含丹磺酰基树枝状化合物研究进展

2011年第31卷

有 机 化 学

V ol. 31, 2011 ·综述与进展·

含丹磺酰基树枝状化合物研究进展

马 茶*, a 李 龙b , c 孙金声b , c

赵 丰a 李易隆b

(a 江西科技师范学院江西省有机功能分子重点实验室 南昌 330013)

(b 中国石油勘探开发研究院 北京 100083) (c 中国石油集团钻井工程技术研究院 北京 100083)

摘要 含丹磺酰基树枝状化合物具有独特的发光性能和潜在的应用价值, 在化学传感器、药物传输、光捕获天线材料、有机电致发光器件、纳米材料等领域有着广阔的应用前景, 已经引起化学家们的广泛关注. 综述了近年来含丹磺酰基树枝状化合物的研究进展, 讨论了树枝结构对丹磺酰基荧光性质的影响, 并展望了此类化合物良好的应用前景. 关键词 树枝状化合物; 丹磺酰基; 荧光强度; 研究进展

Recent Progress in Dansyl-Based Dendrimers

Ma, Cha*, a Li, Longb ,c Sun, Jinsheng b , c Zhao, Fenga Li, Yilongb

(a Jiangxi Key Laboratory of Organic Chemistry, Jiangxi Science and Technology Normal University, Nanchang 330013)

(b Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing 100083)

(c CNPC Drilling Research Institute, Beijing 100083)

Abstract Due to their special luminescent properties and potent ial application value, dansyl-based den-drimers have been att ract ing considerable att ent ion. These dendrimers had broad application prospects in different fields, such as chemsensors, drug delivery, light harvesting antenna materials, organic electrolumi-nescent devices, nanomaterial, and so on. In this paper, the recent progress in the synthesis, structure, prop-erties and applications of dansyl-based dendrimers is reviewed. The effects of the structures on the fluores-cent properties of dansyl core are mainly discussed. Finally, the future development and application of them are also prospected.

Keywords dendrimer; dansyl group; fluorescence intensity; recent progress

树枝状化合物是一类具有“完美”拓扑结构的树形高分子材料, 具有潜在的应用价值和广阔的应用前景, 是当今化学的一个非常活跃的领域[1,2]. 无论是在科学基础研究还是在应用领域方面, 树枝状化合物都具有广泛的用途[3

～6]

且其光谱性质对环境具有高度敏感性, 被广泛用来设计合成各种荧光传感器和荧光标记物质, 在化学传感器、药物载体、染料、纳米科学和电致发光器件等领域具有重要的应用价值[9

～12]

. 此外, 丹磺酰基团还具有较高的

. 当含有光活性基团时, 树枝状化合物就

发光效率, 可作为良好的能量给体, 当选择合适的能量受体时, 就可合成出具有光捕获性能的丹磺酰基类发光材料.

与含萘、卟啉、咔唑、偶氮、二茂铁基、喹啉等光

可能具备光捕获、能量存储和转换等独特功能, 这类化合物已经引起人们的广泛关注[7,8]. 丹磺酰基团在近紫外区有着很强的吸收带, 在可见光区具有很强的荧光,

* E-mail: [email protected]

Received December 2, 2010; revised April 20, 2011; accepted May 6, 2011.

国家自然科学基金(No. 20903049)和江西省自然科学基金(No. 2009GZH0032)资助项目.

1978

有 机 化 学 V ol. 31, 2011

活性基团的树枝状化合物相比, 含丹磺酰基树枝状化合物具有更好的荧光性能, 灵敏度也更高, 是一类良好的荧光标记物: 通过偶合反应, 它能与一些生物高分子、抗肿瘤药物、蛋白质等结合, 产生很强的荧光信号, 从而提高其荧光标记性能, 因而它可用于生物、细胞检测和DNA 载体领域. 此外, 它还含有独特的质子化位点(丹磺酰基上的胺基官能团), 在强酸作用下, 丹磺酰基发生质子化作用, 其荧光发生部分淬灭, 光谱形状发生显著变化, 故而它在控释系统、成像剂、荧光开光等领域具有广泛的应用价值.

因此, 含丹磺酰基的树枝状化合物有着潜在的应用价值, 成为近年来研究较多的一类具有良好发光性能的化合物. 按丹磺酰基在树枝状化合物中所处的不同位置, 可将其划分为以下二种: (a)丹磺酰基作为中心核的树枝状化合物1a , (b)丹磺酰基作为端基的树枝状化合物1b (Scheme 1).

1a Dansyl group

SO 2

1 丹磺酰基作为中心核

2000年Cardona 等[13]首次合成了1～3代的树枝状化合物2b ～2d (Scheme 2), 它的收敛焦点处为单个丹磺酰基, 外围分别为3, 9和27个羧基基团, 并对它们在水溶液中的光谱性质进行了详细的研究, 以探寻树枝状结构对丹磺酰基的微观环境和树枝状大分子体系动力学的影响. 此外, 通过丹磺酰基核(客体) 和β-环糊精、抗丹磺酰化型多克隆抗体(主体) 的包合作用, 研究了它们的主客体相互作用.

光谱实验表明, 随着树枝代数的增加, 溶剂对丹磺酰基核的屏蔽效应越来越大, 以至它的光谱图形状、荧光量子产率、激发态的荧光寿命、辐射或非辐射衰变率, 及其转动方向调整时间都发生显著的变化; 丹磺酰基核与非选择性客体(β-环糊精) 、选择性主体(抗丹磺酰化型抗体) 的包合能力逐渐降低. 与丹磺酰胺2a 相比, 2b 的丹磺酰基核与β-环糊精的包合平衡常数要低2.5倍, 而2c 和2d 却不与β-环糊精发生任何包合作用. 然而, 它们与抗丹磺酰化型抗体都有着很强的亲和力, 生成稳定的抗体复合物: 2a 所生成的抗体复合物的平衡常数为5.0×107, 而具有较大空间位阻结构的2d 为1.5×106, 只减小30倍, 这说明只要包合亲合力足够强, 树枝状化

Scheme 1

合物就能改变自身的分子构象, 以促进包合物的形成.

O

22a R = H,

2b R =

OH , 2c R =

HO

HO

O HO

HO

HO

HO

O HN

O

O

H N HO O

O

OH

HO OH HO OH ,

2d R =O

H O

N H

O HN

O O N H

OH

OH O

OH

OH OH

OH

Scheme 2

No. 12

马茶等：含丹磺酰基树枝状化合物研究进展

1979

2002年Baker 等[14]合成了以丹磺酰基为核心的Newkome 型树枝状化合物, 将其接枝到ArgoGel 型固相合成树脂珠(将聚乙二醇接枝到聚苯乙烯而得到的一类具有高负载量的树脂) 上, 后使用叔丁基胺对树枝状化合物上未参加反应的活性酯基进行酰化, 生成N -叔丁基酰胺衍生物, 再与罗明丹染料进行反应, 发现该染料可以渗入该树脂珠内, 能酰化树脂珠上的未反应位点.

通过落射荧光显微镜和激光扫描共聚焦显微镜对其微相结构进行研究, 发现该树枝状化合物并没有对ArgoGel 型树脂珠的全部活性位点进行酰化, 而是在树脂珠内部留下了大量未反应的活性位点. 此外, 与2代树枝状化合物相比, 3代树枝状化合物对树脂珠的渗透能力要差得多, 其原因可能是它是选择性接枝到树脂珠的表面, 会留下更多的未反应位点所致. 因此, 可以继续对这些未反应的活性位点进行修饰——这在编码标签和传感器领域有着重要的应用价值.

2006年Mohanty 等

[15]

合成了一系列的带有丹磺酰

基发光核的Newkome 型树枝状化合物3b ～3d (Scheme 3), 对它们的荧光光谱进行了研究. 发现随着树枝代数的增加, 树枝状产物的最大发射波长发生了红移(在环己烷溶液中的红移程度最大), 但它们在不同溶剂中的极性经验参数Et(30)曲线的斜率逐渐减少, 这很可能是由于随着代数的增加, 丹磺酰基荧光团的跃迁能和屏蔽效应也发生了相应的变化.

O 2NHR

3

3a R =

, 3b R =

O O

3c R =

O OH OH

3d R =

O N H

N H O

Scheme 3

荧光测试结果表明, 与3a 相比, 随着代数的增加, 树枝状产物在环己烷溶液中的最大发射波长发生逐渐红移, 但其红移程度会逐渐减小. 所有树枝状产物的荧光量子产率都较高, 其在环己烷和二氧六环等非极性溶剂中的数值要比大多数极性溶剂大. 树枝状化合物3b ～3d 在常见溶剂中都具有较好的溶解性, 是一类发光性能优异的高分子材料, 在有机发光器件方面具有潜在的应用价值.

2008年Li 等[16]通过收敛法合成了1～3代具有光捕获能力的PAMAM 型树枝状化合物4a ～4c (Scheme 4), 其收敛焦点处为一个丹磺酰基, 外围为数个萘基. 通过吸收光谱和荧光光谱对这些树枝状化合物的分子内能量转移性质进行了研究, 并详细讨论了树枝状结构和代数对其能量转移效率的影响.

H N

R H N H N R

4

HN

4a R =

4b R =H N HN

O

N H

O

O 4c R =N

O N H

H N

Scheme 4

光谱学研究结果表明, 所有树枝状化合物都发生了

1980

有 机 化 学 V ol. 31, 2011

从萘基到丹磺酰基的分子内能量转移, 4a 和4b 均表现出较高的能量转移效率(分别为94.3%和76.9%), 而4c 的能量转移效率仅为17.8%. 通过计算得知, 4a 和4b 分子的给受体间距离非常接近, 这可能是由于这类树枝状分子具有PAMAM 柔性骨架, 易引起分子的回折. 然而, 4c 的给受体间平均距离较大, Förster距离却较短, 从而导致4c 的能量转移效率较低. 这类树枝状化合物具有柔性分子骨架和特殊的光采集效应, 有望成为一类新型的树枝状天线材料, 具有广阔的应用前景.

2010年Vuram 等[17]合成了单端跌氮基聚丙三醇型树突, 后经过反复的O -烷基化、异亚丙基脱保护, 以及氢化催化反应, 得到端氨基聚醚树突, 再与丹磺酰氯反应, 制备了以丹磺酰基为核的两亲性聚丙三醇型树枝状化合物5a ～5c (Scheme 5), 并通过荧光光谱对它们在水中的聚集行为进行了研究.

R O R

5

5a R =O

5b R =5c R =

Scheme 5

与5a 相比, 5b 的荧光最大发射波长发生了60 nm的蓝移, 荧光强度增强了十倍左右, 且丹磺酰基核的平均荧光寿命提高了四倍——说明2代以上的树枝状产物5b , 5c 在水溶液中具有较好的自我聚集能力. 对它们进行异亚丙基脱保护, 得到一系列具有良好亲水性的羟基

外围的树枝状化合物, 发现它们在水溶液中都没有类似

的聚集性质, 这说明该聚集行为是由疏水性的异亚丙基官能团所引起的.

使用亲水性的Ag ＋

淬灭剂对5a ～5c 的水溶液进行荧光淬灭性能研究, 发现5b 和5c 的丹磺酰基核受到了较大的“屏蔽效应”, 这再次说明它们可以在水中进行自我聚集的. 聚丙三醇型树枝状化合物5b 和5c 在水溶液中具有良好的聚集性能, 有望在医药载体、生物医学和纳米科学等领域得到广泛的应用.

马茶等[18]合成了二代以丹磺酰基为核、

活泼的羟基和乙基为末端基的三嗪型树枝状化合物, 它们都具有良好的荧光性能, 且在常见溶剂中具有较好的溶解性. 该合成方法反应条件温和, 无需复杂的官能团保护与脱保护, 收率达90%以上. 这类树枝状化合物有望作为一种新型的发光材料, 可应用于有机电致发光器件、光化学分子器件、化学传感器等领域. 此外, 由于这类树枝状化合物具有活泼的羟基外围基团, 可根据实际需要对其进行功能化改性, 合成出具有醚、酯、磺酸酯等功能基的树枝状或超支化合物.

2 丹磺酰基作为端基

1999年Vögtle等[19]首次合成了1～5代的末端基为丹磺酰基的聚丙烯亚胺型(PPI)树枝状化合物6b ～6e (Scheme 6), 对其质子化作用、吸收光谱、光物理性质和荧光淬灭性质进行研究. 当加入三氟甲磺酸时, 发现丹磺酰基的吸收和荧光光谱带逐渐被质子化的丹磺酰基的吸收和荧光光谱带所取代, 从而引起树枝状化合物的吸收和荧光光谱发生显著的变化, 这说明树枝状大分子内的叔胺基和外围的丹磺酰基的质子化作用发生了相互的影响. 根据吸收和荧光强度的变化所绘制的两种滴定曲线并不相同, 且各代化合物的滴定曲线也不相同, 这说明质子化作用是先发生在分子内的叔胺基上, 后才发生在外围的丹磺酰基上.

对于既含有质子化的丹磺酰基, 又含有未质子化的丹磺酰基的树枝状化合物, 其荧光发生部分淬灭, 其原因可能是从质子化的丹磺酰基的激发态向未质子化的

丹磺酰基的基态发生了能量转移. 总之, 丹磺酰基官能团的质子化和去质子化作用都会引起树枝状化合物的光谱形状发生显著的变化. 这类PPI 型树枝状化合物含有大量的质子化位点和丹磺酰基荧光团, 在控释系统、化学传感器、DNA 载体等领域具有潜在的应用前景.

2000年Vögtle等[20,21]以6a 为参考化合物, 研究PPI 型树枝状丹磺酰基化合物6b ～6e 与Co 2＋

的配位作用.

实验结果表明, 随着Co 2＋

的加入, 6a 的吸收光谱和荧光

光谱没有发生任何变化, 树枝状化合物6b ～6e 的吸收

No. 12

马茶等：含丹磺酰基树枝状化合物研究进展

1981

2

NR 2

RH R 2N

NR 26a

6b

2

2

6c

NR 2

NR 2

R 22

NR 2

R 2N

22

6d 2

NR 2

2

NR 2

NR 2R NR 2

2N

NR 2NR 2

2

NR 2

NR 2R 2N

R 2R 2

26e

Scheme 6

光谱也没有发生任何变化, 但其外围的丹磺酰基却发生了强烈地荧光淬灭, 这可能是因为Co 2＋

与树枝状大分子枝链上的脂族胺基生成了金属离子配位键, 引起丹磺酰基向金属络合体发生有效的能量转移, 其荧光发生了强烈的淬灭(Eq. 1). 随着树枝代数的增加, 这种荧光淬灭效率越来越高, 这可能是由于配位点附近存在着越来越多的丹磺酰基官能团. 3代以上的化合物也能与浓度很小的Co 2＋

形成金属络合物, 且Co 2＋

可以使每个丹磺

酰基发生荧光淬灭

. 与6a 相比, 这些树枝状化合物还具

有更高的灵敏性(6e 的灵敏性是它的32倍), 也具有更强的荧光放大效应. 因此, 它们是一类性能更加优异的化学传感器

.

Balzani 等[22]以树枝状化合物6e (主体) 为萃取试剂, 研究其对曙红的二钠盐(客体) 的萃取作用, 并通过吸收

光谱和荧光光谱研究了这种超分子主客体的光物理性质. 将化合物6e 的二氯甲烷溶液与曙红的水溶液混合,

经充分振荡后, 发现水相已无任何吸收峰和荧光峰, 但CH 2Cl 2溶液却出现了曙红的吸收峰和荧光峰. 说明原先只溶于水的曙红已被完全转移到CH 2Cl 2有机相中, 这可能是由于所有的曙红分子都被6e 分子所络合. 因此, 化合物6e 是一种性能良好的新型树枝状萃取剂, 具有潜在的应用价值.

Balzani 等[23]合成了一种多聚赖氨酸型树枝状化合物7, 其外围含有24个丹磺酰基, 分子内部含有21个脂肪族酰胺基团(Scheme 7), 通过质子化作用和金属离子配位作用研究化合物7在乙腈/二氯甲烷溶液中的荧光性质.

荧光光谱研究表明, 质子化作用发生在丹磺酰基的胺基上, 而与金属离子的配位作用发生在分子内部的非

质子化脂肪族酰胺基团上(这两种作用都是可逆的). 但无论是质子化作用, 还是与Co 2＋

, Ni2＋

的配位作用, 都

会使丹磺酰基的荧光发生淬灭. 虽然Zn 2＋

不能引起丹

磺酰基的荧光发生淬灭, 但它能将化合物7内部的 Co 2＋

, Ni2＋

置换出来, 从而使淬灭的丹磺酰基的荧光得

到敏化. 因此, 树枝状金属离子配体7具有众多的质子化位点和配位点, 以及特殊的的光放大效应, 有望作为一类新型的高灵敏荧光化学传感器.

2002年Vicinelli 等[24]研究了树枝状化合物7与 Nd 3＋

, Eu3＋

, Gd3＋

, Tb3＋

, Er3＋

和Yb 3＋

六种镧系离子的配

位作用, 发现它们都能生成发光性能良好的树枝状镧系离子配合物. 将镧系离子加入化合物7 的溶液中, 发现

1982

有 机 化 学

V ol. 31, 2011

7

Scheme 7

丹磺酰基的荧光发生了淬灭: Nd3, Eu3的淬灭效率最

＋

＋化合物(主体) 与曙红E 2、荧光素F 2、玫瑰红R 2和萘

－

－

－

高, Nd3和Yb 3其次, Tb3较小, Gd3最小. 此外, 在近

＋

＋

＋

＋

荧光素N 四种染料(客体)(Scheme 8)的主客体络合作用. 利用只溶于二氯甲烷溶液的树枝状化合物萃取只溶入水溶液的染料分子, 发现树枝状化合物能萃取出一定量的曙红分子、荧光素和玫瑰红, 但无法萃取出萘荧光素. 且随着代数的增加, 树枝状化合物的萃取效率逐渐提高.

光谱学研究表明, 树枝状萃取剂的丹磺酰基的荧光被完全淬灭掉, 这是由于丹磺酰基向曙红分子发生了高效的能量转移. 单个曙红分子可占据6e 分子内部的两个不同的位点, 使6e 的所有丹磺酰基基团的荧光发生淬灭. 5代树枝状化合物最多可络合12个曙红分子, 而4

－

红外区还发现Nd 3, Er3和Yb 3三种镧系离子配合物的

＋

＋

＋

发射峰, 这可能是由于生成了它们的电荷转移激发态中间体. 当对树枝状配合物进行质子化后, 在可见光区发现了Eu 3和Tb 3配合物的发射峰.

＋

＋

由于镧系离子和丹磺酰基间容易产生“天线效应”, 使树枝状镧系离子配合物可以在近红外区和可见光区发光. 因此, 树枝状镧系离子配体7是一类具有较好发光性能的标记试剂, 在荧光免疫分析、时间分辨显微镜、显示器和信息加工等领域存在着广泛的应用价值.

Balzani 等[25]研究了1～5代PPI 型树枝状丹磺酰基

No. 12

马茶等：含丹磺酰基树枝状化合物研究进展

1983

Br

--Br Br

-

O O

E 2--

F 2--

Cl Cl --I

I

-

O

O R 2-N

-

Scheme 8

代化合物6e 最多可络合25个玫瑰红分子, 1.4个荧光素分子, 说明这种主客体络合作用与树枝状化合物的分子大小和电子性质有关, 而与染料分子大小无关. 此外, 在含有大量曙红和玫瑰红的水溶液中, 6e 能选择性地将玫瑰红萃取出来, 而不会萃取出任何曙红成分, 表明6e 对曙红具有独特的客体选择性. 这类树枝状染料主客体络合物在化学传感器和光捕获天线等领域具有重要的应用价值.

2003年West 等[26]以3代端氨基PAMAM 型树枝状化合物和丹磺酰氯进行反应, 合成了PAMAM 型树枝状丹磺酰基化合物8 (Scheme 9); 以它和端氨基PAMAM 型树枝状化合物为原料, 5代端羟基PAMAM 型树枝状化合物为稳定纳米颗粒的模板, 制备了四种金属纳米复合材料, 对这些纳米材料的非线性光学特性进行研究.

光谱学研究表明, 化合物8的丹磺酰基官能团与纳米颗粒间发生了强烈的相互作用, 引起其荧光发生淬灭. 另外, 发现模板上的粒子聚集所产生的光散射就是非线性光学效应的主要形成原因. 因此, 金属纳米颗粒的非线性光学性质不仅与它的几何形态有关, 还与制备纳米颗粒的模板有关.

Ternon 等[27,28]设计制备了一种具有较强荧光能量共振转移能力的三叉型树枝状标记肽: 它以3个丹磺酰基为能量给体, 1个4-(N , N -二甲基氨基) 偶氮苯-4'-磺酰基(dabsyl)为淬灭剂. 由于丹磺酰基与dabsyl 间发生了有效的能量转移, 树枝状标记肽的荧光发生淬灭, 其淬灭效率高达97%. 此外, 与由一个丹磺酰基和一个dabsyl 猝灭剂构成的对照肽相比, 它具有更高的酶裂解效率, 在水解反应过程中可使荧光信号得到更加显著地增强. 在蛋白酶检测试验中, 它可作为一类增强荧光信号的多染料载体. 此外, 这类树枝状标记肽还具有较好

R 22O

NR 2

R 2N

H O

O

O

O

O

NR 2

R 2N

2

R 28

H N

O 2

Scheme 9

的检测灵敏性, 在检测和监控蛋白质水解反应方面具有良好的应用前景.

2004年Wang 等[29,30]利用丹磺酰氯对0～5代PAMAM 型树枝状化合物进行修饰, 制备了具有憎水性的丹磺酰基外壳、亲水性的PAMAM 分子骨架的树枝状化合物, 研究了这类两亲性化合物在水溶液中的聚集行为和自组织行为.

通过透射电子显微镜和原子力显微镜的研究, 发现0～3代树枝状化合物可以在水中自组织生成双分子层泡囊, 这很可能是由于丹磺酰基分子间π-π键的相互作用, 以及树枝状大分子枝链上氢键的相互作用所引起的. 随着代数的增加, 这类泡囊的聚集能力逐渐增强, 但其平均直径和聚集数目逐渐减少, 这很可能是由于它的光异构化过程所引起的. 另外, 这种自组织行为会引起树形分子枝链的进一步缠结, 从而生成更稳定的多泡囊组织. 然而, 由于受到空间位阻和刚性分子骨架的影响, 4代以上的化合物无法进行分子的回折而自组织形成有序的聚集体.

Fuchs 等[31]合成了2代含丹磺酰基的聚酰胺型树枝状化合物9a 和9b (Scheme 10), 对它们的细胞毒性和细胞培养过程进行了研究. 与化合物9a 相比, 完全丹磺酰化的化合物9b 对人体的MCF-7乳腺癌细胞系所产生的

1984

有 机 化 学 V ol. 31, 2011

毒性更小. 通过共聚焦荧光显微镜对它们的细胞吸收和细胞内分布进行研究, 发现它们都能被HeLa 细胞所内化, 且在20 h的孵化时间内仍能保留在细胞内. 此外, 还发现它们都能在细胞核附近会发生聚集. 因此, 树枝状化合物9a 和9b 在转染试剂、药物载体和生物医学实验等领域具有潜在的应用价值.

R

R

R

9R

+3

CF 3CO 2-

+

3CF 3CO 2-9a R =O 29b R =O 2O 2

Scheme 10

2005年Fuchs 等[32]设计合成了一种具有多功能性的树枝状丹磺酰基化合物: 它是一类含有组织蛋白酶B 裂解位点, 能与有着抗癌活性的Pt 2＋

进行螯合配位的五肽化合物. 该化合物易与抗肿瘤药物发生偶联反应, 是一种良好的原型树枝状载体. 另外, 由于它含有丹磺酰基这种荧光标记物, 故可用于细胞检测. 通过荧光共聚焦显微镜对它的细胞吸收和细胞内定位进行研究, 发现人体内的人子宫颈癌传代细胞在经过18 h孵育后, 其可在细胞核附近迅速聚集成簇. 因此, 这类含有丹磺酰基

荧光标签的树枝状化合物有望在药物传输领域得到广

泛应用.

2006年Branchi 等[33]合成了以1,4,8,11-四氮杂环十四烷(cyclam)为核, 末端基为8个丹磺酰基和8个二甲氧基苯型结构单元的树枝状化合物10 (Scheme 11). 化合物10 含有三种多价位点(cyclam的N 原子、8个丹磺酰基的胺基和16个寡甘醇链), 既能被质子化, 也能与金属离子发生配位作用. 对化合物10 的乙腈溶液进行质子化, 并加入一些二价金属离子(Co2＋

, Ni2＋

, Cu2＋

, Zn2＋

)

和三价金属离子(Nd3＋

, Eu3＋

, Gd3＋

) 后, 研究其吸收光谱

和荧光光谱的变化.

R

R

R

R

R R 10

R =2

Scheme 11

研究结果表明, 首先被质子化, 或与金属离子发生

络合作用的都是cyclam 核, 然后才发生在丹磺酰基官能团上. 寡甘醇链并不影响cyclam 核和处于基态的丹磺酰基的质子化, 但会影响质子化的丹磺酰基的发光性能. 当金属离子与cyclam 核发生络合作用时, 它也会与

外围的丹磺酰基发生相互作用, 这种相互作用的性质和程度取决于金属离子和平衡离子的性质. 树枝状化合物

10含有众多的发光单元和配位位点, 在金属纳米材料、离子传感器和电致发光器件等领域上具有潜在的应用价值.

2007年Passaniti 等[34]合成了四种具有三(2-氨乙基) 胺型分子骨架、丹磺酰基外围的树枝状化合物11b ～11e (Scheme 12), 对它们在乙腈溶液中的吸收光谱、荧光发射光谱、量子产率和荧光寿命等光物理性质进行研究. 与单个丹磺酰基参考化合物11a 相比, 它们的吸收光谱带和荧光光谱带均发生了红移. 此外, 由于同一个磺酰胺基单元连接的两个芳香族分子间发生了相互作用, 引起树枝状化合物的荧光发生强烈的淬灭.

利用三氟甲磺酸对它们进行质子化, 发现它们的发光强度减弱, 荧光发射谱带的形状也发生改变, 这说明

No. 12

2

RHN

11a

11b

马茶等：含丹磺酰基树枝状化合物研究进展

11c

1985

用是通过内消旋相互作用发生在各种荧光团和磺酰胺基团间的.

NHR

R 2N NR 2

RHN

2008年Wängler等[35]通过发散法合成了以三苯甲基硫醇为核, 外围为16个丹磺酰基的PAMAM 型树枝状齐聚物12 (Scheme 13), 它含有128个共轭点, 是一类新型的高分子荧光标记物. 荧光光谱研究表明, 这类树枝状丹磺酰基齐聚物具有优异的荧光性能, 可作为高效

R

2

2

的荧光探针. 此外, 它能与一些生物高分子进行偶合反应, 如将树枝状齐聚物12和马妥珠单抗进行反应, 得到一种树枝状染料多聚体(它含有较高的染料成分, 故其染料/载体比相当高), 能产生很强的荧光信号, 可提高生物高分子的荧光标记性能, 故它可用于光学成像方面. 树枝状齐聚物12具有大量反应位点和良好的荧光性能, 有望在生物、染料、成像剂和化学传感器等领域得到广泛应用.

Fuchs 等[36]首次合成了2代水溶性的Janus 型树枝状丹磺酰基化合物13 (Scheme 14), 它含有两种类型的树突: 一种树突的外围为水溶性的氨基阳离子, 另一种树突的外围为荧光性的丹磺酰基官能团, 这两种树突通

11d

R

R

2

2

R =O 2S

11e

过肽类耦合反应连接而成. Fuchs还对它的光谱学性质

进行了研究, 结果表明, 化合物13具有良好的荧光性质, 且其荧光发射区离吸收光谱区较远, 这在生物实验中具有重要的应用价值. 更重要的是, 树枝状化合物13在水中具有良好的水溶性, 可作为一种具有良好发光性能的荧光标记物和荧光试剂, 在材料科学和生物领域具有广阔的应用前景

.

H N

H N O 2O 2Scheme 12

树枝状大分子内的荧光团间发生了相互作用. 四种树枝状化合物的滴定曲线的形状均不同, 但将三丁胺持续滴加到质子化后的树枝状化合物溶液中, 其酸碱滴定曲线是完全可逆的. 实验表明, 最主要的树形分子内相互作

NR 2

S

NR 2

R =

N H 12

H N

O 2N S H

O 2S

Scheme 13

1986

+

有 机 化 学

-3CF 3CO 2

V ol. 31, 2011

-CF 3CO 2

CF 3CO 2H 3-CF 3CO 23

O -CF 3CO 2H 3N

+

+

+

-

NH 3

-CF 3CO 2NH 3

+

+

+

NH 3

-CF 3CO 2

S 2

O O S O 2

H

N O H

H N 2

N H

-CF 3CO 2

3

+

O O -

2

CF 3CO 2

H 3N

-CF 3CO 2

+

O O 2

S

13

H 3N

2009年Ortega 等[37]合成了两种拓扑结构的外围带有丹磺酰基的碳硅烷型树枝状化合物: 外围全被丹磺酰化的碳硅烷型树枝状化合物, 部分表面被修饰的含丹磺酰基与氨基的2代碳硅烷型树枝状化合物, 对它们的细胞内化作用进行了研究. 通过共聚焦荧光显微镜研究其细胞吸收能力, 发现这些树枝状化合物都能被细胞内化, 且在细胞内化过程中, 它们都能起到荧光标记的作用. 此外, 它们对初级细胞培养也不产生任何体外毒性. 这些碳硅烷型树枝状化合物都是良好的荧光标记物, 在传感器和荧光标记领域具有潜在的应用价值.

值得一提的是, 由于第二种拓扑结构的化合物带有活泼的氨基, 可用于研究碎片的正交反应, 有望被设计成一种治疗药物和成像试剂; 若将它与药物单元肽等极性碎片结合, 可提高它们在水溶液中的溶解度, 以满足各种生物实验和生物医学实验的需要.

Branchi 等[38,39]发现在Zn(II)的络合作用下, PPI型树枝状化合物6a , 6c , 6d 和蒽分子夹(通过苯二硫酸盐将侧壁的两个蒽分子连接而成) 进行反应, 生成一类具有高效光致能量转移能力的自组装结构的加合物. 研究该自组装加合物在CH 3CN/CH2Cl 2溶液中的荧光性质, 发现分子夹的蒽分子向树枝状化合物外围的丹磺酰基发

+

Scheme 14

生了有效地能量转移, 其荧光发生淬灭, 而丹磺酰基的荧光得到敏化. 研究这类加合物的络合性质, 发现该自组装过程是可逆的, 且随着代数的增加, 树枝状化合物所能络合的金属离子和分子夹数目会逐渐增加. 这类树枝状加合物有着高效的光致能量转移性能, 在光捕获天线、传感器、有机发光二极管等领域具有较好的应用前景.

2010年Bergamini 等[40]合成了三种以cyclam 为核心, 外围为两种类型树突的树枝状化合物(Scheme 15): 外围含有6个萘基和2个丹磺酰基的树枝状化合物14a 、外围含有2个萘基和6个丹磺酰基的树枝状化合物14b 、外围含有8个丹磺酰基的树枝状化合物子14c , 对它们的质子化效应和光学性质进行了研究.

研究结果表明, 质子化作用先发生在cyclam 的N 原子上, 后才发生在丹磺酰基的胺基上的; cyclam的去质子化作用是可以发生的, 但会影响丹磺酰基吸收光谱带和荧光光谱带的形状. 研究14a 和14b 的吸收光谱, 发现萘基和丹磺酰基间没有发生任何相互作用. 研究14a 和14b 的荧光性质, 发现萘基向丹磺酰基发生了分子内光致能量转移: 14a 的能量转移效率为50%, 而质子化后生成的14a (2H) 络合物的能量转移效率提高到

＋

No. 12

马茶等：含丹磺酰基树枝状化合物研究进展

1987

RO

OR

RO

1R 2

NR 1R 2

RO H +

RO

RO

+

1R 2

+

NR 1R 2

14a (2H+) R 2R 1N

NR 1RO

1R 2R 2

NR 1R

2

R 2R 1N NR 1R 214b R 2R 1

N

NR 1R 2R 2R 1

N

1R 2

R 2R 1NR 1R 2

R 2R 1N NR 1R 214c

R =

R 1 =

R 2 = PhCH2

O 2S

Scheme 15

75%, 其原因可能是对cyclam 进行质子化后, 激发态的萘基单元不再参与激发络合物的形成.

Branchi 等[41]利用1个树枝状大分子7, 2个蒽分子夹和2个Nd 3＋

离子五个化学组分进行自组装, 成功制备

了一类高效的光捕获天线. 化合物7和蒽分子夹都能与Nd 3＋

离子生成稳定的络合物, 且它们也发生了有效的能

量转移: 化合物7 的丹磺酰基向Nd 3＋

离子发生能量转移的效率为65%, 而蒽分子向Nd 3＋

离子发生能量转移

的效率仅为8%, 这表明化合物7对Nd 3＋

离子具有更好

的包裹能力. 选择合适比例的7、蒽分子夹和Nd 3＋

离子

进行络合, 生成一种自组装超分子结构的络合物, 该络合物的蒽分子向丹磺酰基发生的能量转移效率为100%, 而向Nd 3＋

发生的能量转移效率为65%.

研究结果表明, 由于该树枝状络合物分子含有24个丹磺酰基分子和4个蒽分子, 故能对紫外光进行有效的捕获, 并将其转移到被包裹的Nd 3＋

离子上. 这类新型

的自组装络合物具有良好的光捕获能力, 在生物传感器、成像和光电器件等领域具有广泛的应用价值.

3 展望

含丹磺酰基的树枝状化合物由于其独特结构和优异的发光性能, 以及它在荧光传感器、光捕获天线、成像剂、生物医学、纳米材料和有机电致发光器件等方面的潜在应用价值, 正吸引越来越多科研工作者们的关

注. 近十年来, 科学家们已经在含丹磺酰基树枝状化合物的合成和应用方面做出了大量的研究工作, 取得了长

足的进步, 并成功制备出多种结构的含丹磺酰基树枝状化合物, 它们具有特殊的性能: 或含有特殊的胺基质子化位点(或非质子化酰胺基团), 可发生质子化作用(或与过渡金属离子络合), 从而引起其荧光发生淬灭, 有望作为一类高灵敏的荧光化学传感器; 或与生物高分子、氨基酸、抗肿瘤药物等发生偶合反应, 产生较强的荧光

信号, 从而起到荧光标记作用; 或作为良好的能量给体, 当选择合适的能量受体时, 就可设计制备出具有优异光捕获能力的树枝状天线材料.

因此, 含丹磺酰基树枝状化合物的研究具有重要的理论意义和非常良好的应用前景. 今后, 如何充分发挥含丹磺酰基树枝状化合物的发光性能、光学敏感性、荧

光标记性能等自身特有的性质, 以及进一步研究其它光

学活性中心与含丹磺酰基树枝状化合物之间的构效关系、相互作用关系将是该研究的主要发展方向. 此外,

这类树枝状化合物的合成步骤都比较烦琐, 纯化困难, 产率也相对较低, 如何通过简便的途径来合成这类树枝状化合物仍有待解决.

可以预见, 含丹磺酰基树枝状化合物将以其独特的结构、性质和应用前景继续被人们关注, 今后除了继续探索结构新颖的衍生物, 更多的注意力会转向其独特性质的应用方面. 随着科学家们研究的进一步深入, 通过对含丹磺酰基树枝状化合物的结构、合成工艺及新型功能进行设计, 它将有一个更快速的发展, 其种类亦会更

1988

有 机 化 学 V ol. 31, 2011

加繁多, 结构更加新颖, 综合性能将得到不断提高, 用途也必将更加深入和广泛. 相信在不久的将来, 这类材料将进入市场, 给人类的生产和生活带来巨大的便利.

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31 Fuchs, S.; Kapp, T.; Otto, H.; Schöneberg, T.; Franke, P.;

Gust, R.; Schlüter, A. D. Chem . Eur . J . 2004, 10, 1167. 32 Fuchs, S.; Otto, H.; Jehle, S.; Henklein, P.; Schlüter, D.

Chem . Commun . 2005, 1830.

33 Branchi, B.; Ceroni, P.; Bergamini, G.; Balzani, V.; Maestri,

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34 Passaniti, P.; Maestri, M.; Ceroni, P.; Bergamini, G.;

Vögtle, F.; Fakhrnabavi, H.; Lukin, O. Photochem . Photo-biol . Sci . 2007, 6, 471.

35 Wängler, C.; Moldenhauer, G.; Saffrich, R.; Knapp, E. M.;

Beijer, B.; Schnözer, M.; Wängler, B.; Eisenhut, M.; Haberkorn, U.; Mier, W. Chem . Eur . J . 2008, 14, 8116. 36 Fuchs, S.; Pla-Quintana, A.; Mazères, S.; Caminade, A. M.;

Majoral, J. P. Org . Lett . 2008, 10, 4751.

37 Ortega, P.; Serramía, J.; Samaniego, R.; De la Mata, F. J.;

Gomez, R. Org . Biomol . Chem . 2009, 7, 3079.

38 Branchi, B.; Ceroni, P.; Balzani, V.; Bergamini, G.; Klärner,

F. G.; Vögtle, F. Chem . Eur . J . 2009, 15, 7876.

39 Branchi, B.; Ceroni, P.; Balzani, V.; Cartagena, M. C.;

Klärner, F. G.; Schrader, T.; Vögtle, F. New J. Chem . 2009, 33, 397.

40 Bergamini, G.; Sottilotta, A.; Maestri, M.; Ceroni, P.;

Vögtle, F. Chem . Asian J. 2010, 5, 1884.

41 Branchi, B.; Ceroni, P.; Balzani, V.; Klärner, F. G.; Vögtle,

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(Y1012021 Qin, X.)