新型稠环BODIPY近红外生物硫醇荧光探针的研究

Biothiols, e.g. cysteine (Cys), homocysteine (Hcy) and glutathione (GSH), play many crucial roles in biological systems. The selective recognition of biothiols will significantly assist the clinical medicine examination and disease diagnosis. Fluorescent probes for biothiols have attracted considerable attention due to their high sensitivity and good selectivity. However, few high quality probes was reported in terms of discrimination of biothiols in NIR region. Aromatic ring-fused BODIPY could be employed as NIR-probe. However, the ring-fused framework is difficult to synthesize. In this proposal, we construct the BODIPY framework by the sulfolenopyrrole. Thermolysis of dipyrrin containing sulfoleno-group leads to the simple [4+2] cycloaddition in the presence of dienephilic compounds to achieve the aromatic ring-fused BODIPY, which has enhanced absorption and emission in NIR region. In addition, dual recognition sites have been introduced on BODIPY to bind -SH and COO- of biothiols simultaneously with aim of discrimination of biothiols both in vitro and in vivo (Hela cell) on basis of their difference molecular length. Furthermore, the application in disease diagnosis will also be explored. The investigation on the parameters, e.g. selectively, sensitivity, limitation et al of the probes toward biotiols, will disclose the connection between molecular structures and capability of discrimination on biothiols. The strategy and outcome in this proposal will supply valuable information for the design of NIR-probe for biothiols. This proposal is highly scientific-relevant and the fluorescence probes possess good application prospect.

生物硫醇在人体代谢活动中起着重要作用，对其选择性识别在临床医学检测等方面意义重大。运用荧光探针识别生物硫醇具有灵敏度高、选择性好等优势。而目前，性能优异并可区分不同生物硫醇的近红外荧光探针仍较为少见。稠环氟硼二吡咯(BODIPY)可用于构建近红外荧光探针，但其稠环骨架合成较为困难。本课题拟通过结构独特的砜基吡咯构建BODIPY母体骨架，以简便的[4+2]环加成反应进行稠环，实现近红外区的光谱响应。同时，引入双位点协同识别生物硫醇端位巯基和羧基负离子，根据硫醇分子链长的差异，解决探针分子在体外和Hela细胞内对不同生物硫醇选择性识别和区分的难题。在此基础上，进一步探寻其在疾病诊断方面的应用，并通过系统研究探针的选择性、灵敏度及检测限等重要参数，建立探针分子结构与识别性能之间的内在联系，在发展系列高性能BODIPY荧光探针的同时，为构建高效探针分子提供新思路，具有重要的科学意义和良好应用前景。

在近红外区具有光谱响应的有机功能分子可作为光电材料用于分子识别等领域。本项目以多吡咯化合物为研究对象，围绕此类分子在近红外区的光谱响应问题，利用吡咯稠环、杂原子取代、多吡咯大环转化等策略对分子的化学和光电性质进行调控，获得一系列在近红外区具有光谱响应的有机功能分子，并应用于荧光成像。主要成果有：1、利用扩展卟啰啉易氧化的性质，通过不同氧化条件或者金属配位调控分子的转化方式，形成多重骈环、芳基迁移以及局部氧化型的新颖异卟啉分子，相关产物均表现出丰富的氧化还原以及近红外吸收特性；2、以共轭多吡咯为原料，利用其刚性折叠构象，高效地将空间上靠近的吡咯 -位点选择性氧化连接，得到同时含有轴手性与碳手性的双手性新颖异卟啉折叠体。该分子与Ni配合物在TFA 的作用下可以定量实现P螺旋和M螺旋之间的转化；3、利用砜基二吡咯烯热分解产生双烯体的独特性质与富勒烯快速反应得到单、双富勒烯二吡咯烯，总产率96%。该结果表明，基于砜基吡咯的环加成反应可有效的实现分子的稠环，为稠环扩展共轭提供了新思路；4、通过一步法实现了 BODIPY-a位的芳香硫酚修饰。优化了反应条件，探究了该反应的普适性。并结合实验和理论计算对反应机理进行了推测。此外，芳香硫酚取代种类和数量可调控 BODIPY 的发光性能（荧光波长550～640nm，量子效率0.001～0.87）；5、在上述BODIPY和卟啉分子上修饰相关识别基团构建生物硫醇荧光探针。相关探针对生物硫醇的响应速度快、灵敏度高，对三种生物硫醇的检测限达到 0.65-1.1 uM，成功用于细胞中硫醇的检测与近红外荧光成像。基于上述研究，发表项目标注论文16篇，其中，项目主持人作为第一、共一以及共同通讯作者在J. Am. Chem. Soc.（1 篇）、Chem. Sci.（1 篇）、Org. Lett.（2 篇）、Chem. Eur. J.（1 篇，热点论文）发表学术论文9篇。并在 Sci. China Chem. 上发表综述，详细总结了国内卟啉研究的进展。综上所述，本项目的研究成果为开发新颖多吡咯有机功能光电分子提供了重要思路，具有重要的科学价值。