基于反常PET机理的识别生物活性有机小分子的手性荧光分子探针的研究

目前分子探针研究存在两个瓶颈，一是缺乏新的荧光传感机理，不能解决现有分子探针的局限，比如基于正常的光诱导电子转移（PET）机理的探针在酸性时背景荧光较强，降低了荧光分子识别效果；此外，当前荧光探针分子结构设计主要是依据粗略的经验，缺乏理论化学计算作指导，导致探针分子结构设计存在一定的盲目性。.最近我们发现含咔唑基团的分子探针具有反常的PET机理，即在酸性时背景荧光比传统PET机理的探针要弱，提高了对羟基酸、葡萄糖等的荧光识别能力，我们用量子化学计算对新机理进行了合理的解释。在此基础上，本项目将设计新的具有反常PET性质、长荧光发射波长的手性荧光分子探针，通过对手性底物的识别，系统研究探针分子结构与反常PET性质之间的关系；还将探索量子化学计算在分子探针设计中的应用。通过这两方面的研究，将揭示反常PET探针结构性能关系、探索量子化学计算在探针设计中的应用规律这两个探针研究中的基本科学问题。

通过本项目的实施，对硼酸荧光探针的一种新机理，即d-PET机理，进行了详细研究。(1) 提出了光诱导电子转移（PET）的效率与分子偶极距的取向有关。本项目通过合成具有不同分子偶极距取向的硼酸荧光探针，发现偶极距取向和PET的电子转移方向一致时，荧光探针的PET效率较高，即与被识别底物作用时，荧光探针的荧光强度变化较大，改规律对增强分子探针的荧光传感能力很有帮助，研究结果已发表于美国化学会期刊J. Org. Chem., 2010, 75, 2578；(2) 提出了模块化荧光探针的概念. 通常荧光分子探针各基团的功能区别并不是很明显，比如很多硼酸荧光探针的荧光团同时起到络合基团连接臂的作用，这样不利于优化探针各基团的性能。为了解决这个问题，本项目提出了模块化探针的概念，并合成了相应的硼酸荧光探针进行了验证。相关研究结果发表于Chem. Eur. J. 2011, 17, 7632; (3) 发展了能够对映选择性识别扁桃酸的手性硼酸探针。由于扁桃酸分子结构特点的限制，不能被手性的硼酸荧光探针对映选择性识别。本项目的研究发现，通过噻吩基团的引入，可以使咔唑硼酸探针能够对映选择性地识别扁桃酸，结果已发表于J. Org. Chem. 2011, 76, 5685；在以上研究的基础上，对于一个新的领域，即具有强可见光吸收、长激发态寿命的过渡金属配合物的合成，进行了系统研究，通过多种光谱手段，系统研究了其光物理性质，并对其在三重态三重态湮灭上转换等领域的应用，进行了系统研究。通过本项目的资助，本项目负责人做为通讯联系人，在国外SCI检索的主流化学期刊发表了55篇研究论文（包括两篇Angew. Chem. Int. Ed.论文，4篇Chem. Eur. J. 论文，4篇Chem. Commun.论文， 8篇J. Org. Chem. 论文，4篇J. Mater.Chem.论文，4篇RSC Adv. 论文以及5篇 Dalton Ttrans.论文等）。研究成果被多篇他人的评述论文(Review)引用，被Nature China专题介绍，国外科技网站www.verticalnews.com. www.physorg.com等对部分研究成果进行了介绍。在项目执行期间，共有4名博士生，4名硕士生毕业；多名研究生获得了教育部博士生学术新人奖、辽宁省优秀毕业生、研究生国家奖学金等奖励。