呫吨染料最早,同时也是最常用的合成方法建立于1871年,von Baeyer等利用间苯二酚与邻苯二甲酸酐在强酸中发生亲核加成消除反应和酚脱水成醚反应,最终生成荧光素或罗丹明染料^[1]。 该反应原料易得,简便快捷,可以实现含有活泼氢、卤素或硝基的染料的合成。 例如,Woodoofe等在2005年利用该方法合成了含有磺酸根的荧光素1,通过对羟基进行保护使其关环,以实现对不同磺酸取代位置的结构进行结晶分离^[22]。 Huang等^[23]和Sakabe等^[24]分别合成了吗啉取代的染料2和未取代的氨基罗丹明3,并通过对氨基的进一步修饰得到了检测不同底物的荧光探针。 Kolmakov等^[25]利用该方法合成了四氟取代的罗丹4,并将其用于超分辨成像。 Chang等^[26]利用该方法合成了碘取代的罗丹明5,后利用Suzuki反应得到硼酸酯取代的罗丹明用于H₂O₂的检测。 Patel等^[27]合成了杂环取代的近于无色的罗丹明染料6。 Hammersh等^[28]则通过邻苯二酚与苯四甲酸二酐反应得到了新型的呫吨染料7。 Wang和Wong^[29]合成了含有两个螺环结构的罗丹明8,并通过与肼反应后进行进一步修饰用来检测Hg²⁺。 方法一合成通式及利用该方法构建的代表性呫吨染料结构见图2。 该法需要高温强酸条件,例如三氟乙酸、甲磺酸、浓硫酸等,反应条件苛刻,且当用苯酚与邻苯二甲酸酐制备邻(2,4-二羟基苯酰基)苯甲酸原料时,对于多取代的邻苯二甲酸酐衍生物无法准确控制反应位点,通常生成混合物难以分离。

图2

Fig.2

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	图2 方法一合成通式及利用该方法构建的代表性呫吨染料结构[1,22,23,24,25,26,27,28,29]Fig.2 The general reaction scheme of the method I and the typical structures synthesized with this method[1,22,23,24,25,26,27,28,29]

1923年,Sen等^[30]首次实现了苯甲醛与苯酚衍生物通过酸催化缩合得到取代的三苯甲烷中间体,进一步将其氧化得到最终的染料结构。 该反应简单易行,可制备不含羧基、无开关环的染料结构,且反应位点单一,易于控制;同时可通过对苯甲醛或苯酚进行修饰得到结构复杂,尤其是9位功能性基团取代的染料。 例如,Hilderbrand等^[31]和Chevalier等^[32]通过对苯酚进行修饰得到推拉电子体系更大、波长更长的染料9和10。 Jiao等^[33]合成了9位对溴苯基取代的罗丹明11,并进一步通过偶联反应得到了炔基连接的双罗丹明染料。Sibrian-Vazquez等^[34]利用该方法得到了二萘并吡喃的近红外呫吨染料(例如12),吸收波长和发射波长分别为701和816 nm。 Miller等^[35]合成了可用于检测可逆氧化还原反应的荧光探针13。 Shindo等^[36]利用该方法合成了可用于线粒体Mg²⁺检测的罗丹明探针14。 Cardoso等^[37]和Lin等^[38]通过对苯甲醛修饰方便地合成了结构复杂的染料15和16。 方法二也需要酸性环境,例如硫酸、磷酸等,常在≥150 ℃高温或微波条件下反应,实验条件较为苛刻。 方法二合成通式及利用该方法构建的代表性呫吨染料结构见图3。

图3

Fig.3

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	图3 方法二合成通式及利用该方法构建的代表性呫吨染料结构[31,32,33,34,35,36,37,38]Fig.3 The general reaction scheme of the method II and the typical structures synthesized with this method[31,32,33,34,35,36,37,38].

1989年,Minta等^[39]首次利用氧杂蒽酮与钙离子特异性结合受体1,2-双(2-氨基苯氧基)-乙烷- N, N, N', N'-四乙酸(BAPTA)的锂/格式试剂发生亲核加成消除反应开发了一系列钙离子探针(例如17),该方法极大的活化了反应底物,方便快捷,避免了强酸强碱高温等苛刻条件,后处理简单,反应位点单一,避免了对映异构体的分离提纯,可大量合成目标化合物,被广泛应用在各种探针或者呫吨类染料库的合成中。 例如,2000年,Hirano等^[40]将带有大环多胺受体的芳基锂试剂与TBS保护的氧杂蒽酮反应,合成了可在生理条件下特异性识别锌离子的荧光探针18。 2004年,Komatsu等^[41]将香豆素锂试剂亲核加成TBS保护的氧杂蒽酮,再在醋酸作用下脱水,生成了荧光素母核与香豆素母核以单键直接相连的呫吨类染料19,用来特异性检测镁离子。 2006年,Ahn等^[42]以这一方法为基础,将12种不对称氧杂蒽酮分别和33种格氏试剂反应,利用固相化学合成实现了第一个罗丹明化合物库20的构建,并从中筛选出一个对谷胱甘肽高特异性响应的探针21,2007年,Yoon等^[43]利用该方法合成了一个可在水相、细胞和组织中特异性识别汞离子的探针22,2008年,Wu等^[44]利用这一方法液相合成了一个小型罗丹明库23,探究了染料母核3,6位不同环氨基取代对染料光学性质的影响。 但是方法三要求底物对锂试剂或者格式试剂耐受,含有活泼氢的基团通常需要先行保护,给合成带来一定限制。 方法三合成通式及利用该方法构建的代表性呫吨染料结构见图4。

图4

Fig.4

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	图4 方法三合成通式及利用该方法构建的代表性呫吨染料结构[39,40,41,42,43,44]Fig.4 The general reaction scheme of the method III and the typical structures synthesized with this method[39,40,41,42,43,44]

1989年,Minta等^[39]开发的一系列钙离子探针中有两个探针(24和25)的钙离子受体部分三级氨的间位含有一个活泼酚羟基,无法很方便的做成锂/格式试剂。针对这一点,Tsien等采取的方法是先将氧杂蒽酮与草酰氯或者三氯氧磷反应生成9位氯原子取代的中间体,由于羟基的供电子能力极大的活化了其邻位的亲核性,使得受体更容易和氯原子取代的中间体发生亲核取代反应进而生成最终的染料。 方法四很好的补充了方法三,为带有锂/格式试剂不兼容基团的底物提供了新的解决思路。 方法四合成通式及利用该方法构建的代表性呫吨染料结构见图5。 Beacham等^[45]利用这一方法合成了一系列适用于生物应用的新型pH探针26。

图5

Fig.5

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	图5 方法四合成通式及利用该方法构建的代表性呫吨染料结构[39,45]Fig.5 The general reaction scheme of the method IV and the typical structures synthesized with this method[39,45]

该方法是先利用蒽酮与三氟甲磺酸酐(Tf₂O)的亲核加成消除反应生成9位键连-OTf的中间体,再进一步与有机锂试剂或者格氏试剂发生亲核加成消除反应,最终生成染料。 Carpenter等^[46]于2010年利用该方法合成了一个新型钾离子探针27。 方法五合成通式及利用该方法构建的代表性呫吨染料结构见图6。

图6

Fig.6

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	图6 方法五合成通式及利用该方法构建的代表性呫吨染料结构[46]Fig.6 The general reaction scheme of the method V and the typical structures synthesized with this method[46]

2005年,Yang等^[47]通过苯甲酸酯与邻甲氧基格氏试剂或锂试剂衍生物进行亲核加成反应得到氧化态的染料中间体,再通过三溴化硼脱甲基并进一步脱水得到最终的染料结构。 该方法实现了温和条件下高效合成呫吨染料结构,中间体易分离纯化,产率可达90%左右,毋需氧化或高温强酸等苛刻的反应条件,可实现酯基对位有供电子基团(如硼酸酯基)的染料的合成。 利用这一思路,该课题组于2006年合成出一个发白光的荧光染料29^[48],于2008年合成出一系列近红外发射的荧光团29~33^[49],它们的阴离子形式吸收发射均表现出极大的红移,荧光团32的阴离子的荧光发射可到达825 nm。 2016年,Sezukuri等^[50]利用这一方法合成两个近红外染料二苯并荧光素34和35,阳离子形式的35在DMSO中荧光发射可到达853和967 nm。 方法六合成通式及利用该方法构建的代表性呫吨染料结构见图7。

图7

Fig.7

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	图7 方法六合成通式及利用该方法构建的代表性呫吨染料结构[47,48,49,50]Fig.7 The general reaction scheme of the method VI and the typical structures synthesized with this method[47,48,49,50]

与方法二类似,该方法也是利用芳基和醛基的亲核加成反应,再经由一步氧化生成染料。 经典方法二需要高温强酸条件,但是这一方法先将二苯醚骨架经缩合得到,再在室温强酸催化的条件下即可发生。 2007年,Gaillard等^[51]利用该方法开发了一个发红光的钙离子探针36,其核心步骤是将N取代的二苯醚与钙离子受体的醛基化合物在室温、三氟乙酸催化的条件下得到中间体,再经氧气氧化形成荧光探针。 他们也尝试使用经典的方法二,但是只得到极少的染料混合物,由此可见方法七在合成特定化合物时的优越性。方法七合成通式及利用该方法构建的代表性呫吨染料结构见图8。

图8

Fig.8

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	图8 方法七合成通式及利用该方法构建的代表性呫吨染料结构[51]Fig.8 The general reaction scheme of the method VII and the typical structures synthesized with this method[51]

2013年,Anzalone等^[52]从二芳基醚出发,在Ga(OTf)₃催化下与酰氯发生傅克酰基化,再经分子内亲核加成消除最终生成呫吨染料。 该方法纯化方便,副产物少,产率良好,产量可达到克级,可被用于合成不对称呫吨荧光染料37。 方法八合成通式及利用该方法构建的代表性呫吨染料结构见图9。

图9

Fig.9

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	图9 方法八合成通式及利用该方法构建的代表性呫吨染料结构[52]Fig.9 The general reaction scheme of the method VIII and the typical structures synthesized with this method[52]

2014年,Lei等^[53]利用邻醛基氯苯与苯酚发生乌尔曼偶联反应(Ullmann Coupling reaction)得到醛基中间体,再通过分子内的亲核加成消除反应得到最终的染料结构。 该反应可用来设计神经毒剂等可活化醛基的物质的探针,同时分子内的亲核反应使得反应更快速,检测效率更高效,而且由于探针本身没有荧光信号,使得荧光变化更明显,检测灵敏度更高。 该方法避免了强酸等苛刻环境,但是该反应需要对醛基进行活化以使反应更顺利进行。 在此基础上,Lei等^[54]在2015年以乌尔曼偶联反应的醛基中间体为底物,通过与格氏试剂或锂试剂发生亲核加成反应以及分子内成环反应,生成染料中间体,氧化后生成最终染料结构。 该反应条件温和,产率高,底物适用性广,尤其适用于9位取代基位阻较大的染料结构的合成(例如38,39)。 方法九合成通式及利用该方法构建的代表性呫吨染料结构见图10。

图10

Fig.10

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	图10 方法九合成通式及利用该方法构建的代表性呫吨染料结构[53,54]Fig.10 The general reaction scheme of the method IX and the typical structures synthesized with this method[53,54]