一种单体化合物、其制备方法、水溶性荧光共轭分子及其制备方法
阅读说明：本技术 一种单体化合物、其制备方法、水溶性荧光共轭分子及其制备方法 (Monomer compound, preparation method thereof, water-soluble fluorescent conjugated molecule and preparation method thereof ) 是由 丛海林 于冰 朱耀威 申有青 谷传涛 于 2019-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种单体化合物、其制备方法、水溶性荧光共轭分子及其制备方法,属于水溶性荧光有机小分子领域。其制备方法为聚乙二醇单甲醚与对甲苯磺酰氯合成式(1)所示化合物,将(1)所示化合物与2-溴芴合成式(2)所示化合物,将式(2)所示化合物与2,5-二(2-乙基己基)-3,6-二(5-三甲基锡)-吡咯并吡咯二酮偶联得到水溶性荧光共轭分子。所述的水溶性荧光共轭分子具有优良的生物组织穿透深度,且易溶于水。(The invention provides a monomer compound, a preparation method thereof, a water-soluble fluorescent conjugated molecule and a preparation method thereof, and belongs to the field of water-soluble fluorescent organic micromolecules. The preparation method comprises the steps of synthesizing a compound shown as a formula (1) by polyethylene glycol monomethyl ether and p-toluenesulfonyl chloride, synthesizing a compound shown as a formula (2) by the compound shown as the formula (1) and 2-bromofluorene, and coupling the compound shown as the formula (2) and 2, 5-di (2-ethylhexyl) -3, 6-di (5-trimethyltin) -pyrrolopyrrole diketone to obtain the water-soluble fluorescent conjugated molecule. The water-soluble fluorescent conjugated molecule has excellent biological tissue penetration depth and is easy to dissolve in water.)
技术领域
本发明涉及一种水溶性荧光有机小分子领域，具体涉及一种用于制备水溶性荧光共轭分子的单体化合物，本发明还涉及所述单体化合物制备方法，进一步地，本发明还涉及利用所述单体化合物制备得到的水溶性荧光共轭分子及其制备方法。
背景技术
在过去的几十年中，纳米技术的飞速发展促进了纳米诊断技术的出现和发展，使纳米诊断技术和纳米医学的整合成为可能。医学成像已成为包括计算机断层扫描(CT)在内的临床重要诊断技术，等等。但是，传统的成像技术仍存在诸如获取图像的时间长，成本高等缺点。在荧光(FL)成像中，摄像机可以快速收集目标的荧光，甚至可以在毫秒内成像。
荧光成像技术由于其图像采集时间短，检测灵敏度高，绿色环保和经济性而受到生物医学领域的关注。近年来，荧光材料发展迅速，产生了许多种类，如有机染料，量子点，稀土配合物等。与其他荧光材料相比，有机材料具有良好的生物相容性，并且从根源消除了重金属引起的生物毒性，这使有机材料在生命科学中具有巨大的潜力。新型共轭分子的设计和合成具有几乎无限的可变性，可以通过调整荧光团的种类与数量，改变共轭结构的长度来调整共轭分子的光学性能，有着便于制备和低加工温度 (0-120℃)而备受关注。在近红外(NIR)区域，特别是第二个近红外窗口(1000-1700nm，NIR-II)，其吸收，散射和生物组织的自发荧光相对较低。近红外光可以在生物组织中实现较大的穿透深度和深层组织成像。然而，由于荧光基团主要是疏水基团，疏水的荧光分子往往不能直接应用于生物成像，并且会降低生物相容性。这在荧光材料的生物应用上存在巨大困难。
发明内容
为解决现有技术中有机荧光染料水溶性差，荧光发射波长短的缺陷，本发明提供了一种可以用于制备水溶性荧光共轭分子的单体化合物以及水溶性荧光共轭分子，所述的水溶性荧光共轭分子具有优良的生物组织穿透深度，且易溶于水。
进一步地，本发明提供了式(2)所示2-溴-9，9-二聚乙二醇单甲醚芴的制备方法。
更进一步地，本发明还提供了式(2)所示2-溴-9，9-二聚乙二醇单甲醚芴作为原料之一制备得到的近红外二区共轭荧光分子，即式(3)所示水溶性荧光共轭分子及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种单体化合物，具有式(2)所示结构：
n为10-50的整数，优选为20。
一种所述单体化合物的制备方法，包括下述步骤：
S1、聚乙二醇单甲醚与对甲苯磺酰氯合成式(1)所示聚乙二醇单甲醚磺酰基苯甲烷：
n为10-50的整数，优选为20；
S2、式(1)所示化合物与2-溴芴合成式(2)所示2-溴-9，9-二聚乙二醇单甲醚芴。
优选地，所述步骤S1中将聚乙二醇单甲醚和对甲苯磺酰氯溶于二氯甲烷中，冰水浴保持在0℃，激烈搅拌下分批加入氢氧化钠，反应5-7小时停止，反应结束后，过滤除去氢氧化钠，得到的溶液进行减压蒸馏，得到式 (1)所示化合物。
进一步优选地，所述步骤S1中所述聚乙二醇单甲醚，对甲苯磺酰氯和氢氧化钠的摩尔比例为1：(1-1.2)：(8-12)，氢氧化钠分3-4次加入，每次间隔为2-5分钟，在0-5℃反应5-7小时。
优选地，所述步骤S2为：将2-溴芴和相转移催化剂溶于二甲亚砜中，搅拌混合均匀后加入氢氧化钾水溶液，最后加入式(1)所示化合物进行反应；反应结束后，用二氯甲烷洗涤萃取反应液3次，取有机层进行减压蒸馏除去二氯甲烷，剩余溶液使用少量蒸馏水溶解并进行透析，透析结束后将所得溶液冷冻干燥，得到式(2)所示化合物，所述的相转移催化剂为四丁基溴化铵或18冠醚6。
进一步优选地，所述步骤S2为：所述2-溴芴，式(1)所示化合物与四丁基溴化铵的摩尔比例为1：(2-2.2)：(0.01-0.03)，氢氧化钾溶液浓度为40-50wt％，二甲亚砜与氢氧化钾溶液的体积比为(3-5):1，反应温度为 60-80℃，反应时间为6-10小时；透析所用透析袋的通过分子量为3000。
一种水溶性荧光共轭分子，具有式(3)所示结构：
其中，n为10-50的整数，优选为20。
一种所述水溶性荧光共轭分子的制备方法，包括下述步骤：
步骤S3、将2,5-二(2-乙基己基)-3,6-二(5-三甲基锡)-吡咯并吡咯二酮，权利要求1所述式(2)所示化合物和偶联剂溶于甲苯中，无水无氧下进行反应，即得。
优选地，将2,5-二(2-乙基己基)-3,6-二(5-三甲基锡)-吡咯并吡咯二酮，权利要求1所述式(2)所示化合物和偶联剂溶于甲苯中，无水无氧下进行反应；反应完成后，将反应溶液冷却至室温，减压蒸馏得到粗产物，进一步分离提纯即得式(3)所示化合物，所述的偶联剂为四三苯基磷钯和 /或双三苯基磷二氯化钯。
进一步优选地，步骤S3、所述将2,5-二(2-乙基己基)-3,6-二(5-三甲基锡)-吡咯并吡咯二酮，式(2)所示化合物和偶联剂的摩尔比为1：(1-2.4)： (0.01-0.05)，反应温度为110-120℃，反应时间为30-50小时；所述的偶联剂为四三苯基磷钯和/或双三苯基磷二氯化钯。
所述进一步分离提纯方法为：将反应溶液减压蒸馏得到粗产物，倒入 100-200mL无水正己烷中沉降，然后抽滤，得到粗产物；将粗产物溶于氯仿中，并在硅胶柱(硅胶80-100目)上纯化；减压蒸馏收集的氯仿溶液，然后进行减压蒸馏和真空干燥，即得。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明提供的式(3)所示的水溶性荧光共轭分子包括两部分：一部分是含有芴类的π-π共轭体系存在的式(4)所示结构共轭主链，该结构保证荧光分子的光学性质；另一部分为水溶性侧基聚乙二醇单甲醚2000，从而满足荧光分子在水相中的溶解度。
2.本发明的包含水溶性基团，该水溶性荧光共轭分子在808nm激光的激发下，能够发射近红外二区的荧光，发射波长为900nm-1300nm，该波长下荧光相对于近红外一区荧光对生物组织具有更好的穿透性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1，2，3中所得荧光分子在水和氯仿中的吸收光谱。
图2为实施例1，2，3中所得荧光分子在水和氯仿中的荧光光谱。
图3为实施例1，2，3中所得荧光分子的核磁图谱。
图4为应用例1中近红外二区和近红外一区的成像效果对比。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明提供了一种水溶性荧光共轭分子，其是由式(2)所示的单体化合物2-溴-9，9-二聚乙二醇单甲醚芴，与2,5-二(2-乙基己基)-3,6-二(5- 三甲基锡)-吡咯并吡咯二酮偶联得到。其反应式如下：
本发明水溶性荧光共轭分子的制备方法具有如下实施例：
实施例1：
S1、制备式(1)所示聚乙二醇单甲醚磺酰基苯甲烷：
将聚乙二醇单甲醚2000(4g，2mmol)和对甲苯磺酰氯(0.3812g，2mmol) 溶于二氯甲烷(50ml)中，冰水浴保持在0℃，激烈搅拌下分批加入氢氧化钠(0.96g，24mmol)，所述氢氧化钠分4次加入，每次间隔为3分钟，反应6小时停止。反应结束后，过滤除去氢氧化钠，得到的溶液进行减压蒸馏，取得白色粉末状式(1)所示聚乙二醇单甲醚磺酰基苯甲烷，产率约为 90％。
S2、制备式(2)所示2-溴-9，9-二聚乙二醇单甲醚芴：
将2-溴芴(0.324g，1mmol)和四丁基溴化铵(7.8mg，0.024mmol) 溶于二甲亚砜中，搅拌，加入氢氧化钾(5ml，45wt％)水溶液，最后加入式(1)所示化合物(4.8192g，2.2mmol)，进行反应，反应温度为75℃，反应时间为8小时。反应结束后，用二氯甲烷洗涤萃取反应液3次，取有机层进行减压蒸馏除去二氯甲烷，剩余溶液使用少量蒸馏水溶解并进行透析。透析结束后将所得溶液冷冻干燥，得到黄色粉末状式(2)所示2-溴-9， 9-二聚乙二醇单甲醚芴，产率约为30％。透析所用透析袋的通过分子量为 3000。
S3、水溶性荧光共轭分子的合成
将2,5-二(2-乙基己基)-3,6-二(5-三甲基锡)-吡咯并吡咯二酮 (50mg，0.042mmol)，式(2)所示化合物(420mg，0.1mmol)，四三苯基磷钯(2.4mg，0.002mmol)溶于甲苯中，无水无氧下进行反应。反应温度为120℃，反应时间为36小时。反应完成后，将反应溶液冷却至室温。将反应溶液减压蒸馏得到粗产物，倒入100-200mL无水正己烷中沉降，然后抽滤，得到粗产物；将粗产物溶于氯仿中，并在硅胶柱(硅胶80-100目) 上纯化；减压蒸馏收集的氯仿溶液，然后进行减压蒸馏和真空干燥，得到 260mg深绿色固体式(3)所示水溶性荧光共轭分子，产率约为55％。
实施例2：
S1、制备式(1)所示聚乙二醇单甲醚磺酰基苯甲烷：
将聚乙二醇单甲醚2000(8g，4mmol)和对甲苯磺酰氯(0.762g，4.8mmol) 溶于二氯甲烷(50ml)中，冰水浴保持在0℃，激烈搅拌下分批加入氢氧化钠(0.64g，16mmol)，所述氢氧化钠分3次加入，每次间隔为2分钟，反应6小时停止。反应结束后，过滤除去氢氧化钠，得到的溶液进行减压蒸馏，取得白色粉末状式(1)所示聚乙二醇单甲醚磺酰基苯甲烷，产率约为86％。
S2、制备式(2)所示2-溴-9，9-二聚乙二醇单甲醚芴：
将2-溴芴(0.648g，2mmol)和18冠醚6(10.7mg，0.02mmol)溶于二甲亚砜中，搅拌，加入氢氧化钾(10ml，40wt％)水溶液，最后加入式(1) 所示化合物(8.758g，4.0mmol)，进行反应，反应温度为70℃，反应时间为7小时。反应结束后，用二氯甲烷洗涤萃取反应液3次，取有机层进行减压蒸馏除去二氯甲烷，剩余溶液使用少量蒸馏水溶解并进行透析。透析结束后将所得溶液冷冻干燥，得到黄色粉末式(2)所示2-溴-9，9-二聚乙二醇单甲醚芴。产率约为25％。透析所用透析袋的通过分子量为3000。
S3、水溶性荧光共轭分子的合成
将2,5-二(2-乙基己基)-3,6-二(5-三甲基锡)-吡咯并吡咯二酮 (50mg，0.042mmol)，式(2)所示化合物(336mg，0.1mmol)，四三苯基磷钯(1.2mg，0.001mmol)溶于甲苯中，无水无氧下进行反应。反应温度为120℃，反应时间为36小时。反应完成后，将反应溶液冷却至室温。将反应溶液减压蒸馏得到粗产物，倒入100-200mL无水正己烷中沉降，然后抽滤，得到粗产物；将粗产物溶于氯仿中，并在硅胶柱(硅胶80-100目) 上纯化；减压蒸馏收集的氯仿溶液，然后进行减压蒸馏和真空干燥，得到 213mg深绿色固体式(3)所示水溶性荧光共轭分子，产率约为45％。
实施例3：
S1、制备式(1)所示聚乙二醇单甲醚磺酰基苯甲烷：
将聚乙二醇单甲醚2000(4g，2mmol)和对甲苯磺酰氯(0.3812g，2mmol) 溶于二氯甲烷(50ml)中，冰水浴保持在0℃，激烈搅拌下分批加入氢氧化钠(0.64g，16mmol)，所述氢氧化钠分4次加入，每次间隔为3分钟，反应6小时停止。反应结束后，过滤除去氢氧化钠，得到的溶液进行减压蒸馏，取得白色粉末状式(1)所示聚乙二醇单甲醚磺酰基苯甲烷，产率约为 88％。
S2、制备式(2)所示2-溴-9，9-二聚乙二醇单甲醚芴：
将2-溴芴(0.324g，1mmol)和四丁基溴化铵(6.5mg，0.02mmol)溶于二甲亚砜中，搅拌，加入氢氧化钾(5ml，40wt％)水溶液，最后加入式 (1)所示化合物(4.8192g，2.2mmol)，进行反应，反应温度为75℃，反应时间为8小时。反应结束后，用二氯甲烷洗涤萃取反应液3次，取有机层进行减压蒸馏除去二氯甲烷，剩余溶液使用少量蒸馏水溶解并进行透析。透析结束后将所得溶液冷冻干燥，得到黄色粉末状式(2)所示2-溴-9，9- 二聚乙二醇单甲醚芴，产率约为33％。透析所用透析袋的通过分子量为3000。
S3、水溶性荧光共轭分子的合成
将2,5-二(2-乙基己基)-3,6-二(5-三甲基锡)-吡咯并吡咯二酮(60mg，0.05mmol)，式(2)所示化合物(420mg，0.1mmol)，双三苯基磷二氯化钯 (2.2mg，0.001mmol)溶于甲苯中，无水无氧下进行反应。反应温度为120℃，反应时间为36小时。反应完成后，将反应溶液冷却至室温。将反应溶液减压蒸馏得到粗产物，倒入100-200mL无水正己烷中沉降，然后抽滤，得到粗产物；将粗产物溶于氯仿中，并在硅胶柱(硅胶80-100目)上纯化；减压蒸馏收集的氯仿溶液，然后进行减压蒸馏和真空干燥，得到235mg深绿色固体式(3)所示水溶性荧光共轭分子，。产率约为50％。
实施例4：
S1、制备式(1)所示聚乙二醇单甲醚磺酰基苯甲烷：
将聚乙二醇单甲醚2000(4g，4mmol)和对甲苯磺酰氯(0.831g，4.8mmol g)溶于二氯甲烷(50ml)中，冰水浴保持在0℃，激烈搅拌下分批加入氢氧化钠(1.92g，48mmol)，所述氢氧化钠分4次加入，每次间隔为5分钟，反应6小时停止。反应结束后，过滤除去氢氧化钠，得到的溶液进行减压蒸馏，取得白色粉末状式(1)所示聚乙二醇单甲醚磺酰基苯甲烷，产率约为93％。
S2、制备式(2)所示2-溴-9，9-二聚乙二醇单甲醚芴：
将2-溴芴(0.324g，1mmol)和四丁基溴化铵(9.7mg，0.03mmol)溶于二甲亚砜中，搅拌，加入氢氧化钾(5ml，50wt％)水溶液，最后加入式(1)所示化合物(4.381g，2.2mmol)，进行反应，反应温度为75℃，反应时间为8小时。反应结束后，用二氯甲烷洗涤萃取反应液3次，取有机层进行减压蒸馏除去二氯甲烷，剩余溶液使用少量蒸馏水溶解并进行透析。透析结束后将所得溶液冷冻干燥，得到黄色粉末状式(2)所示2-溴-9，9- 二聚乙二醇单甲醚芴，产率约为37％。透析所用透析袋的通过分子量为3000。
S3、水溶性荧光共轭分子的合成
将2,5-二(2-乙基己基)-3,6-二(5-三甲基锡)-吡咯并吡咯二酮 (120mg，0.1mmol)，式(2)所示化合物(1g，0.24mmol)，四三苯基磷钯 (5.8mg，0.005mmol)溶于甲苯中，无水无氧下进行反应。反应温度为120℃，反应时间为36小时。反应完成后，将反应溶液冷却至室温。将反应溶液倒入150mL无水甲醇中，然后抽滤，得到粗产物。将粗产物溶于氯仿中，并在硅胶柱(硅胶80-100目)上纯化。减压蒸馏收集的氯仿溶液，将得到的固体尽可能少地溶解在氯仿中，然后加入到120mL无水甲醇中，然后进行抽滤和真空干燥，得到283mg深绿色固体式(3)所示水溶性荧光共轭分子，产率约为60％。
图1为实施例1，2，3，4中所得荧光分子在水和氯仿中的吸收光谱，图2为实施例1，2，3，4中所得荧光分子在水和氯仿中的荧光光谱，图3 为实施例1，2，3，4中所得荧光分子的核磁图谱。图1，2展示了荧光分子的光学性能，图3证明了荧光分子的成功合成。
应用例1
使用猪肉片覆盖于装有荧光分子水溶液的毛细管，然后对其进行近红外一区和近红外二区成像。通过增加猪肉片的数量来提高生物组织的厚度，从而对两种成像模式进行对比。结果显示出，使用近红外二区成像模式的组织穿透深度在5mm以上，而使用近红外一区成像模式的组织组织穿透深度仅有3mm。猪肉片的厚度取十片总厚度的平均值，平均每片1毫米。图4 为应用例1中近红外二区和近红外一区的成像效果对比，说明本申请的荧光分子在近红外二区成像的优越性，即具有更深的组织穿透。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
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