基于氧杂蒽结构可控官能化的新型OFF-ON型荧光探针的设计合成、后修饰与性能研究

To design a molecular fluorescent probe which can be used in vivo has been a hot topic on the functional molecular fluorescent sensors. In this project, the oxanthene was used as fluorophore, and this "OFF-ON"-type fluorescent probe's fluorescence controlled by the intramolecular spiro Leuco. 36 fluorescent probes were designed (15 of them are DNA single nucleotide polymorphism probes, 12 of them are Cu2+ ionic fluorescent probes, and 9 of them are information expression probes for NO molecular.). We will study the structure of them through the X-ray single crystal diffraction and NMR etc., investigate the recognition performance in vivo of the probes by taking advantage of the fluorescent confocal microscopy, and summarize the relationship between the structure and the property. The density functional theory will be employed to elucidate the spectra and the recognition behavior of these sensors. Through the trial and research of this project, we hope to obtain a series of well-performance functional molecular fluorescent probes, and form patents with independent intellectual property right. Meanwhile, this research has theoretical and practical significance, for it could provide a novel method and a new idea of designing the probes which is full functional recognition in the complicated living system.

设计可用于生物活体检测的荧光分子探针，是目前功能分子探针研究的热点。本项目拟以氧杂蒽为荧光信号基团，以分子内螺环隐色体结构控释伴随的分子荧光消失或出现（"OFF-ON型"）机制，功能化调控，拟设计合成可用于生物活体检测的新型荧光分子探针36种（其中，新型DNA单碱基变异检测的荧光增强型分子探针15种、Cu2+离子检测荧光探针12种及NO分子信息表达的荧光探针9种）。通过X-射线单晶衍射、核磁等对其结构进行系统研究；利用荧光共聚焦成像技术，研究这些新型探针在生物活体中的识别性能，总结其结构与性能间的构效关系；尝试通过密度泛函理论解释探针的光谱性质，揭示探针识别检测机理。通过本项目的研究，可望得到性能优良的功能荧光分子探针，形成具有自主知识产权的专利技术并推广应用，同时对于更好地开发在复杂生命体系中，具有特异性识别功能的探针提供合成新方法和设计新思路，具有理论研究和现实意义。

构建复杂生物及环境体系检测的荧光分子探针，是功能分子设计合成研究领域的热点，且具挑战性。本项目旨在研究以氧杂蒽结构单元为光敏信源螺杂环隐色体调控的OFF-ON型荧光分子探针的设计合成及其应用。在项目研究执行过程中，基于氧杂蒽骨架结构特点提出了两种功能化拓展策略：1、依托苯基底环羧基氮杂环化修饰与连接基-识别团的综合拓展，氮杂碳链的环构化与共轭链式对识别主体的选择性控释；2、顶环功能团羟基/羰基的修饰及间接调控的氧杂内酯隐色环与功能选择。项目采用DFT和BS计算优化，模拟实现了对其所设计的类型功能探针分子有效的构效分析，同时，通过探究此类光敏分子的作用机理及其特异性主客体识别行为，形成了对此类功能分子合成设计及功能调控的模板与策略。研究发现，氮氧环在有机功能分子的结构调控中具有特殊意义，尤其是在共轭骨架体系中对于光敏性能的柔性调控呈现丰富的功效。此外，项目在氮杂环骨架合成设计新方法和仿生策略中也取得了新的进展，对于C-N及其双键、叁键在功能分子设计上有了新的认识。项目研究部分成果已申请并获授权国家发明专利，形成了具有自主知识产权的技术并应用推广。本研究不仅对有机化学及化学生物学的基础研究具有重要意义，更具广阔的应用前景。