四苯乙烯制備及其應(yīng)用研究綜述

羅一權(quán)，馮亮，鄭仁林

（西南科技大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621000）

1，1，2，2-四苯基乙烯（tetraphenylethylene，TPE），其外圍苯環(huán)呈螺旋槳形結(jié)構(gòu)，是一種典型的聚集誘導(dǎo)發(fā)光（Aggregation Induced Emission，AIE）熒 光 發(fā) 光 團[1]。TPE的分子結(jié)構(gòu)是非平面的，具有高度動態(tài)基團。由于TPE 分子中四個苯環(huán)通過碳碳單鍵與中間的乙烯基團相連接，因而苯環(huán)可以以單鍵為轉(zhuǎn)軸自由地旋轉(zhuǎn)、振動。TPE發(fā)光體在溶液中是不發(fā)射的，導(dǎo)致無輻射的弛豫過程。TPE 分子的螺旋構(gòu)象限制了苯環(huán)在聚集時的分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)。這種對分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)的構(gòu)型限制[2]阻止了非輻射松弛的途徑，因此TPE發(fā)出了熒光。

在聚集誘導(dǎo)發(fā)光體（Aggregation-Induced Emission Luminogen，AIEgen）體系中，四苯乙烯及其衍生物因其易于合成、光性能優(yōu)良、官能團容易修飾等優(yōu)點而成為研究最廣泛、發(fā)展最快的一類。近年來，四苯乙烯衍生物在離子探針[3]、生物檢測[4-5]、有機發(fā)光材料[6]等領(lǐng)域的應(yīng)用取得了許多研究成果。本文從TPE 的制備為出發(fā)點，介紹了TPE 的三種常用制備方法、原理以及近年來TPE及其衍生物的應(yīng)用研究成果。

1 制備方法

目前四苯乙烯主流的制備方法主要有McMurry Coupling法、Suzuki Coupling法以及苯乙烯芳基化法，這些方法具有反應(yīng)時間短，反應(yīng)收率高，反應(yīng)條件易達(dá)到，產(chǎn)物純度高等優(yōu)點。

1.1 McMurry Coupling[7]法

反應(yīng)原理：二苯甲酮在低價態(tài)鈦的作用下兩個羰基縮合去氧，從而制得四苯乙烯。體系中生成的低原子價態(tài)的Ti 作為活性中間體，作用于二苯甲酮形成pinacol偶聯(lián)型中間體，中間體最后再脫氧生成四苯乙烯[8]?，F(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出了多種用TiCl3或TiCl4和還原劑（如鉀、鋅、鎂等）來制取的方法[9-10]，但使用TiCl4和鋅來制取仍是主流方法。

實驗步驟：將5.00當(dāng)量鋅粉和反應(yīng)溶劑裝入干燥的三頸燒瓶中，對混合物進(jìn)行脫氣處理。冰浴下，再加入3.00 當(dāng)量TiCl4，室溫反應(yīng) 10 min，90℃下回流2 h，之后再在冰浴下加入1.00 當(dāng)量二苯甲酮的無水THF 溶液，90℃回流過夜。將混合物冷卻到室溫并轉(zhuǎn)移到燒杯中，加入K2CO3溶液（10wt%）以獲得最終沉淀。過濾得沉淀，并將其風(fēng)干，用DCM萃取，最后減壓蒸發(fā)溶劑，得到所需的四苯乙烯[12]。

值得注意的是該反應(yīng)因為有TiCl4參與，一旦反應(yīng)體系中有水和氧氣，TiCl4便會與水發(fā)生劇烈水解，生成TiO2或者被鋅粉還原的Ti（0），會被氧氣迅速氧化，使其失去活性中間體的作用。因此該反應(yīng)需要在嚴(yán)格無水無氧的環(huán)境下進(jìn)行，需要使用預(yù)干燥的溶劑和標(biāo)準(zhǔn)的Schlenk技術(shù)。

溶劑的選擇：用McMurry Coupling 制備TPE 時溶劑的選擇對反應(yīng)產(chǎn)率有一定的影響。四氫呋喃因為其可以增加pinacol 偶聯(lián)型中間體的溶解度，有利于電子轉(zhuǎn)移，且在該環(huán)境中反應(yīng)活性不會降低，是目前以McMur?ry Coupling制備四苯乙烯最常用的溶劑。除此之外，甲苯、乙醚、乙腈、1，4-二氧六環(huán)、1，2-二甲氧基乙烷等[13-17]也可作為McMurry Coupling 反應(yīng)的溶劑，但這些溶劑價格更高或反應(yīng)效果不及四氫呋喃，因此不作為該反應(yīng)主流的反應(yīng)溶劑。

1.2 Suzuki Coupling[18]法

反應(yīng)原理：Pd（II）還原為Pd（0）作為反應(yīng)催化劑，碘苯對Pd（0）進(jìn)行氧化加成，二苯乙炔順碳鈀化生成乙烯基鈀中間體，隨后與“ate絡(luò)合物”ArB（OH）3-發(fā)生 Suzuki型轉(zhuǎn)金屬化，在Pd（0）催化劑再生的同時還原消除生成四苯乙烯。

實驗步驟：將2.00 當(dāng)量碘苯、1.00 當(dāng)量二苯乙炔、3.00 當(dāng)量苯硼酸、3.00 當(dāng)量KHCO3和適量催化劑PdCl2（PhCN）2倒入4∶1的DMF/H2O溶劑中，在100℃中反應(yīng)3 h[19]。

Suzuki Coupling 法與 McMurry Coupling 法相比，反應(yīng)條件更易達(dá)到，不需要嚴(yán)格控制無水，但仍需要控制反應(yīng)體系無氧，否則零價的鈀很快會被氧化成二價鈀，此外Suzuki Coupling 法的反應(yīng)時間也更短，但是用Su?zuki Coupling 法反應(yīng)制備四苯乙烯也有一些不足之處，如配合物成本高，而且有幾項科學(xué)研究表明[20-22]，它對健康和環(huán)境有負(fù)面影響。

1.3 苯乙烯芳基化[23]法

反應(yīng)原理：PPh3作為反應(yīng)介質(zhì)來還原 Fe（III），隨后是鹵苯氧化加成Fe（I）轉(zhuǎn)化為有機三價鐵配合物，在三價鐵配合物催化下，苯乙烯與鹵苯發(fā)生芳基化反應(yīng)，生成四苯乙烯。

實驗步驟：先將催化劑FeCl3·6H2O 及其配體PPh3和1.25 當(dāng)量Na2CO3倒入反應(yīng)容器中，再將1.00 當(dāng)量鹵代苯與1.00當(dāng)量苯乙烯一起加入反應(yīng)容器，然后再加入溶劑DMF。在100℃油浴下反應(yīng)24 h。反應(yīng)結(jié)束后，用正己烷或環(huán)己烷萃取，然后用飽和NaCl 溶液萃取。最后使用無水Na2SO4干燥，過濾，得到四苯乙烯。

用苯乙烯芳基化反應(yīng)來制備TPE 與Suzuki Cou?pling法相比，苯乙烯芳基化反應(yīng)以Fe（Ⅲ）為催化劑，具有成本低、無污染和無毒的優(yōu)勢特性。

2 四苯乙烯的應(yīng)用

2.1 離子探針

2020 年，Xie 等[24]通過 Knoevenagel 縮合反應(yīng)合成了一種具有聚集誘導(dǎo)增強發(fā)射特性的非平面TPE 功能化水楊醛席夫堿熒光探針1，該探針包含一個吡啶-2，6-二羧基酰胺核和兩個通過苯二胺橋連接的TPE基團，可以作為四氫呋喃/水混合物和真實水樣中銅（II）的選擇性傳感器。探針1 對Cu2+的檢出限為2.36×10-7mol·L-1。在陽光下，Cu2+和Fe3+存在時，探針1 可與銅（II）和鐵（III）配合，溶液顏色由無色變?yōu)辄S色。因此探針1可作為檢測Cu2+的熒光探針，但鐵（III）可能是探測Cu2+的關(guān)鍵干擾離子。探針1 在激發(fā)后，其熒光強度在2.0~11.0 較寬的pH 范圍內(nèi)熒光行為保持相對不變，因此探針1是一種在酸堿環(huán)境中能穩(wěn)定檢測Cu2+的熒光探針，適合實際應(yīng)用。探針1有望用于水環(huán)境中Cu2+的監(jiān)測。

2021 年，Wang等[25]以TPE為發(fā)色團，親水性2-甲基氨基吡啶與金屬離子結(jié)合，合成了具有AIE特征的兩親性分子2。分子2可在水溶液中自組裝，具有良好的水分散性。分子2可以用于選擇性和高靈敏度的Fe3+“關(guān)閉”檢測，對Fe3+的檢出限為2.69 × 10-9mol·L-1。此外，2-Fe3+配合物在加入Ca2+后恢復(fù)熒光，可用于Ca2+的“開啟”檢測。當(dāng)Ca2+∶Fe3+的摩爾比為1∶4時，熒光可以清晰地分辨出來，并且分子2 具有良好的水分散性、較低的細(xì)胞毒性和良好的生物相容性，因此分子2在水溶液和活細(xì)胞中Fe3+和Ca2+的序列檢測方面有極大的潛在價值。

2020年，Pan等[26]合成了一種由4個二甲基甲脒和4個氯離子組成的新型TPE衍生物傳感器3。傳感器3在純水中對PO43-表現(xiàn)出良好的熒光增強反應(yīng)，具有較高的選擇性和靈敏度。傳感器3 對純水中PO43-的檢出限為 6.56 ×10-8mol·L-1。傳感器 3 在 PO43-的檢測范圍內(nèi)具有良好的重復(fù)性、穩(wěn)定性、選擇性和靈敏度。此外，傳感器3 表現(xiàn)出對溶液和試紙模式中PO43-的半定量視覺檢測能力。在純水中具有高靈敏度熒光增強的有意義的設(shè)計，為傳感器3應(yīng)用于實際水樣提供了機會。

2021 年，Wang 等[27]用一種簡單的方法合成了具有聚集誘導(dǎo)發(fā)射和高量子產(chǎn)率的新型熒光探針?biāo)谋揭蚁┭苌?。衍生物4表現(xiàn)出良好的AIE熒光，其對Al3+的低檢出限為 1.587 × 10-7mol·L-1，并且衍生物 4 在 2.0~12.0的較寬pH范圍內(nèi)對Al3+有良好的響應(yīng)，更重要的是，衍生物4在活細(xì)胞中表現(xiàn)出非常低的細(xì)胞毒性和很強的熒光發(fā)射。因此衍生物4對Al3+具有特定的選擇性和較高的抗干擾性能，這表明衍生物4在檢測活細(xì)胞成像中的強酸、強堿和Al3+方面具有廣闊、潛在的應(yīng)用前景。

2019年，Zhao等[28]研究制備了一種新型TPE衍生物5，該化合物含有的磺酸基用于水溶性調(diào)制，含有的羧基二硫縮醛用于Hg2+傳感。將衍生物5接枝到靜電紡絲纖維上作為試紙，Hg2+特異性裂解二硫縮醛基團，導(dǎo)致化合物釋放和熒光關(guān)閉。纖維墊熒光強度的降低可以與Hg2+水平進(jìn)行定量分析，在不同Hg2+水平下纖維墊由綠色變?yōu)樗{(lán)綠色再變?yōu)樗{(lán)色。Hg2+的檢測限低至2×10-8mol· L-1，滿足飲用水中Hg2+的檢測閾值，并且其他金屬離子和pH的變化對Hg2+的干擾可以忽略，因此衍生物5有望用于自來水中Hg2+的檢測。

2.2 生物檢測

2020年，Sayed等[29]研制出一種新型AIEgen 6，可對革蘭氏陽性細(xì)菌[G（+）]進(jìn)行鑒定。該分子中萘酰亞胺核作為電子接受單元，然后用叔胺功能化用于生物應(yīng)用，并進(jìn)一步用三苯胺和TPE 裝飾為電子提供部分，使得AIEgen 6可以選擇性染色[G（+）]細(xì)菌，但不能染色[G（-）]和真菌等其他微生物。其中，靜電吸引和疏水相互作用在[G（+）]細(xì)菌選擇性染色過程中起重要作用，具有堿性的叔胺可能通過靜電作用與[G（+）]菌細(xì)胞壁中的脂磷壁酸和糖醛酸磷壁酸發(fā)生強烈的相互作用，可以染色和成像[G（+）]細(xì)菌形成生物膜，并在RBC懸液中選擇性地顯示[G（+）]細(xì)菌。由于AIEgen 6免洗成像、低溶血和對細(xì)菌細(xì)胞的毒性可以忽略，并且能夠?qū)G（+）]細(xì)菌形成的生物膜可視化，快速跟蹤紅細(xì)胞懸浮液中的[G（+）]細(xì)菌，因此，在不久的將來AIEgen 6 有望在革蘭氏分化和有效選擇合適的治療感染抗生素方面獲得實際應(yīng)用。

2021 年，Li 等[30-31]首次研究了含磷酸鹽 TPE 的聚集誘導(dǎo)電化學(xué)發(fā)光（ECL）對水溶液中堿性磷酸酶（ALP）活性的檢測，制備了一種新型AIEgen 7。在ALP存在的情況下，磷酸化基團通過酶解從原始的共軛結(jié)構(gòu)中衍生出來，導(dǎo)致ECL 信號下降。將AIEgen 7應(yīng)用于ECL 體系，表現(xiàn)出對ALP 的高選擇性和高靈敏度。AIEgen 7 具有電極固定力強、成膜性好、制備簡單、可實現(xiàn)一步檢測等優(yōu)點。Tris-HCl緩沖液的檢出限為0.037 U/L，線性范圍為0.1~6.0 U/L，并且AIEgen 7 也被嘗試應(yīng)用于人血清和細(xì)胞實驗，并成功地證明了其在細(xì)胞和血清中堿性磷酸酶水平臨床分析中的潛在應(yīng)用價值，為有機物在ECL中的應(yīng)用提供了新的思路，而且在未來幾年相關(guān)疾病的診斷和臨床分析中具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2019年，Chang等[32]以TPE為AIEgen，合成了一種二硫鍵共軛的聚集誘導(dǎo)發(fā)射發(fā)光體8，發(fā)光體8可以通過H2S選擇性的二硫鍵裂解及其二聚化來顯著提高聚集性。發(fā)光體8 由TPE 作為AIEgen，二硫鍵作為H2S 的反應(yīng)中心組成。在生理條件下，發(fā)光體8可通過形成TPE二聚體產(chǎn)生較強的熒光響應(yīng)H2S。這種熒光反應(yīng)對H2S的選擇性高于其他潛在的干擾物，如生物上豐富的硫醇、活性氧、金屬離子和陰離子等。發(fā)光體8在pH為5~8的范圍內(nèi)顯示了H2S的熒光變化，對H2S的檢測下限為84 nm，這在生理H2S水平上是一個顯著的值。此外，通過抑制活細(xì)胞中與H2S相關(guān)的酶證實了發(fā)光體8對內(nèi)源性H2S可以進(jìn)行熒光成像，從而展示了發(fā)光體8在生物檢測和生物成像方面較高的研究價值。

2.3 有機發(fā)光材料

2.3.1 有機發(fā)光二極管

2017 年，Tan 等[33]基于四苯基乙烯衍生物設(shè)計合成了兩種藍(lán)光材料9 和10，并將其作為有機發(fā)光二極管器件的發(fā)光層，利用材料的本征激子發(fā)光及其電致激基復(fù)合物發(fā)光，可以得到理想的白光電致發(fā)光。將藍(lán)光材料9 和10 摻雜于甲基環(huán)戊烯醇酮（mCP）中作為發(fā)光層，以TAPC和TmPyP 分別作為空穴傳輸層和電子傳輸層制備器件A 和器件B，所得器件在操作電壓為9 V時的色坐標(biāo)分別為（0.32、0.33）和（0.31、0.34），其中器件B的最大亮度和最大電流效率分別為364.66 cd?m-2與0.79 cd?A-1，該材料有望用于平板顯示和固態(tài)照明領(lǐng)域。

2.3.2 液晶材料

2021 年，Xiao 等[34]通過 Ti 催化的 McMurry Couping反應(yīng)、Pd 催化的Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)和Knoevenagel 反應(yīng)合成了以TPE 為中心，以α-氰基二苯乙烯鍵將12個癸基氧環(huán)環(huán)在TPE 上的盤狀液晶分子（Discotic Liquid Crys?tals，DLCs）11。該化合物可以表現(xiàn)出不規(guī)則的溶劑致變色行為和高的熒光量產(chǎn)率溶液和聚集態(tài)，這可能與扭曲構(gòu)象和大π共軛骨架有關(guān)。此外，液晶分子11在THF -水混合物中也表現(xiàn)出明顯的AIE 行為。該設(shè)計策略為構(gòu)建新型的AIE 活性LC 材料提供了一種新的、簡單的方法，在未來的液晶材料研發(fā)方面具有較高研究價值。

2.4 其他應(yīng)用

2.4.1 藥物傳遞

2022 年，Yan 等[35]設(shè)計了一種基于透明質(zhì)酸 TPE 結(jié)合物（HA-SS-TPE）12與谷胱甘肽（GSH）反應(yīng)性的靶向給藥系統(tǒng)。HA 作為TPE 結(jié)合物12 的親水主鏈，具有AIE性質(zhì)的TPE部分為疏水段，二硫鍵使TPE結(jié)合物12具有氧化還原反應(yīng)性。在TPE結(jié)合物12的自組裝過程中，阿霉素（DOX）被加載以形成載有DOX 的聚合物膠束。TPE的聚集不僅誘導(dǎo)了HA-SS-TPE在選擇性溶劑中的自組裝，而且還負(fù)載疏水的DOX 形成了負(fù)載DOX的聚合物膠束。通過引入具有AIE 特性的TPE 聚集體及其缺陷，DOX 聚合物膠束具有自定位功能。負(fù)載DOX 的聚合物膠束不僅表現(xiàn)出熒光發(fā)射，而且還表現(xiàn)出快速谷胱甘肽觸發(fā)的解離，通過響應(yīng)腫瘤微環(huán)境來釋放DOX，并且體內(nèi)研究表明，DOX@HA-SS-TPE 能顯著抑制腫瘤生長。因此，這種具有熒光特性的GSH 反應(yīng)藥物傳遞系統(tǒng)為CD44過表達(dá)的癌癥提供了一種潛在的治療方法。

2.4.2 防偽技術(shù)

2019 年，Huang 等[36]制備了一種新型化合物 13，該分子易受研磨、加熱和蒸汽熏蒸的影響，并表現(xiàn)出相應(yīng)的發(fā)射顏色轉(zhuǎn)變，加熱粉末或單晶即可表現(xiàn)出可逆的光變色。在短時間的紫外光照射后，其顏色呈鮮紅色，但在1 min 內(nèi)就恢復(fù)到原來的白色。而可逆的力致變色現(xiàn)象是由于分子的頭尾堆積產(chǎn)生的弱分子相互作用。這種可逆的多態(tài)、高對比度和快速響應(yīng)的機械變色和光變色特性協(xié)同提供了先進(jìn)防偽技術(shù)中多模保證的雙重增強。在固體狀態(tài)下，該分子以一種只有少量分子間相互作用才能穩(wěn)定的模式堆積，容易受研磨、加熱和熏蒸的影響，從而具有優(yōu)異的機械變色性以及多態(tài)、可逆、高對比度和快速響應(yīng)的發(fā)射特性。由于TPE 的固體光環(huán)化作用，加熱后的粉末和結(jié)晶形式的探針1具有自恢復(fù)光致變色特性?；衔?3提供了一個在單個有機分子中結(jié)合多態(tài)機械致變色和光致變色的獨特例子。利用這些特征，證明了化合物13 在鈔票或機密紙張多維防偽方面的應(yīng)用潛力。

2.4.3 爆炸物檢測

2022年，Zhu等[37]將1，4-二氫吡咯并[3，2-b]吡咯與TPE和吡啶單元結(jié)合，研制了一種用于水介質(zhì)中苦味酸（PA）檢測的有效AIE活性探針14，其中，吡啶基被證明是負(fù)責(zé)有效傳感的特異性結(jié)合基團。1H NMR滴定實驗證實了PA 與吡啶基之間存在較強的相互作用。探針14 可用于水介質(zhì)中PA 的有效傳感，對PA 的檢測下限為3.15×10-8nmol·L-1，探針14 具有高選擇性、高靈敏度和對PA快速響應(yīng)等特點，因此探針14在酸性條件下和在不同金屬離子存在下表現(xiàn)出優(yōu)異的傳感性能，使其成為一種非常有前途的熒光探針，可用于監(jiān)測實際水樣中的污染。

2.4.4 太陽能電池

2019年，Li等[38]制備了以TPE為N-取代基，以4 H-環(huán)戊二烯[2，1- b∶3，4- b′ ]二噻吩為含對位基團的雙錨定吩噻嗪核增敏劑15，用于染料敏化太陽能電池（DSSC）?；谠雒魟?5 的DSSC 在沒有和有CDCA 共吸附劑的情況下表現(xiàn)出最好的太陽能-電力轉(zhuǎn)換效率，分別高達(dá)9.79%和10.87%，是以碘化物/三碘化合物為氧化還原介體的無金屬染料類DSSCs中效率最高的，并且增敏劑15具有雙層遮蔽層，可有效阻擋暗電流：內(nèi)遮蔽層不受錨定骨架的影響，外遮蔽層不受堵塞的熱塑性彈性體單元的影響，堵塞的TPE還增強了TiO2表面的染料穩(wěn)定性。在室內(nèi)照明（飛利浦T5 燈）下，基于增敏劑15 的 DSSC 器件在 187 lux、597 lux 和 1 025 lux 下的電池效率分別達(dá)到27.54%、26.81%和24.98%。增敏劑15顯示出向物聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展的巨大潛力以及在太陽能電池方面的研究價值。

2.4.5 形成水凝膠

2020 年，Cheng 等[39]成功構(gòu)建了基于多羧基 TPE 化合物16 和1-乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）碳二亞胺（EDC）的耗散水凝膠體系。該體系可以作為一種可寫和可自擦除的水凝膠。在該體系中以EDC 為化學(xué)燃料，在化合物16 的水溶液中加入EDC 后，化合物16 的羧基轉(zhuǎn)化為羧酸酐，從而使化合物16 的水溶液可以快速轉(zhuǎn)化為水凝膠，之后形成的水凝膠會以較低的速率溶解回到溶液狀態(tài)。在這種化學(xué)燃料驅(qū)動的耗散系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了一種水溶液可寫、可自熱的水凝膠材料?；衔?6 在低濃度（0.45wt%）下可以形成EDC 驅(qū)動的水凝膠。這種由化學(xué)燃料（EDC）驅(qū)動的耗散系統(tǒng)可以作為水中的可寫和自鐵材料應(yīng)用，并可能在未來的3D打印中有潛在的應(yīng)用。

3 總結(jié)與展望

四苯乙烯及其衍生物因其易于合成、光性能優(yōu)良、官能團容易修飾等優(yōu)點，因而在AIEgen 體系中成為研究最廣泛、發(fā)展最快的一類，因其具有獨特的光電性質(zhì)和生物活性，被廣泛運用于離子探針、生物檢測、有機發(fā)光材料等領(lǐng)域，具有極大的研究價值。盡管如此，在四苯乙烯及其衍生物的應(yīng)用方面仍有一些問題需要突破，如金屬離子檢測，由于具有專屬感測基團，AIEgen 低選擇性是面臨的主要問題；在生物檢測方面，研發(fā)具有較好的生物相容性、靶向性、更高的抗干擾能力和檢測靈敏度以及更低細(xì)胞毒性和水溶性好的AIEgen則是需要進(jìn)一步研究和突破的方向；在有機發(fā)光材料方面，四苯乙烯及其衍生物面臨著最大發(fā)光亮度、發(fā)光效率以及光穩(wěn)定性不及傳統(tǒng)發(fā)光材料的問題。只有不斷挑戰(zhàn)和突破這些問題，才能發(fā)揮四苯乙烯及其衍生物巨大的潛在價值。