BODIPY衍生物光敏性在溶劑檢測上的應用

申鳳娟， 余旭東， 龐雪蕾， 張亞軍

（河北科技大學理學院，石家莊050018）

0 引 言

BODIPY具有較高的摩爾吸光系數，熒光量子產率高、光穩定等優點，廣泛應用于分子探針、生物熒光標記、激光染料、太陽能電池等領域。由于有機溶劑在環境、工業和化學領域的重要性，近十年來，有機溶劑的選擇性和可視化檢測越來越受到重視［1-5］。本實驗設計合成一種氟硼二吡咯（BODIPY）三聯吡啶衍生物（BODIPY-DT），通過光照發現它的二甲基甲酰胺（DMF）溶液紅色熒光褪去呈現黃綠光熒光，而其他溶劑的溶液沒有熒光顏色的變化，利用這個性質可以實現對溶劑的可視化識別。

為了提高學生的綜合實驗能力，培養科研實踐能力，促進教學與科研的融合［6-7］，將此實驗引入實驗教學中。通過合成鍛煉動手能力和實驗技能，通過性質研究引起學生探索的興趣［8-11］，并引導學生分析褪色原因，找出現象背后的理論依據，并通過儀器測試數據驗證支持理論推導。此實驗適合具有一定實驗基礎的學生開展，不但實現對學生操作能力的綜合訓練，培養學生處理和分析實驗數據的能力，還培養學習分析問題解決問題的能力，通過現象尋找理論依據并通過實驗驗證理論，有利于提高學生的科研思維及科研素養，為科研打下良好的基礎，有利于促進教學與科研的相互融合［12-15］。

1 實驗試劑與儀器

實驗試劑：2，4-二甲基吡咯、對甲酰基苯甲酸甲酯、三氟化硼乙醚（BF3·Et2O）、高碘酸、2，3-二氯-5，6-二氰對苯醌（DDQ）、碘（I2）、三甲基硅乙炔、PdCl2（PPh3）、二異丙胺（DIPA）、三乙胺、三氟乙酸（TFA）碘化亞銅等試劑均購于國藥集團化學試劑。

實驗儀器：電子天平、旋轉蒸發儀、磁力攪拌器、紫外分光光度計、熒光光譜儀、核磁共振儀等。

2 實驗內容

2.1 化合物的合成

（1）1，3，5，7-四甲基-8-對甲氧甲酰基苯基氟硼二吡咯（化合物2）的合成。取2.7 g（16.45 mmol）對甲酰基苯甲酸甲酯（化合物1）加入到1 L圓底燒瓶中，用400 mL干燥的CH2Cl2，攪拌至全部溶解。再加入3.45 g（36.26 mmol）的2，4-二甲基吡咯，0.4 mL三氟乙酸，室溫攪拌過夜。向反應液中分批加入2.8 g（12.33 mmol）DDQ，攪拌30 min后滴加二異丙胺30 mL，反應溶液由紅褐色變成綠色；攪拌30min后冰浴充分冷卻，使用恒壓滴液漏斗緩慢滴加三氟化硼乙醚30 mL，室溫攪拌過夜。旋轉蒸發除去溶劑，柱色譜分離提純得到橘紅色化合物2（880 mg，13.5%）。1H NMR（CDCl3，500 MHz）δ：8.19（2H，d，J=8.5 Hz，ArH），7.40（2H，d，J=8.5 Hz，ArH），5.99（2H，s，CH），3.97（3H，s，OCH3），2.56（6H，s，CH3），1.36（6H，s，CH3）.m.p.186℃。

（2）1，3，5，7-四甲基-8-對甲氧甲酰基苯基-2，6-二碘氟硼二吡咯（化合物3）的合成。在500 mL圓底燒瓶中加入化合物2（2.5 mmol，0.956 g）和碘（3 mmol，0.761 g），加入300 mL乙醇，攪拌將固體溶解。恒壓滴液漏斗滴加HIO3溶液（高碘酸0.528 g溶于10 mL水中），油浴60℃加熱，TLC檢測反應結束。反應結束后加入飽和硫代硫酸鈉溶液，有沉淀生成。減壓抽濾得到紅色化合物3（0.96 g，88%）。1H NMR（500 MHz，CDCl3）δ：8.22（2H，d，J=8.5 Hz，ArH），7.39（2H，d，J=8.5 Hz，ArH），3.99（3H，s，OCH3），2.65（6H，s，CH3），1.37（6H，s，CH3）.Mp＞250℃。

（3）1，3，5，7-四甲基-8-對甲氧甲酰基苯基-2，6-二4-［4′-（2，2′：6′2″-三聯吡啶）］苯炔基氟硼二吡咯（化合物5）的合成。在100 mL圓底燒瓶中依次加入化合物3（642 mg，1 mmol），4′-（4-炔苯基）-2，2′：6′2″-三聯吡啶（化合物4）（1.18 g，3.54 mmol），PdCl2（PPh3）2（42 mg，0.096 mmol），CuI（19.5 mg，0.102 mmol），再加入45 mL干燥四氫呋喃，15 mL二異丙胺，氮氣保護，60℃油浴加熱5 h，柱色譜得到藍紫色固體（0.18 g，17%）。1H NMR（500 MHz，CDCl3）δ：8.74（8H，s，CH），8.67（4H，m，J=7.5 Hz，CH），8.25（2H，d，J=7.5 Hz，CH），7.88（8H，m，CH），7.58（4H，d，J=8.5 Hz，CH），7.46（2H，d，J=7 Hz，CH），7.36（4H，m，CH），4.02（3H，s，OCH3），2.78（6H，s，CH3），1.55（6H，s，CH3）；13C NMR（150 MHz，CDCl3）δ：156.0，155.9，149.1，139.2，137，133.1，131.0，127.4，127.3，124.0，121.4，118，31.6，29.1，27.7，22.7，14.1，13.8，13.6；MS calc.for［C67H47BF2N8O2+Na］+：1 067.38；Found：1 068.2.Anal.Calcd.For：C67H47BF2N8O2：C，77.0；H，4.5；N，10.7；Found：C，76.9；H，4.8；N，10.6.Mp：＞250℃。化合物5的合成如圖1所示。

圖1 BODIPY-DT（化合物5）的合成路線

2.2 BODIPY-DT在不同溶劑中的變色

將BODIPY-DT（化合物5）用不同溶劑（DMF，二甲亞砜，四氫呋喃，丙酮，對二甲苯，二氯甲烷，甲苯，氯仿，乙二醇單甲醚，乙腈，乙酸乙酯）分別配成濃度為10μmol/L的溶液，放置在自然光中，放置5 h前后分別拍照。DMF溶液紅色熒光褪去變成黃綠光（見圖2）。將不同溶劑的溶液分別放置2 d，作熒光變化曲線，發現經長時間放置后只有DMF溶液使BODIPY

圖2 BODIPY-DT在不同溶劑中變色（溶劑從中到右依次為DMF，二甲亞砜，四氫呋喃，丙酮，對二甲苯，二氯甲烷，甲苯，氯仿，乙二醇單甲醚，乙腈，乙酸乙酯）（乙腈中溶解度低）

DT紅色熒光褪去，其他溶劑中BODIPY-DT紅色熒光強度略有降低（見圖3）。表明BODIPY-DT對DMF溶劑具有可視化選擇性識別。

圖3 BODIPY-DT在不同溶劑中熒光強度隨時間變化

2.3 BODIPY-DT的DMF溶液變色快慢

將BODIPY-DT（化合物5）配成濃度為10μmol/L的DMF溶液兩份，一份放置在自然光中研究變色情況，另一份用365 nm燈照射，分別用熒光光譜儀監測變色過程。600～650 nm處的吸收峰強度隨著照射時間延長而慢慢地變弱，直至消失，而500～550 nm和350～400 nm兩處的吸收峰則隨著時間的增長而漸漸變大。開始變色較快20 min內618 nm的發射峰強度迅速減弱，隨著時間推移變色速度越來越慢。365 nm燈照射下的溶液顏色由紅色變為黃綠色的速度明顯要快于自然光下的溶液。日光下需要24 h 618 nm峰消失，而在365 nm紫外燈下只需要5 h（見圖4）。

圖4 BODIPY-DT的DMF溶液變色熒光曲線

3 實驗結果與討論

3.1 BODIPY-DT對DMF可視化識別

化合物5在DMF溶液中經365 nm燈照射后顏色變化明顯，由最開始的紅色轉變為黃綠色。而且降低溶液濃度變色加快。因此利用變色現象可實現對DMF溶劑的可視化識別。

3.2 變色機理

（1）紫外吸收光譜。光照情況下，溶液變色速度加快，分析原因是由于BODIPY是光敏劑，在DMF溶液中更易產生單線態氧。單線態氧的氧化性強，將化合物5氧化分解，因此，紅光褪去顯示出分解后產物的熒光。

吸光光度法是通過測定化學探針捕獲單線態氧前后的吸光度變化來進行定量檢測單線態氧，因此此類方法在單線態氧檢測領域操作簡便。1，3-二苯基異苯并呋喃（DPBF）是一種常用的化學捕獲試劑，其在410 nm處具有較大的吸光度。DPBF與單線態氧反應時，能迅速生成一種穩定的內過氧化物，此反應具有較大的反應速率常數且反應結束后DPBF吸光度幾乎下降為0。因此使用紫外分光光度計測定在410 nm處的吸光度的變化量即可間接測量單線態氧的含量。目前，該方法已經被廣泛用于測定化學反應中單線態氧的含量。

因此，本實驗采用1，3-二苯基異苯并呋喃（DPBF）作為單線態氧的捕捉劑，通過紫外吸收光譜驗證單線態氧的存在。在BODIPY-DT的DMF溶液中加入DPBF，用紫外光譜儀測定溶液紫外吸收強度。發現隨時間延長，DPBF逐漸減少，而化合物5含量基本不變，當DPBF紫外吸收強度不再減弱時，化合物5開始分解。證明確實是在DMF溶液中有利于單線態氧生成導致化合物5被氧化分解（見圖5）。

圖5 BODIPY-DT（10μmol/L）與DPBF（50μmol/L）在DMF混合溶液的紫外吸收光譜

（2）質譜。由于叁鍵容易被氧化，BODIPY-DT在叁鍵部分容易被單線態氧氧化分解，為了證明BODIPY在DMF溶液中變色是因為被氧化分解，因此對變色后產物進行質譜分析。通過對質譜碎片峰的分析發現m/z：764.7，525.5，562.3，353.1，338可能分別為BODIPY-DT氧化分解產物1，2，3，4，5的碎片峰（見圖6）。

圖6 BODIPY-DT氧化分解后部分產物

（3）氫譜。從變色跟蹤核磁譜圖的變化可以看到，隨著時間的推移在化學位移10.5附近出現官能團甲酰基（—CHO）的氫峰和在12.2附近出現羧基（—COOH）的氫峰，從氫譜數據分析同樣可以證明BODIPY-DT（化合物5）分解（見圖7）。

圖7 BODIPY-DT在DMF溶液中變色跟蹤氫譜

4 結 語

本文開發了一種基于氟硼二吡咯法的用于DMF選擇性、動態和視覺傳感的新型熒光傳感器。氟硼二吡咯自身是一種良好的光敏劑，而且通過本實驗可知，其在DMF溶液中能更好地誘導產生單線態氧，產生的單線態氧又能夠將分子中的炔鍵和氟硼二吡咯熒光團骨架氧化，進而產生溶液顏色和熒光的變化，實現對溶劑的可視化識別。教師通過把科研成果轉化成教學內容，實現科研與教學的結合，學生通過學習科研過程，夯實了基礎知識，拓展了思路，啟迪了思維，培養了科研素養。將科研成果轉化成教學內容，指導學生從實驗現象入手，到理論探討、再到實驗數據的分析整理及結論的獲得，讓學生從這個過程中真正認識科研、了解科研，培養科研素養，將來才能更好地投入工作。做到教學與科研相互滲透融合，科研帶動教學，教學促進科研，才能共同完成教學過程，培養更多適應社會需求的高水平創新型專業人才。