利用Knoevenagel縮合反應合成聚集誘導發光型丙烯腈衍生物

尹昱婷，張博軒，劉欣怡，蘇小龍，齊春軒，馮海濤

寶雞文理學院化學化工學院，AIE (聚集誘導發光)研究中心，陜西 寶雞 721000

1 引言

發光材料被廣泛應用于人類社會的各個領域，對人類社會的發展至關重要，與無機發光材料相比，有機發光材料具有光色易調、發光效率高、功耗低、響應速度快、易加工、成膜性好等優點。但傳統有機發光材料由于聚集誘導熒光淬滅(Aggregation-caused Quenching，ACQ)效應，嚴重限制了其實際應用[1]。傳統熒光化合物通常在單分子或稀溶液中有強烈的熒光發射，但當分子發生聚集或在固體狀態時熒光淬滅，引起該現象的主要原因是相鄰的發光分子間容易形成π–π堆積，使激發態分子以非輻射方式回到基態，導致熒光淬滅。聚集誘導發光現象則與之完全相反，該類分子在溶解狀態下發光微弱，而在聚集狀態下或固態、薄膜中熒光急劇增強[1,2]。自2001年首例AIE分子(1-甲基-1,2,3,4,5-五苯基噻咯)被報道以來[3]，AIE分子由于其良好的光物理性能，被廣泛應用于固態發光器件、有機光電、生物成像、光動力治療、化學/生物傳感等前沿領域[2,4,5]。掌握AIE材料的發光機理對該類材料的設計有很大的指導意義，經過大量研究，目前最為廣泛接受的機理是由唐本忠教授等人提出的分子內運動受限(restriction of intramolecular motion，RIM)[2]，包括分子內旋轉受限(restriction of intramolecular rotation，RIR)和分子內振動受限(restriction of intramolecular vibration，RIV)兩種。AIE分子在聚集或固體狀態下限制了分子內的運動導致激發態能量以輻射躍遷的方式被釋放，直觀表現為強烈熒光。因此，我們希望在有機實驗課堂上，通過利用經典有機合成方法構筑AIE化合物，讓學生在掌握有機合成反應機理及實驗操作的同時，初步了解AIE熒光分子的分子結構特點及AIE材料發光機理，進一步增強有機實驗課程趣味性。

Knoevenagel縮合反應是經典的有機人名反應之一，目前在《有機化學實驗》中已有所涉及[6]。該類反應通常是將一種羰基化合物與活性亞甲基脫水縮合，用于碳碳雙鍵的構建，是制備取代烯烴類化合物的一種重要且常用的方法。利用該反應合成的α,β-不飽和化合物是一類重要的有機化合物及反應中間體，在精細化工品、醫藥中間體、生命科學制備等領域發揮著重要作用[7,8]。因此，我們期望在有機實驗課程中引入Knoevenagel縮合反應，使學生掌握Knoevenagel縮合反應的機理、實驗操作及其應用。

本實驗利用Knoevenagel縮合反應，將4-氰基苯乙腈與芳香醛在堿性條件下，通過分子間脫水，制備同時含供電子基和吸電子基的丙烯腈衍生物。該實驗具有原料易得、條件溫和、反應時間短、操作簡便、高產率和易重復的特點，極其適用于本科生實驗教學。同時，還可以采用核磁共振譜(NMR)確定化合物結構，利用紫外-可見吸收光譜、熒光發射光譜研究目標化合物的光物理性質，為本科生初步了解有機化合物結構與性能表征提供案例，有利于激發學生對有機化學、有機化學實驗、材料化學的學習興趣，同時也能使學生對AIE的相關研究有初步了解。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

Knoevenagel縮合反應是指具有活性亞甲基的化合物(例如：丙二酸酯、β-酮酸酯、氰乙酸酯、硝基乙酸酯等)在弱堿的催化作用下，與醛、酮發生脫水縮合反應，得到α,β-不飽和化合物的反應。反應機理是羰基化合物在伯胺、仲胺或銨鹽的催化下形成亞胺過渡態，然后與活性亞甲基化合物所形成的碳負離子加成。利用Knoevenagel縮合反應制備丙烯腈衍生物，其制備反應式如圖1所示，反應機理如圖2所示[6]。

圖1 丙烯腈衍生物的制備反應式

圖2 丙烯腈衍生物合成機理

2.2 實驗試劑或材料

4-氰基苯乙腈、N,N-二乙基-4-氨基苯甲醛、苯甲醛、4-溴苯甲醛、4-硝基苯乙腈、4-甲?；郊兹?、苯乙腈、糠醛、2-萘甲醛、乙醇、四氫吡咯(該實驗所用試劑均為分析純)。

2.3 儀器和表征方法

實驗儀器：25 mL圓底燒瓶、球形冷凝管、干燥管、抽濾裝置、便攜式紫外燈、分析天平(賽多利斯GL224-1SCN)、核磁共振儀(德國布魯克Agilent-400 MHz)、磁力加熱攪拌器(北京大龍MS7-H550-S)、紫外-可見吸收光譜儀(日本島津UV-2550)、穩態-瞬態熒光光譜儀(法國Horiba FluoroMax-4)。

表征方法：采用核磁共振譜(NMR)確定化合物結構，通過紫外-可見吸收光譜、熒光發射光譜研究目標化合物的光學性質。

2.4 實驗步驟

(1) 制備：在干燥的25 mL圓底燒瓶中依次加入用分析天平稱量的4-氰基苯乙腈(0.2843 g，2 mmol)、N,N-二乙基-4-氨基苯甲醛(0.3545 g，2 mmol)，依次量取15 mL乙醇和40 μL四氫吡咯，注入反應瓶中，安裝球形冷凝管及干燥管，連接回流水。在90 °C下加熱回流30 min。

(2) 純化：冷卻，待固體析出完全后，減壓抽濾，濾餅用冷乙醇(10 mL)洗滌3次，隨后將其轉移至圓底燒瓶中，加6 mL二氯甲烷，加熱使固體完全溶解，隨后逐滴加入乙醇，待溶液中有固體物質開始出現時(約12 mL)，停止滴加，隨后，緩慢冷卻至室溫，冰浴使其結晶完全，待晶體析出完全后抽濾。將濾餅真空干燥2–3 h。得到0.5593 g橙黃色粉末，即化合物1，產率約為93%。熔點為：192 °C。1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ7.87 (d,J= 9.2 Hz, 2 H), 7.71 (d,J= 8.8 Hz, 2 H), 7.66 (d,J= 8.8 Hz, 2 H),7.46 (s, 1 H), 6.70 (d,J= 9.2 Hz, 2 H), 3.45 (q,J= 7.2 Hz, 4 H), 1.23 (t,J= 7.2 Hz, 6 H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ150.15, 144.64, 140.28, 132.55, 132.35, 125.55, 120.13, 118.83, 118.63, 111.17, 110.74,101.22, 44.57, 12.55。

(3) 測試溶液的配制：用分析天平稱取3.0 mg化合物1，將其溶解在10 mL四氫呋喃中，得1 mmol·L?1的溶液，隨后，取1 mL該溶液，將其定容至10 mL，得0.1 mmol·L?1的母液，隨后取10支比色管并編號，依次按照表1加入不同體積的相應物質，以配制不同水體積分數的待測溶液。

表1 不同水體積分數下化合物1的配制

3 結果與討論

3.1 1H NMR和13C NMR表征

核磁是驗證有機物結構最常用的方法之一。稱取10 mg干燥后的產物裝入核磁管中，加入0.5 mL氘代氯仿溶解，進行核磁測試，結果如圖3、圖4所示。通過核磁共振氫譜及碳譜分析，說明我們成功的獲得了目標化合物。本部分實驗成本預計80元。

圖3 化合物1的1H NMR

圖4 化合物1的13C NMR

3.2 化合物1的光物理性質

為探究化合物1的紫外-可見吸收光譜及AIE特性，我們將化合物1溶解在四氫呋喃(THF)中，按照表1配制不同水體積分數的溶液。隨后，以紫外-可見吸收光譜儀及熒光光譜儀收集了其相關數據，結果如圖5A所示，由于供體–受體效應，化合物在425 nm出現明顯的紫外吸收，這主要是由于分子內電荷轉移所致。為驗證化合物1的AIE活性，我們收集了其在不同水體積分數下的熒光光譜，結果如圖5B、5C所示，在水體積分數由0%增加到90%時，發光波長逐漸紅移，這可能是隨著水體積分數的增加，溶劑極性逐漸增大，由于溶劑化效應，溶液的發光波長逐漸紅移。此外，當水體積分數小于70%時，溶液的熒光發生輕微增強，而當水體積分數大于70%時，其熒光發生明顯敏化。在水體積分數達到90%時，化合物1在混合溶液的熒光強度(I)是在純THF(I0)中的6.6倍。進一步，化合物1在365 nm紫外燈照射下的實物照片(如圖5C插圖)表明，化合物1在水體積分數為0%時，熒光微弱，而當水體積分數達到90%時，混合溶液發出強烈的黃色熒光。以上結果表明，化合物1具有典型的AIE特性。本部分實驗成本預計30元(儀器服務費)。

圖5 (A) 化合物1在THF中的紫外吸收光譜；(B) 化合物1在THF和水混合溶劑中，不同水體積分數fw (vol%)下的熒光光譜圖；(C) 化合物1在521 nm處，不同水體積分數下的熒光強度(I)與純THF中的熒光強度(I0)比值

3.3 SEM

為說明水體積分數在90%下熒光曲線與其他熒光曲線不同的原因，我們分別收集了化合物1在水體積分數為70%和90%下的掃描電鏡圖片。結果如圖6所示，在水體積分數為70%時，化合物1主要以無定形顆粒存在，而水體積分數達到90%時，出現明顯塊狀晶體，說明化合物1的形貌與發光波長和強度密切相關。當水體積分數為90%時，熒光曲線出現肩峰，這主要是由于化合物1在水體積分數為90%下形成了微晶，使其發生了分子間相互作用所致。本部分實驗成本預計200元。

圖6 化合物1在是體積分數分別為70%和90%時的掃描電鏡圖片

3.4 單晶

為進一步理解結構特點，我們在四氫呋喃和甲醇的體系中，采用揮發法成功獲得了化合物1(CCDC號：2284359)的單晶。單晶結果表明(圖7)，化合物1存在多個分子間氫鍵(距離分別為2.589、2.940、3.104、3.255和3.373 ? (1 ? = 0.1 nm))。本部分實驗成本預計300元。

圖7 化合物1的單晶結構

3.5 酸堿響應測試

為探究目標化合物的應用，我們將0.0100 g的化合物1用四氫呋喃溶解，并用其浸潤薄層層析硅膠板，待溶劑揮發干后，將硅膠板先后放置于鹽酸和三乙胺瓶口，分別記錄其在可見光和365 nm紫外光照射下的熒光顏色變化(圖8)。結果如圖8所示，化合物1在可見光和紫外光下時呈現出明顯的黃色(圖8左)，而置于鹽酸瓶口時，顏色和熒光均消失(圖8中)，隨后將其放置于三乙胺瓶口，化合物1的可見光下及紫外光下顏色在1 min內均恢復(圖8右)，說明該化合物具有很好的酸堿響應性能。發生熒光變化的主要原因可能是在酸性情況下，N,N-二乙基的氮原子可以結合氫離子，并形成銨鹽，破壞了化合的供體-受體(D-A)作用，導致熒光消失；而在三乙胺熏蒸后，三乙胺可以奪取氫離子，使銨鹽恢復為化合物1，從而熒光恢復(圖9)。本部分實驗成本預計7元(鹽酸和三乙胺均按10mL計算)。

圖8 化合物1的酸堿響應性能

圖9 化合物1的酸堿響應機理

3.6 底物普適性研究

為探究不同取代基對該反應及其產物光物理性質的影響，我們分別探索了吸電子基、給電子基、重原子、雜環等因素對該反應及發光性質的影響，結果如圖10所示。無論與芳環鍵連的取代基是吸電子基還是給電子基，目標化合物均能高產率地制備，且目標化合物均具有AIE活性，且具有比較良好的發光效率。此外，我們收集了化合物2–7在可見光(左)和紫外光(右)下的實物照片。為了更清晰地理解其發光光譜，我們收集了化合物在固體下的紫外吸收與熒光發射光譜，結果如圖11所示，所制備的化合物發光波長介于藍光和黃光之間。

圖10 不同取代基對反應及發光的影響，激發波長均為365 nm

圖11 不同產物的歸一化紫外-可見吸收光譜(虛線)與熒光發射光譜圖(實線)

其中化合物2產率約為81%，熔點為：148 °C。在可見光下為白色粉末，紫外照射下發出藍色熒光。1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ7.94–7.91 (m, 2 H), 7.81–7.78 (m, 2 H), 7.76–7.73 (m, 2 H), 7.63 (s, 1 H), 7.51–7.48 (m, 3 H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ145.03, 138.94, 133.12, 132.97, 131.68, 129.79,129.31, 126.69, 118.31, 117.28, 112.89, 110.10。

化合物3產率約為92%，熔點為198 °C。在可見光下為淺黃色粉末，紫外照射下發出青色熒光。

1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ7.80–7.77 (m, 4 H), 7.76–7.73 (m, 2 H), 7.65–7.61 (m, 2 H), 7.56 (s, 1 H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ143.50, 138.58, 133.02, 132.62, 131.94, 131.07, 126.70, 126.21, 118.21,117.03, 113.13, 110.77。

化合物4產率約為80%，熔點為192 °C。在可見光下為黃色粉末，紫外照射下發出強烈的黃色熒光。1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ7.76–7.73 (m, 2H), 7.72–7.69 (m, 2H), 7.66 (dd,J= 1.6, 0.4 Hz, 1H),7.47 (s, 1H), 7.29 (d,J= 3.6 Hz, 1H), 6.64–6.61 (m, 1H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ149.78, 146.2,138.21, 132.96, 130.22, 126.16, 118.34, 117.4, 117.04, 113.4, 112.51, 105.7。

化合物5產率約為94%，熔點為188 °C。在可見光下為淡黃色粉末，紫外照射下具有明顯的黃綠色熒光。1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ8.33 (s, 1 H), 8.12–8.10 (dd,J= 8.8, 2.0 Hz, 1 H), 7.95–7.92 (d,J= 9.2 Hz, 2 H), 7.89–7.87 (m, 1 H), 7.84–7.81 (m, 2 H), 7.77 (s, 1 H), 7.76–7.73 (m, 2 H), 7.62–7.54 (m, 2 H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ144.97, 139.07, 134.69, 133.15, 132.96, 131.57, 130.63, 129.15, 129.09,128.41, 127.98, 127.23, 126.65, 125.19, 118.34, 117.50, 112.80, 109.87。

化合物6產率約為80%，熔點為95 °C?？梢姽庀聻辄S色針狀固體，紫外照射下呈現出較弱的黃綠色熒光。1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ= 7.85 (d,J= 9.2 Hz, 2 H), 7.65–7.62 (m, 2 H), 7.43–7.40 (m, 3 H), 7.33–7.29 (m, 1 H), 6.70 (d,J= 9.2 Hz, 2 H), 3.43 (q,J= 7.2 Hz, 4 H), 1.22 (t,J= 8.2 Hz 6 H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ149.50, 142.65, 135.85, 131.74, 128.98, 127.93, 125.53, 120.99, 119.72, 111.24,103.90, 44.64, 12.74。

化合物7產率約為97%，熔點為168 °C?？梢姽庀聻辄S色粉末，紫外照射下呈現強烈的黃色熒光。1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ8.28 (d,J= 8.8 Hz, 2 H), 7.94 (d,J= 8.8 Hz, 2 H), 7.81 (d,J= 8.8 Hz, 2 H),7.60 (s, 1 H), 7.01 (d,J= 8.8 Hz, 2 H), 3.89 (s, 3 H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ162.56, 147.66, 145.14,141.23, 132.07, 126.47, 125.83, 124.44, 117.85, 114.80, 106.33, 55.68。

合成上述化合物的實驗成本分別為：化合物2：12元；化合物3：11.9元；化合物4：11.6元；化合物5：11.7元；化合物6：7元；化合物7：9.3元。

4 結語

本實驗通過經典的Knoevenagel縮合反應將商業可得的芳香醛與苯乙腈衍生物反應，制備了典型的AIE型丙烯腈衍生物。對化合物結構和熒光性能的研究，使學生對Knoevenagel縮合反應機理和AIE現象有直觀的認識，激發學生對有機化學、有機實驗、AIE類化合物的學習興趣。該實驗還可讓學生將書本知識靈活運用于實際操作中，提高學生實驗操作技能。此外該實驗具有反應時間快、產率高等特點，可收到較為良好的課堂效果，可以作為4學時的本科生綜合實驗對其進行推廣。進一步，將經典有機人名反應——Knoevenagel縮合反應與我國科學家首次提出且在全球范圍內被廣泛研究的前沿科學領域之一——AIE相結合，不僅可以促進學生了解AIE的發展史，而且還可以增強學生民族自信心，提升責任感與使命感，有利于有機化學、有機實驗課程思政建設。