幾種基于聚集誘導(dǎo)發(fā)射效應(yīng)的熒光探針合成及性能研究

戈芷琪，任子奇，何漢平

(湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖北 武漢 430062)

0 引言

近年來，生物熒光探針在分析化學(xué)傳感和光化學(xué)成像上成為化學(xué)家們的一個強大的工具，因為它具有顯而易見的優(yōu)勢：可以在分子水平上直接觀察一系列生物分析物(蛋白質(zhì)、核酸、氨基酸、生物硫醇，等等)[1-5]，并且可以為復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)和生物功能過程提供可行的分析手段以及可以直接或間接觀測到的結(jié)果[6].由Tang課題組在2001年首次總結(jié)提出的聚集誘導(dǎo)發(fā)射(aggregation-induced emission)即AIE效應(yīng)，是指分子由分散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫奂癄顟B(tài)后熒光發(fā)射增強的現(xiàn)象[7].具有AIE效應(yīng)的熒光分子在稀溶液中擁有良好的溶解度時，用其最大激發(fā)波長照射時也不會發(fā)射熒光或只發(fā)射出強度很微弱的熒光，但在高濃度狀態(tài)以及固狀薄膜態(tài)下激發(fā)會發(fā)射出極強的熒光.由于這種獨特的熒光性質(zhì)，AIE效應(yīng)的研究領(lǐng)域吸引了國內(nèi)外各個領(lǐng)域的科研工作者.

尋求聚集誘導(dǎo)發(fā)射的原理具有很深遠的研究意義，其工作機制將指導(dǎo)科研工作者對于AIEgen的設(shè)計思路.自2001年聚集誘導(dǎo)發(fā)射概念被首次提出以來，科研人員們通過對這類型分子進行結(jié)構(gòu)及光學(xué)類表征，目前已提出擁有大量實驗數(shù)據(jù)以及充實理論基礎(chǔ)支撐的機理有3種：RIR(分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)受限)[7],RIV(分子內(nèi)振動受限)[8-9],RIM(分子內(nèi)運動受限)[10]. RIM機制實質(zhì)上是RIR和RIV機制的統(tǒng)一，兩種機制并不互相排斥，而是可以共同作用實現(xiàn)聚集誘導(dǎo)發(fā)射現(xiàn)象，能夠協(xié)同增強孤立單分子的非輻射衰變速率.所以通過RIM機制可以實現(xiàn)更加多樣化的AIEgen設(shè)計. 自報道以來,聚集誘導(dǎo)發(fā)射效應(yīng)已經(jīng)開發(fā)了多種AIEgen.基于RIM機制設(shè)計的AIEgen為新型光學(xué)傳感系統(tǒng)給予了更多的可能性.現(xiàn)在主要集中于以下兩個方向：化學(xué)傳感(離子檢測、pH值監(jiān)測、氣體傳感、過氧化物檢測)[11-14]和生物傳感(生物小分子例如單糖、生物硫醇、氨基酸、胺類物質(zhì)、三磷酸腺苷，生物大分子例如DNA、多糖、蛋白質(zhì)、酶、脂類)[15-16].

吖啶類衍生物在醫(yī)藥方面用途廣泛，可作為抗菌劑、抗癌藥物、癥光動力學(xué)治療中的活性劑等.本研究設(shè)計了一系列基于吖啶的聚集誘導(dǎo)發(fā)射熒光探針.一是合成了兩種分別以三苯胺和四苯基乙烯為AIE官能團的吡啶钅翁碘鹽化合物TPA-SADI(-9-(2-(5-(4-(二苯氨基)苯基)噻吩-2-基)乙烯基)-10-甲基吖啶碘化鹽)和TPE-SADI(9-(2-(5-(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)苯基)噻吩-2-基)乙烯基)-10-甲基吖啶碘化鹽)，將AIE官能團通過剛性的共軛基團和烯烴鏈與吖啶鍵合；二是合成了以四苯基團乙烯為核心通過柔性鏈鍵合吖啶的兩種分子.不同之處為TBNA(N-(4-(吖啶-9-基氨基)-4-氧丁基)-4′-(1,2,2-三苯基乙烯基)-[1,1′-聯(lián)苯] -4-甲酰胺)額外連接苯環(huán)，TSNA(N-(4-(吖啶-9-基氨基)-4-氧丁基)-5-(4-(1,2,2-三苯基乙烯基)苯基)噻吩-2-甲酰胺)額外連接噻吩，研究發(fā)現(xiàn)可以通過改變官能團來影響它們的AIE光學(xué)性質(zhì)，TPA-SADI和TSNA兩種分子均具有典型的AIE效應(yīng).

1 材料與方法

1.1 實驗材料9-甲基吖啶、碘甲烷、4-溴三苯胺、5-醛基-2-噻吩硼酸、卡特縮合劑、4-甲?；脚鹚?、氧化銀、1-羥基苯并三唑和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽購自阿拉丁.1-(4-溴苯基)-1，2,2-三苯乙烯購自TCI.[1,1′-雙(二苯基膦基)二茂鐵]二氯化鈀(Pdcl2(pddf))、吡啶和9-氨基吖啶購自Adamas.Boc-4-氨基丁酸購自邁瑞爾.N-二異丙基乙胺、氫氧化鈉和無水碳酸鉀購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司(上海).

1.2 實驗儀器核磁共振儀(Varian INOVA 600 MHz，美國)、液質(zhì)聯(lián)用質(zhì)譜儀(1260-6224 LC-MS TOF,德國)、熒光分光光度儀(島津RF-5301，日本).

1.3 實驗方法

1.3.1 化合物TPA-SADI和TPE-SADI的合成 如圖1所示，兩種化合物的合成路線如下.

圖1 化合物TPA-SADI和TPE-SADI的合成路線

1)9,10-二甲基吖啶钅翁碘鹽的合成 將9-甲基吖啶(0.2 g，1 mmol)和碘甲烷(0.28 g，2 mmol)加入至5 mL乙腈中回流8 h.反應(yīng)完畢后，冷卻并過濾沉淀，固體用10 mL乙腈∶甲醇=4∶1混合溶液在40 ℃加熱10 min溶解粗產(chǎn)物并重結(jié)晶，隨后真空干燥得到橙紅色粉末(0.22 g，產(chǎn)率66%).

2)化合物1的合成 將4-溴三苯胺(1.00 g，3.1 mmol)，[1,1′-雙(二苯基膦基)二茂鐵]二氯化鈀(0.219 g，0.3 mmol)，5-醛基-2-噻吩硼酸(0.966 g，6.2 mmol)和無水碳酸鉀(2.073 g，15 mmol)溶于50 mL甲苯/甲醇混合溶劑(V/V=1∶1)，回流18 h.反應(yīng)結(jié)束，加入水猝滅反應(yīng)體系，CH2Cl2萃取有機層，用無水硫酸鈉干燥后旋干溶劑.通過硅膠柱色譜純化(Rf=0.6，VCH2Cl2/VPE=1∶1)得到黃色粉末(0.55 g，產(chǎn)率50%).

3)化合物TPA-SADI的合成 將化合物1(0.071 g，0.2 mmol)，9,10-二甲基吖啶鎓碘鹽(0.07 g，0.21 mmol)溶于20 mL乙醇中，加入催化量的吡啶，在氮氣保護下回流反應(yīng)24 h.反應(yīng)完畢后CH2Cl2萃取有機層，旋干溶劑后通過硅膠柱色譜純化(Rf=0.7，VCHCl3/VMeOH=10∶1)，得到藍黑色粉末(0.022 g，產(chǎn)率15%).

4)化合物2的合成 將1-(4-溴苯基)-1,2,2-三苯乙烯(0.492 g，1.2 mmol)，[1,1′-雙(二苯基膦基)二茂鐵]二氯化鈀(0.102 g，0.14 mmol)，5-醛基-2-噻吩硼酸(0.374 g，2.4 mmol)和無水碳酸鉀(0.83 g，6 mmol)溶于24 mL甲苯/甲醇混合溶劑(V/V=1∶1)，回流18 h.處理過程同化合物1.通過硅膠柱色譜純化(Rf=0.5，VCH2Cl2/VPE=1∶1)得到黃色粉末(0.25 g，產(chǎn)率52%).

5)TPE-SADI的合成 將化合物2(0.11 g，0.25 mmol)，9,10-二甲基吖啶鎓碘鹽(0.081 g，0.26 mmol)溶于20 mL乙醇中，加入催化量的吡啶，在氮氣保護下回流反應(yīng)24 h.反應(yīng)完畢后CH2Cl2萃取有機層，旋干溶劑后通過硅膠柱色譜純化(Rf=0.7，VCHCl3/Vacetone=10∶1)，得到紫黑色粉末(0.03 g，產(chǎn)率16%).

1.3.2 化合物TBNA和TSNA的合成 如圖2，TBNA和TSNA的合成路線如下.

圖2 化合物TBNA和TSNA的合成路線

1)化合物3的合成 將Boc-4-氨基丁酸(0.609 g，3 mmol)，卡特縮合劑(1.55 g，3.5 mmol)和N,N-二異丙基乙胺(0.665 mL，3.82 mmol)溶于15 mL DMF中攪拌15 min來活化羧基，隨后加入9-氨基吖啶(0.582 g，3 mmol)，室溫避光攪拌12 h.反應(yīng)完畢后，將溶液用油泵抽干.剩余物質(zhì)再溶于5 mL丙酮中并逐滴加入50 mL 5% NaHCO3以洗去多余的卡特縮合劑及副產(chǎn)物，隨后旋干溶劑后通過硅膠柱色譜純化(Rf=0.6，VCHCl3/VMeOH=100∶1)，得到黃色泡狀粉末(0.62 g，產(chǎn)率53%).

2)化合物4的合成 將化合物3(0.5 g，1.3 mmol)，溶于10 mL CH2Cl2/TFA(V/V=1∶1)混合溶劑中，室溫下避光攪拌12 h.反應(yīng)完畢后旋干溶劑，獲得三氟乙酸鹽(黃色粉末)，不需要進一步純化直接用于下一步反應(yīng).

3)化合物5的合成 將化合物1-(4-溴苯基)-1,2,2-三苯乙烯(0.492 g，1.2 mmol)，[1,1′-雙(二苯基膦基)二茂鐵]二氯化鈀(0.102 g，0.14 mmol)，4-甲?；脚鹚?0.36 g，2.4 mmol)和無水碳酸鉀(0.83 g，6 mmol)溶于24 mL甲苯/甲醇混合溶劑(V/V=1∶1)，回流18 h.處理過程同化合物2.通過硅膠柱色譜純化(Rf=0.5，VCH2Cl2/VPE=1∶1)得到黃色粉末(0.46 g，產(chǎn)率87%).

4)化合物6的合成 將化合物5(0.218 g，0.5 mmol)，氧化銀(1.125 g，4.9 mmol)，氫氧化鈉(1.1 g，27.5 mmol)均溶于30 mL乙醇/甲苯混合溶劑(V/V=5∶1),室溫攪拌24 h.加入1 mol/L HCl將反應(yīng)液調(diào)至pH小于7，加水洗滌，乙酸乙酯萃取有機層，用無水硫酸鈉干燥有機層后旋干溶劑.通過硅膠柱色譜純化(Rf=0.6，VEA/VPE=1∶2, 數(shù)滴AcOH)得到淡黃色粉末(0.15 g，產(chǎn)率66%).

5)化合物TBNA的合成 將化合物6(0.136 g，0.3 mmol)，N,N-二異丙基乙胺(0.096 mL，0.55 mmol)，HOBt(0.075 g，0.56 mmol)，EDCI(0.106 g，0.55 mmol)溶于5 mL DMF中，攪拌15 min以活化羧基.隨后加入化合物4(0.118 g，0.3 mmol)，然后將適量N,N-二異丙基乙胺加入反應(yīng)液使pH=7.室溫下攪拌24 h.反應(yīng)完畢后，油泵抽干DMF.加水洗滌，CH2Cl2萃取有機層，旋干溶劑后通過硅膠柱色譜純化(Rf=0.5，VEA/VPE=1∶3)，得到淡黃色粉末(0.08 g，產(chǎn)率37%).

6)化合物7的合成 將化合物2(0.221 g，0.5 mmol)，氧化銀(1.125 g，4.9 mmol)，氫氧化鈉(1.1 g，27.5 mmol)均溶于30 mL乙醇/甲苯混合溶劑(V/V=5∶1),室溫攪拌24 h.處理過程同化合物6.通過硅膠柱色譜純化(Rf=0.7，VEA/VPE=1∶2, 數(shù)滴AcOH)得到淡黃色粉末(0.14 g，產(chǎn)率60%).

7)化合物TSNA的合成 將化合物8(0.137 g，0.3 mmol)，N,N-二異丙基乙胺(0.096 mL，0.55 mmol)，HOBt(0.075 g，0.56 mmol)，EDCI溶于5 mL DMF中，攪拌15 min以活化羧基.隨后加入化合物4(0.118 g，0.3 mmol)，然后加入適量N,N-二異丙基乙胺調(diào)至反應(yīng)液pH=7.室溫下攪拌24 h.處理過程同化合物TBNA.通過硅膠柱色譜純化(Rf=0.5，VEA/VPE=1∶3)，得到淡黃色粉末(0.05 g，產(chǎn)率23%).

1.3.3 光譜測定 4種吖啶類衍生物小分子的AIE效應(yīng)測定.分別配制TPA-SADI、TPE-SADI、TBNA、TSNA4種探針分子的貯存液(1 mmol/L).TPA-SADI的AIE效應(yīng)熒光光譜測定程序：將貯存液加入至不同體積比的THF/水(V/V=10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8、1∶9、0∶10)混合液中稀釋至10 μmol/L，制備成檢測液，檢測液總體積保持為2 mL，通過380 nm激發(fā)光激發(fā)樣品，掃描范圍400～ 650 nm，狹縫寬度為EX=5 nm，EM=5 nm.TPE-SADI的激發(fā)波長為394 nm，其余測定步驟同TPA-SADI.TBNA的AIE效應(yīng)熒光光譜測定程序：將貯存液加入至不同體積比的乙醇/水(V/V=10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8、1∶9、0∶10)混合液中稀釋至10 μmol/L，制備成檢測液，檢測液總體積保持為2 mL，通過345 nm激發(fā)光激發(fā)樣品，掃描范圍400 ～ 650 nm，狹縫寬度為EX=10 nm，EM=3 nm.TSNA的激發(fā)波長為365 nm，狹縫寬度為EX=3 nm，EM=5 nm，其余測定步驟同TBNA.

2 結(jié)果與分析

2.1 化合物的表征4種新的吖啶類AIE探針的核磁和質(zhì)譜表征如下：

TPA-SADI：1H NMR(400 MHz, chloroform-d)δ：8.70(m，4H),8.35(t，2H)，7.89(m，3H)，7.51(m，4H)，7.30(m，5H)，7.10(m，8H)，5.00(s，3H).13C NMR(100 MHz, DMSO-d6):161.1，149.9，144.8，140.7，138.5，136.4，130.7， 127.5，125.1，119.5，41.2. LC-MS(ESI)m/zcalculated for [M-I]+C38H29N2S+545.204 6. Found 545.204 9.

TPE-SADI:1H NMR(400 MHz, chloroform-d)δ：8.73(d，2H)，8.67(d，2H)，8.36(t，3H)，7.89(q，4H)，7.43(m，3H)，7.30(s，1H)，7.03～7.17(m，18H).LC-MS(ESI)m/zcalculated for [M-I]+C46H34NS+632.204 6(Found 632.241 2).

TBNA:1H NMR(400 MHz, chloroform-d)δ：8.16(d，2H)，8.00(d，2H)，7.78(d，2H)，7.70(t，2H)，7.50(d，2H)，7.41(t，2H)，7.32(d，2H)，7.03～7.16(m，17H)，3.65(s，2H)，2.20(s，2H)，0.88(t，2H).13C NMR(100 MHz, DMSO-d6)δ：181.6，169.5，65.0,145.6，141.2，139.7，130.8，127.3，123.9，117.6，42.3，40.1，28.1，133.7，129.9，122.5， 116.3，41.6，39.1，27.3. LC-MS(ESI)m/zcalculated for [M+H]+C50H39N3O2714.304 2(Found 714.310 0).

TSNA:1H NMR(400 MHz，Dimethyl sulfoxide-d6)δ：10.63(s，1H)，8.64(s，1H)，8.16(t，4H)，7.85(t，2H)，7.75(d，1H)，7.63(t，2H)，7.59(d，3H)，7.09～7.20(m，9H)，6.97～7.04(m，8H)，2.76(t，2H)，2.01(m，2H)，1.23(s，2H).13C NMR(100 MHz, DMSO-d6): 180.5，166.3，149.6，141.8，139.2，133.7，129.9，122.5，116.3， 41.6，39.1，27.3. LC-MS(ESI)m/zcalculated for [M+H]+C48H37N3O2S 720.260 6(Found 720.265 9).

圖3 (A)TPA-SADI在不同比例 THF /水混合液中的熒光光譜以及(B)熒光強度與水含量關(guān)系圖，(C)TPE-SADI在 不同比例THF /水混合液中的熒光光譜以及(D)熒光強度與水含量關(guān)系圖(插圖：UV-vis燈(365 nm)下的熒光照片)

2.2 TPA-SADI和TPE-SADI的熒光光譜學(xué)和AIE特性表征如圖3所示，由于TPA-SADI和TPE-SADI均含有吖啶鎓碘鹽的官能團，具有較大的極性，所以在極性溶劑水中擁有良好的溶解性.理論上當(dāng)這兩種吖啶類衍生物溶于水時，由于AIE官能團之間不能相互靠近，所以不發(fā)射或發(fā)射很微弱的熒光，而隨著不良溶劑THF的加入，兩種吖啶類衍生物形成超分子聚集狀態(tài)，AIE官能團之間相互靠近，由于非輻射衰變的通道關(guān)閉，此時會發(fā)出強烈的熒光.但是實際研究發(fā)現(xiàn)，僅有TPA-SADI表現(xiàn)出優(yōu)異的AIE效應(yīng)，且使用365 nm紫外燈照射，其在THF中發(fā)出耀眼的熒光.然而，TPE-SADI卻幾乎不顯示出聚集誘導(dǎo)發(fā)射的現(xiàn)象，即使在熒光分光光度計上使用較大的狹縫寬度測試仍顯示較低的熒光發(fā)射.這一現(xiàn)象的產(chǎn)生，我們可以試著用AIEgen的構(gòu)效關(guān)系解釋，AIEgen結(jié)構(gòu)中助色團，發(fā)色團，空間位阻，分子的平面性質(zhì)以及取代基位置等多個原因均會影響其最終的AIE效應(yīng).對于TPA-SADI，它的發(fā)色團為三苯胺，通常三苯胺類衍生物熒光探針具有典型的ACQ現(xiàn)象，但是我們對其進行改造修飾后，吸電子基團通過共軛基團傳遞電子，以三苯胺為發(fā)色團構(gòu)筑了一個典型的AIEgen，這是一類新型的AIEgen設(shè)計策略，具有良好的光學(xué)性質(zhì).而對于TPE-SADI，它的發(fā)色團為四苯基乙烯，這是一個經(jīng)典的AIE效應(yīng)基本單元，但是在四苯基乙烯上面修飾例如馬來酰亞胺、苯醌、溴等取代基，由于與取代基之間發(fā)生n-π，p-π，π-π共軛，導(dǎo)致分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移，降低了AIEgen的熒光強度，即使AIE分子聚集也不會發(fā)射熒光或發(fā)射很弱的熒光使其即使加入不良溶劑THF時聚集發(fā)光效應(yīng)并不明顯.

2.3 TBNA和TSNA的熒光光譜學(xué)和AIE特性表征其次，如圖4所示，我們研究了TBNA和TSNA的AIE發(fā)光效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)橋連吖啶官能團的存在對四苯基乙烯的聚集誘導(dǎo)發(fā)射幾乎不會造成影響，兩種分子均表現(xiàn)出典型的AIE效應(yīng).隨著水和乙醇混合溶液中水的體積比增加，兩種分子均表現(xiàn)出熒光強度增大的性質(zhì).其中TBNA在水中的熒光強度為在乙醇中的2.2倍，而TSNA在水中的熒光強度為在乙醇中的5.8倍，AIE效應(yīng)更強.365 nm紫外燈照射下的圖片也顯示TSNA比TBNA表現(xiàn)出更加強烈的AIE效應(yīng).造成這一現(xiàn)象的原因可能在于TSNA上與四苯基乙烯橋連的噻吩基團上存在孤對電子，自身能夠形成離域π鍵，屬于富電子芳香團，與四苯基乙烯共同形成螺旋獎狀的分子結(jié)構(gòu)并且作為電子供體單元，從而增強了TSNA分子聚集時的熒光.

圖4 (A)TBNA在不同比例乙醇 /水混合液中的熒光光譜以及(B)熒光強度與水含量關(guān)系圖.(C)TSNA不同 比例乙醇/水混合液中的熒光光譜以及(D)熒光強度與水含量關(guān)系圖(插圖：UV-vis燈(365 nm)下的熒光照片)

3 結(jié)論

本研究設(shè)計并合成了4種基于聚集誘導(dǎo)發(fā)射效應(yīng)的熒光探針.熒光光譜表明化合物TPA-SADI和TSNA有較好的熒光聚集效應(yīng).由于AIEgen結(jié)構(gòu)中助色團、發(fā)色團、空間位阻、分子的平面性質(zhì)以及取代基位置等多個原因均會影響其最終的AIE效應(yīng).我們通過對比TPA-SADI與TPE-SADI,當(dāng)發(fā)色團由三苯胺變?yōu)樗谋交蚁r，由于分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(n-π，p-π，π-π等共軛)，降低了AIEgen的熒光強度，即使分子聚集也不會發(fā)射熒光或發(fā)射很弱的熒光. 再對比TSNA與TBNA時，發(fā)色團并未發(fā)生改變，而是橋聯(lián)基團發(fā)生了變化.由于四苯基乙烯橋連的噻吩基團存在孤對電子，能夠形成離域π鍵，這一結(jié)構(gòu)可以向四苯基乙烯提供電子，進而可以增強TSNA的熒光.因此在合成設(shè)計熒光探針時，可以通過改變官能團的方式來對AIEgen熒光性能進行調(diào)節(jié).這些研究為聚集誘導(dǎo)發(fā)射熒光探針的設(shè)計合成提供了可參考的理論基礎(chǔ).