CN115011141A

CN115011141A - 一类基于氯取代硅罗丹明类近红外染料母体、制备方法及其应用

Info

Publication number: CN115011141A
Application number: CN202210617353.0A
Authority: CN
Inventors: 郭志前; 徐清爽; 章旖烟; 燕宸旭; 张玉涛; 刘才齐; 农嘉欢; 朱为宏
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2022-06-01
Filing date: 2022-06-01
Publication date: 2022-09-06

Abstract

本发明提供了一类基于氯取代硅罗丹明类近红外染料母体、制备方法及其应用。所述氯取代罗丹明染料母体的结构为式Ⅰ所示：式Ⅰ中，R₁独立选自：氢，苯基(‑C₆H₅)和C1～C4的烃基或烃基磺酸盐中的任意一种；R₂独立选自：氢，甲基(‑CH₃)，乙基(‑CH₂CH₃)；另外，本发明还提供了基于所述氯取代硅罗丹明合成的开启型近红外II区探针。测试表明，本发明提供的氯取代硅罗丹明具有反应条件温和、绿色化学、反应速度快等诸多优点，能够简便修饰为近红外II区探针，通过与生物小分子作用，表达出开启型近红外II区荧光信号。

Description

一类基于氯取代硅罗丹明类近红外染料母体、制备方法及其应用

技术领域

本发明属于精细化工技术领域，具体涉及一类基于氯取代硅罗丹明染料母体、制备方法及其应用。

背景技术

荧光成像技术作为一种非侵入性的早期诊断方法，可以实时监测生物分子在生物体内的作用，近年来被广泛用于生物医学成像领域。目前，近红外一区(NIR-I，650-900nm)的荧光染料(例如FDA批准的吲哚菁绿ICG等)已被广泛应用于基础和临床研究中。相比于NIR-I信号，近红外二区(NIR-II，1000-1700nm)信号具有更好的信噪比和更深的组织穿透深度。目前主流的NIR-II荧光团按分子结构主要分为两大类：D-A-D型和聚甲川类菁染料。

硅取代罗丹明染料用于构建小分子荧光探针具有亮度高，光稳定性好等特点。现有硅罗丹明染料的发射波长多集中在700nm附近，限制了其在深层组织成像的应用，而且多数硅罗丹明类荧光探针是基于螺环的开关来实现荧光信号开和关。此外，螺环类硅罗丹明易受pH影响较大，且修饰位点有限，不利于进行进一步的功能修饰。因此，发展兼具荧光波长长、可修饰性强的新型硅罗丹明近红外染料母体并基于其构建荧光探针具有重要的研究意义。

发明内容

本发明首要目的在于提供一类基于氯取代硅罗丹明的新型染料母体，通过亲核取代反应，可以得到中位修饰罗丹明类长波长荧光团。基于这类氯取代的硅罗丹明染料母体，可以实现：i)有效延长硅罗丹明探针的发射波长至近红外二区；ii)拓展了硅罗丹明类中位取代的功能修饰,不仅限于螺环形式，并显著提升了反应便捷性和灵活性。

通过理性设计调控分子的构型变化，实现了有效调控发射波长近红外外区域，利用亲核取代得到亚胺和仲氨取代的罗丹明荧光团，其亚胺形式取代的罗丹明呈现短波长发射；仲氨取代的罗丹明染料表现长波长荧光发射。其中，平面构型的罗丹明染料分子表现为高性能的NIR-II荧光发射。

本发明还提供了上述氯取代罗丹明染料母体及进一步功能修饰的制备方法。

本发明的目的通过下述方案实现：

一方面，本发明所述氯取代罗丹明染料母体的结构为式Ⅰ所示：

式Ⅰ中，R₁独立选自：氢，苯基(-C₆H₅)和C1～C4的烃基或烃基磺酸盐中的任意一种；

R₂独立选自：氢，甲基(-CH₃)，乙基(-CH₂CH₃)。

另一方面，本发明基于氯取代硅罗丹明染料母体，合成了响应型探针，其结构为式II和式III所示：

其中，R₁，R₂的定义与前文所述相同。

式ⅠI中，R₃独立选自式IV-VII所示基团中的任意一种；

曲线标记处为取代位。

式ⅠII中，R₄独立选自式VIII-XI所示基团中的任意一种；

本发明另一个目的在于，提供了一类上述氯取代硅罗丹明染料母体的制备方法，其主要步骤包括：由式XII所示化合物与草酰氯反应，制得目标化合物I。

本发明还提出了一种氯取代硅罗丹明染料母体的荧光检测应用。

进一步的，应用于一氧化氮检测、汞离子检测的应用。

本发明提供的氯取代硅罗丹明具有反应条件温和、绿色化学、反应速度快等诸多优点，能够简便修饰为近红外II区探针，通过与生物小分子作用，表达出开启型近红外II区荧光信号。

附图说明

图1.探针II-1(详见实施例2)在CH₃CN/HEPES(v/v＝1/1,pH 7.4)混合溶剂中的荧光图谱(10^-5mol·L^-1)；

其中，横坐标为波长(nm)，纵坐标为荧光相对强度。

图2.探针II-2(详见实施例3)在DMSO/HEPES(v/v＝1/1,pH 7.4)混合溶剂中的荧光图谱(10^-5mol·L^-1)；

其中，横坐标为波长(nm)，纵坐标为荧光相对强度。

图3.探针II-1(详见实施例2)在CH₃CN/HEPES(v/v＝1/1,pH 7.4)混合溶剂中的近红外II区荧光孔板图及其定量数值。

图4.探针II-1在小鼠上的活体成像应用。

具体实施方式

在本发明一个优选的技术方案中：

R₁独立选自：氢，苯基(-C₆H₅)和C1～C4的烃基或烃基磺酸盐中的任意一种；

R₂独立选自：氢，甲基(-CH₃)，乙基(-CH₂CH₃)；

R₃独立选自式IV-VII所示基团中的任意一种；

R₄独立选自式VIII-XI所示基团中的任意一种；

在进一步优选的技术方案中，R₁为乙基，R₂为乙基，R₃为式IV所示基团和式VII所示基团的任意一种，R₄独立选自式VIII-XI所示基团中的任意一种；

本发明所提供的，一种制备式Ⅰ所示化合物的方法，所述方法的主要具体步骤是：由式XII所示化合物和草酰氯反应，制得目标物(式Ⅰ所示化合物)。

下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，其目的仅在于更好地理解本发明的内容。因此，所举之例并不限制本发明的保护范围：

实施例1

化合物I-1具体合成路线如下：

1. 3-溴-N,N-二乙基苯胺的合成

在单口瓶中加入3-溴苯胺(10.00g,58.49mmol),碘乙烷(36.50g,234.05mmol),加入乙腈溶解，加入K₂CO₃(8.00g,58.00mmol),加热回流，反应完成后，除去K₂CO₃固体，旋干溶剂，柱层析分离，得到产物5.10g,产率38.4％.¹H NMR(400MHz,CDCl₃,ppm):δ1.15(t,6H,J＝7.2Hz,-CH₂CH₃),3.32(q,4H,J＝7.2Hz,-CH₂CH₃),6.57(dd,J₁＝8.4Hz,J₂＝2.4Hz,1H,Ph-H),6.72-6.77(m,2H,Ph-H),7.03(t,J＝8Hz,1H,Ph-H).¹³C NMR(100MHz,CDCl₃,ppm):δ＝12.57,44.44,110.26,114.26,117.95,123.74,130.56,149.04.Mass spectrometry(ESI-MS,m/z):[M+H]⁺ Calc for C₁₀H₁₅NBr,228.0388,Found,228.0380.

2. 2-溴-4-二乙氨基苯甲醛的合成

在干燥的史莱克管中加入DMF,将250μL的POCl₃冰浴条件下加入反应液，将化合物3-溴-N,N-二乙基苯胺(1.00g,4.40mmol)加入反应体系，监测反应完成后，将反应液倒入冰中，抽滤得产物463mg,产率为41.24％。¹H-NMR(400MHz,CDCl₃,ppm):δ1.22(t,J＝7.2Hz,6H,-CH₂CH₃),3.42(q,J＝7.2Hz,4H,-CH₂CH₃),6.59-6.62(dd,J₁＝8.8Hz,J₂＝2.4Hz,1H,Ph-H),6.76(d,J＝2.4Hz,1H,Ph-H),7.78(d,J＝8.8Hz,1H,Ph-H),10.05(d,J＝0.4Hz,1H,-CHO).¹³C NMR(100MHz,CDCl₃,ppm):δ＝12.43,44.81,110.26,114.32,121.50,131.32,152.50,190.03.Mass spectrometry(ESI-MS,m/z):[M+H]⁺ Calc for C₁₁H₁₅NOBr,256.0337,Found,256.0334.

3. 2-溴-4-二乙氨基苯甲醇的合成

将化合物2-溴-4-二乙氨基苯甲醛(300mg,1.17mmol)溶于甲醇，在冰浴条件下，加入NaBH₄(67mg,1.77mmol),监测反应完成后，加水淬灭，旋干溶剂后以柱层析法分离，得到产物250mg，产率为：83.36％。¹H-NMR(400MHz,CDCl₃,ppm):δ1.15(t,J＝7.2Hz,6H,-CH₂CH₃),1.81(s,1H,-CH₂OH),3.33(q,J＝7.2Hz,4H,-CH₂CH₃),4.62(s,2H,-CH₂OH),6.58(dd,J₁＝8.4Hz,J₂＝2.4Hz,1H,Ph-H),6.83(d,J＝2.8Hz,1H,Ph-H),7.21(d,J＝8.8Hz,1H,Ph-H).¹³C NMR(100MHz,CDCl₃,ppm):δ＝12.46,44.43,64.98,110.75,115.17,124.75,125.97,130.69,148.48.Mass spectrometry(ESI-MS,m/z):[M+H]⁺ Calc for C₁₁H₁₇NOBr,258.0494,Found,258.0494.

4. 7-溴-1,2,3,4-四氢吩嗪的合成

在干燥的三口瓶中加入环己二酮(500mg,4.46mmol),3-溴邻苯二胺(1.00g,5.53mmol),加入乙腈溶解,加热回流，反应完成后冷却至室温，旋干溶剂，以石油醚:乙醇＝4:1柱层析分离提纯，旋干后得淡黄色固体产物0.89g(3.40mmol产率76.23％)。¹H-NMR(400MHz,CDCl₃,ppm):δ2.03-2.06(m,4H,-CH₂(CH₂)₂CH₂-),3.15(dd,J₁＝4.8Hz,J₂＝2.4Hz,4H,-CH₂(CH₂)₂CH₂-),7.73(dd,J₁＝8Hz,J₂＝2Hz,1H,Ph-H),7.83(d,J＝8Hz,1H,Ph-H),8.15(d,J＝2Hz,1H,Ph-H).¹³C NMR(100MHz,CDCl₃,ppm):δ＝22.65,33.19,122.66,129.68,130.67,132.47,139.87,141.74,154.62,155.21.Mass spectrometry(ESI-MS,m/z):[M+H]⁺Calc for C₁₂H₁₂N₂Br,263.0184,Found,263.0181.

5. 7-溴-5,10-二乙基-1,2,3,4,4a,5,10,10a-八氢吩嗪的合成

在三口瓶中加入甲苯，溶解7-溴-1,2,3,4-四氢吩嗪(0.45g,1.70mmol)。在冷却的溶液中缓慢加入NaBH₄(0.65g,17.00mmol)和冰醋酸(3.40mL,0.60mmol)。继续在5℃下搅拌1小时，缓慢加热至温和回流。反应结束后，冷却加水淬灭NaBH₄。有机相经洗涤干燥过滤旋转蒸发后，用石油醚:二氯甲烷10:1柱层析分离，纯化得到的淡黄色油状液体0.17g(产率31.05％)。¹H-NMR(400MHz,CDCl₃,ppm):δ1.09-1.16(m,6H,-CH₂CH₃),1.34-1.38(m,2H,-CH₂-),1.54-1.57(m,4H,-CH₂-),1.79-1.86(m,2H,-CH₂-),3.11-3.44(m,8H,-CH₂CH₃,-NCHCH₂-),6.39(d,J＝8.8Hz,1H,Ph-H),6.60(d,J＝2Hz,1H,Ph-H),6.67(dd,J₁＝8.4Hz,J₂＝2Hz,1H,Ph-H).¹³C NMR(100MHz,CDCl₃,ppm):δ＝11.53,22.39,27.00,27.63,41.92,54.65,55.35,109.54,112.06,113.16,119.28,133.99,136.47.Mass spectrometry(ESI-MS,m/z):[M+H]⁺ Calc for C₁₆H₂₄N₂Br,322.1123,Found,322.1120.

6.化合物6的合成

在两口瓶中，加入7-溴-5,10-二乙基-1,2,3,4,4a,5,10,10a-八氢吩嗪(2.29g,7.11mmol),2-溴-4-二乙氨基苯甲醇(1.95g,7.58mmol)，以干燥的二氯甲烷溶解。加入1.92mL BF₃OEt₂，反应完成后过柱提纯。得产物1.50g，产率37.60％。¹H-NMR(400MHz,CDCl₃,ppm):δ0.99-1.03(m,3H,-CH₂CH₃),1.11-1.16(m,9H,-CH₂CH₃),1.32-1.37(m,2H,-CH₂-),1.50-1.57(m,4H,-CH₂-),1.79-1.84(m,2H,-CH₂-),3.01-3.42(m,10H,-NCH₂CH₃,-NCHCH₂-),3.94(s,2H,-PhCH₂Ph-),6.28(s,1H,Ph-H),6.52(dd,J₁＝8.8Hz,J₂＝2.8Hz,1H,Ph-H),6.67(s,1H,Ph-H),6.86-6.88(m,2H,Ph-H).¹³C NMR(100MHz,CDCl₃,ppm):δ＝11.42,12.49,22.26,27.47,40.16,41.97,44.42,55.11,111.40,113.25,113.98,135.38,125.66,126.61,127.26,130.83,134.45,134.81,147.16.Mass spectrometry(ESI-MS,m/z):[M+H]⁺Calc for C₂₇H₃₈N₃Br₂,562.1432,Found,562.1435.

7.化合物XII-1的合成

在干燥的史莱克管中，以四氢呋喃将化合物6(1.50g,2.67mmol)加入反应瓶中，惰性气体保护下在-78℃将正丁基锂(2.5M,3.20mL,8.01mmol)，SiMeCl₂(0.42mL,3.47mmol)加入至反应体系。反应结束后，加水淬灭，有机相干燥后浓缩，并加入KMnO₄(1.26g,8.01mmol)氧化，粗产品提纯后得100mg黄色固体，产率15％.¹H-NMR(400MHz,DMSO-d₆,ppm):δ0.38(d,J＝6Hz,6H,-SiCH₃),1.08-1.16(m,12H,-CH₂CH₃),1.34-1.38(m,2H,-CH₂-),1.47-1.48(m,2H,-CH₂-),1.56-1.61(m,2H,-CH₂-),1.72-1.82(m,2H,-CH₂-),3.20-3.64(m,10H,-NCH₂CH₃,-NCHCH₂-),6.68(s,1H,Ph-H),6.80(d,J＝9.2Hz,2H,Ph-H),7.48(s,1H,Ph-H),8.08(d,J＝8.4Hz,1H,Ph-H).¹³C NMR(100MHz,DMSO-d₆,ppm):δ＝0.00,12.30,13.52,44.68,111.43,128.25,129.03,131.01,136.22,138.76,141.60,149.61,184.54.Massspectrometry(ESI-MS,m/z):[M+H]⁺ Calc for C₂₉H₄₂N₃OSi,476.3097,Found,476.3097.

8.化合物I-1的合成

在单口烧瓶中，加入化合物XII-1(100mg,0.18mmol)并溶解，然后滴加草酰氯。反应结束后，除去溶剂与草酰氯。HPLC提纯。¹H-NMR(400MHz,CD₃CN,ppm):δ0.55(d,J＝4Hz,6H,-SiCH₃),1.16(t,J＝7.2Hz,6H,-CH₂CH₃),1.24-1.26(m,3H,-CH₂CH₃),1.32-1.39(m,2H,-CH₂-),1.44(t,J＝8Hz,3H,-CH₂CH₃),1.48-1.54(m,2H,-CH₂-),1.64-1.76(m,2H,-CH₂-),2.27-2.38(m,2H,-CH₂-),3.39-4.01(m,10H,-NCH₂CH₃,-NCHCH₂-),7.28(s,1H,Ph-H),7.91(dd,J₁＝8.8Hz,J₂＝2.4Hz,2H,Ph-H),8.08(d,J＝2.4Hz,1H,Ph-H),8.49(d,J＝8.4Hz,1H,Ph-H).Mass spectrometry(ESI-MS,m/z):[M]⁺ Calc for C₂₉H₄₁ClN₃OSi,494.2758,Found,494.2754.

实施例2

探针II-1具体合成路线如下：

在单口烧瓶中，溶解化合物I-1(50mg,0.10mmol)，邻苯二胺(226mg,2.00mmol)。室温搅拌，反应结束后，旋干过柱提纯。¹H-NMR(400MHz,DMSO-d₆,ppm):δ0.38-0.46(m,6H,-SiCH₃),1.04-1.14(m,12H,-CH₂CH₃),1.23-1.58(m,8H,-CH₂CH₂-),3.13-3.43(m,10H,-NCH₂CH₃,-NCHCH₂-),4.66(s,2H,-NH₂),6.04(s,1H,Ph-H),6.31-6.38(m,2H,Ph-H),6.62-6.79(m,6H,Ph-H).¹³C NMR(100MHz,DMSO-d₆,ppm):δ-2.61,-0.99,11.59,12.32,12.44,21.97,27.10,41.04,43.63,54.10,54.56,54.89,112.14,113.40,114.09,116.68,118.12,122.38,124.82,128.46,128.98,133.67,134.68,135.10,136.71,139.25,146.60,164.01.Mass spectrometry(ESI-MS,m/z):[M+H]⁺ Calc for C₃₅H₄₈N₅Si,566.3679,Found,566.3678.

实施例3

探针II-2具体合成路线如下：

在单口烧瓶中，加入化合物I-1(50mg,0.10mmol)并溶解，用针筒加入乙二胺(350μL,5.25mmol)，异硫氰酸苯酯，反应完成后停止反应，旋干溶剂，HPLC纯化。¹H-NMR(400MHz,DMSO-d₆,ppm):δ0.36-0.46(m,6H,-SiCH₃),1.04-1.14(m,12H,-CH₂CH₃),1.41-1.86(m,8H,-CH₂-),3.17-3.63(m,10H,-NCH₂CH₃,-NCHCH₂-),3.97-4.11(m,4H,-NCH₂CH₂N-),6.79(s,2H,Ph-H),7.01-7.11(m,2H,Ph-H),7.25(s,4H,Ph-H),7.64-8.17(m,2H,Ph-H).Massspectrometry(ESI-MS,m/z):[M+H]⁺ Calc for C₃₈H₅₃N₆SSi,653.3822,Found,653.3827.

实施例4

探针II-1应用于一氧化氮检测

取实施例2制备的探针II-1溶于分析纯乙腈中，制成1.0×10^-3M的储备液。然后制备HEPES缓冲溶液含量为50％的CH₃CN/HEPES混合溶剂2mL。取20μL上述储备液加入到已制备的CH₃CN/H₂O混合溶剂中，加入一氧化氮释放剂，混合均匀后转移至光学石英比色皿(10×10mm)中测试其荧光光谱。如图1所示，以800nm作为激发波长，探针II-1响应物的最大发射峰大约位于1050nm处位于近红外区域，斯托克斯位移为250nm。

实施例5

探针II-2应用于汞离子检测

取实施例3制备的探针II-2溶于分析纯二甲基亚砜中，制成1.0×10^-3M的储备液。然后制备HEPES缓冲溶液含量为50％的DMSO/HEPES混合溶剂2mL。取20μL上述储备液加入到已制备的DMSO/H₂O混合溶剂中，加入Hg²⁺，混合均匀后转移至光学石英比色皿(10×10mm)中测试其荧光光谱。如图2所示，以800nm作为激发波长，探针II-2响应物的最大发射峰大约位于1050nm处位于近红外区域，斯托克斯位移为250nm。

实施例6

探针II-1应用于近红外II区一氧化氮检测

取实施例2制备的探针II-1溶于分析纯乙腈中，制成1.0×10^-3M的储备液。然后制备HEPES缓冲溶液含量为50％的CH₃CN/HEPES混合溶剂。取上述储备液加入到已制备的CH₃CN/H₂O混合溶剂中，配制成不同浓度的探针II-1反应体系(10,20,30,40,50,60μM)。每个体系均加入过量一氧化氮释放剂，混合均匀后转移至黑色孔板中测试其近红外II区荧光。如图3所示，以808nm作为激发波长，长通880nm滤光片，探针II-1响应物在小动物活体影像系统(Series III 900/1700)仪器下拍摄孔板照片，呈现明亮的II区荧光。

实施例7

探针II-1应用活体检测

本发明中所有活体实验均遵守实验室动物饲养和使用的规章制度，并得到华东理工大学大学动物饲养和使用委员会批准。实验用荷瘤裸鼠购自上海斯莱克动物实验有限公司，饲养在无菌室中层流通风橱内的无菌鼠笼中，使用高压蒸汽处理过的食物和水进行喂食。

为评估探针II-1活体应用性能，采用裸鼠作为成像对象。如图4所示，从左至右依次为：1)未经处理的小鼠；2)右侧大腿肌肉注射探针II-1及一氧化氮释放剂10秒后；3)注射20秒后；4)注射30秒后；5)注射40秒后。并使用小动物活体影像系统(Series III 900/1700)仪器对小鼠进行整体的近红外II区荧光成像。成像实验前，对裸鼠进行含2.5％的异氟烷气体麻醉。

如图4所示，未经处理的小鼠无近红外II区荧光信号，而响应后的探针表现明显的近红外II区荧光信号，这说明响应后的探针II-1可以产生明显的近红外II区荧光信号。综上，本发明基于氯取代硅罗丹明染料母体所制备的探针具有荧光波长长、响应速度快等显著优势，成功应用于一氧化氮检测。

Claims

1.一类基于氯取代硅罗丹明类近红外染料母体，其特征在于，结构为式Ⅰ所示：

R₂独立选自：氢，甲基(-CH₃)，乙基(-CH₂CH₃)。

2.一种如权利要求1所述的基于氯取代硅罗丹明类近红外染料母体的制备方法，其特征在于，由式XII所示化合物与草酰氯反应，制得化合物I；

其中，R₁，R₂的定义与式I的相同。

3.根据权利要求1所述的基于氯取代硅罗丹明类近红外染料母体合成的荧光探针，其特征在于，所述荧光探针的结构为式ⅠI和III所示：

其中，R₁，R₂的定义与式I的相同；

式ⅠI中，R₃独立选自式IV-VII所示基团中的任意一种；

曲线标记处为取代位；

式ⅠII中，R₄独立选自式VIII-XI所示基团中的任意一种；

4.根据权利要求3所述的基于氯取代硅罗丹明类近红外染料母体制得的荧光探针式II、式III应用于一氧化氮检测、汞离子检测的应用。