近紅外熒光BODIPY/aza-BODIPY染料的研究進展

岳 帥，邵竹梅，姜新東,2*

(1.沈陽化工大學(xué) 應(yīng)用化學(xué)學(xué)院，遼寧 沈陽 110142；2.大連理工大學(xué) 精細(xì)化工國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

1 引言

近紅外熒光染料能夠減少背景吸收、熒光、光散射，并能夠提高熒光探針和化學(xué)傳感器的靈敏度[1]，更重要的是，近紅外區(qū)域(650～900 nm)的光在組織中具有深度穿透能力，能夠進行體內(nèi)成像和光動力學(xué)治療[2]。因此，新型近紅外熒光染料的合成與設(shè)計，引起了越來越多人的興趣[3-5]。氟硼二吡咯甲川(BODIPY)熒光強、穩(wěn)定，并且容易修飾。所以，人們將BODIPY染料作為生物標(biāo)記的候選物[6-8]。

aza-BODIPY的結(jié)構(gòu)是以氮原子取代BODIPY的meso位碳原子，使吸收光譜顯著紅移[9-13]。使用亞胺基取代BODIPY系統(tǒng)中的一個亞甲基，可以縮小分子軌道間能隙差值(圖1)。事實上，aza-BODIPY的熒光量子產(chǎn)率要比BODIPY減少很多，然而隨著儀器和設(shè)備的發(fā)展，只要熒光量子產(chǎn)率超過0.01就能被檢測并使用。因此，新型近紅外aza-BODIPY吸引了越來越多科研工作者的興趣。

圖1 BODIPY和aza-BODIPY的光學(xué)性能比較

2 aza-BODIPY染料的合成方法

相對于BODIPY，aza-BODIPY的合成方法較少[14,15]。最近，O’shea等開發(fā)了合成路線，得到了由1,3-二芳基-4-硝基-1-丁酮或3-甲基-4-硝基-1-芳基丁烷產(chǎn)生的對稱aza-BODIPY的合成方法(圖2a)[16-18]，該方法可廣泛用于合成各種結(jié)構(gòu)aza-BODIPY，并且，O’Shea等也報道了不對稱 aza-BODIPY的合成方法(圖2b)。Lukyanets報道了含有苯基的aza-BODIPY的合成方法,將鄰苯二甲腈與格式試劑反應(yīng)，產(chǎn)率10%～30%(圖2c)[19]。Carreira等利用單獨的2,4-二芳基吡咯或芳基稠合的2,4-二芳基吡咯，提供了更普遍、更有效的合成對稱與不對稱aza-BODIPY的方法(圖2d)[20]。

圖2 aza-BODIPY染料合成方法

3 aza-BODIPY染料的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

3.1 O’shea方法合成的aza-BODIPY

O’Shea等在2002年首次報道了aza-BODIPY1～4的合成及性質(zhì)，并且溴取代的aza-BODIPY (3和4)被證實具有光動力治療的功能。隨后，O’shea等還制備了在1/7位具有—OMe/Br的氮雜-BODIPY5～7[16-18]。利用光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(PET)機制，aza-BODIPY8和9的二乙胺和嗎啉作為質(zhì)子的受體，可以對酸值感應(yīng)[21]。通過內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移(ICT)調(diào)節(jié)，aza-BODIPY10和11能用作pH探針[22]。合成的具有冠醚的aza-BODIPY12，對中性小分子能夠響應(yīng)[23](圖3)。對于aza-BODIPY13，在1,7位的2-吡啶基取代基對于金屬離子的結(jié)合有著非常明確的效果?；瘜W(xué)傳感器對Hg2+有選擇性[24]。引入供電子或吸電子基團，可以通過增加HOMO或降低LUMO能量進一步降低HOMO-LUMO間隙，并使相應(yīng)染料的吸收發(fā)生紅移[25]。如3、5位的—OMe基團和1、7位的—CN基團取代的aza-BODIPY14與母體aza-BODIPY1(圖1)相比，其吸收、發(fā)射明顯發(fā)生紅移[26]。基于1,7-苯基取代的aza-BODIPY受限旋轉(zhuǎn)，通過制限旋轉(zhuǎn)芳基的引入，aza-BODIPY15具有更高熒光量子產(chǎn)率(高達0.81)，并減少溶液中的非輻射弛豫過程[27]。為凍結(jié)1,7位苯基的旋轉(zhuǎn)，進行具有乙二醇片段連接的兩個芳基取代，同時，增加aza-BODIPY16的親水性，并將其應(yīng)用于細(xì)胞內(nèi)HepG2細(xì)胞成像[28]。Burgess等報道了含有NH2基的氮雜-BODIPY17[29]。含有疊氮基的aza-BODIPY18表現(xiàn)出對H2S的選擇性[30]。羥基取代的aza-BODIPY19，是二氧化碳的傳感器[31]。硼酸取代的近紅外熒光染料20可以用于血液系統(tǒng)中葡萄糖含量的監(jiān)控[32]，其原理是aza-BODIPY上作為缺電子基團的硼酸基團與過氧化氫反應(yīng)生成富電子酚基團，導(dǎo)致其發(fā)射波長從682 nm到724 nm顯著紅移。相對1,3,5,7-四苯基aza-BODIPY1，用噻吩代替其苯環(huán)發(fā)生了顯著紅移。aza-BODIPY21具有較強的近紅外熒光，在乙腈中的熒光量子產(chǎn)率是0.46，是非常有競爭力的近紅外熒光團[33]。

圖3 O’shea法合成的染料及其應(yīng)用

3.2 Lukyanets方法合成的aza-BODIPY

圖4 Lukyanets法合成的染料及其應(yīng)用

3.3 Carreira方法合成的aza-BODIPY

為了制備2,4-二苯基吡咯，使用相應(yīng)的酮(如苯乙酮)與2-苯基氮丙烯反應(yīng)，在LDA或NaH存在下得到2,4-二苯基-1H-吡咯(圖5)[20]，利用這種方法，已合成了許多典型的吡咯。吡咯的獨特結(jié)構(gòu)已經(jīng)通過X射線單晶衍射證實[37]。采用Carreira的方法，這些新型吡咯適合于合成aza-BODIPY及其衍生物(圖6)。Carreira等在2006年開發(fā)了具有適當(dāng)取代和限制的新型熒光染料aza-BODIPY26～29(圖7)[20]，新的aza-BODIPY染料擁有700～900 nm的峰值熒光，有高量子產(chǎn)率、窄半峰寬、高穩(wěn)定性的特點。

圖5 2,4-二苯基吡咯的合成

圖6 用于合成BODIPY、aza-BODIPY染料的吡咯和ORTEP圖[37]

圖7 Carreira方法合成的染料及其應(yīng)用

此外，在Carreira法的基礎(chǔ)上，Jiang團隊最近在aza-BODIPY領(lǐng)域中，在可旋轉(zhuǎn)部分的π共軛延伸和剛性的方面取得了突破，由于剛性化和π共軛的延伸的組合效應(yīng)，在近紅外區(qū)域(λabs=746 nm，λem=762 nm)制備了對稱的含芘aza-BODIPY30。在芘稠合的aza-BODIPY中，觀察到HOMO-LUMO(軌道)帶隙的最低能量吸收帶降低[38]。

Jiang等成功制備了含有萘基的aza-BODIPY31a[39]，通過萘基延長π共軛系統(tǒng)對其光物理性質(zhì)有顯著影響，具有萘基的aza-BODIPY31a的最大吸收和發(fā)射波長分別為λabs=706 nm，λem=733 nm，與帶有苯基的2(λabs=688 nm，λem=715 nm)的BDP相比，有顯著紅移。作為光敏劑aza-BODIPY31b(在甲苯中λabs=704 nm)可以產(chǎn)生一定的單重態(tài)氧，并且被認(rèn)為是潛在地用于產(chǎn)生單重態(tài)氧的光敏劑。Jiang等在aza-BODIPY染料的基礎(chǔ)上制造出近紅外的熒光探針32[40]，探針32具有弱熒光，用硫醇裂解DNBS釋放aza-BODIPY熒光，同時在NIR區(qū)域發(fā)出熒光(λem=755 nm，Φf=0.14)，對半胱氨酸具有高度選擇性，并且檢測快速。

Jiang等還報道了含噻吩基的aza-BODIPY33[41]，aza-BODIPY33在氯仿中其NIR區(qū)域吸收在760 nm處，發(fā)射在782 nm處。作為NIR型化學(xué)傳感器的33對Hg2+具有高度選擇性，其熒光猝滅是由于與Hg2+結(jié)合后電子從噻吩基到aza-BODIPY母核的轉(zhuǎn)移,化學(xué)傳感器33可用于檢測MCF-7細(xì)胞中的Hg2+，表明其可用于研究Hg2+在生物系統(tǒng)中的作用。

修飾aza-BODIPY 的關(guān)鍵在于母體分子的修飾，非常有效的修飾方法之一是通過Knoevenagel反應(yīng)延伸共軛系統(tǒng)[42-45]。在aza-BODIPY系統(tǒng)中的3,5位缺少甲基，Knoevenagel反應(yīng)對其是無效的。使用3-乙基-2,4-二甲基-吡咯預(yù)期的產(chǎn)物是在3,5位上包含甲基的aza-BODIPY，但得到的是3-氨基或3-乙酰氨基BODIPY[46-48]。如上所述，表明使用Carreira方法(圖2)合成aza-BODIPY的基本要求是在吡咯的α、β位具有芳基。Jiang組挑戰(zhàn)了這一假設(shè)，在NIR區(qū)成功制備了不對稱的含苯乙烯基的aza-BODIPY34和35(圖8)[49]，這是一個帶有苯乙烯基的新型aza-BODIPY結(jié)構(gòu)，可以避免使用Knoevenagel反應(yīng)。

圖8 不對稱苯乙烯基取代的aza-BODIPY染料

Jiao小組最近報道了一類近紅外β-噻吩稠合aza-BODIPY，使用的吡咯是在Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)中獲得的[50]。aza-BODIPY36(圖9)在800 nm處可以看到尖銳的吸收和熒光發(fā)射帶，在700～380 nm的可見光范圍內(nèi)具有非常低的吸收。

圖9 噻吩融合的aza-BODIPY染料

4 近紅外熒光染料衍生物的合成及應(yīng)用

4.1 aza-BODIPY硼中心的取代

盡管Ziessel等已經(jīng)詳細(xì)報道了氟原子在BODIPY體系中的取代[51]，但硼中心取代的aza-BODIPY報道較少。37結(jié)構(gòu)具有B—O鍵，將中心硼原子與3/5位苯基的鄰位相連(圖10)[51]。與38[52]的無制限結(jié)構(gòu)相比，37的吸收和發(fā)射最大值分別紅移了88 nm和58 nm，熒光量子產(chǎn)率也大幅提升，這主要歸因于BODIPY核的與3,5位的芳基之間的共面性增強[52]。而aza-BODIPY39中硼中心用芳基修飾，致使熒光量子產(chǎn)率極低，而40炔基化修飾導(dǎo)致熒光量子產(chǎn)率較高[53]，并且，Jiang等還通過X射線晶體學(xué)證實了39和40的結(jié)構(gòu)(ORTEP圖見圖10)[54]。

圖10 F取代的aza-BODIPY染料及aza-BODIPY ORTEP圖[54]

4.2 1-甲基-1H-吡咯基取代3,5位的近紅外熒光aza-BODIPY染料

盡管研究人員已經(jīng)獲得了多種aza-BODIPY體系，但目前還沒有報道在3,5位上合成帶有吡咯基的aza-BODIPY體系。作者曾報道了在3,5位上含有吡咯基的近紅外熒光aza-BODIPY染料41和42的設(shè)計和合成(圖11)[55]，染料41和42的吸收和發(fā)射最大值明顯不同，41的光譜在721 nm處吸收，751 nm處發(fā)射，而42比41具有更長的吸收和發(fā)射波長(λabs=754 nm,λem=803 nm)，由于吡咯環(huán)的電子供體作用導(dǎo)致紅移。然而，染料41和42的不同構(gòu)象導(dǎo)致了其光物理性質(zhì)的顯著差異，與41相比，42中吡咯取代基的自由旋轉(zhuǎn)，由于硼中心的氟原子而變得復(fù)雜，并且似乎在減慢或被禁止，這與Burgess小組報道的受約束的aza-BODIPY(由B—O鍵引起)和它的不受約束的前驅(qū)體之間的光譜對比一致[52,56]。此外，41和42具有較高的消光系數(shù)和較大的熒光量子產(chǎn)量，而42具有較大的斯托克斯位移。染料41在近紅外區(qū)域穩(wěn)定性好、靈敏度高、熒光量子產(chǎn)率高，適合標(biāo)記活細(xì)胞用于近紅外區(qū)域的成像檢測。

圖11 近紅外熒光染料aza-BODIPY 41和42

在細(xì)胞染色實驗中，將含量1.0×10-5mol/L染料41(在0.5%DMSO體積比的PBS中)與Hep-2細(xì)胞在37 ℃下孵育15 min，除去多余的染料后，用ArrayScan VTI HCS Reader倒置熒光顯微鏡進行熒光成像，激光激發(fā)波長為620 nm，結(jié)果表明，染料41可以有效進行細(xì)胞染色(圖12)[55]。染料41具有可透膜性，位于細(xì)胞質(zhì)中，而細(xì)胞核保持完好，未被染色。

圖12 1.0×10-5 mol/L染料41在37 ℃下、0.5%DMSO的PBS中，孵育Hep-2細(xì)胞15 min的熒光顯微鏡成像，黑色區(qū)域為細(xì)胞核,比例尺：25 μma.白光成像;b.激發(fā)光λex=620 nm的成像;c.圖像a和b的疊加

4.3 二溴化含噻吩基aza-BODIPY的單重態(tài)氧產(chǎn)生性能

由于3,5位具有噻吩環(huán)的aza-BODIPY染料的單重態(tài)氧產(chǎn)生尚未見報道，作者曾設(shè)計合成了2,6-二溴化的aza-BODIPY43和3,5-二溴化的aza-BODIPY44(圖13)[57]。43和44的半峰寬(FWHM)有著顯著不同，44的吸收帶更窄，43的熒光壽命明顯短于44的。盡管二者的熒光量子產(chǎn)率略有不同，但消光系數(shù)幾乎相同。檢測單重態(tài)氧，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在2,6-位具有溴取代的43的單重態(tài)氧的產(chǎn)生比在3,5-位具有溴取代的44更有效。但43是比亞甲藍(lán)弱得多的PS[58]。

圖13 含噻吩基的aza-BODIPY光敏劑

4.4 具有—F/—N3/—NH2基團的近紅外aza-BODIPY的合成、結(jié)構(gòu)及光物理性質(zhì)

aza-BODIPY通過引入一個供電子/吸電子基團，可以增加HOMO和/或降低LUMO能量，進一步減小HOMO-LUMO能級差，達到更大的紅移吸收和發(fā)射帶[59,60]。相比之下，在1/7位置上帶有吸電子基團(如—CN)的aza-BODIPY也會使吸收/發(fā)射帶紅移[61]。由于氟是一種強誘導(dǎo)受體，引入氟原子，成功設(shè)計合成了45～48(圖14)。aza-BODIPY46的固態(tài)結(jié)構(gòu)通過單晶X射線分析得到了證實(圖15),發(fā)現(xiàn)其F—CPh鍵距比報道的氟化物短。NaN3通過親核取代，形成了含—N3/—NH2的aza-BODIPY49和50[62](圖16)，這些aza-BODIPY在近紅外區(qū)域有吸收和發(fā)射。雖然在45～48的1/7位置引入了F原子，但氟原子對光物理性質(zhì)的影響微乎其微，而帶有—N3/—NH2的49和50有著顯著的紅移，50可作為pH值的熒光探針。

圖14 含氟的染料aza-BODIPY 45-48

圖15 aza-BODIPY 46的ORTEP圖[61]

圖16 aza-BODIPY 染料49和50

4.5 甲硫基取代BODIPY/aza-BODIPY的合成及應(yīng)用

甲硫基取代BODIPY/aza-BODIPY極為罕見[63-65]，Jiang課題組制備了含有—SMe基團的新吡咯，并應(yīng)用于合成一系列新的BODIPY/aza-BODIPY51～55[66](圖17)，為了與—SMe基團的51的光物理性質(zhì)進行嚴(yán)格比較，我們還制備了—OMe基團取代的已知aza-BODIPY56[67]。由于ICT效應(yīng)，在熒光染料中引入供電子的甲硫基可以顯著降低量子產(chǎn)率，使光譜紅移，提高消光系數(shù)和大斯托克斯位移。此外，MO計算很好地支持并解釋了51和56之間吸收最大值的差異。通過HClO將BODIPY53的硫醚轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的吸電子亞砜，可以恢復(fù)量子產(chǎn)率并使其發(fā)射光譜藍(lán)移，染料53對HClO具有高敏感性和選擇性。

圖17 甲硫基取代的染料BODIPY / aza-BODIPY

4.6 Meso-CF3-BODIPY化合物的合成

一鍋法合成meso-CF3-BODIPY染料[57,68-72]，PhSiCl3在這一合成中起著至關(guān)重要的作用，提供了Cl源，生成酰氯。BODIPY57～62[73](圖18)吸收光譜覆蓋紅光區(qū)域 (λabs=553～703 nm)。與相應(yīng)的R-BODIPY (R=H、烷基、芳基等)對比[52],強吸電子基—CF3基團導(dǎo)致吸收光譜紅移。Meso-CF3-BODIPY58～61沒有熒光。然而，染料62有窄的半峰寬、高摩爾消光系數(shù)和較好的熒光量子產(chǎn)率[41]。X-ray單晶衍射證實了meso-CF3-BODIPY59的固態(tài)結(jié)構(gòu) (圖 19)。sp3雜化的硼中心出現(xiàn)輕微歪曲的四面體結(jié)構(gòu)，這是—CF3基團的立體位阻引起的結(jié)果。

由于強吸電子—CF3基團穩(wěn)定了反應(yīng)生成的碳負(fù)離子，在80 ℃的低溫下，通過Knoevenagel縮合反應(yīng)合成了BODIPY63(圖20)[74,75]。63中的二甲氨基不僅用作pH識別單元，而且又與—CF3組建了推拉系統(tǒng)，染料63是一種近紅外pH響應(yīng)的熒光探針。

Meso-CF3-BODIPY58與NBS反應(yīng)，生成二溴取代meso-CF3-BODIPY64(圖21),64單重態(tài)氧生成效率是母體58的2.4 倍。

圖18 meso位—CF3取代的BODIPY染料57～62圖19 染料59的X-ray晶體結(jié)構(gòu)[73]圖20 熒光染料BODIPY63圖21 光敏劑BODIPY64

4.7 長波長吸收五元環(huán)BODIPY/aza-BODIPY的合成及光物理性質(zhì)

五元環(huán)稠合BODIPY/aza-BODIPY具有近似平面的結(jié)構(gòu)[76,77]，作者利用五元環(huán)設(shè)計合成了BODIPY/aza-BODIPY65～68[78](圖22)。

為了嚴(yán)格比較光物理性質(zhì)，還制備了新的BODIPY69(圖22)。五元并環(huán)和六元并環(huán)結(jié)構(gòu)的BODIPY/aza-BODIPY光譜性質(zhì)幾乎一致，通過X射線晶體學(xué)分析證實了BODIPY69的固態(tài)結(jié)構(gòu)[78](圖23)，六元環(huán)稠合的BODIPY69的母核不是平面而是扭曲的。

圖22 五元環(huán)融合BODIPY/aza-BODIPY染料65～69

圖23 染料69的分子結(jié)構(gòu)[78]

4.8 近紅外熒光aza-BODIPY探針用于L-賴氨酸的特異性檢測

基于3-氯BODIPY的熒光化學(xué)傳感器的反應(yīng)原理[79,80]，作者對其進行新的修飾，并通過在C—Cl鍵中插入噻吩基來構(gòu)建熒光探針(圖24)[81]，在CH2Cl2中，aza-BODIPY70在近紅外區(qū)域有吸收和發(fā)射(λabs/λex=732/753 nm)，具有高摩爾消光系數(shù)和中等熒光量子產(chǎn)率。加入Lys后，N-親核試劑直接攻擊芳環(huán)的鹵素，產(chǎn)生氨基取代的aza-BODIPY，導(dǎo)致PET效應(yīng)。探針70對Lys具有選擇性和敏感性，并可用于檢測PC3細(xì)胞中的Lys。

圖24 熒光染料BODIPY 70

將2 μmol/L的70與PC3細(xì)胞在37 ℃下孵育20 min后，洗滌除去過量的染料。用ArrayScanS VTI HCS Reader倒置熒光顯微鏡進行熒光成像，在細(xì)胞質(zhì)區(qū)域觀察到強而明亮的紅色熒光圖像(λex=655 nm)，表明探針70具有出色的細(xì)胞膜通透性(圖25)。將處理過的細(xì)胞與Lys在培養(yǎng)基中于37 ℃孵育20 min后，PC3細(xì)胞顯示出明顯的熒光衰減，顯然，添加Lys 20 min后，顯微鏡圖像的熒光強度變得很弱，表明染料70能夠有效地檢測活細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞內(nèi)Lys攝取。

圖25 2 μmol/L染料70在37 ℃下、5%DMSO(體積分?jǐn)?shù))的PBS中孵育PC3細(xì)胞20 min的熒光顯微鏡圖像比例尺：20 μma.紅色表示細(xì)胞質(zhì)區(qū)域被70染色(λex=655 nm)；b.進一步與20 μmol/L賴氨酸在37 ℃下反應(yīng)20 min

4.9 對H2S的高選擇性的二硝基氟苯硫解的熒光探針的合成

設(shè)計合成了一種檢測H2S的“裸眼”熒光開關(guān)探針(圖26)。在生理pH值7.4時，H2S的主要形態(tài)為HS-，HS-/H2S的比值約為3/1[82]。根據(jù)文獻報道[83-85]，作者采用NaHS作為H2S的當(dāng)量化合物[86]，加入NaHS時，通過保護DNP基團可以順利進行裂解反應(yīng)。探針71的吸收和發(fā)射最大值分別為580 nm和615 nm，探針71為強熒光，加入NaHS后，吸收最大值紅移至617 nm，熒光強度顯著降低90%。這些結(jié)果表明，這種DNP基團與BODIPY母核的直接連接可以有效地恢復(fù)熒光團的量子產(chǎn)率。然而，當(dāng)通過H2S除去71中的二硝基苯以釋放羥基時，72中的羥基向BODIPY母核進行電子轉(zhuǎn)移，引起熒光猝滅。

將5 μmol/L的71與HCT-116和CT-26細(xì)胞在37 ℃下孵育30 min。在可視化之前，洗滌除去多余的染料。ArrayScanS VTI HCS Reader倒置熒光顯微鏡進行熒光成像(圖27),在細(xì)胞質(zhì)區(qū)域觀察到強而明亮的紅色熒光圖像(λex=550 nm)，表明探針71具有出色的細(xì)胞膜通透性,將處理過的細(xì)胞與NaHS(20.0 μmol/L)在培養(yǎng)基中于37 ℃孵育50 min后，HCT-116和CT-26細(xì)胞顯示出明顯的熒光猝滅，并且細(xì)胞質(zhì)區(qū)域中未發(fā)現(xiàn)明顯的熒光,表明染料71能夠有效檢測活細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞內(nèi)HS-攝取。

圖27 5 μmol/L染料71在37 ℃下孵育HCT-116、CT-26細(xì)胞30 min，而后，進一步與20 μmol/L NaHS 在37 ℃孵育50 min的熒光顯微鏡圖像，比例尺：20 μm[86]a.紅色表示HCT-116細(xì)胞質(zhì)區(qū)域被染料71染色(λex=550nm);b.HCT-116細(xì)胞質(zhì)無色區(qū)域為染料71與NaHS (λex=550 nm);c.紅色表示CT-26細(xì)胞質(zhì)區(qū)域被染料71染色(λex=550 nm);d.CT-26細(xì)胞質(zhì)無色區(qū)域為染料71與NaHS (λex=550 nm)

4.10 1,7位含萘基aza-BODIPY染料的合成及其在單重態(tài)產(chǎn)氧中的應(yīng)用

利用重原子效應(yīng)，通過增加S1→T1躍遷，可以提高單重態(tài)氧的生成效率[87]。近紅外吸收染料73Br和74Br(λabs=705 nm)光照下可以產(chǎn)生單重態(tài)氧(圖28)[88]。由于重原子效應(yīng)，與73H和74H相比，73Br和74Br熒光均非常弱。與相應(yīng)的母體aza-BODIPY74H(λabs=718 nm)相比，74Br的最大吸收藍(lán)移至698 nm。近紅外染料73和74具有高消光系數(shù)。與母體aza-BODIPY相比，二溴取代的aza-BODIPY作為PS產(chǎn)生單重態(tài)氧，更為有效。在此過程中，沒有觀察到含萘基的aza-BODIPY染料被光漂白。

圖28 萘取代的aza-BODIPY染料

4.11 新型5，6，5，6-四環(huán)吡嗪/吡咯稠合不對稱雙(BF2)熒光染料BOPYPY的合成、性能及應(yīng)用

Jiao等[89]報道了含有吡咯和N-雜芳烴衍生物(BOPPY)的不對稱雙(BF2)熒光團的新結(jié)構(gòu)。2019年，我們首次報道了5,6,5,6-四環(huán)吡嗪/吡咯稠合的不對稱雙(BF2)熒光染料(BOPYPY)(圖29)[90]，BOPYPY75在490 nm、522 nm處發(fā)射，與典型的BODIPY染料相比，具有大的斯托克斯位移(79 nm)。與75相比，BOPYPY76～80通過相應(yīng)吡咯的π-共軛的延伸，具有長波長吸收(λabs=498～546 nm)，并且它們的發(fā)射甚至達到紅色區(qū)域(λem=560～610 nm)。此外，BOPYPY76～80具有高摩爾消光系數(shù)、高熒光量子產(chǎn)率和更大的斯托克斯位移(96～106 nm)。BOPYPY75與4-二甲基氨基苯甲醛的Knoevenagel反應(yīng)，能夠平穩(wěn)地生成帶二甲基氨基取代的染料81(圖30)，其可作為pH響應(yīng)性熒光傳感器檢測酸值。

圖29 熒光染料BOPYPY 75～80

圖30 pH熒光分子探針81

4.12 BODIPY/aza-BODIPY在光扳機方面的應(yīng)用

為了對活細(xì)胞中的CO進行選擇性成像，Chang及其同事使用了鈀配合物82(圖31)[91]。由于鈀的重原子效應(yīng)，82的熒光被猝滅。與CO反應(yīng)后，鈀原子從BODIPY中釋放出來，導(dǎo)致熒光恢復(fù)，熒光開啟，對CO具有選擇性，并且?guī)缀醪皇躌OS或活性氮(RNS)的影響。

圖31 基于鈀的重原子效應(yīng)淬滅的CO響應(yīng)探針

通過環(huán)二氧甲烷中間體進行的苯酚分子內(nèi)氧化可用于檢測ONOO-(圖32)[92,93]。通過PeT控制，化合物83與ONOO-反應(yīng)產(chǎn)生熒光，開啟響應(yīng)[94]。

圖32 基于ONOO-檢測的BODIPY探針

5 結(jié)論

盡管Lukyanets的方法很容易實現(xiàn)且在商業(yè)上可行，但合成的aza-BODIPY結(jié)構(gòu)單一，其功能很少被報道。O’Shea的方法占據(jù)了合成aza-BODIPY的主要位置[95]。而通過Carreira方法合成的具有更長波長的芳基稠合的aza-BODIPY及其應(yīng)用，未來值得提倡和期待。