博士学位论文
本文基于PET过程原理，从简单的荧光分子探针设计入手，选择了芘作为荧光母体，根据光诱导电子转移，通过还原胺化反应连接DPA基团作为识别基团，观察分子探针对金属离子的选择性及灵敏性。
2.2合成路线
如图2.1所示，以吡啶-2-甲醛和2-氨甲基吡啶为原料在室温下反应生成席夫碱，再用硼氢化钠还原得到中间体二(2-吡啶甲基)胺M1（DPA）；以2-芘甲醛和M1为原料，三醋酸基硼氢化钠为催化剂通过还原胺化反应得到荧光探针分子化合物D1。
CHONNNH2+NCHONaBH4NNHNNa(AcO)3BHNNM1D1
图 2.1 芘型DPA荧光分子探针的合成路线
2.3实验部分
2.3.1实验药品
吡啶-2-甲醛(AR)，2-氨甲基吡啶(AR)，2-芘甲醛(AR)，硼氢化钠(AR)，三醋酸基硼氢化钠(AR)，均购自美国Sigma-aldrich公司；其它所用试剂和溶剂均为AR级。所用试剂和溶剂除特别说明外，使用前均未经过处理。各种不同金属离子溶液的配制为：Al3+, Mg2+, Ni2+, Pb2+和Zn2+由其硫酸盐配制；Co2+, Mn2+由其醋酸盐配置；Ag+由其硝酸盐配制；其他金属离子由其氯化物配制。柱层析用200-300目硅胶购于青岛海浪硅胶干燥剂厂；TLC由烟台市芝罘黄务硅胶开发试剂厂生产的薄层层析硅胶板(GF254)测定。
2.3.2实验仪器
FA-2104型电子分析天平（上海恒平科学仪器有限公司）；Millipore RiOs/Elix 5型纯水系统（美国Milli-Q公司）；ZF-7A型手提紫外检测灯（上海顾村电光仪器厂）；INOVA400型核磁共振谱仪（美国Varian公司）；JMS-SX102/SX102A/E型质谱仪（日本电子株式会社）；UV-2401PC型紫外可见分光光度计（日本岛津公司）；FluoroMax-2型荧光分光光度计（美国Instruments SA公司）。
2.3.3实验步骤
2.3.3.1二(2-吡啶甲基)胺（M1）的合成
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几种新型荧光分子探针的合成及性能研究
在150 mL的圆底烧瓶中加入吡啶-2-甲醛 (2.142 g, 0.02 mol)和99 %的乙醇 (50 mL)，搅拌下慢慢滴加2-氨甲基吡啶 (2.168 g, 0.02 mol)，滴加完后分批次加入硼氢化钠 (1.514 g, 0.04 mol)。室温下搅拌3 h，过滤，滤液中用盐酸酸化至pH值为4，加入60 mL乙醇和100 mL乙醚，静置过夜。有大量固体析出，乙醇淋洗后得到M1的盐酸盐。将固体用10 mL水溶解后，加入氢氧化钠溶液调节pH值为8，用二氯甲烷分三次萃取后，用饱和NaCl溶液中和一次，真空旋蒸溶剂后，得到1.635 g黄色油状物，为中间体二(2-吡啶甲基)胺M1（DPA基团），收率为42.6 %。
1
H NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 8.48 (d, J = 3.6 Hz, 2H), 7.56 (td, J = 1.6, J = 8.0
Hz, 2H), 7.28 (d, J = 7.6 Hz, 2H), 7.07 (td, J = 4.8, 7.2 Hz, 2H), 3.89 (s, 4H), 2.63 (s, 1H, NH); 13C NMR (CDCl3, 100 MHz) δ: 159.8(2), 149.4(2), 136.6(2), 122.4(2), 122.1(2), 54.9(2).
2.3.3.2芘型DPA荧光分子探针D1的合成
在50 mL的单口瓶中加入2-芘甲醛 (0.582 g, 2.52 mmol)、三醋酸基硼氢化钠 (0.697 g, 3.25 mmol)、双吡啶甲基胺 (0.524 g, 2.52 mmol)和二氯甲烷 (6 mL)，在氮气保护下室温搅拌反应5个小时。反应完毕用碳酸氢钠溶液中和体系，并用乙酸乙酯萃取有机相，有机相用盐水萃取一次后浓缩的粗产物。粗产物用柱层析分离（淋洗剂为二氯甲烷:甲醇=9:1）分离得到浅黄色油状液体0.493 g，收率为47.3 %。
展开剂为乙酸乙酯:石油醚=1:1，Rf=0.3。UV(CHCl3) λmax: 347.3, 330.1, 277.9, 267.8 nm; 1H NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 8.52 (dd, J = 2.4 Hz, J = 4.8 Hz, 2H), 8.37 (d, J = 9.6 Hz, 1H), 8.17-7.96 (m, 8H), 7.59 (dt, J1 = 2.0 Hz, J2 = 7.6 Hz, 2H), 7.48 (d, J = 8.0 Hz, 2H), 7.11 (t, J = 6.4 Hz, 2H), 4.39 (s, 2H, -CH2), 3.91 (s, 4H, -CH2). 13C NMR (CDCl3, 100 MHz) δ: 159.7(2), 149.0(2), 136.5(2), 131.5, 131.0, 128.5, 127.6(2), 127.3, 127.2(2), 126.0, 125.2, 125.1(2), 124.9, 124.7, 124.3(2), 123.5(2), 122.2(2), 60.7(2), 57.3 ppm. HRMS (APCI) m/z Calcd for [(C29H23N3) + H]+: 414.19647. Found: 414.19594.
2.3.4表征及性能研究方法
我们采用紫外光谱仪、核磁共振仪和高分辨质谱对产品的结构进行了表征，并通过紫外光谱仪、荧光光谱仪来研究合成的部分配合物的化学性能，测试前样品均作干燥处理。
核磁（NMR）在Varian公司INOVA400核磁共振谱仪上测得，TMS为内标。
1
131H、C NMR谱的观测频率分别为400和100 MHz。H NMR谱的观测谱宽为10,000
Hz，脉冲角30o，脉冲重复时间10 s。13C NMR谱采用Waltz去偶技术，观测谱宽为25,000 Hz，脉冲角30o，脉冲重复时6.2 s，累加次数521~2048次。测试温度为20 oC。高分辨质谱（APCI-MS）数据在JEOL JMS-SX102/SX102A/E型质谱仪上
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测得。电离能38 Ev，离子化电流600 μA，加速电压10 kV，选择性双离子监测，分辨率 >10000，PFK质量定位。
样品溶液的紫外-可见光谱在上海天美科学仪器有限公司UV-2300型紫外可见分光光度计上得到，溶剂为三氯甲烷，样品浓度为1.0×10-5 mol/L。实验中溶剂的影响被扣除。荧光谱图由日本Hitachi公司F-2500型荧光光谱仪给出（狭缝宽度为2.5 mm，450 W Xe灯），测试工作均在室温下（约20 °C）进行。准确称取待测化合物，将其移入5 mL容量瓶中，用二氯甲烷定容，配制成浓度为2.0×10-5 mol/L的溶液。分别移取0.5 mL溶液于10 mL容量瓶中，用氮气吹干二氯甲烷，再用DMSO溶剂（10 mL）定容，待样品完全溶解后配制成浓度1.0 μM的溶液。各金属离子水溶液的配置，控制浓度c = 2×10-6 mol/L。
2.4结果与讨论
2.4.1合成方法的研究
还原胺化反应的方法研究及机理探讨
还原胺化反应又称鲍奇还原（Borch reduction），是一种简便的把醛酮转换成胺的方法。根据反应步骤可分为两种：由醛(或酮)、胺(氨)和还原剂直接作用得到胺，不需分离亚胺或亚铵离子中间体的过程为直接还原胺化；先生成亚胺，然后还原得到胺，这样分步进行的过程为间接还原胺化。
在20世纪发展了许多还原胺化方法，主要有两类：一是Pd、Ni、Pt等金属催化氢化的还原胺化，属于非均相反应[98]；二是氢化物还原剂进行的还原胺化，如NaBH4、NaBH3CN、Na(OAc)3BH等，另外硼烷和锡烷还原试剂也被应用。关于金属络合物催化氢化进行的还原胺化在化学选择性方面的应用已经比较成功，而在立体选择性方面仍然需要提高，高效、高对映选择性、适于工业生产的还原胺化金属络合物催化剂亟待开发。硼氢化钠能够成功地还原C＝N成C-N，同时也可容易地将醛(或酮)羰基还原成醇，因此该方法必须分步进行，尽管需要两步才能完成胺化过程，源于NaBH4的NaBH3CN和Na(OAc)3BH在直接还原胺化时有更好的化学选择性，能够避免羰基还原成醇的副反应，因而可以使醛(或酮)与胺发生“一锅”反应，直接进行还原胺化。NaBH3CN易溶于质子溶剂，在不同pH值的溶液中显示出不同的还原能力，pH值为6～8时活性最好，但后处理时往往产生少量剧毒的HCN和NaCN副产物。Na(OAc)3BH是另一种广泛应用的还原胺化试剂。Abdel-Magid曾详细研究了Na(OAc)3BH用于各种醛和酮与不同胺的还原胺化反应[99]，均取得比较好的收率，即使对碱性较弱的芳香胺与酮进行还原，同样得到比较高的收率。在本章中，我们选用最为“绿色”、高效的Na(OAc)3BH来进行胺化还原反应，得到了理想的目标化合物，反应条件温和且收率高。其反应
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几种新型荧光分子探针的合成及性能研究
机理如图2.2所示。
N.OR1HNHNH2OR1HAcOAcOBAcOR1HNHHNR1HNNNNNNN.R1 = Pyrene
图 2.2 使用Na(OAc)3BH胺化还原反应的反应机理
将羰基跟胺反应生成亚胺（席夫碱），然后用三醋酸基硼氢化钠还原成胺。反应直接在室温下进行，体系的弱酸环境一方面使羰基质子化增强了亲电性促进了反应，另一方面也避免了胺过度质子化造成亲核性下降的发生。同时醋酸基的吸电诱导效应削弱了硼氢键的活性，使得三醋酸基硼氢化钠只能选择性地还原席夫碱而不会还原醛的羰基，从而避免了副反应的发生。用Na(OAc)3BH作还原剂，二氯甲烷做溶剂的反应条件要优于硼氢化钠或者氰基硼氢化钠，可以缩短反应时间并显著提高产率。
2.4.2化学结构解析
2.4.2.1紫外解析
考察了芘及其衍生物在氯仿中的紫外吸收谱图，无论是原料还是合成的目标化合物均具有较强的紫外吸收谱图，这是由于分子结构中共轭体系的π→π*跃迁所产生的。通过胺化还原反应引入DPA基团后，可以明显的发现目标化合物D1的λmax发生了迁移，同时在短波部分出现新的吸收带，说明新化合物的生成。
Pyrene-CHO Pyrene-DPA
1.0
Absorbance0.5
0.0
300
400
500
600
Wavelength / nm
图 2.3 2-芘甲醛和目标化合物D1的紫外吸收光谱图
如图2.3所示，2-芘甲醛由于自身多个苯环相连而在397.2、364.6和290.2处表现出较强的吸收。形成带DPA基团的探针分子后，吸收带均产生蓝移，长波部分的吸光度更高。五个新的吸收峰的谱带强度特征为：347.3 > 277.9 > 330.1 = 267.8
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> 316.5 nm，这是由于形成新的化合物后结构中有吡啶环的介入而形成新的共轭体系所致。同时原有吸收峰的消失说明胺化还原反应完全。 2.4.2.2核磁共振谱解析
在目标化合物D1中，芘环以稳定的刚性结构的形式存在，胺化还原反应后生成新化合物吸收峰变化较小。
NNN
图 2.4 目标化合物D1的1H NMR谱图
如图2.4所示，在1H NMR谱中，原料9.87处-CHO质子峰的消失和4.39处新的亚甲基吸收峰的出现是鉴定化合物的重要方法之一。DPA基团中两个亚甲基的化学位移在3.91 ppm处。同时芘环中的各个吸收峰保留，与DPA基团中吡啶环上的H原子具有相似的化学位移，以多重峰的形式体现。
NNN
图 2.5 目标化合物D1的
13
C NMR谱图
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