恒光講堂｜近紅外二區(qū)小分子探針的優(yōu)化策略：取代基置換提高熒光量子產(chǎn)率

本文要點(diǎn)：短波紅外區(qū)(SWIR，1000−2000 nm)的熒光團(tuán)最近作為生物成像工具引起了人們的興趣。與可見光和近紅外區(qū)相比，短波紅外區(qū)對(duì)組織的穿透深度增加，圖像分辨率提高，光子能量較低，有利于復(fù)雜系統(tǒng)中的光學(xué)成像。小分子熒光團(tuán)毒性低，容易從體內(nèi)清除，但要獲得吸收和發(fā)射大于1,000 nm、熒光量子產(chǎn)率ΦF大于∼0.3%的熒光團(tuán)是具有挑戰(zhàn)性的。

在這篇文章中，作者探索了一類SWIR熒光團(tuán)黃素多亞胺染料的取代基（二甲氨基）的放置位置對(duì)λmax和熒光量子產(chǎn)率ΦF的顯著影響。

Flaf7在7位含有二甲氨基，λmax在1000 nm以上，作者通過改變了7位給電子取代基，發(fā)現(xiàn)λ吸收峰調(diào)整∼80 nm，并與σ的Meta Hammett常數(shù)形成線性的自由能關(guān)系。取代基的同一性對(duì)所分析的系列的量子產(chǎn)率的影響最小(ΦF=0.42−0.62%)。發(fā)現(xiàn)7位跟間位關(guān)聯(lián)，于是作者將二甲氨基放置在黃雜環(huán)上的其他位置(圖1)。作者通過實(shí)驗(yàn)和量子力學(xué)分析報(bào)道了黃素七甲基甲胺熒光團(tuán)上假定的鄰位、間位和對(duì)位上的二甲氨基取代基對(duì)光物理性質(zhì)的影響。

方案1.化合物3-5（5-，6-和8-的二甲氨基取代位置）合成方案。

圖2.黃素多亞胺染料的(A)吸收和(B)發(fā)射；(C)未取代的(IR-27，2)和二甲氨基取代的七甲基甲胺染料(1，3−5)的光物理數(shù)據(jù)

接下來評(píng)估了新合成的染料的光物理性能，并與Flat7(1，圖2)進(jìn)行了比較。吸收和發(fā)射光譜表明，二甲氨基的位置對(duì)λmax,abs和 λmax,em有影響。此前作者通過Hammett分析將7位與間位進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，預(yù)計(jì)6位將與對(duì)位相對(duì)應(yīng)，并且由于增強(qiáng)了π-donation，此位上的取代基將顯示出明顯的效果。6-Flat7(4，圖2，紅色)從Flat7(1，圖2，黑色)紅移了20 nm。

然后作者推論，5位置可以作為另一個(gè)間位，而8位置可以作為鄰位。預(yù)計(jì)5-Flat7(3)的吸收和發(fā)射與Flat-7(1)相似，8-Flat7(5)和6-Flat7(4)也可以進(jìn)行同樣的比較。然而，觀察到，與Flat7(1)相比，3和5都發(fā)生了低色移位。5-Flat7(3，圖2，藍(lán)色)的λ極值為1004 nm，比Fla7(1)的藍(lán)移23 nm。8-Flat7(5，圖2，綠色)的λ極值為990 nm，與母體染料IR-27(2)幾乎相同。這些結(jié)果與根據(jù)哈米特參數(shù)預(yù)測(cè)的λ極值是相反的，并促使了一項(xiàng)量子力學(xué)研究。

圖3(A)由Flat7表示；扭轉(zhuǎn)角由α(V1至V2，紅至藍(lán))和β(V3至V2，綠至藍(lán))定義，使用多亞胺(V1)、黃素(V2)和取代基(V3)平面的法線；(B)黃7染料的α和β角度表；(C，D)S0狀態(tài)下(C)5-Flat7和(D)8-Flat7的雜環(huán)結(jié)構(gòu)，用M06-2X/6-31+G(d，p)優(yōu)化

取代基改變了π-體系在多亞甲基鏈和黃雜環(huán)上的平面性。作者用兩個(gè)角度參數(shù)α和β去卷積這些效應(yīng)(圖3A，B)。將α定義為多亞胺平面與黃素平面之間的夾角，而β定義為黃素平面與取代基之間的夾角。對(duì)α角的分析表明，當(dāng)二甲氨基在6位、7位或8位時(shí)，多甲基平面和黃素雜環(huán)之間幾乎沒有扭曲(α=5−7°，圖3B)。在5位置，NMe2C−H鍵與聚亞甲基鏈上的乙烯基C−H鍵發(fā)生碰撞，形成較大的18°角。NMe2取代基也改變了黃雜環(huán)附近的幾何構(gòu)型。Flat7(1)和6-Flat7(4)的扭轉(zhuǎn)角β幾乎是平面的(分別為5°和1°)。5-Flat7(3)和8-Flat7(5)的β角分別為46°和44°，表明存在明顯的面外扭曲。

圖4.(A)M06-2X/6-31+G(d，p)理論水平下的Flat7(1)和(5，6和8)Fla7(3−5)的HOMO和LUMO。(B)由理論HOMOλ間隙(EV)確定的−計(jì)算、abs(納米)計(jì)算表。Δ是實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的λabs極值之間的差值

通過計(jì)算了前線分子軌道(FMO)來說明這些熒光團(tuán)的電子結(jié)構(gòu)的差異。FMOS研究表明，黃素雜環(huán)中的π共軛程度隨取代基位的不同而不同。Flat7(1)和6Flat7(4)的二甲氨基與黃素雜環(huán)幾乎共面，這使得NMe2能夠延長HOMO和LUMO中的軌道重疊。這導(dǎo)致了HOMO−LUMO間隙的減小和更長的λmax，abs。5-Flat7(3)中46°的離面扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致氮孤對(duì)電子與生色團(tuán)的π共軛減少。8-Flat7(5)的實(shí)質(zhì)性平面外扭曲幾乎消除了氮孤對(duì)電子的π共軛，這導(dǎo)致了相對(duì)于母體染料IR-27(2)的不受干擾的λmax。

用雙重法(CIS(D)))和cc-pVDZ基組的單分子構(gòu)型相互作用，計(jì)算了染料的吸光度(MAX，AUS值)。計(jì)算的HOMO−LUMO間隙與實(shí)驗(yàn)觀察到的趨勢(shì)相符(圖4B)。6-Flat7(4)的間隙最小(2.94 eV)，與最長的λmax，abs相關(guān)；8-Flat7(5)的間隙達(dá)到極限，為3.03 eV，與最短λmax，abs相關(guān)。預(yù)測(cè)的λmax，Abs相對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果系統(tǒng)地藍(lán)移了159−190 nm，這可能是由于雙激發(fā)的貢獻(xiàn)。對(duì)λmax的分析表明，取代基在黃素環(huán)上的位置可以影響λmax，與通過改變7位置的電子觀察到的大小相當(dāng)。

然而，小分子熒光團(tuán)在紅外光譜中的主要缺陷是它們的ΦF較低。Flat7(1)對(duì)多亞甲基SWIR熒光團(tuán)有相當(dāng)高的ΦF為0.61%。以前，發(fā)現(xiàn)7位官能團(tuán)的熒光量子產(chǎn)率幾乎沒有變化。然而，在這里看到，取代基的放置可以極大地改變ΦF(圖2)。

圖5(A)氮雜環(huán)丁烷取代的七甲基黃(12，13)的結(jié)構(gòu)。(B)6-和7-氨基香豆ｓｕ熒光團(tuán)的結(jié)構(gòu)(10，11)。(C)黃素、七甲胺和香豆ｓｕ染料分別在二氯甲烷和癸醇中的ΦF。(D)在6和7取代黃素七甲胺或香豆ｓｕ熒光團(tuán)之間的ΦF的變化。

接下來通過測(cè)量了5-Flat7、6-Flat7和8-Flat7的ΦF值(3−5)。Flat7(1)和6Flat7(4)在構(gòu)象上是相似的，但ΦF有巨大差異。黃素雜環(huán)在結(jié)構(gòu)上類似于香豆ｓｕ雜環(huán)，并且以前觀察到6位和7位取代香豆ｓｕ熒光團(tuán)的ΦF有很大差異。與7-氨基香豆ｓｕ(11)相比，6-氨基香豆ｓｕ(10)的低ΦF是由于扭曲的分子間電荷轉(zhuǎn)移(TICT)態(tài)的貢獻(xiàn)更大，在該狀態(tài)下，胺供體在光激發(fā)下由∼90°扭曲出平面，形成非發(fā)射物種。于是推測(cè)，與母體Flat7(1)相比，類似的現(xiàn)象也可能導(dǎo)致6-Flat7(4)的熒光損失。

為了深入了解TICT是否對(duì)觀察到的1和4的熒光差異有貢獻(xiàn)，通過合成一種在6位含有氮雜環(huán)丁胺的七甲基黃胺。氮雜環(huán)丁胺已被證明通過防止取代基扭曲平面來最小化TICT狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)氮雜-6-Flat7(12)ΦF為0.21%，是二甲氨基衍生物的1.75倍。相比Flat7(1)，7位(13)氮雜環(huán)丁胺導(dǎo)致ΦF略有下降。

最后計(jì)算了每對(duì)6-和7-取代熒光團(tuán)的ΦF的倍數(shù)變化(4比1，12比13，10比11；圖5D)，發(fā)現(xiàn)七甲基黃素和香豆ｓｕ染料的NMe2不同放置有相似的變化，而氮雜環(huán)丁?；钠呒谆玖献兓^小。這些數(shù)據(jù)支持這樣的觀點(diǎn)，即TICT可能在6位發(fā)揮更大的作用，導(dǎo)致觀察到的6-Fla7(1)和6-Fla7(4)的ΦF的差異。

綜上所述，作者證明了二甲氨基的放置對(duì)黃素七甲基染料的光物理性質(zhì)有顯著的影響。取代基立體效應(yīng)影響共軛度，改變λ(Max)，abs。7位似乎有利于獲得較高的量子產(chǎn)率和保持SWIR的吸收峰；然而，通過取代6位可以得到更多的紅移染料。本文所獲得的見解有助于設(shè)計(jì)用于高分辨率SWIR活體成像的新型熒光團(tuán)。

參考文獻(xiàn)

Pengshung M, Li J, Mukadum F, Lopez SA, Sletten EM. Photophysical Tuning of Shortwave Infrared Flavylium Heptamethine Dyes via Substituent Placement. Org Lett. 2020 Aug 7;22(15):6150-6154. doi: 10.1021/acs.orglett.0c02213. Epub 2020 Jul 29. PMID: 32790432; PMCID: PMC7542986.

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