香豆素單取代蔗糖衍生物的合成及其熒光性能*

任 振, 席海濤, 繆春寶, 孫小強

(江蘇工業(yè)學院 精細化工重點實驗室,江蘇 常州 213164)

近幾年來，以蔗糖為原料經(jīng)過化學或生物途徑開拓蔗糖非食品用途所占的比例在逐漸增加[1～3]。瑞典糖業(yè)公司開發(fā)的生物活性碳水化合物可治膀胱炎，日本C.S.KK制藥公司開發(fā)了硫糖鋁，英國塔萊公司開發(fā)的蔗糖酯洗滌劑，美國Kelco公司開發(fā)的黃原膠等，都已投入商業(yè)化生產(chǎn)[4]。以蔗糖為原料加工的產(chǎn)品，最大優(yōu)點是無毒、安全性好，符合當前綠色化學和可持續(xù)發(fā)展的要求[5]。香豆素類化合物不僅具有優(yōu)良的生理活性[6]，而且具有優(yōu)異的光學特性，是很好的熒光增白劑、激光燃料、熒光探針和非線性光學材料[7，8]。

本文以蔗糖和7-羥基-4-甲基香豆素(1)為原料，通過蔗糖的酯化和醚化反應(yīng)[9～13]，成功的合成了新穎的具有熒光功能的單羥基取代的蔗糖香豆素酯(3a)和單羥基取代的蔗糖香豆素醚(3b, Scheme 1),其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR, IR和LC-MS表征。并對其熒光性能進行了考察，研究結(jié)果表明，3a和3b均具有較強的熒光強度，且熒光強度對pH的變化較為敏感，可選擇性地識別Fe3+。

3a,3b

Comp3a3b-ORO-OOH or OOO-OOH or OHOOO

Scheme1

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

XT4-100X型顯微熔點儀(溫度未校正)；Bruker ARX-500 MHz型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑,TMS為內(nèi)標)；FT-IR型紅外光譜儀(KBr壓片)；島津LCMS-2010EV型液相色譜質(zhì)譜儀(LC-MS); VARIAN-CARY型熒光光譜儀(293 K,λex=315 nm, 激發(fā)電壓600 V，激發(fā)狹縫5 nm，發(fā)射狹縫為5 nm)。

所用試劑均為市售分析純。

1．2 合成

(1) 7-氧代-4-甲基香豆素乙酸甲酯(2a)的合成[14]

在三口瓶中加入1 1.41 g(8 mmol),溴乙酸甲酯1.23 g(8 mmol), K2CO3(粉)1.12 g(8 mmol)和丙酮30 mL，攪拌下回流反應(yīng)2 h。過濾，濾液旋除溶劑，殘余物用無水乙醇重結(jié)晶得白色固體2a0.86 g，收率43%, m.p.160.6 ℃～160.9 ℃;1H NMRδ: 7.54(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 6.92(dd,J=8.8 Hz, 2.6 Hz, 1H, ArH), 6.78(d,J=2.6 Hz, 1H, ArH), 6.17(s, 1H, CH), 4.71(s, 2H, CH2), 3.83 (s, 3H, OCH3), 2.41 (s, 3H, CH3)。

(2) 7-甲氧基-4-甲基香豆素-1,2-環(huán)氧丙烷(2b)的合成[15]

在三口瓶中加入1 3.5 g(20 mmol),無水乙醇100 mL和KOH 1.4 g(25 mmol)的水(5 mL)溶液,攪拌30 min后緩慢滴加環(huán)氧氯丙烷20 mL(255 mmol)，滴畢，于55 ℃～60 ℃反應(yīng)3 h。倒入燒杯中，加水至不再析出白色沉淀為止，過濾，濾餅用無水乙醇重結(jié)晶得白色固體2b2.62 g，產(chǎn)率56%, m.p.124.0 ℃～125.0 ℃;1H NMRδ: 7.71(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 7.02(s, 1H, ArH), 7.01 (d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 6.22(s, 1H, CH), 4.48(dd,J=10.0 Hz, 2.5 Hz, 1H, ArOCH2), 3.96(dd,J=10.0 Hz, 5.0 Hz, 1H, ArOCH2), 3.36～3.37(m, 1H, OCH), 2.86～2.88(m, 1H, OCH2), 2.73～2.74(m, 1H, OCH2), 2.40(s, 3H, CH3)。

(3) 蔗糖香豆素酯(3a)的合成

在三口瓶中加入蔗糖0.34 g(1 mmol),2a0.124 g(0.5 mmol), K2CO30.02 g(0.15 mmol)和干燥的DMF 2 mL,攪拌下于室溫反應(yīng)3 h(TLC跟蹤)。反應(yīng)混合物經(jīng)柱層析[洗脫劑:A=V(丙酮) ∶V(乙酸乙酯) ∶V(乙酸) ∶V(水)=2.5 ∶7.0 ∶0.6 ∶0.5]分離，旋去溶劑得白色固體3a0.11 g,收率37%;1H NMRδ: 7.70(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 7.00(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 6.99(s, 1H, ArH), 6.22(s, 1H, CH), 5.18(d,J=5.0 Hz, 1H, CH1g), 4.97(m, 2H, OCH2), 4.37～3.05(m, 13H), 2.39(s, 3H, CH3); IRν: 3 417, 2 924, 2 854, 1 721, 1 615, 1 561, 1 153, 1 057, 941, 850 cm-1; MSm/z: 581{[M+Na]+}。

(4) 蔗糖香豆素醚(3b)的合成

在裝有攪拌的小試管中投入蔗糖1.36 g(4 mmol)和H2O 0.4 mL(形成80%蔗糖黏液),2b0.46 g(2 mmol), NMM(N-甲基嗎啉)0.06 g(0.59 mmol)和CTAB(十六烷基三甲基溴化銨)0.2 g(0.55 mmol),攪拌下于110 ℃反應(yīng)6 h(TLC跟蹤)。反應(yīng)混合物經(jīng)柱層析[洗脫劑:A=2.5 ∶8.0 ∶0.5 ∶0.4]分離分離，旋去溶劑得白色固體3b0.26 g,收率23%;1H NMRδ: 7.69(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 7.00(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 6.96(s, 1H, ArH), 6.20(s, 1H, CH), 5.18(d,J=5.0 Hz, 1H, CH1g), 4.16～3.36(m, 18H), 2.39 (s, 3H, CH3); IRν: 3 395, 2 928, 1 576, 1 422, 1 138, 1 052, 923, 849 cm-1; MSm/z: 597{[M+Na+}。

2 結(jié)果與討論

2.1 3的結(jié)構(gòu)確定

1H NMR分析結(jié)果表明，3a和3b均在5.18處出現(xiàn)葡萄糖1-位次甲基質(zhì)子信號峰[16]，其積分面積與低場區(qū)域7.70(7.69)處出現(xiàn)的苯環(huán)質(zhì)子峰的積分面積比為1 ∶1，由此可知3a為單羥基取代的蔗糖香豆素酯,3b為單羥基取代的蔗糖香豆素醚。

2.2 2與3的熒光發(fā)射光譜比較

測定1.0×10-4mol·L-12(或3)乙醇溶液的熒光光譜(圖1)。從圖1可以看出，與2比較，3的最大發(fā)射波長發(fā)生了紅移且熒光強度大大加強。 其原因可能是香豆素被蔗糖包裹，分子剛性增大，受光激發(fā)時香豆素分子的骨架振動減弱，導(dǎo)致吸收的光子能量以非輻射形式損耗較少，從而使3的熒光量子產(chǎn)率比2高。

2.3 3的熒光強度與濃度的對應(yīng)關(guān)系

以乙醇為溶劑，考察3的濃度對熒光強度的影響，結(jié)果見圖2。由圖2可知，在較低濃度下熒光強度隨濃度的增加而增加，c(3a)為8.0×10-5mol·L-1時熒光強度達到最大值，之后隨濃度的增大而減小直至猝滅。c(3b)為1.3×10-4mol·L-1時熒光強度達到最大值，之后隨濃度的增大而減小直至猝滅。這主要是因為在低濃度的溶液中體系中的分子之間的碰撞產(chǎn)生的動態(tài)猝滅可以忽略。相反在高濃度的溶液中體系分子之間通過分子碰撞產(chǎn)生自猝滅。

λ/nm

λ/nm圖 1 2和3的熒光光譜圖*Figure 1 Fluorescence spectra of 2 and 3*以乙醇為溶劑,c=1.0×10-4 mol·L-1

c(3a)/×10-6 mol·L-1

c(3b)/×10-6 mol·L-1圖 2 c(3)對熒光強度的影響*Figure 2 Effect of c(3) on fluorescence intensity*以乙醇為溶劑

pH

pH圖 3 pH值對3熒光強度的影響*Figure 3 Effect of pH value on fluorescence intensity of 3*以乙醇為溶劑,c(3)=3.0×10-5 mol·L-1

2.4 pH對3的熒光性能的影響

以乙醇為溶劑，c(3)=3.0×10-5mol·L-1，考察pH對3的熒光性能的影響，結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，3的熒光強度均隨溶液的酸度強弱變化 ，且酸性越強熒光強度越強。由于生命活動過程通常只能在一定的pH范圍內(nèi)進行，因而這種與pH值相關(guān)且無毒的熒光功能化合物，對于生物體內(nèi)微環(huán)境的pH測定具有潛在的應(yīng)用價值。

2.5 3對Fe3+的識別

以乙醇為溶劑，c(3)=3.0×10-5mol·L-1,滴加1倍當量的金屬離子(M=Fe3+, Zn2+, K+, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Hg2+, Cr3+和Mn2+),考察3對M的識別能力。實驗結(jié)果表明，只有加入Fe3+時，乙醇溶液的熒光強度出現(xiàn)不同程度的減弱;其余M對熒光強度無明顯影響。進一步考察3對Fe3+的識別能力，結(jié)果見圖4。由圖4可知，乙醇溶液的熒光強度隨著Fe3+濃度的增加而減弱，當Fe3+當量增加到20倍時，其熒光強度接近完全猝滅。因此3對Fe3+能較好識別。3在尋找識別Fe3+的無毒熒光探針方面具有潛在的應(yīng)用價值。

λ/nm圖 4 3對Fe3+的識別*Figure 4 Identification ability of 3 on Fe3+*以乙醇為溶劑,c(3)=3.0×10-5 mol·L-1

3 結(jié)論

合成了未見文獻報道的單羥基取代的蔗糖香豆素酯和單羥基取代的蔗糖香豆素醚,其熒光量子產(chǎn)率高于對應(yīng)的香豆素衍生物，且熒光強度隨pH值的增大變?nèi)?能較好識別Fe3+。這些特性為研究生物體內(nèi)的熒光示蹤提供了實驗基礎(chǔ)。在蔗糖上引入無毒的熒光基團，豐富了蔗糖深加工產(chǎn)品的種類。

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