]、Reformatsky反应、Pechmann反应[19-20]、Vilsmeier-Haack反应[25]、Wittig反应[26]等反应实现合成。

Perkin在1868年习首次用水杨醛和乙酸醉为原料，在乙酸钠催化作用下环合成了香豆素。该方法一直是工业上生产香豆素的主要方法，但产率较低。

近10年来，Perkin法合成香豆素的研究主要集中在催化剂的研究和工艺条件的优化等方面。起初，该合成反应中使用的催化剂主要为乙酸钠/乙酸钾、乙酸钙一PEG、碳酸钾、KF等，活性低、温度高、时间长、工艺条件要求较高，副反应多，收率低[21-23]。

Knovengle反应一般在碱（如氨、伯胺、毗陡、仲胺或呱咙）的催化下，由水杨醛和含有活泼亚甲基的乙酸衍生物（如丙二酸、氰基乙酸、乙酞乙酸等及其酯类化合物）反应，可得到一取代香豆素。利用此反应可得到较高产率的取代香豆素，避免了反应中，含供电基团的水杨醛合成香豆素收率较低的缺点[24]。 Pechmann反应是在Lewis的催化下，间氨基酚和ɑ-甲酞基苯乙睛反应可得到7-氨基-3-苯基香豆素。此外Pechmann反应还是合成4-取代香豆素的重要方法，此法还可得到反应和反应难以合成的产物。以间苯二酚和对氯苯甲酞乙酸乙酷为原料，以酸为催化剂，加热回流反应，以较高的收率得到了7-轻基-4-苯基香豆素产

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物[19-20]。

由于该反应原料易得，反应简单，因此对反应催化剂的研究也比较多。以前，反应催化剂大都是一些强酸，反应时间长，收率低，还有许多的副产物产生，硅硫磺酸，氯化氧错催化，四氯化锡，苯甲磺酸类分子筛，活性炭负载磷钨酸等，他们都具有用量非常少，反应时间非常短，基本都在几分钟或者是十几分钟内完成反应，不需要或者是很少使用反应溶剂，后处理方便，对环境和人体非常友好。

Vilsmeier-Haack反应方法是以水杨醛或邻经基苯乙酮和取代乙酸,在三乙胺存在下,和Vilsmeier试剂（可由三氯氧磷和DMF在5℃-10℃反应制得）在二氯甲烷溶剂中反应可生成香豆素。此反应可在较温和的条件下得到较高产率且副产物很少的香豆素产品[25]。

1.4 香豆素类荧光探针的近期研究

2002年，蔡哲斌等人以负载型固体碱KF、AL2O3、KAc、K2CO3作催化剂合成香豆素，该催化剂具有反应条件温和、催化活性较高、后处理简单、收率好、可重复使用的优良性能有较好的应用前景。

2009年，以氮气为保护气，醋酸醉为催化剂，反应温度在160一170℃下利用Perkin法合成了一种新型香豆素。

2008年Geoffrey Wells等人用4-二乙氨基水杨醛和丙二酸二乙醋在乙醇中回流得到产率为48%的香豆素母体。

2008年Su Yeon Lee等先是合成了7位取代的香豆素母体，继而通过一系列反应合成了三个具有荧光性质的聚丁二烯与不同取代基香豆素共扼体系结构，并探讨了与DNA结合的亲和力，细胞定位和毒性的相关性。

2009年，李道光等先以Knovengle反应合成香豆素母体，再经重氮化等步骤合成杂环类香豆素衍生物。

2010年，邵洁以Knovengle反应合成了香豆素母体，来作为阴离子传感器的发光团，以尿素基团为受体，研究出了一种对醋酸根离子有荧光识别作用的荧光传感器。

2009年，李伟健等介绍了两种新型的香豆素类荧光传感器。一种可与DMSO中的氟离子通过氢键结合，使波长在338nm和352nm处的荧光强度大大增强。 另一种是利用重原子效应，基于铜离子与碘之间的氧化还原反应，合成了一种新型荧光探针。在香豆素溶液中加入铜离子后，由于两者间的络合作用，溶液

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由带蓝紫色荧光变为亮黄色荧光，再加入碘化物，二价铜离子被还原为亚铜离子，使络合作用消失，从而溶液由带亮黄色荧光变回带蓝紫色荧光。

2010年，Debdas Ray等合成了一种以二乙胺基香豆素为母体的一种荧光传感器。该传感器在乙睛中有弱的荧光，在加入锌离子后，荧光效应增强，呈强的黄色荧光。

1.5 本课题的提出

通过以上文献报道可以发现，香豆素荧光团具有光学性能好、荧光量子产率高、Stokes位移大等优点，而且对其3位和7位修饰会得到含有“推-拉”电子体系的衍生物，这些衍生物和金属离子络合时就形成了光学传感器。作为一种新型研究热点，本论文拟设计合成基于香豆素骨架的荧光探针化合物并对其性质进行研究，具体内容为：通过改良的Knoevenagel反应，将2,4-二羟基苯甲醛、氰基乙酸乙酯分别与邻苯二氨、邻氨基苯酚、邻氨基硫酚反应，合成了三种单齿含氮杂环香豆素醚类衍生物，并通过核磁、红外对所合成的化合物结构进行表征。同时，研究该化合物的光学性质及对重金属离子的识别应用。

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第二章 刚性含氮杂环香豆素衍生物合成与性能研究

2.1 实验概述

本章通过改良的Knoevenagel反应，将N-杂环咪唑、噁唑及噻唑基团分别引入香豆素环的3位，以此作为作吸电子基团，与环上7位原有的供电子基羟基形成一个“供体-受体”的共轭体系、“推-拉”电子模式，可望获得一类具有良好光学性能的化合物。将2，4-二羟基苯甲醛、氰乙酸乙酯分别与邻苯二胺、邻氨基苯酚、邻氨基硫酚反应，合成了三种香豆素含氮杂环衍生物，并利用红外、核磁、对目标化合物结构进行了表征鉴定。最后，本章讨论了它们的光学性能和与金属钯离子的自组装性能。三种目标化合物结构如下：

NNHHOOCIMOHOOCOMONOHOOCSMONS

一锅法直接合成香豆素含氮杂环衍生物的反应，我们提出这样一个可能的机理，以3-苯并噁唑基-7-羟基香豆素(COM)为例，首先，2，4-二羟基苯甲醛(A)与氰基乙酸乙酯(B)发生酯交换反应生成(C)，(C)与(D)是酮式和烯醇式的互变结构，(D)对反应的顺利进行更有利；Lewis酸(LA)配合到(D)的醛基氧原子上，导致醛基上的碳带正电，更有利于双键发生加成反应，因为反应中生成了一当量水，使Lewis酸微量水解，为该反应提供了H+，(E)的双键加成之后脱去LA，得到化合物(F)，然后(F)的分子内脱水而形成(G)，(G)的氰基先后和(H)的-NH2和-0H发生亲核加成反应，得到(I)、(J)，最后J脱去一分子-NH3而得到目标物(K)。

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OCHOCNCH2COOEtHO(A)α－OLALexis acid (LA)HO(E)α+OOHCNHH＋-LAHO(F)HN2-HO2HOO(G)CNHOO(H)HOO(I)HNO-NH3HOO(K)ONONHCNHOOOHCNOOH(B)HO(C)OHCHCN2OHO(D)OOHOCNHOH2NHOO(J)O

2.2 实验试剂、仪器及表征方法

2.2.1实验试剂

表 2-1 主要实验试剂

原料名称 2，4二羟基苯甲醛

邻氨基苯酚 邻氨基硫酚 邻苯二胺 N，N-二甲基甲酰胺

苯甲酸 氰基乙酸乙酯 无水乙醇 乙酸乙酯 石油醚

规格 分析纯AR 分析纯AR 分析纯AR 分析纯AR 分析纯AR 分析纯AR 分析纯AR 分析纯AR 分析纯AR 分析纯AR

2

生产厂家 成都市科龙化工试剂厂 梯希爱化成工业有限公司 梯希爱化成工业有限公司 成都市科龙化工试剂厂 成都市科龙化工试剂厂 天津市致远化学试剂有限公司

成都市科龙化工试剂厂 成都市科龙化工试剂厂 成都市科龙化工试剂厂 成都市科龙化工试剂厂

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乙腈

N，N-二甲基乙酰胺

二甲基亚砜 N-甲基吡咯烷酮 醋酸金属盐 氯化金属盐

2.2.2 实验仪器

分析纯AR 分析纯AR 分析纯AR 分析纯AR 分析纯AR 分析纯AR

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表 2-2 主要实验仪器

仪器名称

集热式恒温加热磁力搅拌器

真空干燥箱 循环水式真空泵

蒸馏装置 分析天平 电热鼓风干燥箱 旋转蒸发器 CO2超临界干燥装置

型号规格 DF-101D 101型 SHZ-D（Ⅲ） 玻璃仪器 Mx=100g DHG-9245A RE-2000 JK1716s

生产厂家 德国IKA公司 北京市永光明医疗仪器厂 巩义市予华仪器有限责任公司 信捷化学试剂有限公司 美国康州HZ电子科技有限公司 上海恒科学仪器有限公司 上海亚荣生化仪器厂 德阳四创科技有限公司

2.2.3 分析测试

2.2.3.1 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析

采用美国Nicolet公司生产的Nicolet6700型傅里叶变换红外光谱仪对样品进行结构表征。样品采用KBr压片法制样。仪器分辨率4cm-1，扫描范围为400-4000cm-1。

2.2.3.2 核磁共振（NMR）分析

核磁 (1H NMR)：Bruker Avance 600型核磁共振仪(瑞士Bruker公司)。氘

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代DMSO-d6以试剂中所含的DMSO-d6为内标。 2.2.3.3 荧光光谱分析

于直径为1.0 cm的比色皿中测定吸收光谱。移取3.0mL荧光光探针CIM、COM、CSM（10-5mol/L溶液），室温下检测其荧光光强度，仪器激发和发射的狭缝：CIM为5.0-3.0 nm，COM为5.0-2.5 nm，CSM为5.0-3.5 nm。 2.2.3.4 场发射扫描电镜分析

采用荷兰FEI公司生产的InspectF型的场发射扫描电子显微镜（SEM）对凝胶样品进行微观结构分析，样品先经过喷金处理，仪器的工作电压为20kV。 2.2.3.5 透射电镜分析

采用Tecnai G220S-TWIN型透射电子显微镜（TEM）对样品进行内部结构的观测。其主要工作参数：最高点分辨率0.23nm，最小束斑1nm，工作电压200kV。

2.3 实验内容

2.3.1 3-苯并咪唑基-7-羟基香豆素（CIM）的合成

3-苯并咪唑基-7-羟基香豆素Knoevenagel反应的合成路线如下：

CHO+HOOHNH2NH2+CNCH2COOEtCOOHHOOODMFNNH

图2-2 CIM合成路线 CIM

向干燥的l00 mL圆底烧瓶中，依次加入1.38 g (10mmo1) 2，4-二羟基苯甲醛，1.13 g (10mmo1)氰基乙酸乙酯和1.08 g (10mmo1)邻苯二胺，0.42 g (3.47mmo1)苯甲酸，再加入29 mL用分子筛干燥后的DMF溶剂，充分混合后，在N2保护下于130℃油浴中恒温搅拌15h，停止反应后冷却至室温。将反应液倒入冰水中，有大量固体析出，抽滤并用冰水洗涤固体，粗产品干燥后用95%乙醇重结晶，得黄色固体1.74 g，产率为75％。用KBr压片（图2-3），在Nicolet6700红外光谱仪上测得目标化合物的红外光谱。FT-IR（KBr压片）v/cm-： 3334cm-1处是 N-H伸缩振动振动吸收峰；3065cm-1处是=CH-结构中的C-H伸缩振动吸收峰；1721cm-1处是不饱和环内酯羰基伸缩振动吸收峰；1600、1258、1194cm-1处是苯环骨架振动特征峰；775 cm-1处是苯环的C-H伸缩振动吸收峰。对比邻苯二胺和3-苯并咪唑基-7-羟基香豆素的红外谱图从图可看出，在邻苯二胺峰位3378cm-1

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后，反应已经完全。以氘代DMSO-d6以试剂中所含的DMSO-d6为内标，在Bruker Avance 600型核磁共振仪(瑞士Bruker公司)上测得氢谱（图2-4），1H NMR (600 MHz， DMSO-d6): δ =6.85 (s， 1H)， 6.90 (dd， J = 1.8， 13.2 Hz ，1H)， 7.19 (m， 3H)， 7.64 (m， 2H)， 7.83 (d， J = 12.6 Hz，1H)， 10.94 (s， 2H)， 12.42 (s， 1H) ppm。

图2-3 邻苯二胺和3-苯并咪唑基-7-羟基香豆素的红外光谱图

图2-4 3-苯并咪唑基-7-羟基香豆素的1H NMR图

2.3.2 3-苯并噁唑基-7-羟基香豆素（COM）的合成

3-苯并噁唑基-7-羟基香豆素Knoevenagel反应的合成路线如下：

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CHO+HOOHNH2+OHCNCH2COOEtDMFCOOHHOONOO

图2-5 化合物COM合成路线 COM

向干燥的l00 mL圆底烧瓶中，依次加入1.38 g (10mmo1) 2，4-二羟基苯甲醛，1.13 g (10mmo1)氰基乙酸乙酯和1.08 g (10mmo1)邻氨基苯酚，0.42 g (3.47mmo1)苯甲酸，再加入29 mL用分子筛干燥后的DMF溶剂，充分混合后，在N2保护下于130℃油浴中恒温搅拌15h，停止反应后冷却至室温。将反应液倒入冰水中有大量固体析出，抽滤并用冰水洗涤固体，粗产品干燥后用95%乙醇重结晶，得黄色固体1.79 g，产率为78％。用KBr压片（图2-6），在Nicolet6700红外光谱仪上测得目标化合物的红外光谱。FT-IR（KBr压片）v/cm-1：3342cm-1处是O-H伸缩振动振动吸收峰；3045cm-1处是 =CH-结构中C-H伸缩振动吸收峰；1708cm-1处是不饱和环内酯羰基伸缩振动吸收峰；1598、1500、1450 cm-1处是苯环骨架振动吸收峰；1249cm-1处是sp2C-O的伸缩振动吸收峰；1120cm-1处是苯环骨架振吸收峰；740cm-1处是苯环的C-H伸缩振动吸收峰，苯环有四个相邻氢。对比邻氨基苯酚和3-苯并噁唑基-7-羟基香豆素的红外谱图从图可看出，在邻氨基苯酚峰位3375cm-1后，反应已经完全。以氘代DMSO-d6以试剂中所含的DMSO-d6为内标，在Bruker Avance 600型核磁共振仪(瑞士Bruker公司)上测得氢谱（图2-7），1H NMR (600 MHz， DMSO-d6): δ = 4.35 (s， 1H)， 6.80 (d， J = 1.8Hz， 1H)， 6.89 (dd， J = 2.1Hz， 9Hz， 1H)， 7.43 (m， 2H)， 7.79 (m， 2H)， 8.95 (s， 1H) ppm。

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图2-6 邻氨基苯酚和3-苯并噁唑基-7-羟基香豆素的红外光谱图

图2-7 3-苯并噁唑基-7-羟基香豆素的1H NMR谱图

2.3.3 3-苯并噻唑基-7-羟基香豆素（CSM）的合成

3-苯并噻唑基-7-羟基香豆素Knoevenagel反应的合成路线如下：

CHO+HOOHSHNH2+CNCH2COOEtCOOHHOOODMFNS

图2-8 化合物CSM合成路线 CSM

向干燥的l00 mL圆底烧瓶中，依次加入1.38 g (10mmo1) 2，4-二羟基苯甲醛，1.13 g (10mmo1)氰基乙酸乙酯和1.09 g (10mmo1)邻氨基硫酚，0.42 g (3.47mmo1)苯甲酸，再加入29 mL用分子筛干燥后的DMF溶剂，充分混合后，在N2保护下于130℃油浴中恒温搅拌15h，停止反应后冷却至室温。将反应液倒入冰水中有大量固体析出，抽滤并用冰水洗涤固体，粗产品干燥后用95%乙醇重结晶，得黄色固体1.64 g，产率为67％。用KBr压片（图2-9），在Nicolet6700红外光谱仪上测得目标化合物的红外光谱。FT-IR（KBr压片）v/cm-1：3434cm-1处是 O-H伸缩振动振动吸收峰；3065cm-1处是=CH-结构中C-H伸缩振动吸收峰；1721cm-1处是不饱和环内酯羰基伸缩振动吸收峰；1600cm-1处是α，β-不饱和酮C=C吸收峰；1600、1580、1500、1450 cm-1，1600cm-1处峰形有叠加，四个峰为苯环骨架振动吸收峰，1580cm-1处峰说明苯环与不饱和键共轭；1258 cm-1处是 sp2C-O的伸缩振动吸收峰；1194cm-1处是 C-O-C产生的吸收峰；772cm-1 苯环的C-H伸缩振动，苯环有四个相邻的氢 。对比邻氨基硫酚和3-苯并噻唑基-7-

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羟基香豆素的红外谱图从图可看出，在邻氨基硫酚峰位3450cm-1后，反应已经完全。以氘代DMSO-d6以试剂中所含的DMSO-d6为内标，在Bruker Avance 600型核磁共振仪(瑞士Bruker公司)上测得氢谱（图2-10），1HNMR(600MHz， DMSO-d6):δ = 6.84(s， 1H)， 6.91(dd， J =1.8， 8.4Hz，1H)，7.44 (m，1H)， 7.54 (m， 1H)，7.90(d， J = 1.8 Hz，1H)，8.02(d， J = 7.8 Hz，1H)，8.14(d， J = 7.8 Hz，1 H)，7.14 (s， 9.14)ppm。

图2-9 邻氨基硫酚和3-苯并噻唑基-7-羟基香豆素的红外光谱图

图2-10 3-苯并噻唑基-7-羟基香豆素的1H NMR谱图

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2.4 结果与讨论

2.4.1 探针的荧光光谱分析

荧光探针CIM、COM、CSM的荧光光谱如图2-11所示，CIM、COM、CSM都表现出较强的荧光，最大发射波长分别为452nm，450nm，464.5nm。香豆素母核是苯并吡喃酮，本身不发光，但是分别对3位和7位进行修饰，就得到了强的荧光化合物。

图2-11 探针CIM、COM、CSM的荧光光谱图。最大发射波长分别为452nm，450nm，464.5nm，[CIM]、[COM]、[CSM]=10-5moL/L。激发狭缝均为5.0，发射狭缝分别为3.0、2.5、3.5 nm。

荧光探针CIM、COM、CSM的荧光光谱如图2-11所示，CIM、COM、CSM都表现出较强的荧光，发射波长分别为452nm，450nm，464.5nm。香豆素母核是苯并吡喃酮，本身不发光，但是分别对3位和7位进行修饰，就得到了强的荧光化合物。

2.4.2 探针对金属阳离子荧光识别作用的研究

良好的选择性是荧光探针的一个基本条件。在此，本章把荧光探针CIM、COM、CSM分别与几种常见的过渡金属离子作用并观察了它们的荧光变化情况，发现它们的荧光变化基本一致。如图2-12所示，以探针CIM为例，发现不论是氯化盐还是醋酸盐，在可见光下，添加Pd2+溶液的探针溶液呈现黄色，而添加其他金属盐溶液的探针均为无色，由此得出该探针可以裸眼识别Pd2+。而在365nm紫外光下，添加Pd2+溶液的探针溶液呈现无色荧光，而添加其他金属盐溶液的探针均为不同程度的蓝色荧光，说明该探针可以在365nm紫外光下识别Pd2+。由

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此，本节对这三种探针进行了一系列的荧光测试。

对氯化盐的研究 对醋酸盐的研究

图2-12 探针CIM与不同金属离子（氯化盐和醋酸盐）作用的荧光（可见光、紫外光）照片

对比

良好的选择性是荧光探针的一个基本条件。在此，我们把荧光探针CIM、COM、CSM分别与几种常见的过渡金属离子作用并观察了它们的荧光变化情况。如图2-12所示，发现不论是氯化盐还是醋酸盐，在可见光下，添加Pd2+溶液的探针溶液呈现黄色，而添加其他金属盐溶液的探针均为无色，由此得出该探针可以裸眼识别Pd2+。而在365nm紫外光下，添加Pd2+溶液的探针溶液呈现无色荧光，而添加其他金属盐溶液的探针均为不同程度的蓝色荧光，说明该探针可以在365nm紫外光下识别Pd2+。由此，我们对该探针进行了一系列的荧光测试。

2.4.2.1 探针CIM对金属阳离子荧光识别作用的研究

如图2-13所示，对于探针CIM，发现无论是氯化盐还是醋酸盐，添加等当量Pb2+，Ni2+，Zn2+，Cu2+，Cd2+，Hg2+，Mn2+的CIM溶液只有轻微的不同程度的荧光减弱，而只有Pd2+引起的荧光淬灭效果非常明显，说明探针CIM对Pd2+具有良好的选择性，而且以荧光淬灭的形式表现出来。而不同形态下的同一种金属离子所引起的荧光变化的不同可能是因为溶液配制时间以及测试时间先后引起的。

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a b

c

d

图2-13 a、c图为探针CIM对不同金属离子（Pb2+，Ni2+，Zn2+，Cu2+，Cd2+，Hg2+，Mn2+，Pd2+）氯化盐、醋酸盐的响应情况，[CIM]=10-5moL/L，金属离子浓度均为10-5moL/L，等当量，溶剂为DMF-H2O混合溶液（95/5 V/V；HEPES 100mM；pH7.0）。b、d图为298 K时，CIM对不同金属离子（氯化盐、醋酸盐）响应的柱状图。荧光探针CIM的荧光强度F0

和CIM在金属离子存在下的荧光强度F的比值F0/F。

如图2-13所示，对于探针CIM，发现无论是氯化盐还是醋酸盐，添加等当量Pb2+，Ni2+，Zn2+，Cu2+，Cd2+，Hg2+，Mn2+的CIM溶液只有轻微的不同程度的荧光减弱，而只有Pd2+引起的荧光淬灭效果非常明显，说明探针CIM对Pd2+具有良好的选择性，而且以荧光淬灭的形式表现出来。而不同形态下的同一种金属离子所引起的荧光变化的不同可能是因为溶液配制时间以及测试时间先后引起的。

2.4.2.2 探针COM对金属阳离子荧光识别作用的研究

如图2-14所示，无论是氯化盐还是醋酸盐，添加等当量Pb2+，Ni2+，Zn2+，Cu2+，Cd2+，Hg2+，Mn2+的探针COM溶液荧光强度的变化和CIM溶液类似。其他金属离子只引起了轻微的不同程度的荧光淬灭，而只有Pd2+使COM溶液荧光完全淬灭，说明探针COM对Pd2+也有良好的选择性，而且以荧光淬灭的形式表现出来。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7lhg.html