3-取代垂直香豆素类化合物及其制备方法和应用与流程

[0001]
本发明属于杂环化合物技术领域，具体涉及一类3-取代垂直香豆素类化合物，以及该类化合物的制备方法和作为细胞染色染料的应用。


背景技术：

[0002]
香豆素是药学和光化学领域的重要化合物，迄今已发现800多种香豆素衍生物。香豆素具有抗炎、抗病毒、抗菌、抗氧化和抗肿瘤等多种生理活性，使其在生物医学领域得到广泛应用。此外，香豆素还具有出色的光学性能，如强光吸收、高荧光量子产率和大斯托克斯位移。香豆素衍生物被广泛用作聚合物材料的荧光增白剂、激光染料和着色剂。近年来，香豆素已被广泛用于染料敏化太阳能电池(dssc)，显微镜、有机发光二极管(oled)和荧光探针，逐渐引起了越来越多研究者的兴趣。共轭体系的变化将导致材料的斯托克斯位移和荧光波长发生重大变化。由于较大的斯托克斯位移可以有效避免激发光谱与发射光谱之间的严重串扰以及荧光自猝灭现象，因此有利于在生物成像中的应用。由下图所示：化合物[g]-π扩展香豆素(i)、9-(4-取代)苯氧基萘并[5,6-bc]吡喃-2,8-二酮(ii)、4-苯基-3-杂芳基香豆素(iii)、11-羟基-1-氧代萘-2-酮(iv)、1-溴-迫苯并萘并[1,2,3-de]苯并吡喃-2-酮(vi)和二苯并-1,7-二氧杂壬基-2,8-二酮(vii)均为与两个或多个苯环稠合的香豆素，由其荧光数据可知，它们具有大斯托克斯位移，长发射波长和高量子产率的荧光特征。尤其是化合物iii的荧光量子产率可达到0.64，化合物ii的最大发射波长可以达到524nm，说明多苯环稠合香豆素的优异荧光性质具有巨大的应用潜力。因此，探索一种修饰芳香稠环香豆素结构以提高其荧光性质具有非常重要的意义。
[0003]


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是提供一类具有光致发光性能的3-取代垂直香豆素类化合物。
[0005]
本发明的另一个目的是提供一种以1-溴-迫苯并萘并[1,2,3-de]苯并吡喃-2-酮类化合物为原料制备3-取代垂直香豆素类化合物的方法。
[0006]
本发明的进一步目的在于为所述3-取代垂直香豆素类化合物提供一种新的应用。
[0007]
本发明3-取代垂直香豆素类化合物为式1所示的炔苯基三聚苯并香豆素化合物或式2所示的氰基三聚苯并香豆素化合物：
[0008][0009]
式中r
1
代表氢、c
1
～c
6
烷氧基、c
1
～c
6
烷基中任意一种；r
2
代表氢、醛基、c
1
～c
6
烷基、氰基、苯基、二苯基氨基中任意一种。
[0010]
本发明式1所示的炔苯基三聚苯并香豆素化合物的制备方法为：将式3所示的1-溴-迫苯并萘并[1,2,3-de]苯并吡喃-2-酮类化合物与式4所示的苯炔类化合物溶于有机溶剂中，加入钯催化剂、铜催化剂、碱和配体，在惰性气体保护下，经sonogashira偶联反应后，减压蒸馏回收有机溶剂，用柱层析法分离纯化，得到式1所示的炔苯基三聚苯并香豆素化合物。
[0011][0012]
上述的有机溶剂为四氢呋喃、1,4-二氧六环、n,n-二甲基甲酰胺、1,2-二氯乙烷中任意一种，钯催化剂为二(三苯基膦)二氯化钯、二(氰基苯)二氯化钯、四(三苯基膦)钯中任意一种，铜催化剂为碘化亚铜或溴化亚铜，碱为三乙胺、二乙胺和二异丙基乙胺中任意一种，配体为三苯基膦和三甲基磷中任意一种。
[0013]
上述制备方法中，优选1-溴-迫苯并萘并[1,2,3-de]苯并吡喃-2-酮类化合物与苯炔类化合物、钯催化剂、铜催化剂、碱、配体的摩尔比为1.1～1.3:0.015～0.025:0.015～0.025:5～7:0.08～0.12，其中1-溴-迫苯并萘并[1,2,3-de]苯并吡喃-2-酮类化合物在有机溶剂中的浓度为10-1
～10-3
mol/l。
[0014]
上述制备方法中，所述sonogashira偶联反应的温度为65～100℃、时间为12～24小时。
[0015]
本发明式2所示的氰基三聚苯并香豆素化合物的制备方法为：将式3所示的1-溴-迫苯并萘并[1,2,3-de]苯并吡喃-2-酮类化合物与氰化亚铜溶于n-甲基吡咯烷酮中，在惰性气体保护下，加热回流，反应结束后减压蒸馏回收n-甲基吡咯烷酮，用柱层析法分离纯化，得到式2所示的氰基三聚苯并香豆素化合物。
[0016][0017]
上述制备方法中，优选1-溴-迫苯并萘并[1,2,3-de]苯并吡喃-2-酮类化合物与氰化亚铜摩尔比为1.1～1.3:0.015～0.025:0.015～0.025:5～7:0.08～0.12，其中1-溴-迫苯并萘并[1,2,3-de]苯并吡喃-2-酮类化合物在n-甲基吡咯烷酮中的浓度为10-1
～10-3
mol/l
[0018]
上述制备方法中，优选加热回流的温度为150～180℃，反应时间为0.5～2小时。
[0019]
本发明所述1-溴-迫苯并萘并[1,2,3-de]苯并吡喃-2-酮类化合物是参照文献“bioorg.med.chem.,2017,25,1652-1665”和“phys.chem.chem.phys.2014,16,18268-75”，以廉价易得的4-羟基苯并吡喃-2-酮类化合物为起始原料，经酯化、suzuki偶联、scholl反应和nbs取代反应合成，具体反应路线如下：
[0020][0021]
本发明3-取代垂直香豆素类化合物具有较强的光致发光性能，将3-取代垂直香豆素类化合物以n,n-二甲基甲酰胺作溶剂，配制成浓度为10-4
mol/l的溶液，可以对植物表皮细胞进行染色，经过荧光显微镜成像，可观察到清晰的细胞膜和细胞核。因此，本发明3-取代垂直香豆素类化合物可作为光致发光染料用于细胞染色。
[0022]
本发明的有益效果如下：
[0023]
1、本发明3-取代垂直香豆素类化合物均具有光致发光现象。化合物能否发射荧光主要取决于其分子结构。一般而言，化合物分子平面结构刚性越强，π共轭体系越大，且最低的单线态电子激发组态s1为π-π*型时，化合物普遍具有较强荧光性能。本发明所合成的多环大共轭体系的香豆素衍生物中，多个苯环与香豆素母核发生稠合，分子共轭体系明显增大；且香豆素母核所具有的稳定内酯结构，使得该类化合物发射荧光辐射的π-π*跃迁极易发生。该类化合物具有光致发光性能，它们在λ
ex
＝449～519nm激发可发射λ
em
＝528～671nm的橙红色荧光，且具有较大的stokes位移。故本发明化合物在长波方向有强的光致发光现象，是一种新型的光致发光材料，可作为荧光染料进行细胞染色。
[0024]
2、本发明3-取代垂直香豆素类化合物的制备方法具有以下优点：(1)反应条件温和，易于操作；(2)原子利用率高，产品纯化后处理工艺简单；(3)所用的设备简单，生产成本低。
附图说明
[0025]
图1是本发明化合物1在n,n-二甲基甲酰胺溶液中的荧光光谱图(10-5
mol/l)。
[0026]
图2是本发明化合物2在n,n-二甲基甲酰胺溶液中的荧光光谱图(10-5
mol/l)。
[0027]
图3是本发明化合物3在n,n-二甲基甲酰胺溶液中的荧光光谱图(10-5
mol/l)。
[0028]
图4是本发明化合物4在n,n-二甲基甲酰胺溶液中的荧光光谱图(10-5
mol/l)。
[0029]
图5是本发明化合物5在n,n-二甲基甲酰胺溶液中的荧光光谱图(10-5
mol/l)。
[0030]
图6是本发明化合物6在n,n-二甲基甲酰胺溶液中的荧光光谱图(10-5
mol/l)。
[0031]
图7是本发明化合物7在n,n-二甲基甲酰胺溶液中的荧光光谱图(10-5
mol/l)。
[0032]
图8是本发明化合物8在n,n-二甲基甲酰胺溶液中的荧光光谱图(10-5
mol/l)。
[0033]
图9是本发明化合物9在n,n-二甲基甲酰胺溶液中的荧光光谱图(10-5
mol/l)。
[0034]
图10是本发明化合物8对洋葱表皮细胞的染色图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
[0036]
实施例1
[0037]
制备化合物1～16
[0038]
向50ml玻璃反应管中加入34.9mg(0.1mmol)1-溴-迫苯并萘并[1,2,3-de]苯并吡喃-2-酮、11.2mg(0.11mmol)苯乙炔、8.34ml(0.6mmol)三苯胺、1.4mg(0.002mmol)二(三苯基膦)二氯化钯、0.38mg(0.002mmol)碘化亚酮、2.62mg(0.01mmol)三苯基膦、20ml四氢呋喃，在65℃、氩气保护下回流12小时；待冷却到室温后，减压蒸馏回收四氢呋喃，采用柱层析方法分离纯化，得到化合物1。
[0039]
向50ml玻璃反应管中加入34.9mg(0.1mmol)1-溴-迫苯并萘并[1,2,3-de]苯并吡喃-2-酮、17.91mg(0.2mmol)氰化亚铜、20mln-甲基吡咯烷酮，在180℃、氩气保护下回流1小时；待冷却到室温后，水洗萃取，减压蒸馏回收n-甲基吡咯烷酮，采用柱层析方法分离纯化，得到化合物8。
[0040]
上述化合物1的制备过程中，将苯乙炔分别用等摩尔的4-醛基苯乙炔、4-正丁基苯乙炔、4-氰基苯乙炔、4-苯基苯乙炔、4-二苯基氨基苯乙炔替换，其他步骤与化合物1的制备相同，依次得到化合物2、3、4、5、6。
[0041]
上述化合物1的制备过程中，将1-溴-迫苯并萘并[1,2,3-de]苯并吡喃-2-酮用等摩尔的1-溴-5-甲氧基迫苯并萘并[1,2,3-de]苯并吡喃-2-酮替换，其他步骤与化合物1的制备相同，得到化合物7。
[0042]
上述化合物8的制备过程中，将1-溴-迫苯并萘并[1,2,3-de]苯并吡喃-2-酮用等摩尔的1-溴-5-甲氧基迫苯并萘并[1,2,3-de]苯并吡喃-2-酮替换，其他步骤与化合物8的制备相同，得到化合物9。
[0043]
表1化合物1～7的取代基和化学名称及产率
[0044]
[0045][0046][0047]
表2化合物8、9的取代基和化学名称及产率
[0048][0049][0050]
化合物1为橙色粉末，熔点为237.0-238.9℃，结构表征结果为：
1
h nmr(400mhz,cdcl
3
)δ9.76(d,j＝7.7hz,1h),8.10(d,j＝7.2hz,1h),7.89(dd,j＝14.9,7.9hz,2h),7.76(d,j＝7.9hz,1h),7.59(d,j＝5.0hz,2h),7.47(dd,j＝17.2,7.7hz,6h),7.08(d,j＝8.0hz,1h)；
13
c nmr(101mhz,cdcl
3
)δ151.8,133.4,131.9,131.4,131.2,130.1,129.4,
129.1,128.5,127.6,127.39-127.19(m),126.5,126.2,125.9,123.1,122.9,118.2,115.4；hrms(apci):m/z理论值c
27
h
15
o
2+
[m+h]
+
371.1067,实测值371.1067；最大吸收波长λ
abs
＝460nm；荧光量子产率φ
f
＝0.20，最大激发波长λ
ex
＝458nm，最大发射波长λ
em
＝583nm。
[0051]
化合物2为橙色粉末，熔点为225.7-227.8℃，结构表征结果为：
1
h nmr(400mhz,cdcl
3
)δ10.00(s,1h),9.91(d,j＝7.7hz,1h),8.34(d,j＝7.3hz,1h),8.11(t,j＝8.5hz,2h),7.99(d,j＝7.9hz,2h),7.94(d,j＝8.0hz,1h),7.79(d,j＝7.8hz,2h),7.67(dd,j＝14.2,7.6hz,3h),7.29(s,1h)；
13
c nmr(151mhz,cdcl
3
)δ194.5,164.0,151.3,146.3,135.2,133.3,133.2,132.4,132.3,138.2,131.8,131.0,130.5,130.5,130.4,129.7,127.0,127.0,126.0,124.1,119.0,115.6,115.4,113.5,100.7,91.0,82.2,77.8；hrms(apci):m/z理论值c
28
h
15
o
3+
[m+h]
+
399.1016,实测值399.1016；最大吸收波长λ
abs
＝519nm；荧光量子产率φ
f
＝0.21，最大激发波长λ
ex
＝505nm，最大发射波长λ
em
＝671nm。
[0052]
化合物3为橙色粉末，熔点为189.4-192.3℃，结构表征结果为：
1
h nmr(400mhz,cdcl
3
)δ9.93(dd,j＝7.8,0.7hz,1h),8.33(dd,j＝11.4,3.9hz,1h),7.89(d,j＝8.3hz,1h),7.81(d,j＝7.8hz,1h),7.76-7.70(m,3h),7.69-7.61(m,5h),7.48(t,j＝7.9hz,3h),7.39(t,j＝7.3hz,2h),7.21-7.16(m,1h)；
13
c nmr(101mhz,cdcl
3
)δ164.7,150.4,144.0,142.5,139.8,134,132.1,131.4,130.9,130.5,130.2,129.0,128.1,127.3,127.1,126.8,125.8,125.4,123.5,120.7,118.9,118.4,115.8,115.7,114.7,112.8,109.9,104.3,102.2,86.7；hrms(apci):m/z理论值c
33
h
18
o
2
[m]446.1307,实测值446.1309；最大吸收波长λ
abs
＝471nm；荧光量子产率φ
f
＝0.13，最大激发波长λ
ex
＝475nm，最大发射波长λ
em
＝605nm。
[0053]
化合物4为橙色粉末，熔点为145.0-146.7℃，结构表征结果为：
1
h nmr(400mhz,cdcl
3
)δ9.94(d,j＝7.8hz,1h),8.16(d,j＝7.4hz,1h),7.93(dd,j＝13.4,8.0hz,2h),7.80(d,j＝8.0hz,1h),7.59(d,j＝8.1hz,3h),7.55-7.40(m,3h),7.23(s,1h),7.17(d,j＝8.0hz,1h),2.72-2.63(m,2h),1.65(t,j＝7.7hz,2h),1.39(dd,j＝14.9,7.4hz,2h),0.96(t,j＝7.3hz,3h)；
13
c nmr(101mhz,cdcl
3
)δ160.7,152.0,144.5,143.0,133.4,133.3,131.8,131.4,131.1,130.0,129.4,128.7,128.1,127.7,127.5,126.5,126.4,126.0,122.8,120.2,118.2,115.4,104.0,102.7,87.4,35.8,33.4,22.3,14.0；hrms(apci):m/z理论值c
31
h
23
o
2+
[m+h]
+
427.1693,实测值427.1693；最大吸收波长λ
abs
＝474nm；荧光量子产率φ
f
＝0.21，最大激发波长λ
ex
＝477nm，最大发射波长λ
em
＝585nm。
[0054]
化合物5为橙色粉末，熔点为244.0-246.7℃，结构表征结果为：
1
h nmr(400mhz,cdcl
3
)δ9.91(d,j＝7.4hz,1h),8.38(d,j＝7.3hz,1h),8.21-8.10(m,2h),7.96(t,j＝8.3hz,1h),7.74(d,j＝9.2hz,4h),7.69(s,3h),7.32(d,j＝7.9hz,1h)；
13
c nmr(101mhz,cdcl
3
)δ163.8,151.5,146.5,135.2,133.4,132.5,132.4,132.2,131.9,131.0,130.5,127.7,127.2,127.1,126.1,125.6,124.1,119.1,116.0,115.7,115.5,113.2,111.7,101.3,99.7,91.0；hrms(apci):m/z理论值c
28
h
14
no
2+
[m+h]
+
396.1019,实测值396.1019；最大吸收波长λ
abs
＝473nm；荧光量子产率φ
f
＝0.24，最大激发波长λ
ex
＝476nm，最大发射波长λ
em
＝589nm。
[0055]
化合物6为红色粉末，熔点为164.3-166.2℃，结构表征结果为：
1
h nmr(400mhz,cdcl
3
)δ9.76(d,j＝7.7hz,1h),8.15(d,j＝8.2hz,1h),7.73(d,j＝8.2hz,1h),7.66(d,j＝7.8hz,3h),7.60(d,j＝8.1hz,1h),7.48(dd,j＝8.3,1.7hz,3h),7.34(dd,j＝16.9,8.8hz,
6h),7.18(d,j＝7.7hz,6h),7.13(d,j＝7.3hz,3h),7.08(t,j＝9.0hz,4h)；
13
c nmr(101mhz,cdcl
3
)δ160.2,151.2,148.9,146.8,140.9,134.7,132.9,131.7,131.5,130.9,130.6,129.5,129.1,128.2,127.2,126.7,126.4,125.5,124.7,124.1,122.5,121.6,118.0,115.6,115.0,114.9,104.7,104.4,87.6；hrms(apci):m/z理论值c
39
h
24
o
2+
[m+h]
+
538.1802,实测值538.1802；最大吸收波长λ
abs
＝486nm；荧光量子产率φ
f
＝0.39，最大激发波长λ
ex
＝487nm，最大发射波长λ
em
＝596nm。
[0056]
化合物7为橙色粉末，熔点为248.5-250.3℃，结构表征结果为：
1
h nmr(400mhz,cdcl
3
)δ9.91(d,j＝7.3hz,1h),8.14(d,j＝7.4hz,1h),8.00(d,j＝7.9hz,1h),7.86(d,j＝7.8hz,1h),7.72(s,1h),7.71(s,1h),7.61(d,j＝4.0hz,1h),7.56(t,j＝7.8hz,2h),7.48(d,j＝2.3hz,1h),7.45(d,j＝2.2hz,2h),6.64(d,j＝2.3hz,1h),3.92(s,3h)；
13
c nmr(101mhz,cdcl
3
)δ162.7,152.9,146.0,136.2,134.7,133.8,133.7,133.2,132.9,131.6,131.2,130.9,130.8,130.6,129.4,128.7,126.7,126.0,123.8,118.5,115.7,112.8,110.0,106.7,102.2,100.2,86.0,55.9；hrms(apci):m/z理论值c
28
h
17
o
3
+[m+h]
+
401.1172,实测值401.1172；最大吸收波长λ
abs
＝472nm；荧光量子产率φ
f
＝0.23，最大激发波长λ
ex
＝474nm，最大发射波长λ
em
＝583nm。
[0057]
化合物8为黄色粉末，熔点为243.5-244.0℃，结构表征结果为：
1
h nmr(400mhz,cdcl
3
)δ9.47(d,j＝7.3hz,1h),8.52(d,j＝7.5hz,1h),8.29(d,j＝8.0hz,1h),8.22(d,j＝8.0hz,1h),8.08(d,j＝8.0hz,1h),7.81(dt,j＝23.4,7.9hz,3h),7.34(d,j＝8.1hz,1h)；
13
c nmr(101mhz,cdcl
3
)δ162.5,153.4,152.7,138.5,135.3,133.0,132.6,132.1,127.8,127.1,126.4,126.3,122.9,119.7,118.4,116.1,115.6,114.4,112.8,110；hrms(apci):m/z理论值c
20
h
10
no
2+
[m+h]
+
296.0706,实测值296.0706；最大吸收波长λ
abs
＝464nm；荧光量子产率φ
f
＝0.8，最大激发波长λ
ex
＝470nm，最大发射波长λ
em
＝546nm。
[0058]
化合物9为黄色粉末，熔点为250.0-252.3℃，结构表征结果为：
1
h nmr(400mhz,cdcl
3
)δ9.37(d,j＝7.7hz,1h),8.41(d,j＝7.4hz,1h),8.24(d,j＝8.0hz,1h),8.06(d,j＝8.0hz,1h),7.74(dd,j＝17.9,8.0hz,2h),7.67(s,1h),6.80(s,1h),4.04(s,4h)；
13
c nmr(101mhz,cdcl
3
)δ165.6,155.0,152.9,138.1,134.4,133.2,132.9,131.9,127.7,127.0,126.2,122.8,118.4,115.6,112.7,109.9,108.7,107.2,100.9,84.6,56.3；hrms(apci):m/z理论值c
21
h
12
no
3+
[m+h]
+
326.0812,实测值326.0812；最大吸收波长λ
abs
＝449nm；荧光量子产率φ
f
＝0.36，最大激发波长λ
ex
＝448nm，最大发射波长λ
em
＝528nm。
[0059]
实施例2
[0060]
本实施例中，用等体积的1,4-二氧六环替换实施例1中的四氢呋喃，其他步骤与实施例1相同，得到化合物1～7，各化合物的产率见表3。
[0061]
表3以1,4-二氧六环为溶剂时化合物1～7的产率
[0062]
化合物1化合物2化合物3化合物460％45％44％36％化合物5化合物6化合物7 47％59％50％ [0063]
实施例3
[0064]
本实施例中，用等体积的n,n-二甲基甲酰胺替换实施例1中的四氢呋喃，其他步骤
[0083]
实施例8
[0084]
化合物1～9作为光致发光材料的应用
[0085]
发明人采用horiba-fm4型荧光分光光度计对化合物1～9进行了光致变色性能试验，试验方法为：室温下，将化合物1～9分别配制成浓度为10-4
mol/l的n,n-二甲基甲酰胺溶液，在激发/发射狭缝宽度为2.5nm/2.5nm，扫描速度为600nm/min的条件下测定其液体荧光，所得荧光光谱见图1～9。由图1～9可见，化合物1在n,n-二甲基甲酰胺溶液中的荧光：λ
ex
＝458nm、λ
em
＝583nm，化合物2在n,n-二甲基甲酰胺溶液中的荧光：λ
ex
＝477nm、λ
em
＝585nm，化合物3在n,n-二甲基甲酰胺溶液中的荧光：λ
ex
＝476nm、λ
em
＝589nm，化合物4在n,n-二甲基甲酰胺溶液中的荧光：λ
ex
＝487nm、λ
em
＝596nm，化合物5在n,n-二甲基甲酰胺溶液中的荧光：λ
ex
＝474nm、λ
em
＝583nm，化合物6在n,n-二甲基甲酰胺溶液中的荧光：λ
ex
＝505nm、λ
em
＝671nm，化合物7在n,n-二甲基甲酰胺溶液中的荧光：λ
ex
＝475nm、λ
em
＝605nm，化合物8在n,n-二甲基甲酰胺溶液中的荧光：λ
ex
＝470nm、λ
em
＝544nm，化合物9在n,n-二甲基甲酰胺溶液中的荧光：λ
ex
＝448nm、λ
em
＝528nm。试验结果表明，本发明化合物以λ
ex
＝448～505nm激发时，在528～671nm范围内能够发射荧光，且具有较大的stokes位移，具有强的光致发光性能。
[0086]
将化合物8用n,n-二甲基甲酰胺作溶剂，配制为浓度为10-4
mol/l的溶液，滴加在洋葱表皮细胞上进行染色，经过蓝光、绿光照射时细胞核和细胞膜分别发绿色和红色荧光，染色效果见图10，说明其可作为洋葱表皮细胞的染料，用于观察洋葱表皮细胞的细胞膜和细胞核成像。

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