具有聚集诱导发光性质的近红外多芳基吡咯衍生物制备及其构效关系

Fluorescence optical imaging is a powerful tool with broad applications for biomedical research and clinical studies. Currently, lack of desirable near-infrared (NIR) fluorophores with high brightness and good biocompatibility is a key bottleneck in this area. Moreover, most of the reported NIR dyes have relatively low quantum yields in aqueous solution. This proposal, based on our previous research backgrounds, is aimed at developing new NIR materials with aggregation-induced emission (AIE) characteristics by combining big π conjugated structures with strong electron withdrawing groups into aryl-substituted pyrrole derivatives. Polycyclic aromatic groups are installed on the 2,5-position of pyrrole derivatives to enhance the conjugation and obtain longer-wavelengths. Meanwhile, strong electron withdrawing groups are introduced by the linking bridge of phenyl ring for molecular distortion to enhance band splitting for longer-wavelength. At last, post-functional groups in 1-position of pyrrole derivatives are kept for further functionalizations and applications such as specific recognition and detection and fluorescence imaging. The structure-property relationship of NIR aryl-substituted pyrrole derivatives’ dyes with AIE characteristics will be investigated by experimental results and calculated simulations. In brief, findings from this proposal will provide practical and useful guidance for designing new NIR dyes with high quantum yields.

荧光成像技术在生物医学相关研究及临床上都具有广泛的应用。而现阶段制约该技术向前发展的一个重要瓶颈是具有高亮度兼生物相容性好的近红外（NIR）荧光染料偏少，且已有的NIR染料在水中的量子效率都较低。该申请基于前期研究基础，拟采用具有聚集诱导发光（AIE）性质的多芳基吡咯为核心结构，采用延展共轭程度与增强推拉电子结构相结合的方法，制备具有AIE性质的NIR发光新材料。通过在吡咯环的2，5-位引入芳香稠环使其发光波长红移；同时，在3，4-位引入苯基衍生的强拉电子基团，增强分子构型扭曲度，保证具有AIE性质的前提下降低染料分子基态与激发态间的能隙，获得长波长发光；在其1-位保留可后修饰官能团，以方便进一步功能化，提高特异性识别与检测以及荧光成像等应用优势。通过实验结果与理论计算，阐明具有AIE性质的NIR发光多芳基吡咯衍生物的构效关系，为设计高量子效率与NIR发光染料提供基本性指导原则。

有机荧光材料由于生物相容性好、易代谢等优势，在疾病诊疗过程中扮演着重要角色。在光热诊疗（PTT）或/和光动力诊疗（PDT）中光敏剂是治疗的关键组分，然而，已经商业化的光敏剂存在聚集导致猝灭（ACQ）效应，浓度超过一定值后其诊疗效果会大打折扣，即具有浓度局限性。因此，开发新型光敏剂对医疗健康领域的发展具有重要意义。聚集诱导发光（AIE）光敏剂与ACQ类光敏剂恰好相反，是一类全新机理的有机染料，其浓度越高，发光越强，在PTT或PDT中的诊疗效果也更好。本项目的研究目标是制备高量子效率、生物相容性好、近红外（NIR）发光的多芳基吡咯（MAP）光敏剂，并用于癌症相关的诊疗一体化研究。通过在吡咯环的2，5-位引入芳香稠环、不同的给电子基团、不同分子间相互作用的侧基等策略可以有效提升发光效率并使发光波长红移。在吡咯环的3-位引入强拉电子基团，并通过烯键调节吡咯环与拉电子基团间的扭转角，增加电荷传输性能，降低分子基态与激发态间的能隙，获得长波长、高效率的NIR区发光。在吡咯环的1-位引入功能基团，如可后修饰官能团、高摩尔吸光系数基团、靶向基团等，提高MAPs的特异性识别特定细胞器、肿瘤处滞留率等，为其应用奠定基础。根据研究目标，我们合成了30个MAPs分子，系统分析了其结构与AIE性质的内在关系，阐明了具有高效、长波长、生物靶向的光敏剂设计基本原则。MAPs光敏剂具有很好的生物相容性，生物毒性很低，在对荷瘤小鼠的治疗中基本上无生物毒性，且具有很好的PTT或PDT治疗效果。综上所述，具有AIE性质的MAPs类光敏剂具有很好的诊疗一体化应用前景。