论文部分内容阅读
含氮杂环化合物具有广泛的生物活性,是药物化学研究的热点。本论文导师课题组在发展新型含氮杂环化合物的合成方法以及研究其生物活性的过程中,发现由多组分反应合成的产物新型五取代四氢嘧啶(tetrahydropyrimides,THPs)具有很强的聚集诱导发光(aggregation-indudec emission,AIE)特性。有机小分子荧光化合物在分析检测、显示等方面具有灵敏度高、选择性高、易于检测等优势,被广泛地应用于环境检测、分子分析、生物荧光成像、定量定性分析、化学/生物荧光探针的制备等多种领域。荧光化合物一般在稀溶液中具有很高的发光效率,但在浓溶液中或聚集态时,荧光减弱甚至淬灭,即通常说的聚集淬灭效应(aggregation-caused quenching,ACQ)。由于荧光化合物的应用通常需要一定浓度以及需要在聚集态下使用。因此ACQ效应极大的限制了荧光化合物的用途。AIE是2001年由香港科技大学唐本忠院士课题组发现并命名的一种发光特性。AIE是恰好与ACQ相反,即在溶液中不发光,但聚集时却荧光很强的奇特性质。自AIE发现以来的短短十几年中,具有AIE特性的化合物已在多种领域中应用,尤其是在化学/生物检测及成像分析中,显示了其独特的优势。研究发现AIE化合物一般具有多个与π-共轭体系相连的芳基转子。THPs是一类结构独特的AIE化合物,其共轭程度很低,π-共轭体系没有连接芳基转子,但荧光量子率却可高达93%。独特的结构常常具有独特的性质与用途,本论文通过设计合成对THPs的光学性质及应用进行了详细的研究。另外,本论文还对另外一类结构简单,但却在溶液中和聚集态下都具有很高发光效率的1-烷基-3-烷基氨基马来酰亚胺(maleimides,MIs)的光学特性与应用进行了研究。本论文共分五章。第一章为绪论,介绍有机小分子荧光化合物普遍存在的ACQ现象及其分子结构特征、产生机理以及在应用中的限制;AIE现象及其分子结构特征、产生机理以及在多种应用领域中的优势;本论文的研究目的、内容及意义。第二章为THPs作为离子型表面活性剂临界胶束浓度(critical micelle concentration,CMC)荧光探针的设计、合成及结构对探针灵敏度及CMC影响的研究。THPs是本课题组在2013年发展的一种高效简单的五组分反应(five-component reaction,5CR)产物,具有很强的AIE效应。即在溶液中几乎无光,但聚集时却发很强的荧光。本题组发现THPs可以作为独特而灵敏的表面活性剂临界胶束浓度荧光点亮探针,即通过荧光最强处的突变点来确定CMC值。此前报道的通过荧光强度变化测定CMC的荧光探针均为荧光淬灭探针,即通过荧光最弱的突变点来确定CMC值。本论文通过设计、合成THPs,研究其结构对CMC值及其荧光灵敏性的影响。研究结果表明所合成的16种THPs均能作为CMC荧光点亮探针,还发现4-CF3基团能使THPs检测CMC的浓度降低到0.7μM。第三章为THP-1的温度感应特性及其作为温度荧光探针的应用研究。温度是影响物理化学过程及生物代谢过程的一个基本的物理参数。因此,无论是科学研究还是日常生活都离不开温度的测量,温度传感器占世界传感器市场75-80%。不同环境或研究对象需要用不同的温度传感器。随着分子生物学、蛋白组学、医学、科学仪器等学科和技术的快速发展,多种研究领域已深入到微观动态的监测过程,如对生物代谢过程及疾病的研究已深入到生物细胞内分子变化的过程。这些发展对温度测量提出了新的挑战:实时及远距离测量微观环境的温度及温度分布。通过局部接触测量温度的传统传感器,如基于物质热胀冷缩体积变化的温度传感器、基于热电效应(Seebeckeffect)设计的热电偶温度指示器等,已无法满足这些学科发展的需要。在这方面,具有超高灵敏度(可以检测单分子)、极快响应速度(10-8-10-10s)、极高空间分辨率(亚微米)、安全远程测量等优点的荧光分子或纳米温度传感器受到了极大的关注。对于有机小分子荧光化合物而言,对热刺激敏感和可逆的固态荧光强度/颜色的突变是罕见的。研究发现1,2,3-三苯基-4,5-甲酸乙酯基-1,2,3,6-四氢嘧啶(THP-1)的两种同质多晶可以用作独特而灵敏的温度探针,即以不同的红边激发波长(Red-edge wavelengths,λred)激发时,它们可以在不同的温度范围内发生灵敏的荧光强度/颜色的突变,并且荧光强度与温度成很好的线性依赖关系。第四章为1,3-二丁基氨基马来酰亚胺(MI-1)的荧光性质研究。有机小分子荧光化合物一般具有含芳香基团的共轭结构。马来酰亚胺衍生物是一类广泛存在于自然界,并且具有良好生物活性和荧光特性,被广泛应用于生物领域和发光材料中的化合物。跟其它有机小分子荧光化合物一样,MIs荧光化合物一般具有含芳香基团的共轭结构。只有O’Reilly研究组报道了一类分子中不含芳香基团硫代MIs。并且该研究组只简单地报道了该类化合物在溶液中的光学性质,而没有报道该类化合物聚集态的光学性质以及其发光机理。本课题组在发展多组分反应的过程中发现1,3-二丁基氨基马来酰亚胺在薄层板上发很亮的荧光,这种荧光在日光下也能观察得到。为什么这么简单、共轭体系中不含芳香基的小分子会发这么强的荧光呢?本论文详细研究了 MI-1在不同溶液中及其固体的光学性质。并通过单晶结构以及结构设计与合成,研究了其发光机理。MI-1在不同溶剂中都具有良好的溶解性,其在非质子性溶剂中的荧光量子产率高达70%,而在质子性溶剂中仅有0.1%左右。我们发现MI-1可用于测定有机溶剂中微量的含水量。这是因为在有机溶剂中含水量为0-0.5%的范围内,MI-1的荧光强度及发射波长随含水量的增加分别明显地减弱与红移,并分别与水的含量成很好的线性关系。根据实验结果,可以推断MI-1的固体荧光主要产生于其由分子间N-H...O氢键形成的二聚体;在非极性溶剂中的荧光产生于其由分子内N-H...O及C-H...O氢键形成的刚性稠合环结构;而在质子溶剂中的荧光急剧减弱是因为分子内N-H...O及C-H...O氢键被破坏所致。第五章为烷基取代MIs作为CMC和铁离子荧光探针的研究。表面活性剂具有多种特性,如润湿、洗涤、耐腐蚀、溶解、分散、抗静电等。因此,表面活性剂被广泛应用于多种领域,如药物化学、合成化学、材料科学、生物学等。在一定的浓度下,即在CMC下,表面活性剂开始形成热力学稳定的胶束,同时,各种性质发生显著的变化。因此,CMC的测定在实际应用中具有非常重要的意义,它是物理化学和分析化学研究的一个热点。金属离子被广泛应用于化学、生物医学和环境科学等领域。其中铁元素是地壳含量第二的金属元素,同时也是人体必需的微量元素之一。铁元素在人体中主要以Fe2+和Fe3+的离子形式存在,而Fe3+在生物体的代谢过程中起重要作用,许多涉及铁酶和氧代谢反应、电子传递和线粒体呼吸都与Fe3+有关。鉴于烷基取代氨基MIs在各种溶剂中很好的溶解性及对溶剂灵敏的荧光响应,本论文对烷基取代氨基MIs作为CMC和铁离子荧光探针的应用进行了研究。发现1-丁基-3-苄基氨基马来酰亚胺(MI-4)可以用作荧光强度和发射波长双指示的CMC荧光探针;1,3-二羟乙基氨基马来酰亚胺(MI-5)可以作为Fe3+荧光探针。