化学工程与工艺毕业设计：DC系列N—芳苄基取代甲川染料的合成.doc

1、本科毕业论文（20 届）DC 系列 N芳苄基取代甲川染料的合成所在学院 专业班级 化学工程与工艺 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要以对肼基苯磺酸和 3甲基2丁酮为原料在冰醋酸催化条件下合成了 2,3,3三甲基3H吲哚5磺酸。并用其制得钾盐，再用不同的 N烷基化试剂与其进行反应，获得了一系列不同 N烷基取代的吲哚季铵盐。将 N对羧苄基取代的 2,3,3三甲基3H吲哚5磺酸季铵盐，N对甲苄基取代的 2,3,3三甲基3H 吲哚5磺酸季铵盐分别与原甲酸三乙酯反应，合成水溶性不对称三甲川菁染料。优化了中间体的合成过程和条件。为了与 C-18 反相柱进行比较，采用正相硅胶柱层析法进

2、行分离研究，考察了展开剂的组成配比对分离效果的影响。最后利用核磁共振氢谱对所合成的化合物进行结构表征。对合成的染料进行光学性能测试。关键词：合成；水溶性；菁染料IIAbstract2,3,3trimethyl3Hindoleninium5sulfuric acid was synthesized using phenyl hydrazine sulfonic acid and 3methyl2butanone in acidic medium. 2,3,3trimethyl3H indoleninium5sulfonate was synthesized using it. A series

3、of Nalkyl2,3,3trimethyl3H indoleninium5sulfonates were synthesized involving nucleophilic reaction of 2,3,3trimethyl3Hindoleninium5sulfonate with different reagents for Nalkylation. Title watersoluble cyanine dye Cy3 were synthesized involving condensation reaction of triethyl orthoformate with two

4、quaternary ammoniums of Npcarboxylbenzyl substituted 2,3,3trimethyl3Hindole5sulfonate ammonium salt or Npmethylbenzyl substituted 2,3,3trimethyl3Hindole5sulfonate ammonium salt. The synthetic process and the intermediate conditions of optimization. In order to compare with C-18 reversed-phase column

5、, using normal phase silica gel column chromatography for separation of the expansion, composition ratio agentinfluence on the separation effect. Finally, by using 1H NMR characterization of the synthesized compounds. Optical properties of synthetic dyes.Key words: Synthesis；Watersoluble；Cyanine Dye

6、III目 录摘要 .IAbstract.II第章 绪论 .11.1 菁染料介绍 .11.1.1 菁染料的结构和分类 .11.1.2 菁染料的合成 .41.2 菁染料的光谱性能 .111.2.1 菁染料分子吸收光谱 .111.2.2 菁染料分子荧光光谱 .121.2.3 菁染料的聚集 .131.3 菁染料的分离、提纯 .131.4 选题背景和依据 .13第 2 章 实验部分 .152.1 实验试剂及仪器 .152.2 中间体合成路线 .162.2.1 水溶性 2,3,3-三甲基-3H-吲哚-5- 磺酸的制备 .162.2.2 水溶性 2,3,3-三甲基-3H-吲哚-5- 磺酸钾盐的合成 .162

7、.2.3 水溶性中间体吲哚钾盐的 N 烷基化 .172.2.4 水溶性吲哚三甲川菁染料的合成 .172.3 中间体的合成 .182.3.1 2,3,3-三甲基-3 H-吲哚-5- 磺酸的合成反应温度优化 .182.3.2 2,3,3-三甲基-3 H-吲哚-5- 磺酸钾的合成方案优化 .182.3.3 水溶性中间体吲哚钾盐的 N 烷基化 .192.3.4 水溶性直链三甲川菁染料的合成 .192.4 目标染料的分离纯化 .202.4.1 C-18 反相柱层析法 .202.4.2 湿法硅胶柱层析法 .202.4.3 正向硅胶柱层析法溶剂的去除 .212.4.4 正向硅胶的再生 .222.5 染料结构

8、表征 .22IV2.6 紫外 可见吸收光谱和荧光发射光谱的测试 .222.7 目标染料在不同 pH 水溶液中的光谱性能测试 .22第 3 章 结果与讨论 .233.1 染料中间体的合成及优化 .233.1.1 2,3,3-三甲基-3H-吲哚-5- 磺酸的合成反应温度优化 .233.1.2 2,3,3-三甲基-3H-吲哚-5- 磺酸盐的合成方案优化 .233.1.3 水溶性中间体吲哚钾盐的 N 烷基化 .243.2 目标产物的合成及 Cy3b-1 的合成方案优化 .243.3 目标产物的分离及表征 .263.3.1 C-18 反相柱层析法 .263.3.2 湿法硅胶柱层析法中不同展开剂对水溶性菁

9、染料分离的影响 .273.3.3 核磁共振定性分析 .283.4 Cy3b-1 的紫外-可见吸收及荧光发射光谱 .283.5 Cy3b-1 在不同 pH 水溶液中的紫外-可见吸收及荧光发射光谱 .30结论 .32参考文献 .33附录 1 正相硅胶柱层析分离得到产品的核磁共振谱图 .37致谢 .381第章 绪论在蛋白质标记领域，荧光标示技术以其检测的高灵敏度和精确度将替代同位素标记这一传统方法成为科学家们的研究热点。随着生物技术研究和生命科学领域的飞速发展，荧光分析技术水平得到了快速提升，其在基因测序、基因表达及临床诊断等方面的应用更促进了生物科学的进步，推动了技术的逐渐攀升。吲哚菁染料因其具有

10、良好的光谱性能、突出的水溶性和较高的光稳定性、最大吸收波长可调协范围大（3001800 nm）、分辨率高 1、灵敏度好、结果清晰准确、操作简便安全等优点而表现得极为突出。由于该染料在与一些生物分子进行结合后能够释放出荧光 2，因此吲哚菁染料作为一种荧光探针被广泛地用于生物分析领域 3，成为了现代生物检测的一项重要手段。其中以罗丹明类、荧光素类和菁类为主，这些染料的光谱范围主要分布在紫外可见区，而生物样品在本区域内同样具有很强的吸收效能，进行荧光检测时会产生很强的荧光背景，从而极大地降低了检测的灵敏度。相比之下，近红外荧光染料以组织穿透性好和荧光背景低等显著优势而一直被当作很好的生物荧光探针，应

11、用于生物体内的各项研究中 4，近年来更受到了广泛的关注。1.1 菁染料介绍菁染料由威廉姆斯发现，其最初作用是用于扩大卤化银的感光范围，从而提高感光能力。但由于菁染料能与诸如蛋白质、核酸等生物分子相互作用，并引起光谱强度值的改变和整体移动，因而这类染料在生物领域应用极为广泛。由于吸收及发射波长较长，光波能量低，在分析检测活体生物分子时的伤害小 5,6,7，使其成为这类染料在应用中的另一重要优势。作为一种有机大分子染料，专家们还在进一步将它大规模地应用在复印件的光感受器、光盘的记录介质、电子摄影术、光动力治疗、太阳能电池光敏剂、激光材料和生物分子探针等方面 8-14。而作为可调吸收和发射光谱范围的

12、菁染料也将会成为一种前途光明的近红外荧光标示剂，应用在蛋白质、氨基酸及胺类化合物的化学衍生化分离检测中。1.1.1 菁染料的结构和分类多甲川染料是指发色团共轭体系两端建立在杂原子之间的脒离子插烯物，其共轭体系中通常含有一个或几个次甲基链，甲基链两端连有类似苯并噻唑、吲哚啉等杂环。如果有多个甲川链来连接 2 个含有杂原子的杂环核的基团，则被称为菁染料，包含在菁染料中心的两个杂原子，通过共轭甲川链连接，这样就组成了共轭烯烃骨架结构的2推拉电子形式。在此结构中，共轭链上含有奇数个碳原子。菁染料分子具有可修饰性和共轭烯烃链独特的结构特点。它的基本结构可用图 1-1 中的极限式杂化共振体表示：R2N N

13、R2n R2N NR2n图 1-1 极限式杂化共振体按照不一致的所含杂环核菁染料的类型，可分为咪碳菁、硫碳菁和氧碳菁等，其中，每个类型都可以分的更详细、更精确，例如含氮的碳菁染料也可能是噻唑、喹啉、咪唑、吲哚或者相应的苯并等体系，如果根据共轭甲川链上刚性环结构的差异区分，还分为方酸菁、克酮酸菁等。由于在菁染料的母体里共轭亚甲基链单元中有电荷的存在，正是根据这一特点，可将染料分为以下几种 15，如图 1-2 所示：（1）阳离子亚甲基链菁型、半菁型染料，（2）阴离子亚甲基链型染料，（3）中性亚甲基链份菁染料，（4）两性离子方酸菁染料。若 2 个杂原子都是氮，则为含氮阳离子菁染料（1）；若 2 个杂

14、原子都是氧，则为含氧的阴离子鎓菁染料（2）；若其中一个为氮，另一个为氧，则为中性的份菁染料（3）；若甲川链上引入方酸环结构，则为两性离子型方酸菁染料（4）。R2N NR2nXX=Cl, Br, I, ClO4 M O OnR2N OnM=Na, K3 4R2N NR2OO1 2图 1-2 菁染料的骨架结构含氮阳离子菁染料就是我们常说的菁染料。菁染料分子可含有吡啶、噻唑、喹啉、吡咯、吲哚等各种杂环，其中苯并噻唑、喹啉、吲哚啉杂环最为常用。通常情况下，作为一种全反式结构的稳定存在，菁染料在一些特定的条件下也会产生光致异构化，从而获得某些顺式的构型。3菁染料的一般结构见图 1-3，吲哚菁染料的一般结

15、构见图 1-4。图 1-3 菁染料的结构通式NNR2 R1+( )nn = 1, 2, 3X -34567214567 321 R3R4图 1-4 吲哚菁染料的结构菁染料通常包括甲川基、杂环、成盐烷基和阴离子。根据杂环性质以及 N 原子上取代基性质，可分为 3 种结构类型 16：第一种，碳菁，又可分为对称菁和不对称菁两种。例如：N+ NN+ N对称菁：阳离子桃红 FF 不对称菁：阳离子橙 2GL第二种，氮杂菁，碳菁分子甲川链上次甲基被氮原子取代，则为氮杂菁。例如：N+SH3CON NN NS OCH3阳离子猩红4第三种，半菁，半菁中多次甲基链相连氮原子只有一端为杂环，另一端为芳香稠环或苯环。例

16、如：N+ NHOCH3CH3COO-阳离子黄 X-6G半菁的颜色以黄色为主，一般的半菁耐光牢度较差，而一些具有特殊结构的半菁有较好的耐光牢度。苯乙烯菁，大多为鲜艳的红色，耐光牢度比一般半菁稍高。苯乙烯菁的甲川链一端与含氮杂环相连另一端连接苯环。例如：NH3CCH3CH3CHCH NCH3CH2CH2CN.H2PO4-阳离子艳红 5GN偶氮型二氮杂半菁，大多为黄、红、蓝色，耐光牢度大大提高。苯乙烯菁中次甲基被 N 取代，且分子中带有离域正电荷。例如：N+SH3CONNN(CH3)2阳离子艳蓝 RL1.1.2 菁染料的合成在威廉姆斯得到“豆粉蓝”菁染料后，大量结构不同的菁染料先后被报道。通过缩合剂

17、和杂环化合物的 甲基反应合成了近红外吸收功能菁染料。从整体来看，合成菁染料可以使用一步法、两步法或者固相法。5作为一种典型的近红外吸收功能的菁染料，它是通过亲核试剂和缩合剂一步作用直接获得的，这种方法不但操作起来简单，相对容易完成，它的产率也相对较高。Daihi Oushiki 等将两种对过氧化物敏感性不同的吲哚菁染料通过对二环己烷相连，设计合成了近红外染料 FOSCY-1。该双菁染料带有荧光团与淬灭团，自身没有荧光，但遇到氧化物时淬灭团分解，染料发出强烈荧光,适用于生物荧光分析检测 17。合成线路见图 1-5。Todor Deligeorgiev 等人设计合成了 SOSO-1 和 TOTO-

18、1-6C 两系列双菁染料 18，染料在蒸馏水和 TE 三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中均没有荧光，但与 dsDNA 结合后发生强烈的荧光。合成路线见图 1-6。Valentina Rapozzi19等人合成了具有较大 电子共轭的方酸菁染料，合成路线见图1-7 。Tariq Mahmood20等人合成了一系列吖啶类近红外菁染料，并研究了染料水中聚集情况，合成路线见图 1-8。NH2H2NBoc2OCHCl3 HNH2N BocN+ SCOOHClO4_ NHNH2N BocHBTU, DIEACH2Cl2N+ SClO4_ NNHOHNBoc50% TFACH2Cl2 N+ SClO4_ NNHONH2N+ NO3_S SO3_COOH COOHN+ SClO4_ NNHOHNN+ NO3_S SO3_COOHHBTU, DIEADMFr.t.