罗丹明染料的合成及光谱性能研究

【前言】罗丹明染料的合成及光谱性能研究由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。(Key Laboratory of Ethnic Medicine Resources Chemistry,State Ethnic Affairs Commission & Ministry of Education,School of Chemistry and Biotechnology,Yunnan University of Nationalities, Kunming 650031, China) Abstract: Rhodamine derivatives were syn...

摘要: 以带羧基、甲基的苯甲醛以及Ｎ,Ｎ-二乙基间氨基苯酚为原料,合成了罗丹明荧光染料,经酸催化缩合得到目标产物.该法避免了常规合成方法中5-位和6-位异构体混合物的产生， 减少了繁琐的分离纯化工序, 获得了单一的产物，从而降低了制备成本.光谱性能测试的结果表明，通过该方法合成出的化合物，其摩尔消光系数在不同溶剂中保持稳定，使化合物对溶剂环境的依赖性大大降低，这是由于该方法合成的罗丹明染料无异构体生成，因此没有醌式和内脂式的互变.[JP]

关键词: 合成；光谱性能；罗丹明荧光染料；Ｎ,Ｎ-二乙基间氨基苯酚；苯甲醛

中图分类号:TQ 613 文献标志码:A 文章编号:1672-8513(2011)03-0213-04

The Synthesis of Rhodamine Dyes and Their Spectral Effects

WANG Jiong, ZHANG Lizhu, YANG Qinjing, HU Jun

(Key Laboratory of Ethnic Medicine Resources Chemistry,State Ethnic Affairs Commission & Ministry of Education,School of Chemistry and Biotechnology,Yunnan University of Nationalities, Kunming 650031, China)

Abstract: Rhodamine derivatives were synthesized with benzaldehyde instead of acidanhydride as raw materials. The normal rhodamine dyes were synthesized by 3-diethylaminophenol and isobenzofuran-1,3-dione, but this synthesis process was burdensome and the process of separation and purification was difficult. The product of the novel synthesis method was sole, avoiding the production of 5 and 6 isomer mixture in the normal synthesis process of rhodamine dyes so that the burdensome processes of separation and purification were greatly reduced, and the cost of production was saved. The synthesis of the two rhodamine derivatives was convenient and the yield was satisfactory. The results of spectrum properties show the extinction coefficients remaining stable in different solutions, because products from this synthesis method have no 5 isomers and transform between quinone form and spirolactam form. So the products are insensitive to the environment.

Key words: synthesis;spectrum properties;Rhodamine dyes;N，Ndiethylamionphenol;benzaldehyde

用N-烷基-m-氨基酚与过量的邻苯二甲酸酐熔化缩合制得罗丹明染料是传统的合成方法［1］，邻苯二甲酸酐通常以2.0~2.5倍的理论用量来保证一定的产率, 并在后处理过程中采用碱溶液除去这些过量的酸酐，但这一操作并不合适，因过量的酸酐很难完全除去，一般需要几天的操作.如果降低酸酐的用量，这时反应过程中的邻苯二甲酸酐和N-烷基-m-氨基酚又不能保持熔融状态，反应结束后生成的副产物增加，在后处理时产生较多的排放废物，同时反应过程操作困难，产率降低.此外，用邻苯二甲酸酐与间氨基酚反应的传统方法生成的是5-位和6-位取代基的罗丹明异构体混合物［2］.目前，这类5-位和6-位取代基异构体大多采用色谱方法进行分离，该方法除了要求较高的成本外，还只能得到毫克级的产品，难于批量制备.

大连理工大学彭孝军等通过研究发现，要得到纯的罗丹明荧光染料可以利用醛代替酸酐来合成［3-4］，这是一种低成本，产率较高的简便方法.本文作者在原有的研究基础上，以N,N-二乙基间氨基苯酚为原料，分别与对羧基苯甲醛，对甲基苯甲醛反应，在酸催化条件下合成了2种罗丹明类荧光染料［4-5］.该合成方法是醛代替酸酐方法的进一步的拓展，这种合成方法操作简便，获得单一的产物，产率优良.同时避免了通常合成中产生的5-位和6-位羧基异构体的罗丹明染料混合产物，降低了制备成本，减少了繁琐的分离纯化步骤，为进一步的应用奠定了基础.经光谱性能的测试结果表明，由于没有醌式和内脂式的互变，使其摩尔消光系数在不同溶剂中保持稳定，对溶剂环境的依赖性也大大降低，为研究罗丹明染料在不同溶剂中的光学性能提供了一个理想的方法.

1 实验部分

1.1 实验仪器与试剂

实验仪器型号和采用的试剂分别如下：采用油浴加热、DKW-Ⅲ型电子节能温控仪、DCG-C型多功能磁力搅拌器、触点温度计(（0~300）±1℃)、HP1100高效液相质谱仪、Varian INOVA400 MHz(TMS为内标)核磁共振仪.原料N,N-二乙基-间-氨基酚、对（羧基，甲基）苯甲醛购于国内厂家，浓硫酸、氢氧化钾、氯化钠、二氯甲烷、甲醇、冰乙酸等均为国内供应的分析纯试剂.

1.2 合成路线

合成路线如图1所示：

1.3 实验操作

1.3.1 对羧基四乙基罗丹明的合成

在250mL容积的三口烧瓶中加入55mL浓硫酸和40mL的水配成的硫酸水溶液，之后将对羧基苯甲醛粉末5.472g（36.44mmol）分多次加入烧瓶中，开始升温后加入12.12g（71.70mmol）N，N-二乙基氨基酚（经研磨）的细小颗粒，2h内加完, 氩气保护,升温至180℃，回流18h.停止加热，混合物冷却至室温，转移至烧杯中，冰水浴中冷却至0~5℃，加入60%的KOH水溶液搅拌下逐渐中和至pH＝7，生成沉淀，减压过滤，水洗3次,干燥后得紫色粗品.之后将得到的粗产品溶于无水乙醇（200mL）中，抽滤，除去无机盐，滤渣以无水乙醇洗3次（3×25mL）,合并滤液，减压蒸除乙醇，得到紫色固体.选用硅胶柱层析分离提纯目标产物，以CH2Cl2∶CH3OH=100∶7为展开剂洗脱，减压蒸馏后得到较纯的产品.之后用乙酸乙脂和甲醇重结晶后得到11.48g 橘红色的最终产物,收率72%.

1.3.2 对甲基四乙基罗丹明的合成

[JP2]合成方法与前法类似，在250mL容积的三口烧瓶中加入55mL浓硫酸和40mL的水配成的硫酸水溶液，之后将对甲基苯甲醛粉末5.37g（44.73mmol）分多次加入烧瓶中，开始升温后加入15.27g（89.46mmol）N，N-二乙基氨基酚（经研磨）的细小颗粒，2h内加完, 氩气保护,升温至180℃，回流18h.停止加热，混合物冷却至室温，转移至烧杯中，冰水浴中冷却至0~5℃，加入60%的KOH水溶液搅拌下逐渐中和至pH＝7，生成沉淀，减压过滤，水洗3次,干燥后得紫色粗品.之后将得到的粗产品溶于无水乙醇（200mL）中，抽滤，除去无机盐，滤渣以无水乙醇洗3次（3×25mL）,合并滤液，减压蒸除乙醇，得到紫色固体.选用硅胶柱层析分离提纯目标产物，以CH2Cl2∶CH3OH=100∶5为展开剂洗脱，减压蒸馏后得到较纯的产品.之后用乙酸乙脂和甲醇重结晶后得到11.48g 橙红色的最终产物.收率62%.[JP]

1.4 吸收和荧光光谱测定

染料的相对荧光量子产率Φ是以进口高级纯染料罗丹明B为参照测得的.方法是采用真空干燥染料后，在万分之一天平上精确称量样品，配成质量浓度（g/mL）为1×10-3的甲醇溶液，在冰箱中(0~4℃)保存备用.测试准备时，先取5μL此原溶液于5mL茶色容量瓶中，在真空干燥箱50℃烘干甲醇.之后用不同溶剂稀释至刻度，即得到用于吸收光谱和荧光光谱的测试用质量浓度（g/mL）为1×10-6M的染料溶液.

2 结果与讨论

2.1 合成工艺的优化

为了获得较纯的反应产物，使用的工业原料N,N-二乙基氨基酚和对（羧基，甲基）苯甲醛在反应前最好经过精制，精制方法为采用甲醇对N,N-二乙基氨基酚进行重结晶，而对羧基苯甲醛的重结晶则用80 %的乙醇/水溶液可以获得较好的效果.提纯目标产物选用硅胶柱层析分离，由于目标产物1a中含有羧基，有“拖尾”现象，在用展开剂洗脱时，可在展开剂中加入1mL醋酸避免.

2.2 质谱与核磁共振氢谱分析

质谱采用HP1100高效液相质谱仪、核磁共振氢谱由Varian INOVA400 MHz核磁共振仪测定，TMS为内标.化合物1a采用DMSO做溶剂，对1a的1H NMR分析发现，δ：8.115(d, J=8Hz, 2H) 归属为苯环上靠近羧基处的2个氢，δ：7.4159(d, J=8Hz, 2H)为苯环上靠近氧杂蒽处的2个氢，δ：7.305(d, J=8Hz, 2H), δ：7.157(d, J=8Hz, 2H), δ：6.971(s, 2H) 为氧杂蒽环上的6个氢，δ：3.646(q, J=8 Hz, 8H) 为N,N-二乙基氨基上的亚甲基氢，δ：1.213( t, J= 8Hz, 12H)为甲基氢，质谱的［M+H］+峰位于443处.

化合物1b采用CDCl3做溶剂，对1a的1H NMR分析发现，δ：8.219(d, 2H) 归属为苯环上靠近甲基处的2个氢，δ：7.494(d, 2H,) 为苯环上靠近氧杂蒽处的2个氢，δ：7.375(d, 2H), δ：7.151(d, 1H), δ：6.830(d, 1H), δ：6.719(s, 2H) 为氧杂蒽环上的6个氢，δ：3.603(q, 8H) 为N,N-二乙基氨基上的亚甲基氢，δ：1.213( t, 12H) 为甲基氢，δ：2.95(s, 3H)为连接苯环的甲基氢,质谱的［M+H］+峰位于413处.

2.3 染料的光谱性能

由于罗丹明染料分子结构的不同以及溶剂环境因素的影响，一直以来，罗丹明染料在溶剂中的光学性能是一个受到广泛研究的课题.然而，至今仍找不到一个能清楚说明各自染料本身不同性能的方法［6］. 以罗丹明B为例，由于溶剂环境的不同，其光物理和光谱特性将呈现完全不同的特点.在溶剂中罗丹明B以3种不同的分子结构形式存在：在疏质子溶剂中则为内脂结构，在质子溶剂中以两性离子和阳离子的形式存在.而由酸酐合成出的罗丹明染料更是对光谱测试的溶剂环境敏感，[JP2]不同溶剂使得染料的摩尔消光系数和荧光量子产率都发生很大的变化，特别是表现在极性和非极性溶剂中. 因此我们对用醛代替酸酐合成的罗丹明染料进行了不同溶剂中光谱性能测试，图2显示了染料在乙醇中的吸收和发射光谱，从图中可以看出，染料的最大吸收光谱均位于550nm附近，而最大发射光谱位于580 nm附近，与酸酐合成出的染料有相同的波长，这对染料在可见光范围的应用提供了很好的选择.而表1列出了染料1a 和1b在不同溶剂中的光谱数据，从图中我们可以看出，对于化合物1a来说，由于利用了醛代替酸酐无5位羧基异构的染料，因此没有醌式和内脂式的互变，使其摩尔消光系数在不同溶剂中保持基本不变，使染料对溶剂的依赖性大大降低.[JP]

以极性较大的乙醇溶液为例，通过对1b光谱数据的比较可以看出，染料1b的最大吸收（λmax）为548nm，最大发射光谱为573nm，同样位于可见光区，而从2个染料的荧光量子产率可以看出，1a的荧光量子产率为0.57，1b的荧光量子产率为0.72，由于染料采用了相应的醛代替酸酐，因此避免了醌式和内脂式的互变，从而使得2种染料都具有较高的荧光量子产率，而对于染料1b来说，由于甲基的推电子作用，使得共轭环上的电子云更加集中.当分子受到光激发时，其电子激发态比基态具有更大的极性，使激发态比基态产生更大稳定作用，从而提高了化合物的荧光量子产率，为该染料在生物标示中的应用提供了更大的选择.

3 结论

本文以对羧基苯甲醛，对甲基苯甲醛和N,N-二乙基间氨基苯酚为原料，在酸催化下合成了2个罗丹明荧光染料，以质谱、核磁共振表征了这种产物，结构正确.目标产物1b荧光染料未见文献报道，该方法获得的产物结构单一，避免了通常的合成工艺中罗丹明染料的异构体混合产物.光谱数据的结果表明，两种染料都具有较高的荧光量子产率，溶剂环境的改变对染料的摩尔消光系数影响不大.此结果对该类荧光染料在生物荧光标示领域的应用提供了一种新的思路.

参考文献:

［1］NGUYEN T, FRANCIS M B. Practical synthetic route to functionalized rhodamine dyes［J］.Org Lett, 2003, 5(18): 3245-3248.

［2］HUNG S C, JU J, MATHIES R A,et al. Energy transfer primers with 5 - or 6 - carboxyrhodamine-6G as acceptor chromophores ［J］.Analytical Biochemistry, 1996, 238(2): 165-170.

［3］陈志坚,彭孝军.罗丹明衍生物合成新方法［J］.辽宁化工,2004, 33(6): 311-313.

［4］张丽珠.罗丹明染料的合成及作为离子探针的应用研究［D］.大连：大连理工大学,2008.

［5］王炯,刘琼,刘馨阳,等. 铋膜电极微分电位溶出法测定螺旋藻中铅的研究［J］.云南民族大学学报：自然科学版，2010,19(5): 372-374

［6］SAINI G S, KAUR S, TRIPATHI S K, et al.Spectroscopic studies of rhodamine 6G dispersed in polymethylcyanoacrylate ［J］. Spectrochimica Acta Part A:Molecular and Biomiolecular Spectroscopy, 2005, 61(4): 653-658.

收稿日期:2011-01-01.

基金项目:民族药资源化学国家民委-教育部重点实验室开放基金（MZY100103）.

作者简介:王炯（１９５８－），女，实验师.主要研究方向：有机分析.

通讯作者：张丽珠（1973-），女，博士，副教授.主要研究方向：应用化学.