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摘要： 研究了溶剂效应对3-氨基苯甲酸(3-aminobenzoic acid,3ABA)吸收和荧光的影响。在几种不同的溶剂中进行了测试,并根据一般和特殊的溶质-溶剂相互作用对吸收和发射波长进行了分析。在非质子型溶剂中,随溶剂极性的增加,3ABA的吸收波长出现轻微红移,发射波长受一般溶剂效应的影响,变化不大;而在极性质子型溶剂中,3ABA的吸收波长发生了蓝移,发射波长主要受特殊溶剂效应的影响,Stokes位移和半高峰宽FWHM显著增大。研究结果对3ABA与其他物质作用得到新型材料时合成条件的选择提供了一定的借鉴意义。
关键词: 3-氨基苯甲酸 ；溶剂效应 ；吸收 ；荧光
被引量
1
摘要： 2-氨基-9,9-二甲基芴分别与2-羟基-1-萘甲醛和4-二乙胺基水杨醛经Schiff碱反应合成了两种新型芴类Schiff碱(4和5),其结构经1H NMR,13C NMR,ESI-MS和元素分析表征。通过紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱初步研究了4和5的溶剂效应和聚集诱导发光性质。结果表明:4和5的紫外吸收和荧光光谱受质子性溶剂的影响明显高于非质子性溶剂,同时两者具有良好的聚集诱导发光增强效应。THF-H2O体系中含水量分别达到60%和70%时,4和5的荧光强度最大。
关键词: 芴 ；Schiff碱 ；合成 ；溶剂效应 ；聚集诱导发光
被引量
1
摘要： 2-（2-羟基苯基）苯并噻唑（HBT）及其衍生物是一类典型的质子转移有机分子,此类化合物可发生分子内质子转移,具有较大的荧光发射能力。卟啉类衍生物也是一类具有独特荧光性能的分子,该类化合物不但斯托克斯位移大、荧光量子产率高,其荧光团中心骨架还可进行修饰,从而得到荧光性能不同的衍生物。鉴于此,将二者通过合适的桥连基团进行相连,可得到集二者优良性能于一体的新功能材料。因此,本文采用理论计算和实验相结合的方法研究了溶剂效应和取代基效应对HBT质子转移的影响。合成了二元化合物（HTP）,通过荧光光谱法分析了不同溶剂对HTP紫外光谱和荧光发射光谱的影响,此外,构成了2-（2-羟基-5-氨基苯基）苯并噻唑（HBT-NH2）和氨基卟啉（TPP-NH2）的荧光共振能量转移体系（FRET）,分析了供受体浓度对此体系的影响规律。1、本文通过优化前人的合成方法,设计合成了2-（2-羟基苯基）苯并噻唑及其衍生物。通过测定其紫外光谱和荧光光谱,研究了溶剂效应和取代基效应对HBT质子转移的影响规律。实验结果表明,在强极性溶剂中HBT会与溶剂作用而形成酚氧负离子,在460 nm附近会观察到酚氧负离子的荧光峰。随着溶剂极性的降低在460 nm附近的荧光峰消失并在长波长处出现新的荧光峰,即酮式荧光峰。因此,溶剂极性降低有利于质子转移过程的进行。荧光光谱法表明,HBT羟基对位被不同基团取代以及不同位置被同一基团取代后均出现双荧光发射峰,即烯醇式荧光峰和酮式荧光峰。当连叔丁基等供电子基团时阻碍HBT质子转移过程的进行,而连醛基等吸电子基团时,分子易通过ESIPT过程达到稳定结构。通过分析HBT不同位置被取代后的荧光光谱,发现HBT光谱性质的变化既与取代基的吸或供电子性质有关,也与取代基所处位置有关。为了进一步验证实验结果的准确性,通过密度泛函理论计算了HBT及其衍生物的键长、电荷密度以及紫外光谱、荧光光谱。计算结果和实验结论基本吻合,进一步说明了取代基对HBT质子转移的影响规律。2、测定了HBT-NH2和TPP-NH2的紫外光谱和荧光光谱,发现两者可分别作为FRET体系的供体和受体。通过改变供体浓度或者受体浓度,分别测定了两种条件下的荧光发射光谱。实验结果表明,当供体浓度保持不变,改变受体浓度时,随着受体浓度的不断增大,供体荧光强度降低而受体荧光强度增强。相反保持受体浓度不变而改变供体浓度时,随着供体浓度的增大,受体荧光强度降低。说明供体和受体浓度的改变对HBT-NH2和TPP-NH2构成的FRET体系有较大影响。3、采用对HBT及TPP-NH2结构进行修饰的方法,通过合适的桥连基团对二者进行连接,合成了二元化合物,并对其进行了核磁氢谱和质谱的表征。测定了不同溶剂中HTP的紫外吸收光谱和荧光发射光谱,研究了溶剂对两种光谱的影响。实验结果表明,在不同溶剂中HTP均出现417nm附近的强吸收峰和450-650 nm内的四处弱吸收峰,在荧光光谱中还可以看到随着溶剂极性的增大,HTP在650 nm附近的荧光峰呈现升高的趋势,说明HTP受溶剂的影响较大,但对其峰位的影响较小。
关键词: HBT ；TPP-NH2 ；荧光光谱 ；密度泛函理论 ；质子转移 ；取代基效应
被引量
1
摘要： 在合成2-（2'-羟基-5'-氨基苯基）苯并咪唑（HABI）、1,3,5,7-四甲基氟硼二吡咯川（BODIPY或BDP）、1,3,5,7-四甲基-8-对氨基苯基氟硼二吡咯川（BODIPY-NH2或BDP-NH2）及HABI与BDP-NH2桥连的二元化合物（HBI-BDP）等化合物的基础上,运用紫外-吸收光谱和荧光发射光谱法并结合密度泛函量子化学计算手段,研究了溶剂效应和取代基效应对HABI光谱性质、激发态质子转移（ESIPT）性质的影响;构建了HABI～BDP和HABI～BDP-NH2两个荧光共振能量转移（FRET）体系并考察了分子间能量转移效率;研究了二元化合物HBI-BDP的光谱性质、在不同p H环境下的稳定性及其分子内的荧光共振能量转移。主要研究结果如下:1.合成了质子转移型化合物HABI,测定了HABI在甲苯、1-4二氧六环、DMF、甲醇和H2O等溶剂中的紫外收吸收光谱和荧光发射光谱,通过TD PBE1PBE D3/TZVP的密度泛函理论计算对HABI的电子光谱及可能发生的ESIPT过程进行了理论分析。结果表明,HABI的最大吸收波长在300nm左右,随着溶剂极性的增大,最大吸收波长呈现出一定的红移。HABI在315nm和530nm附近呈现两个荧光发射峰,分别对应于醇式结构和酮式结构,且随溶剂极性的增大,发射峰有一定的红移。HABI能与甲醇、水等质子型溶剂形成氢键复合物,导致了醇式结构荧光被部分猝灭。在所考察的溶剂中,HABI均可发生激发态质子转移过程。取代基的电子效应能显著影响HABI电子光谱性质和ESIPT行为,供电子取代基使吸收和发射波长增大,有利于ESIPT的进行。2.合成了荧光化合物BDP和BDP-NH2。根据荧光共振能量转移理论,应用光谱法研究了HABI～BDP和HABI～BDP-NH2两个体系的分子间相互作用。结果表明,HABI作为能量供体可分别与能量受体BDP或BDP-NH2产生分子间光诱导能量转移,形成荧光共振能量转移体系,且受体的荧光强度增加,而供体的荧光被部分的猝灭。3.合成了含双荧光团的二元化合物HBI-BDP。测定了HBI-BDP在二氯甲烷、四氢呋喃、1-4二氧六环和DMSO等溶剂中的紫外吸收光谱和荧光发射光谱及溶液p H值对荧光光谱的影响,应用B3LYP/6-31G（d）密度泛函方法优化了HBI-BDP的结构并计算了前线分子轨道能级。研究发现,HBI-BDP的最大吸收波长和荧光发射波长分别在502nm和513nm处,随着溶剂极性的增大,荧光强度逐渐增强。在p H=1～7的酸性环境下HBI-BDP荧光强度保持稳定,而碱性环境下,HBI-BDP荧光强度随碱性增大逐渐降低,化合物桥连基团的酰胺键发生断裂。HBI-BDP荧光光谱中只呈现BDP-NH2的特征,基团HABI与BDP-NH2之间发生了分子内的能量转移。
关键词: 二元化合物 ；密度泛函理论 ；激发态质子转移 ；荧光共振能量转移
摘要： 碳点作为一种新型的荧光纳米材料,自发现之初就备受关注。相比于传统荧光材料,无毒害、材料来源广、制备方法多样、荧光性能好等优势使得荧光碳点在多领域应用中迅速铺展开来。近些年,荧光碳点的研究成果更是层出不穷,从单一的蓝色荧光到目前多色甚至全光谱可见光荧光,多种制备方法的开发更是提高了碳点的荧光量子产率,足以同半导体量子点、钙钛矿等高荧光材料相媲美。与此同时如何明确结构与荧光性质间相互关系,建立多色荧光发射机理成为当今研究热点,对于加快荧光碳点在实际生活当中的应用有着重要的指导意义。基于以上问题,本论文主要从多色合成和发光二极管（LED）应用探索两个路线制定实验方案,首先,探索外部条件对荧光碳点结构和荧光性质的影响,初步了解碳点荧光机理;然后,溶剂热制备多种荧光发射碳点,探究多色荧光结构关系及机理;最后,制备基于碳点荧光复合材料及光转换型LED。具体工作内容与成果如下:（1）以柠檬酸和3,5-二氨基苯甲酸为碳源,通过一步溶剂热法制得荧光碳点,其相对荧光量子产率最高达33.4%。碳点最佳激发波长为340 nm,荧光发射波长为430 nm,且表现出激发波长独立性。透射电镜（TEM）和紫外-可见光吸收光测试谱表明制备碳点颗粒具有sp2共轭类石墨结构,粒径平均约为5nm。红外光谱证实表面具有丰富官能团。此外,碳点同样表现出溶剂化效应,相同碳点随溶剂极性增加,荧光发射峰红移,表明碳点表面状态对荧光发射有一定的影响。（2）采用3,5-二氨基苯甲酸和3,4-二氨基苯甲酸为原料,通过简单溶剂热法制备出四种荧光发射碳点B-CDs、G-CDs、Y-CDs和R-CDs,其荧光发射波长分别为450 nm（蓝色）、500 nm（绿色）、540 nm（黄色）和600 nm（红色）,且具有激发波长独立性。TEM微观形貌表明各荧光碳点呈现类圆形的碳纳米颗粒状,平均尺寸分别2.1 nm、2.6 nm、3.0 nm和3.1 nm。共焦显微拉曼光谱（Raman）和X射线衍射图谱（XRD）证实四种碳核内存在的类石墨结构,且随碳点荧光发射红移,碳核sp2杂化π共轭有序碳结构的含量增加。此外,红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）显示sp2杂化C=C和表面氧化C=O含量增加。据以上分析总结了多色荧光碳点发射机理模型。（3）采用溶剂挥发法分别制备了CDs/PVA和CDs/PDMS复合薄膜,解决碳点固态荧光淬灭的问题。并基于此,将其用于InGaN芯片LED。经过电致发光光谱测试,基于荧光碳点的LED发光波长别为430 nm（蓝光）、520 nm（绿光）、576 nm（黄光）和610 nm（红光）。同时,将B-CDs、G-CDs和R-CDs按一定比例混合,实现碳点溶液紫外光下产生明亮的白色荧光。并基于此制备出了的白光LED,其色坐标和色温分别为（0.2963,0.3225）和7452K,接近纯白光色坐标（0.33,0.33）,证实了荧光碳点可替代稀土荧光粉实现白光LED应用。
关键词: 荧光碳点 ；量子产率 ；荧光机理 ；多色 ；LED
摘要： 本文合成了2-（2-氨基苯基）苯并噻唑（APBT）及其2-（2,5-二氨基苯基）苯并噻唑（DABT）等多种取代衍生物,四苯基卟啉（TPP）及四苯基锌卟啉（Zn TPP）,以及通过酰胺键桥梁连接的APBT-TPP与APBT-Zn TPP两类二元发光化合物。考察了溶剂效应和取代基效应对DABT电子光谱及激发态分子内质子转移（ESIPT）的影响,探究了APBT和TPP、APBT和Zn TPP之间的荧光共振能量转移（FRET）,分析了溶剂效应对二元发光化合物光谱性质变化的作用规律。1、合成了荧光化合物DABT,对其测定了在不同溶剂中的电子光谱,并通过TD DFT B3LYP/6-311++G（d）的量化计算对DABT的电子光谱及可能发生的ESIPT过程进行了理论分析。实验与计算结果均表明,DABT的最大吸收和发射波长随着溶剂极性的增大而红移。同时也发现在非质子型溶剂中荧光发射强度随溶剂极性的增大而增大,而在质子型溶剂中,由于溶剂质子化作用形成了DABT-H+促使荧光部分猝灭,DABT的荧光发射强度随着溶剂极性的增大而减小。2、合成了一系列DABT的5-位氨基氢取代衍生物,以四氢呋喃为溶剂,考察了取代基的电子效应对DABT吸收光谱和发射光谱的影响,发现取代基的电负性能显著影响其电子光谱性质,对此通过含时密度泛函计算进行了验证。通过计算得到了诸如前线轨道能级差、电子光谱数据及平面结构参数等一系列相关理论数据,并以之对实验结论进行了论证阐述。3、合成了APBT、TPP及Zn TPP,并对它们之间的相互作用进行了研究。根据电子光谱的测试,可发现APBT的发射光谱和TPP/Zn TPP的吸收光谱均有较大程度的重叠,根据F?rster的荧光共振能量转移（FRET）理论,据此可搭建以APBT为能量供体、TPP/Zn TPP为能量受体的FRET体系。比较了APBT/TPP与APBT/Zn TPP两个FRET体系,以此研究受体结构变化对FRET体系中能量传导的影响。4、合成了APBT-TPP和APBT-Zn TPP两个二元发光化合物,分别测定了二者在不同溶剂的电子光谱,发现其荧光强度均随着溶剂极性的增加而增强。并根据在不同p H条件下的测试结果,确定了APBT-TPP和APBT-Zn TPP可以发生分子内能量转移。同时采用了B3LYP/6-31G（d）的量化计算方法,对APBT-TPP的结构进行优化,据此得到了相关的分子表面静电势图,以及前线分子轨道数据。
关键词: DABT ；TPP/Zn TPP ；密度泛函理论 ；荧光共振能量转移 ；二元发光化合物
摘要： 核能作为可大规模替代化石能源的稳定基荷能源,被认为是人类未来最具希望的能源之一,是我国优化能源结构,实现“碳达峰、碳中和”发展目标的重要选择。铀资源对于核电站运行及核能的利用至关重要,被誉为核工业的“粮食”。然而,它又因具有极强放射性毒性和化学毒性,且半衰期长,在环境中主要以六价铀U（VI）形式存在,可随地表水和地下水污染对人体健康（如肾损伤、白血病,增加患癌风险等）和环境造成严重威胁。可见,进行高效、安全、低成本含铀废液处理,研发实时、快速、灵敏、准确的环境水中铀检测技术,对于铀污染防控和生态安全预警具有重要意义。
本论文使用密度泛函理论（DFT）分析了N,N,N',N'-四辛基-3-氧戊二酰胺（TODGA）分别与铀酰(UO22+)、镎酰（NpO2+）形成配合物的配位结构,并对其萃取机理和热力学性质进行了研究;制备了二维光子晶体聚丙烯酸水凝胶（2D-PCPAAH）、脱氧核酶（DNAzyme）功能化的上转换纳米粒子（UCNPs）两种功能材料,并分别构建了检测UO22+的新方法;利用混合配体策略成功合成了四种复杂结构的铀配位化合物,并研究了它们的结构和性质。主要内容及结果如下:
（1）本文采用DFT方法研究了TODGA对铀酰和镎酰离子的萃取分离行为。在B3LYP/6-31G（d）/RECP理论水平下,系统分析了铀酰和镎酰离子与硝酸根、水分子形成的配合物,以及TODGA与铀酰和镎酰离子形成的1:1（配体:锕酰）型和2:1型配合物的结构、成键性质及热力学稳定性。结果显示,在溶液中UO22+和NpO2+更倾向于形成赤道面为5配位或6配位的配合物。当TODGA与UO22+和NpO2+配位时,TODGA主要通过羰基氧原子与锕酰离子进行配位。自然键轨道（NBO）和分子轨道（MO）分析表明,UO22+配合物中配体与金属的络合能力较NpO2+配合物更强。热力学分析表明,当有硝酸根离子存在时,中性体系是水相和有机相中最稳定的配合物,且形成的配合物UO2L（NO3）2比NpO2L（NO3）更稳定。因此,TODGA对UO22+具有更好的萃取分离效果。以上研究结果揭示了TODGA与UO22+和NpO2+的相互作用机理,从理论上解释了TODGA对UO22+和NpO2+分离能力的差异,为萃取剂的优化设计提供了理论基础。
（2）本研究设计了一种新颖的二维光子晶体聚丙烯酸水凝胶（2D-PCPAAH）材料,用于水体中UO22+的高效、灵敏检测。首先,通过尖端引流法制备二维光子晶体模板,并将模板与聚丙烯酸水凝胶结合,利用水凝胶中羧基对UO22+的特异性配位作用,导致水凝胶在UO22+存在下发生收缩,进而引起光子晶体颗粒间距变化,从而改变光子晶体的结构色及衍射性质。实验加入100μM UO22+后,2D-PCPAAH颗粒间距从1515.37 nm减少到1386.46 nm,颜色从红色变为蓝色,此时可肉眼半定量估计UO22+浓度,通过测量德拜衍射环直径,可得到粒子间距并据此精准确定UO22+浓度。此外,确定最佳响应条件为pH 5.30、30 min内达到吸附饱和且温度变化不影响检测效果。SEM结果显示,2D-PCPAAH具有有序的单层排列结构,且对UO22+响应前后结构稳定性良好。DLS结果显示,组成材料的聚苯乙烯微球具有优异的单分散性。结果表明,本方法UO22+检测范围10 nM～400μM,检测限10 nM,低于美国环境保护局（Environmental Protection Agency,EPA）对饮用水中UO22+的最大污染浓度（130 nM）,在九种金属离子共存实验中显示出高选择性。
（3）本研究构建了一种基于脱氧核酶（DNAzyme）修饰的β-NaYF4:Yb,Tm,Gd上转换纳米颗粒（UCNPs@DNAzyme）新型近红外荧光传感器,用于高效检测水中UO22+浓度。通过XRD、TEM、FT-IR及荧光光谱等多种方式验证了所制备UCNPs@DNAzyme材料的结构和性能。结果显示,UCNPs颗粒尺寸均匀,平均直径约为27 nm,具有典型六角相结晶特性,且DNAzyme已成功固定于UCNPs表面。UCNPs在980 nm近红外激发下能发射475 nm绿色荧光,通过FRET机制,UCNPs@DNAzyme与靶向UO22+发生相互作用时,荧光能量被UO22+吸收,致使荧光强度下降,从而实现对UO22+浓度的定量测定。实验结果显示,本方法检测范围是50～300 nM,检测限达到43 nM,抗干扰性好。实际样品检测显示,加样回收率在105.7～111.5%,显示出良好重现性和准确性。此外,还探讨了DNAzyme浓度、反应时间、pH和温度等因素对实验的影响。本研究不仅拓宽了近红外区域荧光检测UO22+的技术窗口,也为生物组织中铀元素的成像监测提供了理论依据和应用前景。
（4）本研究以半刚性配体4-((（吡啶-4-亚甲基）氨基)甲基)苯甲酸（HL）为主体,通过混合配体策略在水热条件下合成了四种新颖的铀酰配合聚合物,并对其结构和性质进行了研究。四种新结构的晶体学数据已存放在剑桥晶体地理数据中心,编号为CCDC 2,222,942（1）,2,222,943（2）,2,222,944（3）,2,222,945（4）。单晶X射线衍射显示,聚合物1和2呈现类似的一维波浪形链结构,均由[（UO2）3O（OH）2]∞单元构成,但两者在配体组合上有所差异,聚合物1含有L-NO-和L-配体,而聚合物2则包含了Cl-和L-配体。聚合物3通过六个草酸根侨联形成近似六边环的[（UO2）6（ox）6]∞链结构,并通过π-π相互作用组装为3D超分子框架;聚合物4通过丁二酸配体的连接,形成二维网络结构的[（UO2）3O（OH）2]∞链,并伴有L-配体在网状结构两侧分布。晶体结构显示,聚合物1、2、4均位于单斜晶系C2/c空间群,而聚合物3位于三斜晶系P 1空间群。PXRD显示,聚合物3和4的PXRD图与模拟结果非常吻合,说明纯度很高。FT-IR结果显示,聚合物3显示出明显的发射光谱红移现象,这与铀酰配体电子供体能力与发射峰位移之间的关联一致。聚合物4的荧光发射光谱呈现出宽谱带,其峰值位置与铀酰硝酸盐的标准发射峰相对应,这种宽谱带收敛的现象可归因于铀酰离子的聚合效应。本研究表明,通过改变辅助配体和利用L-NO-配体的硝基化作用,能够有效调控铀酰配位化合物的结构多样性,同时加深了对铀酰配合物结构多样性和复杂性的理解,展示了混合配体策略在设计新型铀基材料方面的有效性和潜力。
关键词: 铀酰 ；功能化材料 ；配位化学 ；检测 ；光谱分析
摘要： 随着食品化学和环境化学的日益发展,光学探针类分子已经被广泛应用于检测各种离子和小分子等。由于荧烷化合物有较好的刚性平面结构、强的共轭效应以及螺环开闭合效应,已成为光学探针的基础骨架之一,但仅在现有荧烷化合物母体上进行修饰已无法满足科技和工业的需要。在此,引入一系列吡唑啉酮合成螺[色烯并[2,3-c]吡唑-4,1'-异吲哚啉]-3'-酮(类荧烷)化合物及其酰腙衍生物,使用紫外分光光度计和荧光光谱仪探究了其光学性质。由于其分子的完全不对称结构和吡唑环上存在的活泼氢使其内部电子排列和迁移有更多的可能性,引入的酚羟基使其具有较强的络合能力,可以和许多金属离子配位形成络合物。研究内容如下:1.以2-(4-二丁基氨基-2-羟基苯甲酰基)苯甲酸或2-(4-二乙基氨基-2-羟基苯甲酰基)苯甲酸和一系列吡唑啉酮为原料,通过knoevenagel缩合和脱水反应,设计合成了一系列新型螺[色烯并(2,3-c)吡唑-4,1'-异苯并呋喃]-3'-酮(类荧烷)化合物1a-1j。探究了反应物配比、催化剂、温度、时间等因素对反应的影响,得到最佳反应条件。2.系统探究了 1a-1j在不同pH下的光学性能,结果表明,吡唑环N原子上无取代基和有芳基取代的化合物其光学性能有明显差异。在强碱环境中(pH 13.1-13.9),吡唑环的N上无取代基的,其吸收光谱无显著变化,而对于吡唑环N上有芳基取代的,由于其没有活泼H的缓冲作用,其吸收峰发生明显的红移,且溶液呈现紫色。通过中性和强碱条件下的核磁共振碳谱比对,确定了螺环内酯并没有发生开环,并根据实验结果提出了可能的机理解释。3.对化合物1b和1d在不同极性的溶剂中的光学性能进行了探究。结果表明,随溶剂极性的持续增大,1b和1d的吸收峰值逐渐增大,最大吸收波长红移,其溶液颜色由无色变为黄色,并逐渐加深至橙红色;荧光性能方面,其最大发射峰发生大范围的红移。基于上述变化,对其机理进行了解释。4.探究了化合物1 f对离子的识别性能,当向1 f的VDMSO:VHEPES=1:99的溶液中加入Cu2+后,其荧光彻底猝灭,并对淬灭现象的机理进行了解释;同时,经过计算1f对Cu2+检测限可达9.05 × 10-8 M,并根据Job's曲线、质谱等对其与Cu2+配位机理进行了探究。5.以1f为原料,经过肼解再与不同的醛缩合,得到了类荧烷酰脘化合物7-(二丁基胺基)-2'-((2,4-二羟基苯)胺基)-3-甲基-1H,-3'H-螺[色烯并[2,3-c]吡唑-4,1'-异吲哚啉]-3'-酮(2a)、7-(二丁基胺基)-2'-((2-羟基-5-甲氧基亚苄基)胺基)-3-甲基-1H-3'H-螺[色烯并[2,3-c]吡唑-4,1'-异吲哚啉]-3'-酮(2b)和7-(二丁基胺基)-2'-((4-(二乙胺基)-2-羟基苯亚甲基)胺基)-3-甲基-1H-3'H-螺[色烯并[2,3-c]吡唑-4,1'-异吲哚啉]-3'-酮(2c)。其中,2a和2b在VDMSO:VHepes分别为5:5或4:6的环境中可作为Cu2+比色型探针,检测限分别为6.58×10-7M和5.71×10-7M。2c可以在VDMSO:VHepes中对Cu2+进行检测,是一种比色和荧光型双通道探针。加入Cu2+,溶液的颜色由无色变为黄绿色,其紫外吸收峰发生明显的红移,荧光完全猝灭。对Cu2+的检测下限分别为7.37 × 10-7M和2.03×10-9 M。
关键词: 光学探针 ；色烯并[2,3-c]吡唑 ；螺环 ；酰腙 ；Cu2+
摘要： DNA分子通过A、T、C和G的碱基序列来编码生物体内的遗传信息。除了这四种传统的基础碱基外,DNA分子中还存在着上百种稀有碱基。其中,DNA醛基修饰,包括5-醛基尿嘧啶(5-formylurail,简称5f U)、5-醛基胞嘧啶(5-formylcytosine,简称5f C)和脱碱基位点(abasic sites,简称AP),介导了基因调控、基因组印迹、细胞分化和X染色体失活等多种生物学过程。因此,定性和定量检测该类醛基化碱基对研究其表观遗传学功能具有重大意义。 在本文中,我们主要设计并合成了一系列小分子荧光探针用于DNA醛基修饰的定性和定量分析。 (1)2-氨基苄胺肟衍生物定性和定量检测DNA醛基修饰:基于2-氨基苄胺肟(ABAO)骨架的醛基反应性探针能够通过分子内环化在温和的条件下选择性标记DNA上的醛基。通过ABAO衍生物与AP反应后的荧光筛选,我们锁定了探针5-甲氧基-ABAO(PMA),其能够实现对醛基修饰的高效检测。通过荧光光谱和变性聚丙烯酰胺凝胶电泳实验,我们证明了PMA能够选择性地与5f U、5f C和AP反应生成荧光二氢喹唑啉衍生物。最后,我们将PMA应用到γ-射线辐射过的小牛胸腺DNA中,实现对实际DNA样品中醛基修饰的定量分析。 (2)2,3,3-三甲基吲哚衍生物基于荧光共振能量转移机理检测5-醛基尿嘧啶:我们期望构筑基于荧光共振能量转移(FRET)机理的5f U比率型荧光探针。因此,我们设计了以2,3,3-三甲基吲哚为骨架的两类目标探针:(1)L-A、LB、L-C和(2)L-N、L-M,通过磺酸基团的引入与否来比较其对5f U标记的影响。但遗憾的是,经过多次尝试后我们并未得到含有磺酸基团的探针L-A、L-B和L-C。随后,我们继续合成无磺酸基团的探针L-N和L-M并最终成功获得目标化合物。但由于亲水基团的缺失,这两个探针的水溶性是一个问题。我们首先测试了L-N和L-M的紫外吸收光谱和荧光发射光谱,并根据两者的溶剂效应和p H效应进行光谱筛选。最后,我们通过液相色谱分析法对探针标记5f U的反应条件进行了优化,但均未实现预期效果。 (3)基于Mannich反应的DNA醛基化检测方法:我们首先尝试Mannich反应标记5f U的可能性。经过对5f U、胺和活泼氢化合物近80种不同组合的薄层色谱筛选,我们初步得到三组最佳的标记条件。但是这三者在进行扩量反应和选择性实验时,存在难以纯化和核苷选择性差的问题,难以用于5f U后续功能化的性质研究。此外,Pictet Spengler反应作为与Mannich反应机理相类似的新型三组分标记反应已被成功应用于醛基化蛋白的标记中。我们推测其也可成为醛基修饰的标记策略。因此,我们设计了以2-(1H-吡咯-1-基)乙胺(AN)为探针底物的Pictet Spengler反应,并考察其与DNA醛基修饰的反应效果。我们通过HPLC分析得到AN与5f U的标记效果最优。随后,我们进行了一系列AN与5f U的反应条件尝试,以期实现两者衍生效率的考察和产物结构的鉴定。后续,我们将进一步进行AN与5f U的性质实验,并完成AN的结构化衍生。
关键词: DNA醛基修饰 ；脱碱基位点 ；5-醛基尿嘧啶 ；5-醛基胞嘧啶 ；荧光探针 ；定性和定量分析
摘要： 作为重要的苯和吡啶的衍生物,4-氨基苯甲酸和氨基吡啶两者均具有电子对供体和受体,其共晶作为具有发展潜力的非线性光学材料,已经引起了学术界的关注。而此类共晶合成的基础是氨基吡啶+4-氨基苯甲酸+溶剂三元体系相图,目前关于氨基吡啶类化合物与4-氨基苯甲酸共晶的溶解度和共晶形成的相平衡热力学性质并尚未见文献报道。本文对4-氨基苯甲酸-氨基吡啶共晶溶剂合成的相平衡热力学进行研究,筛选出有利于共晶合成的溶剂,创建4-氨基苯甲酸-氨基吡啶-溶剂的三元体系相图,对氨基吡啶类化合物与4-氨基苯甲酸共晶的工业生产及推广应用具有重要的现实意义,为4-氨基苯甲酸-氨基吡啶共晶的进一步研究提供基础数据。采用等温溶解平衡法,在常压和273.15 K-313.15 K温度范围内,测定了 2-氨基吡啶在甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、乙腈、正己烷、环己烷、乙酸正丙酯、乙酸戊酯、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)共13种纯有机溶剂中的溶解度。2-氨基吡啶的溶解度随着温度的升高而增大,在不同溶剂中的溶解度顺序依次为:NMP>DMF>甲醇>乙醇>正丙醇>正丁醇>乙酸正丙酯>乙酸戊酯>异丙醇>异丁醇>乙腈>正己烷>环己烷。采用线性溶剂化能模型考察了溶剂效应。溶剂的溶解度参数较大影响着2-氨基吡啶在纯溶剂中的溶解度。选用Apelblat模型、λh模型、Wilson模型和NRTL模型对2-氨基吡啶在13种纯有机溶剂中的溶解度进行了关联,相对偏差不超过4.46%,最大均方根偏差为4.46×10-2,四种模型对溶解度数据的拟合结果均较好。基于Wilson模型和溶解度数据,计算了溶液的混合热力学性质。利用Schreinemakers湿渣法测定了 298.15 K下2-氨基吡啶+4-氨基苯甲酸+乙醇/乙酸乙酯三元体系、3-氨基吡啶+4-氨基苯甲酸+乙醇/乙酸乙酯三元体系以及4-氨基吡啶+4-氨基苯甲酸+乙醇/异丙醇三元体系溶解度数据,绘制了相应的三元相图,溶剂的改变,各个结晶区也随之变化,在同种温度下与同种溶剂条件下,3-氨基吡啶与4-氨基吡啶和4-氨基苯甲酸共晶的共结晶区比2-氨基吡啶与4-氨基苯甲酸共晶的共结晶区要大,在乙酸乙酯体系中较明显,故乙酸乙酯相较而言更有利于共晶的形成。另外,利用TG/DSC、PXRD、红外光谱及晶体形貌对平衡的共晶产品进行了表征。采用定量分子表面分析,通过ESP分析、ALIE分析以及RDG分析研究了溶液体系中不同分子间的弱相互作用。通过静电势着色的分子范德华表面,可视化氨基吡啶类化合物与4-氨基苯甲酸分子结构中的电荷分布,推测分子的反应活性位点。在氨基吡啶类化合物的氨基基团上存在大量氢键和范德华力,大量的富电子区有助于共晶的形成,对共晶的研究有重要的参考价值。
关键词: 溶解度 ；固-液相平衡 ；共晶 ；三元相图 ；热力学模型 ；定量分子表面分析
摘要： 本文采用理论与实验相结合的方法,研究了溶剂效应对2-（2-羟基苯基）苯并噁唑（HBO）、2-（2-羟基-5-氨基苯基）苯并咪唑（NH2-HBI）光谱性质及激发态分子内质子转移（ESIPT）的影响,探讨了NH2-HBI与NH2-TPP,NH2-HBO与NH2-TPP之间的相互作用,采用酰胺反应合成了五种二元发光化合物,通过1H NMR和质谱进行了结构表征,并对二元化合物的光谱性质及分子内光诱导能量转移进行了研究。1、合成了HBO和NH2-HBI两种质子转移化合物,测定了不同溶剂中NH2-HBI的紫外吸收光谱及NH2-HBI和HBO的荧光发射光谱。结果表明,溶剂极性增大使NH2-HBI的最大吸收波长产生了红移;NH2-HBI和HBO均出现了烯醇式和酮式荧光峰,且随着溶剂极性的减弱,两者的烯醇式荧光峰强度降低,酮式荧光峰升高,表明溶剂极性的降低有利于ESIPT反应的发生。此外,在TD B3LYP/6-311++G（d）理论水平上对分子荧光光谱的模拟,较好的印证了实验结果。2、采用理论与实验相结合的方法对NH2-HBI与NH2-TPP,NH2-HBO与NH2-TPP之间的相互作用进行了研究。结果表明,NH2-HBI或NH2-HBO作为能量供体、NH2-TPP为能量受体均可构成荧光共振能量转移（FRET）体系,能量供体的荧光部分猝灭,而能量受体的荧光却明显增强。与此同时,发生了NH2-HBI的ESIPT与FRET的耦合作用,且形成了1:1的供体-受体作用分子对。理论上,NH2-HBI的醇式或酮式构型与NH2-TPP之间均可通过分子间氢键形成1:1的基态和激发态复合物,其发射波长的实验值与理论值较为接近。3、合成了HBI-TPP、HBO-TPP、HBI=TPP、HBT=TPP、HBO=TPP五种二元化合物。测定了HBI-TPP、HBO-TPP、HBT=TPP、HBO=TPP在不同溶剂中的紫外和荧光光谱,同时考察了金属阳离子对HBI-TPP和HBO-TPP荧光光谱的影响及溶液p H值对HBI-TPP、HBO-TPP、HBT=TPP荧光光谱的影响。结果表明,溶剂极性对这几种二元化合物的紫外光谱的影响较小。光激发诱导的分子内基团的能量转移使苯并唑系结构的荧光被猝灭,荧光光谱中仅呈现出卟啉发光团的荧光发射峰,其强度均随溶剂极性的增加而增强。Cu2+对HBI-TPP和HBO-TPP的荧光有较强的猝灭作用。p H对二元化合物荧光光谱的影响研究结果为:当溶液的p H=1时,体系的荧光猝灭严重,当溶液的p H=12～14时,均出现了质子转移物质和卟啉衍生物的特征荧光峰。量子化学计算得到了HBI-TPP和HBO-TPP的基态前线分子轨道,并证明了HBI-TPP在基态和激发态下的稳定构型均为烯醇式构型。
关键词: 二元化合物 ；激发态分子内质子转移 ；分子光谱 ；荧光共振能量转移
被引量
1
摘要： 卟啉和席夫碱都是功能性含氮有机配体,在材料、医学、催化等领域应用广泛。通过配体的结构修饰调控其金属配合物的结构和性质,进而扩展其应用是合成化学的重要课题。本论文分别以四(对烷氧基苯)卟啉、四(对羧基苯基)卟啉、L-谷氨酰胺席夫碱、L-天冬酰胺席夫碱和间氨基苯甲酸席夫碱为配体合成了 59种相应的锡化合物,运用NMR、IR、X-射线单晶衍射等技术表征了化合物的结构,解析了 19种化合物的晶体结构,研究了化合物的结构组装、光物理性质、电化学性质和抗癌活性。1.以 Adler 法制备的四(对烷氧基苯)卟啉[4-(RO)H2TPP,R=CH2CH3,CH2CH=CH2]为原料,合成了系列轴向配体(L)分别为氯、羟基和羧基的四(对烷氧基苯)卟啉锡化合物[4-(RO)TPP]SnL2(L=Cl,OH,R'COO)。[4-(CH3CH2O)TPP]Sn(OCOC6H4Cl-4)2 和[4-(CH3CH2O)TPP]Sn(OCOC6H4Cl-4)2的晶体结构表明卟啉环上的原子在同一平面内,锡原子为卟啉氮原子和羧基氧配位的N4O2Sn八面体构型,轴向O-Sn-O键角为180°。和游离的卟啉配体相比,该系列化合物的紫外可见吸收出现红移,荧光发射发生蓝移,荧光强度大大减弱,同时荧光寿命缩短,而羧酸基团对上述性质影响不大,表明卟啉对称性的改变对其光学性质有较大影响。循环伏安曲线表明配合物的氧化性和还原性均比配体增强。2.用固相研磨法制备了系列四[4-(三烃基锡氧羰基)苯基]卟啉4-(R3SnOCO)4H2TPP(R=Ph,Cy,Bu,Ph(CH3)2CCH2)。4-(Cy3SnOCO)4H2TPP的晶体结构显示锡原子为三烃基和羧基配位的C3OSn四面体构型,分子间通过Sn…O=C弱作用排列为一维超分子链结构。和配体4-羧基苯卟啉比较,该系列化合物的紫外可见及荧光发射光谱几乎相同,荧光寿命变化很小;电化学性质研究显示还原性增强;抗癌活性显著提高,其中三苯基锡衍生物对MOF-7 细胞的 IC50 值达到 0.086±0.010 μM。3.通过一瓶反应方法合成了系列含酰胺基的α氨基酸(L-谷氨酰胺、L-天冬酰胺)水杨醛席夫碱的二有机锡衍生物 R2Sn[2-O-R'C6H3CH=N-CH(CH2CH2CONH2)COO]和 R2Sn[2-O-R'C6H3CH=N-CH(CH2CONH2)COO](R=Me,Bu,Ph;R'=Cl,Br,OH,OMe,NEt2)。L-谷氨酰胺或L-天冬酰胺水杨醛席夫碱作为ONO三齿螯合配体与锡原子形成了 O-C-C-N-Sn和N-C-C-C-O-Sn螯合环。在晶体中锡原子为五配位的三角双锥构型(C2NO2Sn)和酰胺氧或溶剂氧参与配位的八面体构型(C2NO3Sn)。分子间通过Sn…O氢键作用形成二聚体或多聚体,通过N-H…O、O-H…O氢键形成二维或三维超分子结构。该类化合物在275-310 nm范围内出现最大吸收,在440-510nm范围内出现最大发射峰,其荧光强度受与有机锡相连的基团的影响,规律为Ph>Me>Bu。部分化合物对A549、HeLa、HepG2、GL261细胞具有明显的抗增殖作用,其中谷氨酰胺水杨醛席夫碱二丁基锡衍生物对A549的IC50值为0.33±0.07 μM。4.利用一瓶三组分反应合成了系列3-氨基苯甲酸席夫碱的三有机锡化合物[3-(2-HO-R' C6H3CH=N)C6H4COO]SnR3、[3-(4-NC5H4CH=N)C6H4COO]SnR3 和[3-(CH3COCH2C(CH3)=N)C6H4COO]SnR3(R=Ph,Cy,Bu;R'为多种取代基)。在它们的晶体结构中,除单体结构外,分子间还通过酚氧、吡啶氮以及酮羰基氧的配位自组装为44元大环四聚体和链状聚合物结构,锡原子有四面体和三角双锥两种构型,并显示出由O-H…O,N-H…O和C-H…O氢键作用形成的R22(16),R42(22)和R64(34)大环超分子结构。光谱中310 nm出现最大吸收,在430 nm出现最大发射,表明化合物有成为荧光材料的潜力。该类化合物有良好的抗癌活性,其中3-(亚水杨基氨基)苯甲酸三丁基锡对HeLa细胞的IC50值 0.130±0.012μM。本论文探究了基于卟啉和氨基酸席夫碱配体的锡化合物的合成、结构和性质,获得了结构新颖的系列锡配合物,丰富了卟啉和有机锡化合物的内容,为进一步研究其应用奠定了实验基础。
关键词: 有机锡化合物 ；席夫碱 ；卟啉 ；晶体结构 ；细胞毒性
摘要： 环境污染与能源危机是当今人类所面临的两个重大问题。以太阳能为驱动力的光催化制氢技术作为一门新兴的技术,可以实现将太阳能转换成化学能从而解决能源和环境问题。但传统半导体光催化剂仍存在光响应范围窄、光生电子-空穴对易复合等缺点,这在很大程度上限制了光催化技术的工业化应用。而解决这些问题的关键在于新型光催化剂的设计。金属纳米粒子（MNPs）通常可以作为产氢的催化位点,具有良好的催化活性。但是尺寸较大且易团聚的缺点限制了其在光催化领域的应用。金属-有机框架（MOFs）是由有机配体与金属团簇通过自组装形成的具有周期性的多孔网络结构。同时具有比表面积大、可设计性强、易于合成等优点。许多具有类半导体性质的MOFs也是潜在的优异光催化材料,并且其独特的多孔结构可以用来限域超小纳米粒子的合成。本文对高稳定性的二维NU-901（NU）进行巯基官能团后修饰,成功实现了其巯基功能化。进一步,利用巯基官能团与金属离子的配位作用构筑了贵金属以及半导体纳米粒子负载的X@NU-M（X=Au、Pt、Pd、CdS）复合光催化剂,显著提高了NU的光催化活性。为优化设计具有高效光催化活性的MOFs基光催化材料和制备稳定的超小纳米粒子提供理论和实验基础。具体研究内容如下: （1）本章制备了二维NU-901纳米片（NU）,随后通过溶剂辅助配体交换法（SALI）将4-MBA接枝到NU的锆氧簇上制备出NU-M。进一步利用巯基官能团对贵金属的强配位相互作用,成功在NU-M中负载了尺寸均一、分布均匀的超小Au、Pt、Pd纳米粒子（NPs）。Au@NU-M中4-MBA作为连接MOF与NPs的“桥梁”提供了额外的电子传输通道,使得MOF产生的光激发电子传输到Au NPs用于光催化水分解产氢。同时得益于Au NPs自身的等离激元效应也会产生激发电子,最终实现11362μmol g-1h-1的高效产氢性能,在20小时循环测试内具有良好的催化稳定性。而没有巯基配位的Au/NU样品具有较大尺寸（～6.2 nm）且聚集的Au NPs负载,光生电子传输仅依靠MOF和Au NPs接触的相界面,因此具有较低的催化性能(1881μmol g-1h-1),仅为Au@NU-M的1/6。 （2）本章在上述基础上进一步探究配位微环境调控对于金属纳米粒子合成的影响。首先,通过溶剂辅助配体交换法（SALI）分别将4-巯基苯甲酸、4-羟基苯甲酸、4-氨基苯甲酸接枝到NU的锆氧簇上得到NU-X（NU-M、NU-H、NU-A）,借助不同官能团（-SH、-OH、-NH2）与Pt NPs配位能力的不同,最终得到MOF中不同尺寸Pt NPs的负载。其中Pt@NU-M、Pt@NU-H、Pt@NU-A和Pt/NU对应Pt NPs的粒径分别为1.4、2.2、3.4和8.0 nm左右。得益于小尺寸Pt NPs对应的高析氢活性,它们分别表现出5679、864、676和346μmol g-1h-1的光催化析氢速率。值得一提的是借助先进的电镜表征以及X射线吸收光谱（XAS）,发现在Pt@NU-M中存在大量的Pt单原子以及与NU孔道尺寸匹配的超小Pt纳米团簇,证明了官能团锚定以及MOF纳米孔道限域可以实现超小纳米粒子的负载。并且得益于配位微环境下的M-Pt（M:S/O/H）键的形成可以提供额外的光生电子传输路径,使得Pt@NU-X（X:M/H/A）的催化活性和稳定性远高于Pt/NU。 （3）本章进一步利用NU-M的配位作用负载超小半导体CdS纳米粒子。通过分步合成的策略,利用巯基对Cd2+的强吸附作用在NU材料上负载了超小CdS NPs,最终得到尺寸均一（2-3 nm）且分布均匀的CdS NPs复合光催化剂（CdS@NU-M）。实验表征和理论计算证明了巯基官能团的配位作用可以促进CdS NPs的限制生长和均匀分布,优化了CdS@NU-M的能带结构,形成强内建电场。这种配位相互作用不仅促进了Z型电荷转移机制,促进了光催化载流子的分离和利用,而且抑制了CdS的光腐蚀,提高了催化稳定性。值得一提的是,NU-M与CdS NPs的配位结合促使界面配体配位异质结的成功构建,使得CdS@NU-M呈现出84.3 mmol g-1h-1的优异光催化产氢性能,约为非配位异质结光催化剂（CdS/NU）的10倍。同时CdS@NU-M的光催化产氢性能优于已报道的大多数MOFs和CdS基光催化剂。
关键词: 2D MOFs ；巯基功能化 ；超小纳米粒子 ；配位相互作用 ；光催化产氢
摘要： 荧光是分子从激发单重态的最低振动能级回到基态的过程中发射出的光,具有很高的灵敏性,且极易被检测。因此,利用分子的荧光特性可以测定物质成分或者检测反应进程。然而,大多数的待测分子本身没有荧光特性,而且在化学反应的过程中,也很少能够发出荧光,这一问题大大限制了荧光检测技术的应用。因此,荧光探针成为研究的热点。小分子荧光探针通过与待测物发生物理性相互作用或化学结构的变化实现荧光的变化,这使得荧光成为一种监测分子变化过程的工具。基于这一特性,荧光探针在探索生命活动的规律、医疗器械的开发、环境的检测等方面具有良好的应用前景。荧光分子被广泛应用的主要原因的是:荧光具有很高的敏感度,荧光显微镜可以进行瞬时立体的高分辨率细胞成像;另外大量的分子之中含有荧光团。因此荧光探针可以被那些没有深入参与研究该领域的人广泛使用。我们可以通过控制激发和发射波长、目标结合亲和力、化学反应性和亚细胞定位探针结构。荧光分析的一个重要特征是可以通过使用荧光板读取器来完成高通量分子筛选。也就是说,这门技术可以用于筛选应用、构造光纤和目视检测分析物快速的筛选大量化合物。目前,已有很多商业化分子和从植物中提取的分子,这些潜在的药物分子为通过荧光板读取器高通量筛选有效分子提供了资源。虽然荧光探针的重要性可能显而易见,但要设计和合成新的探针用于自己的研究仍然是一个挑战。我们熟知的三种机制:光诱导电子转移（PET）;分子内电荷转移（ICT）和荧光能量共振转移（FRET）.光诱导电子（photo induced electron transfer,PET）转移体系是由包含电子给体的受体部分R（receptor）,通过间隔基S（spacer,如-CH2）和荧光团F（fluorophore）相连而构成的。其中荧光团部分是能吸收光和发射荧光的场所,受体部分则用来结合客体,这两部分被间隔基隔开,又靠间隔基相连而成一个分子,构成了一个在选择性识别客体的同时又给出光信号变化的超分子体系。PET荧光分子探针中,PET阻止电子从π*轨道回到π轨道,因此抑制了荧光的产生。因此在未结合客体之前,探针分子不发射荧光,或荧光很弱。一旦受体与客体相结合,光诱导电子转移作用受到抑制,甚至被完全阻断,荧光团就会发射荧光。和光诱导电子转移（PET）一样,分子内电荷转移（ICT）机制也是一种常见荧光探针设计的信号传导机制,通过它们的极性变化的ICT机制通常有一个电子供体（D）荧光团在荧光分子的一端,电子受体（A）在另一端。（在某些情况下,荧光分子本身作为供体或受体）,基于ICT机制的激发态比基态有更大的偶极矩。跃迁到π*轨道的电子,处于非键状态,然后把电子提供给电子受体（A）,这种电荷转移增加了分子的偶极矩。由于这种极性变化,对于基态是最佳的溶剂化,对于激发态来说却不是最佳的。若激发态持续时间足够长的情况下,允许重新调整溶剂化核以优化溶剂化,以此降低激发态的能量。但荧光发射速度太快,溶剂核回到基态时没有足够的时间重新排列。这一结果导致在基态的并不是最优溶剂化,降低了π/π*能量差值,这一效应导致较长波长的荧光发射。当一个金属离子配位,或发生共价反应时,会改变基态和激发态的极性。当束缚力或通过反应改变激发态的极性时,会导致激发态和基态的能量变化。这导致了发射波长的偏移,正如上面所讨论的,如果ICT减少,荧光发射将移到更短的波长。如果ICT增加,荧光发射将移到更长波长。FRET是基于供体荧光基团的激发态能量转移到一个能量较低的激发态受体荧光团的现象。在这个过程中受体的激发态的振动水平必须与供体的能量相匹配。能量转移并不是一个光子发射/吸收现象,相反,我们可以认为它是供体激发态能量转移到受体。这种能量传递将基态的受体电子“召唤”到激发态能级,并且停留在激发态能级中,在受体激发态的快速振动弛豫之后,系统总能量会有所减少。其中,影响FRET效率的至关重要的两个因素是:供体和受体分子的距离,以及“光谱重叠”的程度。光诱导电子转移作为一种最先出现的一种荧光反应机制,在生物化学领域有着广泛的应用,我们致力于应用该机制去建立荧光和乳酸转运蛋白的一种联系。我们知道乳酸转运蛋白与肝部疾病（如脂肪肝）有密切联系,我们就希望能开发一种检测柠檬酸转运蛋白的荧光分析技术。脂肪肝有许多的并发症,比如肥胖、动脉粥样硬化和胰岛素耐受等。因此,脂肪肝是严重威胁人类健康的一大杀手。由于肝脏本身可以合成脂肪,因此简单的控制饮食不能治愈脂肪肝,而需从其发病机理出发进行研究。研究发现肝脏可以将多种物质转化为脂肪酸,进一步转化为脂肪。其中,乳酸是一种最主要的脂肪酸前体,而不依赖于ATP转运蛋白（“泵”）的作用下从血液进入肝脏中,且乳酸泵的动力是质子的释放。因此,乳酸泵的小分子抑制剂可用作治疗脂肪肝的药物。但是,目前还没有合成此类抑制剂的报道,这是由于尚无对泵蛋白活性进行分析的实验方法。而目前仅已知原核生物的乳酸泵晶体结构。通过合作课题组,我们可以获得了独一无二且稳定的样品:乳酸泵过量表达的人类肝细胞系。我们提出了一系列基于膦的荧光探针,用于开发重要的肝肾酶的药物发现试验。在试验的基础上采用膦电子的转移引起荧光的猝灭。如果检测的阳性信号涉及磷化氢氧化成氧化膦,则阻止了电子转移对荧光的猝灭。荧光发射的增加,将成为底物或药物转运的阳性信号。我们将含有磷化氢衍生物结构的荧光探针分子应用于此类荧光分析技术。此类荧光探针的机理为:当磷化氢结构连接到一个荧光团时,由于磷上孤对电子的光诱导电子转移（PET）将导致荧光淬灭。但是,当磷化氢结构被氧化为膦氧化物时,不再发生光诱导电子转移,探针将具有荧光但由于没有可靠的基于底物结构的药物设计方法以及结构数据短缺,结果并不十分理想。但是以乳酸泵抑制剂为出发点,来筛选治疗脂肪肝药物的策略。我们和张宥偲老师课题组合作,他们能利用过量表达的乳酸转运蛋白培养稳定的人肝细胞,在这一基础之上的设计研究,为脂肪肝的生物学基础研究方面及寻找脂肪肝治疗潜在药物方面提供了新的思路。在脂肪肝的治疗中,还没有以它们作为靶向目标研发相关药物的报道。为了识别乳酸泵的抑制剂,我们需要建立一种检测其活性的方法。荧光检测在此类活性检测中有着极大的优势:不仅灵敏度高,还可以与分子的高通量筛选兼容。这使得荧光检测法不仅能识别极弱的抑制剂,还能实现药物的快速筛选。我们的设计思路是用具有活性的乳酸类似物代替乳酸进行实验。这些类似物可以通过转运蛋白进入细胞,并且在细胞内与具有磷化氢结构的荧光探针发生反应并产生荧光信号。叠氮化物可以在细胞内选择性的与磷化氢反应得到膦亚胺和N2,膦亚胺可以进一步迅速水解为胺和膦氧化物。所以在乳酸类似物的选择上,首选化合物为3-叠氮乳酸。叠氮乳酸的制备路线如下:以环氧丙醇为起始原料,依次通过杰克布森动力学拆分（Jacobsen’s Kinetic Resolution）,克劳斯氧化（Kraus Oxidation）,最后与叠氮钠发生亲核开环反应制备。之前的研究表明,萘酰亚胺类可以进入细胞并进行相关的细胞实验。虽然它的荧光分子的荧光强度均不及荧光素衍生物,但是它们具有易制备、光稳定性强等优点,且已有文献报道合成它的氨基荧光基团。科研工作者们尝试合成膦类分子用于检测细胞内过氧化氢或叠氮化物,但是还没有找到荧光效果较好的膦类荧光探针,这主要是因为此类分子极易进行光氧化反应。对于磷化氢探针我们有两个研究方向。为了避免光氧化反应,选择不发生光氧化反应的三苯基膦衍生物,2-二苯基膦苯甲酸和4-二苯基膦苯甲酸。2-二苯基膦苯甲酸和4-二苯基膦苯甲酸都是已知化合物,但是按照文献的方法,我们并没有成功合成出这两个分子。在生物化学中,通常用三（2-羧乙基）膦（TCEP）来降低细胞渗透性。TCEP分子中有三个羧酸基团,所以它不易与其他分子偶联。我们课题组计划先合成三乙酯,然后用过量的酯和胺结合,然后水解形成游离的二元羧酸盐。如果二元羧酸盐没有细胞渗透性,可以选择在细胞上负载乙酯。乙酯进入细胞后,会被酯酶水解成游离的羧酸。但是在合成过程中发现,和TCEP反应,生成的不仅仅是单酯,有二聚物,甚至是多聚物,且难以分离。但是经过我们的实验表明,我们的设想并没有完全成立,膦没有与氨乙基基团与荧光基团较好的结合。由于电负性,中性膦比中性胺具有更好的亲核性,中性氨基乙基膦的氨乙基很难和荧光基团结合。其次,我们发现,即使我们可以连接到荧光基团的膦,也会立即被光氧化膦氧化物。今年早些时候,我们实验过程中的“光氧化问题”得到了理论支持。因此我们在进一步探索新的荧光分子,我们知道胺的亲核性较弱,因此它的pKa较小,在和荧光团相连接之后,胺基和酰胺基的供电子能力不同,所以他们的光谱性质也就不同。但是肼分子会比胺有更好的亲核性,所以它能更快的酰基化,且它的乙酰化产物和之前分子的光谱性质无大的改变,且它的酰基化更快。因此我们希望进一步把目标转向合成与肼相结合的荧光分子,这一部分研究仍在进行中。在我们合成探针之后,为了筛选出此类抑制剂,我们可以使用商业化的化合物样品集合。这些化合物可通过96孔荧光板读取器进行高通量筛选。这项分析工作可与我校的张宥偲老师课题组合作完成。张老师课题组研发了含有过表达乳酸转运蛋白的稳定人类肝细胞的细胞培养方法。该实验方法将利用叠氮乳酸在已知生物实验方法的基础上建立。在进行转运实验时,需首先细胞将放在有荧光探针的转运缓冲液中培养。转运缓冲液中包含有叠氮乳酸,并且用乳酸转运缓冲液作为对照组。为了进一步探索荧光分子的应用,我们着手研究荧光分子在代谢中起的检测作用。我们筛选合适的已经合成的荧光分子与细胞色素P450（cytochromeP450或简称CYP450）中与人体中CYP3A4对其的作用。细胞色素P450是一类亚铁血红素细胞中,有2000多个亚型,像CYP1A1和CYP3A4。CYP450主要分布在内质网和线粒体内膜上,在人体中,CYPs大部分存在肝脏中。细胞色素P450作为一种末端加氧酶,它参与内源性物质和包括药物、环境化合物在内的外源性物质的代谢且参与生物体内的甾醇类激素合成等过程,而且对细胞因子和体温调节都有重要影响。亚铁血红素是硫醇盐蛋白的超家族,它们负责亲脂性（油脂类）有机分子的“第一阶段”代谢。第一阶段的代谢涉及有机分子的氧化,因此会形成更多的极性产物。在三价铁---Fe（III）包含在在血红素辅基的酶中,Fe（III）结合在酶的活性位点---半胱氨酸的巯基链区域。活性位点的大小和形状的变化以及Fe（III）血红素的取向决定了CYP的选择性（或非选择性）。然后我们基于已经合成的分子,希望能从中筛选出细胞色素P450（CYP）活性荧光探针。通过开始筛选我们的荧光分子,我们发现了一类新的CYP3A4荧光探针-NBD探针。在我们测试的两个这类化合物中,在人体内的CYP3A4代谢之后,发射波长发生很大变化。我们接下来要做的是化合物在CYP代谢之后结构的确定和光学表征。我们将快速合成大量的的苯并恶唑衍生物,然后可以对CYP3A4和其他CYP酶进行筛选。
关键词: 荧光化学 ；光诱导电子转移(PET) ；合成 ；生物 ；细胞色素P450 ；NBD
摘要： 碳元素是最丰富的自然元素之一,近年来,碳基纳米材料引起了不同学科研究者的广泛兴趣。其中,碳点（CDs）由于具有光学性质优良、水溶性好、抗光漂白能力强、生物毒性低等特点,成为纳米材料中崛起的新星,被广泛应用于分析检测、生物成像、载药、催化以及光学器件等领域。然而,目前报道的大部分碳点存在量子产率偏低、合成过程需要外界提供大量热源等缺点;近年来发展的室温制备碳点的方法,多数使用强酸、强碱及强氧化剂,需要繁琐的后处理,操作过程中存在一定危险,不利于大规模生产。因此,本文从筛选合成碳点的原料出发,发展绿色制备碳点的新方法,减少有机试剂的使用和降低能源消耗,成功合成出性质优良的发光碳点,并对碳点的形成机制和发光机制进行详细讨论,最终将其用于分析检测以及溶酶体靶向成像研究。由此,本文开展了以下三个研究工作:（1）碳点的溶剂热法制备及其用于羟高铁血红素的测定。以对氨基苯甲酸为原料通过溶剂热法在乙醇溶剂中一步合成蓝色荧光发射碳点。所制备的碳点水溶性好、抗盐性及抗氧化性好,可作为优良的荧光探针用于分析检测。高分辨透射显微镜（HRTEM）、原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱（Raman）等表征,证明所制备的碳点是有sp2和sp3杂化碳、多层石墨烯结构的准球形纳米颗粒,傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等分析表明碳点表面富含氨基和羧基。碳点的激发和发射光谱与具有较大摩尔吸光系数的羟高铁血红素的吸收光谱几乎完全重合,建立了基于内滤效应的检测机制高选择性测定羟高铁血红素的分析方法,并成功用于健康人血红细胞分析,实现了复杂基质中羟高铁血红素的选择性测定。（2）碳点的室温制备及溶酶体靶向和溶酶体内pH成像。已有研究认为氨基及丰富的水溶性基团可以实现细胞溶酶体的靶向,由此,合理选择对苯醌和乙二胺为原料,采取官能团保护策略（FPS）室温下制备出高量子产率翠绿色荧光碳点。对所制备的碳点进行了一系列详细表征,证明碳点富含氨基和水溶性基团（羧基和羟基等）,由此,利用碳点表面的水溶性基团的质子化和去质子化实现了pH传感。玻尔兹曼方程计算出碳点的pKa为4.78,完美覆盖溶酶体的pH范围（4.5-5.5）,而碳点表面丰富的氨基和水溶性基团诱导其靶向溶酶体。与商用的溶酶体染料Lyso-Tracker Red的共定位结果显示,碳点可以实现对溶酶体的靶向。进一步利用药物诱导细胞凋亡,溶酶体内酸度升高,碳点的荧光减弱,实现了溶酶体内pH成像。（3）碳点的低温可控合成及其发光机制的探讨。在第二个研究工作的基础上,同样以对苯醌和乙二胺为原料,选择不同的反应温度（35℃、25℃、15℃、0℃、-15℃）合成五个高量子产率碳点CDs-1、CDs-2、CDs-3、CDs-4和CDs-5。理论计算结果显示,在环境温度较低的情况下,由反应物自身的持续放热,也可以经历脱水、碳化、聚合过程,最后形成碳点。碳点表征表明:（1）五个碳点粒径不一,碳核状态不同;（2）有相似的元素组成和表面官能团,但含量有明显区别;（3）最大激发波长和最大发射波长都位于400 nm和530 nm,都发黄绿色荧光;（4）荧光量子产率（QY）随着反应温度的升高而增大;（5）五个碳点的荧光寿命相差不大,激发态能级（最低未占轨道,LOMO）和基态能级（最高占据轨道,HOMO）略有差异。这些结果都表明碳点的发光机制与碳核没有关系,主要取决于碳点表面缺陷态和表面氧化态。综上所述,在传统溶剂热方法的基础上,通过选择合适的碳原料,提出了新颖的绿色合成法,成功制备出了一系列性质优异的发光碳点,从而实现人红细胞内羟高铁血红素的选择性检测,溶酶体的靶向和溶酶体内pH成像,拓宽了碳点的应用;提出表面缺陷态和表面氧化态的发光机制,丰富了碳点的理论研究。总之,本文工作对室温甚至低温下高量子产率碳点的绿色制备、细胞器靶向和发光机制研究具有一定的参考价值。
关键词: 碳点 ；羟高铁血红素 ；室温合成 ；溶酶体靶向 ；发光机制
被引量
1
摘要： 质子转移化合物和氟化硼吡咯（BODIPY）是近年来被广泛应用和不断推新的重要荧光物质,而将两者相结合的二元发光化合物可为荧光识别体系的构建和新颖发光材料的设计提供新思路。本文采用酰胺合成的方法合成了5种2-（2-羟基/氨基苯基）苯并唑系和BODIPY双发光团的能量供体-受体二元化合物。并进行了1H NMR和高分辨质谱结构表征。运用紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱、荧光滴定法和量子化学计算研究了二元化合物的光谱性质。运用密度泛函（DFT）和含时密度泛函（TD DFT）理论方法研究了芳香性取代基对2-（2-羟基苯基）苯并咪唑（HBI）激发态质子转移和光谱性质的影响。1、合成了二元化合物HBT-BODIPY和HBT-BODIPY1,光谱测试结果表明HBT-BODIPY的最大吸收波长在500 nm左右,在513 nm附近有发射峰。因HBT-BODIPY1的共轭程度较大,所以后者的吸收与发射均比前者红移了14 nm左右。溶剂效应表明了这两种二元化合物对溶剂不敏感。阳离子响应性研究结果为Cu2+和Ni2+对HBT-BODIPY和HBT-BODIPY1均有荧光猝灭作用。当pH=11～14时,HBT-BODIPY的荧光强度明显降低,HBT-BODIPY1在pH=12～14条件下分子结构遭到破坏。2、研究发现,HBI与HBI-R的基态和激发态的稳定构型均分别为醇式和酮式结构;取代基使HBI基态和激发态分子内质子转移能垒都有降低,ESIPT比GSIPT容易发生;芳环取代基使吸收峰和发射峰均产生了明显的红移。在DMSO溶剂中,HBI-BODIPY的荧光强度随着Cu2+和Ni2+的浓度增加而降低,摩尔结合比分别为1:1和1:2,HBI-BODIPY在识别Cu2+和Ni2+时有较强的抗干扰性。当pH=11～14时,HBI-BODIPY的酰胺键断裂,在515 nm处的荧光峰降低并且在448 nm处出现新的发射峰。3、合成了二元化合物HBO-BODIPY,研究了在不同溶剂中的吸收与发射光谱。在乙腈溶剂中,构建了以HBO-NH2为能量供体和化合物2a为能量受体的荧光共振能量转移（FRET）体系,并考察了供、受体浓度变化对FRET的影响。离子响应与抗干扰性实验表明HBO-BODIPY能够识别Cu2+和Ni2+并且有较强的抗干扰性。当pH=11～14时,HBO-BODIPY在515 nm处的荧光峰降低并且在472 nm处出现新的发射峰。4、实验与理论计算相结合表明不同溶剂对APBT-BODIPY的吸收与发射光谱影响不大。研究发现,在四氢呋喃溶剂中APBT-BODIPY存在从能量供体APBT-COOH到能量受体3a的分子内荧光共振能量转移,并构建了两者分子间的FRET分子对。H+浓度增加,APBT-BODIPY在短波长处的吸收峰蓝移,在514 nm处的荧光峰降低。APBT-BODIPY对Cu2+表现出良好的专一性,并且随着Cu2+浓度增强,其荧光强度降低。
关键词: 苯并唑系化合物 ；二元化合物 ；BODIPY ；密度泛函理论 ；荧光共振能量转移
摘要： 本文采用实验与理论相结合的方法,研究了溶剂效应对2-（2-氨基苯基）苯并咪唑（APBI）和2-（2-氨基苯基）苯并噻唑（APBT）光谱性质及激发态分子内质子转移（ESIPT）的影响。考察了取代基效应对2-（2-氨基苯基）苯并噻唑光谱性质及激发态分子内质子转移的影响。对APBT和氨基卟啉（TPP-NH2）、2-（2,5-二氨基苯基）苯并噻唑（APBT-NH2）和氨基氟化硼吡咯（BODIPY-NH2）之间的荧光共振能量转移（FRET）过程进行了初步的研究。合成了APBT-TPP/BODIPY二元发光化合物,并对它们的结构进行了核磁和高分辨质谱的表征,测定了其紫外光谱和荧光光谱,优化了几何构型。1、本文参照文献方法合成了质子转移物质APBI和APBT,采用紫外光谱法、荧光光谱法和量子化学理论计算等手段对APBI和APBT在二氯甲烷、乙腈、甲醇等不同溶剂中的光谱性质及ESIPT过程进行了研究。研究发现,随着溶剂极性的增大,溶剂与APBI分子之间的相互作用使得HOMO和LUMO轨道之间的能隙增大,APBI的紫外光谱最大吸收波长蓝移,对APBI的ESIPT过程也起到抑制作用。TD DFT B3LYP/6-311++G（d）方法计算所得APBI在不同溶剂中的紫外吸收波长和荧光发射波长与实验结果相吻合。此外,对APBT光谱性质的研究表明,由于APBT与溶剂之间可以形成氢键复合物,使得APBT吸收光谱的最大吸收波长和最大发射波长均红移。在B3LYP/TZVP和TD B3LYP/TZVP水平上对APBT的基态和激发态结构进行优化,所得的前线轨道能级差、紫外光谱、荧光光谱和其他参数都证明了实验结论的正确性。2、合成了多种APBT氨基氢原子的供电子及吸电子基团的取代衍生物,并用紫外光谱﹑荧光光谱等光谱法和密度泛函理论（DFT）计算研究了取代基效应对它们的光谱性质及ESIPT的影响规律。结果表明,在APBT分子的氨基氮原子上引入不同的吸电子或斥电子取代基,对氮原子的电荷性质有较大的影响。甲基取代后的APBT,其最远端的吸收峰会红移。而COCH2Cl等吸电子基团取代后的APBT,其最远端的吸收峰会蓝移。在环己烷溶剂中,甲基取代后的APBT仅有单重荧光发射峰,体系未发生ESIPT过程;而COCH2Cl等吸电子基团能促进APBT的ESIPT,其荧光发射光谱出现了明显的双重峰,表明体系发生了激发态分子内质子转移反应。采用PBE1PBE/TZVP方法计算出APBT及其衍生物的前线轨道能差,TD PBE1PBE/TZVP计算出APBT及其衍生物的紫外光谱、荧光光谱、判断出APBT在激发态时的稳定构型、提取激发态结构参数、结合过渡态能垒进一步对实验结论予以印证。3、采用紫外光谱法和荧光光谱法对APBT和TPP-NH2之间的相互作用进行了初步的研究。实验表明,APBT的荧光发射光谱和TPP-NH2的紫外光谱有较大程度的重叠,可以构建以APBT为能量供体、TPP-NH2为能量受体的FRET体系。对APBT、TPP-NH2及其混合溶液APBT/TPP-NH2的荧光光谱进行研究,结果表明在APBT和TPP-NH2之间发生了FRET过程,同样APBT-NH2和BODIPY-NH2之间也发生了FRET过程。4、合成了TPP-NH2和BODIPY-NH2,利用丁二酸酐将其与APBT进行连接,构成APBT-TPP、APBT-BODIPY二元发光化合物,通过核磁和质谱等手段对目标产物进行了表征。分别测定二元化合物在不同溶剂中的紫外光谱和荧光光谱,APBT-TPP的荧光强度随着溶剂极性的增强而升高,APBT-BODIPY的荧光强度随着溶剂极性的增强而降低。采用TD B3LYP/6-31G（d）方法对所合成二元化合物的激发态结构进行优化,得出激发态的稳定构型为Enol构型。采用B3LYP/6-31G（d）方法对二元化合物在不同溶剂中的基态结构进行优化,得到基态前线分子轨道。
关键词: APBI/APBT ；TPP/BODIPY ；密度泛函理论 ；紫外光谱 ；荧光光谱 ；质子转移
摘要： 羧基具有较强的配位能力和多样的配位模式,这为功能配位化合物的结构设计、定向合成提供了多样的选择和可行的方向。偶氮苯基团的光致异构化特性使其在光控开关、信息存储、非线性光学材料等领域存在潜在应用价值。因此将偶氮苯基团引入到羧酸类分子体系中,去合成偶氮苯功能化的羧酸类分子及其配合物具有十分重要的研究价值与意义。本文以2,4-二氨基偶氮苯盐酸盐(柯衣定,DAAB)、对氨基偶氮苯(AAB)和对醛基苯甲酸(CBA)为原料,通过氨基与醛基的脱水缩合反应形成希夫碱结构来设计合成偶氮苯功能化的羧酸类化合物:4-氨基-2-(对羧苯亚甲基苯胺基)偶氮苯(Hacaa)、2,4-(二羧苯亚甲基苯胺基)偶氮苯(H2dcaa)以及对羧苯亚甲基苯胺基偶氮苯(Hcaa)。进而采用此类分子作为功能配体与金属离子Cd2+、Co2+等配位形成相应配合物,并研究该类分子及其配合物的光致异构化性质和荧光性能,主要内容如下:(1)在回流条件下,采用氨基与醛基脱水缩合反应获得三种偶氮苯羧酸化合物,并采用EA、UV-vis、FT-IR、TG-DTA等对其进行表征。对比优化缓慢蒸发法、扩散法、溶剂热等方法培养化合物单晶的实验条件。采用缓慢蒸发法获得了适合单晶XRD测试的化合物Hacaa的单晶,该晶体为红色长方体,尺寸0.5×0.3×0.2 mm,单斜晶系,空间群C2/c,晶胞参数:a=12.82 A,b=7.81 A,c=19.83 A,α=90.00 deg,β=90.26 deg,γ=90.00 deg,晶体结构中Hacaa通过分子间氢键在空间沿z轴呈“波浪状”堆积。分析结果表明化合物的紫外吸收、热稳定性等均与分子的共轭化程度密切相关;(2)以所获得的三种偶氮苯羧酸化合物为配体分别与Cd2+、Co2+等金属离子配位合成相应配合物,对比、探讨和优化了溶剂热法、扩散法等合成方法、反应条件及影响因素,并采用EA、UV-vis、FT-IR、TG-DTA等方法对所得产物进行了表征分析。分析结果表明配合物中溶剂分子参与了配位,且配合物的稳定性与分子的共轭化程度密切相关,共轭化程度越大,配合物越稳定;(3)对偶氮苯羧酸化合物及其配合物的光致异构化性质和荧光性能进行了研究。紫外吸收光谱和荧光发射光谱研究表明其在紫外光照射下发生了从反式到顺式的异构化反应,同时伴随着颜色变化;异构化转化率、转化速率显示偶氮苯基团的光致异构化反应受取代基、空间位阻、共轭化程度等因素的影响。共轭化程度越大,转化速率越快,荧光强度越强且向长波方向移动。
关键词: 偶氮苯 ；金属羧酸配合物 ；光致异构化 ；单晶X射线衍射 ；荧光光谱
被引量
1
摘要： 糖苷及苷元类化合物广泛分布于自然界中,具有抗肿瘤、抗氧化、抗疲劳以及防治心脑血管疾病等显著药理活性,在药物化学领域是一类重要的药用资源化合物。然而,由于植物资源的匮乏以及自身含量的低微,糖苷及苷元类化合物的需求不得不依靠于人工制备,如有机合成、组织培养以及酶催化生物转化等。众所周知,化学合成法及组织悬浮培养法均存在或多或少的缺陷(周期长且产率低等),制约了其进一步发展应用。不可置否,酶催化生物转化过程具有反应条件温和、高效简便且环境友好的显著优势,是糖苷及苷元类活性化合物制备的理想途径,极具发展潜力。酶催化反应过程大多选择在传统缓冲液中进行,但受制于某些反应类型特性以及底物溶解性的差异,水相并不是适宜的反应溶剂体系。鉴于上述情况,非水相酶催化应用逐步发展,可以促进传统水相中难以进行或效率极低的催化反应过程的发生,极大顺应了酶工程学领域的应用要求。低共熔溶剂(Deep Eutectic Solvents,DESs)是一类新型绿色溶剂,自2003年问世以来便凭借其独特的理化性质及优良特性而广受关注,并在非水相酶催化反应的应用中显示出了独特的优越性。基于此,本研究选用DESs含水溶液为酶催化反应溶剂,首次以β-D-葡萄糖苷酶为研究对象,初步探讨了不同DESs介质对于糖苷酶催化特性的作用规律及影响机制;选用不同催化机制对应的模型反应,通过最佳工艺的优化及放大制备研究确定了该反应体系在酶催化制备糖苷及苷元类活性物质的可行性及先进性。在本论文中,首先,我们合成了16种氯化胆碱型DESs,考察了苦杏仁来源β-D-葡萄糖苷酶在上述DESs介质中的酶催化活性、稳定性(热稳定性及存储稳定性),并筛选出了整体表现较优的候选DESs。在上述候选DESs中,进一步测定了酶的最适反应温度、pH值及米氏常数Km等酶学性质参数。实验结果表明,DESs介质对于苦杏仁来源β-D-葡萄糖苷酶催化特性具有显著影响,酶催化活性略有降低,但稳定性却显著提升,不同DESs类型的影响主要取决于氢键供体种类以及组成成分的摩尔比例。在维持酶的相对活力方面,多元醇类DESs表现明显优于酰胺类;当氢键受体与供体摩尔比例为1:1时,酶的相对活力为不同比例中最低值,而组成为其它比例(2:1,1:1,1:3)时则表现相当。低浓度DESs体系中,酶的最适反应温度及pH值较缓冲液中无明显改变,而酶促动力学参数Km以及Vmax均存在一定程度下降,表明底物与酶分子的诱导契合作用增强,但底物的传质扩散却受到抑制。第二,将所选DESs介质ChCl/G(1:2)作为反应体系,研究了酶催化糖基化合成红景天苷的可行性。利用单因素试验与响应面优化法,确定了壳聚糖固定化的β-D-葡萄糖苷酶催化糖基化合成红景天苷反应最佳工艺条件:DESs浓度为80 vol%,反应温度50°C,体系pH值为5.8,反应时间100 h,酶添加量为45 U/m L,底物酪醇/葡萄糖摩尔比例为10;在此条件下,底物最大转化率可达31.6%,经大孔树脂层析初步提纯,红景天苷粗产品纯度可达70%以上。此外,所采用的固定化酶也可循环利用,具有较高的操作稳定性,保障了反应的可行性以及可持续性。第三,评价了DESs介质中酶催化水解制备大豆苷元的可行性与适用性。经单因素试验与响应面优化法确定最佳工艺条件为:DESs浓度为30 vol%,反应时间为100min,反应温度为55°C,pH值为5.4,酶用量为1.0 U/mL,底物浓度为300μg/m L;在此条件下,底物最大转化率高达97.53%。按上述工艺条件进行放大制备,产物大豆苷元在反应过程中可以不断析出,简单过滤即可实现产物分离,而体系可继续投料直接进行下一步反应,可重复利用5次以上。此外,对于酶催化大豆苷水解反应而言,我们发现DESs介质对于底物大豆苷具有优良的溶解性能,在大规模生产中具有更高的适用价值。第四,系统考察了不同DESs体系对于大豆苷及大豆苷元的溶解特性规律。结果显示,在室温下,大豆苷及大豆苷元分别在ChCl/EG(1:2,50 vol%)和ChCl/U(1:2,50vol%)体系中溶解效果最优,各自平衡溶解度分别达475.4μg/m L和993.6μg/m L。溶解过程中,我们发现DESs浓度对于溶质溶解度影响较为显著,但二者呈现出不同规律;在测定溶质共存溶解度时,研究表明大豆苷在一定程度上可以促进大豆苷元的溶解,推测当联合使用时可以提高其体内的溶解吸收。经综合筛选,最终选用ChCl/U(1:2)/ChCl/EG(1:2)(v/v,1:7;80,100 vol%)体系作为混合溶剂,采用不同热力学方程进行关联拟合,其中Apelblat方程关联度最优,相关系数R2均达到0.999以上。最后,我们利用紫外吸收以及荧光发射光谱技术,初步研究了不同种类DESs介质对于β-D-葡萄糖苷酶结构的影响规律,从蛋白分子构象角度分析了DESs体系影响酶催化特性的基础作用机理。在DESs体系中,酶的紫外以及荧光光谱均发生了最大波长位移以及强度的改变,主要原因可能是由于溶剂效应引起的酶蛋白分子中氨基酸侧链的暴露,从而引起构象改变所致。研究表明,DESs介质中酶蛋白光谱的变化与其催化活性及稳定性呈现一定关联性,DESs介质对于酶催化特性的影响主要是由于酶分子的蛋白结构发生了改变。总而言之,本论文首次研究了β-D-葡萄糖苷酶在DESs介质中的作用规律及可行性,成功构建了酶催化制备糖苷以及苷元类化合物的新型绿色体系,具有高效简便、环境友好等显著优势,展现出一定的实用价值,同时也可为此领域的相关学术研究提供必不可少的参考思路和理论依据。
关键词: 低共熔溶剂 ；非水相酶催化 ；β-D-葡萄糖苷酶 ；红景天苷 ；大豆苷元
被引量
4
摘要： 光致变色和热致变色化合物在各种新型功能材料领域有着极大的应用价值，多年以来越来越多的受到关注。单独研究化合物的光致变色或热致变色的课题比较多，同时研究光致变色和热致变色性能的并不多见。因此合成具有光致变色和热致变色性能的化合物，通过紫外光谱和荧光光谱对其变色机理进行研究讨论具有重要意义。
一、利用分步法和溶剂热法分别合成了间氨基苯甲酸缩3，5-二氯水杨醛(HSI)、间氨基苯甲酸缩3，5-二溴水杨醛(HS2)、对氨基苯甲酸缩3，5-二溴水杨醛(HS5)等三种水杨醛衍生物类单希夫碱和乙二胺缩3，5-二氯水杨醛(HS3)、乙二胺缩3，5-二溴水杨醛(HS4)两种水杨醛衍生物类双希夫碱以及对氨基苯甲酸缩2-羟基-1-萘甲醛单希夫碱(HS6)等六种水杨醛衍生物类希夫碱及特殊的有机物(HS7)和两种金属配合物(MS1，MS2)共三种单晶;通过红外、质谱、核磁氢谱、元素分析和X射线单晶衍射等常规手段进行了表征;通过紫外可见和荧光分光光度计对六种希夫碱进行了光谱分析;通过TG/DTG曲线图进行了热稳定性分析。
一、在365 nm紫外灯照射下，在DMF溶剂里测定了紫外可见光谱和荧光光谱研究了六种水杨醛衍生物类希夫碱的光致变色性，还探讨了溶剂效应和过渡金属离子等对光致变色的影响并很好的证明了光致变色现象的存在。实验结果表明HS1、HS2、HS3和HS4都具有较好的光致变色性，而HS5、HS6具有一般的光致变色性。通过对紫外最大吸收峰或荧光最大发射波长对紫外灯照射时间的线性关系我们可以明显看出荧光光谱比紫外可见光谱更能表现出更好的线性关系。实验证明溶剂对光致变色性影响较大，普遍在DMF溶剂中具有最佳的光致变色性。
三、同样利用紫外可见光谱和荧光光谱考察了六种水杨醛衍生物类希夫碱在恒温和升温情况下的热致变色性。结果表明HS1、HS2具有很好的热致变色性;HS3、HS4具有一般的热致变色性;HS5、HS6则具有较差的热致变色性。荧光光谱与温度变化的线性关系比紫外可见光谱与温度变化的线性关系好。它们在恒温条件下的热致变色性不是很明显，说明温度对它们的变色现象起到关键作用。
四、利用高斯软件在PC机上对六种水杨醛衍生物类希夫碱分子结构进行了几何优化，并进一步进行计算得到了如分子的最高占据轨道(EHOMO)，最低空轨道(ELUMO)，偶极矩(μ)，总能量(ERB+HF-LYP)，零点能(ZPE)，标准焓(Hθ)，标准自由能(Gθ)，恒容热熔(Cvθ)，标准熵等等(Sθ)等量子计算化学的基本参数;得到了详细的键长及键角等重要分子结构参数;还通过其它计算得出了分子的Mulliken净电荷分布和分子的前线轨道情况及原子轨道对分子轨道的贡献等重要数据。
关键词: 光致变色 ；热致变色 ；密度泛函理论 ；水杨醛衍生物 ；希夫碱 ；荧光光谱 ；溶剂热法
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