本文要點：短波紅外區(qū)(SWIR，1000−2000 nm)的熒光團最近作為生物成像工具引起了人們的興趣。與可見光和近紅外區(qū)相比，短波紅外區(qū)對組織的穿透深度增加，圖像分辨率提高，光子能量較低，有利于復雜系統(tǒng)中的光學成像。小分子熒光團毒性低，容易從體內(nèi)清除，但要獲得吸收和發(fā)射大于1,000 nm、熒光量子產(chǎn)率ΦF大于∼0.3%的熒光團是具有挑戰(zhàn)性的。

在這篇文章中，作者探索了一類SWIR熒光團黃素多亞胺染料的取代基（二甲氨基）的放置位置對λmax和熒光量子產(chǎn)率ΦF的顯著影響。

Flaf7在7位含有二甲氨基，λmax在1000 nm以上，作者通過改變了7位給電子取代基，發(fā)現(xiàn)λ吸收峰調(diào)整∼80 nm，并與σ的Meta Hammett常數(shù)形成線性的自由能關(guān)系。取代基的同一性對所分析的系列的量子產(chǎn)率的影響最小(ΦF=0.42−0.62%)。發(fā)現(xiàn)7位跟間位關(guān)聯(lián)，于是作者將二甲氨基放置在黃雜環(huán)上的其他位置(圖1)。作者通過實驗和量子力學分析報道了黃素七甲基甲胺熒光團上假定的鄰位、間位和對位上的二甲氨基取代基對光物理性質(zhì)的影響。

方案1.化合物3-5（5-，6-和8-的二甲氨基取代位置）合成方案。

圖2.黃素多亞胺染料的(A)吸收和(B)發(fā)射；(C)未取代的(IR-27，2)和二甲氨基取代的七甲基甲胺染料(1，3−5)的光物理數(shù)據(jù)

接下來評估了新合成的染料的光物理性能，并與Flat7(1，圖2)進行了比較。吸收和發(fā)射光譜表明，二甲氨基的位置對λmax,abs和 λmax,em有影響。此前作者通過Hammett分析將7位與間位進行了關(guān)聯(lián)，預計6位將與對位相對應(yīng)，并且由于增強了π-donation，此位上的取代基將顯示出明顯的效果。6-Flat7(4，圖2，紅色)從Flat7(1，圖2，黑色)紅移了20 nm。

然后作者推論，5位置可以作為另一個間位，而8位置可以作為鄰位。預計5-Flat7(3)的吸收和發(fā)射與Flat-7(1)相似，8-Flat7(5)和6-Flat7(4)也可以進行同樣的比較。然而，觀察到，與Flat7(1)相比，3和5都發(fā)生了低色移位。5-Flat7(3，圖2，藍色)的λ極值為1004 nm，比Fla7(1)的藍移23 nm。8-Flat7(5，圖2，綠色)的λ極值為990 nm，與母體染料IR-27(2)幾乎相同。這些結(jié)果與根據(jù)哈米特參數(shù)預測的λ極值是相反的，并促使了一項量子力學研究。

圖3(A)由Flat7表示；扭轉(zhuǎn)角由α(V1至V2，紅至藍)和β(V3至V2，綠至藍)定義，使用多亞胺(V1)、黃素(V2)和取代基(V3)平面的法線；(B)黃7染料的α和β角度表；(C，D)S0狀態(tài)下(C)5-Flat7和(D)8-Flat7的雜環(huán)結(jié)構(gòu)，用M06-2X/6-31+G(d，p)優(yōu)化

取代基改變了π-體系在多亞甲基鏈和黃雜環(huán)上的平面性。作者用兩個角度參數(shù)α和β去卷積這些效應(yīng)(圖3A，B)。將α定義為多亞胺平面與黃素平面之間的夾角，而β定義為黃素平面與取代基之間的夾角。對α角的分析表明，當二甲氨基在6位、7位或8位時，多甲基平面和黃素雜環(huán)之間幾乎沒有扭曲(α=5−7°，圖3B)。在5位置，NMe2C−H鍵與聚亞甲基鏈上的乙烯基C−H鍵發(fā)生碰撞，形成較大的18°角。NMe2取代基也改變了黃雜環(huán)附近的幾何構(gòu)型。Flat7(1)和6-Flat7(4)的扭轉(zhuǎn)角β幾乎是平面的(分別為5°和1°)。5-Flat7(3)和8-Flat7(5)的β角分別為46°和44°，表明存在明顯的面外扭曲。

圖4.(A)M06-2X/6-31+G(d，p)理論水平下的Flat7(1)和(5，6和8)Fla7(3−5)的HOMO和LUMO。(B)由理論HOMOλ間隙(EV)確定的−計算、abs(納米)計算表。Δ是實驗和計算的λabs極值之間的差值

通過計算了前線分子軌道(FMO)來說明這些熒光團的電子結(jié)構(gòu)的差異。FMOS研究表明，黃素雜環(huán)中的π共軛程度隨取代基位的不同而不同。Flat7(1)和6Flat7(4)的二甲氨基與黃素雜環(huán)幾乎共面，這使得NMe2能夠延長HOMO和LUMO中的軌道重疊。這導致了HOMO−LUMO間隙的減小和更長的λmax，abs。5-Flat7(3)中46°的離面扭轉(zhuǎn)導致氮孤對電子與生色團的π共軛減少。8-Flat7(5)的實質(zhì)性平面外扭曲幾乎消除了氮孤對電子的π共軛，這導致了相對于母體染料IR-27(2)的不受干擾的λmax。

用雙重法(CIS(D)))和cc-pVDZ基組的單分子構(gòu)型相互作用，計算了染料的吸光度(MAX，AUS值)。計算的HOMO−LUMO間隙與實驗觀察到的趨勢相符(圖4B)。6-Flat7(4)的間隙最小(2.94 eV)，與最長的λmax，abs相關(guān)；8-Flat7(5)的間隙達到極限，為3.03 eV，與最短λmax，abs相關(guān)。預測的λmax，Abs相對于實驗結(jié)果系統(tǒng)地藍移了159−190 nm，這可能是由于雙激發(fā)的貢獻。對λmax的分析表明，取代基在黃素環(huán)上的位置可以影響λmax，與通過改變7位置的電子觀察到的大小相當。

然而，小分子熒光團在紅外光譜中的主要缺陷是它們的ΦF較低。Flat7(1)對多亞甲基SWIR熒光團有相當高的ΦF為0.61%。以前，發(fā)現(xiàn)7位官能團的熒光量子產(chǎn)率幾乎沒有變化。然而，在這里看到，取代基的放置可以極大地改變ΦF(圖2)。

圖5(A)氮雜環(huán)丁烷取代的七甲基黃(12，13)的結(jié)構(gòu)。(B)6-和7-氨基香豆ｓｕ熒光團的結(jié)構(gòu)(10，11)。(C)黃素、七甲胺和香豆ｓｕ染料分別在二氯甲烷和癸醇中的ΦF。(D)在6和7取代黃素七甲胺或香豆ｓｕ熒光團之間的ΦF的變化。

接下來通過測量了5-Flat7、6-Flat7和8-Flat7的ΦF值(3−5)。Flat7(1)和6Flat7(4)在構(gòu)象上是相似的，但ΦF有巨大差異。黃素雜環(huán)在結(jié)構(gòu)上類似于香豆ｓｕ雜環(huán)，并且以前觀察到6位和7位取代香豆ｓｕ熒光團的ΦF有很大差異。與7-氨基香豆ｓｕ(11)相比，6-氨基香豆ｓｕ(10)的低ΦF是由于扭曲的分子間電荷轉(zhuǎn)移(TICT)態(tài)的貢獻更大，在該狀態(tài)下，胺供體在光激發(fā)下由∼90°扭曲出平面，形成非發(fā)射物種。于是推測，與母體Flat7(1)相比，類似的現(xiàn)象也可能導致6-Flat7(4)的熒光損失。

為了深入了解TICT是否對觀察到的1和4的熒光差異有貢獻，通過合成一種在6位含有氮雜環(huán)丁胺的七甲基黃胺。氮雜環(huán)丁胺已被證明通過防止取代基扭曲平面來最小化TICT狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)氮雜-6-Flat7(12)ΦF為0.21%，是二甲氨基衍生物的1.75倍。相比Flat7(1)，7位(13)氮雜環(huán)丁胺導致ΦF略有下降。

最后計算了每對6-和7-取代熒光團的ΦF的倍數(shù)變化(4比1，12比13，10比11；圖5D)，發(fā)現(xiàn)七甲基黃素和香豆ｓｕ染料的NMe2不同放置有相似的變化，而氮雜環(huán)丁?；钠呒谆玖献兓^小。這些數(shù)據(jù)支持這樣的觀點，即TICT可能在6位發(fā)揮更大的作用，導致觀察到的6-Fla7(1)和6-Fla7(4)的ΦF的差異。

綜上所述，作者證明了二甲氨基的放置對黃素七甲基染料的光物理性質(zhì)有顯著的影響。取代基立體效應(yīng)影響共軛度，改變λ(Max)，abs。7位似乎有利于獲得較高的量子產(chǎn)率和保持SWIR的吸收峰；然而，通過取代6位可以得到更多的紅移染料。本文所獲得的見解有助于設(shè)計用于高分辨率SWIR活體成像的新型熒光團。

參考文獻

Pengshung M, Li J, Mukadum F, Lopez SA, Sletten EM. Photophysical Tuning of Shortwave Infrared Flavylium Heptamethine Dyes via Substituent Placement. Org Lett. 2020 Aug 7;22(15):6150-6154. doi: 10.1021/acs.orglett.0c02213. Epub 2020 Jul 29. PMID: 32790432; PMCID: PMC7542986.

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