1,8-萘啶衍生物的结构、光物理性质及其应用

冯媛等：１，８－萘啶衍生物的结构、光物理性质及其应用
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目前主要用于荧光探针来识别生物分子或金属离子，在制药、治疗方面也有应用睁９｜．
３ １，８一萘啶衍生物的研究进展
３．１ １。８一萘啶衍生物作为识别生物小分子的荧光探针 从简单的碱基小分子到复杂的ＤＮＡ结构，１，８一萘啶衍生物可通过氢键结合来加以
联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｕｗｆ＠ｍａｉｌ．ｉｐｃ．ａｃ．ｃｎ． ２４１
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０．２３０７ ｎｍ，能够满足刚性配位的要求．
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图１ １，８一萘啶的结构
Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ １，８－ｎａｐｈｔｈｙｒｉｄｉｎｅ
１，８一萘啶衍生物的结构多样化，按照引入基团的不同可分为两大类： （１）引入不具有配位能力的基团（图２）．由于其发光性质及应用的限制，该类化合物 研究较少，主要作为反应中间体用于合成方法的研究阻引．
其它错配相比，当该种错配与ＡＴＭＮＤ分子结合后会引起ＡＴＭＮＤ的荧光减弱（图９）［２１｜，
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识别效果较为明显，从而证实了１，８一萘啶衍生物能作为荧光探针识别碱基对的错配． 受双１，８一萘啶衍生物具有识别错配碱基对性质的启发，研究人员应用该类衍生物将
具有错配点的ＤＮＡ进行连接．２００７年，Ｎａｋａｔａｎｉ小组研制出了一种基于二聚１，８一萘啶 的衍生物，通过光诱导可使分子内的Ｎ—Ｎ双键异构化，使得分子由反式构型变为顺式 构型，从而同时结合两个鸟嘌呤，达到连接错配ＤＮＡ的目的，这种化合物通常被称为分 子胶（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｇｌｕｅ）（图１０）Ｅ２引．同样，他们于２００９年又合成了另一种结构类似的１，８一 萘啶衍生物分子胶，并研究了连接萘啶链的链长对于其分子胶性能的影响，确定了最佳 链长值［２ ３｜．该类光诱导分子胶化合物对于控制由ＤＮＡ杂交引发的生物过程和建立可逆 的基于ＤＮＡ纳米结构研究具有十分重要的作用．
识别．其中最基本的如１，８一萘啶衍生物对单个碱基分子及其衍生物的选择性识别． 在碱基分子中，１，８一萘啶衍生物用于识别鸟嘌呤分子的研究相对比较多，２０００年，
Ｎａｋａｔａｎｉ小组首次合成得到可选择性识别单个鸟嘌呤分子（Ｇ）的１，８一萘啶衍生物（图 ４）［１ ０｜，该化合物可与鸟嘌呤（Ｇ）形成热力学稳定的三氢键体系，其结构与结合机理如图４ 所示．在２００３年，Ｎａｋａｔａｎｉ等人又研究了上述化合物的衍生物和鸟嘌呤分子的作用．和 之前的研究相比，该分子同样能以三氢键与ＤＮＡ中的鸟嘌呤突起结合，在水解后发出较 强荧光，其机理如图５所示，图中的直线代表ＤＮＡ单链，而鸟嘌呤突起形成的原因则是
除了对于碱基的识别，１，８一萘啶衍生物也可通过氢键识别生物体内的其他小分子，如 葡萄糖、尿素、生物素分子等．由于葡萄糖、生物素是维持人体自然生长及正常人体机能 所必需的物质，因此，识别该类小分子在医学上具有重要意义．目前，关于这方面的研究 已有较多报道，例如Ｃｈｏｕ等研究了两种萘啶衍生物对于葡萄糖的识别能力，并发现这些 化合物可通过荧光、圆二色谱的变化来识别葡萄糖分子．研究表明，这两种萘啶衍生物都 可与葡萄糖分子通过互补的四氢键结合，且其中的ＢＰＮ分子在结合葡萄糖前后荧光光 谱有近６０ ｎｍ的红移，因此该类化合物可作为葡萄糖的高敏感探针，且检出限达到１００ ｐＭ（图１１）Ｌ２ ４‘．之后，Ｓｅｎ和Ｇｈｏｓｈ等也合成了一系列１，８一萘啶衍生物，并通过荧光及吸 收光谱的快速响应来识别尿素、生物素分子及其衍生物，其中的一种化合物对于生物素
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图４ １，８－萘啶衍生物与鸟嘌呤形成的三氢键体系
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２ １，８一萘啶衍生物的结构
１，８一萘啶的结构为两个吡啶环稠合而形成（图１），其两个配位氮原子之间的距离为
收稿日期：２０１３—０５—０７：修回日期：２０１３—０６—０３． 作者简介：冯媛（１９８８一），女，主要从事ｌ，８一萘啶的识别性能研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｙｆｅｎ９８８＠ｔｏｒｎ．ｃｏｒｎ；傅文甫，通讯
由于其互补ＤＮＡ链上缺失了对应的胞嘧啶，因而使得鸟嘌呤成为多余的未配对碱基分 子，即Ｇ突起嘲．
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２００６年，Ｌｕ等合成出了一系列带有乙炔基连接体的１，８一萘啶衍生物，它们可通过氢 键和烷基化鸟嘌呤分子结合，并伴随着荧光光谱及紫外光谱的明显变化．由于该化合物 以四氢键与鸟嘌呤分子结合，因此较之前的三氢键体系更为稳定．研究发现该类化合物 中含有酰胺基的萘啶衍生物对于烷基化鸟嘌呤分子的识别性能最好，其中化合物２一乙酰 氨基一７一（２一乙酰氨基苯乙炔基一１，８一萘啶（３一Ａｃ）与烷基鸟嘌呤作用方式及荧光识别效果如 图６所示，当３－Ａｃ的二氯溶液中逐渐加人烷基鸟嘌呤后，其荧光强度有明显减弱［１ ２｜．
第３１卷第４期 ２０１３年７月
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Ｉｍａｇｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ
Ｖ０１．３１ Ｎｏ．４ Ｊｕｌｖ，２０１３
１，８一萘啶衍生物的结构、光物理 性质及其应用
冯 媛１’２，傅文甫１
（１．中国科学院理化技术研究所，北京１００１９０；２．中国科学院大学，北京１０００４９）
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图７ ＡＭＮＤ与胞嘧啶形成的二氢键体系 Ｔｈｅ ｔｗｏ ｈｙｄｒｏｇｅｎ－ｂｏｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＡＭＮＤ ｗｉｔｈ ｃｙｔｏｓｉｎｅ
２０１２年，Ｌｉａｎｇ等采用２，７一二氨基一１，８一萘啶与Ａ—Ｔ，Ｃ－Ｇ碱基对形成不同的氢键结构，从 而使电子隧穿途径不同而产生不同电信号来识别两种不同的碱基对，使得该１，８一萘啶衍
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图３含有识别或形成氢键能力基团的１，８一萘啶衍生物 ｌ，８－ｎａｐｈｔｈｙｒｉｄｉｎｅ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｒｏｕｐｓ ｆｏｒ ｒｅｃｏｇｎｉｚｉｎｇ ａｎｄ ｆｏｒｍｉｎｇ ｈｙａｒｏｇｅｎ ｂｏｎｄ
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第４期
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图２引人非配位基团的１，８一萘啶衍生物
１，８－ｎａｐｈｔｈｙｒｉｄｉｎｅ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ ｗｉｔｈ ｎｏｎ－ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｇｒｏｕｐ
（２）引入含有Ｎ、Ｏ等具有配位识别或形成氢键能力的基团，如图３所示．由于该类 化合物具有潜在的结合位点，同时发光性质也有所改善，因此该类化合物的应用较广泛．
除鸟嘌呤外，１，８一萘啶衍生物也被应用于识别胞嘧啶（Ｃ）等．２００２年，ＴｅｒａｍａｅＥｌ３］等 发现２一氨基一７一甲基一１，８一萘啶化合物（ＡＭＮＤ）能与胞嘧啶作用形成两个氢键（图７）．在 这之后，Ｎａｋａｔａｎｉ小组研究了化合物ＤＡＮＰ对于腺嘌呤（Ａ）一尿嘧啶（Ｕ）／ＡＣＵ链中的胞 嘧啶突起的识别性能，该化合物可与胞嘧啶以三氢键的方式结合，同时相比于无缺失位 点的ＲＮＡ或一些其他带有缺陷的ＲＮＡ，其与Ａ．Ｕ／ＡＣＵ这一类核苷酸中的胞嘧啶突起 结合时能够发射出特征荧光，因此可用于在ＲＮＡ二级结构中检测胞嘧啶（图８）Ｅ引．Ｌｉ等 则以２一氨基一５，７一二甲基一１，８一萘啶（ＡＤＭＮＤ）为荧光探针，使用两种检测方式（双探针法 及突起法）识别了ＤＮＡ中的胞嘧啶．据报道，当胞嘧啶存在时，ＡＤＭＮＤ分子的荧光明显 减弱，其荧光减弱程度并不受碱基的影响，且使用双探针法时荧光猝灭效果更为显著［１４］．
在上述ｌ，８一萘啶衍生物作为荧光探针识别碱基及碱基对研究的基础上，该类化合物 在生物医学领域中的研究引起了广泛的关注．近年来，１，８一萘啶衍生物已被证实可应用 于识别Ｇ－Ｇ、Ｃ－Ｃ、Ａ－Ａ错配．Ｎａｋａｔａｎｉ小组应用双１，８一萘啶衍生物的分子来识别ＧＧ、 Ｃ＇Ｃ，以及Ａ－Ａ错配［１６－ｚｏ］，取得了很好的研究结果．与此不同的是，Ｓａｔｏ等人没有采取 Ｎａｋａｔａｎｉ等所运用的双１，８一萘啶衍生物，而是使用了单个的１，８一萘啶衍生物分子ＡＴ— ＭＮＤ（２－氨基－５，６，７一三甲基一１，８一萘啶）来识别ＣＣＧ三核苷酸发夹结构中的Ｃ．Ｃ错配，与
摘要：１，８一萘啶衍生物的刚性平面氮杂环结构使其具有丰富的光物理性质， 因而在金属离子识别、配位化学等方面有着广泛的应用．许多１，８一萘啶衍生物 还具有独特的生理活性，并应用于临床治疗，这为该类化合物在生物医学领域 中的研究和应用奠定了基础．本文简要介绍了１，８一萘啶衍生物的结构特点及近 期的研究进展．
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图１ｌ ｌ，８一萘啶衍生物对于葡萄糖的识别 Ｓｅｎｓｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ １，８－ｎａｐｈｔｈｙｒｉｄｉｎｅ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ ｔｏ ｇｌｕｃｏｓｅ
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图６ 四氢键识别烷基化鸟嘌呤的１，８一萘啶衍生物 Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ １，８－ｎａｐｈｔｈｙｒｉｄｉｎｅ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ ｗｈｉｃｈ ｆｏｒｍ ｆｏｕｒ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｂｏｎｄｓ ｗｉｔｈ ｇｕａｎｉｎｅ
图９ ＡＴＭＮＤ识别Ｃ－Ｃ错配的荧光谱图 （ａ）ＡＴＭＮＤ；（ｂ）ＡＴＭＮＤ与（ＣＥＧ）４；（ｅ）ＡＴＭＮＤ与（ＣＡＧ）４；（ｄ）ＡＴＭＮＤ与（ＣＴＧ）４［２１３
Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ ＡＴＭＮＤ ｄｅｔｅｃｔ Ｃ－Ｃ ｍｉｓｍａｔｃｈ （ａ）ＡＴＭＮＤ，（ｂ）ＡＴＭＮＤ ｗｉｔｈ（ＣＯＧ）４，（ｃ）ＡＴＭＮＤ ｗｉｔｈ（ＣＡＧ）４，（ｄ）ＡＴＭＮＤ ｗｉｔｈ（ＣＴＧ）４
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来自百度文库
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图１２ ｌ，８一萘啶衍生物识别生物素的荧光（ａ）和吸收（ｂ）谱图［２５］
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图１０ １，８一萘啶衍生物的结构和分子胶机理［２２］ Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｌ，８－ｎａｐｈｔｈｙｒｉｄｉｎｅ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｍｏｌｅｃｕｔａｒ ｇｌｕｅ
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识别的效果如图１２所示，随着生物素分子的加入，化合物的紫外吸收强度减弱，而荧光 发射强度有明显增强‘２ ５ｃ．
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关键词：１，８一萘啶衍生物；发光；光物理性质；荧光探针；生理活性
ｄｏｉ：１０．７５１７／ｊ．ｉｓｓｒｕ １６７４—０４７５．２０１３．０４．００１
文章编号：１６７４—０４７５（２０１３）０４—０２４１—１６
中图分类号：０６２
文献标识码：Ａ
１ 引言
１，８一萘啶是萘啶化合物中研究最为广泛的一种‘１｜，它具有刚性平面氮杂环结构．在 １，８一萘啶环上引入多种不同基团形成的衍生物，能与生物小分子或金属离子进行作用，并 具有可控的光物理性质．特别是一些１，８一萘啶衍合物具有良好的生理活性，已被临床应 用于某些疾病的治疗（如抗菌药萘啶酸片）．此外，强的光致发光特性和对环境条件改变 而呈现快速的光谱响应使其在荧光探针研究领域有着较多的应用．
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生物可作为识别ＤＮＡ碱基对的探针‘１５］，这项研究拓宽了１，８一萘啶衍生物的应用，为之 后的荧光探针研究奠定了基础．
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图８ ＤＡＮＰ结构及其在ｐＨ ７．０的溶液中与胞嘧啶的结合方式 ＤＡＮＰ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｂｉｎｄｉｎｇ ｍｏｄｅ ｗｉｔｈ ｃｙｔｏｓｉｎｅ ｉｎ ｐＨ ７．０ ｓｏｌｕｔｉｏｎ