1、 Univ.Chem.2023,38(4),151159 151 收稿：2022-11-29；录用：2023-01-04；网络发表：2023-03-20 共同第一作者，对本文工作同等贡献*通讯作者，Email: 基金资助：华中科技大学校级教学研究项目(2019028)；国家自然科学基金(21901079)；华中科技大学自主创新基金(2019kfyXJJS069)化学实验 doi:10.3866/PKU.DXHX202211092 CuAAC点击化学法合成三氮唑结构锌离子探针点击化学法合成三氮唑结构锌离子探针 付世涛，窦容慧，李馨，郭义娜，张玉苹，熊辉，高晓莉，徐鑫，王龙*华中科技大学化学与化工
2、学院，武汉 430074 摘要：摘要：铜(I)催化的叠氮-炔烃环加成(CuAAC)点击化学与荧光探针是有机化学科研领域的重要前沿方向，开展相关的教学实验有助于学生创新能力的培养。然而，如何避免使用有毒、有爆炸风险的叠氮类化合物，是本科教学中推广CuAAC点击化学面临的巨大挑战。本文报道了一个改进的适合本科教学的CuAAC点击反应，提高了安全性与趣味性。通过巧妙利用5,7-二甲基四氮唑1,5-a嘧啶在溶液中可以互变异构为叠氮化合物的性质，使之与4-乙炔基苯甲醚反应生成三氮唑化合物5，实验中避免了操作叠氮化合物带来的中毒和爆炸风险。实验合成的化合物5可以选择性识别锌离子并作为锌离子荧光探针，具有定
3、量测定锌离子含量的潜力。关键词：关键词：点击化学；CuAAC；荧光探针；叠氮；锌离子 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Triazole-based Fluorescent Probe for Zinc Ion Synthesized by CuAAC Click Chemistry Shitao Fu,Ronghui Dou,Xin Li,Yina Guo,Yuping Zhang,Hui Xiong,Xiaoli Gao,Xin Xu,Long Wang*School of Chemistry and Chemical Engineering,Huazhong University o
4、f Science and Technology,Wuhan 430074,China.Abstract:Cu(I)-catalyzed azidealkyne cycloaddition(CuAAC)click chemistry and fluorescent probe are hot research topics of organic chemistry.Introducing it into undergraduate laboratory could help to cultivate creativity of students.However,how to avoid the
5、 use of azides is a great challenge to promote CuAAC click chemistry in undergraduate education.Herein,we report a modified CuAAC click reaction experiment for undergraduate laboratory teaching,featuring improved safety and interestingness.5,7-dimethyltetrazolo1,5-apyrimidine can be tautomerized int
6、o azide form in solution.Elegantly using this property could achieve the CuAAC reaction between 5,7-dimethyltetrazolo1,5-apyrimidine and 4-acetylene anisole for the generation of triazole compound 5,avoiding the toxicity and explosive risk from the operation of azide compound.The synthesized compoun
7、d 5 could selectively recognize zinc ions as a fluorescent probe.It is potentially useful for quantitative analysis of zinc ion concentration.Key Words:Click chemistry;CuAAC;Fluorescent probe;Azide;Zinc ion 1 引言引言“点击化学”(Click chemistry)是2022年诺贝尔奖得主Sharpless K.B.在2001年提出的有机合成新概念1，即利用可靠的化学转化方法将化学单元相连接
8、，高收率、高选择性地得到目标化合物的模块化合成手段。亚铜催化的末端炔烃与叠氮发生3+2环加成反应生成三氮唑(CuAAC反应)，则是应用最广泛的点击化学反应，如图1所示。152大 学 化 学Vol.38图图1 CuAAC点击化学反应点击化学反应 点击化学目前已经成为了合成化学2,3、材料科学4,5和生命科学69重要的化学工具。例如2017年，Brown T.和Tavassoli A.小组利用CuAAC反应实现了DNA的交联10。而2019年，Flood A.H.小组用简单的两组分CuAAC反应，构建了三氮唑分子笼，因氢键作用，能选择性识别氯离子，被美国 化学工程新闻(C&EN)评选为2019年世
9、界年度分子11。简洁高效的特性使得CuAAC反应非常适合本科教学，然而在本科教学实践中却较少涉及。2005年，美国Sharpless W.D.小组将CuAAC反应引入了本科教学，利用叠氮化钠制备烷基叠氮，与炔烃反应合成三氮唑12。2021年国内高等教育出版社的基础化学实验有机与高分子实验分册也将CuAAC点击化学反应写入，该实验中使用对甲苯磺酰基叠氮13。无论叠氮化钠还是对甲苯磺酰基叠氮，除了潜在爆炸风险外，还都是剧毒化合物(安全标识T+)，严重阻碍了其在本科教学中的推广。因此，改进实验试剂，避免操作或使用叠氮类化合物，提高实验安全性，是在本科教学中推广CuAAC反应面临的挑战和难题。为了提高
10、实验的安全性，并增加实验的趣味性，我们对此实验进行了改进。利用乙酰丙酮(1)与安全的一水5-氨基-1H-四氮唑(2)生成5,7-二甲基四氮唑1,5-a嘧啶(3a)，替代有毒易爆的叠氮类化合物14,15。化合物3a在溶液中互变异构生成化合物2-叠氮基-4,6-二甲基嘧啶(3b)，可以与4-乙炔基苯甲醚(4)反应，最终生成三氮唑化合物(5)，避免了操作叠氮化合物，如图2所示。图图2 实验设计实验设计 锌是人体内丰度第二的过渡金属元素，仅次于铁，在基因表达、细胞凋亡、酶活性调控、神经传导等生命过程中有重要功能。开发锌离子的跟踪与检测技术，特别是高灵敏度和高选择性的锌离子荧光探针具有重要的应用价值16
11、,17。2016年Woodruff T.K.与OHalloran T.V.就利用锌离子探针和多种成像技术，呈现了受精卵形成过程中的“锌烟花”现象(Zinc sparks)18。实验合成的化合物5由于螯合荧光增强效应，能作为锌离子探针，具有较高选择性与灵敏度。综上，我们对CuAAC点击化学反应进行了改进，通过以四氮唑替代叠氮化合物，避免了中毒与爆炸风险，提高了实验的安全性。利用合成的化合物5对锌离子的荧光响应，通过锌离子识别过程中色彩的变化，提高了实验的趣味性。No.4 doi:10.3866/PKU.DXHX202211092 1532 实验部分实验部分 2.1 实验原理实验原理 CuAAC反
12、应机理如图3所示，一分子亚铜催化剂与末端炔烃的键配位，增强sp碳氢的酸性，进而与另一分子亚铜催化剂形成碳铜键，消除质子，得到双铜活化的炔烃。进而与叠氮1,3-偶极子发生环加成反应并离去一分子亚铜，得到具有碳铜键的三氮唑。最终碳铜键质子解，形成三氮唑产物19。图图3 CuAAC点击化学反应机理点击化学反应机理 三氮唑化合物5识别锌离子的机理如图4所示。化合物5中三氮唑环和嘧啶环之间以碳氮单键相连，在溶液中单键旋转会带来分子构象的改变；加入锌离子后，由于锌离子螯合配位，增大了分子的刚性平面并改变了分子中电荷的分布，使得荧光增强，即“螯合荧光增强”效应(CHEF)20。NNNMeONNNNNMeOZ
13、n2+NNCHEF:Chelation Enhanced FluorescenceZn2+5图图4 化合物化合物5与锌离子的配位荧光增强原理与锌离子的配位荧光增强原理 2.2 实验试剂实验试剂 实验中所需要用的试剂如表1所示，其中*表示必需试剂，实验中所用到的溶剂如乙醇、乙酸乙酯、甲苯、二氯甲烷等，均购自国药试剂，饱和氯化铵溶液为实验室自配，不在表1中。表表1 实验试剂列表实验试剂列表 试剂 CAS号 试剂公司 纯度 试剂 CAS号 试剂公司 纯度 乙酰丙酮*123-54-6 安耐吉(上海)医药化学有限公司 99%四水合醋酸锰 6156-78-1 安耐吉(上海)医药化学有限公司 99%一水5-
14、氨基-1H-四氮唑*15454-54-3 上海迈瑞尔生化科技有限公司 99%四水合氯化亚铁 13478-10-9 上海迈瑞尔生化科技有限公司 98%4-乙炔基苯甲醚*758-60-5 安耐吉(上海)医药化学有限公司 97%无水三氯化铁 7705-08-0 安耐吉(上海)医药化学有限公司 98%(待续)154大 学 化 学Vol.38(续表1)试剂 CAS号 试剂公司 纯度 试剂 CAS号 试剂公司 纯度 无水氯化铜*7447-39-4 上海阿拉丁生化科技股份有限公司 98%氯化钴 7646-79-9 上海泰坦科技股份有限公司 98%L-抗坏血酸钠*134-03-2 上海泰坦科技股份有限公司 9
15、9%氯化镍 7718-54-9 上海泰坦科技股份有限公司 99%噻吩-2-甲酸亚铜*68686-76-5 北京百灵威科技有限公司 96%氯化亚铜 7758-89-6 国药集团化学试剂有限公司(上海沪试)98%氯化锌*7646-65-7 上海麦克林生化科技股份有限公司 98%氯化钠 7647-14-5 上海泰坦科技股份有限公司 99%氘代氯仿*865-49-6 上海泰坦科技股份有限公司 99%氯化钙 10043-52-4 上海泰坦科技股份有限公司 96%氘代二甲亚砜 2206-27-1 安耐吉(上海)医药化学有限公司 99%2.3 实验仪器实验仪器 实验中所用仪器如表2所示，常用玻璃仪器不在列表
16、中。表表2 实验仪器列表实验仪器列表 仪器 公司 型号 仪器 公司 型号 熔点仪 仪电物光上海仪分科学仪器有限公司 WRS-1C 荧光光谱仪 Shimadzu,Japan RF-5301PC 红外光谱仪 赛默飞世尔科技(中国)有限公司 Nicolet iS5 暗箱式紫外分析仪 上海锦岐仪器设备有限公司 ZD-20D 分析天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司 AE224 移液枪 大龙兴创实验仪器(北京)股份公司 0.510，20200 L 电磁加热搅拌器 上海司乐仪器有限公司 B13-3 旋转蒸发仪 郑州长城科工贸有限公司 R-1001VN 核磁共振仪 Bruker Corporation,Switzerland AVANCE III 400 MHz 2.4 实验步骤实验步骤 2.4.1 化合物化合物3的合成的合成 如图5，在5 mL圆底烧瓶中加入磁子，将氯化铜(27 mg，0.2 mmol)溶解在乙醇(3 mL)形成绿色溶液。将抗坏血酸钠(Sodium ascorbate，35 mg，0.2 mmol)加入到该绿色溶液中，室温搅拌5 min至生成无色亚铜溶液。移液枪量取乙酰丙酮(化合物1