（无机化学专业论文）rudip2pipr2合成、表征和ph滴定研究.pdf

摘要 r u ( d i p ) 2 ( p i p r ) 】2 + 合成、表征和p h 滴定研究 专业：无机化学 硕士生：孙倩 指导老师：计亮年院士 摘要 钌多吡啶配合物因其可作为d n a 结构探针，分子光开关，合成某些酶的抑 制剂等引起人们的关注，而且被广泛应用于生物医药等高新技术研究中，本文设 计合成了一系列新的钌多吡啶配合物 r u ( d i p ) 2 ( p i p r ) 】2 + ( r = f ，o c h 3 ，n 0 2 ，o h 等) ，通过元素分析，质谱，红外，核磁共振等对该化合物进行表征，而且这一 系列配合物的配体中含有咪唑基团，随着溶液p h 值的改变，咪唑基团可能会被 质子化或去质子化，其本身的电子特性随之也会发生变化，势必会给配合物的光 化学、光物理性质带来影响，故还进了酸碱滴定实验，结果证实确有显著影响。 第二章以邻菲咯啉为原料合成了一系列含r 基( r = f ，o c h 3 ，n 0 2 ，o h 等) 的配体，包括p i p 、h p i p 、p i p n 0 2 、p i p o c h 3 、p i p f 、d p p z 。利用这些配体 合成了配合物 r u ( d i p ) 2 ( p i p ) ( c 1 0 4 ) 2 ( d i p = 4 ，7 - 二苯啡哕啉) 、【r u ( d i p ) 2 ( h p i p ) ( c 1 0 4 ) 2 、【r u ( d i p ) 2 ( p i p - n 0 2 ) ( c 1 0 4 ) 2 、【r u ( d i p ) 2 ( p i p f ) ( c 1 0 4 ) 2 、 【r u ( d i p ) 2 ( p i p o c h 3 ) ( c 1 0 4 ) 2 以及 r u ( d i p ) 2 ( d p p z ) ( c 1 0 4 ) 2 用元素分析、红外表 征、紫外、l c m s 液质连用、一维和二维核磁共振氢谱对它们进行了表征，用 循环伏安法研究了这些配合物的电化学性质，结果表明，配合物的光化学、光物 理性质确有显著变化。 第三章重点研究配合物在不同p h 值下的光化学光物理性质变化，采用 紫外滴定和荧光滴定两种方法，配合物p h 滴定的紫外可见光谱是在1 8 1 2 7 8 摘要 这个范围内进行的，我们可以明显的发现，光谱随着p h 值的改变变化明显。而 配合物在波长为4 6 0 n m 的可见光激发下，在6 0 0 n m 左右处有强的荧光发射，随 着p h 值的不断变化，最大发射峰处的荧光强度也随之发生改变。 关键词： r u ( i i ) 配合物；多吡啶配体；p h 传感 摘要 s t u d i e so fi r u ( d i p ) 2 ( p i p r ) i “s y n t h e s i s ，c h a r a c t e r i z a t i o na n d p h t i t r a t i o n m a j o r ： n a m e ： i n o r g a n i cc h e m i s t r y q i a ns u n s u p e r v i s o r ：p r o f l i a n g n i a n j i a b s t r a c t c o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nh a sb e e n p a i dt op o l y p y r i d y lr u t h e n i u mc o m p l e x e s ，b e c a u s e t h e yc a nb eu s e da sd n ap r o b e ，m o l e c u l a rl i g h ts w i t c h , a n dt h ei n h i b i t o ro fs o m e e n z y m e ，a n da r ew i d e l yu s e di nb i o m e d i c a la n do t h e rh i g h - t e c hr e s e a r c h i nt h i st h e s i s ， as e r i e so fn o v e lp o l y p y r i d y lr u t h e n i u mc o m p l e x e sa r ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d ， n a m e l y r u ( d i p ) 2 ( p i p - r ) 】2 + ( r = f ，o c h 3 ，n 0 2 ，o h ) t h e ya r ec h a r a c t e r i z e db y e l e m e n t a la n a l y s i s ，m a s ss p e c t r o m e t r y , i n f r a r e ds p e c t r o m e t r y , a n dn u c l e a rm a g n e t i c r e s o n a n c 2 t h i ss e r i e so f c o m p l e x e sc o n t a i na ni m i d a z o l eg r o u p ，w h i c hm a yu n d e r g o ap r o t o n a t i o no rd e p r o t o n a t i o np r o c e s su p o nt h ec h a n g eo fp nv a l u e ，t h ee l e c t r o n i c p r o p e r t yi sa l s oc h a n g e da c c o r d i n g l y a c i d b a s et i t r a t i o ne x p e r i m e n t sr e v e a lt h a tt h e i r p h o t o c h e m i c a la n dp h o t o p h y s i c a lp r o p e r t i e sa r ea l s oa f f e c t e d i n c h a p t e r2 ，l i g a n d sc o n t a i n i n grg r o u p ( 1 净f ，o c h 3 ，n 0 2 ，o i - i ) a r e s y n t h e s i z e d ，n a m e l yp i p , h p i p , p i p - n 0 2 ，p i p o c h 3 ，p i p f ，a n dd p p z ，w i t h1 ，10 一 p h e n a n t h r o l i n ea ss t a r t i l l g m a t e r i a l f u r t h e rs y n t h e s e sa l ep e r f o r m e dw i t ht h e s e l i g a n d s ，a n d 6c o m p l e x e sa r eo b t a i n e d , n a m e l y 【r u ( d i p ) 2 ( p i p ) ( c 1 0 4 ) 2 ( d i p = 4 ，7 一d i p h e n y l - 1 ，1 0 一p h e n a n t h r o l i n e ) ， r u ( d i p ) 2 ( h p i p ) ( c 1 0 4 ) 2 ， r u ( d i p ) 2 ( p i p - n 0 2 ) ( c 1 0 4 ) 2 ，【r u ( d i p ) 2 ( p i p f ) ( c 1 0 4 ) 2 ， r u ( d i p ) 2 ( p i p o c h 3 ) ( c 1 0 4 ) 2 a n d r u ( d i p ) 2 ( d p p z ) ( c 1 0 4 ) 2 t h e ya r e c h a r a c t e r i z e db ye l e m e n t a la n a l y s i s ，i n f r a r e d i i i 摘要 s p e c t r o m e t r y , u l t r a v i o l e ts p e c t r o m e t r y ，l c m s ，1 - da n d2 - d1 h n m r t h e i r e l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t i e sa r es t u d i e dw i t hc y c l i cv o l t a m m e t r ym e t h o d t h er e s u l t s s h o w s i g n i f i c a n tc h a n g ei nt h e i rp h o t o c h e m i c a la n dp h o t o p h y s i c a lp r o p e r t i e s c h a p t e r3f o c u s e so nt h ec h a n g eo ft h e i rp h o t o c h e m i c a la n dp h o t o p h y s i c a l p r o p e r t i e sa td i f f e r e n tp hv a l u e s ，u s i n gu va n df l u o r e s c e n c et i t r a t i o nm e t h o d s u v v i s i b l ep ht i t r a t i o ne x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tw i t h i nt h ep hr a n g eo f1 8 - 1 2 7 8 ，a n d c o n s i d e r a b l e c h a n g e i nt h eu vs p e c t r ai so b s e r v e d i nf l u o r e s c e n c et i t r a t i o n e x p e r i m e n t ，t h ec o m p l e x e sa r ee x c i t a t e da tt h ev i s i b l ew a v e l e n g t ho f4 6 0 n m , a n d s h o ws t r o n ge m i s s i o na ta r o u n d6 0 0n m t h ee m i s s i o ni n t e n s i t yi sc h a n g e du p o nt h e c h a n g eo f p hv a l u e k e y w o r d s ：r u ( i i ) c o m p l e x e s ；p o l y p y r i d y ll i g a n d ；p ht i t r a t i o n i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名：如傣 日期：2 0 0 9 年4 月2 2 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交 论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量 复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或 其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：w 1 飞 日期：川年z 月寥e l | 导师虢吖 日叫年f 月莎日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下 完成的成果，该成果属于中山大学化学与化学工程学院，受国家知识 产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专 利，均需由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得以 任何方式，以任何其它单位作全部和局部署名公布学位论文成果。本 人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 白、伟 日期：2 0 0 9 年4 月2 2 日 中山大学2 0 0 9 届硕士学位论文孙借 1 1 引言 第一章绪论 化学生物学( c h e m i c a lb i o l o g y ) 是2 0 世纪9 0 年代后期才发展起来的- - f - 重 要的新兴交叉学科，它是化学与生物学和医学等学科领域相互交叉、相互渗透的 产物。化学生物学的研究领域非常广泛，国际学术界认为化学生物学包括生物无 机化学( b i o i n o r g a n i ec h e m i s t r y ) 、生物有机化学( b i o o r g a n i cc h e m i s t r y ) 、组合化学 ( c o m b i n a t o r i a lc h e m i s t r y ) 、分析技术( a n a l y t i c a lt e c h n i q u e ) 、蛋白质组学和基因组 学( p r o t e o m i c sa n dg e n o m i c s ) 、生物高分子( b i o p o l y m e r ) 、生物催化与生物转化 ( b i o c a t a l y s i sa n db i o t r a n s f o r m a t i o n ) 、作用机s f j ( m e c h a n i s m ) 、模拟体系( m o d e l s y s t e m ) 和下一代疗法( n e x tg e n e r a t i o nt h e r a p e u t i c s ) 等。化学生物学突出了化学学 科在化学与生命科学结合中的作用，强调了化学在为生命科学的发展作出贡献的 同时也为化学学科本身发展提供更大的发展空间。其主要策略是采用天然的或人 工设计合成的小分子作为探针，改变生物分子的功能，探讨各种生理和病理过程 中分子识别和信号通路的分子机制。这些研究得到的知识不仅有助于阐明细胞过 程的细节和调节机制、增进在分子水平上对生命的认识，而且对于创制和发展新 颖药物都具有重要意义。 1 2 钌( i i ) 多吡啶配合物的设计与合成研究进展 随着配位光化学的发展，多核配合物的研究越来越受到人们的关注和重视。 在过去二十多年中，钌( i i ) 多吡啶配合物由于其化学稳定性及优异的光物理性 质，成为其中的研究热点【1 3 】。在多核钌( i i ) 多吡啶配合物的设计与合成过程中， 选择合适的配体和正确的合成方法是两个至关重要的因素。 1 2 1 桥连配体 中山大学2 0 0 9 届硕士学位论文 孙侍 桥连配体，顾名思义就是能连接两个金属原子的配体。它在多核配合物中扮 演非常重要的角色，桥连配体的大小、形状、构象、电子特性都能对配合物的性 质产生影响。多吡啶类配体大部分都是从2 , 2 一联吡啶( b p ”、1 ，1 0 一邻菲咯啉( p h e n ) 和2 ，2 ：6 ，2 ”三联吡啶( t p y ) 衍变出来的，除此之外咪唑、嘧啶、喹啉、吡唑等也 被用来充当配位基团。它们之间不同的组合构造出各种各样不同的多吡啶类配体 【4 】 o 1 ) b p y 型或p h e n 型桥连配体 从配合物激发态性质来看，这种类型的配体比较适宜选来构建多核配合物。 我们知道 r u ( b p y ) 3 】2 + 乘1 r u ( p h e n ) 3 】2 + 都具有很好的光化学和光物理性质，室温下， 在溶液中它们能发出较强的、寿命长的荧光( 3 m l c t 的寿命数量级为1 0 1 0 - 3 n s ) t 5 1 。 人们最初选用一些烷烃类基团如亚甲基，1 ，2 亚乙基等来充当桥连配体的连 接部分，后来发现这些非刚性的基团能导致配合物的构象多变，给准确测定电子 和能量转换速度造成了很大的困难。 5 2 群婷：瑶 6 州 2 q 冷n 4 2 n 峻4 晶，草摊 中山大学2 0 0 9 届硕士学位论文刃借 7 9 1 1 日 图1 1 一些桥连配体 1 0 心 n ：n 1 2 于是刚性的基团如苯环、环烷烃等又被引入来充当桥连配体的连接部分。 d ec o l a e 6 】等最近报道了一系列链状、含多个亚苯基的桥连配体桥连的双核配合物 的光物理性质，其中最长的桥连配体可使两个金属原子之间距离达4 2n m 。由于 这类配体中被连接的基团能够围绕连接单键旋转，它依然存在“构象”的问题。 炔烃类基团的引入可以有效地解决“构象”问题。z i e s s e l 7 1 等研究者设计、合 成出许多含有炔烃类基团桥连配体，在多核配合物的研究方面开展了卓有成效的 工作。除了配位基团间简单的连接外，刚性、共平面含氮的多环芳香有机化合物 也被利用来充当桥连配体，例如2 ，3 d p p ( 1 ) t 8 1 、2 ，5 d p p ( 2 ) 9 、p p z ( 3 ) 1 0 1 、h a t ( 4 ) t 1 1 】 等。近来，由l ，l o 邻菲咯啉衍生出的多环芳香化合物( 如5 【1 2 】，6 t 1 3 1 ，7 i 1 4 1 ，8 【1 5 1 掣z 工 q 中山大学2 0 0 9 届硕士学位论文孙侍 等) 纷纷被合成出来，它们不仅可以解决“构象”问题，有效地控制金属之间的距 离，还可以保证电子和能量转换沿轴向方向进行。 2 ) t p y 型桥连配体 在t p y 型桥连配体的合成方面，c o n s t a b l e 等【1 1 】作出了突出贡献。从结构的 角度来看，t p y 型桥连配体要优于b p y 型或p h e n 型桥连配体。首先， r u ( t p y ) 2 2 + 是一个非手性( a c h i r a l ) 分子，它不象 r u ( b p y ) 3 】2 + 和 r u ( p h e n ) 3 2 + 存在“立体异构”现 象，通过t p y 的4 位衍生出的桥连配体如化合物9 在多核配合物的合成过程中可 避免立体异构体的产生；其次，这类配体可以构筑线性、棒状( r o d l i k e ) 多核配合 物保证电子和能量转换沿轴向方向进行。值得注意的是，由于t p y 类型的配体的 引入，钌( i i ) 配合物3 m l c t 激发态寿命大大地降低了。这主要是由于t p y 类型 的配体特殊的空间结构导致配合物八面体构型扭曲，降低了配体场强度，从而使 得配合物的激发态能量通过3 m c 态以无辐射的形式散失【2 2 ，2 3 1 。在t p y 的4 ，位引 入拉电子基团【、利用环金属化( c y c l o m e t a u a t i o n ) 配体口5 1 和大的t p y 型配体【2 6 ，2 7 1 可以使得这类配合物的荧光寿命大大延长。刚性、共平面的t p y 型桥连配体最近 也有报道。 3 ) 具有调控作用的桥连配体 除了希望通过桥连配体的设计来构筑具有不同结构形状的多核配合物外，人 们更希望通过桥连配体来调控多核配合物的性质以达到设计分子器件的目的。设 计具有调控作用的桥连配体关键在于桥连配体中应有对外界变化( 氧化、还原、 p h 值的改变和阴离子、阳离子的存在等等) 有反应并能对多核配合物的性质造 成影响的基团。 化合物1 0 是一个具有调控作用的桥连配体，b e l s e r 等【2 8 1 用它合成得到了异 双核配合物 ( b p y h r u ( b p y - a s a - b p y ) o s ( b p y ) 2 4 + ，他们发现当用光照射配合物含氧 的溶液时，产生的1 0 2 能与桥连配体中的葸发生【2 + 2 】环加成反应形成葸的过氧产 物。其可以减缓配合物中不同荧光基团之间能量转换的速度，实现了调控的目的。 h a g a 等【2 9 。1 1 合成了一系列含咪唑基团的桥连配体( 例如化合物1 1 ) ，通过咪 唑基团的去质子化，也达到了调控分子内电子和能量转换的目的。 4 中山大学2 0 0 9 届硕士学位论文 孙待 通过氧化还原来调控多核配合物性质的情况也有报道，o t s u k i 等【3 2 1 用化合物 b - a z o b ( 1 2 ) 作为桥连配体，发现在配合物 ( b p y ) 2 r u ( b - a z o - b ) o s ( b p y ) 2 】4 + 中，可 以通过电化学还原的方法来调控分子内能量的转换。 另外，还可以通过改变外加离子的浓度【3 3 】来调控多核配合物中电子和能量 转换的速度。 1 2 2 多核钌( i i ) 多吡啶配合物的合成 常用的双核钌( i i ) 多吡啶配合物合成方法是将合适的反应前体( 如 r u ( b p y ) 2 c h ) 与桥连配体在极性溶剂( 乙二醇、甲氧乙醇、丁醇) 中加热反应。 另有报道使用微波炉加热 3 4 , 3 5 可大大缩短反应时间，有的只需几分钟即可。 近年来，在合成多核c t ( i i ) 多吡啶配合物方面，b a l z a n i 等【3 6 】取得了突破性的 进展。他们最先提出“配合物为金属，配合物为配体”的合成策略，利用2 ，3 d p p 作桥连配体，合成出含2 2 个钌原子的多核配合物。c o n s t a b l e 等【3 7 , 3 8 , 3 9 1 也采取同 样的策略，通过发散法和会敛法合成了多个多核分子树配合物( d e n d r i t i c p o l y n u c l e a rc o m p l e x ) 。t o r 和他的研究小组t 4 0 n 通过钯催化的偶联反应，将多个 带有修饰基团的单核钌( i i ) 多吡啶配合物定向连接起来。而m c d o n n e l l 等f 4 1 4 3 】利 用配体间的偶合反应也构筑出多个多核钌( i i ) 多吡啶配合物。 1 3 配位光化学的产生和发展 近年来，随着无机光化学的发展，配合物的光化学、光物理过程的研究越来 越深入，配合物光化学为化学家们提供了一个宽阔的极富潜力的研究领域m 】。 配位光化学即配合物光化学最早可追溯至十九世纪三十年代的n a 4 f e ( c n ) 6 】的 光敏化研究【4 5 】。从本世纪初现代光化学开始到五十年代，光化学的发展主要在 有机化学方面【4 6 】，围绕量子效率概念的提出和论证进行了许多工作。 五十年代后期，随着配位场理论和吸收光谱技术的发展，配位光化学作为一 门现代科学开始崭露头角。各种分析技术开始应用于配位光化学研究，关于 5 中山大学2 0 0 9 届硕士学位论文孙倩 c r ( i i i ) 、c o ( i i ) 配厶物的光反应动力学和吸收光谱进行了许多工作【4 7 4 9 1 ，羰基化 合物的光化学也有涉及【5 0 1 。 六十年代中后期，量子化学、分离检测技术及光源的巨大进步为光化学研究 提供了坚实的理论基础和可靠的实验手段，从而奠定了配位光化学的基础。这期 间研究最多的是过渡金属单核配合物的配体光取代反应、光氧化还原反应、光重 排反应及其动力学等光化学过程5 1 巧3 1 。 七十年代初，激光闪光光解技术、瞬态光谱和时间分辨光谱得到了普遍应用 和完善，确定速率常数和证明光致电子转移过程的瞬间产物成为可能。光化学过 程机制研究不断深入，配位光化学在此期间取得了巨大发展。大量工作集中在配 合物冷光和激发态的双分子电子转移和能量传递【5 3 1 。电子转移理论和蟀灭理论 不断完善并被应用于太阳能的转换和储存及配合物光敏分解水的反应。 八十年代初，配位光化学研究逐步从分子间和分子内光化学转移到多核配合 物和超分子的光化学领域。具有控制电子转移和能量传递过程特性的配合物，主 客体分子体系等的光化学、光物理过程成为配位光化学研究的重点【5 4 1 。近年来， 随着分子器件概念在科学技术等各领域的频繁出现，围绕具有器件功能的多核配 合物超分子体系的研究已在很多实验室进行陋5 6 1 ，其中1 9 8 8 年诺贝尔奖获得者 l e h n 等人对超分子光化学作出了突出的贡献【5 7 1 。 1 4 钌( i i ) 多吡啶配合物的光化学研究概况 1 9 7 1 年g a f n e y 和a d a m s o n 首次报道t r u ( b p y ) 3 2 + 的电子转移冷光焯灭【5 引。 1 9 7 5 年c r e u t z 和s u i t i n 又报道了【r u ( b p y ) 3 】2 + 具有光催化分解水的功能【5 9 】。自此以 后r u ( b p y ) s 2 + 其独特的理化性质引起了人们极大的兴趣和广泛的关注。通过对 r u ( b p y ) 3 2 + 及其衍生物的研究，大大地推动了光化学理论和应用的发展。直到现 在，钌( i i ) 多吡啶配合物在光化学、光物理、电化学、光电化学、电子转移和能 量传递、分子组装和分子识别等研究领域都扮演着非常重要的角色1 6 0 , 6 1 】，钌( i i ) 多吡啶配合物由于它们的化学稳定性、电子传递能力、强的发光能力和寿命相对 较长的激发态，在众多研究领域有着潜在的应用价值，其中包括非氧化还原活性 6 中山大学2 0 0 9 届硕士学位论文 的d n a 探针或者是诊断试剂、光电子催化和分子识别。在过去的三十年中，越 来越多的研究注意力都集中于多吡啶钌配合物为基础的单核或者多核的合成、光 化学、光物理、电化学和生物活性。 1 4 1 钌多吡啶化合物作为d n a 荧光探针的研究状况 钌多吡啶化合物 r u ( p h e n ) 3 】2 + f s 口 r u ( b i p y ) 3 】2 + ( p h e n = l ，1 0 菲咯啉，b i p y = 2 ，2 联 吡啶) 类具有优良的化学稳定性、氧化还原性、激发态反应活性和合适的激发态 寿命。它们与d n a 结合后其荧光有所增强，由于其自身荧光很强，加入d n a 后 荧光增强不大，不能用于d n a 的定量分析。为得到发光增强程度大，又不容易 被猝灭的配合物，人们通过扩大配体的电子体系和增强配体的电子接受能力以促 进金属_ 配体电荷转移激发态的形成，从而使配合与d n a 结合后具有较强的荧 光增强效应。 r u ( b i p y ) e ( d p p z ) 2 + r u ( p h e n ) 2 ( d p p z ) 2 + ( d p p z = g 比啶并 3 ，2 一a ；2 ，3 一c 】 吩嗪) 的合成 6 2 , 6 3 1 和应用研究正是基于这一设想。由二j = r u ( b i p y ) 2 ( d p p z ) 2 + 和 【r u ( p h e n ) e ( d p p z ) 2 + 的激发态是金属一配体电荷转移态( 池c t ) ，此激发态集中于 d p p z 配体上，与b i p y 和p h e n 相比，d p p z 的共轭平面要大得多，理论上， r u ( b i p y ) 2 ( d p p z ) 2 + r u ( p h e n ) 2 ( d p p z ) 2 + 的荧光应比 r u ( p h e n ) 3 】2 + 和 r u ( b i p y ) 3 】2 + 的强，但由于在d p p z 配体上引入两个n 原子，新引入的n 原子容易与水分子发生 质子转移反应，从而导致 r u ( p h e n ) 3 2 + f f l l r u ( b i p y ) 3 2 + 的荧光完全猝灭，因而在水 溶液中不发射荧光，但在有机介质 6 4 1 、胶体【6 5 】或d n a 等非水环境中则产生很强 的荧光。 b a r t o n 等断】提出的质子转移猝灭机理很好地解释了上述现象。在d n a 溶液 中，它们与d n a 发生插入相互作用而使其荧光免受猝灭，与结合前相比，荧光 增强1 0 4 倍，可作为核酸分子光开关， 6 3 , 6 7 】。它们是一种新的高灵敏的发光探针， 对核酸的不同构型和不同碱基的含量具有很强的识别能力，可以区分d n a 和 r n a ，b d n a ，z - d n a 和a - d n a 6 8 1 ，p o l y ( a t ) 7 f i p o l y ( g c ) t 6 9 1 ，也可以区分单 链d n a 和双链d n a t 7 0 】。光开关”类配合物的合成及应用研究对于核酸和寡聚核 苷酸的识别分析，核酸杂交动力学研究，新型诊断试剂和癌症的治疗都有非常重 要的意义。 7 中山大学2 0 0 9 届硕士学位论文 1 4 2 钌多吡啶化合物作分子光开关的研究进展 分子光开关是指通过不同波长的光激发，可以使分子在两种不同的状态下转 变，如图1 2 所示。 a 丑b警五b 地 图1 2 分子开关示意图 a 和b 代表该稳定体系中两种不同的形式，a 1 和屯是不同波长的光，用来激发分子 的转变，从而实现光开关效应。由于手性在自然界、生物系统、活性体系等领， 域独特的功能，所以设计合成具有手性的光开关化合物具有广阔的应用前景。图 1 3 表示了不同体系的手性光开关7 1 1 。 p 蓄稿 ba - x 肇删 cp 鲁麓 。漫鲁萋 。毫营季、l ，、 图1 3 手性光开关体系 图1 3 中，( a ) 表示两种状态( 螺旋结构m 和p ) 的手性化合物的光致互变；( b ) 带有 手性辅助基( x 宰) 的光开关体系；( c ) 表示光稳定的对映异构体用不同手性圆偏振 光激发后的可逆转变；( d ) 表示非手性分子的手性自组装( 光致异构过程导致了基 体手性的变化) 。例如，l i u 掣7 2 】将非手性分子5 ( 十八烷氧基) 2 ( 2 噻唑偶氮基) 苯酚自组装成手性的l s ( l a n g m u i r s c h a e f e r ) 膜，在h c i 气体和空气的交替作用下 手性可逆转变以及聚合物螺旋结构的可逆转变。在实际应用中，光开关材料必须 具备以下要求 7 3 1 ：( 1 ) 热稳定性；( 2 ) 耐疲劳性( 多次循环过程活性不降低) ；( 3 ) 可 检测性( 两种状态均可检测) ；( 4 ) 非破坏性读出( 检测过程无干扰或信息擦除) 。 大多数的多吡啶钌化合物由于本身有较强的背景荧光，与d n a 结合较弱， 结合后荧光增幅不大，从而限制了它们作为核酸分子光开关的广泛应用。配合物 中山大学2 0 0 9 届硕士学位论文豺件 r u ( b p y ) e d p p z 2 + r u ( p h e n ) 2 d p p z 2 + 与d n a 结合力强，它们在水溶液中没有荧 光，当加入双链d n a 后产生很强的发光，因此它们可作为d n a 的分子光开关【7 4 】。 现在普遍认为这是由于在水溶液中d p p z 的吡啶环上的两个氮原子与水分子容易 形成氢键而质子化，使配合物激发态能量容易散失。但在d n a 存在时，d p p z 插 入到碱基对中，在疏水环境中大大降低了水分子的淬灭可能性，从而产生较强的 发光【7 5 】。对配体p h e n 进行适当的修饰后将配合物【r u ( 1 ) h e n ) 2 d p p z 2 + 连接到一段寡 核苷酸上便成为一种新型的杂交发光探针【7 6 】。其发光强度与另一条d n a 单链的 匹配程度有关，完全匹配时强度最大，不匹配碱基数目越多则发光强度越小。人 们试图对母体化合物【l 沁( b p y ) 2 d p p z l 2 + 和 r u ( p h e n ) 2 d p p z 2 + 从改变辅助配体及对插 入配体进行某些修饰后企望发现更多的d n a 分子光开关化合物，然而绝大多数 未能如愿以偿。b a r t o n 他们对d p p z 进行了修饰取代，结果发现没有一个化合物能 象母体化合物那样能作为d n a 分子光开关。m u 印h y 等【_ 7 7 】将辅助配体换成n h 3 ， 发现配合物 r u ( n h 3 ) 4 d p p z 】2 + 的水溶液不管d n a 存在与否都不发光，其荧光始终 处于“沉睡”状态。我们f 7 8 】将辅助配体换成共扼平面更大的i p ，配合物 r u ( i p ) 2 d p p z 】 与d n a 的结合力虽然比母体化合物更强，但其水溶液仍有较弱荧光，该分子也 只能作为d n a 分子的荧光标签，a l b a n o 等【7 9 】曾合成出与d p p z 极相似的配体 c n 2 - n p 及n p ，然而它们的配合物 r u ( b p y ) 2 n p 】2 + 和 r u ( b p y ) 2 ( c n n p ) 2 + 的水溶液却 显示强烈的背景荧光，也不能作为d n a 分子光开关。 - 12 + 2 + 2 + r u ( b p y ) 2 d p p z 2 + r u ( b p y ) 2 n p 2 + r u ( p h e n ) 2 ( c n 2 n p ) 】2 + 2 + 2 + 昏n 堪n r u ( i p ) 2 d p p z 2 + r u ( p h e n ) 2 ( d i c n q ) ” r u ( p h e n ) 2 p h e h a t 2 + 9 2、j 下 p 中山大学2 0 0 9 届硕士学位论文 2 + 2 + n h o , n 、，m ，= = = 扩_ r u ( p h e n ) 2 ( q d p p z ) 2 + r u ( b p y ) 2 h n o i p 2 + 图1 4 钌多吡啶化合物的化学结构 m a i y a 等8 0 1 对d p p z 进行修饰，在其吡嗪环外侧接上一个电活性中心的酮，由 于醌在一定电压下可转化成氢醌，结果发现对配合物 r u ( p h e n ) 2 q d p p z 2 + 施以不同 的电压，其在c h ，c n h 2 0 溶液中的荧光出现有趣的“光开关”( o n o f f ) 现象。这也 是将电活性中心与光发射中心巧妙的组合在同一配合物分子中，由氧化一还原控 制荧光的闭合的“光一电开关”器件。他们在吡嗪环外侧加上两个一c n 基后，发 现配合物 r u ( p h e n ) 2 d i c n q 2 + 也可作为d n a 的光开关，不过荧光增强仍比另一光开 关化合物 r u ( p h e n ) 2 d p p z 】2 + 差。 另一化合物 r u ( p h e n ) 2 p h e h a t 2 + 也被报道具有d n a 分子光开关性能【8 1 1 ，但 在d n a 存在下，其发光量子产率太低，比起母体化合物 r u ( p h e n ) 2 d p p z 2 + 相形见 拙了。我们组 9 2 1 报道了另一新型具有d n a 分子光开关性能的配合物【r u ( b p y ) 2 ( h n o i p ) 2 + ，它在水溶液中没有荧光，但加入不同b 型d n a 后，配合物发出 了强烈的荧光，发光量子产率甚至大于母体化合物 r u ( b p y ) 2 d p p z 2 + ，荧光发射峰 位置随不同序列的d n a 而变化，从g c 序列的6 0 7n m 变化为a t 序列的6 1 5 n m 。该 化合物可灵敏检测水溶液中双链d n a 的存在与否，有望发展成为新型非放射性 核酸探针。 1 5 钌( i i ) 多吡啶配合物作为p h 发光传感器的研究进展 许多过渡金属离子如钌、稀土离子( e u 3 + ，坩+ 等) ，具有较长的荧光寿命， 但其荧光量子产率较低。利用共振能量转移原理，人们将这些金属离子与适当的 l o 中山大学2 0 0 9 届硕士学位论文 有机荧光体结合，发展了各种各样的金属配合物类长寿命p h 荧光探针。如有的 钌络合物【8 3 1 和稀土络合物【8 4 1 其寿命长达3 0 0 n s ，可分别用于p h6 8 和p h3 - - 8 范 围的p h 测定。以r u 的配合物作为敏感元件，还可制得具有不同p h 响应范围的 荧光传感器【8 5 】，如p r i c e 等【8 6 】制得了线性响应范围为p h2 - - 6 的传感器。 g r i g g 等【8 7 1 以【i u ( b p y ) 3 】2 + 为荧光基团，通过引入各种不同的具有离子结合位 点的官能团，设计、合成了一系列p h 发光传感器l a - g 。其中由于分子内光诱导 电子转移( i n t r a m o l e c u l a rp h o t o i n d u c e de l e c t r o nt r a n s f e r ) ，随着p h 值的降低，1 a 的 发光：l 卒灭，而l b - d 则发光增强；l e g 的发光焯灭则是由于处于激发态的配合物 中r u n 键光裂变( p h o t o f i s s i o n ) 所致。 ar = n m e p h br = n m e c 6 h 4 0 m e - 4 cr = n m e c 6 h 3 ( o m e ) 2 - 3 4 ，o 、 dr = e l n 6 er = n e t 2 fr = n ( c h 2 c h 2 0 h ) 2 gr = h ：o g r i g g 掣8 8 1 通过引入对叔丁基杯 4 】芳烃合成得到化合物2 a b 。他们发现由 于分子内光诱导电子转移，降低p h 值导致2 a 的发光：l 卒灭；但是在远端的羟基 处引入正丁基后，2 b 的发光不随p h 值的改变而改变，这主要是在远端的羟基处 引入正丁基能大大降低分子内光诱导电子转移速度，从而也大大减弱p h 值对化 合物发光的影响。 2 2 + ar = h br = n p r 加 一r勺【j弋一r遥 ，j 毋唱 中山大学2 0 0 9 届硕士学位论文 孙侍 b a r i g e l l e t t i 掣8 9 1 发现在化合物3 中，桥连配体远端未配位的n 原子质子化可 大大地延长化合物的发光寿命。室温- f r u ( t p y ) 2 + 的发光寿命很短，只有2 5 0p s ： 近年来有报道在t p y 的4 位引入吸电子基团可延长化合物的发光寿命，化合物3 中桥连配体远端未配位的n 原子质子化正是利用了这一点。 r 2 + 3 n a z e e r u d d i n 9 0 j 等合成了配合物4 ，他们发现随着p h 值的降低，配合物的最大 吸收波长和最大发射波长都红移，且荧光寿命也随之变小。红移是由于质子化后 降低了配体的最低空轨道( l u m o ) 的能量，导致m l c t 跃迁的能量降低。该配合 物的去质子化过程并不是连续的，因为只观察到了两个去质子化过程，其中 p k 咀l = 1 5 ，船3 ，它表明了吡啶环上的两个羧基的性质是不相等的。图1 5 简明 地表明了配合物4 的质子化及去质子化过程： r n n h s h s 4 c 0 0 h p k a l = 1 i5 s p k a 2 = 3 a l = = 图1 5 配合物4 的质子化及去质子化示意图 1 2 c 0 0 。 o o 。 o 汁 删 仪 盯吱 咖 盼 吱 中山大学2 0 0 9 届硕士学位论文孙待 x i e t 9 1 】等研究了以下三个配合物( 5 ，6 ，7 ) 随p h 值变化的性质，他们发现这三个 配合物随着p h 值的不同有两+ p c a 值，即有三种形态。通过测定不同p h 值下个 紫外可见吸收光谱可以得到基态的p j ，口值，通过测定不同p h 值下的荧光光谱可以 得到激发态下的p k 0 值，比较这两种状态下的蠲口值，可以发现激发态t 的p k a + 值大于基态的勖值，高的p 砌表明激发态时配合物的碱性更强，也即是激发态 时配体的电子密度大于基态时的电子密度。这是因为电子定域在了二羧基联吡啶 上，使得羧基上得电子密度增大，碱性增强。 5 2 +_ 2 + i i 6 2 + i 8 7 c o o h 2 + l 囝 三 i 囝 i 。c o o h 配合物5 【9 l 】的酸性比其它两种( 配合物6 【9 ，7 t 9 1 1 ) 的酸性都要强，这是因为 在配合物5 中存在着分子内的氢键，由于氢键的作用导致羧基上的电子密度减少， 酸性增强，配合物8 t 9 2 】也是利用了羧基的质子化一去质子化调控了配合物的荧光 性质。 s u h u a - f a n 9 1 9 3 1 等合成了化合物9 ，并使用紫外可见荧光p h 值滴定法对其进 行研究，发现化合物9 具有p h 传感光开关性质：在生理反应p h 值范围内，随着质 子化和去质子化的反应过程，化合物在5 3 0 n m ，4 7 0 n m 有激发。且其咪唑环附近 的咔唑基团有强的提供和传输电子能力，故可应用在光电导体阴】，光折变【9 5 1 ， 二阶非线性光学9 纠