含功能性构筑单元扩展卟啉的合成与性质研究

Normal tetrapyrrole porphyrins do not show absorption in the near infrared (NIR) region (600-1000 nm). Expanded porphyrins exhibit strong absorption in NIR region compared with normal porphyrins, thus they can be used as efficient sensitizer in photodynamic therapy. However, when increase the number of heterocycles in the macrocyclic compound, their conformation become flexible, which reduce their planarity and aromaticity and thus lead to weak absorption. Herein, a series of novel expanded porphyrins are designed which embeded with functional building blocks that are highly planar and contain Se, Si and Ge atoms. The purpose is to impose planarity and enhanced aromacity to expanded porphyrins and thus to achieve near infrared absorption. The solid-state conformation, aromaticity and electronic structure will be investigated in detail. The impact of the conformational and electronic structures of building blocks on the target expanded porphyrins will be examined by using TD-DFT calculation. Near infrared absorption and singlet oxygen generation test will be carried out to estimate the photophysical performance of the target compounds and to explore the structure-property relationships, which will facilitate the rational design of expanded porphyrins with properties suitable for the application in near infrared photodynamic therapy.

普通四吡咯卟啉的Soret和Q带吸收均未达到近红外吸收区域（600-1000 nm）。扩展卟啉作为卟啉的衍生物具有较强的近红外吸收，它们具有作为新型高效光动力治疗光敏剂的潜力。但是，随着卟啉结构中杂环单元数量的增加，大环分子柔性增强，从而导致平面性降低，芳香性及吸收强度随之降低。本研究拟通过选取具有刚性平面结构以及包含Se、Si和Ge等特殊电子结构原子的共轭小分子作为构筑单元，合成平面性较高且π电子共轭程度增强的扩展卟啉，以期实现其吸收光谱的红移。对目标扩展卟啉分子的空间结构、芳香性及电子结构进行表征分析。利用含时密度泛函理论计算方法探讨构筑单元自身空间及电子结构对新型扩展卟啉的空间结构及芳香性的调控规律。通过对目标化合物的近红外吸收及单线态氧产生效率等应用的测试，评价其光物理性质，探索空间结构-性质之间的关系，为设计合成高效近红外光动力治疗光敏剂提供理论指导和数据支持。

本研究以设计合成具有近红外吸收的新型卟啉衍生物为目标，选取氟硼二吡咯亚甲基染料（BODIPY）为研究对象，通过芳环稠合的策略，得到了一系列具有刚性结构的新型近红外BODIPY染料：（1）首次报道了一种"一锅煮"合成萘环稠合BODIPY的方法，原料易得，反应简单高效。萘环稠合使BODIPY的共轭体系扩大，紫外-可见吸收达到630 nm，摩尔消光系数175660 Lmol-1cm-1；（2）合成了一种基于新型不对称萘环稠合BODIPY的氟离子荧光探针。在氟离子存在时吸收光谱红移至716 nm，进入近红外区域，可用于肉眼比色检测。细胞成像研究表明探针分子可在活体细胞中专一性地识别氟离子；（3）合成了一系列噻吩[3,2-b]并噻吩稠合BODIPY，紫外-可见吸进入近红外区域，且具有极高的摩尔消光系数（204500 Lmol-1cm-1），其中碘代产物的单线态氧产生效率达到0.32，可用作近红外光动力治疗的光敏剂。本研究采用理论和实验相结合的方法，系统研究了芳环稠合对BODIPY分子共轭体系的调控，并讨论了结构与光物理性质之间的关系，为具有生物医学应用前景的近红外有机染料的开发和应用提供了理论指导和数据支持。