（有机化学专业论文）吲哚菁染料的设计合成及光谱、热力学性质研究.pdf

西北大学硕上学位论文 第一章绪论 1 8 5 6 年g r e v i l l ew i l l i 锄s 发现一类重要的光导性能优异的荧光染料菁染料 ( 亦称花菁) ，1 8 7 3 年，v o g e l 发现该类染料具有异常灵敏的感光能力，从此菁染 料得到迅速发展【l j 。早期其最重要的用途是作为光谱增感剂应用于卤化银照相乳 剂中，扩大卤化银微粒的感光范围并提高感光度【2 】。吲哚菁染料是菁染料的一个 重要分支，由于其摩尔消光系数大( 可达1 0 5 l m o l 一c m 1 ) 、荧光性能良好、与基 质结合后荧光效率增大( 如与d n a 结合后荧光可增强2 5 倍) 、最大吸收波长可调 谐范围大( 可在4 0 0 1 7 0 0m 范围内) 、易于合成并且具有相对较高的稳定性，所 以近年来在红外激光染料【3 - 5 1 、太阳能电池光敏剂【6 。引、光盘存储材料f 9 】、生物荧 光检测分析【1 0 。1 1 1 、抗癌剂12 1 、电子照相等方面得到了广泛应用。 1 1 吲哚菁染料的结构及分类 吲哚菁染料的基本结构如s c h e m e1 所示。吲哚菁染料根据甲川链两端母核是 否相同，可以将其分为对称型和不对称型吲哚菁染料，若两端吲哚环结构相同， 则称为对称吲哚菁染料，否则为不对称吲哚菁染料。甲川链上的括号内为碳碳双 键，括号外有一个碳原子，故该式中的共轭甲川链中含有奇数个碳原子。根据共 轭甲川链上的碳原子数可以将染料分为一甲川菁染料，三甲川菁染料，五甲川菁 染料和七甲川菁染料等。当n = o 时，共轭甲川链中含一个碳原子，称为一甲川菁 染料( 或单菁染料) ；当n = l 时，共轭甲川链中含三个碳原子，称为三甲川菁染 料( 或一碳菁染料) ；当n = 2 时，共轭甲川链中含五个碳原子，称为五甲川菁染 料( 或二碳菁染料) ；当n = 3 时，共轭甲川链中含七个碳原子，称为七甲川菁染 料( 或三碳菁染料) ，以此类推【1 3 1 4 1 。 r r l y i z r 5 r 2r r 6 西北大学硕士学位论文 x = c l ，b r ，i ，c 1 0 4 ，p 圮 y = o ，s ，n ，c h ( c h 3 ) 2 ，p 纪 z = 一c = ，= c c 2 c - r 1 ，r 2 = a l k y l ，a r y l ，p f c r 3 ，r 4 ，r 5 ，r 6 = h ，c h 3 ，s 0 3 h ，o c h 3 ，咖 n = o 。l ，2 根据染料的溶解性能，可将吲哚菁染料分为水溶性和非水溶性两大类，水溶 性的吲哚菁染料大都被当作荧光标记试剂应用于生物荧光分析方面。下面结构式 中的染料如s c h e m e2 即是一类水溶性吲哚菁染料。 h 0 3 s s o - n 2 l ，2 ，3 s c h e m e2 二十世纪6 0 年代发展起来的在多甲川链上嵌入桥环的合成方法，使菁染料多 甲川链逐步建立。文献中报道较多的桥链染料主要有两类：一是在染料的甲川链 上引入杂环，如呋喃环、噻吩环等；另一类是多甲川链中引入刚性脂环，如方酸 环、茚酮环、克酮酸环、环戊( 己) 环、异佛尔酮环及多元环等【1 5 2 。 由此根据共轭甲川链中是否含有刚性桥环，吲哚菁染料也可分为吲哚线性多 甲川菁染料和吲哚刚性桥环多甲川菁染料两类。刚性桥环多甲川吲哚菁染料根据 引入的刚性桥环的不同，可以细分为方酸吲哚菁染料、中位含氯的五( 六) 元桥 环吲哚菁染料、克酮酸吲哚菁染料及异佛尔酮吲哚菁染料等。 1 2 吲哚菁染料的性质 1 2 1 光谱性质 吲哚菁染料分子是一个大的兀共轭体系，这种基本结构特征( 第一结构特征) 决定了染料的主要吸收带的范围2 2 1 。由于吲哚菁染料在可见光区存在吸收，吸收 2 西北大学硕士学位论文 光以后，电子的能量增加，就会发生电子跃迁，由基态跃迁至单线激发态，当电 子由单线激发态回落至基态时，就会以光的形式释放能量，因此使得该类化合物 具有荧光。吲哚菁染料的结构不同，其光谱吸收和发射位置不同，一般的说，共 轭体系越大，分子的基态与第一激发态之问的能量差越小，分子的最大吸收波长 越长。因此吲哚菁染料可通过改变其共轭骨架中的甲川链的长短来调节染料分子 的最大吸收波长，使之覆盖可见光到近红外区域。一般来说，甲川链上每增加一 个双键可使染料分子的最大吸收波长红移1 0 0m n ，如吲哚三甲川类菁染料最大吸 收波长在5 7 0 加1 左右，而吲哚五甲川类菁染料最大吸收波长在6 7 0 呦左右。 染料的第二结构特征也对其吸收峰的位置有一定的影响。在吲哚苯环上引入 不同的取代基会使染料的吸收波长发生变化，如s c h e m e3 所示，在吲哚苯环上分 别引入取代基c l ，一c h 3 ，o c h 3 ，随它们的给电子能力增强，染料的最大吸收波 长红移程度增加【2 3 1 。 r i i i 3 r 2 h ，c l ，c h 3 ，o c h 3 r 在甲川链上引入桥环结构后，波长及波形都会有所改变。同一种染料单体， 处在不同状态下，其吸收峰也会有所不同，这是由于分子间的相互作用和不同聚 集态的形成引起的。由于吲哚菁染料的键均匀性是随着链的增长而提高，所以， 当发色体的长度增加时，谱带宽度会随着共轭链长度的增加而减小。一般来说， 吲哚类菁染料有着很强的吸光强度，超出了一般的染料。 1 2 2 稳定性 菁染料的光稳定性受染料的结构、氧气及氧浓度的大小影响。染料的光稳定 性随母核结构按以下顺序递减：吲哚 喹啉 噻唑，在氧的存在下，染料很容易发 生光氧化反应。在吲哚菁染料中，分子的共轭甲川链越长，染料的稳定性越差。 一甲川菁染料和三甲川吲哚菁染料在2 0 下可保存四年之久，七甲川菁染料在常 西北大学硕上学位论文 温下存放几个月就会发生分解。大连理工大学精细化工国家重点实验室在合成磺 酸基水溶性吲哚菁染料时发现，对称五甲川和不对称五甲川菁染料暴露在空气下 放置，颜色很容易由蓝变紫，最后消失，而三甲川菁染料未见有明显变化，久置 后颜色略显暗淡【2 4 】。 光异构化是菁染料激发单重态主要的去活化途径，是决定单重态寿命最重要 的过程。在同一类菁染料中，单重态寿命越短，染料的光稳定性越高。菁染料的 色牢度差，易在亲核试剂和光的作用下褪色。曾万学等口5 2 6 1 对染料的光稳定性进 行了研究，认为氧气是导致菁染料光褪色的主要因素。 染料的光敏化反应一般可通过两种机理进行： 1 ) 能量转移过程： 2 ) 电子转移过程 d y e 1d ) r e d y e d y e 。 0 2 0 0 2 d y e + 0 2 + d y e d y e d y e + 1 0 ； f a d i n g 根据染料的光氧化机理，可以得到其光氧化降解速率为： - 讲d y e 】破= j i l d y e 】 0 2 】( 1 ) 由于0 2 的浓度在空气中为一个固定值，则可以认为0 2 的浓度为一个常数，由 此可得： 一饥d y e 】破= 七【d y e 】( 2 ) 积分后取对数得： l n 【d y e 】o 【d y e 】t = 舡( 3 ) 式( 3 ) 中【d y e 】o 代表染料的起始浓度， d y e 。代表染料经一定光照时间( t ) 后的 浓度，根据b e e r 定律，式( 3 ) 可以表示为： 4 西北大学硕士学位论文 l n 似o 么t ) = 殷( 4 ) 式( 4 ) 中彳。代表光照前染料溶液在其最大吸收波长处的吸光度，彳代表染料溶 液经一定光照时间( t ) 后在其最大吸收波长处的吸光度。以l n 似o 彳。) 对t 作图为一 直线，其斜率就是染料的光氧化速率常数七。 由方程可知菁染料在溶液中的光氧化反应符合一定的反应动力学过程。若染 料l n 口o 彳。) 与光照时间t 为线性关系，染料的光化学反应为假一级动力学反应； 翻与t 为线性关系，染料的光化学反应为零级动力学反应【2 7 1 。 为了提高染料的光稳定性，目前主要采取以下几种办法： 1 ) 在吲哚苯环上引入强吸电子基团，如n 0 2 、c n 、s 0 3 h 、卤素等，能使 共轭甲川链上的电子云密度减少，增强其抗氧化性能。 2 ) 在甲川链上插入环烃基团，以增加分子的刚性和光氧化反应时的空间位 阻，使其光稳定性能提高。常用作提高染料光稳定性的刚性桥环主要有以下几种： 五元环或六元环、方酸环、克酮酸环、茚酮环、异佛尔酮环等。 3 ) 在甲川链上引入杂环，如呋喃环、噻吩环等，虽然引入此类杂环可以提 高染料的光稳定性，但可能会引起染料其他一些性质的变化。 4 ) 可通过与某些添加剂配合使用以达到提高光稳定性的目的。如通过在菁 染料中添加一种氧猝灭剂来提高菁染料的光稳定性，郑香娣等2 8 1 研究了氧猝灭 剂对菁染料光稳定性的影响，发现选用的单重态氧猝灭剂能有效提高菁染料的光 稳定性。 5 ) 在染料分子外部共价引入环糊精等超分子化合物，可以阻止活性氧的进 攻，提高菁染料的光稳定性2 9 1 。 1 2 3 溶解性 吲哚菁染料具有优良的光学物理特性如：较高的摩尔消光系数，最大吸收波 长可调谐范围大等特点，但其溶解性不高，光稳定性差等性质限制了其应用，尤 其是在生物荧光检测方面。由于生物大分子大多是水溶性的如d n a ，菁染料的 水溶性成为很自然的要求，对于应用于生物检测方面的菁染料，具有良好的水溶 性是至关重要的。许多荧光标记试剂由于其水溶解性差必须将其溶解于有机溶剂 西北人学硕士学位论文 如d m f 中，因而严重的影响了它们的应用。 水溶性菁染料是在菁染料的分子中引入水溶性基团如，磺酸基、羧基、羟基 等，以改变其水溶性。美国w a g g o n e r a s 等开发的水溶性吲哚菁染料就是在菁染 料的吲哚环的苯环部分引入磺酸基，已发展成为适宜的商品化荧光探针。磺酸基 的引入大大改善了菁染料的水溶性，使得生物标记可以在水溶液中进行，与引入 羧基相比，染料分子的极性升高，水溶性能力得到增强3 0 1 ，同时磺酸基负离子之 间的静电排斥作用也有效的抑制了因染料分子间的聚集作用而引起的荧光淬灭 现象。 1 3 水溶性吲哚菁染料的合成进展 吲哚菁染料的合成与一般菁染料的合成一样主要包括三个步骤：一是碱性杂 环中间体即带有活性甲基的吲哚环及其衍生物的合成；二是碱性杂环中间体与成 盐剂( 也称烷基化试剂) 反应得到杂环季铵盐；三是杂环季铵盐与缩合剂进行缩 合反应得到目标染料。合成吲哚环的方法大多采用传统的费歇尔合成法【3 l 】，用苯 肼或对位取代苯肼与甲基酮类化合物通过缩合，环化即得产物。常用的合成三甲 川菁染料的缩合剂【3 2 】有h c ( o c h 2 c h 3 ) 3 ，h c ( o c h 3 ) 3 ，c h 3 c ( o c h 2 c h 3 ) 3 ，氯仿， 甲醛及硫代甲酰胺等；五甲川缩合剂3 3 ，3 4 1 有( c h 3 0 ) 2 c h c h = c h o c h 3 ， c h 2 ( c h 三n p h ) 2 h c l 等；七甲川缩合剂【3 5 1 则为p h n h c h = c h c h = c h c h = n p h h c l 等。 1 3 1 吲哚线性多甲川菁染料的合成进展 李群3 6 1 等用1 ，3 丙磺酸内酯为季铵化试剂，原甲酸三乙酯为缩合剂，在杂环 氮原子上引入了磺酸基，制备了杂环氮原子上带磺酸基的吲哚碳菁染料4 ( s c h e m e4 ) ，这些染料与杂环氮原子上含有烷基的吲哚三甲川菁染料相比，具 有较高的熔点并在水，甲醇，乙醇等极性溶剂中有较大的溶解度，而其缺点在于 产品的产率比较低。 6 西北大学硕士学位论文 r 嘣：芝影r 0 3 s ( h 2 c ) 3 ( c h 2 c h 3 ) 3 南h ( c h 2 ) 3 s 0 3 4 a ：r = h4 b ：r = c h 34 c ：r = c l4 d ：r = n 0 24 e ：r = o c h 3 s c h e m e 4 l i 等吲用丁磺酸内酯为季铵化试剂合成了吲哚三碳菁染料5 ( s c h e n l e5 ) ，利 用它可以对血清和尿中的蛋白质进行检测。 ( c h 2 ) 4 s 0 3 ( 6 h 2 ) 4 s 0 3 h( 亡h 2 ) 4 s o 5 p h n h c h = c h c h = c h c h = 小限h h cl a c ，o 为了提高吲哚菁染料的水溶性，a l e x e it o u t c h l ( i n e 等合成了以下四种不对 称的水溶性菁染料6 ( s c h e m e6 ) 。研究表明磺酸基的引入对染料的水溶性有很大 的提高。 。( 1 删嘣太8 0 3 n a h 3 d 一广 h 3 c 6 曩 0 3 s 删嘣太弋8 0 3 n a 即 ( 7 西北大学硕士学位论文 。( a 删嘣太w 8 0 3 k h 3 一广 h 3 c 夕 o 删国文心心葺g 3 k 耐 h 3 c 夕 一) 嗡印诹仝w 8 0 3 k - 一 1 1 1 s c h e m e 7 7 d s 0 3 k m 嘶啪d 札r b 等【4 0 j 以对磺酸基苯肼和3 甲基2 丁酮为原料，利用传统的费歇 尔合成法，合成了2 ，3 ，3 一三甲基吲哚啉5 磺酸；然后与成盐剂反应，将己酸基等 不同的基团引入到吲哚环n 原子上；最后将引入不同基团的吲哚啉中间体和缩合 剂如三乙胺等加热回流，利用色谱进行分离得到了一系列的染料8 ( s c h e m e8 ) 。 为了能够进行生物性能测试，需要对染料上的羧基进行活化，将染料8 a ，8 c ，8 d ， 8 份别与琥珀酰亚胺酯反应以达到羧基活化的目的。通过生物性能测试发现该类 染料在生物荧光分析方面有着很广阔的应用前景。但由于水溶性菁染料极性较 8 厂 声 一o 弛 西北大学硕士学位论文 大，分离提纯较困难，因而需要利用高效液相色谱进行分离，染料的产率也比较 低。 8 a ：r l _ ( c h 2 ) 5 c o o hl k 。( c h 2 ) 5 c o o hn 2 l 8 b ：r i - ( c h 2 ) 5 c o o hr 2 = ( c h 2 ) 4 s 0 3n = l 8 c ：r l = ( c h 2 ) 5 c 0 0 hi b = c h 2 c h 3n = l 踟：r 1 2 ( c h 2 ) 5 c o o hr 2 = ( c h 2 ) 5 c o o hn _ 2 8 e ：r l = ( c h 2 ) 5 c o o hr 2 气c h 2 ) 4 s 町n _ 2 8 f ：r 1 2 ( c h 2 ) 5 c o o hr 2 h 2 c h 3n _ 2 8 9 ：r l 。( c h 2 ) 5 c o o hr 2 = ( c h 2 ) 5 c o o hn _ 3 s c h e m e 8 楼开炎等【4 1 】采用文献【4 0 】的合成路线合成了不对称水溶性吲哚菁染料8 c 和 8 f o 在提纯方法上进行了改进，用薄层色谱【g f 2 5 4 涂板，v ( 正丁醇) ：v ( 冰醋酸) ：v ( 水) = 2 ：1 ：5 为展开剂】分离提纯，取得比较满意的效果。与文献 4 0 】相比，楼开 炎等在合成纯化路线上对每一步中间体都作纯化，降低了最后产品的分离难度， 利用通常的制备薄层色谱就可以进行提纯，免去了对高效液相色谱设备的要求， 大大降低了成本，最后两步缩合反应的总收率为7 3 与文献【4 0 】的收率7 5 相 当。 在水溶性三甲川，五甲川不对称菁染料的合成过程中，分离成为了一大难题。 传统的溶剂相反应，大都需要利用高效液相色谱进行分离和纯化。j i a l l gl i i l l i n g 等4 2 1 提出利用可溶性的聚合体来协助染料的合成，提高了反应的效率，同时也使 产物的分离变得比较容易。他们利用p e g ( 乙烯一乙二醇聚合体) 按照s c h e m e9 的合成路线，首先制备可溶性聚合体9 a ，然后根据s c h e m e1 0 合成了水溶性吲哚 菁染料9 e ，9 f 。 2 = ： d i - t e n - b u t y ld i c a r b o n a t e = = = ： p e g ，d c c ，d m a p h o o c 氛力卜n h 2 h o o c 氐力一n h b o c 埯t h f ，f e n u x ，2 4h飞少 c h ，c l ，r t 1 2h 9 西北大学硕士学位论文 吣o 。c t f a ，c h 2 c 1 2 ， r e n u x 5h s c h e m e 9 p 八 l 黼嚣键搿c q 钭 9 c ，a c e l i c 肌h y d r i d e ， p y r i d i n e ，l l o 。c ，1 5 m i l l 如s 嘣。太晒 h o o c ( h 2 也 。 l 一0 3 s 【 9 b n 瓣揣l p 如d 吣，l l o o c ，1 5 m i l ll 酗s 晾太呕 h 咖饵2 c b 9 f s c h e m e1 0 0 3 s i 9 c ( c h 2 ) 5 c o o h 当反应完毕后，利用乙酸乙酯使产物沉淀出来，由p e g 键合的原料也同时沉 淀了出来，由于p e g 键合的原料溶于d m c ，而产品不溶于它，利用d m c 洗涤即 可得到纯的产品9 e 和9 f ，产率分别可以达到2 3 7 和2 1 6 ，比常规溶剂法合成的 产率高出许多，利用高效液相色谱分析产品的纯度可以达到9 8 。这为我们合成 水溶性不对称吲哚菁染料提供了一个新的思路。 l o 岔 吣 西北大学硕士学位论文 m u i u m d a r r b 等h 0 1 合成的一系列菁染料除了具有很好的水溶性外，还有着良 好的荧光性能，且在水溶液中发生聚集较少，因而已成为一类重要的商品化荧光 标记试剂，被广泛应用于蛋白质、低聚核苷酸等的生物荧光分析。但此类水溶性 菁染料的光稳定性是一个问题。王丽秋等3 0 1 参考文献4 3 ，4 4 1 将对甲苯甲酸基引入吲 哚环的n 原子上，合成了一系列新型的水溶性吲哚菁染料1 l 。反应如s c h e m e1 l 所示： m r c n u x h 0 3 s k q s 节詈 k o h k 0 3 s c h 3 c h c h 3 o h h c ( o c 2 h 5 ) 3 p y r i d i n e r 1 0 l o a ：r p c h 2 c 6 h 5 c o o hx = c l 1 0 b ：r = ( c h 2 ) 5 c o o hx = b r l o c ：r - c 2 h 5 x = i k 0 3 s r x k 0 3 s s 0 3 1 0 l l 1 1 a ：r l _ ( c h 2 ) 5 c 0 0 hr 2 = ( c h 2 ) 5 c o o h l l b ：r l 气p c h 2 c 6 h 5 c o o hl k i p c h 2 c 6 h 5 c o o h l l c ：r 1 3 c 2 h 5r 2 = c 2 h 5 ll d ：r i 节c h 2 c 6 h 5 c o o hr 2 2 h 5 1 1 e ：r 1 2 ( c h 2 ) 5 c o o hr 2 2 h 5 s c h e m el l r 与已经商品化的菁染料1 1 a 和1 1 e 相比，新型的水溶性菁染料1 1 b 和1 1 d 除具有 与其相似的水溶性和光谱性质外，由于将结构较大的分子引入了染料分子中，使 其具有相对较好的光稳定性。 m u j u m d a l s r 等【4 5 1 根据照相工业相关文献的描述，以现有的水溶性良好的吲 哚菁染料为模型，对吲哚环进行了进一步的修饰，合成了一系列水溶性的苯并吲 哚菁染料( s c h e m e1 2 ) 。反应以氨基取代的萘磺酸1 2 a 、1 2 b 、1 2 c 为原料，经过 环合，成盐，与缩合剂反应，最后合成了4 种对称的苯并吲哚菁染料1 3 a 、1 3 b 、 1 3 c 、】3 d 。 q 一妒s 一， m t n 一i昙 节删 器 节 西北大学硕士学位论文 h 0 3 s h 0 3 s k 0 3 s 1 2 a n a n 0 2 ，h c l ，o 5 。c h 0 3 s n h 2 h 0 3 s 1 2 b n h 2 h 0 3 s 1 2 c c h 3 c o c h ( c h 3 ) 2 ，k o a c ，c h 3 c o o h ，1o o 。c + n h n h 3 b “c h 2 ) 5 c o o h c 6 h 4 c 1 2 ，l lo 。c k 0 3 s c h ( o c 2 h 5 ) 3 p y r i d i n e ，8 0 。c a 一k 0 1 s a ! 竺型墨! 竺三! ! 竺譬h ，p y 竺! 竺! a i ( c h 2 ) 5 c o o h k 0 3 s 1 3 c s 0 3 k ( c h 2 ) 5 c 0 0 h( c h 2 ) 5 c o o h 1 3 d s 0 3 k 西北大学硕士学位论文 h o o c ( h 2 也 ( b h 2 ) 5 c o o h k o ，s s c h e m e1 2 s 0 3 实验发现，当四个磺酸基连在苯环上呈平面环结构时，产生了更好的排斥效 果，对染料的二聚有一定的阻碍作用，例如当染料与抗体作用时，染料间几乎不 发生自聚。这对设计荧光标记试剂提供了一定的指导作用。 l i n 【4 6 】等按s c h e m e1 3 分别以1 4 a 和1 4 b 为起始原料合成出了具有良好化学稳 定性和光稳定性的不对称水溶性吲哚五甲川菁染料1 5 a 和1 5 b 。由于芳环上带有磺 酸基，中间产物难于分离，所以采用不分离中间体继续反应，用高效液相法分离 产物的方法，最后得到了目标产物，但产率较低( 1 5 a ，1 4 ；1 5 b ，2 1 ) 。 k 0 3 s i c 2 h 5 1 4 a k 0 3 s 娜访器， ( c h 2 ) 4 s 0 ； h o a c ，a c 2 0 ，1 2 0 ，3 h k 0 3 s k o a c ，h o a c a c 2 0 ，1 2 0 ( c h 2 ) 4 s 0 3 1 4 b c 2 h 5 g = g h c o c h 3 h 。斗h 。 k。3s、眨二兰兰三喜一。2h 西北大学硕上学位论文 归纳上述文献可以看出：对称型水溶性吲哚线性多甲川菁染料通常是先对吲 哚杂环进行修饰，再由2 位上带有活性甲基的取代吲哚杂环季铵盐与缩合剂反应 得到。而不对称型水溶性吲哚线性多甲川菁染料的合成方法通常是先对吲哚环进 行修饰，再用缩合剂与等摩尔的2 位上带有活性甲基的取代吲哚杂环季铵盐反应， 得到中间产物，将中间产物与另一种杂环季铵盐反应，得到不对称型水溶性的线 性多甲川吲哚菁染料。通常用磺酸基、羧基等来对吲哚环进行修饰，修饰的位置 主要有吲哚环的5 位或吲哚环上n 成盐的位置。 1 3 2 吲哚刚性桥环多甲川菁染料的合成进展 l i n 等【4 7 1 采用s c h e n l e1 4 合成了一系列吲哚方酸菁染料1 6 ，该类染料在有机溶 剂中有很高的溶解度，但合成的产率比较低，在提纯过程中，1 6 d 1 6 f 可以通过 加过量的三乙胺使其直接析出，而1 6 a - 1 6 c ，1 6 9 ，1 6 h 则需利用柱色谱进行分离， 主要用氯仿乙醇为洗脱剂。 r 1 6 a ：r = h 1 6 b ：i # c h 3 1 6 c ：i p o c h 3 1 6 d ：r 予f 羔9 r 舶3 ( c h 2 ) 3 s 0 3 1 6 e ：r = c i 1 6 c r = b r 1 6 9 ：i p c o o h 1 6 h ：i b n 0 2 s c h e m e1 4 s o n gf e n g l i n g 【4 8 1 等参考文献 4 0 】、 4 9 ，利用亲水性基团对吲哚环进行修饰， 同时在甲川链上插入环烃基团合成了一系列的水溶性吲哚刚性桥环多甲川菁染 料1 7 c 1 7 f ，合成路线如s c h e m e1 5 所示。他们对四种菁染料进行光稳定性研究发 现，提高染料的光稳定性可以采取以下三种方法：( 1 ) 在传统的直链甲川链上引 入环己烯；( 2 ) 以苄基溴为烃化试剂使吲哚环中的氮季铵化；( 3 ) 在甲川链中引入 给电子基团。 1 4 h 1 7 d h i r c f l u x2 4 h 车h 2 b f 白 1 7 _ h 0 3 s b i l t 觚o l - b e n z e n e ，r e n i i ) ，3 5 h h o 1 7 b b u t 锄o l - b e n z e n e ，托f l u ) 【，3 5 h a f i t l y d m u sd m f ，1 0 0 。c ，3 h h s c o o h a i l h y d r o u sd m f ，r l ，8 h - 0 3 s s 0 3 s c h e m e1 5 s 0 3 王丽秋等【5 0 】以方酸及自制的2 氯1 甲酰基3 羟甲亚基环己烯为原料，合成 了6 种甲川链中含刚性桥环( 方酸和含氯六元环) 的水溶性吲哚菁染料1 8 ，1 9 ( s c h e m e1 6 ) 。该类染料稳定性较高、水溶性较好。 西北大学硕士学位论文 n a 0 3 s k 0 3 s l8 ar 2 少c h 2 c 6 h 4 c o o h 1 8 br 2 ( c h 2 ) 5 c o o h 1 8 cr 2c 2 h 5 1 9 1 9 ar _ p c h 2 c 6 h 4 c o o h 1 9 br 2 ( c h 2 ) 5 c o o h 1 9 c r jc 2 h 5 s c h e m e1 6 s 0 3 k o s w a l d 等刚采用s c h e m e1 7 合成了不对称吲哚方酸菁染料2 0 ，该染料在水中 的最大吸收波长是6 3 5i h n ，当与蛋白质结合后在水中的最大吸收波长是6 4 5m n ， 它对血液中蛋白质的检测限比一般荧光染料更低。 0 3 s 0 3 s c 4 h 9 刀- b u o h 金i e t 3 ( c h 2 ) 5 c o o h ， h o o c ( h 2 c ) 5 c h o 0 3 s o 0 3 s ， h o o c ( h 2 c ) 5 h o o c 4 h 9 。：i 鳞舀夺 h o o c ( h 2 c ) 5 o 。 1 6 ( 1 ) e t o h ，n a o h 。- _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ 。 ( 2 ) h c l h s 0 3 西北大学硕上学位论文 一邸 c h 娃。 n o o o 印8 0 3 吲哚刚性桥环多甲川菁染料的合成方法与吲哚线性多甲川菁染料的相似，只 是用刚性桥环代替了传统的线性多甲川缩合剂。从上述文献可以看出吲哚菁染料 引入刚性桥环可以提高菁染料的光稳定性，为吲哚菁染料的应用开辟了更广阔的 天地。 1 4 吲哚菁染料的应用进展 1 4 1 吲哚菁染料在生物分析中的应用 荧光标示技术是通过物理或化学作用将荧光物质与待测组分结合，使待测组 分转化为荧光物质，再经过荧光检测而获得被测组分定性或定量信息的技术。所 用的荧光物质称为荧光标记试剂( 也称为荧光探针) 。 近年来，荧光标示技术已经取代具有放射性危害的同位素标记法，逐步发展 成为一种常用的分析测试手段，被广泛应用于生物学、医学和化学等学科，特别 是在生物技术领域中得到了重要应用，而荧光标示技术的核心则是荧光标记试 剂。 荧光标记试剂是通过模拟天然化合物在分子和细胞水平上“探测 结构和过 程的荧光化合物，主要是用于观察位置和进行定量测量。荧光标记试剂直接结合 在配体上，而配体又直接、专一的结合到受体上，并且在测量前组织或细胞不去 除，因此，可以直接用来测量配体受体的相互作用。通过测量一个或数个特定 波长的荧光、比较强度和浓度的变化，就能达到定量的目的。 荧光探针应满足以下条件【5 2 1 ： 1 7 西北大学硕士学位论文 1 ) 摩尔消光系数大。 2 ) 良好的荧光性能，发射的荧光有足够的强度以达到检测器的灵敏度。 3 ) 较好的稳定性和溶解性 4 ) 可与被标示物通过物理或化学作用结合，残余物及副产物易于除去。 5 ) 荧光与背景对比明显，可以避开杂质光的干扰，提高检测灵敏度。 6 ) 标示反应条件温和，确保被标示的生物基质原有化学性质不被破坏。 7 ) 易于合成、保存。 8 ) 安全无毒。 吲哚菁染料具有荧光量子产率高，最大吸收波长可调谐范围大，荧光发射波 长范围宽( 一般在6 0 0 1 0 0 0i i l l l 的近红外区) 等特点，因此可大大避免生物自身 的荧光背景干扰；该类染料与生物基质结合后具有强烈的荧光增强作用、相对较 好的稳定性等优点，作为一类荧光探针已在生物芯片、d n a 测序、荧光免疫分 析、流式细胞测量、临床诊断分析与治疗等生命科学前沿领域有了重要应用。例 如w r a g g o n e ra s 开发的水溶性吲哚菁染料8 c ，8 f 已经成为生物芯片上应用的主要 商品化荧光探针。w i l l i 锄s 【5 3 1 将吲哚七甲川菁染料用于固相免疫测定方面，能够 对人体免疫球蛋白进行痕量测定。s o w e l l 【5 4 】将水溶性吲哚七甲川菁近红外荧光染 料2 1 ( s c h e m e1 8 ) 与人体血清蛋白非共价键合，通过毛细管电泳检测不同药物 与人体血清蛋白的结合能力，取得了较好的效果。 z l s c h e m e1 8 b e 唱e r 等【5 5 1 首次用含有n 羟基琥珀酰亚胺酯活性基的吲哚方酸菁染料标记 绵羊抗体免疫血球蛋白取得了很好效果。j 锄e s 【5 q 等合成了近红外花菁染料并利 用异氰酸酯和琥珀酰亚胺酯对染料进行活化，作为生物荧光探针具有良好的性 能，但其缺点在于酯化反应收率及纯度都有待提高。 郑洪等5 7 1 使用不带活性基团的吲哚三碳菁染料检测痕量蛋白质。此法具有相 西北大学硕上学t ：7 = 论文 当高的灵敏度，例如，他们以2 0m m o l l ，p h = 4 0 的h o a c n a o a c 体系为最佳缓 冲介质，染料浓度为3 o 1 0 击m o l l 时，得到体系对血清总蛋白的检出限为5 0u g l ，检测的线性范围为1 0 0 1 9 0 0 u g l ，并且在反应体系中加入不同量金属离子、 氨基酸及有机酸均不影响蛋白质的测定。此外，郑洪等【5 8 1 以近红外菁染料的荧光 淬灭测定核酸，测定范围是8 0 1 2 0 0 l ig l 。 y a n g 等【5 9 1 将羧基引入近红外菁染料，利用毛细管电泳激光诱导荧光检测器， 可以处理并检测0 8 锄o l 的染料。l i c h a 等【6 0 1 用带羧基的吲哚三甲川菁染料和吲哚 五甲川菁染料结合生长激素抑制素形成特征受体缩胺酸，它可被应用于分子光学 成像。 李瑶等【6 1 1 利用吲哚菁染料c y 3 ，c y 5 分别标记到两种组织的c d n a ，制备成 c d n a 探针，并与表达谱芯片进行杂交及扫描，用基因表达谱芯片对人正常肝组 织和肝癌组织基因表达的差异进行研究比较，通过用基因芯片技术对肝癌表达谱 的研究，可以发现大量有差异表达的基因，帮助发现更多的肝癌标记蛋白，用于 临床诊断和治疗。吲哚菁染料还可直接作为光敏剂在光动力疗法( p d t ) 中用于 恶性肿瘤的诊断与治疗( 6 2 1 。 1 4 2 吲哚菁染料在光存储中的应用 光存储技术是信息领域的重大科学技术前沿课题和新兴的高科技产业，而光 存储介质是发展信息光存储技术的核心和关键。每一种新型光存储介质的出现， 都会极大的推动光存储技术的发展，因此要进一步推动光存储技术的发展，就必 须开发出具有优良性能的新型光存储介质。菁染料及其衍生物与其它可用作记录 介质的有机材料相比在可见及近红外区有很强的吸收，具有吸收波长可调谐范围 大、吸收峰窄、半峰宽小、反射率高、色纯、容易合成、价格便宜、光学特性好、 记录灵敏度高、较高的信噪比、在有机溶剂中有较大溶解度，可方便地采用旋涂 制膜等特性和优点，因此将其作为有机光学记录介质的应用研究越来越多的受到 了重视，并在可录型光盘中得到实际的应用【4 3 ，6 3 删。 贺锋涛掣6 5 】利用旋涂法制备了三甲川菁染料掺杂高分子薄膜，在室温下采用 波长为5 3 2 衄、数值孔径为o 6 5 聚焦物镜的绿光存储装置研究了该染料薄膜的光 西北大学硕士学位论文 存储特性，结果表明：三甲川菁染料薄膜在4 2 0n m 5 9 01 1 n l 区域内有两个吸收峰， 可作为与5 3 2l l i l l 绿光半导体激光器相匹配的光存储材料。姚祖光等【6 6 】用自己研 制的吲哚二碳菁染料与吲哚三碳菁染料复配，分散于聚合物中，用旋涂制成菁染 料聚合物薄膜，测定在半导体激光8 3 0m 处的光存储性能，得到了良好的记录 灵敏性。 1 4 3 吲哚菁染料在光谱增感中的应用 1 8 7 3 年，v 0 9 e l 发现菁染料具有异常灵敏的感光能力，可以起到增感作用， 使得早期菁染料最重要的用途是作为光谱增感剂应用于卤化银照相乳剂中，扩大 卤化银微粒的感光范围并提高感光度。 吲哚菁染料作为菁染料的一个分支也可以作为光谱增感剂，吲哚菁染料属于 阳离子型增感剂，阳离子的平面性质决定了染料良好的增感效果。在乳剂中染料 形成丝状聚集体( j 一聚集体) ，即处在聚集体中的分子是紧密平行排列分布的。 在j 聚集体下的分子由于相互作用产生狭窄的吸收带，这种聚集体在卤化银颗粒 表面上形成并产生相当的增感作用。唐黎明等6 7 ，6 8 1 利用七甲川花菁染料作为红外 增感剂，合成了红外激光增感引发体系，此体系使产生引发活性的这一过程处于 同一分子内，并使增感剂和引发剂之间发生能量传递或电子转移更为有效，进而 提高了引发效率。 1 4 4 吲哚菁染料在太阳能电池中的应用 1 9 9 1 年瑞士研a t z e l 【6 9 】小组研制出用羧酸联吡啶钌( i i ) 染料敏化的t i 0 2 纳米 晶多孔膜作为光电阳极的化学太阳能光电池，称为染料敏化纳米晶体太阳能光电 池( d y e s e n s i t i z e dn a n o c 巧s t a l l i n ep h o t o v o l t a i cs o l a rc e l l s ) 或g r a c z e l 电池，其光电 转换效率由原来的不到1 提高到了7 1 7 9 ，接近了多晶硅电池的能量转换效 率，而成本仅为硅光电池的1 5 1 1 0 ，使用寿命可达1 5 年以上。这一重大突破使 得有机染料敏化的太阳能电池向实用阶段迈进了大步。1 9 9 8 年，g r a t z e l 【7 0 1 等进 一步研制出全固态纳米晶体光电池，利用固体有机空穴传输材料替代液体电解 质，单色光电转换效率达到3 3 ，引起了全世界的关注。 2 0 西北大学硕士学位论文 联吡啶钌类染料敏化t i 0 2 在稳定性和电池光电转换效率上都比较好，但钉是 重金属，毒性强，且其在地球上的储藏量少，限制了其应用。纯有机染料种类繁 多，合成工艺简单，成本低，可以实现半导体电极的回收利用和避免贵金属钌资 源的消耗，因此近年来得到迅速发展7 1 1 。目前，纯有机染料敏化电池总的光电转 换效率最高可达6 ，而双层染料叠加敏化则可达到1 0 5 的光电转化效率【7 2 l ，为 纯有机染料敏化纳米太阳能电池的应用开辟了新的前景。菁染料由于在可见及近 红外区( 5 0 0 - 8 0 0 砌) 有较强的吸收及较大的摩尔消光系数，且其合成简单，成 本低，因而作为一类具有良好发展前景的纳米晶体太阳能电池光敏材料，逐渐引 起了学者们的广泛关注【7 3 】 张莉等【7 4 】采用自合成的五甲川菁染料2 2 ( s c h e m e1 9 ) 敏化t i 0 2 纳米结构电 极，可显著地提高t i 0 2 纳米结构电极在可见光区的阳极光电流强度，明显改善光 电转换效率，并且价格低廉。 h o o c s c h e m e1 9 厂l 中科院感光所赵为等【7 5 1 考察了三种方酸菁染料2 3 ( s c h e m e2 0 ) 修饰纳米晶 t i 0 2 薄膜电极表面应用于光电化学太阳能电池进行光电转换的情况，发现它们的 光电化学性能参数随着染料在纳米晶t i 0 2 上吸附力的增强而提高。其中，杂环氮 原子上有磺酸吡啶基取代的方酸菁2 3 c ，因强吸附功能基团的存在与纳米晶t i 0 2 薄膜电极表面建立起良好的电性耦合而具有较好的敏化性能，光电转换效率为 2 1 7 ，在6 5 0 m 处的最高单色光光电流效率i p c e 值达到6 2 ，表明方酸菁是一 类优良的光电转换功能材料。 c h 2 l ￥ 阵由 西北大学硕士学位论文 2 3 a ：r 2 c h 3 2 3 b ：r 2c h 2 c h 2 0 h 2 3 c ：邴蚴，s 。；囝 s c h e m e2 0 1 4 5 吲哚菁染料在其它方面的应用 吲哚菁染料还可以在无伤害、低干扰的情况下测生物体内0 1 1 0l lm o l l 浓 度的钙离子，t a r a z i l ll 等【7 6 】利用吲哚菁染料测血清中锂离子浓度，其检测限达 到了7 4 3 l o 。1 ，曹胜利等【7 7 1 合成了吸收波长在8 3 0 姗的吲哚菁染料，并制备 了热敏c t p 板材，结果表明涂层均匀，没有颗粒析出，明锐度、灵敏度等性能 方面接近同类板材的国际水平。 综上所述，吲哚菁染料作为非常重要的有机功能染料，与高新技术紧密结合。 随着科学技术的交叉发展，它们的应用范围会越来越广，因此研究吲哚菁染料的 合成、结构、性质以及应用具有很高的学术价值和实用意义。 西北大学硕士学位论文 参考文献 【l 】皮格拉夫基德著，刘敦译孵鹈馏氕筹四分劬，北京：中国电影出版社， 1 9 8 4 【2 】米斯cek ，詹姆斯t h 解指趔搓理趁北京：科学出版社，1 9 7 9 3 】 l a n z a ej m ，m u e n t e ra a ，b n u n b a u g hd v ，1 h ee 虢c to fj a g g r e g a t es i z e o np h o t o i n d u c e dc h a r g et r a i l s f e rp r o c e s s e sf o rd y e s e n s t t i z e ds l i v e rh a l i d e s c 而p 优尸纫临，1 9 9 6 ，2 l o ( 1 - 2 ) ：7 9 8 9 【4 】 l a n z 娟m l ej m ，m i nl ，m i l l e rr j d ，m u e n t e ra a ，p 酞i n s o nb a ，e l e c t r o n e c t i o nf 1 o ma d s o r b e do x a z i n ei n t os n s 2 ，胸正c ， t 三f g c ，声f ，1 9 9 l ，1 9 4 ： 2 8 7 2 9 2 【5 】 m d e n j ，d e l t a ug h u t hv ，k r i n g e lu ，p e r o sd ，d r e ) ( 1 l a g ek h ，f l u o r e s c e n c e a i l dl a s i n gp r o p e i r t i e so f r h o d 锄i n ed y e s 三甜朋f n ，1 9 9 1 ，4 8 ：3 5 2 - 3 5 8 6 】 e h r e ta ，s t u l l ll ，s p i d e rm t ，s p e c t r a ls e n s i t i z a t i o no ft i 0 2n a l l o c 巧s t a l l i n g e l e c r o d ew i ma g g r e g a t e dc y a l l i n ed y e ，z 尸矗声鳓p m b ，2 0 0 l ，1 0 5 ( 4 1 ) ： 9 9 6 0 9 9 6 5 【7 】 m a t s u im a l s 托，h a s h i m o t oy o s h i r i l i ，f u i l a b i k ik 翊l i l l a s a ，j i nj i - y e ，t s u k a s a y o s l l i d a ，h i d e k im i n o u 耽a p p l i c a t i o no fn e 孙i i l f 哳e da b s o r b i n gh e p t 锄e t l l i n e c y a i l i n ed y e sa ss e n s i t i z e r sf o rz i n co x i d es o l a rc e l l ，跏砌p f 纪施砌红2 0 0 5 ， 1 4 8 ( 2 ) ：1 4 7 - l5 3 8 】 g a om ，d i a op ，r e ny - j ，m e n gf ，t i a j l