1、 第 39 卷第 1 期 化学反应工程与工艺 Vol 39,No 1 2023 年2 月 Chemical Reaction Engineering and Technology Feb.2023 收稿日期收稿日期:2022-05-13;修订日期修订日期:2023-01-10。作者简介作者简介:董雪梅(1997),女,博士;赵春常(1976),男,教授,通讯联系人。E-mail:。基金项目基金项目:国家自然科学基金(21874043)。文章编号:文章编号:10017631(2023)01005309 DOI:10.11730/j.issn.1001-7631.2023.01.0053.09 硫
2、化氢光声探针的设计硫化氢光声探针的设计及及其构效关系其构效关系 董雪梅,朱 凝,王荣晨,赵春常 华东理工大学化学与分子工程学院,精细化工研究所,上海 200237 摘要:摘要:分子探针的光谱性质与其本身的化学结构紧密相关,研究分子结构与光谱性能之间的关系对于理性设计性能优异的分子探针具有重要的指导意义。本工作以不对称氯代氟硼二吡咯染料为母体,通过 Knoevenagel反应引入了以喹啉盐为母体结构的吸电子基团,仅改变同一位置的不同取代基,分别设计合成了四个硫化氢分子探针(BOD-NO2,BOD-H,BOD-BOC 和 BOD-NH2),并对取代基变化产生的性能差异进行了系统的探究。结果表明:由
3、于不同喹啉盐取代基电子效应的变化,影响了其吸电子能力,从而引起探针与硫化氢反应性能的变化。这四个探针均能特异性检测硫化氢,而且随着取代基吸电子能力的增强,探针与硫化氢发生亲核取代反应的速率及程度增大,吸收光谱红移量增加,光声成像效果更加优异。通过对探针构效关系的研究,成功筛选出性能优良的光声探针 BOD-NO2,该探针能与硫化氢特异性响应,且响应速度快,选择性高,具有体内光声成像的应用潜力。本研究为硫化氢光声探针的设计提供了一种思路。关键词:关键词:硫化氢硫化氢 氯代氯代氟硼二吡咯氟硼二吡咯 分子分子探针探针 构效构效关系关系 中图分类号:中图分类号:O643.38 文献标识码:文献标识码:A
4、 光声(PA)成像作为一种新兴的非侵入性成像模式将光学激发和声学检测相结合,是基于“光进声出”原理的成像技术1-3,即利用近红外纳秒脉冲激光照射造影剂,光子被吸收后通过热弹性膨胀产生声波,然后对声波进行检测和处理以输出图像4。由于超声信号在生物组织中的散射较低,因此光声成像具有较高的组织穿透深度5-7。当前,相较于纳米复合材料在光声成像研究中的应用,基于有机小分子染料发展的 PA 探针由于操作简单、可重复性好等优势也受到了广泛的关注8-9。硫化氢气体分子是继一氧化碳、一氧化氮被公认的第三种气体信号分子10,参与许多的生理和病理过程,发挥重要的调节作用,如调节血管舒张、神经传导、心肌收缩、细胞凋
5、亡、炎症及胰岛素分泌等11-15,而且内源性硫化氢水平的异常与许多癌症的发生发展密切相关,因此发展具有高选择性且长期稳定的硫化氢分析方法,对于准确获取生物组织生理病理过程的动力学信息,以及精准区分复杂的肿瘤细胞机制具有重要的研究意义16。分子探针的光谱性质与其本身的化学结构息息相关。不同取代基的修饰对化合物分子的光物理性能具有很大的影响,利用不同取代基对生色团分子所产生的电子效应,可以有效调节 PA 探针分子的吸收和发光性能,从而获取高光子吸收和最小辐射衰减(量子产率)以提高探针的光声性能17-20,因此,研究分子结构与光谱性能之间的关系对指导合成和修饰各种光声性能优越的化合物具有重大意义。5
6、4 化学反应工程与工艺 2023年2月 氟硼二吡咯(BODIPY)作为常见的小分子有机染料,可用于构建检测内源性硫化氢的 PA 探 针21-22。本工作以不对称氯代氟硼二吡咯(BOD-CHO)染料中的氯元素作为硫化氢的反应位点,通过 Knoevenagel 反应,在同一位置引入四个以喹啉盐作为母体结构的不同吸电子基团,构建了四个硫化氢分子探针 BOD-NO2,BOD-H,BOD-BOC 和 BOD-NH2,研究了探针的构效关系,筛选出性能优良的光声探针。1 实验部分实验部分 1.1 分子探针分子探针的合成的合成 目标产物合成所涉及的化学药品以及溶剂均为分析纯级。所需要的干燥溶剂均为超干溶剂,层
7、析分离液采用二氯甲烷(DCM)与甲醇(MeOH)体积比(DCM:MeOH)为(1020):1 的混合液。合成反应式如下:(1)1.1.1 BOD-NO2的合成 将 BOD-CHO23(50 mg,0.13 mmol)和化合物 N-NO2(64 mg,0.19 mmol)溶于适量无水乙醇,加入 50 L 三氟乙酸后 90 回流反应 1.5 h。减压蒸馏除去溶剂,经柱层析分离(DCM:MeOH=15:1)得黑色固体 20 mg,产率为 22%。为了确定产物的结构,通过核磁共振氢谱(1H NMR)和高分辨质谱(HRMS)对化合物进行了表征,表征结果充分确定了目标产物的结构。产物1H NMR 400
8、MHz,氘代甲醇(CD3OD):9.13(d,J=4 Hz,1H),8.94(d,J=8 Hz,1H),8.79(m,1H),8.58(m,2H),8.07(d,J=16 Hz,1H),7.63(m,3H),7.59(d,J=16 Hz,1H),7.49(m,2H),7.01(s,1H),4.48(s,3H),2.65(s,3H),2.45(m,2H),1.53(s,3H),1.07(t,J=8 Hz,3H)。13C NMR(100 MHz,CD3OD):168.36,161.31,158.77,143.43,139.16,139.06,138.70,137.31,135.15,133.84,
9、131.95,128.17,124.82,119.95,115.32,38.62,28.70,21.69,15.87,12.10。HRMS(ESI,m/z):calculated for C31H27BClF2N4O2 M-I+571.188 4,found 571.189 4。1.1.2 BOD-H 的合成 将 BOD-CHO(50 mg,0.13 mmol)和化合物 N-H(73.56 mg,0.26 mmol)溶于适量甲苯,加入80 L 乙酸 120 加热回流 4 h。冷却,水洗,DCM 萃取,无水 Na2SO4干燥,过滤,减压蒸馏除去DCM,经柱层析提纯(DCM:MeOH=20:1)得
10、到黑色固体 25 mg,产率为 30%。通过 NMR 和 HRMS对化合物进行了表征,确定了产物的结构。产物1H NMR 400 MHz,氘代二甲基亚砜(d6-DMSO):8.97(d,J=8 Hz,1H),8.55(d,J=8 Hz,1H),8.49(d,J=8 Hz,1H),8.33(d,J=8 Hz,1H),8.16(m,1H),7.93(t,J=8 Hz,1H),7.85(d,J=16 Hz,1H),7.66(m,4H),7.53(m,2H),7.11(s,1H),4.43(s,3H),2.65第39 卷第1 期 董雪梅等.硫化氢光声探针的设计及其构效关系 55(s,3H),2.42(
11、m,2H),1.43(s,3H),1.10(t,J=6 Hz,3H)。13C NMR(100 MHz,d6-DMSO):167.55,155.87,143.62,138.97,133.26,127.48,124.15,124.06,122.97,121.06,120.93,119.04,118.08,34.12,30.98,29.67,16.32,13.54。HRMS(ESI,m/z):calculated for C31H28BClF2N3 M-I+525.206 9,found 525.206 8。1.1.3 BOD-BOC 的合成 将 BOD-CHO(50 mg,0.13 mmol)和化
12、合物 N-BOC(103 mg,0.26 mmol)溶于 10 mL 甲苯中,向其中加入 74 L 乙酸,120 加热回流 4 h。冷却至室温,水洗,DCM 萃取,无水 Na2SO4干燥,过滤,减压蒸馏除去 DCM,经柱层析纯化(DCM:MeOH=15:1)得到黑色固体 30 mg,产率为 30%。采用 NMR 和 HRMS 对合成化合物进行了表征,表征结果充分确定了目标产物的结构。产物1H NMR(400 MHz,d6-DMSO):10.17(s,1H),8.89(d,J=8 Hz,1H),8.45(m,3H),7.99(dd,1H),7.73(d,J=16 Hz,1H),7.65(m,3H
13、),7.54(m,2H),7.39(m,1H),7.07(s,1H),4.38(s,3H),2.64(s,3H),2.41(m,2H),1.53(s,9H),1.42(s,3H),1.00(t,J=8 Hz,3H)。13C NMR(100 MHz,d6-DMSO):167.30,153.40,152.46,146.94,146.83,139.59,134.46,128.73,126.43,124.05,120.97,118.00,114.07,80.18,30.98,29.67,28.83,27.85,21.90,16.32,13.54。HRMS(ESI,m/z):calculated for
14、 C36H37BClF2N4O2 M-I+641.266 6,found 641.267 2。1.1.4 BOD-NH2的合成 将 BOD-CHO(50 mg,0.13 mmol)和化合物 N-BOC(103 mg,0.26 mmol)溶于适量甲苯,加入 45 mg 对甲苯磺酸 120 加热回流 4 h。冷却至室温,水洗,DCM 萃取,无水 Na2SO4干燥,过滤,减压蒸馏除去 DCM,利用柱层析纯化(DCM:MeOH=10:1)得到黑色固体 20 mg,产率为 23%。采用NMR 和 HRMS 对化合物进行了表征,确定了目标产物的结构。产物1H NMR(400 MHz,d6-DMSO):8.
15、55(d,J=8 Hz,1H),8.21(m,2H),7.63(m,3H),7.57(d,J=2.4 Hz,2H),7.53(m,2H),7.46(m,1H),7.06(d,J=2.4 Hz,1H),7.02(s,1H),4.32(s,3H),2.64(s,3H),2.41(m,2H),1.42(s,3H),1.00(t,J=8 Hz,3H)。13C NMR(100 MHz,d6-DMSO):166.90,149.14,143.38,138.20,132.02,130.12,128.72,123.17,120.46,120.03,118.40,105.98,30.98,29.67,28.83,
16、16.31,13.57,11.95。HRMS(ESI,m/z):calculated for C31H29BClF2N4 M-I+541.214 2,found 541.214 7。1.2 BOD-R 探针的表征探针的表征以及对以及对硫化氢硫化氢响应性能测试响应性能测试 BOD-R 探针的核磁共振谱图采用 Bruker AV-400 核磁共振波谱仪测定;高分辨质谱采用 Waters LCT Premier 质谱仪测定。探针与硫化氢响应的光学测试、探针的特异性响应以及探针的 pH 效应测试都是采用 Varian Cary 50 紫外分光光度计表征。将 BOD-R 探针溶解在二甲基亚砜(DMSO)中配置成浓度为 10 mmol/L 的浓溶液,移取 3 L 探针浓溶液(10 mmol/L)加入装有 3 mL 缓冲液(乙腈与磷酸缓冲盐溶液的体积比为 1:1,pH 值为 7.4)的比色皿中,使得探针的最终浓度为 10 mol/L,再移取 3 L 浓度为 100 mmol/L的 NaHS 溶液加入上述比色皿中,NaHS 的最终浓度为 100 mol/L。将比色皿放入恒温摇床中(37,频率为 120