一种近红外二区七甲川菁染料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种近红外二区七甲川菁染料QHS‑Cy及其制备方法，属于有机染料合成领域，制备得到的QHS‑Cy具有对称的化学结构，外观呈紫色至黑色固体。本发明制备得到的近红外二区七甲川菁染料QHS‑Cy，其在二氯甲烷中的紫外吸收波长在983nm，荧光发射波长在1018nm，光稳定性良好，光热效率高，能有效避免生物背景荧光干扰，合成步骤短，在七甲川菁染料的应用研究方面具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及有机染料合成技术领域，尤其涉及一种近红外二区七甲川菁染料及其制备方法。

背景技术

近红外荧光染料在分析化学、生命科学、环境科学、光学材料等方面具有极大的应用价值。在医学和生物学领域，近红外荧光探针，特别是近红外二区荧光探针是一种安全性好、精度高、非侵入性的检测方法。设计合成新颖的近红外二区荧光染料已成为近些年研究的热点问题。

七甲川菁染料虽然具有吸收波长长，背景干扰小，拉曼散射干扰小等特点，但容易聚集，量子产率低，合成工艺复杂，稳定性差。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种近红外二区七甲川菁染料及其制备方法，

为达到上述目的，本发明提供了一种近红外二区七甲川菁染料QHS-Cy，具有式Ⅰ所示结构：

在本发明的一些具体实施例中，所述近红外二区七甲川菁染料QHS-Cy，具有式Ⅰ-a所示结构：

本发明制备得到的QHS-Cy具有对称的化学结构，外观呈紫色至黑色固体。其光稳定性良好，光热效率高，能有效避免生物背景荧光干扰，合成步骤短，在七甲川菁染料的应用研究方面具有重要意义。

本发明还提供了上述近红外二区七甲川菁染料QHS-Cy的制备方法，反应路线如下：

式Ⅰ-1化合物和式Ⅰ-2化合物反应，得到式Ⅰ-3化合物；然后与式Ⅱ-1化合物进行反应，得到式Ⅱ-2化合物；然后与甲基氯化镁进行格式反应，得到式Ⅲ-2化合物；然后与式Ⅳ-3化合物进行反应，得到所述近红外二区七甲川菁染料QHS-Cy。

本发明优选的，所述制备方法，包括以下步骤：

(1)将式(Ⅰ-1)所示的1，8-萘内酰亚胺，碱性化合物溶解于有机溶剂中，再加入1，4-丁磺酸内酯(式Ⅰ-2所示)，进行反应，冷却，加入丙酮结晶获得苯并吲哚衍生物1-(4-磺酰基丁基)-1,2-二氢苯并吲哚钾盐(式Ⅰ-3所示)；

(2)将步骤1中得到的1-(4-磺酰基丁基)-1,2-二氢苯并吲哚钾盐和四丁基氯化铵(式Ⅱ-1所示)溶解于有机溶剂中，进行反应，再加入二氯甲烷除去KCl，得到的产物旋蒸得1-(4-磺酰基丁基)-1,2-二氢苯并[c，d]吲哚四丁基铵盐(式Ⅱ-2所示)；

(3)将步骤2中得到的1-(4-磺酰基丁基)-1,2-二氢苯并[c，d]吲哚四丁基铵盐与甲基氯化镁溶于四氢呋喃中，进行反应，反应完成后加入盐酸将溶液调至中性，再加入乙醚和乙醇重结晶获得1-(4-磺酰基丁基)-2-甲基苯并[c，d]吲哚内盐(式Ⅲ-2所示)；

(4)将步骤(3)中得到的1-(4-磺酰基丁基)-2-甲基苯并[c，d]吲哚内盐和(E)-4-氯-5-甲酰基-3-(羟基亚甲基)-1,1-二甲基-1,2,3,6四氢吡啶-1-鎓(式Ⅳ-3所示)的溶液在封闭环境下，混合反应，即得所述近红外二区七甲川菁染料QHS-Cy。

本发明优选的，所述步骤1中，所述1,8-萘内酰亚胺与碱性化合物的摩尔比为0.4～0.5：1。

所述1，8-萘内酰亚胺与1，4-丁磺酸内酯的摩尔比优选为1.1～1.2：1。

所述碱性化合物优选为KOH。

所述有机溶剂优选为N-甲基吡咯烷酮。

所述反应的温度优选为60～100℃，更优选为80～90℃；所述反应的时间优选为5～60min，更优选为10～30min。

本发明优选的，所述步骤(1)中，所述将式(Ⅰ-1)所示的1，8-萘内酰亚胺，碱性化合物溶解于有机溶剂中，反应后，再加入1，4-丁磺酸内酯，进行反应。

本发明优选的，所述步骤(2)中，所述1-(4-磺酰基丁基)-1,2-二氢苯并吲哚钾盐与四丁基氯化铵的摩尔比为1.1～1.2：1。

所述有机溶剂优选为乙酸。

所述反应的温度优选为70～100℃，更优选为80～95℃；所述反应的时间优选为0.5～2h，更优选为1～2h。

本发明优选的，所述步骤(3)中，所述1-(4-磺酰基丁基)-1,2-二氢苯并[c，d]吲哚四丁基铵盐与甲基氯化镁的摩尔比为4～8：1；更优选为5:1。

所述反应的温度优选为50～75℃，更优选为55～65℃；所述反应的时间优选为2～5h，更优选为2～4h。

本发明优选的，所述反应在氮气氛围下进行。

本发明优选的，所述(E)-4-氯-5-甲酰基-3-(羟基亚甲基)-1,1-二甲基-1,2,3,6四氢吡啶-1-鎓按照以下方法制备：

a)将1-甲基-4-哌啶酮(式Ⅳ-1所示)，碘甲烷溶解在丙酮中，进行反应，丙酮重结晶得到铵盐化合物；

b)将DMF与POCl

本发明优选的，所述碘甲烷与1-甲基-4-哌啶酮的摩尔比为2～2.2：1；

所述步骤a)中反应的温度优选为室温；所述反应的时间优选为2～5h，更优选为3～4h。

所述DMF与POCl

所述DMF与POCl

所述步骤b)中反应的温度优选为75～95℃，更优选为75～85℃；所述反应的时间优选为2～7h，更优选为2～4h。

所述POCl

本发明优选的，所述步骤(4)中，所述1-(4-磺酰基丁基)-2-甲基苯并[c，d]吲哚内盐和(E)-4-氯-5-甲酰基-3-(羟基亚甲基)-1,1-二甲基-1,2,3,6四氢吡啶-1-鎓的摩尔比为2～5：1；更优选为3～4:1；进一步优选为4:1。

所述反应的温度优选为60～80℃；更优选为70℃。所述反应的时间优选为8～24小时；更优选为12小时。

与现有技术相比，本发明提供了一种近红外二区七甲川菁染料QHS-Cy，具有式Ⅰ所示结构。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明提供的近红外二区七甲川菁染料QHS-Cy染料，在二氯甲烷中的紫外吸收波长在983nm，荧光发射波长达到1018nm，使得该类染料的应用更为广泛。

(2)本发明制备得到的近红外二区七甲川菁染料QHS-Cy染料发射光谱处于近红外二区，且具有大的斯托克斯位移(二氯甲烷中斯托克斯位移35nm)，该类染料最明显的特征是在近红外二区具有较强的吸收，对生物组织均具有优良的穿透性。

(3)本发明制备得到的近红外二区七甲川菁染料QHS-Cy染料光稳定性好，摩尔消光系数高，能有效避免生物背景荧光干扰；其在有机溶剂中如二氯甲烷、甲醇、DMF中能发出的最大波长在980-1020nm的近红外荧光，且合成条件温和，收率较高，为生物分子标记，太阳能电池，荧光成像等领域提供了良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1制备得到的七甲川菁染料QHS-Cy在二氯甲烷中的紫外光谱；

图2为本发明实施例1制备得到的七甲川菁染料QHS-Cy在二氯甲烷中的荧光光谱；

图3为本发明实施例制备得到的七甲川菁染料QHS-Cy在915nm激发光下在不同厚度的鸡胸肉组织下的穿透深度；

图4为本发明实施例制备得到的七甲川菁染料QHS-Cy在甲醇溶液中室温自然光下保存的光稳定性；

图5为本发明实施例制备得到的七甲川菁染料QHS-Cy在甲醇溶液中不同浓度的吸光光谱及标准曲线。

具体实施方式

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的近红外二区七甲川菁染料及其制备方法进行详细描述。

实施例1

(1)称取0.85克1，8-萘内酰亚胺，0.56克KOH于100毫升烧瓶中，加入10毫升N-甲基吡咯烷酮，混合物在90℃下搅拌30min后再称取0.75克1，4-丁磺酸内酯加入其中，混合物在90℃下搅拌10h，反应完成后冷却，加入35毫升丙酮，有黄色固体沉淀出来。抽滤，滤饼加入丙酮洗涤3次后真空干燥得到纯净纯净的苯并吲哚衍生物1-(4-磺酰基丁基)-1,2-二氢苯并吲哚钾盐，产率90％。

(2)称取1.5克步骤1中得到的1-(4-磺酰基丁基)-1,2-二氢苯并吲哚钾盐和1.51克四丁基氯化铵溶解于8毫升乙酸中，在90℃下搅拌1h，反应完成后再向其中滴加二氯甲烷，过滤除去沉淀，得到的溶剂旋蒸浓缩得1-(4-磺酰基丁基)-1,2-二氢苯并[c，d]吲哚四丁基铵盐，产率为94％。

(3)称取2.5克步骤2中得到的1-(4-磺酰基丁基)-1,2-二氢苯并[c，d]吲哚四丁基铵盐，用量筒量取7.5毫升甲基氯化镁溶于20毫升四氢呋喃中，在60℃，氮气氛围下搅拌3h。反应完成后加入盐酸将溶液调至中性，再加入15毫升乙醚和15毫升乙醇，0摄氏度下冷却过夜重结晶获得1-(4-磺酰基丁基)-2-甲基苯并[c，d]吲哚内盐，产率85％。

(4)称取5克1-甲基-4-哌啶酮溶解于70毫升丙酮中，再将混合液冷却到0℃，在冰水浴条件下向其中滴加6毫升碘甲烷，混合物在室温搅拌4h，反应完成后过滤得白色沉淀，干燥得铵盐化合物，用量筒量取9毫升DMF，在0℃条件下逐滴加入5.5毫升POCl

(5)称取606毫克步骤(3)中得到的1-(4-磺酰基丁基)-2-甲基苯并[c，d]吲哚内盐和202毫克步骤(4)中得到的(E)-4-氯-5-甲酰基-3-(羟基亚甲基)-1,1-二甲基-1,2,3,6四氢吡啶-1-鎓溶解于40毫升的乙酸酐中，在65℃下反应12小时，待反应完全后，蒸去溶剂，产物通过柱层析(二氯甲烷：甲醇＝8：1)提纯，即得纯净的近红外二区七甲川菁染料QHS-Cy染料，产率为42％。

如图1和图2所示，本实施例制备得到的近红外二区七甲川菁染料QHS-Cy染料在二氯甲烷中紫外最大吸收峰波长为983nm，荧光最大发色和波长为1018nm。

实施例2

(1)称取0.68克1，8-萘内酰亚胺，0.56克KOH于100毫升烧瓶中，加入10毫升N-甲基吡咯烷酮，混合物在90℃下搅拌30min后再称取0.82克1，4-丁磺酸内酯加入其中，混合物在90℃下搅拌10h，反应完成后冷却，加入35毫升丙酮，有黄色固体沉淀出来。抽滤，滤饼加入丙酮洗涤3次后真空干燥得到纯净纯净的苯并吲哚衍生物1-(4-磺酰基丁基)-1,2-二氢苯并吲哚钾盐，产率95％。

(2)称取1.5克步骤1中得到的1-(4-磺酰基丁基)-1,2-二氢苯并吲哚钾盐和1.64克四丁基氯化铵溶解于8毫升乙酸中，在90℃下搅拌1h，反应完成后再向其中滴加二氯甲烷，过滤除去沉淀，得到的溶剂旋蒸浓缩得1-(4-磺酰基丁基)-1,2-二氢苯并[c，d]吲哚四丁基铵盐，产率为95％。

(3)称取2.5克步骤2中得到的1-(4-磺酰基丁基)-1,2-二氢苯并[c，d]吲哚四丁基铵盐，用量筒量取6毫升甲基氯化镁溶于20毫升四氢呋喃中，在60℃，氮气氛围下搅拌3h。反应完成后加入盐酸将溶液调至中性，再加入15毫升乙醚和15毫升乙醇，0摄氏度下冷却过夜重结晶获得1-(4-磺酰基丁基)-2-甲基苯并[c，d]吲哚内盐，产率87％。

(4)称取5克1-甲基-4-哌啶酮溶解于70毫升丙酮中，再将混合液冷却到0℃，在冰水浴条件下向其中滴加6毫升碘甲烷，混合物在室温搅拌4h，反应完成后过滤得白色沉淀，干燥得铵盐化合物，用量筒量取12毫升DMF，在0℃条件下逐滴加入5.5毫升POCl

(5)称取606毫克步骤(3)中得到的1-(4-磺酰基丁基)-2-甲基苯并[c，d]吲哚内盐和150毫克步骤(4)中得到的(E)-4-氯-5-甲酰基-3-(羟基亚甲基)-1,1-二甲基-1,2,3,6四氢吡啶-1-鎓溶解于40毫升的乙酸酐中，在65℃下反应12小时，待反应完全后，蒸去溶剂，产物通过柱层析(二氯甲烷：甲醇＝8：1)提纯，即得纯净的近红外二区七甲川菁染料QHS-Cy染料，产率为60％。

实施例3

(1)称取0.75克1，8-萘内酰亚胺，0.56克KOH于100毫升烧瓶中，加入10毫升N-甲基吡咯烷酮，混合物在90℃下搅拌30min后再称取0.75克1，4-丁磺酸内酯加入其中，混合物在90℃下搅拌10h，反应完成后冷却，加入35毫升丙酮，有黄色固体沉淀出来。抽滤，滤饼加入丙酮洗涤3次后真空干燥得到纯净的苯并吲哚衍生物1-(4-磺酰基丁基)-1,2-二氢苯并吲哚钾盐，产率92％。

(2)称取1.5克步骤1中得到的1-(4-磺酰基丁基)-1,2-二氢苯并吲哚钾盐和1.55克四丁基氯化铵溶解于8毫升乙酸中，在90℃下搅拌1h，反应完成后再向其中滴加二氯甲烷，过滤除去沉淀，得到的溶剂旋蒸浓缩得1-(4-磺酰基丁基)-1,2-二氢苯并[c，d]吲哚四丁基铵盐，产率为93％。

(3)称取2.5克步骤2中得到的1-(4-磺酰基丁基)-1,2-二氢苯并[c，d]吲哚四丁基铵盐，用量筒量取5毫升甲基氯化镁溶于20毫升四氢呋喃中，在60℃，氮气氛围下搅拌3h。反应完成后加入盐酸将溶液调至中性，再加入15毫升乙醚和15毫升乙醇，0摄氏度下冷却过夜重结晶获得1-(4-磺酰基丁基)-2-甲基苯并[c，d]吲哚内盐，产率85％。

(4)称取5克1-甲基-4-哌啶酮溶解于70毫升丙酮中，再将混合液冷却到0℃，在冰水浴条件下向其中滴加6毫升碘甲烷，混合物在室温搅拌4h，反应完成后过滤得白色沉淀，干燥得铵盐化合物，用量筒量取10毫升DMF，在0℃条件下逐滴加入5.5毫升POCl

(5)称取606毫克步骤(3)中得到的1-(4-磺酰基丁基)-2-甲基苯并[c，d]吲哚内盐和100毫克步骤(4)中得到的(E)-4-氯-5-甲酰基-3-(羟基亚甲基)-1,1-二甲基-1,2,3,6四氢吡啶-1-鎓溶解于40毫升的乙酸酐中，在65℃下反应12小时，待反应完全后，蒸去溶剂，产物通过柱层析(二氯甲烷：甲醇＝8：1)提纯，即得纯净的近红外二区七甲川菁染料QHS-Cy染料，产率为52％。

实施例4探针QHS-Cy对生物组织的荧光穿透深度测试

取实施例3制备的探针QHS-Cy溶解于分析纯二氯甲烷(DCM)中，取500μL密封在1cm长的软管中，依次置于0，1，2，3，4，5，6mm厚度的鸡胸肉下层，用915nm的激光激发，记录其在1000LP，1100LP，1200LP的滤光片下成像，如图3所示，在波长大于1000nm区段，当鸡胸肉的厚度达到6mm的时候，仍然能够获得NIR-II信号，表明QHS-Cy的生物组织穿透能力强。

实施例5探针QHS-Cy的稳定性测试

取实施例3制备的探针QHS-Cy溶解于分析纯甲醇(MeOH)中，室温自然光储存条件下，储存20天，每隔一段时间测试探针的吸光度变化。如图4所示，在20天内探针的吸光度基本保持，说明探针的稳定性好。

实施例6探针QHS-Cy的摩尔吸光系数测试

取2mg实施例3制备的探针QHS-Cy溶解于分析纯甲醇(MeOH)中，制成储备液，然后分别稀释储备液至20，15，10，5，2.5μg/mL的溶液，分别测试并记录溶液在最大吸收波长处的吸光度，如图5所示，通过摩尔吸收系数公式A＝lg(I

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。