一种苯甲酸取代氟硼二吡咯甲川衍生物染料配体及其制备
方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及有机染料配体化合物领域，具体涉及的是
一种苯甲酸取代氟硼二吡咯甲川衍生物染料配体及其制备方法。
背景技术
[0002] 光功能分子材料在近几十年来广受关注，在信息储存、光
电子器件、化学
传感器、
太阳能电池以及生命科学等领域有着许多令人瞩目的应用。氟硼二吡咯甲川(简称BODIPY)是一类非常有趣的
荧光功能染料分子，具有较高的摩尔
消光系数、较窄的
光谱峰和较高的光敏性，这类光活性有机染料小分子近二十年来广泛应用于分析、传感、信息储存、光电器件和生物影像标记技术等领域，特别是近年来利用其作为光活性配体用于构筑金属配合物骨架光功能分子材料，逐渐成为材料化学领域的研究热点。为了搭构金属配合物骨架光功能分子材料，必须对BODIPY进行修饰改性，通过化学方法把具有特定功能的官能团引入其核心骨架，改变BODIPY的光活性和物化性质，提高对
金属离子的配位能
力。
[0003] 通常在BODIPY骨架上引入不同功能的官能团，可以调控其光物理化学性质，如在1,3,5,7-位上引入供电性的甲基官能团，形成1,3,5,7-四甲基氟硼二吡咯甲川，可以调控染料分子的光物理性质、明显地提高
荧光量子产率；而在2,6-位上引入拉电子官能团有助于染料分子产生蓝移现象，8-位上引入拉电子官能团，不仅能够增强荧光发射、提高量子产率，还有助于产生荧光天线效应。羧基和苯甲酸均属于拉电子官能团，具有较好的
水溶液相容性，对金属通常呈现多种多样的配位方式。通过BODIPY与羧基和苯甲酸这两种官能团相结合，我们希望可以调控BODIPY染料的光物理性质，提高对金属离子的传感性和对金属离子的配位能力，为这类染料配体分子在构筑光活性的金属配合物骨架光功能材料中打下良好
基础。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种苯甲酸取代氟硼二吡咯甲川衍生物染料配体，不仅具备可见光区光活性，还具有较好的
水溶性、金属配位能力以及对金属离子的荧光传感性。
[0005] 本发明的目的还在于提供一种苯甲酸取代氟硼二吡咯甲川衍生物染料配体的制备方法，方法简单易控，具有普遍适应性。
[0006] 为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
[0007] 一种苯甲酸取代氟硼二吡咯甲川衍生物染料配体，其化学结构式如式I所示，[0008]
[0009] 命名为8-[4-苯甲酸]-4,4-二氟-1,3,5,7-四甲基-2,6-二羧基-4-硼杂-3a,4a-二氮杂-s-吲哒西。
[0010] 一种苯甲酸取代氟硼二吡咯甲川衍生物染料配体的制备方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤1、先在搅拌下，将2,4-二甲基-1H-吡咯-3-甲酯苄和对甲酰基苯甲酸溶解在反应介质中，然后在保护性气体的气氛下滴加三氟乙酸，在20～35℃下避光反应1～48h，得到反应溶液A；
[0012] 步骤2、在搅拌下向步骤1中得到的反应溶液A中滴加2,3-二氯-5,6-二氰对苯醌进行
氧化反应，在20～35℃反应1～24h，得到反应溶液B；
[0013] 步骤3、向步骤2得到的反应溶液B中慢慢加入N,N-二异丙基乙胺，然后在0～25℃下滴加三氟化硼-乙醚溶液进行反应，搅拌1～48h，待薄层色谱监测到反应物完全消耗，反应停止，将反应产物采用饱和食盐水洗涤、抽滤，得到的滤渣用二氯甲烷洗涤多次直至无明显产物残留，抽滤得到的滤液则用分液漏斗分出有机相，合并二氯甲烷洗涤得到的有机相以及分液得到的有机相，用无水
硫酸钠干燥、过滤，旋蒸浓缩有机相，最后经
硅胶色谱柱分离提纯，得到中间体C；
[0014] 步骤4、将步骤3得到的中间体C溶解于反应介质中得到反应溶液，在少量钯
碳催化剂作用下，通入H2进行还原，在搅拌下反应3～9h，待薄层色谱监测到中间体C消耗完全后，反应停止，过滤，分别收集滤液和滤渣，在滤渣中加入洗涤
溶剂洗涤反应产物多次直至无产物残留，得到滤掉钯碳催化剂的洗涤液，合并滤液和洗涤液，经
真空干燥，收集得到目标化合物苯甲酸取代氟硼二吡咯甲川衍生物染料配体。
[0015] 步骤1和步骤4中，所述反应介质为二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、二氧六环、乙腈、
甲苯、乙酸乙酯、正己烷、石油醚、甲醇、
乙醇和异丙醇中的一种或多种；步骤1中，所述保护性气体为氮气、氦气和氩气中的一种。
[0016] 步骤1中，所述反应介质为二氯甲烷，所述反应介质的用量为50～200mL，步骤4中，所述反应介质为体积比＝2:1的二氯甲烷-甲醇混合溶剂，所述反应介质的用量为20～30mL。
[0017] 步骤1中，反应
温度为25℃，反应时间为24h，步骤2中，反应温度为25℃，反应时间为4h，步骤3中，反应的温度为0℃，搅拌的时间为4～8h，步骤4中，反应的温度为室温。
[0018] 步骤3中，所述分离提纯采用的洗脱剂为体积比＝1.2:1的乙酸乙酯-石油醚混合溶剂，或者为体积比＝1.2:1的乙酸乙酯-正己烷混合溶剂。
[0019] 步骤4中，所述反应溶液中的中间体C的浓度为4.5～6.0g/L，所述钯碳催化剂的钯含量为2～10wt％，所述洗涤溶剂为甲醇和二甲基甲酰胺中的一种。
[0020] 所述2,4-二甲基-1H-吡咯-3-甲酯苄、对甲酰基苯甲酸、三氟乙酸、2,3-二氯-5,6-二氰对苯醌、N,N-二异丙基乙胺、三氟化硼-乙醚溶液的摩尔比为2.60～3.80:1.50～2.50:1.00～1.50:1.50～2.00:18.0～40.0:24.0～80.0。
[0021] 所述2,4-二甲基-1H-吡咯-3-甲酯苄、对甲酰基苯甲酸、三氟乙酸、2,3-二氯-5,6-二氰对苯醌、N,N-二异丙基乙胺、三氟化硼-乙醚溶液的摩尔比为3.50:2.00:1.08:1.67:36.3:71.0。
[0022] 所述中间体C的化学结构式如式II所示：
[0023]
[0024] 命名为8-[4-苯甲酸]-4,4-二氟-1,3,5,7-四甲基-2,6-二甲酯苄-4-硼杂-3a,4a-二氮杂-s-吲哒西。
[0025] 本发明一种苯甲酸取代氟硼二吡咯甲川衍生物染料配体的合成路线如下：
[0026]
[0027] 本发明中的原料2,4-二甲基-1H-吡咯-3-甲酯苄可参照文献(Toru Komatsu,Yasuteru Urano,Yuuta Fujikawa,Tomonori Kobayashi,Hirotatsu Kojima,Takuya Terai,Kenjiro Hanaoka,Tetsuo Nagano,Development of 2,6-carboxy-substituted boron dipyrromethene(BODIPY)as a novel scaffold of ratiometric fluorescent probes for live cell imaging,Chem.Commun.,2009,7015–7017.)合成得到，合成方法大致为：在
冰浴和保护性气体的气氛条件下，将2,4-二甲基-吡咯-3-甲酸溶解在含有碳酸铯的N,N-二甲基甲酰胺溶剂中形成溶液，然后滴加溴化苄进行酯化反应，产物经二氯甲烷萃取、洗涤、干燥、过滤、旋蒸和过硅胶柱析后，可得到纯的无色固体原料2,4-二甲基-1H-吡咯-3-甲酯苄，产率68％。
[0028] 采用上述技术方案后，本发明一种苯甲酸取代氟硼二吡咯甲川衍生物染料配体，是以1,3,5,7-四甲基氟硼二吡咯甲川为核心骨架，分别在其2,6-位接枝上羧基、8-位接枝上苯甲酸，从而形成一种新型的BODIPY衍生物染料配体，即8-[4-苯甲酸]-4,4-二氟-1,3,5,7-四甲基-2,6-二羧基-4-硼杂-3a,4a-二氮杂-s-吲哒西，不仅在可见光区具有优良的光活性，还具有较好的水溶性、金属配位能力以及对金属离子的荧光传感性。
[0029] 本发明一种苯甲酸取代氟硼二吡咯甲川衍生物染料配体的制备方法，方法简单易控，原料易得，具有普遍适应性，在制备过程中生成的中间体C也具有对金属离子高灵敏的荧光传感性。
附图说明
[0030] 图1为中间体C的核磁氢谱图；
[0031] 图2为中间体C的ESI-MS图；
[0032] 图3为中间体C的红外光谱图；
[0033] 图4为目标化合物的核磁氢谱图；
[0034] 图5为目标化合物的ESI-MS图；
[0035] 图6为目标化合物的红外光谱图；
[0036] 图7为中间体C在不同溶剂体系中的紫外可见吸收光谱和荧光发射光谱；
[0037] 图8为目标化合物在不同溶剂体系中的紫外可见吸收光谱和荧光发射光谱；
[0038] 图9为中间体C在各种金属离子存在条件下的荧光发射光谱；
[0039] 图10为目标化合物在各种金属离子存在条件下的荧光发射光谱；
[0040] 图11为目标化合物与金属锌形成的[Zn2(目标化合物)(OH)·2H2O]n配合物的
晶体结构图。
具体实施方式
[0041] 为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体
实施例来对本发明进行详细阐述。
[0042] 一、目标化合物的制备
[0043] 实施例1
[0044] 一种苯甲酸取代氟硼二吡咯甲川衍生物染料配体的制备方法，包括以下步骤：
[0045] 步骤1、先在磁力搅拌下，依次向500mL三口烧瓶里加入按照参考文献制备的2,4-二甲基-1H-吡咯-3-甲酯苄(800mg，3.5mmol)、对甲酰基苯甲酸(295mg，2.0mmol)和干燥的二氯甲烷(200mL)，然后通入氦气10～20min，滴加200μL三氟乙酸(1.08mmol)，此时可观察到三口烧瓶内的2,4-二甲基-1H-吡咯-3-甲酯苄完全溶解，而对甲酰基苯甲酸微溶呈白色悬浊状态，在25℃下反应约1h后，白色悬浊物逐渐消失，反应液由淡黄色变为粉红色，继续搅拌反应23h，直至白色悬浊物完全消失，得到呈深红色的反应溶液A；
[0046] 步骤2、在搅拌下向步骤1中得到的反应溶液A中滴加380mg2,3-二氯-5,6-二氰对苯醌(1.67mmol)，补充通入氦气10min，在25℃下进行氧化反应，搅拌反应4h，得到深紫色的反应溶液B；
[0047] 步骤3、向步骤2得到的反应溶液B中慢慢加入6mL N,N-二异丙基乙胺(36.3mmol)，再次补充通入氦气10min，然后在0℃下滴加9mL三氟化硼-乙醚溶液(71mmol)进行反应，最后一次补充通入氦气10min，然后自然升温至25℃，继续搅拌反应8h，待薄层色谱监测到反应物2,4-二甲基-1H-吡咯-3-甲酯苄消耗完全后，反应停止，将反应产物采用等体积饱和食盐水洗涤、抽滤，得到的滤渣用10～20mL二氯甲烷洗涤多次，直至滤渣中无反应产物的色谱斑点出现，合并二氯甲烷洗涤得到的有机相，抽滤得到的滤液则用分液漏斗分出有机相，合并得到的两种有机相，然后用无水硫酸钠干燥、过滤，旋蒸浓缩有机相，最后经硅胶色谱柱(200-300目)分离提纯有机相，洗脱剂为体积比＝1.2:1的乙酸乙酯-石油醚混合溶剂，得到橘红色的中间体C 530mg，产率为48％，采用二氯甲烷重结晶可以获得中间体C的橘红色单晶，化学结构式如式II所示：
[0048]
[0049] 步骤4、在100mL的三口烧瓶中和氦气的保护下，将步骤3得到的100mg中间体C(0.16mmol)采用磁力搅拌溶解于20mL、体积比＝2:1的二氯甲烷-甲醇混合溶剂中，得到反应溶液，在12～13mg 10wt％Pd的钯碳催化剂作用下，通入H2进行还原，在室温下搅拌反应3h，此时有泛绿色荧光的固体析出，继续反应6h，待薄层色谱监测到中间体C消耗完全后，反应停止，过滤，分别收集滤渣和滤液，在滤渣中加入20mL二甲基甲酰胺洗涤反应产物多次，直至滤渣中无反应产物的色谱斑点出现，得到滤掉钯碳催化剂的洗涤液，合并滤液和洗涤液，置于真空干燥箱中于85℃下抽真空干燥，收集得到橙红色粉末68mg，即为目标化合物苯甲酸取代氟硼二吡咯甲川衍生物染料配体，产率95％，化学结构式如式I所示：
[0050]
[0051] 目标化合物不溶于正己烷、二氯甲烷，微溶于氯仿、乙腈，易溶解于四氢呋喃、乙酸乙酯、甲醇和DMF。
[0052] 实施例2
[0053] 一种苯甲酸取代氟硼二吡咯甲川衍生物染料配体的制备方法，包括以下步骤：
[0054] 步骤1、先在磁力搅拌下，依次向500mL三口烧瓶里加入按照参考文献制备的2,4-二甲基-1H-吡咯-3-甲酯苄(800mg，3.5mmol)、对甲酰基苯甲酸(295mg，2.0mmol)和干燥的二氯甲烷(100mL)，然后通入氦气10～20min，滴加200μL三氟乙酸(1.08mmol)，此时可观察到三口烧瓶内的2,4-二甲基-1H-吡咯-3-甲酯苄完全溶解，而对甲酰基苯甲酸微溶呈白色悬浊状态，在25℃下反应约1h后，白色悬浊物逐渐消失，反应液由淡黄色变为粉红色，继续搅拌反应47h，直至白色悬浊物完全消失，得到呈深红色的反应溶液A；
[0055] 步骤2、在搅拌下向步骤1中得到的反应溶液A中滴加380mg2,3-二氯-5,6-二氰对苯醌(1.67mmol)，在25℃下进行氧化反应，搅拌反应20h，得到深紫色的反应溶液B；
[0056] 步骤3、向步骤2得到的反应溶液B中慢慢加入6mL N,N-二异丙基乙胺(36.3mmol)，然后在25℃下滴加9mL三氟化硼-乙醚溶液(71mmol)进行反应，继续搅拌反应8h，待薄层色谱监测到反应物2,4-二甲基-1H-吡咯-3-甲酯苄消耗完全后，反应停止，将反应产物采用等体积饱和食盐水洗涤、抽滤，得到的滤渣用10～20mL二氯甲烷洗涤多次，直至滤渣中无反应产物的色谱斑点出现，合并二氯甲烷洗涤得到的有机相，抽滤得到的滤液用分液漏斗分出有机相，合并此两种有机相，然后用无水硫酸钠干燥、过滤，旋蒸浓缩有机相，最后经硅胶色谱柱(200-300目)分离提纯有机相，洗脱剂为体积比＝1.2:1的乙酸乙酯-正己烷混合溶剂，得到橘红色的中间体C 480mg，产率为43％，采用二氯甲烷重结晶可以获得中间体C的橘红色单晶，化学结构式如式II所示：
[0057]
[0058] 步骤4、在100mL的三口烧瓶中，将步骤3得到的100mg中间体C(0.16mmol)采用磁力搅拌溶解于20mL、体积比＝2:1的二氯甲烷-甲醇混合溶剂中，得到反应溶液，在12～13mg 10wt％Pd的钯碳催化剂作用下，通入H2进行还原，在室温下搅拌反应3h，此时有泛绿色荧光的固体析出，继续反应6h，待薄层色谱监测到中间体C消耗完全后，反应停止，过滤，分别收集滤渣和滤液，在滤渣中加入250mL甲醇洗涤反应产物多次，直至滤渣中无反应产物的色谱斑点出现，得到滤掉钯碳催化剂的洗涤液，合并滤液和洗涤液，置于真空干燥箱中于40℃下抽真空干燥，收集得到橙红色粉末61mg，即为目标化合物苯甲酸取代氟硼二吡咯甲川衍生物染料配体，产率85％，化学结构式如式I所示：
[0059]
[0060] 目标化合物不溶于正己烷、二氯甲烷，微溶于氯仿、乙腈，易溶解于四氢呋喃、乙酸乙酯、甲醇和DMF。
[0061] 二、结构表征
[0062] 1、中间体C的结构表征如图1-图3所示，表征数据如下：1H NMR(DMSO-d6,500MHz)：δ＝13.33(br,1H)、8.13(d,2H)、7.60(d,2H)、7.38(m,10H)、5.26(s,4H)、2.73(s,6H)、1.58(s,6H)；ESI-MS m/z：[M-H]-calcd.for C36H31 B F2N2O6：635.2164，found.635.2161；IR(KBr pellet,cm-1)：v＝3300(br)、3066(w)、3032(w)、2929(w)、1704(s)、1606(w)、1557(w)、1498(m)、1429(s)、1375(m)、1253(s)、1086(s)、1027(w)、949(w)、905(w)、782(m)、744(s)、694(s)，表征的核磁化学位移峰、质谱峰和红外吸收峰均与中间体C的化学结构式式II相吻合。
[0063] 2、目标化合物的结构表征如图4-图6所示，表征数据如下：1H NMR(DMSO-d6,500MHz)：δ＝13.00(br,3H)、8.14(d,J＝8.2Hz,2H)、7.61(d,J＝8.20Hz,2H)、2.74(s,6H)、
1.60(s,6H)；ESI-MS m/z：[M-H]-calcd.for C22H18 B F2N2O6：455.1225，found.455.1230；IR-1
(KBr pellet，cm )：v＝3439(br)、2968(vw)、2927(w)、2851(w)、2635(vw)、2547(vw)、1675(s)、1503(s)、1425(m)、1307(s)、1180(s)、1121(s)、1018(s)、935(w)、861(w)、797(vw)、768(w)、745(m)、616(m)、577(w)；表征的核磁化学位移峰、质谱峰和红外吸收峰均与目标化合物的化学结构式式I相吻合。
[0064] 三、光活性和配位能力
[0065] 1、中间体C在四种不同溶剂的紫外可见吸收光谱和荧光发射光谱如图7所示，详细数据如表1所示，中间体C表现出BODIPY类染料特有的光物理特征：尖锐的吸收峰和荧光发射峰，其中本征跃迁吸收峰出现在大约493-501nm左右，而本征跃迁发射峰则出现在521-526nm范围内，前者归属于分子的π→π*跃迁，后者归因于中间体C的π*→π跃迁，相比起普通的BODIPY染料通常出现在500nm的吸收峰和550nm的发射峰，显然拉电子官能团苯甲酸的引入产生了明显的蓝移现象。
[0066] 表1中间体C在不同溶剂中的光谱性质
[0067]
[0068] 注：a吸收光
波长；b发射光波长；c摩尔消光系数；d光量子产率
[0069] 2、目标化合物在三种不同溶剂的紫外可见吸收光谱和荧光发射光谱如图8所示，详细数据如表2所示，目标化合物的本征跃迁紫外可见吸收光谱和本征跃迁荧光发射光谱分别出现在498nm左右和518-524nm内，反映出目标化合物与其苄酯衍生物中间体C具有相当的吸收光谱和发射光谱特点：拉电子官能团苯甲酸和羧基的引入产生了明显的蓝移现象。
[0070] 表2目标化合物在不同溶剂中的光谱性质
[0071]
[0072] 注：a吸收光波长；b发射光波长；c摩尔消光系数；d光量子产率
[0073] 3、中间体C和目标化合物在各种金属离子存在条件下的荧光发射光谱如图9和图10所示，可见，中间体C对锌、镉、
铜、
铝和铅离子等金属离子具有优良的荧光传感性质，目标化合物对金属铜离子也有较好的荧光传感性质。
[0074] 4、目标化合物具有优良的配位能力，其与金属锌离子形成的[Zn2(目标化合物)(OH)·2H2O]n配合物结构如图11所示。
[0075] 上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的
专利范畴。
