三丹磺酰基取代1,4,7-三氮环壬烷的合成与荧光性质*

方 霄，王宇静，汪清清，周 婷，王小波**

(1.湖北科技学院医学部药学院，湖北 咸宁437100；2.湖北科技学院核技术与化学生物学院)

在环境和生命体系中，广泛存在的各种活性小分子在维持环境的动态平衡及调控生物体的生理活动中扮演着重要角色。这些物质的含量通常须维持在一定范围，若异常波动则将破坏环境系统，直接或间接导致生物体机能失调，甚至产生严重的不可逆疾病。此外，生命体内微环境的极性异常(如局部水含量偏少或过多)也与多种疾病的形成与发展密切相关，如肝硬化、肿瘤与多囊性肾病等[1-3]。因此，对环境中水分的定性、定量检测及生命体系中某些特定部位的极性检测具有重要意义。

荧光探针技术是近年来发展迅速的一种光化学检测分析手段，具有灵敏度高、选择性好、能实现原位检测和操作简单等特点，在环境监测、医学诊断、生命体系中的荧光成像等领域发挥了巨大作用[4-8]。丹磺酰基由于性质稳定和斯托克斯位移大而被广泛用于制备各种小分子荧光探针[9-13]。

本文以丹磺酰氯为起始原料，与经典的三氮环1,4,7-三氮环壬烷(TACN)通过简单反应得到三丹磺酰基-1,4,7-三氮环壬烷(TD3)，以荧光分光光度计检测其在不同溶剂体系下的发射光谱，探索极性对TD3的发射波长及荧光强度的影响，为后续研究开发丹磺酰类荧光探针提供有益的参考。

1 材料与方法

1.1 主要仪器与试剂

油浴锅，旋转蒸发仪，PHS-3C型pH计，微样进液枪，DRX-400核磁共振仪(德国Bruker公司)，LCQ电喷雾质谱仪(ThermoFisher公司)，荧光分光光度计(日立F-4700)。

二甲亚砜、四氢呋喃、乙醇、乙腈、碳酸钾、氢氧化钠、无水硫酸钠、氯仿、层析柱硅胶均购自国药集团。1,4,7-三氮环壬烷盐酸盐、丹磺酰氯、氘代氯仿等均购买于安耐吉试剂公司。

1.2 三丹磺酰基-1,4,7-三氮环壬烷(TD3)的合成

1,4,7-三氮环壬烷盐酸盐(9.20g,38.8mmol)溶解于20mL去离子水后置于冰水浴中，分批加入氢氧化钠颗粒(4.30g,2.8eq.)，调pH至13。产物用氯仿萃取3次，每次萃取约2h(3×30mL)，合并氯仿层，加无水硫酸钠过夜，抽滤后滤液减压旋蒸，得淡黄色油状物即1,4,7-三氮环壬烷，产率为58.0%。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ2.78(s,12H)，13C NMR(100MHz,CDCl3):δ47.58，合成路线见图1。

图1 三丹磺酰基-1,4,7-三氮环壬烷(TD3)的合成路线

将丹酰氯(2.50g,9.6mmol)溶于20mL 氯仿中，加入碳酸钾(1.50g,10.8mmol)后于60℃下搅拌。三氮环(0.40g,3.1mmol)溶于10mL氯仿，置于恒压滴液漏斗中缓慢滴加，滴完后继续反应6h。冷至室温，抽滤。溶液依次以饱和碳酸氢钠溶液(20mL×3)和ddH2O(20mL×2)洗涤，收集有机相，加无水硫酸钠，放置过夜。抽滤，旋干溶液，得到淡黄色粗产物。用硅胶柱对粗产物纯化，洗脱体系为氯仿∶甲醇=20∶1，得黄色粉末即为三丹磺酰基-1,4,7-三氮环壬烷TD3，产率为54.0%。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ2.89(s,12H),3.63(s,8H),7.18(d,J=8.0Hz,4H),7.51(t,J=8.0Hz,6H),7.56(t,J=8.0Hz,6H),8.03(d,J=8.0Hz,4H),8.46(d,J=8.0Hz,4H),8.57(D,J=8.0Hz,4H)。13C NMR(100MHz,CDCl3):δ45.66,51.20,115.48,119.71,123.17,128.42,129.28,130.32,133.73,151.72。ESI-MS(阳离子模式,m/z):理论值828.28,实测值851.74，该峰归属为[TD3+Na]+。

图2 TD3在CDCl3中的1H NMR图谱

1.3 荧光光谱测试

选定溶剂为纯二甲基亚砜、纯乙醇、纯乙腈及纯四氢呋喃，配制TD3浓度均为10μmol/L的待测溶液。同样配制一系列浓度梯度的THF/H2O及DMSO/H2O混合溶剂，并配制成TD3浓度为10μmol/L的待测液。用移液枪吸取2mL待测溶液于石英荧光比色皿中，使用荧光分光光度计测定其发射光谱，测试温度为室温。

2 结 果

2.1 TD3在纯有机溶剂中的荧光发射光谱研究

在激发波长345nm下，观测了TD3在二甲亚砜、乙醇、乙腈及四氢呋喃溶剂中的发射波长分别为534nm、525nm、524nm和503nm，如图3所示。在紫外光下(激发波长：365nm)，肉眼可见4种TD3溶液的颜色也呈现明显差异(图3内嵌图)。

图3 TD3在不同溶剂中的发射光谱图(内嵌图A-D分别为DMSO、EtOH、CH3CN、THF)

2.2 TD3在混合溶剂中的荧光发射光谱研究

选择二甲基亚砜和四氢呋喃，通过调整二甲基亚砜及四氢呋喃在水溶液中比例，我们进一步验证了随着极性的变化，TD3的荧光发射光谱的变化情况。如图4(A)所示，对于DMSO/H2O体系，在DMSO(100%)、DMSO(80%)和DMSO(60%)混合溶剂中，TD3的最大发射波长分别为532nm、533nm和537nm。可看到，发射峰相比纯DMSO溶剂体系逐渐红移，且荧光强度呈降低趋势。当DMSO含量由60%继续降至40%时，荧光强度迅速增强且伴随着发射峰的蓝移。在低DMSO含量区间(40%、20%、10%)，TD3的最大发射波长分别为501nm、503nm和501nm，基本无变化，但荧光强度逐渐降低。

图4 TD3在DMSO/H2O(A)和THF/H2O(B)混合溶剂中的发射光谱图

类似地，如图4(B)所示，对于THF/H2O体系，TD3随着THF浓度降低，波长分别为503nm(100%THF)、521nm(80%THF)、525nm(60%THF)、528nm(40%THF)、509nm(20%THF)、505nm(10%THF)，发射峰会出现先红移后蓝移的现象，并且在红移的同时伴随着荧光强度的降低，蓝移的同时伴随着荧光强度的增强，最终在THF∶水=1∶9体系中，最大发射波长蓝移至接近于100%THF体系时的数据。

3 讨 论

实验结果表明，在不同纯有机溶剂中TD3溶液颜色的明显差异是由于随着溶剂极性的增强，TD3分子在溶剂中的聚集形态不同，导致了发射波长不断红移。可能原因是TD3分子激发态的极性强于基态，溶剂极性增强致使激发态与基态之间的能量差降低，进而使得荧光发射峰随溶剂极性的增强而出现了较明显的红移现象[14]。

在混合溶剂体系中，TD3的荧光发射光谱结果表明，发射峰蓝移现象可能是由于极性的增加导致基态分子比激发态分子的稳定性更好，出现负溶致变色现象[15]。随着调节混合溶剂的比例来改变极性，光谱的结果会呈现相应的改变。这与在纯单一溶剂中测试所得结果一致，更进一步验证了溶剂的种类、极性对TD3发射光谱有着显著影响。

综上所述，本文设计并合成了丹磺酰基取代的大环多胺类化合物—三丹磺酰基-1,4,7-三氮环壬烷(TD3)，并通过NMR、质谱等手段进行了结构确认，详细研究了纯有机溶剂及混合溶剂下TD3的荧光发射光谱。结果表明，TD3具有明显的溶致变色效应，可通过改变溶剂及调节混合溶剂的比例来调节其最大发射波长和荧光强度，这为后续研究新型基于丹磺酰胺的极性荧光探针提供了实验借鉴。