几种四苯乙烯型AIE化合物的合成及表征

最近几年有机荧光分子在生物检测、细胞成像和传感器等领域的研究越来越新颖，尤其在细胞成像领域的发展更加迅速。荧光探针作为一种检测工具时的主要反应原理是主体与客体之间络合或者反应使荧光基团的结构发生改变，这时荧光强度也会随之产生变化，因此，对这种变化进行分析就可以对待检测物进行定性或定量分析。这种分析方法反应速度很快、选择性好且容易操作，因此，该方法在环境检测、生命科学、医药诊断、生物、化学、食品分析等各个方面都得到广泛研究。目前已经报道了多种用于荧光探针的荧光染料，有罗丹明类、荧光素类、香豆素类、萘类等。但这些荧光染料各自都存在这样那样的缺陷，有的荧光量子产率低，有的受光易分解。相对于他们而言，硼氟类荧光染料有它们所没有优点，它广泛用于各种类型。例如稳定的发光性质，高荧光量子产率，良好的化学稳定性，可调的发射波长，高摩尔消光系数，以及低pH和环境因素。比如发光性质稳定、荧光量子产率高、化学稳定性好、吸收发射波长可调控、摩尔消光系数高、不易受环境和溶液的pＨ等因素的影响等特征都是它被广泛地应用于各类荧光探针的原因。良好的有机荧光分子探针需要有很高的灵敏性以及很好的选择性且对生物体有极小的甚至没有毒害。硼氟类有机荧光分子虽然在稀溶液中发光性能良好并且荧光量子产率十分高，但其有一个致命的缺点就是随着该类荧光分子在溶液中浓度的不断增加或变成固体状态，该体系的发光性能大幅度降低甚至出现荧光严重猝灭现象，这种现象被称为聚集引起的猝灭（ACQ）现象。这一缺点很大程度地限制了有机荧光材料性能的发挥，成了有机荧光生物探针的发展路上的绊脚石。因为有机荧光分子生物探针在检测时大多是在水中进行的，而很多的有机荧光生物探针的分子因含有疏水性的基团芳基而不溶于水，所以就会产生聚集荧光猝灭现象。这就很大程度的限制了它们在细胞成像和生物检测等领域的应用。为了解决这一问题，人们不断地尝试，一种具有聚集诱导发光（aggregation-induced emission,AIE）效应的有机分子终于被港科大的Tang课题组于2001年发明出来了。从这时开始，越来越多的人将注意力转移到这种材料的开发，具有 AIE 性质的化合物被广泛的开发并利用。该类分子在溶液状态下不发光或即使发光也很弱，但在聚集状态如固体状态下发光非常强甚至出现荧光增强现象。一般共轭分子中有高度扭曲立体构型的都有这种性质，如硅杂环衍生物、六苯基噻咯（HPS）、四苯基苯等。比较经典的具有AIE效应的分子包括噻咯型化合物，高分子聚合物，TPE型等。具有以上性质的这种分子的新型衍生物的开发就为新型荧光染料的合成提供了更加广阔的基础。具有AIE效应的荧光探针在用于生物检测时具有更低的背景和更可靠的信号等传统荧光探针所不具有的特点。因此，具有高固态荧光量子效率的新型有机分子的发展就有了新的思路，为其在细胞成像和生物检测等领域开辟了新天地。到现在为止，具有此效应的探针在具有此效应的有机荧光探针在生物分子的荧光检测、细胞染色与成像、生化过程示踪、血管的成像、肿瘤的成像和医治等很多生物领域都已经取得了令人满意的答案。硼氟吡咯（BODIPY）类荧光染料是一种新型的荧光染料，该类染料具备极其优秀的光物理性质。因为它具备良好的发光性能，在过去的四十年里得到广泛的研究，人们近年来开始越来越关注新型硼氟配合物的设计与合成，以探究其在发光材料等范围的运用。BODIPY中心主链的官能团的改性可以形成一系列具备新功能的有机硼氟化物衍生物。这种通过官能团改性形成的具有高固态荧光量子效率的有机氟化物络合物可用于细胞成像和生物检测等领域。BODIPY的原有结构是由德国的化学家Triebs.A和Kreuzer.F.H于1968年首次合成的,其母体骨架结构如图1.1所示。该类分子中存在一个旋转受阻刚性平面，是由于甲川键和硼桥键限制了其分子内的两个吡咯环的自由旋转即两个吡咯环和中间一个含硼原子的六元杂环形成刚性平面使两吡咯环旋转受阻，很大程度上增加了分子的共轭程度。又硼原子和氟原子分别是缺点子性的原子和强吸电子性的原子，参与配位的氮原子上的孤电子对因此被束缚，该类染料的母体骨架因此刚性变得更强。 BODIPY分子所具有的这种刚性平面结构使其能在受到光的刺激时产生强荧光。1994年，Karolin 等人报道了BODIPY原有结构的相关性质，首先，其摩尔消光系数在90000 mol•L -1 •cm附近，且最大吸收峰在500 nm附近，再就是荧光量子产率大于百分之80，且其化学性质稳定，发光性能不受溶剂极性的影响。因此，对该类染料的结构进行改善和官能团修饰引起了很多研究者的兴趣。BODIPY 类荧光分子具有良好光物理性质，可以对其进行官能团修饰从而获得具有新功能的可以应用于荧光探针，生物检测，细胞成像，医药等领域的新型荧光分子。在实际应用中通常需要把荧光染料制成薄膜或者其他固体的形式来使用，但是BODIPY类荧光分子在固体状态下极易发生聚集诱导荧光淬灭现象。一般认为这种现象有两个主要原因，一是BODIPY 荧光分子的分子间强烈的π-π 堆积作用导致该分子形成刚性平面结构，从而导致 其在固体状态下的荧光淬灭现象。二是由于其分子结构的高对称性使得分子结构在基态和激发态时难以被区分，所以它的斯托克斯位移极小，分子的自吸收严重，从而使得其量子效率降低。这使得硼氟类荧光分子在固体荧光染料领域的应用受到很大地影响，因此构建固体状态下荧光量子产率高且斯托克斯位移大新型BODIPY类荧光分子成为现代化学家们研究的热点。锌对人的身体健康具有重要影响，缺锌易引起味觉和嗅觉差、厌食症、生长发育迟缓和智力低下，甚至免疫功能受损等。因此,对Zn 2+ 有选择识别功能的荧光探针的研究是有重大意义的。2018年，Xia等报道了一种荧光探针1（图1.2）,在混有相同体积的CH3CN和浓度为0.02 mol/L Hepes 缓冲液的溶液中探针1和锌离子结合成络合物，实现对锌离子选择性的识别。结合后的现象主要包含红外吸收光谱的最大吸收峰从 525 nm 红移至552 nm，溶液的颜色从浅黄色变成紫色，同时荧光发射光谱的最大吸收峰从540 nm红移至580 nm。经分析得出对Zn2+最低检出浓度可低至87 mmol/L。因此，它可用于检测活细胞中含有的锌离子。钴对人体健康和生态环境都有重要影响，钴缺乏或过量均会对人的身体健康和环境有坏的影响。所以，对Co2+具有高选择性的荧光探针的研究是非常有必要的。2017年，Senkuytu课题组基于环氧四磷腈通过“click”反应合成了图1.3）。在THF溶液中该探针对二价钴离子具有高选择性，探针2（3）的最大激发波长和最大发射波长分别为640 nm和650 nm。当激发波长为618 nm时，二价钴离子使探针2（3）发生荧光猝灭。通过对不同浓度下的探针灵敏度的测定发现二价钴离子和探针以1：4的比例形成络合物。并测得该探针对Co 2+ 的最低检出浓度可低至4.27 μmol/L。2011年，孙程东等人报道了一种测定人体血清中非蛋白半胱氨酸的BODIPY类荧光分子，合成方法如图1.4所示。一种更加简单快速且具备高选择性的半胱氨酸的测序方法随之诞生。最近几年荧光标记多肽在蛋白质的检测领域很受青睐。2017 年，Ramon课题组报道了一种Trp-BODIPY环状肽5（图1.5），它可用于凋亡小体中PS（磷脂酰丝氨酸）的标记，5与磷脂酰丝氨酸间存在很强的络合能力，二者结合后可以发现荧光强度是显著增强的。Trp-BODIPY环肽和膜联蛋白不同，它能在没有钙离子的环境中和PS产生很强的络合能力，因此，可实现在不同生理条件下对PS的标记。在体外磷脂单分子层实验中，5可对脂质-水分成分的变化进行监测。流式细胞实验是用5在BL2人体淋巴瘤细胞中对凋亡小体进行标记，给不同生理条件下监测和描述亚细胞结构提供了新思路。Peter J. Skabara 等人报道了一种能够发射红光的BODIPY，可用于制作发射白光的有机发光二极管，如图 1.6所示。噻吩是供电子基，BODIPY是缺电子的，因此该分子的结构为电子给予体与电子接受体结合的结构。将烷基链引入分子中以使产物在有机溶剂中更容易溶解，使得分子与分子间很难发生堆积作用。图1.7 为 Franco Cacialli 课题组报道的用于OLED 的 BODIPY衍生物。经大量的医学实践证明CO 是一种在人体细胞内有重要作用的信号传导分子，具有保护人体血管、治疗病痛甚至治疗癌症的功能。Klán P.等人设计合成了BODIPY 衍生物 A 和 B，二者在可见光区到近红外区均可实现CO 的激活和自由释放（图 1.8），该类化合物的设计思路为设计合成新型的具有良好光物理性质的水溶性良好的荧光分子提供了新途径。化合物 A的分子内存在羧基，所以在水中有一定的溶