田华-1120112828-吩嗪衍生物荧光探针分子的合成与表征

毕业设计（论文）题目：吩嗪衍生物荧光探针分子的合成与表征学院：化学学院专业：应用化学班级：19111101姓名：田华指导教师：张汝波校外指导教师：无摘要两个新型近红外氰化物阴离子荧光探针基于5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪已经被设计并合成出来。

带有二氰基乙烯基作为识别位点和电子捕获在两侧，探针1展示了一个分子内的电子转移吸收谱带在545nm处，和一个发射谱CN反应后就会出现一个分带在730nm处，这样，在双侧与氰化物阴离子在CH3子内电子转移阻碍并且实现开关。

探针2利用不活泼的甲酰基团来代替两个活性二氰基乙烯基中的一个作为电子捕获基团。

由于单侧的ICT识别过程，探针2被重定向并产生一个标志性的比色和比率计在近红外区域荧光响应为青色。

两个探针都具有着高度的灵敏性和选择性，可以产生被肉眼观察到的明显的响应信息，甚至在多种阴离子的共同组合中。

光学的光谱技术、NMR滴定测量手段以及功能密度理论计算都被使用来推断探针检测机理。

ABSTRACT目录摘要 (1)ABSTRACT (2)第1章绪论 (5)引言 (5)1.1 荧光探针 (5)1.2 荧光探针的响应机理 (7)1.21 光致电子转移机理（PET机理） (7)1.22 分子内电子转移机理（ICT机理） (9)1.3 荧光探针分子的设计原则 (11)1.4 硫醇检测探针的发展和现状 (11)第2章实验清单 (14)2.1 实验试剂 (14)2.2 实验仪器 (16)第3章实验部分 (17)2.2 探针分子1的合成 (17)2.21 5,10-二氢吩嗪的合成 (17)2.23 5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪-2-甲醛（7）的合成 (18)2.24 5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪-2-二氰基乙烯(探针分子1)的合成192.3 探针分子2的合成 (20)2.31 5,10-二氢吩嗪的合成 (20)2.32 5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪的合成 (20)2.33 5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪-2,7-二甲醛(8)的合成 (20)2.34 7-甲酰基-5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪-2-氰基乙烯(10)的合成212.35 7-氰基羧基乙烯基-5,10-二己基-5,10-二氢吩嗪-2-二氰基乙烯（探针分子2）的合成 (22)第3章结果与讨论 (23)3.1 分子的合成与设计 (23)3.2 探针1对CN-的光学响应 (24)3.3 探针2对氰离子的光学响应 (27)附录A 目标分子的1H-NMR图、13C-NMR图、EI-MS图 (30)第1章绪论引言近期，荧光检测特别是使用有机小分子荧光探针已经吸引了世界范围内广泛的注意。

因为这些小分子探针不仅仅能够简单快速的进行检测，而且小分子探针具有着高灵敏度以及低费用的优势。

因此，大量的研究都在致力于荧光探针对硫醇的检测，并且产生了丰硕的成果，在过去的二十年里，许多对硫醇反应并且具有选择性的荧光探针已经被合成出来。

1.1 荧光探针在当今世界上，很多现代化技术都依赖于灵敏的检测分析技术。

这对于环境科学，药物学，生物学等等都有着很重有的意义.使用有机分子在紫外和可见光区进行非荧光荧光标记或者检测，在某些领域是一种很重要的检测手段[1]。

然而在最近的几十年里，基于荧光技术的检测已经获得了世界的广泛关注。

经过世界范围内科学工作者们几十年的努力，不但在荧光素的合成方面有了重大的进展，而且在荧光设备方面也有了很大的发展。

荧光在生命体系中已经占据了不可估计的地位，被广泛的应用到了DNA检测，细胞内氨基酸检测，病情检测，机理分析等等。

荧光检测之所以对于生物学而言有着很重要的地位，因为通过物质材料的比率变化或者化合物的吸收或者荧光的改变，从紫外区到近红外区的电磁波谱可以得到很多重要的信息。

而如何进行检测，怎样进行检测，并且通过检测获得哪些相应的信息，这些都是要通过荧光探针来进行。

荧光探针，简单的说就是一种把化学信息转变光学信息的分子装置。

这里的光学信息自然也就是指荧光光谱信号，光学信号更容易被接收，进而使人们能够获得特定的信息。

所有的荧光探针都基于三个可以通过设计好确定的应用来组合在一起的组分。

即荧光团（fluorophore）、连接体部分(spacer)和受体(receptor)。

荧光团是吸收光能量的部分。

荧光部分相当于天线的作用，决定了探针分子的灵敏性，电子在适宜波长光照条件下，吸收光子，并产生能级跃迁，到达激发态；连接体部分大多为烷基链，使得荧光团和受体部分分开；而受体则是决定了探针分子的选择特异性，通过与分析物进行特异性反应，从而达到检测的效果。

荧光的产生大多需要经过几个过程，一是吸收，二是弛豫，三是荧光发射44。

在这里我们只考虑共轭结构下的情况。

当共轭分子在一个合适波长的光照射下，位于S0基态的电子吸收光子能量，跃迁到了激发态能级S1或者S2。

这个过程很快，因此，分子来不及改变结构，但是当进行荧光发射就没有这么快了。

处在S1或S2能级的电子并不能够立刻回到基态，而是会经过一个中间过程，即弛豫。

这个过程是一个趋于稳定的过程，在这个过程中，分子的结构可能会发生改变。

对于处在激发态S2能级的电子，首先要进行一个内转换，无辐射的跃迁回到S1能级基态；而处在高能态的电子，也会跃迁回到S1能级基态。

而对于S1态的电子，也会发生改变。

这是因为荧光发射需要的时间，相对于荧光分子的溶剂化过程和分子的构型转变过程，是超过这两个过程所需要的时间的。

所以，在S1能级的电子依然会因为和离子、分子的碰撞过程等等或者因为自旋轨道电子耦合，使得电子从单线态转变为较稳定的三线态，能量降低。

这个过程便是系间窜越，而通过系间窜越到达的三线态电子在跃迁回到电子的基态，这时发射的光变为磷光。

最后便是荧光发射的过程了。

S1激发态电子跃迁回到基态，并发射光子，因为其间能量会有所损失，因此发射的光波的波长往往是出现红移。

有时也会出现光谱变宽的情况，这是因为S1态电子跃迁到了S态的振动基态，或者振动激发态，从而使得发射波长出现差异[2]。

相比于传统的检测手段，荧光探针具有着很多的优点。

首先是灵敏度高，选择性好。

通过设计特定的基团，来进行选择性检测，而且相比于其他分子反应更加迅速。

其次是使用方便，具有着低廉的成本。

制备成探针往往具有着很好的稳定性，能够较好的存储，能够便捷的进行[3]。

1.2 荧光探针的响应机理在分析化学中，荧光光谱由于其专一和灵敏性，已经变为了一种强有力的工具。

随着荧光素和分析物的反应，荧光寿命，量子产率和荧光强度都分别的发生改变。

后者在现阶段工作中被测量来证明探针和分析物的反应，建立一个标定点，或者确定反应的动力学。

两种的机理将在下文中被描述。

1.21 光致电子转移机理（PET机理）通常来讲，光致电子转移（PET）发生在当一个PET供体到一个激发态荧光素受体并且淬灭其荧光的情况下。

荧光淬灭的产生有两种情况，即外部因素和内部因素。

外部因素是当粒子间的发生碰撞等等。

因为碰撞过程中荧光团的单线态激发电子与淬灭物质的孤电子对发生了耦合，进而使得单线态电子转变为了三线态，而三线态电子是比较稳定的，不容易发生跃迁，这样就使得量子产率降低，出现荧光淬灭。

而内部因素则正如其言，荧光分子自身的影响。

例如，在荧光团上连上一些吸电子基团，氰基或者羧基等等，吸电子基团的引入会使得原分子HOMO和LUMO轨道之间出现新的轨道。

这个处在中间能级轨道的存在会使电子非辐射跃迁增加，引起量子产率的降低，出现荧光淬灭。

再如，荧光基团上的氮等杂原子含有孤电子对，也可能造成和激发电子的耦合，变为较稳定的三线态，造成荧光淬灭。

下文中的PET机理、ICT机理等等都是分子内部因素的影响。

正如上文所说，所有的荧光探针都基于三个可以通过设计好确定的应用来组合在一起的组分。

即荧光团、连接体部分和受体。

一个荧光团起到了捕获光子的天线的作用，并且作为电子的受体。

染料分子的数量实际上是并不收限制的，并且覆盖了整个的光谱范围。

这样，荧光团的选择通过需要的激发和发射波长来确定。

而连接体部分则由至少一个亚甲基组成，作用是使得荧光团和受体分开。

连接体能够在一个长的范围内促进PET效应。

根据对荧光PET探针的调查，理想的亚甲基基团的数目是在三到四个之间。

第三单元是受体（电子供体），这些与分析物键合或者发生了反应，因此改变了PET效率。

分子的设计目的决定了受体单元的结构[4],[5],[6]。

PET探针在未键合时呈现较低或者没有荧光，但是在键合或者发生了反应之后就会出现一个强荧光。

基于这个原理，大多数PET探针都被用来设计为开关型荧光素7。

图一分析物与受体键合后PET被打断接下来，我们将具体以荧光素开关的机理来讨论PET效应的原理。

通常的讲，未与分析物键合的受体承受着自由电子对，例如氮原子或者氧原子上的孤电子对。

其中一个电子能够跃迁到光激发生色团的未占据HOMO轨道。

反电子跃迁然后从生色团的激发态到受体的HOMO能级。

这就导致了激发态的非辐射失活,荧光发生淬灭。

如果一个分析物和受体键合，那么PET就被打断，荧光出现（如图1.2）。

在大多数情况下，带有自由电子对的供体是被移除或者被分析物以氧化[8]，[9]、共价键结合10或者非共价键结合的形式打断。

在自由态，受体的HOMO能级位于荧光素的HOMO和LUMO能级之间。

和分析物反应后，受体把HOMO能级转移到更低值，也更加稳定。

理想的是，能级比荧光素的HOMO能级更低。

在这种情况下，PET效应完全是被抑制的（打开模式）[11],[12]。

根据HOMO/LUMO能级理论，受体和染料的氧化还原电势的对比提供了关于能级的信息。

这是进行设计此类荧光探针的很有用的标准。

Weller[13]已经得到了一个预测PET效率的有效的途径。

在所有的情况下，PET 发生的都很快，并且是可逆的。

1.22 分子内电子转移机理（ICT机理）光谱性质也能够通过用分子内电子转移机理（ICT）来改变。

通常，ICT 荧光由供电基团和受电基团和中间共轭结构来组成。

而且，该类探针包含有杂原子，这些也会带来分子极性的变化，导致出现一个推拉式的极性结构。

当分子由基态变为激发态，便处于了一种能量高但是很不稳定的状态，很容易发生跃迁。

而具有上述结构的探针分子，在被激发后，高能级激发态电子会转移到受电基团上去，出现一个电荷分离的情况。

当处于激发态时，偶极矩会会随着电子云的重新分配二增加，微环境的改变则能够通过吸收或者发射光谱来检测。

ICT荧光探针对溶剂的极性敏感程度很高。

荧光大多数情况下会随着溶剂极性的增加而发生红移，因为荧光探针和溶剂的偶极偶极反应会使得激发态变得稳定，这样也就降低了其能量，因此荧光的波长也就会变为越长，发生一个红移。

这也就使得能够通过应用分子内电荷转移荧光探针（ICT探针）的荧光波长在与分析物反应前后的光学变化来进行判断和检测[14]-[19]。