硫化氢光声探针的设计及其构效关系_董雪梅.pdf
《硫化氢光声探针的设计及其构效关系_董雪梅.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《硫化氢光声探针的设计及其构效关系_董雪梅.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 第 39 卷第 1 期 化学反应工程与工艺 Vol 39,No 1 2023 年2 月 Chemical Reaction Engineering and Technology Feb.2023 收稿日期收稿日期:2022-05-13;修订日期修订日期:2023-01-10。作者简介作者简介:董雪梅(1997),女,博士;赵春常(1976),男,教授,通讯联系人。E-mail:。基金项目基金项目:国家自然科学基金(21874043)。文章编号:文章编号:10017631(2023)01005309 DOI:10.11730/j.issn.1001-7631.2023.01.0053.09 硫
2、化氢光声探针的设计硫化氢光声探针的设计及及其构效关系其构效关系 董雪梅,朱 凝,王荣晨,赵春常 华东理工大学化学与分子工程学院,精细化工研究所,上海 200237 摘要:摘要:分子探针的光谱性质与其本身的化学结构紧密相关,研究分子结构与光谱性能之间的关系对于理性设计性能优异的分子探针具有重要的指导意义。本工作以不对称氯代氟硼二吡咯染料为母体,通过 Knoevenagel反应引入了以喹啉盐为母体结构的吸电子基团,仅改变同一位置的不同取代基,分别设计合成了四个硫化氢分子探针(BOD-NO2,BOD-H,BOD-BOC 和 BOD-NH2),并对取代基变化产生的性能差异进行了系统的探究。结果表明:由
3、于不同喹啉盐取代基电子效应的变化,影响了其吸电子能力,从而引起探针与硫化氢反应性能的变化。这四个探针均能特异性检测硫化氢,而且随着取代基吸电子能力的增强,探针与硫化氢发生亲核取代反应的速率及程度增大,吸收光谱红移量增加,光声成像效果更加优异。通过对探针构效关系的研究,成功筛选出性能优良的光声探针 BOD-NO2,该探针能与硫化氢特异性响应,且响应速度快,选择性高,具有体内光声成像的应用潜力。本研究为硫化氢光声探针的设计提供了一种思路。关键词:关键词:硫化氢硫化氢 氯代氯代氟硼二吡咯氟硼二吡咯 分子分子探针探针 构效构效关系关系 中图分类号:中图分类号:O643.38 文献标识码:文献标识码:A
4、 光声(PA)成像作为一种新兴的非侵入性成像模式将光学激发和声学检测相结合,是基于“光进声出”原理的成像技术1-3,即利用近红外纳秒脉冲激光照射造影剂,光子被吸收后通过热弹性膨胀产生声波,然后对声波进行检测和处理以输出图像4。由于超声信号在生物组织中的散射较低,因此光声成像具有较高的组织穿透深度5-7。当前,相较于纳米复合材料在光声成像研究中的应用,基于有机小分子染料发展的 PA 探针由于操作简单、可重复性好等优势也受到了广泛的关注8-9。硫化氢气体分子是继一氧化碳、一氧化氮被公认的第三种气体信号分子10,参与许多的生理和病理过程,发挥重要的调节作用,如调节血管舒张、神经传导、心肌收缩、细胞凋
5、亡、炎症及胰岛素分泌等11-15,而且内源性硫化氢水平的异常与许多癌症的发生发展密切相关,因此发展具有高选择性且长期稳定的硫化氢分析方法,对于准确获取生物组织生理病理过程的动力学信息,以及精准区分复杂的肿瘤细胞机制具有重要的研究意义16。分子探针的光谱性质与其本身的化学结构息息相关。不同取代基的修饰对化合物分子的光物理性能具有很大的影响,利用不同取代基对生色团分子所产生的电子效应,可以有效调节 PA 探针分子的吸收和发光性能,从而获取高光子吸收和最小辐射衰减(量子产率)以提高探针的光声性能17-20,因此,研究分子结构与光谱性能之间的关系对指导合成和修饰各种光声性能优越的化合物具有重大意义。5
6、4 化学反应工程与工艺 2023年2月 氟硼二吡咯(BODIPY)作为常见的小分子有机染料,可用于构建检测内源性硫化氢的 PA 探 针21-22。本工作以不对称氯代氟硼二吡咯(BOD-CHO)染料中的氯元素作为硫化氢的反应位点,通过 Knoevenagel 反应,在同一位置引入四个以喹啉盐作为母体结构的不同吸电子基团,构建了四个硫化氢分子探针 BOD-NO2,BOD-H,BOD-BOC 和 BOD-NH2,研究了探针的构效关系,筛选出性能优良的光声探针。1 实验部分实验部分 1.1 分子探针分子探针的合成的合成 目标产物合成所涉及的化学药品以及溶剂均为分析纯级。所需要的干燥溶剂均为超干溶剂,层
7、析分离液采用二氯甲烷(DCM)与甲醇(MeOH)体积比(DCM:MeOH)为(1020):1 的混合液。合成反应式如下:(1)1.1.1 BOD-NO2的合成 将 BOD-CHO23(50 mg,0.13 mmol)和化合物 N-NO2(64 mg,0.19 mmol)溶于适量无水乙醇,加入 50 L 三氟乙酸后 90 回流反应 1.5 h。减压蒸馏除去溶剂,经柱层析分离(DCM:MeOH=15:1)得黑色固体 20 mg,产率为 22%。为了确定产物的结构,通过核磁共振氢谱(1H NMR)和高分辨质谱(HRMS)对化合物进行了表征,表征结果充分确定了目标产物的结构。产物1H NMR 400
8、MHz,氘代甲醇(CD3OD):9.13(d,J=4 Hz,1H),8.94(d,J=8 Hz,1H),8.79(m,1H),8.58(m,2H),8.07(d,J=16 Hz,1H),7.63(m,3H),7.59(d,J=16 Hz,1H),7.49(m,2H),7.01(s,1H),4.48(s,3H),2.65(s,3H),2.45(m,2H),1.53(s,3H),1.07(t,J=8 Hz,3H)。13C NMR(100 MHz,CD3OD):168.36,161.31,158.77,143.43,139.16,139.06,138.70,137.31,135.15,133.84,
9、131.95,128.17,124.82,119.95,115.32,38.62,28.70,21.69,15.87,12.10。HRMS(ESI,m/z):calculated for C31H27BClF2N4O2 M-I+571.188 4,found 571.189 4。1.1.2 BOD-H 的合成 将 BOD-CHO(50 mg,0.13 mmol)和化合物 N-H(73.56 mg,0.26 mmol)溶于适量甲苯,加入80 L 乙酸 120 加热回流 4 h。冷却,水洗,DCM 萃取,无水 Na2SO4干燥,过滤,减压蒸馏除去DCM,经柱层析提纯(DCM:MeOH=20:1)得
10、到黑色固体 25 mg,产率为 30%。通过 NMR 和 HRMS对化合物进行了表征,确定了产物的结构。产物1H NMR 400 MHz,氘代二甲基亚砜(d6-DMSO):8.97(d,J=8 Hz,1H),8.55(d,J=8 Hz,1H),8.49(d,J=8 Hz,1H),8.33(d,J=8 Hz,1H),8.16(m,1H),7.93(t,J=8 Hz,1H),7.85(d,J=16 Hz,1H),7.66(m,4H),7.53(m,2H),7.11(s,1H),4.43(s,3H),2.65第39 卷第1 期 董雪梅等.硫化氢光声探针的设计及其构效关系 55(s,3H),2.42(
11、m,2H),1.43(s,3H),1.10(t,J=6 Hz,3H)。13C NMR(100 MHz,d6-DMSO):167.55,155.87,143.62,138.97,133.26,127.48,124.15,124.06,122.97,121.06,120.93,119.04,118.08,34.12,30.98,29.67,16.32,13.54。HRMS(ESI,m/z):calculated for C31H28BClF2N3 M-I+525.206 9,found 525.206 8。1.1.3 BOD-BOC 的合成 将 BOD-CHO(50 mg,0.13 mmol)和化
12、合物 N-BOC(103 mg,0.26 mmol)溶于 10 mL 甲苯中,向其中加入 74 L 乙酸,120 加热回流 4 h。冷却至室温,水洗,DCM 萃取,无水 Na2SO4干燥,过滤,减压蒸馏除去 DCM,经柱层析纯化(DCM:MeOH=15:1)得到黑色固体 30 mg,产率为 30%。采用 NMR 和 HRMS 对合成化合物进行了表征,表征结果充分确定了目标产物的结构。产物1H NMR(400 MHz,d6-DMSO):10.17(s,1H),8.89(d,J=8 Hz,1H),8.45(m,3H),7.99(dd,1H),7.73(d,J=16 Hz,1H),7.65(m,3H
13、),7.54(m,2H),7.39(m,1H),7.07(s,1H),4.38(s,3H),2.64(s,3H),2.41(m,2H),1.53(s,9H),1.42(s,3H),1.00(t,J=8 Hz,3H)。13C NMR(100 MHz,d6-DMSO):167.30,153.40,152.46,146.94,146.83,139.59,134.46,128.73,126.43,124.05,120.97,118.00,114.07,80.18,30.98,29.67,28.83,27.85,21.90,16.32,13.54。HRMS(ESI,m/z):calculated for
14、 C36H37BClF2N4O2 M-I+641.266 6,found 641.267 2。1.1.4 BOD-NH2的合成 将 BOD-CHO(50 mg,0.13 mmol)和化合物 N-BOC(103 mg,0.26 mmol)溶于适量甲苯,加入 45 mg 对甲苯磺酸 120 加热回流 4 h。冷却至室温,水洗,DCM 萃取,无水 Na2SO4干燥,过滤,减压蒸馏除去 DCM,利用柱层析纯化(DCM:MeOH=10:1)得到黑色固体 20 mg,产率为 23%。采用NMR 和 HRMS 对化合物进行了表征,确定了目标产物的结构。产物1H NMR(400 MHz,d6-DMSO):8.
15、55(d,J=8 Hz,1H),8.21(m,2H),7.63(m,3H),7.57(d,J=2.4 Hz,2H),7.53(m,2H),7.46(m,1H),7.06(d,J=2.4 Hz,1H),7.02(s,1H),4.32(s,3H),2.64(s,3H),2.41(m,2H),1.42(s,3H),1.00(t,J=8 Hz,3H)。13C NMR(100 MHz,d6-DMSO):166.90,149.14,143.38,138.20,132.02,130.12,128.72,123.17,120.46,120.03,118.40,105.98,30.98,29.67,28.83,
16、16.31,13.57,11.95。HRMS(ESI,m/z):calculated for C31H29BClF2N4 M-I+541.214 2,found 541.214 7。1.2 BOD-R 探针的表征探针的表征以及对以及对硫化氢硫化氢响应性能测试响应性能测试 BOD-R 探针的核磁共振谱图采用 Bruker AV-400 核磁共振波谱仪测定;高分辨质谱采用 Waters LCT Premier 质谱仪测定。探针与硫化氢响应的光学测试、探针的特异性响应以及探针的 pH 效应测试都是采用 Varian Cary 50 紫外分光光度计表征。将 BOD-R 探针溶解在二甲基亚砜(DMSO)
17、中配置成浓度为 10 mmol/L 的浓溶液,移取 3 L 探针浓溶液(10 mmol/L)加入装有 3 mL 缓冲液(乙腈与磷酸缓冲盐溶液的体积比为 1:1,pH 值为 7.4)的比色皿中,使得探针的最终浓度为 10 mol/L,再移取 3 L 浓度为 100 mmol/L的 NaHS 溶液加入上述比色皿中,NaHS 的最终浓度为 100 mol/L。将比色皿放入恒温摇床中(37,频率为 120 次/min),测定 37 下 BOD-R 探针与 NaHS 响应的紫外吸收光谱随时间变化。56 化学反应工程与工艺 2023年2月 BOD-R探针与硫化氢响应的光声成像性能采用德国iTheraMed
18、ical MSOT 128光声成像系统测定。在装有 3 mL 缓冲液的比色皿中加入 24 L 的 BOD-R 探针浓溶液(10 mmol/L),得探针的最终浓度为80 mol/L,再移取 3 L 的 NaHS 溶液(100 mmol/L)加入上述比色皿中,在 37 下进行反应。同时测定其吸收光谱。780 nm 激发下,测试了探针在有无 NaHS 存在条件下的光声信号。2 结果与讨论结果与讨论 2.1 四种探针四种探针与与硫化氢硫化氢响应的光响应的光学学性能性能 首先测定了四种探针在缓冲液中与硫化氢响应的吸收光谱变化,结果如图 1 所示。由图 1 可见,四种探针对应540 nm左右的吸收强度随时
19、间的增加而下降,同时在780 nm左右出现一个新的吸收峰,且峰强度随着时间的增加而显著升高,表明了硫化氢可以有效触发探针的光谱变化。另外,BOD-NO2,BOD-H,BOD-BOC,BOD-NH2探针与 NaHS 响应的吸收光谱变化分别在 30,150,120 和 180 min时趋于平稳。由此可知,由于电子受体喹啉盐的取代基的吸电子能力依次减弱(NO2,H,BOC,NH2),使得喹啉盐基团的吸电子能力依次减弱,进而使探针与硫化氢的亲核取代反应速率及程度依次减弱。同时也表明了利用取代基电子效应的变化可以有效调控探针与硫化氢的响应性能及光谱变化,从而获得理想的硫化氢探针。500600700800
20、9001000(a)BOD-NO2 Wavelength/nmT/min 0 0.5 1 2 3 5 10 15 20 30 500600700800900(b)BOD-H Wavelength/nmT/min 0 3 10 20 30 45 60 90 120 150 500600700800900(c)BOD-BOC Wavelength/nmT/min 0 5 10 20 30 45 60 75 90 120 500600700800900(d)BOD-NH2 Wavelength/nmT/min 0 5 15 30 45 60 90 120 150 180 图 1 BOD-R(10 m
21、ol/L)与硫化氢(100 mol/L)在 CH3CN/PBS 体系中的吸收光谱响应 Fig.1 Absorption spectral responses of BOD-R(10 mol/L)and H2S(100 mol/L)in CH3CN/PBS 2.2 四种探针四种探针与与硫化氢硫化氢响应的机理响应的机理 探针与硫化氢作用的机理是利用硫化氢的强亲核能力与探针分子上氯原子进行芳香亲核取代反应,见式(2)。此外,具有不同取代基的喹啉基团通过亚乙烯连接基团与 BOD 母体连接,使氯原子与硫化氢更易发生芳香亲核取代反应,生成对应的硫醇产物,并产生相应的光学变化。探针与硫化氢第39 卷第1 期
22、 董雪梅等.硫化氢光声探针的设计及其构效关系 57 之间的芳香亲核取代反应机理可通过图 2 所示的高分辨质谱的表征得到验证。(2)(a)(b)(c)58 化学反应工程与工艺 2023年2月 (d)图 2 探针与硫化氢反应机制的高分辨质谱表征 Fig.2 High-resolution mass spectrometry characterization of the reaction mechanism between the probe and H2S 2.3 四种探针四种探针的的特异性响应特异性响应 探针对分析物的特异性响应(即选择性)是衡量探针是否具有优良性质的重要指标。实验测试了常见干
23、扰物质对硫化氢响应的影响,结果如图 3 所示。1 2 3 4 5 6 7 8 91011121314151617181920absorption at 778 nm(a)BOD-NO2 (1)free;(2)F-;(3)Cl-;(4)Br-;(5)I-;(6)N3-;(7)NO2-;(8)NO3-;(9)AcO-;(10)HCO3-;(11)HPO42-;(12)H2PO4-;(13)S2O42-;(14)S2O32-;(15)SO42-;(16)SO32-;(17)GSH;(18)Hcy;(19)Cys;(20)NaHS 1 2 3 4 5 6 7 8 9101112131415161718
24、1920absorption at 703 nm(b)BOD-H (1)free;(2)F-;(3)Cl-;(4)Br-;(5)I-;(6)N3-;(7)NO2-;(8)NO3-;(9)AcO-;(10)HCO3-;(11)HPO42-;(12)H2PO4-;(13)S2O42-;(14)S2O32-;(15)SO42-;(16)SO32-;(17)GSH;(18)Hcy;(19)Cys;(20)NaHS 1 2 3 4 5 6 7 8 91011121314151617181920absorption at 698 nm(c)BOD-BOC (1)free;(2)F-;(3)Cl-;(4)B
25、r-;(5)I-;(6)N3-;(7)NO2-;(8)NO3-;(9)AcO-;(10)HCO3-;(11)HPO42-;(12)H2PO4-;(13)S2O42-;(14)S2O32-;(15)SO42-;(16)SO32-;(17)GSH;(18)Hcy;(19)Cys;(20)NaHS 1 2 3 4 5 6 7 8 91011121314151617181920absorption at 687 nm(d)BOD-NH2 (1)free;(2)F-;(3)Cl-;(4)Br-;(5)I-;(6)N3-;(7)NO2-;(8)NO3-;(9)AcO-;(10)HCO3-;(11)HPO4
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 硫化氢 探针 设计 及其 关系 董雪梅
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。