一類新穎熒光化合物五取代四氫嘧啶的合成及其光學特性與應用的研究.pdf

1、有機熒光化合物在醫(yī)學、生物學、材料學、化學等多種領域有著廣泛的用途，是學術界乃至工業(yè)界的研究熱點。大多數(shù)有機熒光化合物在稀溶液中有很好的發(fā)光性能，但在聚集狀態(tài)，尤其是在晶態(tài)時，熒光減弱甚至猝滅。這種現(xiàn)象被稱為熒光“聚集誘導淬滅效應”(ACQ)。ACQ限制了熒光物質在制備有機發(fā)光二極管(OLED)、化學與生物傳感器等多種領域中的應用。因此，ACQ一直是有機熒光物質在實際應用過程中一個難以克服卻又必須解決的難題。在人們致力發(fā)展各種性能更加優(yōu)

2、異的新型發(fā)光材料的過程中，唐本忠(Tang Ben Zhong)院士課題組于2001年發(fā)現(xiàn)了一種在溶液中不發(fā)光，而在固態(tài)時卻呈現(xiàn)很強的發(fā)光特性的硅雜環(huán)戊二烯(Silole)。他們將這一現(xiàn)象命名為聚集誘導發(fā)光特性(AIE)。聚集誘導發(fā)光特性化合物的發(fā)現(xiàn)為消除ACQ提供了一種根本的解決方法。短短的十來年間，具有AIE性質的有機熒光物質已在OLED、生物檢測以及化學檢測等多種應用領域中顯示了其獨特性質的優(yōu)勢。但到目前為止，具有高發(fā)光效率的AI

3、E化合物種類有限，主要有silole型和多苯基取代乙烯型等小分子化合物和少數(shù)高分予化合物。多組分反應(MCRs)具有原子經(jīng)濟性、高效性、總產(chǎn)率高以及其產(chǎn)物具有結構多樣性和復雜性等特點，是一種符合綠色化學概念的理想反應模式，在多種領域，尤其是在新藥發(fā)展過程中發(fā)揮了其獨特的優(yōu)勢。本課題組近期發(fā)展了一種原料易得、操作簡單、反應條件溫和的五組分反應(5CR)。該5CR產(chǎn)物五取代四氫嘧啶類化合物具有很強的AIE效應及很高的熒光量子產(chǎn)率，是首次由M

4、CRs合成的環(huán)狀AIE化合物，打破了環(huán)狀AIE化合物難以合成的觀點。本論文一方面利用該5CR在合成上的優(yōu)勢，合成了結構各異的五取代四氫嘧啶類化合物并研究了其光學特性，另一方面發(fā)現(xiàn)了該新型AIE化合物在pH和金屬離子檢測等方面的用途。本論文共分五章（文獻綜述、五取代四氫嘧啶類化合物的多組份反應合成、五取代四氫嘧啶類化合物光學特性、金屬銅離子檢測以及pH測定），包含三大部分實驗內容（五取代四氫嘧啶類化合物的多組份反應合成、光學特性以及其應用

5、研究）。
　　 第一部分五取代四氫嘧啶類化合物的多組份反應合成
　　 目的:合成結構各異的五取代四氫嘧啶類化合物，以用于其光學性質和應用研究。
　　 方法:利用本課題組近期發(fā)展的一種原料易得、操作簡單、反應條件溫和的5CR進行目標化合物的合成。
　　 結果:
　　 (1)共合成了22種化合物。
　　 (2)對22種化合物進行了ESI-MS、1H and13C NMR等結構表征。
　　

6、 (3)用紫外-可見分光光度法測定化合物在溶液和懸濁液中的吸收光譜。
　　 (4)用穩(wěn)態(tài)熒光法測定化合物在溶液和懸濁液中發(fā)射光譜。
　　 結論：
　　 (1)利用本課題組近期發(fā)展的5CR，以不同的伯胺、甲醛、不同的芳香醛和丁炔二酸二酯為原料，在溫和的反應條件下，可方便的合成目標化合物，產(chǎn)物總產(chǎn)率在40％-60％之間。
　　 (2)發(fā)現(xiàn)6顯示重要的AIEE性能，它在溶液中實際上是不發(fā)光的（ΦF,s→0），

7、但是在聚集體中發(fā)出很強的熒光，熒光量子率達到93％(6bb)。
　　 第二部分五取代四氫嘧啶類熒光化合物的光學性質
　　 目的：五取代四氫嘧啶類熒光化合物不僅具有特殊的聚集誘導發(fā)光性質，某些化合物還具有發(fā)射波長與形態(tài)無關的特性，以及在不同的條件下形成藍綠熒光異構體的特性。因此，本部分實驗擬通過測定五取代四氫嘧啶類熒光化合物在不同溶劑、溫度、濃度等條件下的光學性質，培養(yǎng)熒光異構體單晶并解析晶體結構中分子堆積模式，以探測該類

8、化合物的發(fā)光機理。
　　 方法：
　　 (1)用紫外-可見分光光度法測定化合物在溶液和懸濁液中的吸收光譜；
　　 (2)用穩(wěn)態(tài)熒光法測定化合物在溶液和懸濁液中以及不同形態(tài)的（粉末、薄膜、晶體）激發(fā)和發(fā)射光譜；
　　 (3)用X-射線單晶衍射法測定化合物的單晶結構；
　　 (4)用diamond軟件解析單晶結構中分子堆積模式及分子間作用力。
　　 結果：
　　 (1)溶劑、溫度及濃度

9、對藍綠光晶體的形成有明顯的影響。高溫或者低濃度有利于藍光晶體的形成。相反，低溫或者高濃度有利于綠光晶體的形成。最開始形成的懸濁液粒子是以綠色熒光異構體，在高溫條件下隨著超聲時間的延長，綠色熒光異構體就會全部轉變?yōu)樗{色熒光異構體。這就意味著動力學有利于綠色熒光異構體的形成，熱力學有利于藍色熒光異構體的形成。
　　 (2)當水/乙醇比例增加到80％時，6aa的紫外吸收光譜紅移且在長波區(qū)域尾部抬高，同時發(fā)光強度顯著地增強。這表明形成了

10、J-聚集。化合物6aa在乙醇溶液中不發(fā)光，即便擴大50倍，也只能得到噪聲信號，然而，當水的體積比達到95％時熒光量子產(chǎn)率增加為0.52。6aa晶體和粉末的的最大發(fā)射波長與懸浮液最大發(fā)射波長相同。這些結果說明6aa在藍光聚集體中發(fā)射波長具有形態(tài)無關的特性。
　　 (3)單晶-X射線衍射數(shù)據(jù)分析顯示6aa的藍綠光發(fā)射特性產(chǎn)生于不同的分子堆積模式:藍光是R/S-S/R堆積模式，綠光是R/R-S/S。因此，在不同的條件下制備藍光聚集體，

11、綠光聚集體以及藍綠光聚集體混合物實際上是R/S-S/R與R/R-S/S堆積模式比例的改變。
　　 (4)根據(jù)上述的實驗研究結果，6的聚集誘導發(fā)光增強的性質可能是由它們特殊的結構和J-聚集造成的。因為6的三個苯環(huán)彼此不共軛，并通過C-C或者C-N單鍵鏈接非芳香中心環(huán)，它們處于單分子狀態(tài)（在純有機溶液中）時可以自由旋轉，從而使相應激發(fā)態(tài)去活化，6在溶液中不發(fā)光。6在聚集態(tài)時發(fā)強的熒光是由于它非對稱的立體分子結構有效的抑制了π-π堆積

12、，同時J-聚集抑制了分子內的轉動以及形成了分子間電荷轉移態(tài)。
　　 (5)在藍光及綠光晶體聚集體中不發(fā)光的表面分子可能由于6aa高度靈活性和非對稱立體結構所決定。
　　 結論：
　　 聚集誘導發(fā)光增強特性及6aa與形態(tài)無關性質可能產(chǎn)生于:1）可高度自由旋轉的連接苯基的單鍵（6中的三個相鄰的芳基互不共軛;通過單鍵與非芳香四氫嘧啶環(huán)相連接）;2）不對稱的立體結構（相鄰的三個苯基與手性四氫嘧啶環(huán)相連，并且相互垂直）;3

13、）J-聚集。
　　 第三部分五取代四氫嘧啶類熒光化合物的應用研究
　　 目的：
　　 (1)金屬銅離子是生物體內重要的微量元素，過多過少都會影響生物體內正常的生理功能。因此，檢測銅離子濃度具有重要的臨床意義。為發(fā)展高選擇性和高靈敏度的銅離子熒光探針，測定了5CR產(chǎn)物的熒光強度對銅離子的濃度的相應，發(fā)現(xiàn)其中的一個5CR產(chǎn)物dimethyl1，2，3，6-tetrahydro-2-(4-hydroxy-3-metho

14、xyphenyl)-1,3-diphenylpyrimidine-4,5-dicarboxylate，即6bh,可發(fā)展為一種新型的銅離子熒光探針。
　　 (2)細胞和細胞器的許多重要生理過程等都與pH值密切相關。正常的生理條件下細胞外液中H+的濃度40nmol/L(pH=7.40)，其變動幅度一般在0.1-0.2個pH單位。酸性和堿性過強會導致心、肺病變或神經(jīng)類疾病，嚴重時甚至會有生命危險，利用各種熒光參數(shù)（如熒光強度、熒光壽命

15、等）的變化來測定pH值，不僅便于熒光顯微鏡學研究，而且可時實檢測細胞內pH的動態(tài)分布和區(qū)域變化。發(fā)現(xiàn)其中的一個5CR產(chǎn)物， dimethyl1，2，3，6-tetrahydro-2-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,3-diphenylpyrimidine-4,5-dicarboxylate，即6bh,及Dimethyl1,2,3,6-tetrahydro-2-(4-hydroxy)-1,3-diphenylp

16、yrimidine-4,5-dicarboxylate，即6bj，其不僅具有AIE性能，因而可開發(fā)為pH熒光探針方法。
　　 結果：
　　 (1)6bh(30μM)在沒有金屬離子存在（99％水/乙醇混合液)與有金屬離子(300μM)(Ag+，Ca2+，Co2+，Cu2+，Mn2+，Ni2+, Zn2+，Eu3+，Gd3+, Pr3+，Mg2+，Ce3+and Fe3+)存在的條件下，其發(fā)射光譜顯示只有銅離子才能引起熒光的

17、顯著增加，而其他的金屬離子對其沒有影響(Ag+和Ca2+)或者熒光淬滅（除了Cu2+，Ag+和Ca2+，其他金屬離子）。Fe3+幾乎是使6bh聚集體的熒光完全淬滅。當Cu2+濃度減少到30μM，6bh聚集體的熒光強度仍然顯著的增加。該結果表明，6bh是一種具有很高靈敏性Cu2+熒光探針。
　　 (2)在與其它金屬離子共存的情況下，6bh對Cu2+的選擇性沒有受到影響，這些結果從而說明Cu2+與6bh的相互作用是有競爭性的，對Cu

18、2+具有很高的選擇性。
　　 (3)化合物6bj在pH＞12的溶液中，幾乎沒有熒光，這是因為，在堿性條件下，化合物6bj的酚羥基被轉化為醇鈉鹽的形式，使其溶解在混合溶液中，沒有聚集體產(chǎn)生。隨著混合溶液pH值的降低，化合物6bj的醇鈉鹽結構逐漸減少，部分失去醇鈉鹽結構的化合物6bj開始聚集，溶液的熒光強度也隨之增強。當pH=4或者5時，溶液的熒光強度保持不變，是pH=11溶液熒光強度的20倍，在波長為365 nm紫外光的照射下，肉

19、眼可以看出兩者的明顯區(qū)別。pH=4熒光強度最大，此時化合物6bj形成了大量的聚集體。實驗表明，化合物6bj對pH值的變化有著靈敏的響應。
　　 結論：
　　 (1)6bh是一種新型的銅離子熒光增強熒光探針，其對銅離子具有高的選擇性靈敏性。6bh熒光強度與銅離子濃度為0-60μM時具有好的線性關系。6bh可以用來定量分析環(huán)境水樣中銅離子。一個有趣的現(xiàn)象是隨著銅離予濃度的增加除了熒光強度增強外，粒子尺寸減小，這可能是配位誘導