一种吡唑并嘧啶化合物及其制备方法和作为荧光探针的应用

1.本发明属于有机发光材料的技术领域，更具体地，涉及一种吡唑并嘧啶化合物及其制备方法和作为荧光探针的应用。


背景技术：

2.吡唑并嘧啶是一种重要的含氮稠环类化合物，具有广泛的生物活性。其在农药、医药领域中广泛的应用，被用作抗癌药物、酶抑制剂、农用杀菌剂等(nature,2018,560,192-197；j.med.chem.,2020,63,6144-6163；j.agri.food chem.,2021,69,11395-11405.)。但以分子骨架为吡唑并嘧啶的有机发光材料尚未有报道。
3.脂滴(lipid droplet)是动植物维持脂质和能量稳态的关键细胞器。其由磷脂单分子表层和中性脂内核形成，膜上镶嵌有多种膜蛋白。脂滴的主要功能是细胞内中性脂的主要存贮场所，动态调节细胞的能量平衡，膜的运输、蛋白降解、组蛋白存储、新陈代谢、病毒识别等生理活动。近年来，越来越多的研究揭示了脂滴具有更多的生理功能，例如抗菌免疫能力，促进药物积累和激活的能力等功能(nat.rev.gastroenterol.hepatol.,2017,14,343；cell,2018,174,700；science,2020,370,8085；nat.chem.biol.,2020,16,206-213.)。目前，检测脂滴的方法主要包括免疫组织法、拉曼散射法、核磁共振法和荧光成像法。与其它方法相比，荧光成像法具有操作简便、灵敏度高、易于直接观察等优势，受到越来越多科学家的青睐。因此，利用荧光探针揭示脂滴相关疾病具有重要的意义。
4.当前市场中商业化的脂滴染料有尼罗红(nile red)和bodipy系列等，这些商业化的染料存在着孵化时间长、斯托克斯位移小、清洗过程繁琐、聚集诱导荧光淬灭(acq)等劣势。因此，开发新型高选择性、高荧光量子产率、抗光漂白的荧光探针在生命科学领域具有重要意义。


技术实现要素：

5.针对上述现有的技术问题，本发明的目的在于通过分子设计，提供一种吡唑并嘧啶化合物，所述吡唑并嘧啶化合物具有明显的光致发光特性及抑制荧光自猝灭的性质，还具有高荧光量子产率及高光稳定性，可作为一种新型的有机发光材料。
6.本发明的另一个目的在于提供上述吡唑并嘧啶化合物在作为荧光探针中的应用。
7.本发明的再一目的在于提供上述吡唑并嘧啶化合物的制备方法。
8.为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案予以实现的：
9.一种吡唑并嘧啶化合物，其化学名称为4-((2,2'-联噻吩)-5-基)-1-(2,6-二氯-4-三氟甲基苯基)-6-甲基-1h-吡唑并[3,4-d]嘧啶-3-甲腈，所述吡唑并嘧啶化合物的结构式如式(ⅰ)所示：
[0010][0011]
发明人团队通过分子设计，意外地发现了一种具有明显光致发光特性的吡唑并嘧啶化合物，所述吡唑并嘧啶化合物具有高荧光量子产率(φf＞0.99)及高光稳定性，可作为一种新型的有机发光材料。进一步地，发明人在探索该吡唑并嘧啶化合物的应用时，意外地发现，该吡唑并嘧啶化合物可作为荧光探针对生物体内的脂滴具有优异的靶向能力，对生物样品具有孵育时间短、膜通透性、高荧光量子产率、高对比度成像及高光稳定性的特点，优于商品化的荧光探针nile red和rhodamine b。同时，所述吡唑并嘧啶化合物的细胞毒性低，生物相容性好，作为荧光探针时，分子整体为电中性，可消除背景干扰。
[0012]
进一步地，本发明还提供了上述吡唑并嘧啶化合物的制备方法，具体是，在碘催化剂存在下，将5-氨基-3-氰基-1-(2,6-二氯-4-三氟甲基苯基)吡唑、2,2-联噻吩-5-乙醛、乙腈和溶剂混合加热，经提取后处理后，得到所述吡唑并嘧啶化合物，其反应式如下：
[0013][0014]
优选地，所述5-氨基-3-氰基-1-(2,6-二氯-4-三氟甲基苯基)吡唑和2,2-联噻吩-5-乙醛摩尔比为1:(1～2)。
[0015]
进一步优选地，所述5-氨基-3-氰基-1-(2,6-二氯-4-三氟甲基苯基)吡唑和2,2-联噻吩-5-乙醛的摩尔比为1:2。
[0016]
优选地，所述5-氨基-3-氰基-1-(2,6-二氯-4-三氟甲基苯基)吡唑和乙腈的摩尔比为1:(1～2)。
[0017]
进一步优选地，所述5-氨基-3-氰基-1-(2,6-二氯-4-三氟甲基苯基)吡唑和乙腈的摩尔比为1:2。
[0018]
优选地，所述溶剂可以本领域常用的有机溶剂，例如是甲苯、氯苯、1,4-二氧六环、1,2-二氯乙烷、乙腈等。
[0019]
溶剂的用量通常是反应物用量的数十倍至数百倍以上。
[0020]
例如，当乙腈同时作为本发明的反应物和溶剂时，其用量远高于所述5-氨基-3-氰基-1-(2,6-二氯-4-三氟甲基苯基)吡唑的用量；具体而言，当所述反应溶剂为乙腈时，所述5-氨基-3-氰基-1-(2,6-二氯-4-三氟甲基苯基)吡唑和作为溶剂的乙腈的摩尔比为1:(50～300)。
[0021]
所述碘催化剂可以是本领域常用的碘催化剂，优选为n-碘代丁二酰亚胺、碘单质或碘化氢中的一种或多种。
[0022]
优选地，所述加热的温度为110～160℃。
[0023]
进一步优选地，所述加热温度为120℃。
[0024]
优选地，所述加热的时间为12～48h。
[0025]
优选地，所述5-氨基-3-氰基-1-(2,6-二氯-4-三氟甲基苯基)吡唑和碘催化剂的摩尔比为1:(1.0～2.0)。
[0026]
优选地，所述提取后处理为将反应产物洗涤，萃取，再经分离纯化，得到所述吡唑并嘧啶化合物。
[0027]
具体地，本发明提供了一种具体的提取后处理方法：反应结束后，将反应产物冷却至室温，加入硫代硫酸钠溶液进行洗涤，随后采用二氯甲烷或乙酸乙酯进行萃取，有机相减压蒸馏旋干溶剂后得到粗产物，再采用石油醚和乙酸乙酯混合洗脱液进行柱色谱分离得到所述吡唑并嘧啶化合物。
[0028]
优选地，所述石油醚和乙酸乙酯混合洗脱液中，石油醚与乙酸乙酯的体积比为10:1。
[0029]
此外，本发明还提供了所述吡唑并嘧啶化合物在作为荧光探针的应用。
[0030]
进一步地，所述吡唑并嘧啶化合物在作为传感检测生物体系中的脂滴的荧光探针的应用。
[0031]
进一步地，所述传感检测包括但不限于荧光检测和/或细胞成像。
[0032]
进一步地，所述吡唑并嘧啶化合物在作为标记或显示细胞或组织中脂滴形态的荧光探针的应用也应在本发明的保护范围之内。
[0033]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0034]
(1)本发明提供了一种吡唑并嘧啶化合物，具有明显的光致发光特性及抑制荧光自猝灭的性质，还具有高荧光量子产率(φf＞0.99)及高光稳定性，可作为一种新型的有机发光材料。
[0035]
(2)所述吡唑并嘧啶化合物还可作为一种新型的荧光探针，用于生物体内活细胞的传感检测，该荧光探针在生物体内具有优异的脂滴靶向能力，对生物样品具有孵育时间短、膜通透性、高荧光量子产率、高对比度成像及高光稳定性的特点；此外，该吡唑并嘧啶化合物细胞毒性低，以及具有良好的生物相容性。
[0036]
(3)本发明还提供了一种吡唑并嘧啶化合物的制备方法，该制备方法操作简单，仅通过一步合成反应即可制得所述吡唑并嘧啶化合物，且后处理过程简单，原料简单易得。
附图说明
[0037]
图1为实施例1所得目标产物荧光探针tpp的核磁共振氢谱1h nmr。
[0038]
图2是实施例1所得目标产物荧光探针tpp的核磁共振碳谱
13
c nmr。
[0039]
图3是实施例1所得目标产物荧光探针tpp的核磁共振氟谱
19
f nmr。
[0040]
图4是实施例1所得目标产物荧光探针tpp的高分辨质谱hrms。
[0041]
图5是实施例1所得目标产物荧光探针tpp在溶液里的荧光量子产率图。
[0042]
图6是实施例1所得目标产物荧光探针tpp和对照探针nile red对sf-9细胞的细胞毒性实验图。
[0043]
图7是实施例1所得目标产物荧光探针tpp和对照探针nile red对hct-8细胞的细
胞毒性实验图。
[0044]
图8是实施例1所得目标产物荧光探针tpp和对照探针nile red和rhodamine b的光稳定性试验图。
[0045]
图9是实施例1所得目标产物荧光探针tpp和三种商业探针对sf-9细胞中内质网，线粒体和脂滴染色共聚焦图。
[0046]
图10是实施例1所得目标产物荧光探针tpp和对照探针nile red对hct-8细胞中脂滴染色共聚焦图。
具体实施方式
[0047]
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
[0048]
此外，除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
[0049]
实施例1吡唑并嘧啶荧光探针tpp的制备
[0050]
本实施例制备的荧光探针tpp的结构式如下：
[0051][0052]
本实施例荧光探针tpp的具体制备方法如下：
[0053]
在反应器中加入0.2毫摩尔的5-氨基-3-氰基-1-(2,6-二氯-4-三氟甲基苯基)吡唑，0.4毫摩尔的2,2-联噻吩-5-乙醛，3毫升的乙腈，0.3毫摩尔的单质碘。在氧气氛围下，加热到120℃，持续搅拌16小时后，停止加热反应，将反应器冷却至室温，加入硫代硫酸钠溶液洗涤，然后用乙酸乙酯萃取，干燥，减压蒸馏除去有机溶剂获得粗产物，随后采用流动相体积比为10：1的石油醚和乙酸乙酯洗脱液进行柱层析分离，即得上述荧光探针tpp目标产物，产率34％。
[0054]
本实施例所得产物的核磁共振氢谱数据如图1所示：1h nmr(600mhz,cdcl3)δ8.49(dd,j＝4.1,0.8hz,1h),7.84(s,2h),7.43
–
7.39(m,2h),7.36(dd,j＝5.1,0.8hz,1h),7.12
–
7.06(m,1h),2.78(s,3h)；
[0055]
核磁共振碳谱数据如图2所示：
13
c nmr(151mhz,cdcl3)δ167.8,156.2,154.5,145.3,138.7,136.4,136.3,135.3,134.6(q,j＝34.5hz),134.1,128.3,126.6,126.1(q,j＝3.6hz),125.7,125.6,122.1(q,j＝273.8hz),120.6,113.8,107.1,26.1；
[0056]
核磁共振氟谱数据如图3所示：
19
f nmr(565mhz,cdcl3)δ-63.2(s,3f)；ir(kbr):3430,2924,2855,1561,1452,1333,1255,1159,1126cm-1
；
[0057]
高分辨质谱数据如图4所示：hrms(esi,m/z):[m h]

calcd.for c
22h10
cl2f3n5s2 h,535.9779；found,535.9781。
[0058]
实施例2
[0059]
本实施例制备的荧光探针tpp的结构式如下：
[0060][0061]
本实施例荧光探针tpp的具体制备方法如下：
[0062]
在反应器中加入0.2毫摩尔的5-氨基-3-氰基-1-(2,6-二氯-4-三氟甲基苯基)吡唑，0.4毫摩尔的2,2-联噻吩-5-乙醛，3毫升的乙腈，0.3毫摩尔的n-碘代丁二酰亚胺。在氧气氛围下，加热到120℃，持续搅拌16小时后，停止加热反应，将反应器冷却至室温，加入硫代硫酸钠溶液洗涤，然后用乙酸乙酯萃取，干燥，减压蒸馏除去有机溶剂获得粗产物，随后采用流动相体积比为10：1的石油醚和乙酸乙酯洗脱液进行柱层析分离，即得上述荧光探针tpp目标产物，产率25％。
[0063]
实施例3
[0064]
本实施例制备的荧光探针tpp的结构式如下：
[0065][0066]
本实施例荧光探针tpp的具体制备方法如下：
[0067]
在反应器中加入0.2毫摩尔的5-氨基-3-氰基-1-(2,6-二氯-4-三氟甲基苯基)吡唑，0.4毫摩尔的2,2-联噻吩-5-乙醛，3毫升的乙腈，0.3毫摩尔的单质碘。在氧气氛围下，加热到160℃，持续搅拌12小时后，停止加热反应，将反应器冷却至室温，加入硫代硫酸钠溶液洗涤，然后用乙酸乙酯萃取，干燥，减压蒸馏除去有机溶剂获得粗产物，随后采用流动相体积比为10：1的石油醚和乙酸乙酯洗脱液进行柱层析分离，即得上述荧光探针tpp目标产物，产率28％。
[0068]
实施例4
[0069]
本实施例制备的荧光探针tpp的结构式如下：
[0070][0071]
本实施例荧光探针tpp的具体制备方法如下：
[0072]
在反应器中加入0.2毫摩尔的5-氨基-3-氰基-1-(2,6-二氯-4-三氟甲基苯基)吡
唑，0.2毫摩尔的2,2-联噻吩-5-乙醛，3毫升的乙腈，0.3毫摩尔的单质碘。在氧气氛围下，加热到120℃，持续搅拌24小时后，停止加热反应，将反应器冷却至室温，加入硫代硫酸钠溶液洗涤，然后用乙酸乙酯萃取，干燥，减压蒸馏除去有机溶剂获得粗产物，随后采用流动相体积比为10：1的石油醚和乙酸乙酯洗脱液进行柱层析分离，即得上述荧光探针tpp目标产物，产率22％。
[0073]
实施例5
[0074]
本实施例制备的荧光探针tpp的结构式如下：
[0075][0076]
本实施例荧光探针tpp的具体制备方法如下：
[0077]
在反应器中加入0.2毫摩尔的5-氨基-3-氰基-1-(2,6-二氯-4-三氟甲基苯基)吡唑，0.4毫摩尔的2,2-联噻吩-5-乙醛，1毫升的乙腈，1毫升甲苯，0.3毫摩尔的单质碘。在氧气氛围下，加热到120℃，持续搅拌24小时后，停止加热反应，将反应器冷却至室温，加入硫代硫酸钠溶液洗涤，然后用乙酸乙酯萃取，干燥，减压蒸馏除去有机溶剂获得粗产物，随后采用流动相体积比为10：1的石油醚和乙酸乙酯洗脱液进行柱层析分离，即得上述荧光探针tpp目标产物，产率30％。
[0078]
实施例6性能测试
[0079]
(1)荧光探针tpp的光学性质测试
[0080]
取实施例1制备的荧光探针tpp溶于dmso溶剂中配置成浓度为1
×
10-3
mol
·
l-1
的溶液，避光保存在冷冻冰箱里作为测试用的母液。测试紫外吸收光谱和荧光光谱时，取100μl母液转移至10ml容量瓶，然后加入溶剂定容至10ml配置成浓度为1
×
10-3
mol
·
l-1
的待测样品。测试紫外和荧光所使用的的石英比色皿规格是1
×1×
3cm3。测试荧光探针tpp在有机溶剂中的紫外吸收光谱和荧光发射光谱。
[0081]
测试结果如图5所示，荧光探针tpp的吸收波长λ
abs
＝404nm，发射波长λ
em
＝486nm，在乙酸乙酯溶液中，观察到tpp在550nm处有单一发射峰，量子产率φf大于0.99。
[0082]
(2)荧光探针tpp的细胞毒性试验
[0083]
在实际应用中细胞毒性作为一个重要指标。使用标准的cck-8方法验证实施例1制备的荧光探针tpp和对照探针nile red对sf-9细胞和hct-8细胞毒性。结果如图6和图7所示，实施例1制备的荧光探针tpp对sf-9细胞和hct-8细胞无明显毒性。因此，荧光探针tpp对生物活细胞是安全的，适用于细胞成像实验。
[0084]
(3)荧光探针tpp对光稳定性试验
[0085]
在荧光光谱仪用时间扫描模式(time-scan mode)测试实施例1制备的荧光探针tpp、对照探针nile red和rhodamine b在一段时间内重复激发下的峰值荧光强度，时间梯度设定为10s，时间范围设定为20min，激发波长设定为550nm，监测峰值波长设定为550nm。其中激发波长与峰值波长参考在波长模式下测得的荧光光谱数据，如图8所示，随着时间的
增长，荧光探针tpp的峰值荧光强度几乎无变化；而对照探针nile red的峰值荧光强度低于荧光探针tpp，且峰值荧光强度不稳定；对照探针rhodamine b的峰值荧光强度逐渐降低；上述说明本技术制备的荧光探针tpp具有优异的光稳定性。
[0086]
(4)荧光探针tpp对sf-9细胞中荧光成像
[0087]
为了证实实施例1制备的荧光探针tpp能够靶向在细胞内的脂滴部位，将10μl实施例2中制备的荧光探针tpp(λ
ex
＝405nm)的dmso溶液母液加入到育有sf-9细胞的培养液中，37℃条件下在培养箱中培养(孵育时间)20min，使用激光扫描共焦显微镜捕获sf-9细胞的荧光共焦图像。然后分别与商业染料nile red(脂滴商染，λ
ex
＝560nm)、mito tracker(线粒体商染，λ
ex
＝570nm)和er tracker(内质网商染，λ
ex
＝587nm)共培养20min，用pbs缓冲溶液洗2遍，分别在各自的激发波长之下进行激光共聚焦显影。
[0088]
如图9所示，在脂滴区域，红色通道与绿色通道重叠良好，荧光探针tpp与nile red的皮尔逊系数(rr)大于0.8。可见，荧光探针tpp不仅具有膜通透性，还能够靶向在sf-9细胞内的脂滴部位。
[0089]
(5)荧光探针tpp对hct-8细胞中脂滴荧光成像
[0090]
为了证实荧光探针tpp能够在其他动物细胞内的靶向点亮脂滴部位，将10μl实施例2中制备的荧光探针tpp(λ
ex
＝405nm)的dmso溶液母液加入到育有hct-8细胞的培养液中在培养箱中在37℃条件下培养(孵育时间)20min，使用激光扫描共焦显微镜捕获sf-9细胞的荧光共焦图像。然后与商业染料nile red脂滴商染，λ
ex
＝560nm)共培养20min，用pbs缓冲溶液洗2遍，分别在各自的激发波长之下进行激光共聚焦显影。
[0091]
如图10所示，在脂滴区域，红色通道与绿色通道重叠良好，荧光探针tpp与nile red的皮尔逊系数(rr)大于0.8。可见，荧光探针tpp能够靶向在hct-8细胞内的脂滴部位。
[0092]
前述的实例仅是说明性的，用于解释本发明所述方法的一些特征。所附的权利要求旨在要求可以设想的尽可能广的范围，且本文所呈现的实施例为申请人真实试验结果加以论证。因此，申请人的用意是所附的权利要求不被说明本发明的特征的示例的选择限制。在权利要求中所用的一些数值范围也包括了在其之内的子范围，这些范围中的变化也应在可能的情况下解释为被所附的权利要求覆盖。