一种具有聚集诱导发光特性的9，10-二噻吩基蒽化合物的合成与性质研究

周园方

(江西科技师范大学，江西科技师范大学有机功能分子研究所，南昌 330013)

1 引言

传统的有机荧光材料在稀溶液中有着很强的荧光，但在高浓度或者聚集态下荧光会发生减弱甚至不发光，人们把这一现象定义为“聚集诱导荧光猝灭”(ACQ)，这一现象极大阻碍了有机荧光材料的发展[1]。造成这一现象的原因是由于大部分有机发光分子内部存在着大π共轭平面，当分子形成聚集体时会产生强烈的π-π堆积作用，导致有机发光分子的荧光猝灭。2001年，唐本忠院士团队偶然发现一种反ACQ现象的分子六苯基噻咯(HPS)，它在THF纯溶液中几乎无荧光，而在聚集态下发出极强的青绿色荧光，他们把这个现象定义为“聚集诱导发光”(AIE)[2]。通过HPS的晶体数据发现各个苯基与噻咯环之间处于高度扭曲的状态，使得整个HPS分子呈现出螺旋桨的形态，在聚集态下，HPS分子紧密堆积在一起，高度扭曲的非平面构象限制了分子中单键的旋转，阻止了分子之间的π-π堆积，使得荧光大幅度增强。因此，分子内旋转受限(RIR)机制成功地解释了HPS具有AIE特性的机理[3]。目前报道的关于AIE现象的机理主要包括分子内旋转受限机理(RIR)，分子内振动受限机理(RIV)，分子内运动受阻机理(RIM)以及扭曲分子内电荷转移(TICT)等[4]。聚集诱导发光材料自发现以来在化学传感，刺激响应材料，生物成像等领域都有着广泛的应用[5]。

蒽是最早应用于有机发光二极管的一类材料，但是蒽又是典型的受ACQ效应影响的荧光团，基于克服蒽ACQ这一困难的研究从未停止过。2006年，田文晶课题组报道出了一系列具有AIE性质的9，10-二苯乙烯基蒽(DSA)类衍生物，成功拓展了蒽类化合物在光学材料领域的应用[6]。目前基于蒽的AIE材料大多数是以DSA为母体进行进一步修饰，其他具有AIE特性的蒽类衍生物鲜有报道。通过前期工作，我们发现9，10-二噻吩基蒽(DTA)与9，10-二苯乙烯基蒽(DSA)具备同样的AIE性质，且通过晶体数据发现在化学结构上两者都有相似的非平面扭曲构象[7，8]。目前，以DTA为母体分子进行结构修饰的AIE分子较少。三苯胺是优良的光电材料，是典型的螺旋桨状的非平面扭曲结构，能有效阻止分子间出现相互作用或紧密堆积，有利于防止ACQ现象，构建AIE化合物，同时也具有很强的给电子能力，是构建长波长发射的AIE化合物的一个重要功能片段[9]。氰基有很强的吸电子能力，同时氰基有利于诱导空间位阻并导致扭曲的构象[10]。在本项研究工作中，通过将三苯胺与苯乙烯腈连接到DTA母体两侧形成“D-π-A”结构进行修饰，形成分子内推拉电子作用，从而达到对发光波长进行调节的目的。

2 实验

2.1 实验试剂

9，10-二溴蒽、5-溴-2-噻吩硼酸、5-醛基-2-噻吩硼酸、三苯胺-4-硼酸、苯乙腈、四丁基氢氧化铵、氯化钯、三苯基膦、氯化钠、无水硫酸钠、无水碳酸钠、四氢呋喃、石油醚、乙酸乙酯、二氯甲烷、无水乙醇和二甲基亚砜，本实验所涉及的以上药品试剂均购自北京伊诺凯科技有限公司。

2.2 实验仪器

集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；循环水真空泵，巩义市予华仪器有限责任公司；旋转蒸发器，上海亚荣生化仪器厂；核磁共振仪，德国Bruker公司；高分辨质谱仪，美国Agilent公司；紫外-可见光谱仪，美国Agilent公司；荧光光谱仪，日本Hitachi公司；绝对荧光量子产率仪，日本滨松公司；荧光共聚焦成像仪，日本Olympus公司；显微熔点测定仪，上海精密仪器公司；X-射线衍射仪，日本岛津公司；纳米粒度分析仪，美国Brookhaven公司。

2.3 合成路线

图1为TPA-DTA-PA的合成路线，将中间体1(0.60 g，1.34 mmol)与三苯胺-4-硼酸(0.58 g，2 mmol)通过Suzuki偶联反应加热回流12 h，终止反应，冷却至室温，旋干THF，产物用二氯甲烷萃取三次，有机相依次用水和饱和氯化钠溶液萃取三次，用无水硫酸钠干燥有机相6 h，过滤，旋干有机相，粗产物用石油醚：二氯甲烷(V/V=2：1)为洗脱剂硅胶柱色谱纯化得到中间体2(0.40 g，0.65 mmol)，产率49 %。将中间体2(0.40 g，0.65 mmol)与苯乙腈(0.08 g，0.7 mmol)加入到含有无水乙醇20 mL的单口烧瓶中，待加热至回流后，滴加5滴四丁基氢氧化铵催化，继续保持加热回流2 h后，终止反应，待冷却至室温后，瓶底有大量黄色沉淀析出，抽滤，无水乙醇冲洗固体三次，得到终产物TPA-DTA-PA(0.39 g，0.55 mmol)，产率85 %。结构鉴定：M.p.210～211 ℃；1H NMR(400 MHz，DMSO-d6)：δ 8.46(s，1H)，8.04(d，J=4.0 Hz，1H)，7.87-7.75(m，6H)，7.62-7.32(m，16H)，7.23(d，J=8.0 Hz，6H)，7.14(d，J=8.0 Hz，2H)；13C NMR(100 MHz，DMSO-d6)：δ 147.04，138.74，135.32，133.43，131.81，131.04，130.93，130.76，129.33，129.03，128.39，127.57，125.99，125.65，124.52，123.48，122.34.ESI-MS：计算值：m/z=713.2007，[M+H+]实测值为713.2013。

图1 TPA-DTA-PA的合成路线

3 结果与讨论

3.1 聚集诱导发光性质

为了验证TPA-DTA-PA的AIE的特性，我们分别测试了它在不同含水量下的紫外和荧光光谱性质，其中THF是良性溶剂，水是不良溶剂。如图2A所示，当TPA-DTA-PA的水含量在0 %-60 %之间时，其最大吸收波长的位置无明显变化，吸收强度变弱；荧光光谱性质表明其在纯THF溶液中荧光发射波长位于579 nm(fw=0 %)，显示出弱的黄色荧光。当含水量从0 %逐渐增大到60 %，TPA-DTA-PA的荧光强度逐渐下降，且发射波长呈现略微红移，造成这一结果的可能原因是随着混合溶剂极性的增加，导致分子内产生扭曲的电荷转移(TICT)效应[11]。随着含水量进一步增大(fw：70 %→90 %)，TPA-DTA-PA在260 nm处的吸收强度显著减弱，表明随着不良溶剂含量的增大，化合物分子发生了聚集效应，导致混合溶液中的光转化能力大幅下降造成了米氏散射(Mie)效应；同紫外吸收相比，荧光光谱的变化更加显著，随着水分比的逐渐增大(fw：70 %→90 %)，其荧光强度逐渐增强，当fw达到90 %时，此时，其荧光强度达到最大，较纯THF溶液中增大约4倍，最大发射波长蓝移了11 nm，位于568 nm处，荧光颜色从的浅黄色荧光变为明亮的黄色荧光。以上实验结果表明TPA-DTA-PA具有明显的AIE特性。为了进一步验证TPA-DTA-PA在THF/H2O混合溶液中发生了聚集以及所产生聚集体的粒径，我们利用动态光散射实验测试了所形成的的纳米聚集体的粒径，如图2B所示，TPA-DTA-PA在含水量为90 %的混合溶液中的纳米颗粒平均尺寸为264 nm，说明在高含水量条件下，TPA-DTA-PA形成了紧密堆积的纳米聚集体。

图2 (A)化合物TPA-DTA-PA在不同比例下的THF/H2O中的紫外吸收和荧光光谱图(C=2×10-5mol L-1)；(B)化合物TPA-DTA-PA在含水量为90 %的混合溶液中的粒径分布图

此外，我们还测试了TPA-DTA-PA在不同水分比条件下的荧光量子产率，如图3所示，其在纯THF溶液中的荧光量子产率为5.8 %，在含水量为0 %-60 %的过程中，荧光量子产率由于TICT效应逐渐下降。当水分比增加到70 %时，荧光量子产率急剧增大，在含水量为90 %时，达到8.1 %，该结果说明在高水分比条件下，TPA-DTA-PA分子中的芳香环的旋转受到限制，其非辐射跃迁通道被抑制，辐射跃迁通道被打开，荧光量子产率显著增强[12]。

图3 TPA-DTA-PA在不同比例下的THF/H2O中的荧光量子产率以及在水分比分别为0 %和90 %下的荧光照片

3.2 机械荧光变色性质

同其它AIE化合物类似[13，14]，化合物TPA-DTA-PA也具有可逆的机械荧光变色性质(MFC)。在365 nm紫外灯的照射下，TPA-DTA-PA的初始固体粉末发射出黄绿色荧光，从固体荧光光谱数据可知，其荧光发射波长位于563 nm(图4A)，将其研磨后，其荧光发射波长红移至583 nm(Δλ=20 nm)，同时荧光颜色变为明亮的黄色(图4A)，表明TPA-DTA-PA具有典型的MFC行为。该结果表明在外力的作用下，TPA-DTA-PA分子之间的相互作用力被破坏，导致分子之间的距离减小，堆积更加紧密，排列趋于平面化，由于增大了共轭程度引起了发射波长的红移，导致了荧光颜色的改变[15]。当用二氯甲烷蒸气对其研磨后的样品进行熏蒸后，其发射波长及荧光颜色又可逆的恢复到初始态(图4A)。为了进一步验证其MFC的变化机理，我们利用X-射线粉末衍射法(XRD)分析了TPA-DTA-PA样品研磨前后的变化。如图4B所示，TPA-DTA-PA的初始样品表现出强烈又尖锐的衍射峰，说明其分子是高度且有序排列的微晶结构。然而，在研磨以后，尖锐的衍射峰出现了下降甚至是消失的现象，这说明了在受到外力作用以后分子的排列发生改变，并且非晶结构代替了稳定的微晶结构，在用二氯甲烷蒸汽熏蒸以后，其最初的强烈且尖锐的衍射峰再次出现，说明分子从非晶相又回到了晶相。XRD粉末衍射实验表明机械力刺激改变了TPA-DTA-PA分子的堆积方式，晶相与非晶相之间的相互转换是导致可逆机械荧光变色的重要原因[16]。

图4 (A)不同条件下的TPA-DTA-PA的固体荧光光谱图；(B)TPA-DTA-PA在不同条件下的XRD图

3.3 生物成像

此外，利用激光共聚焦显微镜，我们还测试了化合物TPA-DTA-PA细胞荧光成像的能力。为了进一步探讨TPA-DTA-PA分子是否能够穿过细胞膜并在活细胞中进行染色，我们进行了荧光共聚焦扫描显微镜(CLSM)成像。选择HeLa细胞作为模型与TPA-DTA-PA分子一起进行培养，在37 ℃条件下，用HeLa细胞与TPA-DTA-PA悬浮液在培养基中孵育0.5 h后，用CLSM对HeLa细胞进行成像实验，用400 nm激光进行激发，并在550 nm～650 nm处收集到荧光信号。荧光成像照片如图5所示，我们可以清晰地观察到，黄绿色荧光均匀的分布在细胞质中。结果表明，TPA-DTA-PA可以进入HeLa细胞，并能成为生物成像中潜在的荧光染料。

图5 TPA-DTA-PA(20 μM)在HeLa细胞中的荧光共聚焦成像图：从左到右依次是暗场，明场和覆盖场图像

4 结论

总之，我们合成了一种具有聚集诱导发光特性的9，10-二噻吩基蒽衍生物(TPA-DTA-PA)，其表现出明显的聚集诱导发光性质，在低水分比时(fw<60 %)时，其荧光强度随着fw的逐渐增大而减弱；当fw>70%时，分子发生聚集，荧光强度急剧增强。并且其具有可逆的机械荧光变色性质，研磨前后，荧光发射波长红移了20 nm，荧光颜色从黄绿色变为明亮的黄色，通过XRD实验证明，引起该变化的主要原因是由于外力作用导致了分子晶态与非晶态之间的相互转换。细胞荧光成像实验表明化合物TPA-DTA-PA能够进入HeLa细胞，具有良好的生物相容性，可作为细胞荧光染料应用于细胞成像。

致谢

非常感谢江西省“2011协同创新工程中心”工程研究中心开放基金资助项目(No.2011CIEC_202101)的支持。