本文要點：短波紅外區(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相比，短波紅外區對組織的穿透深度增加，圖像分辨率提高，光子能量較低，有利于復雜系統中的光學成像。小分子熒光團毒性低，容易從體內清除，但要獲得吸收和發射大于1,000 nm、熒光量子產率ΦF大于∼0.3%的熒光團是具有挑戰性的。

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，發現λ吸收峰調整∼80 nm，并與σ的Meta Hammett常數形成線性的自由能關系。取代基的同一性對所分析的系列的量子產率的影響最小(ΦF=0.42−0.62%)。發現7位跟間位關聯，于是作者將二甲氨基放置在黃雜環上的其他位置(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)的光物理數據

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位與間位進行了關聯，預計6位將與對位相對應，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。這些結果與根據哈米特參數預測的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狀態下(C)5-Flat7和(D)8-Flat7的雜環結構，用M06-2X/6-31+G(d，p)優化

取代基改變了π-體系在多亞甲基鏈和黃雜環上的平面性。作者用兩個角度參數α和β去卷積這些效應(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鍵發生碰撞，形成較大的18°角。NMe2取代基也改變了黃雜環附近的幾何構型。Flat7(1)和6-Flat7(4)的扭轉角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構的差異。FMOS研究表明，黃素雜環中的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°的離面扭轉導致氮孤對電子與生色團的π共軛減少。8-Flat7(5)的實質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；8-Flat7(5)的間隙達到極限，為3.03 eV，與最短λmax，abs相關。預測的λmax，Abs相對于實驗結果系統地藍移了159−190 nm，這可能是由于雙激發的貢獻。對λmax的分析表明，取代基在黃素環上的位置可以影響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，發現7位官能團的熒光量子產率幾乎沒有變化。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)氮雜環丁烷取代的七甲基黃(12，13)的結構。(B)6-和7-氨基香豆ｓｕ熒光團的結構(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)在構象上是相似的，但ΦF有巨大差異。黃素雜環在結構上類似于香豆ｓｕ雜環，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移(TICT)態的貢獻更大，在該狀態下，胺供體在光激發下由∼90°扭曲出平面，形成非發射物種。于是推測，與母體Flat7(1)相比，類似的現象也可能導致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位含有氮雜環丁胺的七甲基黃胺。氮雜環丁胺已被證明通過防止取代基扭曲平面來最小化TICT狀態。發現氮雜-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的倍數變化(4比1，12比13，10比11；圖5D)，發現七甲基黃素和香豆ｓｕ染料的NMe2不同放置有相似的變化，而氮雜環丁酰化的七甲基染料變化較小。這些數據支持這樣的觀點，即TICT可能在6位發揮更大的作用，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有顯著的影響。取代基立體效應影響共軛度，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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