[发明专利]一种金刚烷基修饰的近红外方酸染料及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于有机化学领域，具体涉及一种金刚烷基修饰的近红外方酸染料及其制备方法和应用。

背景技术

近红外荧光染料的发射波长在650-900 nm之间，在该范围内生物分子自身荧光较弱，可避免生物背景干扰而获得较高的分析灵敏度（施锋; 李宏洋; 彭孝军. 生物分析用近红外荧光染料研究进展. 精细化工2003, 20, 268-272.），并且波长>650 nm的红光可以穿透动物皮肤和组织，因此近红外染料作为荧光探针在生物分析和细胞成像中的应用引起了广泛关注。方酸染料是由方酸与富电子芳基化合物或苯胺衍生物缩合生成的1,3-二取代衍生物。该类化合物的显著特征是在可见光至近红外光区有窄而强的吸收带和较高的量子产率。这种光电特性主要来源于分子内强烈的供体-受体-供体（donor-acceptor-donor）间的电荷迁移作用。近年来，方酸染料以其优异的光学性能、良好的光稳定性备受关注，成为功能染料研究的热点之一。但像大多数近红外染料一样，它们有一个低的HOMO-LUMO能带，因此中心四元环的1,3-位容易受亲核试剂进攻而褪色；另外，方酸染料的平面结构使其在极性溶剂中容易聚集，从而引起吸收带展宽和荧光淬灭。这两个特征限制了它在生物领域的一些应用。有一种方法可以同时解决这些问题，就是将方酸染料包合在有保护作用的分子容器内，如大环化合物。Smith等在这方面做了较系统的研究，并对其合成、结构、性质以及应用做了综述（Arunkumar, E.; Forbes, C. C.; Smith, B. D. Improving the Properties of Organic Dyes by Molecular Encapsulation. Eur. J. Org. Chem. 2005, 4051-4059.）。Smith等合成的方酸染料－轮烷化合物，大环的两个亚二甲苯基几乎平行地落在亲电的中心四元环的两面，阻断了亲核试剂的进攻；含吡啶基的大环由于吡啶的氮原子可以与酰胺基上的氢形成分子内的氢键，其结构更加刚性、紧凑，可以提供更多的空间保护，从而导致更高的化学稳定性（Collins, C. G.; Peck, E. M.; Kramer, P. J.; Smith, B. D. Squaraine Rotaxane Shuttle as a Ratiometric Deep-Red Optical Chloride Sensor. Chem. Sci. 2013, 4, 257-2563; Gassensmith, J. J.; Baumes, J. M.; Smith, B. D. Discovery and Early Development of Squaraine Rotaxanes. Chem. Commun. 2009, 6329-6338.）。另外，由于大环的立体效应，使方酸染料彼此不易靠近，降低了分子间的电荷转移作用，因此在容易聚集的溶剂中，方酸染料仍显示相对窄的吸收峰（Arunkumar, E.; Forbes, C. C.; Noll, B. C.; Smith, B. D. Squaraine-Derived Rotaxanes: Sterically Protected Fluorescent Near-IR Dyes. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 3288-3289.）。

金刚烷具有高度对称的刚性结构，以及亲脂的性质，因此金刚烷基的引入给方酸染料带来一些独特的性质。由于金刚烷骨架的直径大约为0.7 nm，与β-环糊精的空腔尺寸（0.7~0.8 nm）匹配，因此金刚烷衍生物能与β-环糊精形成较稳定的包合物，不仅改善了它们在水中的溶解性，而且β-环糊精的立体保护作用抑制了方酸染料分子在纯水溶剂中的聚集，使得荧光得以保持。