經典杯芳烴及氧雜杯芳烴熒光探針的研究進展

1、目錄摘要ii關鍵詞iiabstractillkeywordsill1熒光分子探針簡介11.1熒光分子探針常用的熒光基團11.1.1卩占噸類11.1.2羅丹明類11.1.3稠環(huán)芳桂類21.1.4其它類31.2熒光分子探針常用的識別基團32杯芳桂熒光分子探針研究進展62.1經典杯芳婭類熒光探針的研究進展62.2氧雜杯芳婭類熒光探針的研究進展93總結12參考文獻13經典杯芳炷及氧雜杯芳炷熒光探針的研究進展摘要熒光探針具有較高的選擇性及靈敏度，并且能夠實現實時原位檢測功能，所 以它被廣泛地應用于臨床檢驗、環(huán)境監(jiān)測、生物分析、材料研發(fā)等領域。作為第 三代超分子化合物一杯芳桂這個家族中新興且重要的成員氧雜

2、杯芳桂由于用氧 雜亞丙基(-ch2-o-ch2-)部分或完全地取代了橋聯(lián)亞甲基(-ch2-)使得氧雜杯芳 桂擁有比經典杯芳桂更多的構象、更大的空腔體積以及更強的識別能力。通過在 氧雜杯芳姪的下沿引入特定的熒光基團，并利用模板效應控制其構型，可合成具 有特定空腔結構的氧雜杯芳坯熒光探針。本論文將近幾年來經典杯芳坯及氧雜杯 芳怪熒光探針的研究進展做一簡要的綜述。關鍵詞：經典杯芳怪,氧雜杯芳怪，熒光探針。abstractthe fluorescent probe has high selectivity and sensitivity, and the ability of real-time de

3、tection in situ, so it was widely used in clinical testing, environmental monitoring, biological analysis, materials research and other fields. oxacalixarene is a new and important class of calixarene, which was recognized as the third generation of supramolecular compounds, because of the bridges m

4、ethylenes ch2- groups were completely or partly replaced by ch2-o-ch2- that make it has more conformations, larger cavity and greater identifiable ability than the classical calixarene, we can get the oxacalixarene fluorescent probes with specific cavity structure by introducing specific fluorophore

5、s to the lower rim of the oxacalixarene with the template effect to control its conformation. this paper mainly make a brief overview about the progress the classic calixarene and oxacalixarene fluorescent probes in recent years. keywords： classic calixarene, oxacalixarene, fluorescent probe.1熒光分子探針

6、簡介熒光分子探針通常由識別基團、連接體、熒光基團三部分組成。識別基團 決定了探針分子對客體識別的選擇性與特界性，熒光基團則是將目標分析物的識 別信息轉化為熒光信號，熒光信號的強弱取決于識別的靈敏度。而連接體部分則 起到分子識別樞紐的作用。圖1.1熒光分子探針結構及作用機理示意圖1.1熒光分子探針常用的熒光基團1.1.1帖噸類咕噸類的主要代表有熒光素、羅丹明，它們是常用的熒光染料。四乙基羅丹 明，異硫氟酸熒光素及四甲基異硫氟酸羅丹明是廣泛用于標記抗體的熒光素類化 合物問。1.1.2羅丹明類對于羅丹明類化合物研究得較多的有羅丹明b、羅丹明6g、羅丹明123o其 中羅丹明123具有下列優(yōu)點：通過細胞

7、膜的速度快，對活細胞內的線粒體染色的 選擇性高，對細胞沒有任何毒性。所以它被廣泛地用于檢測線粒體膜電位，也常 用于細胞凋亡檢測，還用于癌癥研究。1.1.3稠環(huán)芳炷類稠環(huán)芳炷類的主要代表為蔥、茫，因其具有強而穩(wěn)定的熒光而被廣泛重視。該類化合物的結構較為簡單，經常用于熒光探針領域里基礎理論的研究。特別重 要的是它們易產生激基締合物熒光叫 這一典型特征是其它種類的熒光團不能代 替的。荼酰亞胺是該類熒光基團屮一個很常用、很重要的成員，其優(yōu)異的光化學 性質和光物理性質一直備受重視。蔡酰亞胺的化學性質穩(wěn)定，易于被修飾，有較 寬的光譜調節(jié)范圍，熒光點亮與熄滅及400到600納米發(fā)射光波長的變化，以及 顏色的

8、變化叫圖1.4 1, 8蔡酰亞胺另一重要的稠環(huán)芳怪類熒光基團是nbd-c1,即4氯7硝基2, 1, 3苯并咲 咱，它具有衍生速率較快，副產物少，反應條件溫和等特點，它能與帶胺基基 團的分子反應，例如脂肪胺，氨基酸，多肽和蛋白質，形成具有高熒光強度的化 合物，所以被廣泛應用于標記多肽、蛋白質、藥物和其它生物分子。它也可以作 為hplc（高效液相色譜）分析中的衍牛試劑。另外，nbd胺加合物對環(huán)境的變化 具有較高的靈敏性，其熒光強度在水溶液中顯著降低。冃前在陰離子識別領域的 應用的報道較少，傅玉等報道了在nbd-c1的乙月青溶液加入acct, f后，在較短 時間內裸眼能觀察到顏色由橘黃色變?yōu)榧t色，同

9、時熒光顯著地增強。1.1.4其它類其它類常用的熒光基團有葉呢、菁類、甲川類等。其中葉喘通常被用作蛋 白質和核酸細胞、脂蛋白、膜等生物物質的熒光探針，這是因為它在可見光區(qū)有 很大的吸光系數及很強的熒光，而u對dna有很大的結合常數。菁類熒光染料 主要應用于標記生物大分子，其特點是波長可調節(jié)范圍特別大，可延伸入近紅外 區(qū)，因此能有效地避開生物體系的背景熒光，從而大大提高探針的靈敏性。甲川 類®口熒光皋團具有熒光量子效率高，隨取代基變化其熒光波長可調節(jié)范圍大， 不易受環(huán)境ph的影響等特點。此外，其它常用的熒光基團還有丹磺酰胺、香 豆素類問等。1.2熒光分子探針常用的識別基團一般來講，作為分

10、子熒光探針的識別基團一方面應含有諸如氧、硫、氮等能 提供電子以形成配位鍵的原子或基團，另一方面還應具有適于特定客體的三維空 腔結構。作為繼冠醯和環(huán)糊精之后的第三代主體化合物一杯芳繪，它兼具上述兩 種條件，所以廣受相關化學研究者的親睞。杯芳桂是一類由苯酚環(huán)和處于鄰位的亞甲基連接起來而組成的大環(huán)化合物。 由于其分子形狀與古希臘的圣杯相似，gutsche等z就將它命名為“杯芳坯雹在 杯|n芳怪的杯狀結構下沿連續(xù)排列著n個酚疑基，而杯狀結構的中部為芳環(huán)構 成的疏水性空穴。前者能鰲合和輸送陽離子，后者則能與中性分子形成包合物。cmi ik)圖1.6對叔丁基杯3芳怪由于杯芳桂這種獨特的結構，離子和屮性分子

11、均可作為其形成包合物的客體 r，41o更引人注意的是杯芳桂具有可調的空腔、可變的構象、u易被修飾等特點， 因此被稱為是繼冠瞇和環(huán)糊精之后的第三代主體化合物何。與冠瞇和環(huán)糊精相比 較，杯芳炷確具有如下特點：1 它是一類合成的低聚體，其空穴結構大小具有較 大的調控性；2.它的下沿酚疑基十分易于衍生化.而酚疑基對位的叔丁基在消去 后也可進行上沿修飾。其次是它的成環(huán)骨架上也可進行修飾。由此可獲得眾多的 衍生物，以適應各種客體的需要；3.它不但能與離子，且能與中性分子形成主客 體包合物，這是兼冠醯和環(huán)糊精兩者之長；4.它的熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性很好， 可溶解性較差。通過衍生化后，某些衍生物具有很好的溶解性

12、；5.它的合成較為 簡單，可望獲得較為價廉的產品胸?；谏鲜霰姸鄡?yōu)點，國內外對杯芳坯在分子 識別、分子組裝、酶模擬、化學傳感器和光屯材料等方面的應用都進行了廣泛而 深入的研究"釗，并在廣度和深度方面都取得了矚目的成果。圖1.7對叔丁基杯4芳炷隨著對杯芳燒衍?；芯康纳钊耄幌盗须s原子杯芳炷成為了這個家族的新 興且重要的成員，使得杯芳桂的種類及研究領域不斷擴大。氧雜杯芳桂就是這類新興成員的重要代表之一。氧雜杯芳桂與經典杯芳桂最 大的不同在于用氧雜亞丙基-ch2-o-ch2-取代了經典杯芳桂中的橋聯(lián)亞甲基 -chr,因為醯鍵較柔順，所以氧雜杯芳怪可形成比經典杯芳桂更多的構象，不 同的構象

13、可能具有不同的性質，因而i占1定化的不同構象可識別不同的客體。此外, 瞇鍵的引入增加了分子中的識別位點，其絡合性能會有所增強，于此同時也使得 氧雜杯芳桂的空腔體積大于經典杯芳桂。通過在杯芳桂下沿引入特定的官能團，圖1.8對叔丁基全氧雜杯3芳桂2杯芳桂熒光分子探針研究進展由于杯芳炷具有優(yōu)異的識別性能，因而世界各國的研究者都注意到，若將熒 光基團與杯芳桂相連接，就可制備具有良好識別性能的熒光探針，并可將其應用 到主客體識別，環(huán)境監(jiān)測，醫(yī)學檢驗等方而。為此，杯芳桂熒光探針的研究成為 世界各國杯芳桂研究者的研究熱點，下面主要就近些年來經典杯芳桂及氧雜杯芳 怪熒光探針的研究進展做一些簡要的介紹。2.1經

14、典杯芳桂類熒光探針的研究進展valeur等報道了含6?；?甲氧基荼熒光基團的杯4芳坯探針a。在乙月青、 乙醇等溶劑中，a對堿金屬及堿土金屬離子都有較強的包結作用。而在乙醇/水 (6/4, v/v)體系中，它與nf形成絡合物后熒光顯著增強且熒光發(fā)射峰紅移，因此 它可用作na*的熒光傳感器。圖2.1熒光探針abu等刪首次合成了含有蔥熒光團的新型杯芳桂冠陋探針，其機理為光誘 導電子轉移作用(pet)o在酸性條件下熒光探針和k rb+形成絡合物時發(fā) 生熒光猝滅現象。而在相同條件下，探針b和lis na*及cs+絡合時卻未發(fā)生猝 滅現象，其原因為探針b的冠醯環(huán)能和kj rb4形成更穩(wěn)定的絡合物，而與li

15、s na*及cs+形成的絡合物穩(wěn)定性小于ks rb圖2.2熒光探針cao等岡報道了含咪卩坐基的新型杯芳炷熒光探針c,它能夠選擇識別cu2+和zr?+。通過改變溶液的ph,它可作為選擇ci?+的“分子熒光開關覽ft(ht圖2.3熒光探針c對cj"選擇的“分子熒光開關”miao等宙報道了具有酰胺結構的杯芳炷蔥熒光探針°,在陰離子f、cl br i h2po4 hso4 no3-等共存時對acer有較好的識別性。圖2.4熒光探針dkim等合成了兩種新型的含花氨基的杯芳桂衍牛物e, f, p0加入后， 插入到兩個蹤環(huán)中間，導致化合物原有的激基締合物峰猝滅。當向e-pb2+絡合物 中

16、不斷滴加c/十時，c/十與環(huán)平面另一端的竣基絡合，產生變構作用而pb?+擠出,因而原有的蹤激基締合物峰又增強。而當向f-pb2+絡合物中滴加c0時，熒光強 度并沒有較大的變化。產生此種現象可能的原因是由于金屬離子間的靜電排斥及 反向變構效應產生的構象變化。圖2.5熒光探針e圖2.6熒光探針fkim等圖合成了一類新型的含花氨基的杯芳怪冠狀探針g,其對pb有顯著 的選擇性。在波長343 nm光的激發(fā)下，探針g的花基團能夠發(fā)射出波長為448 nm的熒光。當氮雜冠醛包結pb?+時，由于氮的孤對電子與pb?+的絡合作用導致 構象變化，使探針熒光猝火。反之當絡合ff寸，由于f與花上氨基形成氫鍵使得 兩個花

17、熒光基團部分重疊，使熒光增強。圖2.7熒光探針g2.2氧雜杯芳炷類熒光探針的研究進展氧雜杯芳炷具有一些經典杯芳炷所不具備的性質，這是由于ch2部分或完 全被ch2och2取代，所以氧雜杯芳怪的種類遠遠多于經典杯芳怪，同時因為 瞇鍵較柔順，所以氧雜同杯芳繪的空腔比經典杯芳繪的大，可能的構象更多，構 象的固定化更為困難。此外，由于醸鍵的引入増加了絡合作用點，其絡合性能也 會有所增強。并且可通過控制引入的-ch2-o-ch2-的數目與位置，對杯芳桂空腔 的大小和形狀進行精細調節(jié)，合成具有特定空腔的主體分子2910除對杯芳炷骨 架的修飾以外，另對其上下沿的修飾也是一個國際熱點課題。陳遠蔭等胸合成了二氧

18、雜杯6芳坯的六乙酸，六乙酸酯和六乙酸酰胺衍生 物，其屮二氧雜杯6芳桂的六乙酸酯對鋰離子有較高的選擇性，而它的酰胺衍 生物則對c0、ni2 hg2+表現了較高的選擇性。倪新龍等利合成了基于氧雜杯3芳炷的熒光探針h,它對pb?+的選擇性明顯 高于其他金屬離子，該測試是通過花的單體增強來實現的?？梢钥吹骄哂衏3高度 對稱結構的氧雜杯3芳繪在檢測重金屈離子的比率熒光傳感器的發(fā)展方而有潛 在的應用。圖2.8熒光探針h吳獅等陽報道了氧雜杯芳坯的羅丹明衍生物厶它可以作為絲及過渡金屈 離子的熒光探針。且當加入sbt fe3+, ni?+時，可顯著地檢測到熒光增強(波 長在500-600nm之間)及比色度的變化

19、。此外，張文娟等陽報道了在tris-hcl作 為緩沖體系的乙睛溶液(ph 7.0)中，探針z木身無色且無熒光，當加入sb*后， ?的螺環(huán)結構打開，可觀察到顯著的熒光增強及顏色變紅現象，再加入則導 致i sb時配合物的熒光消失及紅色褪去，因而它可作為檢測c/+的分子熒光探針 和比色化學傳感器。圖2.9氧雜杯3芳姪的羅丹明衍生物masci等網合成的二氧雜杯4芳炷甲基瞇對季鞍鹽有很好的絡合能力。yamato等哈成了新型的氧雜杯芳坯三酮，其對ag中有高度的選擇性。shinkai課題組胸將花連接到氧雜杯3芳坯的上沿得到如下化合物，它可以在仲胺及堿金屬離子存在的環(huán)境中選擇性地識別伯胺，且該類化合物的部分錐

20、型的靈敏度高于錐型，這是它與rnh2形成1:1絡合物時，強烈破壞了處于氧雜杯 芳桂環(huán)另一側的兩個花分子所形成的激發(fā)態(tài)締合物，從而導致了熒光淬滅。280nm 9x>1atbon w280nmexcitation331 nmemissionkim等人旳合成了以二氧雜杯4芳桂為平臺修飾荼和花酰胺兩種熒光基團 的衍生物，如下圖所示。該衍生物對cu/的選擇性高于其它常見的金屈離子。下 圖識別cj+的過程是以荼基團的熒光共振能量轉移為基礎的熒光分子開關。fret-off470nmem«s$k)nfret-on 23圖2.11熒光探針kkazunori tsubaki等闕合成了能夠識別堿金屬

21、和胺類的分子熒光探針乙,它是 通過在氧雜杯3芳桂的上沿接上一個發(fā)色體卩比唳厶酚鹽染料而得的。探針l含 有一個可質子化的酚官能團，當檢測堿金屬或胺類時該基團可作為化學轉化器以產牛相應的顏色變化。圖2.12熒光探針l3總結從上面的介紹可以看到由于可以對經典杯芳炷的上下沿進行衍生化修飾后， 可得到一系列杯芳怪熒光探針，它們具有良好的識別性能和選擇性，但經典杯芳 繪母體環(huán)上識別位點較少，是其較大的弱點，限制了它的進一步發(fā)展。對新一代 的杯芳桂一氧雜杯芳桂來說，國內外對它的研究較晚，有關報道也較少，由于柔 性增加，鍵合位點增多，所以氧雜杯芳桂的很多特點有待各國研究者一起挖掘。 因此，經過有目的性的修飾后

22、的氧雜杯芳桂可以作為一個優(yōu)良超分子熒光探針研 究的重要方向。參考文獻ljhirano t, kikuchi k, urano y, higuchi t, nagano t. novel zinc fluorescent probes excitable with visible light for biological applications. angew.chem.int.ed, 2000, 39:3438-3440.2 walkup g k, burdette s c, lippard s j, tsien r y. a new cell-permeable fluorescent pr

23、obe for zn2+fj. j.am.chem.soc, 2000, 122: 5644-5645.3 krauss r, weinig h g, seydack m, bendig j，koert u molecular signal transduction through conformational transmission of a perhydroanthracene transducer j. angew.chemjnt.ed, 2000、 39(10): 1835-1837.4 grabchev ivo, bosch paula, mckenna mark, nedelch

24、eva ana. synthesis and spectral properties of new green fluorescent poly (propyleneimine) dendrimers modified with l,8naphthalimide as sensors for metal cationsj. polymer. 2007, 48(23): 6755-6762.5 jin yinglan(金英蘭)，zhang bin 張兵)，li linchun(李林春)，eta 1.journal of jilin medical college (jilin yiyao xue

25、 yuan xue bao),2010,31 (2):65 7.6 傅玉，曾唏，牟蘭,江學凱，鄧敏，張云黔,張建新，衛(wèi)鋼.新型咲咱陰離子探針的合成、晶 體結構及性質研究卩.無機化學學報,2012,28(8):16351642.7 cao y, he x , gao z, peng l. fluorescence energy transfer between acridine orange and safranine t and its application in the determination of dnaj. taianta, 1999, 49(2): 377-383.8 施鋒，李宏

26、洋，彭孝軍.生物分析用近紅外熒光染料研究進展j.精細化工,2003, 20(5):268-272.9 treibs a, kreuzer f h. difluorboryl-komplexe von di- and tripyrrylmethenfj. liebigs ann.chem., 196& 71 &208-223.10 出茂忠，彭孝軍，樊江莉，吳云扣.氟硼二毗咯類陽離子熒光探針的研究進展j.分析化 學評述與進展,2006, 34: s283-s28&1 lvdgtle f, gestermann s, kauffmann c, ceroni p, vicine

27、lli v, balzani v. coordination of co2+ ions in the interior of poly(propylene amine) dendrimers containing fluorescent dansyl units in the peripheryfj. j.am.chem.soc, 2000, 122:10398-10404.12jiwan j l h, branger c, souumillion j ph, valeur b. ion-responsive fluorescent compounds v photophysical and

28、complexing properties of coumarin 343 liked to monoaza15crown-5j. photochemistry and photobiology chemistiy. 1998, 116:127-133.ll3gutsche c d, muthukrishnan r. j. org. chem, 197& 43: 4905-4906.14 王鍵吉,劉文彬，卓克壘.化學通1996,2:11-12.15 shinkai s. calixarenes the third generation of supermoleculesj. tetra

29、hedron, 1993, 49(40):8933-8968.16 黃志鎮(zhèn)，楊聯(lián)明.杯芳坯研究進展j.化學進展,1994,6(3): 17377.17 gutsche c d. calixarenes revisited: monographs in supramolecular chemistryfml.cambridge, uk: royal society of chemistry, 1998.18 lujq, hexw, chen l x, lai j p. chinese j. anal. chem, 2001,29(11): 1336-1344.19 bohmer v. calix

30、arene, macrocycles with(almost) unlimited possibilitiesj. angew. chem.int. ed. engl, 1995, 34(7):713-745.20 ludwig r. calixarenes in analytical and separation chemistryj. fresenius j. anal. chem, 2000, 367(2):103-128.21 馬會民,馬泉莉.杯芳桂光學識別試劑j.分析化學,2000, 30(9): 1137-1142.22 劉世嵐，李海兵，鐘振林，陳遠蔭.氧雜同杯芳炷的研究進展j.有

31、機化學，2004,24(4) :386-387.23 leray i, oreilly f, jiwan j l h, soumillion j p, valeur b. chem. commun, 1999, 9:795-796. 24jbu j h, zheng q y, chen c e etal. new fluorescence quenching process through resumption of pet process induced by complexation of alkali metal ion j. org. lett, 2004, 6(19): 3301-3

32、303.25 cao y d, zheng q y, chen c f, etal. a new fluorescent chemosensor for transition metal cations and on/off molecular switch controlled by phj. tetrahedron. lett, 2003, 44(25): 4751-4755.26 miao r、zheng q y, chen c f, et al. a novel calix4 arene fluorescent receptor for selective recognition of

33、 acetate anionj. tetrahedron. lett, 2005,46(12): 2155-2158.27 kim s h, choi j k, kim s k, sim w, kim j s. on/off fluorescence switch of a calix4arene by metal ion exchangej. tetrahedron. lett, 2006, 47: 3737-3741.28 lee j y, kim s k, jung j h, et al. bifunctional fluorescent calix4arene chemosensor

34、for both a cation and an anion j. j. org. chem, 2005, 70(4): 1463-1466.29 劉世嵐，李海兵，鐘振林，陳遠蔭.氧雜同杯芳燒的研究進展j.有機化學，2004,24 (4) :386-387.30 li h b, chen y y, yang x l. syntheses and complexation properties of novel molecularreceptors: thtreahomodioxacalix6arene derivativesj. chinese journal of chemistry, 2005, 23,891-894.31 jxin-long ni,shi wang,xi zeng,zhu taoand takehiko yamato. pyrene-linked triazole-modified homooxacalix3arene: a unique c3 symmetry ratiometric fluorescent chemosensor for pb2+fj org. lett.32 chong wu ,wen-juan zhang ,xi zeng ,lan mu, sai-feng xue,zh