不对称苯并氮杂氟硼二吡咯类荧光染料的合成及构效关系研究

Asymmetric benzo-fused aza-BODIPY dyes, new members in the BODIPY family, could be a new generation of fluorescent dyes in biological fields owing to their lower energy spectrum, larger Stokes shifts and normal BODIPYs’ advantages as well. However, some problems restrict the development of asymmetric benzo-fused aza-BODIPYs, considering restrictive synthetic protocols and unclear structure-property relationship of these dyes. This proposal aims to figure out these urgent problems, starting from optimizing reaction，followed by exploring applications of functionalized products with their unique properties and finally utilizing theoretic studies to have a deeper understanding of the relationship between structures and properties. From the synthesis point of view, new synthetic routes of asymmetric benzo-fused aza-BODIPYs, with weaker nucleophilic bases and less polar solvents, are expected to develop and could serve for more substrates. As for the molecular design, properties and applications aspect, benzo-fused aza-BODIPY dyes with different π-conjugated system can be introduced and further target in cell imaging or in vivo imaging applications; in combination with theoretic studies, a better understanding of structure-property relationship could be obtained. The successful implementation of the project will provide the fundamental theoretic and experimental support in the synthesis and applications of asymmetric benzo-fused aza-BODIPY dyes.

作为氟硼二吡咯（BODIPY）类染料的新成员，不对称苯并氮杂氟硼二吡咯（aza-BODIPY）不但具有BODIPY的普遍优点，并且光谱能量更低、Stokes位移更大，是颇具潜力的生物体系荧光材料。然而，合成方法适用的底物范围有限、化合物构效关系不清等原因限制了此类化合物的发展。为此，基于申请人前期的工作，本项目从反应改进、功能分子的性能探索及理论计算等方面，针对不对称苯并aza-BODIPY进行系统研究。利用弱亲核性的碱和低极性溶剂，与不同类型邻苯二腈衍生物反应，并调整反应温度、时间等因素，制备不对称苯并aza-BODIPY，拓展反应适用的底物范围，完善合成机理。设计并合成含不同共轭体系的不对称苯并aza-BODIPY，在细胞与活体中进行成像性能研究；结合理论计算，探讨不同分子结构对性能的影响，揭示构效关系。项目的实施将为不对称苯并aza-BODIPY的合成与应用提供技术支持与理论基础。

本项目基于不对称苯并aza-BODIPY这一新型染料，拟通过研究基础的反应机理、相关的应用，探明构效关系。.在项目实施过程中，基于不对称苯并aza-BODIPY的一类全新结构的稠环衍生物被发现，这一类分子被命名为“酞荭”（phthalorubine）。通过一类全新的分子内亲核反应，得到首例酞荭分子，并且该分子具有独特的平面性。吸收光谱呈现出类似于酞菁的Q带和B带，其最低能量吸收峰在600nm附近，基于pi-pi*跃迁的吸收在如此高的波长区域，这在同尺寸分子中极为罕见。新反应同样适用于邻苯二甲腈衍生物，一系列含有不同官能团的酞荭化合物被成功制备；此外，为了解决反应方法不适用部分热敏感原料这一问题，基于反应机理，开发出新型的低温反应的方法，并同样具有很高的普适性。在配位化学领域，酞荭化合物具有多样的配位方式，可以获得多样的性质。酞荭化合物由于独特的平面性结构和堆积方式，呈现出较好的p型半导体特点。通过系统的理论计算，阐明了酞荭的结构特点，证明酞荭是一类全新的芳香性分子。此外，我们还研究了手性不对称苯并aza-BODIPY的制备及其性质，初步探索了其在手性光谱领域的应用。.与经典有机染料酞菁相比，酞荭与酞菁使用相同的反应原料，并且反应简洁高效，制备成本低廉，跟酞菁一样具有大规模应用的前景。同时，酞荭还具有一些酞菁所缺乏的优势，例如酞菁化合物大都溶解性差，这极大地限制了它们的应用，而酞荭化合物在大部分有机溶剂中都溶解得很好；酞菁化合物通常通过中心四个异吲哚环的氮原子与金属离子配位，而酞荭化合物可通过外围的氮原子和碳原子与金属离子配位，因而配位方式多样；此外，酞菁的光谱可调性差，绝大部分的酞菁都是蓝色或绿色的，酞荭化合物光谱很容易通过改变取代基或与金属配位的方式得到改变。本项目的重要意义在于初步创立了一个全新的体系，类似于“酞菁化学”、“卟啉化学”，这一体系为“酞荭化学”。