本發明屬于熒光探針技術領域，更具體地，涉及一種雙波長控制的近紅外熒光分子開關蝶形二噻吩基乙烯-三萘嵌二苯酰亞胺、其制備方法和應用。

背景技術：

光致變色材料是指受到不同波段光源激發后能夠可逆改變其光學性質，發生顏色變化的一類材料。二芳基乙烯因為具有雙穩態特性和良好的抗疲勞性而成最有應用前景的光致變色化合物之一。由二芳基乙烯與熒光基團構造而成的熒光分子開關能通過二芳基乙烯的光致變色作用調控熒光基團的熒光發射行為，從而實現分子熒光的光控開關，它在光存儲、光開關、全光晶體管、化學傳感、光電子器件、生物成像等領域的應用中表現出強勁地發展勢頭，任何有機熒光染料涉及的領域，都有可能通過引入二芳基乙烯來獲得新的涵義“開關”。

吸收或發射光譜在可見或近紅外區域的熒光染料是許多不同領域的研究熱點，特別是吸收或發射波長位于650-1000nm這一被稱之為“生物窗口”范圍內的近紅外熒光染料，它們在細胞標記、生物成像、分子開關和分子器件、激光媒介和光電材料等相關領域有廣泛的應用。分子熒光作為一種傳感信號有如下的優點：可達到單分子檢測的高度靈敏性，也可開關，能夠實現人與分子之間的通訊，對亞微粒還存在可視化的亞納米空間高度分辨，而且是亞毫秒時間的分辨，具有高靈敏度的熒光檢測不但廣泛用于生命體外的生物體系分子的探針研究，而且還用于活體內的光學影像探針。然而，傳統熒光的最大發射波長一般在600nm以下，在紫外-可見區域，人體內的生物分子也會對這個區域的波長產生很好的吸收。此外，在這一區域的光波都比較分散，從而無法深入穿透組織，另外，在這一區域還能產生強大的自體熒光，從而導致了高背景噪聲，這些原因都導致了傳統的染料不適合應用于體內成像，與之相反的是，在近紅外(nir)區，即在650-900nm的區域，生物分子在這個區域有很少的吸收，近紅外熒光能夠深入組織內部，可深達數厘米，同時在這一區域基本沒有自體熒光，能夠得到許多高信號，低背景噪聲。

為了得到近紅外二芳基乙烯的熒光分子開關，人們嘗試了各種方法，其中，最常用的方法就是延長噻吩基團上的π共軛長度，然而效果并不顯著。yam課題組通過引入金屬配合物，使二芳基乙烯平面化從而間接地延長其共軛結構來實現熒光分子開關的紅移。而田禾院士課題組采用了在二芳基乙烯中引入推拉電子結構，實現其波長的紅移，從而構建出近紅外的二芳基乙烯熒光分子開關。然而上述方法合成較復雜，其產物熒光量子產率低，光響應慢。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種二噻吩基乙烯-三萘嵌二苯酰亞胺分子及其制備方法，并將其應用于近紅外熒光分子，其目的在于通過將四個二噻吩基乙烯與單個三萘嵌二苯酰亞胺通過氧橋鍵非共軛相連，構造了高效的蝶形二噻吩基乙烯-三萘嵌二苯酰亞胺，其中二噻吩基乙烯為光致變色單元，用于控制近紅外熒光團的發光與淬滅，三萘嵌二苯酰亞胺為熒光團，該熒光團用于發出650nm～800nm近紅外熒光，由此解決現有技術近紅外二芳基乙烯熒光分子開關存在很多明顯的缺點，如光穩定性差，合成復雜，熒光量子產率低，光響應慢的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種二噻吩基乙烯-三萘嵌二苯酰亞胺分子，所述分子由2～4個二噻吩基乙烯基團與單個三萘嵌二苯酰亞胺基團通過氧橋鍵非共軛相連。

優選地，所述的二噻吩基乙烯-三萘嵌二苯酰亞胺分子為四(r-二噻吩基乙烯)-三萘嵌二苯酰亞胺，其具有如式(ⅰ)所示的結構通式：

其中，r為-h、-c1-c12烷基、-oh、雜環或聚合物鏈，所述n為0～12的整數，x為o、s或n；r1為-h、-c1-c12烷基或

優選地，所述r為

按照本發明的另一個方面，提供了一種所述的四(r-二噻吩基乙烯)-三萘嵌二苯酰亞胺的制備方法，包括如下步驟：

(1)將化合物a、化合物b和碳酸鈉均勻分散于乙二醇二甲醚和水的混合溶液中，在氮氣保護下，加入催化劑劑量的pd(pph3)4，加熱至80～100℃反應12～24h，反應完成后分離提純后得到化合物c，所述a，b和c的分子結構如式(a)，式(b)和式(c)所示；

(2)將所述化合物c、對羥基苯硼酸和碳酸鈉均勻分散于乙二醇二甲醚和水的混合溶液中，在氮氣保護下，加入催化劑劑量的pd(pph3)4，加熱至80～100℃反應12～48h，反應完成后分離提純后得到化合物d，其分子結構如式(d)所示：

(3)將化合物e、化合物f和碳酸鉀均勻分散于甲苯和水的混合溶液中，在氮氣保護下，加入相轉移催化劑四丁基硫酸氫銨和催化劑劑量的pd(pph3)4，加熱至70～90℃反應12～24h，反應完成后分離提純后得到化合物g，所述e、f和g的分子結構如式(e)，式(f)和式(g)：

(4)將所述化合物g和碳酸鉀均勻分散于乙醇胺中，在氮氣保護下加熱至100～150℃反應6～12h，反應完成后分離提純后得到化合物h，其分子結構如式(h)所示；

(5)將所述化合物h溶于氯仿中，然后向溶液中滴加10～50摩爾當量的液溴，加熱回流8～24h，反應完成后分離提純后得到化合物j，其分子結構如式(j)所示；

(6)將所述化合物d、化合物j和碳酸鉀分散于n-甲基吡咯烷酮中，在氮氣保護下加熱至60～100℃反應8～24h，反應結束后，分離提純得到化合物k，即為式(ⅰ)所示的近紅外熒光分子開關，其中取代基r為r1為

優選地，步驟(4)所述反應溫度為135℃。

優選地，步驟(5)所述滴加液溴摩爾當量為30。

按照本發明的另一個方面，提供了一種所述的二噻吩基乙烯-三萘嵌二苯酰亞胺分子的應用，應用于近紅外熒光分子開關。

優選地，所述熒光分子開關通過>495nm的可見光或300nm～400nm的紫外光控制其熒光“開”、“關”行為。

優選地，所述熒光分子開關作為近紅外熒光探針應用于近紅外生物成像，通過光調控其自組裝形成微納米結構。。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果。

(1)本發明將多個光致變色單元(二噻吩基乙烯)與單個熒光團(三萘嵌二苯酰亞胺)相連，可解決單個二噻吩基乙烯不足以完全地開關控制一個熒光基團的缺點，有效地加強熒光開關速度及淬滅效率。

(2)本發明的近紅外熒光分子開關優異的光學性能決定其非常適合光學信息存儲、生物成像、近紅外光電子器件等方面的應用。本發明的熒光分子開關應用于近紅外生物成像時，通過光調控其自組裝形成微納米結構，在非極性溶劑和聚合物介質中擁有超過3000的熒光開關對比度，其開環態具有較高的熒光量子產率，302nm紫外光照數秒鐘內熒光幾乎完全淬滅循環開關10次，其熒光損失不超過5％，具有良好的抗疲勞性。

附圖說明

圖1為本發明四(r-二噻吩基乙烯)-三萘嵌二苯酰亞胺近紅外熒光分子開關的結構通式；

圖2為本發明的四(r-二噻吩基乙烯)-三萘嵌二苯酰亞胺的熒光開關原理示意圖；

圖3為本發明的四(r-二噻吩基乙烯)-三萘嵌二苯酰亞胺的合成路線圖；

圖4為實施例1化合物k的氫核磁譜圖；

圖5為實施例1化合物k在不同溶劑中光致變色的吸收和發射的光譜圖；

圖6為實施例1化合物k在四氫呋喃溶液中吸收和熒光可逆開關循環圖；

圖7為實施例1化合物k在302nm紫外光照1min和5min后自組裝的形貌圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

本發明一種二噻吩基乙烯-三萘嵌二苯酰亞胺分子，所述分子由2～4個二噻吩基乙烯基團與單個三萘嵌二苯酰亞胺基團通過氧橋鍵非共軛相連。優選的方案，其為四(r-二噻吩基乙烯)-三萘嵌二苯酰亞胺，其具有如式(ⅰ)所示的結構通式：

其中，r為-h、-c1-c12烷基、-oh、雜環或聚合物鏈，所述n為0～12的整數，x為o、s或n；r1為-h、-c1-c12烷基或

作為優選的方案，r為

所述的四(r-二噻吩基乙烯)-三萘嵌二苯酰亞胺的制備方法，包括如下步驟：

(1)將化合物a、化合物b和碳酸鈉按照摩爾比1:1:5均勻分散于乙二醇二甲醚和水的4:1的混合溶液中，在氮氣保護下，加入催化劑劑量的pd(pph3)4，加熱至80～100℃反應12～24h，反應完成后分離提純后得到化合物c，所述a，b和c的分子結構如式(a)，式(b)和式(c)所示；

(2)將所述化合物c、對羥基苯硼酸和碳酸鈉按照摩爾比1:1:5均勻分散于乙二醇二甲醚和水的4:1的混合溶液中，在氮氣保護下，加入催化劑劑量的pd(pph3)4，加熱至80～100℃反應12～48h，反應完成后分離提純后得到化合物d，其分子結構如式(d)所示：

(3)將化合物e、化合物f和碳酸鉀按照摩爾比1:1:5均勻分散于甲苯和水的2:1的混合溶液中，在氮氣保護下，加入相轉移催化劑四丁基硫酸氫銨和催化劑劑量的pd(pph3)4，加熱至70～90℃反應12～24h，反應完成后分離提純后得到化合物g，所述e、f和g的分子結構如式(e)，式(f)和式(g)：

(4)將所述化合物g和碳酸鉀按照摩爾比1:10均勻分散于乙醇胺中，在氮氣保護下加熱至100～150℃反應6～12h，反應完成后分離提純后得到化合物h，其分子結構如式(h)所示；

(5)將所述化合物h溶于氯仿中，然后向溶液中滴加10～50摩爾當量的液溴，加熱回流8～24h，反應完成后分離提純后得到化合物j，其分子結構如式(j)所示；

(6)將所述化合物d、化合物j和碳酸鉀按照摩爾比4:1:10分散于n-甲基吡咯烷酮中，在氮氣保護下加熱至60～100℃反應8～24h，反應結束后，分離提純得到化合物k，即為式(ⅰ)所示的近紅外熒光分子開關，其中取代基r為r1為

步驟(4)所述反應溫度為135℃；低于這個溫度可能不反應或者產率很低，高于這個溫度會生成氧化等副產物；步驟(5)所述滴加液溴摩爾當量為30，30摩爾的液溴既保證反應完全又能減少液溴的揮發，量少會生成很多多溴副產物影響提純，量多液溴揮發嚴重，污染環境影響健康。

本發明提供的二噻吩基乙烯-三萘嵌二苯酰亞胺分子可以應用于近紅外熒光分子開關。該熒光分子開關通過>495nm的可見光或300nm～400nm的紫外光控制其熒光“開”、“關”行為。其作為近紅外熒光探針應用于近紅外生物成像，通過光調控其自組裝形成微納米結構。

本發明將多個光致變色單元(二噻吩基乙烯)與單個熒光團(三萘嵌二苯酰亞胺)相連，首先多個光致變色單元提高了熒光分子開關熒光淬滅的速度和淬滅效率。圖1為本發明四(r-二噻吩基乙烯)-三萘嵌二苯酰亞胺近紅外熒光分子開關的結構通式；圖2為本發明的四(r-二噻吩基乙烯)-三萘嵌二苯酰亞胺的熒光開關原理示意圖。光致變色單元(dte)與熒光基團(tdi)非共軛相連后，不僅保持了熒光團和二噻吩基乙烯各自獨立的光學性能，還實現了光致變色單元對熒光團熒光的光調控(通過不同波長的光照射，實現熒光的發射與淬滅)，主要原理是分子內的熒光共振能量轉移：開環態時，dte的吸收光譜與tdi的熒光光譜沒有重疊，不能實現分子內的能量轉移，而當紫外光照時dte轉變為閉環態時，其吸收光譜與tdi的熒光光譜有較大重疊，可發生明顯的分子內熒光能量轉移，從而使tdi熒光淬滅。

以下為實施例：

實施例1

一種式(ⅰ)所示近紅外熒光分子開關，其中取代基r為r1為

其合成路線如圖3所示，制備方法包括如下步驟：

(1)1-(5-溴-2-甲基噻吩-3-基)-2-[2-甲基-5-(4-辛氧基苯基)噻吩-3-基]全氟環戊烯(化合物c，結構式如式(c)所示)的合成。

向100ml雙口圓底燒瓶中加入1,2-雙(5-溴-2-甲基噻吩-3-基)全氟環戊烯(1.58g,3mmol)、4-辛氧基苯硼酸(0.75g,3mmol)、無水碳酸鈉(1.59g,15mmol)、水(6ml)和乙二醇二甲醚(dme,24ml)并用磁力攪拌，向混合液中鼓氮氣30min充分去除溶劑及反應體系中的氧氣。然后在氮氣流下加入零價鈀催化劑pd(pph3)4(0.17g,0.15mmol)，立即用雙排管小心抽真空排氮氣三次，使整個體系嚴格除氧。升溫至90℃加熱攪拌反應至16h。待溫度恢復至室溫，用乙醚萃取產物，水洗三次，經無水硫酸鈉干燥后過濾，旋干溶劑，用硅膠柱層析分離提純產物(用正己烷/二氯甲烷＝1:19的混合液洗脫)，得紫色固體0.92g，產率47％。¹hnmr(cdcl3,ppm):δ＝0.89(t,3h,j＝6.9hz,-ch3),1.29(m,2h,-ch2-),1.41-1.51(m,10h,-ch2-),1.79(m,2h,-ch2-),1.88(s,3h,thiophene-ch3),1.94(s,3h,thiophene-ch3),3.97(t,2h,j＝6.6hz,ph-ch2-),6.90(d,2h,j＝8.8hz,ph-h),7.05(s,1h,thiophene-h),7.11(s,1h,thiophene-h),7.44(d,2h,j＝8.8hz,ph-h).ms(apci,m/z):651.3([m]⁺)，分析證實其為化合物c，結構式如式(c)所示：

(2)1-[5-(4-羥基苯)-2-甲基噻吩-3-基]-2-[2-甲基-5-(4-辛氧基苯基)噻吩-3-基]全氟環戊烯(化合物d，結構式如式(d)所示)的合成。

向25ml的雙口圓底燒瓶中加入化合物c(0.30g,0.46mmol)，4-羥基苯硼酸頻哪醇酯(0.10g,0.46mmol)，碳酸鈉(0.24g,2.26mmol)，水(2.5ml)和乙二醇二甲醚(10ml)并劇烈攪拌混合均勻，抽真空排氮氣三次以除盡反應體系中的氧氣。在氮氣流下加入催化劑pd(pph3)4(26.6mg,0.023mmol)，再次抽真空排氮氣三次，升溫至90℃劇烈攪拌反應24h。待冷卻至室溫，用乙醚萃取，水洗三次，經無水硫酸鈉干燥后，過濾并旋干溶劑，所得粗產物以二氯甲烷：正己烷＝3:2的混合溶液作為洗脫劑經硅膠柱層析純化后得到藍色固體0.15g，產率49％，即為化合物d，結構式如式(d)所示：

(3)化合物g的合成。

向500ml的雙口圓底燒瓶中加入化合物e(2.5g,4.46mmol)，化合物f(2.16g,4.46mmol)，碳酸鉀(3.08g,22.3mmol)，甲苯(160ml)和水(80ml)并劇烈攪拌混合均勻，抽真空排氮氣三次以除盡反應體系中的氧氣。然后在氮氣流下加入相轉移催化劑四丁基硫酸氫銨(0.15g,0.446mmol)，pd(pph3)4(0.26g,0.223mmol)，再次抽真空排氮氣三次，升溫至80℃劇烈攪拌反應16h。待冷卻至室溫，用二氯甲烷萃取，水洗三次，經無水硫酸鈉干燥后，過濾并旋干溶劑，所得粗產物以二氯甲烷作為洗脫劑經硅膠柱層析純化后得到紅色固體3.49g，產率94％，其中r1為2,6-二異丙基苯基，即為化合物g，結構式如式(g)所示：

(4)化合物k的合成。

向50ml的雙口圓底燒瓶中加入化合物j(0.11g,0.10mmol)，化合物d(0.25g,0.40mmol)，碳酸鉀(0.07g,0.50mmol)和n-甲基吡咯烷酮(20ml)，在氮氣氛圍下，劇烈攪拌混合均勻，升溫至80℃劇烈攪拌反應14h。待冷卻至室溫，反應液稀鹽酸水洗，抽濾所得固體，烘干后用二氯甲烷溶解，然后水洗三次，經無水硫酸鈉干燥后，過濾并旋干溶劑，所得粗產物以二氯甲烷：正己烷＝2:1的混合溶液作為洗脫劑經硅膠柱層析純化后得到藍綠色固體0.11g，即化合物k，產率34％，其核磁氫譜圖如圖4所示，化合物k的結構式如下：

其中，r為r1為

圖4為本實施例化合物k的氫核磁譜圖，該圖譜證實其為式(i)所示的結構，且r為r1為

式(ⅰ)結構式中r和r1對應的其他取代基(r為-h、-c1-c12烷基、-oh、雜環或聚合物鏈，所述n為0～12的整數，x為o、s或n；r1為-h、-c1-c12烷基或)的蝶形分子可以按照實施例1類似的合成思路制備得到。

圖5為近紅外熒光分子開關(化合物k)在不同溶劑中光致變色的吸收和發射光譜圖，其開環態具有較高的熒光量子產率，302nm紫外光照數秒鐘內熒光幾乎完全淬滅，能實現熒光多次可逆循環。如附圖5所示，a和b圖為k在甲苯中的吸收和發射光譜隨紫外光照時間的變化，c和d圖為k在四氫呋喃中吸收和發射光譜的變化，e和f圖為k在n,n-二甲基甲酰胺中吸收和發射光譜的變化。化合物k在thf、dmf、甲苯稀溶液中具有相同的紫外吸收和光致變色性能，說明溶劑的極性不影響光致變色的速率。通過對比k的開環態和光穩態吸收光譜，發現等濃度的溶液具有幾乎相同的紫外可見吸收光譜，表明溶劑的極性不影響k的吸收，在不同的溶劑中光穩態的光轉化率近似相等，k的稀溶液經302nm紫外光照射2～5s后，大部分開環態轉變為閉環態，其熒光幾乎完全淬滅。光照20s后，其熒光強度幾乎與溶液空白基線重合。可預計該近紅外熒光分子開關具有超高的熒光開關比和較快的熒光響應速率。其中紫外光波長為302nm，k在溶液中的濃度為5×10^-7m，熒光激發波長為600nm。

圖6為近紅外熒光分子開關(化合物k)在四氫呋喃溶液中吸收和熒光的可逆開關循環圖。如附圖6所示，a圖為k在四氫呋喃中吸收光譜在608nm處強度的變化，其濃度為1×10^-6m，循環光照條件：302nm紫外光照5s，隨后>495nm可見光照10min；b圖為k在四氫呋喃中發射光譜在697nm處熒光強度的變化，其濃度為1×10^-6m，循環光照條件：302nm紫外光照5s，隨后>495nm可見光照10min。該近紅外熒光分子開關具有良好的抗疲勞性，循環光照10次，其熒光強度衰減不超過5％。

圖7為紅外熒光分子開關(化合物k)在dmf溶液中，經302nm紫外光照1min(a圖)和5min(b圖)后靜置三天的自組裝形貌圖，其中k在溶液中的濃度為2×10^-6m。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。