一種大斯托克斯位移和近紅外熒光發(fā)射的新型羅丹熒類熒光染料及其合成方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于熒光染料領域，具體涉及一種大斯托克斯位移和近紅外熒光發(fā)射的新 型羅丹熒類熒光染料及其合成方法。
【背景技術】
[0002] 咕噸類熒光染料具有摩爾消光系數高、熒光量子產率高、光穩(wěn)定性好等特點，在有 機染料領域占有極其重要的地位。作為咕噸類熒光染料的代表化合物，羅丹明和熒光素類 染料是生物和醫(yī)學熒光成像領域應用最為廣泛和最受歡迎的熒光團之一，其合成、修飾、結 構和光學特性的分析等方面已有很多報道，一些性能優(yōu)良、適宜于工業(yè)制備的羅丹明或熒 光素（如羅丹明B、羅丹明6G、羅丹明123、熒光素、異硫氰酸熒光素等）產品已經被商品化， 這些功能性染料在化學分析、生物化學、生命科學等領域發(fā)揮著極其重要的作用。
[0003] 近年來一類羅丹明和熒光素雜化的熒光團--羅丹熒（Rhodafluor)類化合物 開始受到化學家和生物化學家的關注。羅丹熒類熒光團兼具羅丹明和熒光素兩類熒光 團的優(yōu)點，具有摩爾消光系數高、熒光量子產率高、光穩(wěn)定性好、對pH不敏感等特性。此 外，與羅丹明類相類似，羅丹熒類熒光團的最大發(fā)射波長與氧雜蒽環(huán)上的N取代部分緊 密相關（Haugland,R.P.TheHandbook:AGuidetoFluorescentProbesandLabeling Technologies, 10thed.;MolecularProbes:Eugene,OR, 2005.)，這為羅丹突的結構性能 修飾提供了很好的依據。
[0004] 盡管羅丹熒類熒光染料具有一系列優(yōu)良的光學性能，與羅丹明和熒光素相比， 關于它的合成、性質和應用的研究還相當有限。TaoPeng等以熒光素為原料通過布赫 瓦爾德-哈特維希反應合成了 一系列羅丹突類染料（TaoPengandDanYang,Org. Lett.，2010, 12, 496-499)并將其中一例羅丹熒化合物衍生后用于過氧亞硝基的檢 測（TaoPengandDanYang,Org.Lett.，2010, 12, 4932-4935)。Nagano等合成了 一類底環(huán)具有2' -芐醇結構的羅丹熒化合物，并將其應用于細胞內半乳糖苷酶 的檢測(MakoKamiya,DaisukeAsanuma,ErinaKuranaga,AsukaTakeishi,Masayo Sakabe,MasayukiMiura,TetsuoNagano,andYasuteruUrano,J.Am.Chem. Soc. 2011，133, 12960 - 12963)。Lipard等將羅丹熒類熒光團與DPA結合，合成了一系 列比率Zn2+ 探針（ElisaTomatandStephenJ.Lippard,Inorg.Chem. 2010, 49, 9113 -9115;ShawnC.BurdetteandStephenJ.Lippard,Inorg.Chem. 2002, 41, 6816-6823)〇
[0005] 上述應用羅丹熒作為探針熒光團的范例中所使用的羅丹熒的發(fā)射波長大多位于 550nm左右，在這一波長范圍細胞內生物質的自發(fā)熒光會干擾測定，這一劣勢也是目前羅 丹熒類熒光團不能很好的應用于生物檢測的原因之一。近紅外熒光染料通常指熒光發(fā)射 波長在650~lOOOnrn的熒光染料，這類熒光團具有生物背景干擾小，對細胞低損傷和成像 深度大等優(yōu)點，在生物成像領域，特別是組織成像和活體成像方面具有極其廣闊的應用前 景，已經成為近年來熒光染料研究的熱點課題。最近Hell等合成了一種碳取代羅丹熒染 料，這種染料的發(fā)射波長為613nm，熒光量子產率64%，將其用于細胞內免疫熒光成像得到 了細胞骨架的超高分辨圖像，顯示出羅丹熒類染料是一類優(yōu)秀的生物標記試劑（Maksim V.Sednev,ChristianA.ffurm,VladimirN.Belov,andStefanff.Hell,Bioconjugate Chem. 2013, 24, 690-700)。盡管這種羅丹熒染料的發(fā)射波長長，但是其合成難度大，僅適用 于實驗室少量制備，不利于商品化。
[0006] 斯托克斯位移是熒光的另一重要物理常數。具有大斯托克斯位移的熒光團，激發(fā) 光譜和發(fā)射光譜能夠很好的分離，在最大激發(fā)波長的作用下可以得到較完整的發(fā)射光譜數 據，能夠最大限度的降低自淬滅的干擾，從而提高生物成像應用中的信噪比，并且與常見的 短斯托克斯位移熒光團協(xié)同作用可以對生物體內不同靶標進行高靈敏度多色分析。然而羅 丹熒類、羅丹明類和熒光素類熒光染料的斯托克斯位移都很小，一般為20nm左右。
[0007]目前文獻報導的熒光染料極少同時具有熒光發(fā)射波長處于近紅外區(qū)、斯托克斯位 移大、熒光量子產率高、且光穩(wěn)定性好等優(yōu)點。而且大多數熒光染料只在實驗室條件下獲 得，合成復雜、收率低，難于實現(xiàn)商品化。

【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種大斯托克斯位移和近紅外熒光發(fā)射的新型羅丹熒類 熒光染料及其合成方法，該熒光染料具有近紅外熒光發(fā)射、斯托克斯位移大、量子產率高等 優(yōu)點，且合成方法具有原料廉價易得、合成步驟簡單、產物易純化、反應收率高等優(yōu)點。
[0009] 本發(fā)明提供了一種大斯托克斯位移和近紅外熒光發(fā)射的新型羅丹熒類熒光染料， 該熒光染料具有如下結構：
【主權項】
1. 一種大斯托克斯位移和近紅外熒光發(fā)射的新型羅丹熒類熒光染料，其特征在于：該 熒光染料具有如下結構：
其中，R1SHXHO烷基、取代烷基、環(huán)烷基、取代環(huán)烷基、芳基、取代芳基、（CH2CH20)nH、 (CH2)mCOOM和（CH2)mS03M、雜芳基或取代雜芳基； R2、R3、&各自獨立地選自H、C1-20烷基、C1-20烷基任意取代的苯基、C1-20烷基任 意取代的蔡基、鹵素、羥基、疏基、氛基、硝基、雜環(huán)基、鹵代烷基、烷基氣基、醜氣基、烷氧基、 (CH2CH2O)nH、（CH上COOM和（CH2)niSO3M; n、m各自為 0-12 的整數；M為H、K、Na、Li、NH4、NH3R5、NH2(R5)2、NH(R5)3 或N(R5)4 ;R5 為H、Cl-20 烷基。
2. -種權利要求1所述大斯托克斯位移和近紅外熒光發(fā)射的新型羅丹熒類熒光染料 的合成方法，其特征在于：該合成方法的具體步驟如下： (1) 中間體4-甲氧基-1，2-鄰苯二胺的合成 4-甲氧基-2-硝基苯胺溶解于甲醇中，加入還原劑和催化劑，60°C反應6-10小時得到 中間體4-甲氧基-1，2-鄰苯二胺； 其中，4-甲氧基-2-硝基苯胺與甲醇的質量比為I:15-40 ; 4-甲氧基-2-硝基苯胺與還原劑的摩爾質量比為I:2-5 ; 催化劑用量為4-甲氧基-2-硝基苯胺質量的10% ; (2) 中間體6-甲氧基喹喔啉的合成 將4-甲氧基-1，2-鄰苯二胺溶解在乙腈中，加入乙二醛溶液，60°C下反應6-10小時， 蒸去溶劑，減壓蒸餾或過中性氧化鋁柱收集淡黃色針狀中間體6-甲氧基喹喔啉； 其中，4-甲氧基-1，2-鄰苯二胺與乙腈的質量比為I:15-40 ; 4-甲氧基-1，2-鄰苯二胺與乙二醒的質量比為I:20-30 ; (3) 中間體1，4-二取代-6-甲氧基-1，2, 3, 4-四氫喹喔啉的合成 將6-甲氧基喹喔啉溶解于無水甲苯中，在5°C下慢慢加入硼氫化鈉和有機酸，5-KTC反應lh，升溫至室溫后再加熱回流5小時；反應結束后迅速倒入水中，乙酸乙酯萃取，合 并有機相后洗滌、干燥、旋轉蒸發(fā)濃縮后得到黃色的粘稠狀中間體1，4-二取代-6-甲氧 基-1，2, 3, 4-四氫喹喔啉； 其中，6-甲氧基喹喔啉與甲苯的質量比為I:20-50 ; 6-甲氧基喹喔啉與硼氫化鈉的摩爾質量比為I:5-10 ; 6_甲氧基喹喔啉與有機酸的摩爾質量比為I:30-50 ; (4) 中間體1，4-二取代-6-羥基-1，2, 3, 4-四氫喹喔啉的合成 將1，4-二取代-6-甲氧基-1，2, 3, 4-四氫喹喔啉溶解于冰醋酸和氫鹵酸中，回流反 應4-24小時，反應結束后減壓蒸餾除去溶劑，得到紅色粘稠油狀中間體1，4-二取代-6-羥 基-1，2, 3, 4，-四氫喹喔啉； 其中，1，4-二取代-6-甲氧基-1，2, 3, 4-四氫喹喔啉與冰醋酸的質量比為I:3-10 ; 1，4-二取代-6-甲氧基-1，2, 3, 4-四氫喹喔啉與氫鹵酸的質量比為I :2-5 ; (5) 新型羅丹熒熒光染料的合成 以三氟乙酸為溶劑，將步驟（4)中得到的中間體1，4-二取代-6-羥基-1，2, 3, 4-四氫 喹喔啉、2-羧基-2'，4' -二羥基二苯甲酮，酸性催化劑混合后70-170°C反應1-8小時，反 應結束后減壓蒸出溶劑，得到新型羅丹熒類熒光染料粗產品； 1，4-二取代-6-羥基-1，2, 3, 4-四氫喹喔啉、2-羧基-2'，4' -二羥基二苯甲酮、酸性 催化劑的質量比為1:1:0. 1; (6) 新型羅丹熒類熒光染料的提純 將粗產品經過柱層析分離提純后得到目標產物新型羅丹熒類熒光染料。
3. 按照權利要求2所述大斯托克斯位移和近紅外熒光發(fā)射的新型羅丹熒類熒光染料 的合成方法，其特征在于：步驟（1)中，所述的催化劑為Pt/C、雷尼鎳、鐵粉、氯化亞錫中至 少一種。
4. 按照權利要求2所述大斯托克斯位移和近紅外熒光發(fā)射的新型羅丹熒類熒光染料 的合成方法，其特征在于：步驟（1)中，所述的還原劑為氫氣、85%水合肼、鹽酸中至少一種。
5. 按照權利要求2所述大斯托克斯位移和近紅外熒光發(fā)射的新型羅丹熒類熒光染料 的合成方法，其特征在于：步驟（2)中，所述的乙二醛溶液的質量分數為40%。
6. 按照權利要求2所述大斯托克斯位移和近紅外熒光發(fā)射的新型羅丹熒類熒光染料 的合成方法，其特征在于：步驟（3)中，所述的有機酸具有如下結構： R1-COOH 其中，R1SHXHO烷基、取代烷基、環(huán)烷基、取代環(huán)烷基、芳基、取代芳基、（CH2CH20)nH、 (CH2)mCOOM和（CH2)mS03M、雜芳基或取代雜芳基；n、m各自為0-12的整數；M為H、K、Na、Li、 NH4、NH3R5、NH2 (R5)2、NH(R5) 3 或N(R5) 4 ;R5 為H、C1-20 烷基。
7. 按照權利要求2所述大斯托克斯位移和近紅外熒光發(fā)射的新型羅丹熒類熒光染料 的合成方法，其特征在于：步驟（4)中，所述的氫鹵酸為氫溴酸或氫碘酸。
8. 按照權利要求2所述大斯托克斯位移和近紅外熒光發(fā)射的新型羅丹熒類熒光染料 的合成方法，其特征在于：步驟（5)中，所述的酸性催化劑為濃硫酸、甲磺酸、對甲苯磺酸、 氯化鋅、氯化鉍中至少一種。
9. 按照權利要求2所述大斯托克斯位移和近紅外熒光發(fā)射的新型羅丹熒類熒光染料 的合成方法，其特征在于：步驟(6)中，所述的柱層析的洗脫劑為二氯甲烷氯仿、三乙胺、冰 醋酸、甲醇或它們的混合溶劑。
10. 權利要求1所述新型羅丹熒類熒光染料的應用，其特征在于：該熒光染料應用于發(fā) 光材料，生物熒光探針、生物熒光成像領域。
【專利摘要】一種大斯托克斯位移和近紅外熒光發(fā)射的新型羅丹熒類熒光染料及其合成方法，通過催化加氫還原、乙二醛縮合、硼氫化鈉還原、威爾斯邁爾甲醛化、酸催化脫甲基等反應得到中間體，再與二苯酮酸反應得到目標產物羅丹熒類熒光染料。與傳統(tǒng)熒光染料相比，本發(fā)明得到的新型羅丹熒類化合物具有較高的光穩(wěn)定性，熒光發(fā)射波長在近紅外區(qū)域(～660nm)，并具有較大的斯托克斯位移(～90nm)和較高的熒光量子產率(0.62)，可應用于發(fā)光材料/生物熒光探針和生物熒光成像等領域。
【IPC分類】C09K11-06, C09B57-00
【公開號】CN104710815
【申請?zhí)枴緾N201310689795
【發(fā)明人】徐兆超, 尹文婷, 劉曉剛
【申請人】中國科學院大連化學物理研究所
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2013年12月17日