导语

聚集诱导发光（Aggregation Induced Emission, AIE）是唐本忠院士于2001年提出的一个光物理现象。自AIE分子的发光原理——分子内运动受限（Restriction of the Intramolecular Motion, RIM）被科学界普遍认可，越来越多的新型的AIE分子被设计和开发用于分析检测和医学成像等领域。近日，太原理工大学高文超课题组开发出一种新型硫试剂N-烯基硫代邻苯二甲酰亚胺（N-VTPs），该试剂可模块化引入烯基硫基团，构建具有AIE效应的四芳基二烯基硫醚（TADVSs）和二芳基烯基硫醚（DAVSs）功能分子。其中，TADVSs是首次被报道的杂原子插入线性定子的AIE基元。该工作通过对晶体结构的分析，对其AIE发光性能进行了详细论述和解释，并制备了具有喹啉盐的水溶性TADVS用于细胞成像。相关研究成果发表在Org.Lett.（DOI: 10.1021/acs.orglett.3c03662）。

前沿科研成果

N-烯基硫代邻苯二甲酰亚胺（N-VTPs）用于烯基硫AIE单元转移

由于聚集诱导发光分子独特的光化学性质和其在检测、追踪和成像中的广泛应用，AIE已成为当下有机发光材料研究的热门领域。根据分子内运动受限的设计原理，多种新颖的AIE 基元(AIEgens)被设计开发出来，目前已知的典型AIE基元，如六苯基硅氧烷（HPS）、四苯基乙烯（TPE）、四苯基吡嗪（TPP）等已被广泛应用于多种检测和荧光成像等场合。此外，将杂原子掺杂进AIE基元中，通过增强n-π共轭，降低LOMO能级等结构特点，进一步扩大AIE分子的应用场景和使用范围。多种杂原子，如第13族元素（B、Al和Ga）、14族元素（Si、Ge和Sn）、15族元素（N、P和As）和卤族元素都有成功掺杂进AIE基元中的案例。根据AIE机制的分子内运动受限的机制，杂原子目前掺杂的位点主要集中在环状定子中，以保证荧光分子的刚性和柔性不受影响(图a)。四苯基乙烯（TPE）是一种可靠的，具有线性定子的经典AIE分子，近年来，通过对其进行杂原子掺杂来改善荧光发射谱带较窄问题，已经得到了很好的发展（图b）。然而，主流设计思想认为，线性定子的刚性是阻碍苯基旋转和分子间π-π堆积的关键，所以杂原子改性的TPE主要集中在分支转子上，但是对于将杂原子结合到线性定子中的方案尚未得到探索（图c）。而且，鉴于合成手段的局限，该类结构是否具有AIE效应也长期处于未知状态。因此，进一步高效获得该类杂原子掺杂的分子结构并判定其发光性能，具有重要意义。

图1. 含杂原子的AIE基元（来源：Org. Lett.）

太原理工大学高文超课题组长期致力于含硫新试剂的开发并用于多种功能性含硫体系的构建（Org. Chem. Front.,2021, 8, 1275-1279；Chem. Commun.,2021, 57, 1943-1946; Org. Lett.,2022, 24, 5736; Chin. Chem. Lett.,2023, 34, 107587; Org. Chem. Front.,2023, 10, 2070.）。作为持续开发功能性硫试剂工作的一部分，该研究团队设计了一种新型N-烯硫基代邻苯二甲酰亚胺（N-VTPs）库，使烯硫基能够高效安装在芳香体系和烯基π系统中，并发现两类硫醚结构二芳基烯基硫化物（DAVs）和四芳基二烯基硫化物（TADVs）均具有AIE发光性能。值得一提的是，TADVSs作为一种硫原子插入TPE定子中的功能分子，被证实具有良好的AIE性能。

由于乙烯基硫醇的非自然存在和硫鎓离子形成的固有趋势，制备同时含有C-C双键和硫亲电位点的掩蔽乙烯基硫醇亲电试剂颇具挑战性。通常，N-硫代邻苯二甲酰亚胺可以被Lewis酸活化，但在Brønsted酸存在下却相对稳定，因此，在质子酸（优选吡啶盐酸盐）的存在下，成功制备了不同的N-烯硫基邻苯二甲酰亚胺（N-VTPs）。如图2所示，各种含不同取代的二芳基乙烯均以中等至良好的产率转化为所需产物，且实现了2c的克级制备。通过2g的X射线晶体衍射进一步证实了N-VTPs的确切结构。与已知的1,1-二芳基乙烯类似，N-VTPs没有显示出明显的AIE效应，可能与酰亚胺的氮原子和乙烯基硫的硫原子之间较低的n-p*相互作用以及围绕N-S键的柔性旋转有关。

图2. N-烯基硫邻苯二甲酰亚胺库（来源：Org. Lett.）

接下来，根据AIE分子设计的机理规则，作者以共轭基团取代N-VTPs的邻苯二甲酰亚胺掩蔽基团。在尝试不同的烯基供体，如二芳基乙烯基溴化物、二芳基乙烯基硼酸和乙烯基硫盐之后，发现N-VTPs与二芳基二苯并噻吩盐（DBT）可以在三环己基膦（Cy3P）的介导下成功合成TADVSs。如图3所示，具有不同取代基的DBT盐在该转化中具有良好的耐受性，并以良好至优异的产率得到所需的TADVSs。从机理上讲，在该转化中，N-VTPs首先通过TCHP还原，然后与乙烯基硫盐发生C-C双键的亲核加成，得到叶立德中间体，随后发生分子内SN2取代和质子消除，得到所需的产物4。

图3. TADVSs的构建（来源：Org. Lett.）

作者通过测定不同水分数下的荧光，证实了TADVSs的AIE特性。以4a的AIE特征为例：当水含量在0-50%的范围内时，荧光强度略有变化，然而当水含量增加到60%时，荧光强度急剧增加（图a）。在溶液和粉末状态下也可以观察到类似的蓝色发射（图b）。通过图c中列出的四种含S的TPE衍生物的比较发现，TADVSs显示出最小的斯托克斯位移。此外，由于TADVSs中4f、4g和4l中存在固有的扭曲D-A系统，在稀溶液中发生了扭曲分子内电荷转移（TICT）：随着水含量fw（0–20%）的增加，可以观察到荧光发射先由强变弱，在水分数逐渐增加到60%后，AIE效应占主导地位。

图4.4a的荧光光谱数据及与其他含硫AIE基元的对比（来源：Org. Lett.）

为了更好地了解聚集态TADVSs的光物理性质，作者通过溶剂扩散法从环己烷/PE混合体系（1:1 v/v）中获得了4k单晶，晶体显示整个构象为展翅的蝴蝶状（图5）。值得注意的是，由于相邻4-溴苯环之间的空间排斥，4k分子呈扭曲构象，相邻芳环之间的扭曲二面角为62.2o，而其母核二乙烯基硫化物在构象上几乎是平面的（177.2o）。尽管在二乙烯基硫化物中存在两个C-S σ键，但其扭曲构象仍然被双侧空间位阻锁定，以限制键的旋转和π-π堆积。与TPE-AIEgens相比，较长的二乙烯基硫化物定子对发光没有明显的影响。

图5.4k的晶体结构和堆积图（来源：Org. Lett.）

由于4g的量子产率较高且有醛的反应把手，作者通过将喹啉盐引入TADVS中构建了AIE探针4q（图6a）。正如预期的那样，所需喹啉盐4q在DMSO/水的混合溶液中表现出良好的AIE发光特性（图6b）。动态光散射结果表明，聚集物4q的平均粒径约为100 nm（图6c），符合细胞摄取的颗粒要求。随后将Hela细胞与4q的聚集纳米颗粒一起孵育，并进行细胞成像。通过共聚焦激光扫描显微镜可以清楚地收集到红色发射（图6d）。因此，TADVS在细胞成像方面具有潜在的应用前景。

图6. AIE基元4q的合成，荧光特性及细胞成像（来源：Org. Lett.）

二芳基乙烯基硫化物（DAVSs）也被报道具有明显的AIE发光性能。利用所开发的N-烯基硫邻苯二甲酰亚胺，在铜催化下，可将快速高效地将商业易得的硼酸与N-VTPs偶联，得到种类丰富的二芳基乙烯基硫化物5（图7）。各种芳基硼酸都可以以中高产率转化为所需的DAVS-5。具有不同取代基的N-VTPs也表现良好，实现了双芳基乙烯基硫代硫化物的高效性和多样性合成。

图7. 二芳基乙烯基硫化物（DAVSs）的构建（来源：Org. Lett.）

受TADVSs和DAVSs的AIE性质的启发，作者进一步研究了乙烯基硫代单元的其他结构的发光性能（图8）。通过Cu催化的炔烃硫化获得了连接到sp C端位的乙烯基炔基硫化物6。然而，尽管整个分子具有延伸共轭，但硫化物6的发射波长仍处于紫外区域，并且在聚集状态下没有检测到明显的AIE性质，这可能是因为炔烃部分的苯环和二芳基乙烯基部分之间的距离长，对分子内运动的限制较小。另一方面，通过Rh催化的卡宾N–S插入反应，得到了乙烯基硫代单元连接到sp3 C位置的化合物7。然而，与6类似，随着向7的CH3CN溶液中逐渐加水，也没有观察到明显的AIE效应，这表明延伸共轭对于成为乙烯基硫代AIEgens也是必要的。

图8. sp C及sp3 C的二芳基烯基硫化反应（来源：Org. Lett.）

总结：

本文开发了一种用于模块化引入烯硫基硫基团的新型硫试剂N-VTPs，能够构建AIE活性分子TADVSs和DAVSs。硫插入乙烯定子的TADVSs是通过磷介导的C-S键形成获得的，而喹啉盐修饰的水溶性TADVS通过AIE效应实现了细胞成像。通过X射线分析表明，TADVS的AIE发射主要是由聚集状态下的蝶形扭曲构象实现的。通过铜催化的N-VTPs与硼酸的交叉偶联，有效地构建了具有AIE活性的TADVSs。然而，尽管乙烯基硫代单元可以成功地转移到具有N-VTPs的炔烃或烷烃上，但都没有发现AIE活性。

该工作近期发表在《有机化学通讯》上（Org. Lett.2023, DOI: 10.1021/acs.orglett.3c03662），太原理工大学田俊博士和高文超副教授为本工作的共同通讯作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金、山西省自然科学基金及山西留学回国人员择优项目的资助。

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