【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）對稱橋環(huán)Cy7的制備與性能研究摘 要 菁染料因摩爾消光系數(shù)大、熒光量子產(chǎn)率高、最大吸收波長可調(diào)諧范圍大等特點，在生物熒光分析、染料敏化太陽能電池和紅外激光染料等領(lǐng)域中得到廣泛應用。本文在其共軛多甲川鏈上引入中位含氯六元剛性橋環(huán)，設(shè)計合成了對稱橋環(huán)七甲川吲哚菁染料。在綜述菁染料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應用的基礎(chǔ)上，以對氨基苯磺酸為原料，經(jīng)過重氮化、還原、與3甲基2丁酮反應，再通過對氯甲基苯甲酸季銨鹽化等制得染料中間體。以環(huán)己酮、三氯氧磷、DMF為原料制備了縮合劑，以合成的中間體和縮合劑為原料，按摩爾比為2:1，室溫下采用一步法合成得到了新型對稱橋環(huán)七甲川吲哚菁染料。采用薄層色譜和柱色譜法對產(chǎn)品進行了分離提純，最佳洗脫劑配比為二氯甲烷：無水甲醇=：2；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)經(jīng)質(zhì)譜、高效液相色譜檢測得到了初步確認；經(jīng)熒光光譜和紫外可見光譜檢測，對稱七甲川吲哚菁染料的最大紫外吸收波長為776 nm，最大熒光發(fā)射波長為801 nm。關(guān)鍵詞 對稱七甲川吲哚菁染料；中間體；縮合劑；分離；光譜性能AbstractCyanine dyes have a relatively large molar extinction coefficient, high fluorescence quantum yield, wide tunable range in the maximum absorption wavelength, and have been widely used in fluorescence detection for biomass, dye sensitized solar cell and infrared laser. In this paper, symmetrical heptamethine 3Hindocyanine was designed and synthesized by introducing a rigid ring with chlorine into the polymethine chain.On the basis of summarizing the structures, properties and applications of cyanine dyes, dye intermediate was synthesized from 4aminobenzene sulfonic acid, methyl isopropyl ketone and pchloromethyl benzoic acid by diazoreaction, reduction, and other reactions. Condensing agent was synthesized from cyclohexanone, phosphorus oxychloride and DMF. Symmetric heptamethine indocyanine dye who has a sixring with chlorine was got from the intermediate and condensing agent (2:1) by onestep. Product was separated and analylized by thinlayer chromatography and column chromatography. The best ratio of the fluent was methanol : dichlorine methanol = : 2 The product was primarily confirmed by mass spectrometry and highperformance liquid chromatography. The maximum UV absorption wavelength of symmetric heptamethine indocyanine dye was 776nm, and the maximum fluorescence emission wavelength was 801nm.Keywords symmetric heptamethine indocyanine dyes。 dye intermediate。 Condensing。 separation 。 spectral properties 目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 菁染料 1 前言 1 菁染料的結(jié)構(gòu) 2 菁染料的應用進展 2 七甲川吲哚菁染料 5 七甲川吲哚菁染料的概述 5 七甲川吲哚菁染料的結(jié)構(gòu) 6 七甲川吲哚菁染料的合成進展 7 七甲川吲哚菁染料的性能 8 七甲川吲哚菁染料的分離類型 10 影響七甲川吲哚菁染料的光穩(wěn)定因素 11 七甲川吲哚菁染料的氧化機理 11 增加菁染料穩(wěn)定性的途徑 12第2章 實驗部分 15 實驗儀器及藥品 15 實驗儀器 15 實驗藥品 15 染料中間體的制備 15 染料中間體的合成路線 15 染料中間體的合成預處理 16 染料中間體的合成方法 17 縮合劑的制備 18 對稱橋環(huán)Cy7的制備 19 對稱橋環(huán)七甲川吲哚菁染料的結(jié)構(gòu) 19 對稱橋環(huán)七甲川吲哚菁染料的合成 19 對稱橋環(huán)Cy7的分離 20 TLC分離 20 柱色譜分離 21 本章小結(jié) 21第3章 結(jié)果與討論 22 縮合劑的制備工藝探討 22 原料的預處理 22 三氯氧磷、環(huán)己酮的滴加速度 22 染料中間體的制備工藝探討 22 對氨基苯磺酸制備重氮鹽 22 重氮鹽還原制備對肼基苯磺酸 23 2,3,3三甲基3H吲哚啉5磺酸的合成 24 2,3,3三甲基3H吲哚啉5磺酸鉀的合成 24 N對羧芐基3H吲哚啉5磺酸鉀的合成 25 對稱橋環(huán)Cy7的合成探討 25 產(chǎn)品的分離及結(jié)構(gòu)表征 26 目標產(chǎn)品的薄層色譜分離 26 洗脫劑的最佳配比 26 柱色譜分離 27 對稱Cy7高效液相色譜分析 27 對稱Cy7質(zhì)譜分析 28 對稱橋環(huán)Cy7的合成探討 28 對稱Cy7熒光發(fā)射光譜分析 28 對稱Cy7紫外可見光譜分析 29 本章小結(jié) 30結(jié)論 31參考文獻 32致謝 34附錄1 35附錄2 39附錄3 43附錄4 52第1章 緒論1856年Williamsf發(fā)現(xiàn)了菁染料（亦稱花菁），十七年后，Vogel發(fā)現(xiàn)該染料具有異常靈敏的感光能力，從此菁染料逐漸在照相感光及其它高技術(shù)領(lǐng)域的應用中占據(jù)了重要地位，得到迅猛發(fā)展。菁染料因具有較大的摩爾消光系數(shù)，相對較高的穩(wěn)定性，反射率高，溶解性好，導熱率小，熔點低，最大吸收波長可調(diào)諧范圍大等特點，而具有多種功能和用途，已被廣泛應用于生物熒光檢測分析[1]、電子照相、LB膜、光學非線性材料、紅外激光染料[2]以及光盤記錄介質(zhì)等方面，有著廣闊的開發(fā)和應用前景，目前已成為現(xiàn)代光盤商品化染料DNA、蛋白質(zhì)、核酸等檢測商品化熒光探針的主要品種。但其光穩(wěn)定性不太理想，在氧的存在下，很容易發(fā)生光氧化反應，且吸收波段越長，染料的穩(wěn)定性越差，這已成為影響菁染料廣泛應用的主要因素。因此，研究并提高菁染料的光穩(wěn)定性具有十分重要的意義。 菁染料 前言菁染料的研究已經(jīng)有一百多年的歷史，早期最重要的用途是作為光譜增感劑應用于鹵化銀照相乳劑中，擴大鹵化銀微粒的感光范圍提高感光度。菁染料是指發(fā)色團共軛體系兩端建立在NN原子間的脒離子插烯物，而且兩個氮原子及部分多甲川鏈為雜環(huán)核的組成部分。由于共軛鏈的結(jié)構(gòu)特點，菁染料分子可修飾性強、吸光系數(shù)高、吸收波長可調(diào)范圍大，早期其最重要的用途是作為增感劑應用于鹵化銀照相乳劑中，擴大鹵化銀的感光范圍并提高感光能力。由于這類染料易在光及酸存在下褪色，因此并不常用于染色目的，而是廣泛應用于其它光學技術(shù)領(lǐng)域。近年來，菁染料及其衍生物作為新型光存儲介質(zhì)在有機型存儲光盤中得以廣泛應用，尤其是隨著光存儲技術(shù)的飛速發(fā)展，研究新的、性能更高的作為光盤存儲介質(zhì)的菁染料成為開發(fā)新的光盤存儲技術(shù)的關(guān)鍵與核心[3]。同時，菁染料具有的熒光特性被廣泛應用于生物大分子熒光標記，從而有力的促進了生物分析技術(shù)的發(fā)展。菁染料的種類繁多，本文主要是研究吲哚菁染料的。 菁染料的一般結(jié)構(gòu)是分子兩端含有兩個氮原子中心，其中一端帶有正電荷的氮原子通過共軛鏈烯烴，與另一端的氮原子相連，形成通過共軛鏈烯烴“推拉”電子的骨架結(jié)構(gòu)，共軛鏈一般由奇數(shù)個碳原子組成。根據(jù)菁染料母體中共軛亞甲基鏈單元所帶電荷特點，將染料分以下幾種(圖11)：(1)陽離子亞甲基鏈菁型、半菁型染料，(2)陰離子亞甲基鏈染料，(3)中性亞甲基鏈份菁染料，(4)兩性離子方酸菁染料。其中菁型、份菁和酸菁染料具有各種不同的顏色，但由于染料在日光或酸的作用下易褪色，故一般不用染色。菁染料具有較穩(wěn)定的全反式構(gòu)型，有時染料發(fā)生光異構(gòu)化，一般通過閃光光解技術(shù)、瞬態(tài)吸收及皮秒時間分辨光譜來研究染料構(gòu)型的變化[4]。圖11 菁染料結(jié)構(gòu)通式 菁染料的應用進展 在光學技術(shù)領(lǐng)域中的應用1873年伏杰爾首先發(fā)現(xiàn)菁染料可以起到增感作用，由此菁染料成為主要的增感染料品種。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，菁染料逐漸在照相感光及其它高新技術(shù)領(lǐng)域的應用中占據(jù)了重要地位。吲哚類菁染料屬于陽離子型增感劑，陽離子的平面性質(zhì)決定了染料良好的增感效果。短鏈染料在綠光區(qū)增感，長鏈染料在紅光區(qū)域內(nèi)增感。七甲川吲哚菁染料是一類性能優(yōu)良的紅外膠片光譜增感染料[5]。吲哚五甲川菁染料在鹵化銀乳劑中光譜增感效果較差，較少用于感光材料的光譜增感。 近年來，菁染料及其衍生物作為新型光存儲介質(zhì)在有機型存儲光盤中得以廣泛應用。光存儲介質(zhì)是發(fā)展信息光存儲技術(shù)的核心和關(guān)鍵，開拓性能優(yōu)良的有機光存儲介質(zhì)一直是人們關(guān)注的問題。菁染料作為有機光學記錄介質(zhì)的應用研究越來越受到重視，并得到實際應用。其中，含苯并吲哚環(huán)的菁染料及其衍生物與其它可用作記錄介質(zhì)的有機染料相比，能夠高度吸收近紅外光，具有強反射性、吸收波長可調(diào)諧范圍大、反射率高、摩爾消光系數(shù)大、信噪比較高、在有機溶劑中溶解度較大及可方便地采用旋涂制膜等優(yōu)點，使它作為有機光記錄介質(zhì)的應用研究越來越受到人們的普遍關(guān)注。因此，菁染料在光信息存儲技術(shù)中作為記錄介質(zhì)具有廣闊的應用前景，一直是開發(fā)有機光記錄材料的科學家研究的重點。華東理工大學開發(fā)的可錄式激光光盤專用染料：苯并吲哚五甲川菁染料其性能已達到國內(nèi)外同類水平等研究者經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)一系列苯并吲哚菁染料是一種高密度的光記錄材料，其最大吸收波長在 500650nm，且化學性質(zhì)穩(wěn)定，在有機溶劑中溶解性能好。Liao等人采用兩種菁染料復配，作為高密度的光記錄介質(zhì)，取得了滿意的結(jié)果。 在太陽能電池中的應用光電轉(zhuǎn)換材料中最具吸引力的是太陽能電池。20世紀90年代發(fā)展起來的染料敏化納米晶太陽能電池，具有許多硅太陽能電池所不具有的優(yōu)點，因此成為該領(lǐng)域里的研究熱點?？蒲泄ぷ髡咄ㄟ^對各種各樣的有機染料和半導體聚合物進行研究發(fā)現(xiàn)：染料的最大吸收波長幾乎涵蓋了可見光的全部范圍，材料選擇余地大，易達到價廉的目標。1991年，Gratzel等研究了染料敏化納米二氧化鈦薄膜太陽能光電池，其光電轉(zhuǎn)換效率達10%以上，從而開始了世界范圍內(nèi)對染料敏化寬帶半導體太陽能薄膜電池的研究熱潮。此外，為充分利用有機染料的波譜范圍，可將兩種或多種具有不同光譜響應的有機染料組合形成雙層結(jié)構(gòu)涂敷在電極上，形成有機固態(tài)異質(zhì)的太陽能電池，如張莉等[4]構(gòu)造了由n型多層的兩種不同的染料和p型無金屬酞菁組成的有機pn異質(zhì)的太陽能電池，其吸收光覆蓋了400 nm～900 nm波長的可見光，使光電池從單層染料電池的幾微安增大到幾百微安，電池填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率也顯著提高。 在生物分析領(lǐng)域的應用菁染料在生物大分子標記中的應用近年來發(fā)展極為迅速，熒光染料是一種廣泛使用的熒光探針，已逐步取代具有放射性危害的同位素標記法，成為分子生物學和生命科學發(fā)展史上的一個里程碑。生物熒光探針應滿足如下條件：(1)摩爾消光系數(shù)大；(2)熒光量子產(chǎn)率高；(3)較好的穩(wěn)定性和溶解性；(4)與生物基質(zhì)結(jié)合后熒光增強，殘余物及副產(chǎn)物易于除去；(5)熒光與背景對比明顯；(6)標示反應條件溫和；(7)安全無毒。王麗秋等[6]發(fā)現(xiàn)一系列多甲川吲哚菁染料在近紅外區(qū)具有熒光吸收，可以用作標記生物大分子，如DNA序列、氨基酸、低聚肽、蛋白質(zhì)、類脂和糖作熒光標記；同時研究還表明該類染料可作為診斷劑的活性成份和激光治療癌癥的藥物成份。菁染料作為熒光探針與現(xiàn)有的其它熒光標記試劑如羅丹明、熒光素等相比更具優(yōu)越性：第一，菁染料類型眾多，具有很大的可比性及選擇性；第二，大多數(shù)菁染料及其衍生物的熒光較強；第三，菁染料具有相對高的光穩(wěn)定性，不會在熒光顯微鏡下迅速猝滅；第四，菁染料可作為簡單有效的偶合試劑；第五，菁染料類型多樣，通過結(jié)構(gòu)的改變可使試劑具有不同的水溶性，而且所帶電荷也可改變；第六，菁染料的分子量相對較小(約1000)，這樣就不會對被標記分子的連接與功能產(chǎn)生位阻效應。菁染料類熒光探針的應用正日漸擴大，已被廣泛應用于各種生物分析技術(shù)，包括生物大分子的定量測定、DNA測序、熒光免疫分析檢測及原位熒光雜交技術(shù)等[7]。 測量痕量離子和分子痕量無機離子和分子的測量般用分光光度法，雖然它操作簡單、靈敏、準確，但當所測的物質(zhì)處于復雜體系時，基于較短波長的光度法極易受到背景的干擾具有較大摩爾吸光系數(shù)的近紅外功能菁染料則利用較長波段，可以最大限度地排除這些干擾。功能菁染料與所測物質(zhì)的作用方式可分為兩類：一類是絡(luò)合機制，這類功能染料往往含有大環(huán)醚結(jié)構(gòu)的功能基團，它可與對應的金屬離子絡(luò)合，從而改變功能菁染料的光譜性質(zhì)，此方法可在無傷害、 181。mol/L濃度的鈣離子