四苯乙烯制备及其应用研究综述

罗一权，冯亮，郑仁林

（西南科技大学 生命科学与工程学院，四川 绵阳 621000）

1，1，2，2-四苯基乙烯（tetraphenylethylene，TPE），其外围苯环呈螺旋桨形结构，是一种典型的聚集诱导发光（Aggregation Induced Emission，AIE）荧 光 发 光 团[1]。TPE的分子结构是非平面的，具有高度动态基团。由于TPE 分子中四个苯环通过碳碳单键与中间的乙烯基团相连接，因而苯环可以以单键为转轴自由地旋转、振动。TPE发光体在溶液中是不发射的，导致无辐射的弛豫过程。TPE 分子的螺旋构象限制了苯环在聚集时的分子内旋转。这种对分子内旋转的构型限制[2]阻止了非辐射松弛的途径，因此TPE发出了荧光。

在聚集诱导发光体（Aggregation-Induced Emission Luminogen，AIEgen）体系中，四苯乙烯及其衍生物因其易于合成、光性能优良、官能团容易修饰等优点而成为研究最广泛、发展最快的一类。近年来，四苯乙烯衍生物在离子探针[3]、生物检测[4-5]、有机发光材料[6]等领域的应用取得了许多研究成果。本文从TPE 的制备为出发点，介绍了TPE 的三种常用制备方法、原理以及近年来TPE及其衍生物的应用研究成果。

1 制备方法

目前四苯乙烯主流的制备方法主要有McMurry Coupling法、Suzuki Coupling法以及苯乙烯芳基化法，这些方法具有反应时间短，反应收率高，反应条件易达到，产物纯度高等优点。

1.1 McMurry Coupling[7]法

反应原理：二苯甲酮在低价态钛的作用下两个羰基缩合去氧，从而制得四苯乙烯。体系中生成的低原子价态的Ti 作为活性中间体，作用于二苯甲酮形成pinacol偶联型中间体，中间体最后再脱氧生成四苯乙烯[8]。现在已经开发出了多种用TiCl3或TiCl4和还原剂（如钾、锌、镁等）来制取的方法[9-10]，但使用TiCl4和锌来制取仍是主流方法。

实验步骤：将5.00当量锌粉和反应溶剂装入干燥的三颈烧瓶中，对混合物进行脱气处理。冰浴下，再加入3.00 当量TiCl4，室温反应 10 min，90℃下回流2 h，之后再在冰浴下加入1.00 当量二苯甲酮的无水THF 溶液，90℃回流过夜。将混合物冷却到室温并转移到烧杯中，加入K2CO3溶液（10wt%）以获得最终沉淀。过滤得沉淀，并将其风干，用DCM萃取，最后减压蒸发溶剂，得到所需的四苯乙烯[12]。

值得注意的是该反应因为有TiCl4参与，一旦反应体系中有水和氧气，TiCl4便会与水发生剧烈水解，生成TiO2或者被锌粉还原的Ti（0），会被氧气迅速氧化，使其失去活性中间体的作用。因此该反应需要在严格无水无氧的环境下进行，需要使用预干燥的溶剂和标准的Schlenk技术。

溶剂的选择：用McMurry Coupling 制备TPE 时溶剂的选择对反应产率有一定的影响。四氢呋喃因为其可以增加pinacol 偶联型中间体的溶解度，有利于电子转移，且在该环境中反应活性不会降低，是目前以McMur⁃ry Coupling制备四苯乙烯最常用的溶剂。除此之外，甲苯、乙醚、乙腈、1，4-二氧六环、1，2-二甲氧基乙烷等[13-17]也可作为McMurry Coupling 反应的溶剂，但这些溶剂价格更高或反应效果不及四氢呋喃，因此不作为该反应主流的反应溶剂。

1.2 Suzuki Coupling[18]法

反应原理：Pd（II）还原为Pd（0）作为反应催化剂，碘苯对Pd（0）进行氧化加成，二苯乙炔顺碳钯化生成乙烯基钯中间体，随后与“ate络合物”ArB（OH）3-发生 Suzuki型转金属化，在Pd（0）催化剂再生的同时还原消除生成四苯乙烯。

实验步骤：将2.00 当量碘苯、1.00 当量二苯乙炔、3.00 当量苯硼酸、3.00 当量KHCO3和适量催化剂PdCl2（PhCN）2倒入4∶1的DMF/H2O溶剂中，在100℃中反应3 h[19]。

Suzuki Coupling 法与 McMurry Coupling 法相比，反应条件更易达到，不需要严格控制无水，但仍需要控制反应体系无氧，否则零价的钯很快会被氧化成二价钯，此外Suzuki Coupling 法的反应时间也更短，但是用Su⁃zuki Coupling 法反应制备四苯乙烯也有一些不足之处，如配合物成本高，而且有几项科学研究表明[20-22]，它对健康和环境有负面影响。

1.3 苯乙烯芳基化[23]法

反应原理：PPh3作为反应介质来还原 Fe（III），随后是卤苯氧化加成Fe（I）转化为有机三价铁配合物，在三价铁配合物催化下，苯乙烯与卤苯发生芳基化反应，生成四苯乙烯。

实验步骤：先将催化剂FeCl3·6H2O 及其配体PPh3和1.25 当量Na2CO3倒入反应容器中，再将1.00 当量卤代苯与1.00当量苯乙烯一起加入反应容器，然后再加入溶剂DMF。在100℃油浴下反应24 h。反应结束后，用正己烷或环己烷萃取，然后用饱和NaCl 溶液萃取。最后使用无水Na2SO4干燥，过滤，得到四苯乙烯。

用苯乙烯芳基化反应来制备TPE 与Suzuki Cou⁃pling法相比，苯乙烯芳基化反应以Fe（Ⅲ）为催化剂，具有成本低、无污染和无毒的优势特性。

2 四苯乙烯的应用

2.1 离子探针

2020 年，Xie 等[24]通过 Knoevenagel 缩合反应合成了一种具有聚集诱导增强发射特性的非平面TPE 功能化水杨醛席夫碱荧光探针1，该探针包含一个吡啶-2，6-二羧基酰胺核和两个通过苯二胺桥连接的TPE基团，可以作为四氢呋喃/水混合物和真实水样中铜（II）的选择性传感器。探针1 对Cu2+的检出限为2.36×10-7mol·L-1。在阳光下，Cu2+和Fe3+存在时，探针1 可与铜（II）和铁（III）配合，溶液颜色由无色变为黄色。因此探针1可作为检测Cu2+的荧光探针，但铁（III）可能是探测Cu2+的关键干扰离子。探针1 在激发后，其荧光强度在2.0~11.0 较宽的pH 范围内荧光行为保持相对不变，因此探针1是一种在酸碱环境中能稳定检测Cu2+的荧光探针，适合实际应用。探针1有望用于水环境中Cu2+的监测。

2021 年，Wang等[25]以TPE为发色团，亲水性2-甲基氨基吡啶与金属离子结合，合成了具有AIE特征的两亲性分子2。分子2可在水溶液中自组装，具有良好的水分散性。分子2可以用于选择性和高灵敏度的Fe3+“关闭”检测，对Fe3+的检出限为2.69 × 10-9mol·L-1。此外，2-Fe3+配合物在加入Ca2+后恢复荧光，可用于Ca2+的“开启”检测。当Ca2+∶Fe3+的摩尔比为1∶4时，荧光可以清晰地分辨出来，并且分子2 具有良好的水分散性、较低的细胞毒性和良好的生物相容性，因此分子2在水溶液和活细胞中Fe3+和Ca2+的序列检测方面有极大的潜在价值。

2020年，Pan等[26]合成了一种由4个二甲基甲脒和4个氯离子组成的新型TPE衍生物传感器3。传感器3在纯水中对PO43-表现出良好的荧光增强反应，具有较高的选择性和灵敏度。传感器3 对纯水中PO43-的检出限为 6.56 ×10-8mol·L-1。传感器 3 在 PO43-的检测范围内具有良好的重复性、稳定性、选择性和灵敏度。此外，传感器3 表现出对溶液和试纸模式中PO43-的半定量视觉检测能力。在纯水中具有高灵敏度荧光增强的有意义的设计，为传感器3应用于实际水样提供了机会。

2021 年，Wang 等[27]用一种简单的方法合成了具有聚集诱导发射和高量子产率的新型荧光探针四苯乙烯衍生物4。衍生物4表现出良好的AIE荧光，其对Al3+的低检出限为 1.587 × 10-7mol·L-1，并且衍生物 4 在 2.0~12.0的较宽pH范围内对Al3+有良好的响应，更重要的是，衍生物4在活细胞中表现出非常低的细胞毒性和很强的荧光发射。因此衍生物4对Al3+具有特定的选择性和较高的抗干扰性能，这表明衍生物4在检测活细胞成像中的强酸、强碱和Al3+方面具有广阔、潜在的应用前景。

2019年，Zhao等[28]研究制备了一种新型TPE衍生物5，该化合物含有的磺酸基用于水溶性调制，含有的羧基二硫缩醛用于Hg2+传感。将衍生物5接枝到静电纺丝纤维上作为试纸，Hg2+特异性裂解二硫缩醛基团，导致化合物释放和荧光关闭。纤维垫荧光强度的降低可以与Hg2+水平进行定量分析，在不同Hg2+水平下纤维垫由绿色变为蓝绿色再变为蓝色。Hg2+的检测限低至2×10-8mol· L-1，满足饮用水中Hg2+的检测阈值，并且其他金属离子和pH的变化对Hg2+的干扰可以忽略，因此衍生物5有望用于自来水中Hg2+的检测。

2.2 生物检测

2020年，Sayed等[29]研制出一种新型AIEgen 6，可对革兰氏阳性细菌[G（+）]进行鉴定。该分子中萘酰亚胺核作为电子接受单元，然后用叔胺功能化用于生物应用，并进一步用三苯胺和TPE 装饰为电子提供部分，使得AIEgen 6可以选择性染色[G（+）]细菌，但不能染色[G（-）]和真菌等其他微生物。其中，静电吸引和疏水相互作用在[G（+）]细菌选择性染色过程中起重要作用，具有碱性的叔胺可能通过静电作用与[G（+）]菌细胞壁中的脂磷壁酸和糖醛酸磷壁酸发生强烈的相互作用，可以染色和成像[G（+）]细菌形成生物膜，并在RBC悬液中选择性地显示[G（+）]细菌。由于AIEgen 6免洗成像、低溶血和对细菌细胞的毒性可以忽略，并且能够将[G（+）]细菌形成的生物膜可视化，快速跟踪红细胞悬浮液中的[G（+）]细菌，因此，在不久的将来AIEgen 6 有望在革兰氏分化和有效选择合适的治疗感染抗生素方面获得实际应用。

2021 年，Li 等[30-31]首次研究了含磷酸盐 TPE 的聚集诱导电化学发光（ECL）对水溶液中碱性磷酸酶（ALP）活性的检测，制备了一种新型AIEgen 7。在ALP存在的情况下，磷酸化基团通过酶解从原始的共轭结构中衍生出来，导致ECL 信号下降。将AIEgen 7应用于ECL 体系，表现出对ALP 的高选择性和高灵敏度。AIEgen 7 具有电极固定力强、成膜性好、制备简单、可实现一步检测等优点。Tris-HCl缓冲液的检出限为0.037 U/L，线性范围为0.1~6.0 U/L，并且AIEgen 7 也被尝试应用于人血清和细胞实验，并成功地证明了其在细胞和血清中碱性磷酸酶水平临床分析中的潜在应用价值，为有机物在ECL中的应用提供了新的思路，而且在未来几年相关疾病的诊断和临床分析中具有发展潜力。

2019年，Chang等[32]以TPE为AIEgen，合成了一种二硫键共轭的聚集诱导发射发光体8，发光体8可以通过H2S选择性的二硫键裂解及其二聚化来显著提高聚集性。发光体8 由TPE 作为AIEgen，二硫键作为H2S 的反应中心组成。在生理条件下，发光体8可通过形成TPE二聚体产生较强的荧光响应H2S。这种荧光反应对H2S的选择性高于其他潜在的干扰物，如生物上丰富的硫醇、活性氧、金属离子和阴离子等。发光体8在pH为5~8的范围内显示了H2S的荧光变化，对H2S的检测下限为84 nm，这在生理H2S水平上是一个显著的值。此外，通过抑制活细胞中与H2S相关的酶证实了发光体8对内源性H2S可以进行荧光成像，从而展示了发光体8在生物检测和生物成像方面较高的研究价值。

2.3 有机发光材料

2.3.1 有机发光二极管

2017 年，Tan 等[33]基于四苯基乙烯衍生物设计合成了两种蓝光材料9 和10，并将其作为有机发光二极管器件的发光层，利用材料的本征激子发光及其电致激基复合物发光，可以得到理想的白光电致发光。将蓝光材料9 和10 掺杂于甲基环戊烯醇酮（mCP）中作为发光层，以TAPC和TmPyP 分别作为空穴传输层和电子传输层制备器件A 和器件B，所得器件在操作电压为9 V时的色坐标分别为（0.32、0.33）和（0.31、0.34），其中器件B的最大亮度和最大电流效率分别为364.66 cd∙m-2与0.79 cd∙A-1，该材料有望用于平板显示和固态照明领域。

2.3.2 液晶材料

2021 年，Xiao 等[34]通过 Ti 催化的 McMurry Couping反应、Pd 催化的Suzuki 偶联反应和Knoevenagel 反应合成了以TPE 为中心，以α-氰基二苯乙烯键将12个癸基氧环环在TPE 上的盘状液晶分子（Discotic Liquid Crys⁃tals，DLCs）11。该化合物可以表现出不规则的溶剂致变色行为和高的荧光量产率溶液和聚集态，这可能与扭曲构象和大π共轭骨架有关。此外，液晶分子11在THF -水混合物中也表现出明显的AIE 行为。该设计策略为构建新型的AIE 活性LC 材料提供了一种新的、简单的方法，在未来的液晶材料研发方面具有较高研究价值。

2.4 其他应用

2.4.1 药物传递

2022 年，Yan 等[35]设计了一种基于透明质酸 TPE 结合物（HA-SS-TPE）12与谷胱甘肽（GSH）反应性的靶向给药系统。HA 作为TPE 结合物12 的亲水主链，具有AIE性质的TPE部分为疏水段，二硫键使TPE结合物12具有氧化还原反应性。在TPE结合物12的自组装过程中，阿霉素（DOX）被加载以形成载有DOX 的聚合物胶束。TPE的聚集不仅诱导了HA-SS-TPE在选择性溶剂中的自组装，而且还负载疏水的DOX 形成了负载DOX的聚合物胶束。通过引入具有AIE 特性的TPE 聚集体及其缺陷，DOX 聚合物胶束具有自定位功能。负载DOX 的聚合物胶束不仅表现出荧光发射，而且还表现出快速谷胱甘肽触发的解离，通过响应肿瘤微环境来释放DOX，并且体内研究表明，DOX@HA-SS-TPE 能显著抑制肿瘤生长。因此，这种具有荧光特性的GSH 反应药物传递系统为CD44过表达的癌症提供了一种潜在的治疗方法。

2.4.2 防伪技术

2019 年，Huang 等[36]制备了一种新型化合物 13，该分子易受研磨、加热和蒸汽熏蒸的影响，并表现出相应的发射颜色转变，加热粉末或单晶即可表现出可逆的光变色。在短时间的紫外光照射后，其颜色呈鲜红色，但在1 min 内就恢复到原来的白色。而可逆的力致变色现象是由于分子的头尾堆积产生的弱分子相互作用。这种可逆的多态、高对比度和快速响应的机械变色和光变色特性协同提供了先进防伪技术中多模保证的双重增强。在固体状态下，该分子以一种只有少量分子间相互作用才能稳定的模式堆积，容易受研磨、加热和熏蒸的影响，从而具有优异的机械变色性以及多态、可逆、高对比度和快速响应的发射特性。由于TPE 的固体光环化作用，加热后的粉末和结晶形式的探针1具有自恢复光致变色特性。化合物13提供了一个在单个有机分子中结合多态机械致变色和光致变色的独特例子。利用这些特征，证明了化合物13 在钞票或机密纸张多维防伪方面的应用潜力。

2.4.3 爆炸物检测

2022年，Zhu等[37]将1，4-二氢吡咯并[3，2-b]吡咯与TPE和吡啶单元结合，研制了一种用于水介质中苦味酸（PA）检测的有效AIE活性探针14，其中，吡啶基被证明是负责有效传感的特异性结合基团。1H NMR滴定实验证实了PA 与吡啶基之间存在较强的相互作用。探针14 可用于水介质中PA 的有效传感，对PA 的检测下限为3.15×10-8nmol·L-1，探针14 具有高选择性、高灵敏度和对PA快速响应等特点，因此探针14在酸性条件下和在不同金属离子存在下表现出优异的传感性能，使其成为一种非常有前途的荧光探针，可用于监测实际水样中的污染。

2.4.4 太阳能电池

2019年，Li等[38]制备了以TPE为N-取代基，以4 H-环戊二烯[2，1- b∶3，4- b′ ]二噻吩为含对位基团的双锚定吩噻嗪核增敏剂15，用于染料敏化太阳能电池（DSSC）。基于增敏剂15 的DSSC 在没有和有CDCA 共吸附剂的情况下表现出最好的太阳能-电力转换效率，分别高达9.79%和10.87%，是以碘化物/三碘化合物为氧化还原介体的无金属染料类DSSCs中效率最高的，并且增敏剂15具有双层遮蔽层，可有效阻挡暗电流：内遮蔽层不受锚定骨架的影响，外遮蔽层不受堵塞的热塑性弹性体单元的影响，堵塞的TPE还增强了TiO2表面的染料稳定性。在室内照明（飞利浦T5 灯）下，基于增敏剂15 的 DSSC 器件在 187 lux、597 lux 和 1 025 lux 下的电池效率分别达到27.54%、26.81%和24.98%。增敏剂15显示出向物联网方向发展的巨大潜力以及在太阳能电池方面的研究价值。

2.4.5 形成水凝胶

2020 年，Cheng 等[39]成功构建了基于多羧基 TPE 化合物16 和1-乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺（EDC）的耗散水凝胶体系。该体系可以作为一种可写和可自擦除的水凝胶。在该体系中以EDC 为化学燃料，在化合物16 的水溶液中加入EDC 后，化合物16 的羧基转化为羧酸酐，从而使化合物16 的水溶液可以快速转化为水凝胶，之后形成的水凝胶会以较低的速率溶解回到溶液状态。在这种化学燃料驱动的耗散系统的基础上，实现了一种水溶液可写、可自热的水凝胶材料。化合物16 在低浓度（0.45wt%）下可以形成EDC 驱动的水凝胶。这种由化学燃料（EDC）驱动的耗散系统可以作为水中的可写和自铁材料应用，并可能在未来的3D打印中有潜在的应用。

3 总结与展望

四苯乙烯及其衍生物因其易于合成、光性能优良、官能团容易修饰等优点，因而在AIEgen 体系中成为研究最广泛、发展最快的一类，因其具有独特的光电性质和生物活性，被广泛运用于离子探针、生物检测、有机发光材料等领域，具有极大的研究价值。尽管如此，在四苯乙烯及其衍生物的应用方面仍有一些问题需要突破，如金属离子检测，由于具有专属感测基团，AIEgen 低选择性是面临的主要问题；在生物检测方面，研发具有较好的生物相容性、靶向性、更高的抗干扰能力和检测灵敏度以及更低细胞毒性和水溶性好的AIEgen则是需要进一步研究和突破的方向；在有机发光材料方面，四苯乙烯及其衍生物面临着最大发光亮度、发光效率以及光稳定性不及传统发光材料的问题。只有不断挑战和突破这些问题，才能发挥四苯乙烯及其衍生物巨大的潜在价值。