8－氧－8H苊并（1，2－b）吡咯－9－腈荧光发色团及其衍生物

摘要

本发明涉及一类刚性共平面结构共轭体系长，含有强吸电子氰基和供电子氨基的新荧光发色团及其荧光衍生物和它们的制备方法。新型荧光发色团是8－氧－8H苊并－(1，2－b)吡咯－9－腈及其荧光衍生物3，6－二取代基－8－氧－8H－苊并(1，2－b)吡咯－9－腈。荧光发色团是用2－(2－氧－2H苊)丙二腈在溶剂中和碱催化剂存在下，经环合反应制得；然后将它在溶剂中与亲核试剂进行取代反应，可以制得一取代或二取代－8－氧－8H－苊并－(1，2－b)吡咯－9－腈及其荧光衍生物。它们具有很高的荧光量子效率，接近1。最大吸收波长为550－570nm，最大荧光发射波长为590－620nm，峰型狭窄，是比较理想的荧光探针化合物。

说明书

技术领域  本发明涉及一类新型荧光发色团8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈及其荧光衍生物和制备方法。

背景技术  近年来，有机荧光材料作为功能性色素在科学技术的各个领域得到广泛应用。特别是由于荧光检测的灵敏度高，操作简便，比传统的同位素标记等检测手段更安全，而有机荧光分子具有性能稳定，易于结构修饰等优点，因此有机荧光材料在生命科学领域里作为荧光分子探针和化学传感器，已经成为强大的分析工具，不少传统的纺织印染用荧光染料母体都经过适当的结构改性成为性能良好的荧光探针。但是现有的荧光染料母体的种类有限，性能各有缺陷，已不能满足应用领域里高速增长的对荧光材料的需求。从1968年BODIPY荧光发色团母体问世到现在的几十年来，新结构的荧光发色团母体鲜有报道，而性能优良，(比如荧光量子效率高，发射波长长，光谱狭窄等)的荧光发色团则再未出现过。BODIPY荧光发色团已经由分子探针公司(Molecular ProbeInc.，USA)开发成系列荧光探针试剂盒，并成功实现商品化，对近年来荧光探针的发展具有非常大的推动作用。由此可见，创制开发新型荧光发色团具有极其重要的实用价值。

传统的荧光发色团中有相当部分是有萘环骨架衍生出来，因为萘环具有较好的刚性共平面性。萘系荧光团中不乏优良品种，而且有的已经被开发成为经典的荧光探针。比如，(Natrue，1981，292，17)4-氨基-1，8-萘酰亚胺荧光团中著名的Lucifer yellow系列，是最为高效的生物蛋白质示踪荧光探针。再如，同样在生物医学领域有广泛用途的荧光探针丹磺酰胺Dansyl(5-二甲氨基-萘磺酰氨，US patent 6048975)。钱旭红和肖义(Terahedron Lett，2002，43，2991)最近报道在萘系化合物的共轭体系中引入吸电子氰基，和供电子的氨基，得到荧光量子效率很高的新型荧光发色团。但是，萘系荧光化合物的吸收和发射位于波长较短的区域(350-500nm)，由于生物体的自发荧光多数也在这一区域，因此降低探针的灵敏度。要避开生物体自发荧光的干扰，探针的荧光发射最好在长波区。

发明内容  为了既保持萘系化合物有利于荧光发射的刚性共平面结构特征，同时又要使光谱大幅度向长波方向移动，设计具有更大共轭体系的萘并杂环结构是一种可行、有效的思路。同时在分子共轭体系中引入强的供电子，吸电子基团以形成强烈的推拉电子体系，有利于电子流动的畅通，促进荧光发射。基于上述思想，创制了本专利所涉及的新型荧光发色团及其荧光衍生物。

本发明是一类在刚性共平面结构的共轭体系上，含有强吸电子氰基和供电子氨基新型的荧光发色团8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈(分子结构式K)及其荧光衍生物3，6-二取代基-8-氧-8H-苊并(1，2-b)吡咯-9-腈(分子结构通式A)：通式A中，R¹，R²取代基可以相同或不同；

R¹，R²相同时，R¹＝R²＝H，为荧光发色团母体K；

R¹，R²不相同时，(1)当R¹＝NHR³，R²＝H时：

                   a、R³＝H，C₁-C₂₀直链或支链烷基；

                   b、R³＝-(CH₂)_n-Ar，n＝1-3；Ar为苯基、萘基、蒽基；

                   c、R³＝-(CH₂)_mYR⁴，m＝2-6；Y＝NH、O、S，R⁴＝H，-CH₃，-C₂H₅；

                   d、R³＝-(CH₂)_xN(R⁵)₂，x＝2，3；R⁵＝-CH₃、-C₂H₅；

                   e、R³＝-(CH₂)_yHc，y＝2，3；Hc＝氮杂环基，包括吡咯基、吡咯啶

                     基、哌啶基、哌嗪基、N′-甲基哌嗪基、吗啉基、硫吗啉基；

                (2)R¹＝OH，R²＝H；

                (3)R¹＝NR⁷R⁸，R²＝H，NR⁷R⁸

                   a、R¹＝NR⁷R⁸＝氮杂环氨基，氮杂环包括吡咯、吡咯啶、哌

                     啶、哌嗪，

                     N′-甲基哌嗪、吗啉、硫吗啉；

                   b、R⁷＝R⁸＝C₁-C₁₂直链烷基相同或R⁷、R⁸不同。

本发明在结构设计中，采用了共轭体系较大，又具有较高拉电子能力的2-(2-氧-2H苊)-丙二腈(如分子结构S)为起始原料，在碱和溶剂的存在下，经环合反应可以制得荧光发色团母体8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈(如：分子结构K)：

荧光发色团母体K结构强化了其刚性共平面性，有很强的缺电子性，扩大了共轭体系，使其非常容易受到亲核试剂的进攻。伯胺、仲胺和氢氧根负离子类亲核试剂与母体8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈(分子结构K)发生空气氧化型芳香氢亲核取代反应，得到3，6-二取代基-8-氧-8H-苊并(1，2-b)吡咯-9-腈(分子结构通式A)：

3，6-二取代基-8-氧-8H-苊并(1，2-b)吡咯-9-腈分子结构A中有很强的刚性共平面性，扩大了共轭体系，很强的推拉电子体系有利于荧光发射。

荧光发色团母体8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈(分子结构K)的合成方法为碱催化环合反应，即：

将原料2-(2-氧-2H苊)-丙二腈在溶剂(四氢呋喃、丙酮、吡啶、二甲基甲酰胺、乙腈、甲醇、乙醇、二甲基亚砜)中，在碱性催化剂(碳酸钾、三乙胺、吡啶)存在下，环合温度40-120℃，搅拌反应10-100分钟，冷却后，减压蒸除部分溶剂，过滤，制得产品。

取代荧光衍生物3-取代氨基-8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈和3-羟基-8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈的合成方法为氧化型芳香氢的亲核取代反应，即：

将8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈在溶剂(四氢呋喃、乙腈、吡啶、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜)中，与等摩尔比的伯胺、仲胺或氢氧负离子类亲核试剂，在20-100℃，反应0.5-24小时。冷却后，减压蒸除部分溶剂，过滤，得到一取代产品。

二取代荧光衍生物3，6-二取代氨基-8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈的合成方法则为：将8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈在溶剂(四氢呋喃、乙腈、吡啶、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜)中，与过量原料4-5倍的仲胺，反应16-48小时，温度20-100℃，与上述同样后处理得到二取代产品。

本发明得到的3，6-二取代基-8-氧-8H-苊并(1，2-b)吡咯-9-腈(分子结构A)具有很高的荧光量子效率，接近1。最大吸收波长为550-570nm，最大荧光发射波长为590-620nm，峰型狭窄，是比较理想的荧光探针化合物。

具体实施方式

                       实施例1

1克2-(2-氧-2H-苊)-丙二腈，0.2克碳酸钾，10毫升二甲基亚砜，加热到100℃，搅拌15分钟，冷却析出晶体。过滤，水洗干燥，得产品黄棕色晶体8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈，收率，99％。    

¹H NMR(400M，DMSO)：δ8.71-8.69(d，J＝8.0Hz，1H)，8.67-8.65(d，J＝7.6Hz，1H)，8.64-8.62(d，J＝8.0Hz，1H)，8.42-8.40(d，J＝7.6Hz，1H)，8.04-8.08(t，J＝8.0Hz，1H)，7.99-7.95(t，J＝7.8Hz，1H)；¹³C NMR(100M，DMSO)：δ177.48，138.26，137.73，134.40，132.72，131.82，131.37，128.91，127.94，127.37，126.13，122.22，119.72，113.82，113.38；IR(KBr)cm^-1：2231，1643，1577；ESI-MS：M+Na⁺(253，m/z).

                       实施例2

1克8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈的50毫升乙腈溶液中加入0.32克丁胺，常温搅拌30分钟，蒸发部分溶剂，析出产品3-丁氨基8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈A1。收率70％。¹H NMR(400M，DMSO)：δ9.604(br s，-NH-，1H)，8.95-8.93(d，J＝7.6Hz，1H)，8.60-8.58(d，J＝7.2Hz，1H)，7.98-7.96(d，J＝8.8Hz，1H)，7.88-7.92(t，J＝7.8Hz，1H)，7.04-7.02(d，J＝9.2Hz，1H)，3.60-3.59(br s，-NHCH₂CH₂-，2H)，1.75-1.71(m，-NHCH₂CH₂CH₂-，2H)，1.43-1.47(m，-CH₂CH₂CH₂CH₃)，0.94-0.98(t，J＝7.2Hz，-CH₂CH₃)；IR(KBr)cm^-1：3284，2217，1619，1562，1529；ESI-MS：[M-H]^-(300m/z).

                       实施例3

1克8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈的50毫升乙腈溶液中加入0.43克环己胺，常温搅拌30分钟，蒸发部分溶剂，析出产品3-环己氨基-8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈A2。收率68％。¹H NMR(400M，DMSO)：δ9.13-9.11(d，J＝7.6Hz，-NH-，1H)9.03-9.01(d，J＝7.6Hz，1H)，8.54-8.52(d，J＝7.2Hz，1H)，7.90-7.87(d，J＝9.2Hz，1H)，7.87-7.83(t，J＝8.0Hz，1H)，7.09-7.07(d，J＝9.2Hz，1H)，3.90(br s，-NHCH-，1H)，2.05-2.02(br d，-NHCH(CH₂^*CH₂)₂，CH₂，2H)，1.85-1.82(br d，-NHCH(CH₂^*CH₂)₂CH₂，2H)，1.72-1.69(br d，-NHCH(CH₂CH₂)₂CH₂^*，1H)，1.43-1.58(m，-NHCH(CH₂CH₂)₂CH₂，4H)，1.19-1.23(br d，-NHCH(CH₂CH₂)₂CH₂^*，1H)；IR(KBr)cm^-1：3324，2215，1631，1575，1492；ESI-MS：[M+H]⁺(328，m/z).

                           实施例4

1克8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈的50毫升乙腈中加入0.48克β-苯乙胺，常温搅拌30分钟，蒸发部分溶剂，析出产品3-(2′-苯乙基)氨基8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈A3，收率76％。¹H NMR(400M，DMSO)：δ9.13-9.11(d，J＝7.6Hz，-NH-，1H)，9.03-9.01(d，J＝7.6Hz，1H)，8.54-8.52(d，J＝7.2HZ，1H)，7.90-7.87(d，J＝9.2Hz，1h)，7.87-7.83(t，J＝8.0Hz，1H)，7.35-7.31(t，J＝8.0Hz，2H)，7.27-7.25(d，J＝8.0Hz，2H)，7.22-7.20(t，J＝8.0Hz，1H)，7.09-7.07(d，J＝9.2Hz，1H)，3.60-3.59(br s，-NHCH₂CH₂-，2H)，2.80-2.78(d，-NHCH₂CH₂，2H)；ESI-MS：[M+H]⁺(350，m/z)

                           实施例5

1克8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈的50毫升乙腈中加入0.63克3-吗啉基-丙胺，常温搅拌30分钟，蒸发部分溶剂，析出产品3-(3′-吗啉基-丙基)氨基8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈A4，收率75％。¹H NMR(400M，DMSO)；δ9.13-9.11(d，J＝7.6Hz，-NH-，1H)，9.03-9.01(d，J＝7.6Hz，1H)，8.54-8.52(d，J＝7.2Hz，1H)，7.90-7.87(d，J＝9.2Hz，1H)，7.87-7.83(t，J＝8.0Hz，1H)，7.09-7.07(d，J＝9.2Hz，1H)，3.91(br s，-N(CH₂CH₂)₂O，4H)，3.60-3.59(br s，-NHCH₂CH₂-，2H)，2.75-2.74(m，-CH₂N(CH₂)₂，6H)，1.75-1.71(m，-NHCH₂CH₂CH₂-，2H)；ESI-MS[M+H]⁺(373，m/z).

                          实施例6

1克8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈的50毫升乙腈溶液加入0.2克乙醇胺，常温搅拌30分钟，蒸发部分溶剂，析出产品3-(羟乙基-)氨基8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈A5，收率80％。¹H NMR(400M，DMSO)：δ9.545(br s，-NH-，1H)，8.87-8.85(d，J＝8.0Hz，1H)，8.51-8.49(d，J＝7.6Hz，1H)，7.88-7.85(d，J＝9.2Hz，1H)，7.80-7.84(t，J＝7.8Hz，lH)，6.98-7.00(d，J＝9.2Hz，1H)，4.99(s，-OH，1H)3.755(br s，-CH₂OH，2H)，3.66-3.69(t，J＝4.2Hz，-NHCH₂-)；¹³C NMR(100M，DMSO)：δ176.14，156.14，138.22，132.12，130.82，129.38，127.72，126.65，125.22，121.89，115.90，114.12，111.14，108.23，103.80，58.94，46.37；IR(KBr)cm^-1：3457，3309，2215，1656，1623，1571，1494；ESl-MS：[N-H]^-(288m/z).

                       实施例7

1克8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈的50毫升乙腈溶液中加入0.38克N，N-二甲基乙二胺，常温搅拌30分钟，蒸发部分溶剂，析出产品3-(N，N-二甲氨基亚乙基-)氨基8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈A6，收率66％。¹H NMR(400M，DMSO)：δ9.13-9.11(d，J＝7.6Hz，-NH-，1H)，9.03-9.01(d，J＝7.6Hz，1H)，8.54-8.52(d，-J＝7.2Hz，1H)，7.90-7.87(d，J＝9.2Hz，lH)，7.87-7.83(t，J＝8.0Hz，1H)，7.09-7.07(d，J＝9.2Hz，1H)，3.58-3.57(br s，-NHCH₂CH₂-，2H)，2.71-2.70(br s，-NCH₂CH₂-，2H)，2.35(s，-CH₃，6H)；ESI-MS  [M+H]^-(317，m/z).

                       实施例8

1克8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈悬浮于20毫升DMSO(二甲基亚砜)中，加入0.2克氢氧化钠，常温搅拌30分钟，倒入50毫升20％盐酸中析出固体，过滤，乙醇洗，乙醚洗，干燥得产品3-羟基8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈A7，收率65％。¹H NMR(400MH，DMSO)：δ8.52-8.50(d，J＝8.0Hz，1H)，8.45-8.43(d，J＝8.0Hz，1H)，7.74-7.68(m，2H)，6.39-6.36(d，J＝9.6Hz，1H)；IR(KBr)cm^-1：2206，1627，1567，1508；ESI-MSm/z245(M^-).

                       实施例9

1克8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈的50毫升乙腈溶液中加入0.38克哌啶，室温搅拌30分钟后，加入1毫升20％的盐酸，减压蒸出部分溶剂，析出产品3-哌啶基8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈A8，收率60％。¹H NMR(400M，CHCl₃)：δ8.70-8.68(d，J＝8.0Hz，1H)，8.47-8.45(d，J＝8.4Hz，1H)，8.11-8.09(d，J＝8.4Hz，1H)，7.81-7.78(t，J＝7.8Hz，1H)，7.12-7.10(d，J＝8.2Hz，1H)，3.59-3.62(t，-N(CH₂CH₂)₂CH₂，4H)，1.94(br s，-N(CH₂CH₂)₂CH₂，4H)，1.94(br s，-N(CH₂CH₂)₂CH₂，2H)；¹³C NMR(100M，DMSO)：δ176.43，160.38，136.13，134.62，132.31，129.14，128.63，126.58，126.30，123.76，115.24，114.78，113.87，113.28，107.40，54.16，25.72，23.26；IR(KBr)cm^-1：2217，1623，1571，1498；ESI-MS：[M+H]⁺(314，m/z).

                       实施例10

1克8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈溶于50毫升乙腈中，加入1.5克哌啶，常温搅拌16小时，蒸发部分溶剂，析出产品3，6-二哌啶基-8-氧-8H苊并-(1，2-b)吡咯-9-腈A9。收率80％。¹H NMR(400M，CHCl₃)：δ8.09-8.06(d，J＝9.6Hz，1H)，7.98-7.96(d，J＝8.8Hz，1H)，7.31-7.29(d，J＝9.6Hz，1H)，7.4-7.02(t，J＝8.8Hz，1H)，3.54(br s，-N(CH₂^*CH₂)₂CH₂，4H)，3.41(br s，-N(CH₂^*CH₂)₂CH₂，4H)，1.77(br s，-N(CH₂CH₂^*)₂CH₂^*，12H)；¹³CNMR(100M，CHCl₃)：δ173.13，159.19，156.70，133.49，133.21，132.95，126.34，125.02，117.41，117.03，115.83，115.65，114.38，114.06，113.96，55.05，53.41，29.86，26.62，26.37，24.38，24.00；IR(KBr)cm^-1：2215，1598，1542，1506；ESI-MS：[N+H]⁺(397m/z).